荷斯坦牛皮膚褶皺厚度及體況評分性狀遺傳分析

張海亮，常 瑤，穆柏宇，王 凱，楊明路,2，王 磊,2，馬龍剛,2，寧景揚,郭 剛，王雅春*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部動物遺傳育種與繁殖(家畜)重點實驗室，畜禽育種國家工程實驗室，北京 100193；2.新疆農(nóng)業(yè)大學動物科學學院，烏魯木齊 830052；3.北京首農(nóng)畜牧發(fā)展有限公司，北京 100029)

皮膚是哺乳動物身體最外層結構，是其最大的一個器官[1]。皮膚承擔著保護身體、排汗、感覺冷熱和壓力的功能，皮膚覆蓋全身，使體內(nèi)各種組織和器官免受物理性、機械性、化學性和病原微生物的侵襲。牛的皮膚可分為表皮、真皮和皮下組織3層，表皮可以分為角質(zhì)層、顆粒層、棘層、基底層，真皮可以分為乳頭層和網(wǎng)狀層，皮下組織可以分為脂肪組織和結締組織[2]。對牛皮膚組織厚度的度量一般有兩種方法，分別是皮膚厚度度量和皮膚褶皺厚度(skinfold thickness，簡稱皮褶厚)度量。取得皮膚樣本后，經(jīng)處理制成標本，在顯微鏡下使用測微尺測量表皮和真皮兩層厚度可得到皮膚厚度[3]；而皮褶厚則是使用卡尺在牛體直接測量得到，其包含了兩層皮膚厚度與部分皮下組織的厚度。由于皮褶厚測定的無創(chuàng)性和簡便性的特點，皮褶厚被廣泛地用于牛皮膚厚度的相關研究中。

研究表明，皮褶厚可以作為反映牛體營養(yǎng)狀況的一種標記，通過測量皮褶厚，可以了解皮下脂肪的厚度，進而可以判斷個體的皮下脂肪沉積并推算全身脂肪含量。例如，Bruckmaier等[4]用肩部、垂皮、乳房和尾根4個部位皮褶厚均值減去頸部皮褶厚所得到的指數(shù)評估奶牛營養(yǎng)狀況，結果表明，皮褶厚指數(shù)的評估效果與體況評分(body condition score, BCS)類似。據(jù)報道，牛體各部位的皮褶厚與重要經(jīng)濟和功能性狀有關，包括蜱蟲抗性、耐熱性、產(chǎn)奶量、胴體重、活體重和繁殖性能等性狀。例如，Hamid等[5]發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)奶量與皮褶厚之間存在顯著的負相關關系，日產(chǎn)奶量與牛頸部、垂皮、胸部、腹部和臀部的皮褶厚均值之間的回歸系數(shù)為-0.57；Siddiqui等[6]發(fā)現(xiàn)，公牛陰囊皮褶厚與精液精子頭部畸形率顯著相關，陰囊皮褶厚越厚，精液中精子頭部畸形率越高。由此可見，皮褶厚是牛體重要的生物特征，對牛皮褶厚的研究具有重要意義。

國際上，不同部位皮褶厚的群體規(guī)律、皮褶厚的影響因素、皮褶厚與牛重要功能或經(jīng)濟性狀之間的關系、皮褶皺的遺傳特征、與皮褶厚相關的候選基因等被持續(xù)研究。例如，Maiorano等[7]估計了內(nèi)洛爾牛(Nellore)肩胛部皮褶厚的遺傳力為0.12；Zhang等[8]估計了中國荷斯坦牛頸部和肋部皮褶厚的遺傳力分別為0.13和0.24，頸部皮褶厚與BCS之間存在中等遺傳相關0.34；Gualdrón Duarte等[9]對比利時藍牛(Belgian Blue)皮膚厚度性狀進行了全基因組關聯(lián)分析和基因組選擇研究，發(fā)現(xiàn)5號染色體上的KITLG基因與皮膚厚度性狀顯著關聯(lián)，使用不同方法對皮膚厚度進行基因組選擇的可靠性可以達到0.39～0.49。在國內(nèi)，研究人員對牦牛[10-12]、延邊黃牛[3]和荷斯坦牛[13-15]的皮膚厚度進行了一些研究。針對荷斯坦牛，一些研究探究了頸部和肋部皮褶厚的影響因素，報道了頸部和肋部皮褶厚的遺傳參數(shù)；而對于乳房這一奶牛最重要的部位，目前僅有一篇研究初步探究了后乳房基部皮褶厚的影響因素。奶牛的乳房位于恥骨部位，由上至下依次為緊貼腹壁的基部、中間的體部和游離的乳頭區(qū)[16]。奶牛后乳房基部皮膚內(nèi)的皮下組織有一定的活動性，使得乳房基部的皮膚松弛易成褶可進行測量[17]。

因此，本研究對北京地區(qū)荷斯坦牛頸側部、肋部和后乳房基部的皮褶厚及BCS進行了大群測定，并建模估計了皮褶厚性狀和BCS的遺傳參數(shù)，旨在揭示皮褶厚性狀和BCS的遺傳特征，進一步探究不同部位皮褶厚性狀之間的關系，為通過皮褶厚和BCS研究奶牛的體脂沉積提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗群體

本研究中，10 915頭泌乳荷斯坦牛的皮褶厚及BCS分別于2015、2016、2017、2019和2020年夏季集中測定，測定的荷斯坦牛群體分布于北京地區(qū)12個規(guī)?；膛?，測定母牛均為健康的泌乳母牛，各年度測定的牧場數(shù)、測定規(guī)模及測定的項目如表1所示。此外，試驗牛群的系譜記錄由北京奶牛中心(北京)提供，試驗牛群長壽性狀和繁殖性狀的育種值估計結果由奶牛育種自主創(chuàng)新聯(lián)盟(北京)提供。

表1 荷斯坦牛皮膚褶皺厚度及體況評分測定情況

1.2 測定方法

1.2.1 皮褶厚測定 測量人員使用電子數(shù)顯游標卡尺(型號：Part#PD-151)，在荷斯坦牛頸側部(頸部)、最后一根肋骨肋弓(肋部)、后乳房基部(乳房基部)進行各部位皮褶厚的測量，后文分別簡稱為頸部皮褶厚、肋部皮褶厚和乳房皮褶厚。為降低測定誤差，同年度同一場內(nèi)的測定牛只由相同測定人員盡可能以同一力度揪起皮膚，測定皮膚褶皺厚度，測量結果保留2位小數(shù)。

1.2.2 體況評分 同年度同一場內(nèi)測定牛只的BCS統(tǒng)一由2名評分人員完成，評分規(guī)則為5分制，1分代表極瘦，5分代表極胖。評分時，評定人員同時對同一頭奶牛分別進行評分，兩人評分差值不大于0.5分認為評分有效，否則需重新評定，以兩人評分均值作為被評奶牛最終得分，用于數(shù)據(jù)分析。

1.3 數(shù)據(jù)整理

本研究共測定了10 915頭奶牛的皮褶厚和BCS數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)按以下標準進行質(zhì)控：1)剔除乳房皮褶厚異常個體(以平均值加減3倍標準差為保留范圍)；2)剔除無胎次記錄的個體；3)剔除產(chǎn)犢日期記錄缺失或錯誤的個體；4)剔除無系譜記錄的個體。最終獲得10 138頭荷斯坦牛的皮褶厚和BCS測定記錄，其中乳房皮褶厚測定3 416頭、頸部皮褶厚測定5 261頭、肋部皮褶厚測定5 288頭、體況評分測定9 094頭。各性狀兩兩組合中，同時具有兩個性狀表型記錄的個體數(shù)在962(STN與STU)～5 253(STN與STR)頭之間。

本研究將試驗牛只的胎次劃分為5個水平，分別為1 胎、2 胎、3 胎、4 胎、5胎及以上，將泌乳階段劃分為5個階段，分別為1～49(階段Ⅰ)、50～99(階段Ⅱ)、100～199(階段Ⅲ)、200～349(階段Ⅳ)、350 d 及以上(階段Ⅴ)。本研究中，根據(jù)有表型個體的牛號，利用北京地區(qū)荷斯坦牛群體的大系譜追溯用于對皮褶厚和BCS性狀遺傳分析的小系譜，最終本研究所用的系譜文件中包含公牛2 544頭、母牛29 357頭。

1.4 統(tǒng)計分析

1.4.1 皮褶厚和體況評分性狀遺傳分析 利用DMU軟件[18]的DMUAI模塊進行方差組分估計，采用單性狀和多性狀動物模型對乳房皮褶厚、頸部皮褶厚、肋部皮褶厚和BCS進行遺傳分析，各性狀的模型分別為：

Y=FM+P+S+A+E

模型1

Y=FM+P+S+Bodyside+A+E

模型2

Y=FS+P+S+A+E

模型3

1.4.2 皮褶厚、體況評分性狀與重要功能性狀的近似遺傳相關分析 基于單性狀動物模型估計獲得公牛的頸部、肋部、乳房皮褶厚及BCS性狀估計育種值(estimated breeding value, EBV)，本研究計算了上述4個性狀與奶牛重要功能性狀之間的近似遺傳相關，這些功能性狀包括生產(chǎn)壽命(productive life, PL)、初產(chǎn)日齡(age at the first calving, AFC)、初配日齡(age at the first service, AFS)、產(chǎn)犢后首次配種間隔(interval from calving to the first service, ICF)、青年牛首末配種間隔(interval from the first to the last inseminations in heifer, IFL_H)、經(jīng)產(chǎn)牛首末配種間隔(interval from the first to the last inseminations in cow, IFL_C)、青年牛產(chǎn)犢難易(calving ease in heifer, CE_H)、經(jīng)產(chǎn)牛產(chǎn)犢難易(calving ease in cow, CE_C)、青年牛死產(chǎn)率(stillbirth in heifer, SB_H)和經(jīng)產(chǎn)牛死產(chǎn)率(stillbirth in cow, SB_C)，這些性狀的定義細節(jié)和評估模型見Zhang等[19]、陳紫薇等[20]和Liu等[21]的研究。

計算近似遺傳相關時，分別篩選頸部、肋部、乳房皮褶厚和BCS性狀估計育種值可靠性高于0.2的公牛，并匹配這些公牛上述10個功能性狀的估計育種值和估計育種值可靠性，根據(jù)公式1和公式2依次分別計算皮褶厚性狀、BCS性狀與各個功能性狀之間的近似遺傳相關及其標準誤，近似遺傳相關和標準誤的計算方法參考自Calo等[22]和Dikmen等[23]的研究。

公式1

公式2

2 結 果

2.1 北京地區(qū)荷斯坦牛皮膚褶皺厚度及體況評分描述性統(tǒng)計

本研究中，北京地區(qū)荷斯坦牛乳房皮褶厚、頸部皮褶厚、肋部皮褶厚分別為(7.49±1.45)、(7.27±1.34)、(11.74±1.90)mm(表2)；不同部位皮褶厚中，肋部皮褶厚最厚，頸部最薄。泌乳荷斯坦牛的體況評分為(2.94±0.79)。不同部位皮褶厚和體況評分中，體況評分的變異系數(shù)最大，為26.87%；不同部位皮褶厚的變異系數(shù)相近，乳房皮褶厚最大，肋部皮褶厚最小，兩者相差3.17%。

表2 北京地區(qū)荷斯坦牛皮膚褶皺厚度和體況評分描述性統(tǒng)計

2.2 各部位皮膚褶皺厚度及體況評分的遺傳參數(shù)

使用單性狀動物模型估計北京地區(qū)荷斯坦牛皮褶厚性狀和BCS的遺傳力，結果見表3。荷斯坦牛乳房皮褶厚和頸部皮褶厚遺傳力相近，為中低遺傳力性狀，分別為(0.11±0.03)和(0.15±0.03)；肋部皮褶厚遺傳力最高，為(0.28±0.04)。荷斯坦牛BCS遺傳力中等，為(0.22±0.03)。

利用四性狀動物模型估計各部位皮褶厚性狀及BCS之間的遺傳相關，各性狀間的表型相關和遺傳相關見表3。不同部位的皮褶厚之間，遺傳相關在0.21～0.69之間；頸部皮褶厚與肋部皮褶厚之間的遺傳相關最高，為(0.69±0.08)；乳房皮褶厚與頸部皮褶厚之間的遺傳相關最低，為(0.21±0.14)。體況評分與不同部位的皮褶厚之間的遺傳相關相差較大，與頸部皮褶厚之間存在正的遺傳相關，相關系數(shù)為(0.28±0.10)；與乳房皮褶厚之間存在中等負遺傳相關，相關系數(shù)為(-0.25±0.13)。

表3 荷斯坦牛皮膚褶皺厚度和體況評分性狀的遺傳力、遺傳相關(下三角)及表型相關(上三角)估計值

2.3 胎次和泌乳階段對各部位皮膚褶皺厚度及體況評分的影響

荷斯坦牛各部位皮褶厚和體況評分不同胎次的最佳線性無偏估計值變化趨勢如圖1所示。隨胎次的增加，乳房皮褶厚、頸部皮褶厚和肋部皮褶厚均總體上呈現(xiàn)變薄的趨勢，頭胎奶牛皮褶厚最厚，4胎奶牛乳房皮褶厚和肋部皮褶厚最薄，5胎及以上奶牛頸部皮褶厚最薄，各部位皮褶厚分別下降0.19、0.57 和0.70 mm。此外，BCS隨奶牛胎次增加的變化較小，前4胎奶牛的體況評分相近，5胎奶牛的體況評分最低，變化幅度為0.13分。

圖1 不同胎次荷斯坦牛皮褶厚和體況評分性狀最佳線性無偏估計值變化趨勢

荷斯坦牛各部位皮褶厚和體況評分不同泌乳階段的最佳線性無偏估計值變化趨勢如圖2所示。各部位皮褶厚隨泌乳階段的變化趨勢較為一致，產(chǎn)后泌乳早期皮褶厚(1～49 d)最厚，泌乳中期(100～199 d)最薄，泌乳后期略有上升。同泌乳期不同泌乳階段，乳房皮褶厚、頸部皮褶厚和肋部皮褶厚的變化幅度分別為0.52、0.34和0.38 mm。此外，體況評分隨泌乳階段的延長也呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，泌乳高峰期(50～99 d)最低，后隨著泌乳天數(shù)的增加不斷增加，同泌乳期不同泌乳階段體況評分的變化幅度為0.80分。

圖2 不同泌乳階段荷斯坦牛皮膚褶皺厚度和體況評分最佳線性無偏估計值變化趨勢

2.4 各部位皮褶厚和體況評分與重要功能性狀之間的近似遺傳相關

本研究中，荷斯坦牛各部位皮褶厚性狀、BCS與壽命和繁殖性狀之間的近似遺傳相關見表4。由表4可知，3個部位的皮褶厚性狀與生產(chǎn)壽命性狀之間存在中等遺傳相關，遺傳相關系數(shù)介于0.13～0.26；皮褶厚較厚的牛，其長壽性表現(xiàn)越好。BCS和頸部皮褶厚性狀與經(jīng)產(chǎn)牛首末配種間隔性狀之間存在中等遺傳相關，遺傳相關系數(shù)分別為-0.36和-0.33；BCS越高且頸部皮褶厚越厚的經(jīng)產(chǎn)牛，其首末配種間隔越短。肋部皮褶厚與青年牛首末配種間隔、乳房皮褶厚與青年牛首末配種間隔之間分別存在中等遺傳相關，遺傳相關系數(shù)分別為0.34和0.19；皮褶厚越厚，青年牛首末配種間隔越長。此外，頸部皮褶厚和乳房皮褶厚分別與經(jīng)產(chǎn)牛死產(chǎn)率性狀存在中等遺傳相關，遺傳相關系數(shù)分別為0.17和0.22；皮褶厚越厚，經(jīng)產(chǎn)牛死產(chǎn)率越高。

表4 荷斯坦牛皮膚褶皺厚度、體況評分與重要功能性狀之間的近似遺傳相關

3 討 論

北京地區(qū)荷斯坦牛乳房皮褶厚的群體均值為7.15 mm，頸部皮褶厚的群體均值為7.12 mm，肋部皮褶厚的群體均值為11.71 mm。本研究中，荷斯坦牛不同部位皮褶厚相差較大，乳房與頸部皮褶厚遠小于肋部皮褶厚，前人研究也發(fā)現(xiàn)同一品種奶牛不同部位的皮褶厚存在較大差異[24]。荷斯坦牛頸部和肋部皮褶厚均分別處于各個品種的報道范圍內(nèi)，如頸部皮褶厚為3.33～7.86 mm，肋部皮褶厚為11.40～12.16 mm[8]。Rahman和Gill[25]在534頭摩拉水牛中發(fā)現(xiàn)，乳房皮膚厚度平均值為11.4 mm，大于本研究中荷斯坦牛的乳房皮褶厚。摩拉水牛的生活環(huán)境為亞熱帶氣候[26]，溫帶和熱帶品種牛的皮褶厚存在著顯著的品種差異[27]，水牛皮褶厚均值是黃牛皮褶厚的2.9倍[28]。本研究中，北京地區(qū)泌乳荷斯坦牛的BCS均值為2.94，在前人報道的我國各地區(qū)泌乳荷斯坦牛的BCS范圍內(nèi)(2.55～3.09)[29-30]。本研究對荷斯坦牛3個部位的皮褶厚及BCS進行了大規(guī)模測定，測定結果與前人研究相符；中國荷斯坦牛群體中，上述4個性狀均存在較大的變異，變異系數(shù)在16.18%～26.87%之間。

本研究中，荷斯坦牛頸部、肋部和乳房皮褶厚的遺傳力在0.11～0.28之間，頸部皮褶厚最低，肋部皮褶厚最高。Zhang等[8]利用4 307頭荷斯坦牛的相關數(shù)據(jù)估計得到荷斯坦牛頸部、肋部皮褶厚的遺傳力分別為0.13±0.03、0.26±0.04，分別與本研究結果相近；Maiorano等[7]對17 940頭內(nèi)洛爾牛的肩胛部皮褶厚進行遺傳參數(shù)估計，發(fā)現(xiàn)肩胛部皮褶厚的遺傳力為0.12。由此可見，荷斯坦牛皮褶厚在牛體不同部位的遺傳力存在較大差別，荷斯坦牛皮褶厚是一個中高遺傳力性狀。本研究中，荷斯坦牛BCS的遺傳力為0.22，處于報道的荷斯坦牛BCS估計遺傳力范圍內(nèi)(0.11～0.30)[31-32]，并與我國南方荷斯坦牛中BCS的遺傳力估計值相近(0.19)[33]。本研究中，4個性狀估計遺傳力的標準誤較小，說明遺傳分析的結果較為可靠；在不同群體之間，同一性狀遺傳參數(shù)的差異可能受牛群遺傳背景、遺傳參數(shù)估計方法、數(shù)據(jù)量等因素的影響。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同部位的皮褶厚之間存在中等到較高的遺傳相關，相關系數(shù)范圍為0.21～0.69。BCS與不同部位皮褶厚之間遺傳相關的變異較大，與頸部皮褶厚最高(0.28)，與肋部皮褶厚最低(0.13)，與乳房皮褶厚之間存在負遺傳相關(-0.25)；不同部位的皮褶厚與BCS的遺傳基礎不同，頸部和肋部皮褶厚可與BCS一起反映奶牛的體脂沉積狀態(tài)。本研究中，奶牛各部位皮褶厚和BCS隨胎次的變化趨勢相近，均隨著胎次的增加逐漸下降；而隨著泌乳階段的增加也均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，BCS在泌乳高峰期(50～99 d)最低，各部位皮褶厚在泌乳中期(100～199 d)最低。由此可見，皮褶厚和BCS性狀對奶牛生理階段的變化較為敏感，能夠反映不同時期奶牛體脂沉積的變化。

4 結 論

本研究對北京地區(qū)荷斯坦牛頸側部、肋部和后乳房基部皮膚褶皺厚度(簡稱為皮褶厚)以及體況評分進行了大群測定，并對上述性狀進行了遺傳分析。后乳房基部皮褶厚(0.11)和頸側部皮褶厚(0.15)為中等遺傳力性狀，肋部皮褶厚(0.28)和體況評分(0.22)為中高遺傳力性狀；體況評分、皮褶厚與部分重要功能性狀之間存在中等遺傳相關，包括生產(chǎn)壽命、青年牛首末配種間隔、經(jīng)產(chǎn)牛首末配種間隔和青年牛死產(chǎn)率性狀，遺傳相關系數(shù)絕對值介于0.14～0.36之間；各部位皮褶厚之間存在低到中等的遺傳相關，且與體況評分之間的遺傳相關差異較大，不同部位皮褶厚性狀的遺傳基礎存在差異。本研究有助于通過皮膚褶皺厚度和體況評分理解奶牛體脂沉積的遺傳特征，助力我國奶牛的平衡育種。

致謝感謝中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院牛百科青年計劃成員于2015、2016、2017和2019年夏季在各個牧場辛苦測定皮褶厚和體況評分。