汶上蘆花雞保種群體一對(duì)等位基因遺傳漂變的計(jì)算機(jī)模擬

李國(guó)輝+韓威+張會(huì)永+王洪志+殷建玫+尤哲夫+蘇一軍

摘 要：小群保種是我國(guó)家禽遺傳資源保護(hù)的一種重要方式。在假定汶上蘆花雞保種群體不發(fā)生基因突變的情況下，群體內(nèi)實(shí)行家系等量隨機(jī)留種，采用計(jì)算機(jī)模擬方法研究一對(duì)等位基因（PRL基因）在群體內(nèi)的實(shí)際頻率和假設(shè)不同基因頻率、不同群體規(guī)模保種群體內(nèi)一對(duì)等位基因座位的遺傳漂變。模擬試驗(yàn)共進(jìn)行了800個(gè)世代。結(jié)果表明：汶上蘆花雞保種群體（群體實(shí)際有效含量為102）20世代后等位基因的丟失或固定率達(dá)5.34%。在假設(shè)群體中，群體規(guī)模越大，基因由于隨機(jī)遺傳漂變而發(fā)生丟失或固定的概率也越低。群體規(guī)模太小以及基因的初始頻率過(guò)低或過(guò)高，均會(huì)增加基因丟失或固定的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：汶上蘆花雞；等位基因；基因頻率；遺傳漂變；計(jì)算機(jī)模擬

中圖分類號(hào)：Q34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.09.015

Abstract：It was an important way by a small group to conserve poultry genetic resources in China. Computer simulation was used to study the genetic drift of alleles gene（PRLgene） in the population actual frequency and the genetic drift of a single biallelic loci assuming different gene frequencies and a closed population of different population sizes， based on the assumption that there was no gene mutation in Wenshang barred chicken conservation population. Random selection and mating were implemented in all generations， the generation was non-overlapping and the number of breeding chicken was kept equal in each generation. The simulation experiment was carried out for 800 generations. The results showed that the loss or fixation rate of allele was 5.34% after 20 generations in Wenshang barred chicken group （group real effective content of 102）. In assumed group， the lower probability of gene loss or fixation resulted from random genetic drift were gained for larger size population. The risk of gene loss or fixation would be increased for smaller population size， lower or higher initial gene frequency.

Key words：Wenshang barred chicken； alleles； gene frequency； genetic drift； computer simulation

畜禽遺傳資源是一種特殊資源，是改良畜禽和塑造人類所需要的畜禽新品種的原始材料和基因來(lái)源。我國(guó)是世界上畜禽遺傳資源最豐富的國(guó)家，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，部分畜禽資源日益瀕臨滅絕，畜禽遺傳資源的保護(hù)已成為人們廣泛關(guān)注的課題[1]。

目前，通過(guò)繼代繁殖來(lái)保存一個(gè)家禽群體（保種群）的保種方式仍是保護(hù)家禽遺傳資源的主要形式。這種原位保種的方式要求盡量保持一個(gè)品種的基因庫(kù)平衡，力爭(zhēng)使基因庫(kù)中的每一個(gè)基因都不丟失[2]。因此，在一個(gè)有限規(guī)模的家禽保種群體中，有效地減少基因丟失或固定的概率，才能保持一個(gè)群體的遺傳特性和適應(yīng)性的相對(duì)穩(wěn)定性。在這個(gè)有限規(guī)模的保種群內(nèi)，由于繼代繁殖過(guò)程中配子的隨機(jī)抽樣而導(dǎo)致的遺傳漂變（Geneticdrift）是影響群體遺傳結(jié)構(gòu)的重要因素[3]。遺傳漂變的直接結(jié)果就是使基因頻率在世代間發(fā)生不定向的隨機(jī)波動(dòng)，這種波動(dòng)變化導(dǎo)致某些等位基因的消失，另一些等位基因的固定，從而改變了群體的遺傳結(jié)構(gòu)。我國(guó)地方雞種資源的保護(hù)通常采用小群保種的方式保種，一般的保種群都是一個(gè)閉鎖的有限群體，在世代的自繁和基因傳遞過(guò)程中，避免不了發(fā)生遺傳漂變。保種群體的規(guī)模、性別比例以及基因的最初頻率是影響保種群體遺傳漂變的重要因素[4-5]。

本研究利用計(jì)算機(jī)模擬的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)PRL一對(duì)等位基因的頻率，旨在揭示汶上蘆花雞保種群群體規(guī)模和一對(duì)等位基因的起始頻率影響群體基因遺傳漂變的程度，從而為科學(xué)制定地方雞種保種方案提供一定的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)雞群

汶上蘆花雞試驗(yàn)群來(lái)源于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院家禽研究所國(guó)家級(jí)地方雞種基因庫(kù)汶上蘆花雞保種群，隨機(jī)選取成年公雞30只，母雞170只，共200只。翅靜脈采血0.5 mL，ACD抗凝，加裂解液5 mL，酚-氯仿抽提法提取基因組DNA。

1.2 基因多態(tài)性檢測(cè)

利用PCR-SSCP技術(shù)檢測(cè)PRL基因的多態(tài)性，發(fā)現(xiàn)PRL基因在283處座位存在A、a兩個(gè)等位基因，形成AA、Aa和aa3種基因型。設(shè)等位基因A、a的頻率分別為p和q（p=1-q），基因型AA、Aa和aa的頻率分別為G、E和F。假設(shè)保種群體中每個(gè)個(gè)體彼此間無(wú)親緣關(guān)系。群體內(nèi)實(shí)施閉鎖繁育，每個(gè)世代參與繁殖個(gè)體數(shù)相同，整個(gè)繼代繁殖過(guò)程中基因不發(fā)生突變。endprint

1.3 公式模型

保種群體有效含量的公式是Ne=4NsNd/（Ns+Nd），Ns為公雞數(shù)量，Nd母雞數(shù)量。

隨機(jī)保種的群體考慮群體遺傳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問(wèn)題，對(duì)此本研究參考芒來(lái)的文章[6]中建立的數(shù)學(xué)模型，即假設(shè)群體無(wú)選擇，只考慮一個(gè)基因的一個(gè)位點(diǎn)上的一對(duì)等位基因A、a，一個(gè)初始頻率為q的基因，于第t代丟失的概率為p，其相對(duì)基因的頻率為p0，t世代的近交系數(shù)為Ft，F(xiàn)t亦是基因的純合率。根據(jù)上述參數(shù)，可以得出：P=[1-（1-1/2Ne）t]（1-q0）。P即為世代基因丟失或固定的概率。

1.4 計(jì)算機(jī)模擬

采用EXCEL自行編寫(xiě)模擬程序，根據(jù)試驗(yàn)群體的群體規(guī)模（200只）、性別比例（3∶17）和等位基因A的初始頻率（0.392 5），構(gòu)建0世代基礎(chǔ)群?；A(chǔ)群個(gè)體的基因型根據(jù)等位基因A和a的初始頻率隨機(jī)產(chǎn)生，每個(gè)世代均實(shí)行家系等量隨機(jī)留種。后代個(gè)體的基因型由隨機(jī)來(lái)自父、母的2個(gè)等位基因構(gòu)成。整個(gè)試驗(yàn)共進(jìn)行了800個(gè)世代的模擬，計(jì)算出等位基因A、a發(fā)生丟失的頻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 PRL基因多態(tài)性的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

PCR-SSCP發(fā)現(xiàn)PRL基因調(diào)控區(qū)的pro2位點(diǎn)發(fā)生了24 bp的插入/缺失突變，存在3個(gè)基因型（圖1）。χ2檢驗(yàn)表明（表1），PRL基因多態(tài)位點(diǎn)在汶上蘆花黃雞群體處于Hardy-Weinberg平衡狀態(tài)（P<0.01）。一對(duì)等位基因A頻率為0.392 5，a頻率為0.607 5。

2.2 PRL基因遺傳漂變的計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)

將PRL等位基因A的起始頻率q，群體有效含量Ne等參數(shù)輸入EXCEL自行編寫(xiě)的程序，模擬800個(gè)世代的A的頻率變化，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2的結(jié)果表明，在汶上蘆花雞保種群體中，再經(jīng)歷20世代，等位基因A的丟失率為5.34%，80世代時(shí)等位基因A的丟失率為18.7%，經(jīng)歷100世代后等位基因A的丟失率為22.4%。如果世代間隔為一年，即400年后A基因丟失率為51.1%，達(dá)到一半以上。

在設(shè)定的基因頻率和群體規(guī)模下，一對(duì)等位基因丟失概率的數(shù)學(xué)模型理論預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3列出了假設(shè)PRL基因在不同初始基因頻率下4種群體有效含量（群體規(guī)模）模擬等位基因A發(fā)生丟失（固定）或固定（丟失）的概率。由此可以得出：無(wú)論基因的初始頻率如何，等位基因A丟失或固定的概率均隨著群體有效含量的降低而升高，且A基因丟失或固定的概率受其初始頻率的影響較大，A基因的初始基因頻率為0.1和0.9時(shí)，每個(gè)世代發(fā)生丟失或固定的概率基本不變；當(dāng)初始頻率較低時(shí)，群體有效含量越大，A基因發(fā)生丟失或固定的概率隨之減少，群體有效含量為400只時(shí)，在第10代時(shí)發(fā)生A的丟失或固定僅為0.1%；當(dāng)初始頻率為0.5時(shí)，所有規(guī)模的群體在第10代時(shí)出現(xiàn)A基因丟失或固定最小。即便再經(jīng)歷10年，群體有效含量為400只的群體發(fā)生A的丟失或固定僅為1.2%。這說(shuō)明，初始頻率過(guò)低或過(guò)高都會(huì)加速基因（A或a）在整個(gè)群體中的丟失或固定。

3 結(jié)論與討論

起始基因頻率越高，其丟失的概率越小。保存一個(gè)基因不丟失，當(dāng)然其頻率越高越有利；群體有效含量越大，丟失基因的概率亦越小。因此，群體的有效含量越大越好，這是符臺(tái)目前地方雞種保種的實(shí)際情況的。從理論分析結(jié)果可以看出，在小群體內(nèi)基因丟失的概率隨著保存世代的增加而逐漸上升，而上升的速度在早期世代快于后期世代。這就提示了，在地方雞種保種的過(guò)程中，對(duì)保種早期的世代更應(yīng)該引起足夠的重視。

PRL基因的模擬結(jié)果顯示，在一個(gè)群體規(guī)模有限的汶上蘆花雞保種群體內(nèi)，遺傳漂變的作用會(huì)導(dǎo)致基因頻率在不同世代間發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)，并導(dǎo)致2個(gè)等位基因中的1個(gè)或早或遲地發(fā)生丟失（另1個(gè)等位基因固定）。汶上蘆花雞保種群體經(jīng)過(guò)20世代后等位基因A的丟失率為5.34%，基因頻率隨機(jī)波動(dòng)是發(fā)生在單個(gè)基因的一個(gè)多態(tài)位點(diǎn)上，如果將這個(gè)頻率覆蓋整個(gè)基因組，基因的丟失率可想而知。如果群體中某一基因的初始頻率過(guò)低或過(guò)高，則會(huì)加快該基因的丟失或固定。相反，較大的群體規(guī)模，以及中等水平的初始基因頻率則有利于降低基因丟失或固定的風(fēng)險(xiǎn)。盡管如此，要想在一個(gè)有限規(guī)模的保種群體中長(zhǎng)期保存每一個(gè)基因而無(wú)一丟失幾乎是不可能的，只能設(shè)法通過(guò)合理的措施來(lái)減緩基因丟失或固定的速率，降低基因丟失或固定的概率。

國(guó)家級(jí)地方雞種基因庫(kù)采用“家系等量隨機(jī)選配法” 對(duì)我國(guó)部分地方雞種進(jìn)行保護(hù)。在保種的過(guò)程中，保種群亦是有限規(guī)模的閉鎖群體，因此，有必要采取科學(xué)合理的措施降低隨機(jī)遺傳漂變?cè)斐苫騺G失或固定的風(fēng)險(xiǎn)，提高基因庫(kù)的保種效果[7-8]。汶上蘆花雞是我國(guó)珍貴的地方品種，原產(chǎn)于山東省汶上縣，于2009年引入國(guó)家級(jí)地方雞種基因庫(kù)保存。保種群體由于受到個(gè)體的血緣關(guān)系、人工選擇等影響，實(shí)際的保種效果并不能達(dá)到模擬的結(jié)果，以PRL一對(duì)等位基因?yàn)槔?00只的群體（群體有效含量為102）20世代后等位基因的丟失或固定率達(dá)6.18%。受到保種群體規(guī)模的限制，只能采取一定的措施，比如可以增加與配公雞的數(shù)量，增加群體的有效含量，或者定期從保種群外（保種場(chǎng)或保護(hù)區(qū)）引入一定數(shù)量的本品種，增加和保持群體內(nèi)的遺傳變異，這對(duì)維持群體遺傳結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定也具有積極的意義。

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