保種豬場系譜記錄、管理及群體遺傳結(jié)構(gòu)分析
——以萊蕪豬為例

郝鑫宇，馮 健，孫延曉，陳琳琳，王起山，潘玉春,3*

（1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240；2.山東省萊蕪市萊蕪豬原種場有限公司，山東萊蕪 271100；3.上海市獸醫(yī)生物技術(shù)重點實驗室，上海 200240）

經(jīng)過幾千年的自然與人工選擇，我國培育出了大量地方品種豬。根據(jù)第二次全國畜禽遺傳資源普查及其后續(xù)補充調(diào)查，目前我國尚存83 個豬地方品種，其中有6 個品種含多個地方類群，亦即品種/類群共有105 個[1]。這些遺傳資源是在我國特定的地理、生態(tài)環(huán)境下形成的，與傳統(tǒng)的社會、經(jīng)濟條件相適應(yīng)，因此大多數(shù)具有肉質(zhì)鮮美、產(chǎn)仔數(shù)多、適應(yīng)性強等特點。

為保障養(yǎng)豬業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，滿足人們?nèi)找嬖鲩L并且不斷變化的消費需求，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部已組織開展了一系列保種工作。首先，完善了組織體系與法制法規(guī)。1997年成立了國家畜禽遺傳資源委員會。根據(jù)《畜牧法》，頒布了《國家級畜禽遺傳資源保護名錄》，制定了《畜禽新品種配套系審定和遺傳資源鑒定辦法》《畜禽新品種配套系審定和遺傳資源鑒定技術(shù)規(guī)范》《畜禽遺傳資源保種場保護區(qū)和基因庫管理辦法》等。其次，完善了原產(chǎn)地保護和異地保護相結(jié)合、活體保種和遺傳物質(zhì)保存互為補充的地方畜禽遺傳資源保護體系。目前，44個豬地方品種/類群被列入國家級保護名錄，建立了55個國家級保種場、6 個保護區(qū)。同時，搶救性保護了大蒲蓮豬、深縣豬等遺傳資源。

但在《畜禽遺傳資源保種場保護區(qū)和基因庫管理辦法》中，只對國家級保種場的群體規(guī)模及家系數(shù)量做了規(guī)定——母豬100 頭以上，公豬12 頭以上，三代之內(nèi)沒有血緣關(guān)系的家系數(shù)不少于6 個。實踐當(dāng)中，大多數(shù)國家級保種場均力爭滿足這些要求，并且高度重視系譜。系譜（Pedigree）是指反映動物本身及其祖先的信息資料，可以用于指導(dǎo)選配、選種，進而控制群體遺傳結(jié)構(gòu)、保持群體內(nèi)的遺傳多樣性。各保種場對系譜記錄及其檔案管理傾注了大量心血，并且因時制宜地提出和采納了一些應(yīng)用系譜進行保種的措施。但是實際工作情況及應(yīng)用系譜對群體遺傳結(jié)構(gòu)分析效果如何？實踐中對保種的理解、措施，例如家系、血統(tǒng)及其劃分，是否適應(yīng)新的時代？對于這些問題有必要開展調(diào)查研究。

萊蕪豬是原產(chǎn)于山東省萊蕪市的地方品種，歷史悠久，并以肌內(nèi)脂肪含量高聞名于世。2006 年，萊蕪豬被列入《國家級畜禽遺傳資源保護名錄》；2009 年，萊蕪豬原種豬場成為國家級畜禽遺傳資源保種場。本研究以萊蕪豬保種群為例，分析我國當(dāng)前保種實踐中在系譜記錄、檔案管理、系譜應(yīng)用中存在的共性問題，進而提出合理、有效的措施與解決方案。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 本研究以山東省萊蕪市萊蕪豬原種場保種群作為調(diào)研對象，統(tǒng)計場內(nèi)2018 年12 月的在群種豬個體信息，并向前追溯了這些個體的系譜，包括個體耳號、出生日期、親本信息等。

1.2 系譜分析

1.2.1 近交系數(shù)與親緣系數(shù) 本研究對在群個體系譜數(shù)據(jù)進行梳理，并將梳理后的系譜數(shù)據(jù)整理成包含個體、父親、母親、出生日期4 列信息的文件格式。首先利用R 語言order 函數(shù)對個體進行排序，之后利用R 語言 pedigree 包（https://CRAN.R-project.org/package=pedigree）計算萊蕪豬保種群個體加性遺傳相關(guān)矩陣（A）。該矩陣由個體間的親緣系數(shù)r組成，根據(jù)計算出的A矩陣，列出矩陣對角線Djj，根據(jù)公式Ft=Djj-1得到每個個體的近交系數(shù)。

1.2.2 實際的群體有效含量 群體有效含量（Ne）是指與實際群體有相同基因頻率方差或相同雜合度衰減率的理想群體含量。在此，理想群體是指群體足夠大，群體內(nèi)雌雄個體數(shù)相同并隨機交配，每個個體產(chǎn)生的后代數(shù)相同，無世代重疊，無選擇、突變、遷移等因素影響群體遺傳平衡現(xiàn)象發(fā)生的群體。根據(jù)數(shù)量遺傳學(xué)理論Falconer[2]，若群體中種公、母畜分別為Nm和Nf，則群體在各家系等量留種的情況下有效含量為：

假設(shè)起始群體的近交系數(shù)為0，則t 世代的近交系數(shù)為：

而群體每一世代的近交系數(shù)增量為：

進一步地，根據(jù)《家畜遺傳資源瀕危等級評定（NY/T 2995-2016）》，假定2.5 年1 個世代，可以計算出經(jīng)歷過去一段時間內(nèi)后當(dāng)代的平均近交系數(shù)（Ft。），比較Ft。與實際的群體平均近交系數(shù)Ft可對過去的留種方式、群體有效含量等做出有效的掌握和判斷。

1.2.3 家系的數(shù)量及其分布 根據(jù)A矩陣，通過聚類分析法對個體聚類，具體利用R 語言中hclust函數(shù)中的最長距離法進行分類，畫出系譜聚類圖，決定分類的數(shù)目和各分類的個體。個體間遺傳距離（D）：D=1－r，r為個體間親緣系數(shù)。利用perl 腳本將A矩陣處理為MEGA 7[3]遺傳結(jié)構(gòu)分析軟件的文件格式，用此構(gòu)建反映個體間遺傳關(guān)系的系統(tǒng)進化樹（Neighbor-joining tree，NJ-tree），以此構(gòu)建萊蕪豬系譜結(jié)構(gòu)圖。

據(jù)劉亞楠、許燕等人的統(tǒng)計，至2010年時全球已有15個國家進行了400 多項有關(guān)TMT的研究，多數(shù)研究證實了其基本假設(shè)。[4] 但隨著研究的不斷深入和涉及范圍的不斷擴大，也出現(xiàn)了很多對TMT不利的證據(jù)，引發(fā)了大量的爭論和質(zhì)疑，繼而延伸出了許多新的研究熱點。 但令人遺憾的是，這些研究中的絕大多數(shù)都是在西方文化背景中進行的，國內(nèi)相關(guān)研究仍然非常缺乏，由于死亡覺知具有明顯的文化約束性，探索中國人獨特的恐懼管理機制，將是國內(nèi)研究者努力的方向。

2 結(jié)果與討論

2.1 系譜記錄

2.1.1 連續(xù)性與完整性 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，場內(nèi)在群個體系譜僅可向前追溯至2009 年的數(shù)據(jù)，2009 年以前的系譜由于數(shù)據(jù)的大量缺失導(dǎo)致無法繼續(xù)追溯。檔案記錄顯示，萊蕪市于1973 年建立了國營豬場——萊蕪豬保種繁育場；1978 年組建了保種選育群進行保種繁育，同時在萊蕪市建立了2 個繁育場；1982 年對豬群進行整頓，同時在面廣量大的萊蕪市及周邊地區(qū)再次進行豬源調(diào)查，重新組建了75 頭含6 個血統(tǒng)、26 個祖系的保種選育基礎(chǔ)群和40 頭規(guī)模的繁育群；1991 年，萊蕪市種豬場（萊蕪豬種豬繁育場）在萊蕪市萊城區(qū)孫故事村建成投入使用，原苗山萊蕪豬原種場撤銷，原種場萊蕪豬豬群整體轉(zhuǎn)入該場；1993 年原泰安市楊莊萊蕪豬種豬場移交給萊蕪市；2000 年在萊蕪市種豬繁育場建立了存養(yǎng)萊蕪基礎(chǔ)母豬200 頭，占地33333 m2建筑面積為4 000 m2的高標(biāo)準(zhǔn)原種場，并新組建了無病原豬群體?？紤]到由于萊蕪豬場歷史變遷等原因?qū)е聶n案可能出現(xiàn)不連續(xù)不完整的情況，因此保種場應(yīng)及時對場內(nèi)時刻動態(tài)變化的豬群建立電子檔案，并在地方豬品種登記平臺上隨時登記個體信息，保證系譜信息在各個階段連續(xù)與完整。此外，對于之前缺失無法挽回的數(shù)據(jù)造成系譜不完整，可能導(dǎo)致在其應(yīng)用分析過程中A矩陣準(zhǔn)確性下降。為此，需要進一步利用分子標(biāo)記構(gòu)建系譜。

2.1.2 正確性與準(zhǔn)確性 在整理已知的系譜數(shù)據(jù)過程中發(fā)現(xiàn)的具體問題見表1。

表1 系譜中存在的問題

根據(jù)地方豬品種登記管理辦法（http://klab.sjtu.edu.cn/pigbreeds/index.html）[4]，個體號實行全國統(tǒng)一的編號規(guī)則，編號由15 位字母和數(shù)字構(gòu)成，如圖1 所示，各保種場應(yīng)按照自己的實際情況，建立起屬于自己的編號系統(tǒng)，避免耳號出現(xiàn)重復(fù)、錯誤等問題。

圖1 種豬個體編號

具體編號原則：前2 位用英文字母表示品種；第3～7 位用英文字母或數(shù)字表示場號（由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)一認定）及分場號；第8～9 位用公元年份最后二位數(shù)字表示個體出生時的年度；第10～13 位用數(shù)字表示場內(nèi)窩序號；第14～15 位用數(shù)字表示窩內(nèi)個體號，公豬用奇數(shù)表示、母豬用偶數(shù)表示。

對耳號重復(fù)且并無法區(qū)分、記錄錯誤以及可能為雜交個體的萊蕪豬進行過濾后，現(xiàn)有純種萊蕪豬163 頭，其中公豬18 頭，母豬145 頭。將萊蕪豬的在群個體電子檔案上傳至地方豬登記平臺上，并追溯到保種群的上溯3 個世代共360 頭萊蕪豬個體信息。

2.2 親緣系數(shù)與近交系數(shù)

2.2.1 計算方法 系譜記錄最主要的目的在于指導(dǎo)選配，進而控制近交、避免遺傳多樣性的流失。所以，保種當(dāng)中特別重視個體的近交程度和兩兩個體間的親緣關(guān)系。

衡量近交程度可用近交系數(shù)。近交系數(shù)定義：近交系數(shù)是指個體所由形成的2 個配子的加性基因效應(yīng)間的相關(guān)[5]；近交系數(shù)可定義為一個個體任一基因座上2 個等位基因為同源相同的概率[6]。依據(jù)后一定義，假設(shè)一個個體x的近交系數(shù)Fx，追溯出x的所有共同祖先，計算Fx公式如下：

式中，k為共同祖先數(shù)，F(xiàn)i為第i個共同祖先，ni1與ni2分別為由x的父母到第i個共同祖先的代數(shù)。

然而，在實踐中要追溯每個個體2 個親本間的共同祖先及其世代傳遞路徑是極其困難的且易發(fā)生錯誤。因此，近交系數(shù)計算也可采用另外一種方法——共親系數(shù)[6]。任意2 個個體的共親系數(shù)是從這2 個個體所產(chǎn)生的配子中各隨機抽取一個所攜帶的基因同源相同的概率，所以等于二者交配時所生后代的近交系數(shù)，亦即：

據(jù)此可以相對簡單地計算出任意一個個體的近交系數(shù)，因為只需要計算該個體的2 個親本間的共親系數(shù)即可。由于實踐當(dāng)中自起始群體開始個體隨著時間推移逐漸產(chǎn)生，每個個體的父母較易準(zhǔn)確記錄、追溯，且當(dāng)群體不大時其父母間的共親系數(shù)也較易記錄、存貯，所以這種方法較之（1）式更為實用一些。但當(dāng)群體較大或歷史較長時，沒有軟件和計算機，這種方法應(yīng)用起來仍較困難。

控制近交系數(shù)高低，關(guān)鍵在于配種個體間的親緣系數(shù)——2 個個體因為具有共同祖先而造成的加性基因效應(yīng)間的相關(guān)。對應(yīng)（1）式，2 個個體s、d 間的親緣系數(shù)可以如下計算：

同理，利用共親系數(shù)的概念，采用下式計算親緣系數(shù)更加實用：

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無論哪種方法在實踐中都是困難的，且在實踐中并沒有參考群體中個體的近交系數(shù)和親緣系數(shù)進行選配。出現(xiàn)這種情況的原因在于除了檔案記錄之外，還需要花費大量時間和精力對檔案進行整理和計算。為此，各個保種場通過地方豬登記平臺對場內(nèi)個體信息登記并利用育種軟件計算近交系數(shù)及親緣系數(shù)進行快捷的選擇選配是十分有必要的。

2.2.2 計算結(jié)果 親緣系數(shù)與近交系數(shù)的評估是估計群體內(nèi)個體間的關(guān)系的重要指數(shù)，同時也是選配與保護利用的依據(jù)所在。本研究針對2009—2018 年的360 條記錄進行分析，并計算了163 個個體近交系數(shù)和13 203對親緣關(guān)系對，統(tǒng)計結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，163 頭保種群萊蕪豬平均近交系數(shù)為0.034，平均親緣系數(shù)為0.106；145 頭萊蕪母豬平均近交系數(shù)0.035，平均親緣系數(shù)為0.105；18 頭萊蕪公豬平均近交系數(shù)0.028，平均親緣系數(shù)為0.1?？梢钥吹焦i間的親緣系數(shù)和近交系數(shù)相對母豬較低一些。

表2 近交系數(shù)和親緣系數(shù)描述性統(tǒng)計

近交系數(shù)和親緣系數(shù)分布情況見圖2，個體近交系數(shù)和親緣系數(shù)分布在各個區(qū)間內(nèi)。大部分個體沒有近交情況，絕大多數(shù)個體近交系數(shù)在0～0.15，少部分個體近交程度比較高，近交系數(shù)最高為0.25。絕大部分個體間的親緣系數(shù)在0～0.35，親緣系數(shù)最高的為0.579。群體整體近交程度較低，個體間的親緣關(guān)系較遠。

圖2 近交系數(shù)（A）和親緣系數(shù)(B)分布圖

2.3 實際群體有效含量 對萊蕪豬2009—2018 年的保種群個體劃分為4 個世代，根據(jù)145 頭母豬、18 公豬按照各家系等量留種方式計算群體有效含量為92.19 頭，平均近交系數(shù)年增量為0.5424%。理論上按照等量留種的方式萊蕪豬當(dāng)代群體平均近交系數(shù)Ft應(yīng)為2.15%，實際上當(dāng)代的群體近交系數(shù)Ft。為3.50%。出現(xiàn)Ft。大于Ft這種現(xiàn)象的原因在于在過去一段時間的生產(chǎn)實踐中群體內(nèi)沒有按照等量留種的方式，部分個體采了隨機留種的方式。隨機留種相較于各家系等量留種會使群體有效含量降低，群體近交增量提高，并且對于這種偏移家系留種的方式，會導(dǎo)致群體近交程度的升高甚至出現(xiàn)基因遺傳漂變。因此，保種僅通過控制公母數(shù)量、家系數(shù)量的要求不足以控制群體近交增量。然而在實際中由于疾病疫情等因素，實踐中幾乎無法嚴(yán)格按照等量留種方式留種，故應(yīng)盡量考慮公母比例及血統(tǒng)關(guān)系，盡量保證群體有效含量，保持群體動態(tài)平衡。

2.4 家系數(shù)量及其分布

2.4.1 全群 依據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布的《畜禽遺傳資源保種場保護區(qū)和基因庫管理辦法》，符合種用標(biāo)準(zhǔn)的單品種基礎(chǔ)畜禽數(shù)量要求母豬100 頭以上，公豬12 頭以上，3代之內(nèi)沒有血緣關(guān)系的家系數(shù)為6 個以上。3 代之內(nèi)沒有血緣關(guān)系，則2 個個體間親緣系數(shù)應(yīng)該小于0.062 5（圖3）?；贏 矩陣構(gòu)建個體間聚類圖，由圖3 可知，現(xiàn)存萊蕪豬保種群家系均劃分為13 個家系，大部分家系群體數(shù)量較為合理，但部分家系個體比較少，如7 號和12 號家系。

圖3 萊蕪豬親緣系數(shù)聚類圖

2.4.2 公豬 利用本研究的系譜聚類法對18 頭萊蕪公豬進行聚類分析，其親緣系數(shù)聚類圖見圖4。根據(jù)3 代之內(nèi)沒有血緣關(guān)系的原則，當(dāng)親緣系數(shù)取0.0625 時，18頭豬可以分成7 個血統(tǒng)，當(dāng)親緣系數(shù)取0.2 時，18 頭豬可以分成10 個血統(tǒng)。表明隨著親緣系數(shù)的增加，血統(tǒng)數(shù)量也將增加，這也與王起山等[7]研究結(jié)果相一致。

利用加性遺傳關(guān)系A(chǔ)矩陣構(gòu)建的反映鄰近個體關(guān)系的萊蕪豬群體內(nèi)系譜結(jié)構(gòu)見圖5， 18 頭公豬在各個家系中整體分布較為均勻。

圖4 18 頭萊蕪公豬親緣系數(shù)聚類圖

2.4.3 問題 因為實踐當(dāng)中近交系數(shù)、親緣系數(shù)難以計算，人們采用了變通措施——家系。通過以家系為抓手，在實際生產(chǎn)實踐中采用不同家系中的個體進行選配，這種方式相較于根據(jù)個體間親緣系數(shù)選配會因為個別家系數(shù)量少或選配中混淆家系個體等情況出現(xiàn)近交。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然萊蕪豬家系數(shù)量較多，但家系中個體數(shù)量分布不均衡，保種過程中存在著關(guān)注家系的數(shù)量，卻忽視了家系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。

圖5 18 頭公豬分布情況

此外，家系劃分通常是基于起始群體中的個體都假定為無親緣關(guān)系的個體。本研究利用聚類分析將可追溯的第3 世代的個體當(dāng)作起始群體。然而，這些個體可能存在一定的親緣關(guān)系，因此，如果能追溯更多代的祖先則可以更準(zhǔn)確反映群體結(jié)構(gòu)。另外，保種群之前的共同祖先造成了大量基因位點的同態(tài)相同，而遺傳多樣性同基因組中同態(tài)相同的基因位點數(shù)密切相關(guān)。因此，在基因組時代，應(yīng)關(guān)注基于分子標(biāo)記構(gòu)建系譜，切實反映群體真實的血統(tǒng)關(guān)系。

豬的常規(guī)保種主要是以維持群體遺傳結(jié)構(gòu)不變作為目標(biāo)。為此，根據(jù)Hardy-Weinberg 定律，通常建議采取如下保種措施：①盡量擴大群體規(guī)模；②公母數(shù)量盡量趨近；③各家系盡量等量留種，在此家系是指成為下一世代繁殖個體的1 個個體的后裔數(shù)目；④親本貢獻盡量一致；⑤各世代的群體規(guī)模盡量不要突然向下波動；⑥世代間隔盡量延長。

3 結(jié) 論

本研究以萊蕪豬保種群系譜檔案作為案例，探析了當(dāng)前保種場系譜記錄、管理及應(yīng)用系譜對群體遺傳結(jié)構(gòu)效果分析中存在的共性問題。對于大部分保種場，系譜中仍存在不完整、不連續(xù)及準(zhǔn)確性等問題。因此各個保種場應(yīng)加強檔案管理，及時建立電子檔案及規(guī)范耳號編號、系譜記錄流程，避免給后續(xù)的育種分析帶來困難與阻礙。應(yīng)用系譜分析時應(yīng)與時俱進，各家系盡可能等量留種，但在選配中不應(yīng)過多的強調(diào)家系和血統(tǒng)，在實踐中充分重視中國地方豬品種登記平臺的信息登記、儲存及軟件利用。此外，本研究僅局限于系譜對保種群遺傳結(jié)構(gòu)進行分析，由于系譜缺陷和孟德爾抽樣誤差等原因，可能無法反映群體真實的遺傳結(jié)構(gòu)。因此，后續(xù)在基于系譜分析遺傳結(jié)構(gòu)的同時，有必要進一步通過結(jié)合分子標(biāo)記優(yōu)化遺傳結(jié)構(gòu)，從而有助于種質(zhì)資源的有效保護及合理利用。