綿羊羊角形態(tài)與遺傳調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展

周李生，顏 碩，張 圓，賀建寧，潘慶杰*，董煥聲*

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，青島 266109; 2. 濟(jì)寧市畜牧業(yè)發(fā)展中心，濟(jì)寧 272037)

我國是綿羊養(yǎng)殖大國，據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)司(https://unstats.un.org/home/)公布的數(shù)據(jù)顯示，近5年來，我國綿羊存欄量約占世界綿羊總存欄量的13.5%，遠(yuǎn)超美國(6.81%)和澳大利亞(5.79%)，穩(wěn)居世界第一位。同時，我國也是綿羊品種資源最豐富的國家：根據(jù)《中國養(yǎng)羊?qū)W》[1]記載，目前，我國擁有地方綿羊品種、培育綿羊品種和引入綿羊品種共計(jì)98種，是開展綿羊新品種培育的寶貴遺傳資源。綿羊的種類除了根據(jù)其生長地區(qū)、體型大小、毛色和尾部形態(tài)來區(qū)分以外，還有一個重要的標(biāo)識——角。甲骨文中的“羊”字明顯帶有物種特征，上部為一對倒“V”形羊角，下部為箭頭狀羊嘴。從字的創(chuàng)造和演變過程中可以看出，角作為其典型性狀，一直倍受關(guān)注。

在野外或放養(yǎng)環(huán)境中，角對綿羊的種族延續(xù)具有重要意義。首先，角作為進(jìn)攻性武器，有利于群體中的雄性個體通過爭斗提高自己在種群內(nèi)的地位并獲取優(yōu)先交配權(quán)；其次，羊角作為防御性工具，可有效提高綿羊群體在應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境下的生存能力，降低捕食者的威脅。在物種的進(jìn)化過程中，過大的角和無角都不是最佳選擇，因?yàn)樯沉蜕媪χg存在動態(tài)平衡[2-3]。自然存活率與早期角生長的相關(guān)性微弱，狩獵死亡率與大角公羊的自然死亡率差異顯著，從而導(dǎo)致角生長與生存率之間呈人為負(fù)相關(guān)關(guān)系[4-5]。

然而，隨著畜牧業(yè)發(fā)展，綿羊養(yǎng)殖趨向規(guī)?；c集約化模式，在無防御天敵和爭奪交配權(quán)的需求下，綿羊個體(特別是公羊)保留粗壯的角不僅會浪費(fèi)能量、增加飼養(yǎng)成本，而且存在較高的打斗風(fēng)險(xiǎn)[6]。目前，普遍的管理做法是將有角綿羊羊角鋸除，但這往往會對個體造成生理損傷，影響生產(chǎn)性能。只有通過遺傳育種手段，將有角綿羊品種培育成無角綿羊品種，才能從根本上解決這一問題。

因此，研究綿羊羊角的形成及生長發(fā)育規(guī)律，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要的意義。本文通過總結(jié)我國現(xiàn)存綿羊羊角在不同品種中的形態(tài)特征，概述了羊角發(fā)育(或抑制)的遺傳基礎(chǔ)及調(diào)控機(jī)制，可為羊角性狀的生長發(fā)育深入研究提供方向，同時還為我國綿羊新品種培育奠定理論基礎(chǔ)。

1 羊角的形態(tài)特征

中國是世界上為數(shù)不多的羊遺傳資源豐富的國家之一，經(jīng)過不斷地繁衍與進(jìn)化，歷史遺存下來的大量綿羊品種成為我們巨大的基因?qū)毑?。因人類需求不同，我國綿羊在生產(chǎn)性能、繁殖力、耐受力和外表形態(tài)等細(xì)分方向各有優(yōu)劣。在角的形態(tài)方面，不同品種在數(shù)量和外形上各具特色。

1.1 無角綿羊品種

據(jù)《羊志》[7]記載，我國現(xiàn)有無角綿羊品種24個，分別為地方品種6個，雜交培育品種6個，引進(jìn)品種12個(表1)。常見無角綿羊品種有湖羊、杜泊羊、內(nèi)蒙古半細(xì)毛羊、洼地綿羊和蘇尼特羊等。綿羊的無角性狀形成的原因較為復(fù)雜。自然選擇因素使與環(huán)境相適應(yīng)的遺傳和變異被保留，國內(nèi)無角綿羊品種多為培育品種和引入品種，地方品種呈零散分布，說明只有少數(shù)自然環(huán)境能進(jìn)化出無角表型。蘇尼特羊產(chǎn)區(qū)多為荒漠草原或半荒漠草原，生態(tài)環(huán)境較差，資源匱乏；湖羊產(chǎn)區(qū)地處江南，雨水充足，植物生長旺盛。對比兩羊產(chǎn)區(qū)區(qū)別或可以小見大，進(jìn)化出無角綿羊品種原因有兩個：1)能量獲取困難，進(jìn)化過程中為節(jié)約能量，逐漸淘汰有角個體；2)產(chǎn)區(qū)食物充足、天敵較少，無需防御性工具，進(jìn)化過程中無角個體得以生存并繁衍。

人工選擇因素在新品種形成過程中的作用后來者居上，我國的培育品種和引入品種專門向細(xì)毛、多肉、無角方向選育或其父、母代本就為無角品種。因此，在培育品種和引入品種中，人為因素是無角性狀產(chǎn)生的主要原因。自然進(jìn)化既能產(chǎn)生無角品種，又能產(chǎn)生多角品種，但因人類育種工作的開展，無角綿羊新品種的產(chǎn)生速度明顯提高。

上述無角綿羊品種廣泛分布于我國北部、西北部、西南部等地區(qū)，并適應(yīng)當(dāng)?shù)鬲?dú)有的氣候環(huán)境。它們具有統(tǒng)一、穩(wěn)定的無角性狀，且在耐干旱、耐寒冷和耐高海拔等方面表現(xiàn)出較強(qiáng)優(yōu)勢，為現(xiàn)代化舍飼或大規(guī)模放牧提供便利，更成為各地培育無角綿羊新品種豐富而寶貴的遺傳資源。

1.2 兩角綿羊品種

我國兩角綿羊品種數(shù)目眾多，不同品種之間角的形態(tài)差異顯著，總體可從4個方面加以區(qū)分：角的大小、角的生長方向、卷曲程度和角末端形狀(表2)。草地型藏羊的兩角從角基發(fā)出后，向兩側(cè)(左右)伸展螺旋生長，角尖處變細(xì)，呈扁平柳葉狀(圖1A)。歐拉羊的兩角發(fā)出后先向下螺旋，后向兩側(cè)伸展生長，角尖扁平，角基粗壯(圖1B)。多數(shù)的有角綿羊品種擁有大且粗壯的螺旋形角：雙角根部緊貼臉部，角尖偏向兩側(cè)生長，代表品種有威寧綿羊、迪慶綿羊、昭通綿羊、岷縣黑裘皮羊和新疆細(xì)毛羊等(圖1C)；雙角全部緊貼臉部，角尖向前或向后生長，代表品種有廣靈大尾羊、晉中綿羊、呼倫貝爾羊、和田羊和寧蒗黑綿羊等(圖1D)。卷曲程度分為螺旋形、彎曲形或香蕉形和倒八字形；角尖多為圓錐狀，其次為扁平柳葉狀。綜合來看，成年雄性個體羊角外觀較為統(tǒng)一，而雌性個體羊角情況多樣，兩角、小角、有角基、無角等表型都可能出現(xiàn)。代表性兩角綿羊品種的角部形態(tài)特征及其正面圖，見表2和圖1。

表1 無角綿羊品種及其原產(chǎn)地分布

表2 代表性兩角綿羊品種及其角的形態(tài)特征

1.3 多角綿羊品種

現(xiàn)存多角綿羊品種(部分個體羊角數(shù)量大于等于3)數(shù)量較少，有雅各布綿羊、馬恩島綿羊、冰島綿羊、赫布里底綿羊、泗水裘皮羊、蒙古羊、阿勒泰羊、達(dá)瑪拉羊和納瓦霍-丘羅羊等，主要分布于歐洲、亞洲、非洲和北美洲[8-9]。多角綿羊種群內(nèi)的不同個體之間角的形態(tài)與數(shù)目并不完全統(tǒng)一。以泗水裘皮羊?yàn)槔?，種群中零、二、三、四、五、六角綿羊個體均可能出現(xiàn)，且角的生長、彎曲方向存在個體表型分離現(xiàn)象，本文對多角綿羊品種的主要角型進(jìn)行了梳理。泗水裘皮羊的頂部兩角與正中矢狀面呈30°～45°發(fā)出，并向左右兩側(cè)伸展生長；下部兩角基本平行于眼眶發(fā)出，貼近臉部并向下向前生長(圖1F)。蒙古羊的頂部兩角粗壯，向上發(fā)出并向后彎曲生長；下部兩角貼近臉部，向下向前生長(圖1G)。馬恩島綿羊的頂部兩角粗壯，向上發(fā)出并向前彎曲生長；下部兩角貼近臉部，向下向前生長，末端變尖呈葉狀(圖1H)。赫布里底綿羊的頂部兩角粗壯，似胡蘿卜狀，與正中矢狀面呈30°～45°發(fā)出后，直立生長；下部兩角左右發(fā)出，貼近臉部并向下向前生長(圖1I)。多角綿羊品種中的五角個體多見于頂部其中一側(cè)角基同時發(fā)出兩角；三角個體多見于下部兩角其中一側(cè)缺失；兩角個體與兩角綿羊品種的角形相似。四角綿羊的典型角形如表3和圖1 所示，非典型角形本文未列出。

表3 代表性四角綿羊品種及其角的形態(tài)特征

A.草地型藏羊；B.歐拉羊；C.威寧綿羊；D.廣靈大尾羊；E.小尾寒羊(母)；F.泗水裘皮羊；G.蒙古羊；H.馬恩島綿羊；I.赫布里底綿羊A. Grassland Tibetan sheep; B. Euler sheep; C. Weining sheep; D. Guangling Big Tail sheep; E. Small Tail Han sheep (female); F. Sishui Fur sheep; G. Mongolian sheep; H. Manx Loaghtan sheep; I. Hebridean sheep圖1 代表性綿羊品種角的形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of horn in representative sheep breeds

2 綿羊羊角發(fā)育機(jī)制研究

綿羊羊角的生長發(fā)育涉及到大量基因和通路的調(diào)控，是個復(fù)雜的過程，目前，尚未有較為系統(tǒng)的研究報(bào)道。牛、羊、鹿同屬反芻動物類別，其角的發(fā)育過程具有一定的相似性，特別是對鹿角的研究較為充分。鹿茸的生長是軟骨內(nèi)成骨的過程，中心位于頭骨頂端的角柄，隨著鹿茸的不斷骨化和茸皮脫落而形成鹿角[10]，具有強(qiáng)大增殖能力的間充質(zhì)細(xì)胞為鹿茸快速生長提供保障[11-12]。生茸區(qū)骨膜(AP)細(xì)胞具有胚胎干細(xì)胞的部分特征：表達(dá)關(guān)鍵的胚胎干細(xì)胞標(biāo)志物Oct4、Sox2、Nanog、CD9、端粒酶和核蛋白等[13-15]。鹿茸干細(xì)胞(ASCs)釋放信號因子，通過纖維層擴(kuò)散到結(jié)締組織[16-17]等區(qū)域，最終到達(dá)并作用于真皮乳頭細(xì)胞(DPCs)[18]。收到信號刺激的真皮乳頭細(xì)胞既可以通過旁分泌等機(jī)制使表皮向鹿茸轉(zhuǎn)變，又可以反饋調(diào)節(jié)于鹿茸干細(xì)胞，刺激其增殖和分化[19]。綿羊羊角生長發(fā)育時，是否有與間充質(zhì)細(xì)胞[20]、鹿茸干細(xì)胞[21-22]、生茸區(qū)骨膜細(xì)胞[23-24]功能相似的細(xì)胞存在，其機(jī)制又是如何？值得進(jìn)一步類比研究。

目前發(fā)現(xiàn)的相關(guān)基因與通路較多，Hughes等[25]證明，Otop1過表達(dá)后，通過嘌呤能受體對Ca2+濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，Otop1指導(dǎo)生物礦化過程，Olig1/2為少突角質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子1/2，與神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)生理活動有關(guān)[26]。草地型藏羊的RXFP2基因在軟骨和角骨膜中表現(xiàn)出組織特異性表達(dá)的模式[27]。對比反芻動物角中的6個特異性表達(dá)基因(SOX10[28-29]、SNAI1[30]、SNAI2[31]、TFAP2A[32]、NGFR[33]、COL11A2[34])發(fā)現(xiàn)，SOX10、SNAI1和TFAP2A基因在胎兒時期的綿羊羊角中高度表達(dá)[35]。因此，OTOP3、OLIG1、RXFP2、B3GLCT、SOX10、SNAI1、TFAP2A等基因通過影響神經(jīng)嵴細(xì)胞[36-38]的分化遷移從而調(diào)控綿羊羊角生長的生理過程。神經(jīng)嵴細(xì)胞在形成顱頜面骨骼過程中的信號分子調(diào)控包括內(nèi)皮素-1信號、FGF信號、Shh信號、TGF-β信號、Wnt信號等[39-42]。這些信號通路可能與綿羊羊角的生理發(fā)育有關(guān)。

3 綿羊羊角遺傳機(jī)制研究

3.1 綿羊羊角產(chǎn)生的遺傳機(jī)制

綿羊角的產(chǎn)生和發(fā)育受常染色體位點(diǎn)的控制[43-44]。Coltman和Pemberton[45]較早確立了可能與羊角形成有關(guān)的3個等位基因的遺傳模型：H+代表有角，HL代表性別決定成角，HP代表無角。Beraldi等[46]提出，影響羊角產(chǎn)生機(jī)制基因位于10號染色體或AGLA226附近，但無法確定準(zhǔn)確的圖譜位置。為了確定羊角產(chǎn)生的準(zhǔn)確的分子調(diào)控位點(diǎn)，Wiedemar和Dr?gemüller[47]對特克賽爾羊的RXFP2的最后一個外顯子和3′-UTR(非編譯區(qū))進(jìn)行基因測序，結(jié)果顯示， OAR10:29456047 之后的1 833 bp片段(OAR10:29456047- OAR10:29457880)在有角羊中缺失。Kijas等[48]對主要來自非洲、亞洲和歐洲的74種綿羊的2 819個個體進(jìn)行基因分型，獲得49 034個SNPs，數(shù)據(jù)揭示了在10號染色體上檢測到最高的選擇信號，其最高等級的SNP(OAR10-29511510；FST= 0.682)位于29.54 Mb并在RXFP2附近，這可能與羊角的發(fā)育有關(guān)。Johnston等[49]對野生索厄羊進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)研究，認(rèn)為RXFP2基因是正常有角公羊中角大小的加性定量性狀基因座，占該性狀中遺傳性遺傳變異的76%。DNA片段插入無角羊10號染色體相應(yīng)位置，抑制角性狀的表達(dá)。Duijvesteijn等[50]在美利奴羊上發(fā)現(xiàn)，有角/無角的重要SNP位于ORA10-29546872.1和OAR10-29458450處，于10號染色體2.78 Mb附近有一1.78 kb基因片段的插入，基因關(guān)系矩陣中，雄性和雌性的準(zhǔn)確度分別為0.620和0.713。因此，10號染色體中插入一片段大小約為1.78 kb的核苷酸序列是導(dǎo)致無角羊產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。

3.2 綿羊多角性狀產(chǎn)生的遺傳機(jī)制

在全球范圍內(nèi)，只有少數(shù)品種綿羊有多角個體的出現(xiàn)，如雅各布綿羊、赫布里底綿羊和泗水裘皮羊等，其中兩角和四角個體最為常見。對比24只兩角和22只四角泗水裘皮羊發(fā)現(xiàn)，2號染色體的132.0～133.1 Mb位置被確認(rèn)為多聚表型的強(qiáng)候選基因組區(qū)域，在該基因組區(qū)域內(nèi)已注釋了13個基因(Metaxin2、HOXD、EVX2等)[51]。Kijas等[52]對雅各布綿羊和納瓦霍-丘羅羊的125個個體(0、2、4、5角均有)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)性分析，在綿羊2號染色體上觀察到單個強(qiáng)締結(jié)信號，表明影響多角性狀的基因可能源于這里。10個最密切相關(guān)的SNPs都位于OAR2中131.9～132.6 Mb區(qū)域。與SNP峰值最接近的基因是Metaxin2，位于132.6～132.7 Mb上游約93 kb；其次是HOXD1，位于上游約251 kb。通過對綿羊二號染色體的研究和相關(guān)基因的挖掘，發(fā)現(xiàn)多角性狀的遺傳機(jī)制比較復(fù)雜，它可能受多個基因座的調(diào)控[53]。達(dá)瑪拉羊的研究結(jié)果與其他多角羊相似，即ORA2是控制多角性狀遺傳和表達(dá)的關(guān)鍵[6]。

4 激素和環(huán)境因素對羊角發(fā)育的影響

激素對羊角的發(fā)育具有調(diào)控作用。野生成年雄性反芻動物表現(xiàn)出明顯的睪丸活躍和不活躍的年內(nèi)循環(huán)，包括完全停滯與活躍的精子發(fā)生之間的過渡[54]。雄性綿羊較雌性綿羊多大角和多角個體，因此，雄性激素可能是影響此種差異的因素之一：低水平的睪丸激素有利于角的生長，而高水平的睪丸激素則有抑制作用[55]。Santiago-Moreno等[56]通過對西班牙山羊和歐洲摩弗倫羊的追蹤檢測，發(fā)現(xiàn)在兩個物種中，角的生長速率與睪丸活性均出現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化：西班牙山羊10月份血漿睪丸激素濃度增加，11月份表現(xiàn)出角的生長停滯；歐洲摩弗侖羊的角生長亦有停滯現(xiàn)象。這些結(jié)果支持以下假設(shè)：在發(fā)情期，外周血漿中睪丸激素水平較高可抑制羊角的生長。在褪黑素[57-58]和催乳素(PRL)[59]方面，高速率的角生長常伴隨著高血漿PRL濃度；每日褪黑素振幅的變化，沒有發(fā)現(xiàn)與角生長速率的相關(guān)性[60]。

羊角的生長亦受季節(jié)、氣候、光照和空氣濕度等外部因素影響。Loehr等[61]發(fā)現(xiàn)，天氣因素可以解釋羊角生長中的年度波動現(xiàn)象，羊角對春季敏感的原因可能是牧草的生長受溫度和土壤水分的影響。光照強(qiáng)度對羊毛、羊角生長速度的影響是通過調(diào)節(jié)甲狀腺活性進(jìn)行介導(dǎo)的，個體體內(nèi)甲狀腺激素(T3、T4)濃度的峰值與羊毛和羊角的快速生長期吻合[62-63]。

5 小結(jié)與展望

本文通過歸納整理現(xiàn)有資料中無角綿羊、兩角綿羊和多角綿羊的羊角形態(tài)與原產(chǎn)地等信息，梳理并區(qū)分了不同綿羊品種之間羊角類型的差異；而后總結(jié)前人對羊角發(fā)育機(jī)制和遺傳機(jī)制的研究，理清了目前羊角性狀的研究進(jìn)展，概述了無角、兩角和多角性狀的發(fā)育機(jī)制及激素調(diào)控手段。目前，問題主要集中在：1)綿羊2號染色體(多角位點(diǎn))和10號染色體(成角位點(diǎn))的有關(guān)區(qū)域內(nèi)存在較多基因，且具體功能并未逐一驗(yàn)證；2)遺傳、激素、氣候、季節(jié)等因素均能影響羊角的生長，發(fā)育網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，基因-信號通路-靶細(xì)胞調(diào)控體系尚不明確；3)缺乏穩(wěn)定、高效、可行的羊角發(fā)育調(diào)控手段和改良手段，且應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)較少。

因此，明晰相關(guān)基因、通路和調(diào)控因子的功能是未來研究羊角發(fā)育機(jī)制的重要方向，也是培育無角綿羊新品種、改良綿羊生產(chǎn)性能的關(guān)鍵所在。今后應(yīng)結(jié)合多種手段深入研究，利用系統(tǒng)生物學(xué)和功能基因組學(xué)，更系統(tǒng)深入地探索綿羊多角和無角的形成機(jī)制與種質(zhì)創(chuàng)制，為機(jī)制的探究以及技術(shù)的開發(fā)提供幫助，最終促進(jìn)我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。