公豬精液性狀的遺傳機制解析及設計育種方法研究

文丨張哲 林清

種業(yè)振興行動是實現(xiàn)我國種業(yè)自主創(chuàng)新、種源自主可控的重要行動。畜禽種業(yè)是國家戰(zhàn)略性、基礎性核心產業(yè)，對畜禽養(yǎng)殖產業(yè)的發(fā)展至關重要。近年來，我國生豬育種工作成效顯著，但種豬生產性能總體水平還有提升空間。種公豬在生豬繁育體系的遺傳貢獻中占有重要位置，其生長及繁殖性能的優(yōu)劣直接決定整個生豬繁育體系的生產效率，特別是以種公豬站為紐帶的新型生豬繁育體系的發(fā)展與建立，進一步凸顯了種公豬在遺傳繁育體系中的重要作用。因此，積極開展公豬精液性狀的遺傳機制解析及設計育種方法研究，成為突破公豬精液性狀選育瓶頸、提高優(yōu)良公豬利用率的重要途徑。

一、研究背景及意義

隨著人工授精技術在生豬生產領域的推廣與應用，精液質量成為影響人工授精效率和母豬妊娠率及總產仔數(shù)的重要因素，精液質量低會導致母豬妊娠率降低和總產仔數(shù)下降，嚴重影響生豬養(yǎng)殖效率。因此，研究并運用相關技術手段提高公豬精液質量，可進一步提升優(yōu)良公豬利用率，加快遺傳進展，同時減少公豬飼養(yǎng)成本，節(jié)省土地，保護環(huán)境資源。

公豬精液性狀為微效多基因性狀和多次度量的縱向性狀，遺傳結構復雜，表型收集時間長，難度大，遺傳機制解析困難。近年來，豬多組學數(shù)據(jù)及育種群體大規(guī)模表型不斷累積，為精準解析公豬精液性狀提供了契機。但公豬精液性狀屬于中低遺傳力和限性性狀，遺傳結構復雜，對選擇的準確性和選擇時限有較高要求。因缺乏對公豬精液性狀的遺傳結構解析以及關鍵基因挖掘和選種方法研究，傳統(tǒng)育種無法將公豬精液性狀有效地納入種豬選種指數(shù)。

多組學的發(fā)展日漸成熟，為復雜性狀遺傳解析提供了新的契機。眾多大型生物信息學和功能基因組合作項目，如人類基因型-組織表達（Genotype-Tissue Expression，GTEx）、表觀遺傳組路線圖項目（Roadmap Epigenomics Project）等，為復雜性狀的遺傳解析提供了大量注釋信息，進一步推動了復雜性狀遺傳解析。其中，通過利用轉錄組分子表型調控變異富集分析發(fā)現(xiàn)，主要的分子表型調控變異更多的富集在相關組織上。

近年來，隨著畜禽多組學數(shù)據(jù)的累積，通過整合多組學數(shù)據(jù)開展基因組功能注釋成為可能。其中，動物基因組功能注釋（Functional Annotation of ANimal Genomes，F(xiàn)AANG）、畜禽基因型-組織表達（Farm Animal Genotype-Tissue Expression，F(xiàn)armGTEx）等項目的開展，為畜禽復雜性狀的遺傳解析提供了機遇。在豬的遺傳解析上，通過利用結合位點分析法（Chromatin Immunoprecipitation sequencing，ChIP-seq）獲得功能基因組信息，包括轉錄起始位點、啟動子、增強子等位置信息，能夠有效注釋豬基因組信息。而通過對豬基因表達進行分子表型調控變異定位，找到影響豬基因表達的分子表型調控變異（Pig Genotype-Tissue Expression，PigGTEx），為復雜性狀的遺傳調控機制解析提供了重要的參考信息。另一方面，整合多組學數(shù)據(jù)解析復雜性狀遺傳機制方法研究上也逐漸增多，為整合其他組學數(shù)據(jù)進行復雜遺傳解析提供了契機。其中，通過將轉錄組中的基因表達量數(shù)據(jù)與復雜性狀進行全轉錄組關聯(lián)分析，能夠鑒定影響復雜性狀的候選基因。通過組學數(shù)據(jù)與全基因組關聯(lián)分析（Genome-wide association study，GWAS）進行孟德爾隨機化分析，能夠探究基因表達與復雜性狀形成之間的因果關系。通過整合多組學數(shù)據(jù)，對復雜性狀的因果基因進行優(yōu)先級排序，能夠有效發(fā)現(xiàn)復雜性狀主要的調控基因。這些方法為整合多組學數(shù)據(jù)解析復雜性狀，提供了重要的思路。因此，整合多組學、多來源數(shù)據(jù)，深入挖掘公豬精液性狀的遺傳基礎，進而通過動物設計育種手段實現(xiàn)早期精準選育，是突破公豬精液性狀選育瓶頸的重要途徑。

二、研究進展、關鍵技術創(chuàng)新及成效

由華南農業(yè)大學動物科學學院張哲教授、山東農業(yè)大學寧超副教授、華南農業(yè)大學動物科學學院袁曉龍副教授為核心的“公豬精液性狀的遺傳機制解析及設計育種方法研究”項目課題組，主要以“精準解析公豬精液性狀遺傳機制，開發(fā)設計育種方法”為研究目標，開展公豬精液性狀多組學數(shù)據(jù)庫構建及多維參數(shù)估計、公豬精液性狀的主效和調控變異位點鑒定、公豬精液性狀復雜互作機制研究、公豬精液性狀設計育種平臺研發(fā)四方面內容的研究，擬通過整合轉錄組等多組學數(shù)據(jù)，對公豬精液性狀的分子遺傳調控機制進行解析，對復雜性狀的分子遺傳互作機制進行解析，了解其背后的分子機制。

（一）研究進展

首先，通過收集多個公共數(shù)據(jù)庫豬的9530個轉錄組測序數(shù)據(jù)和1602個全基因組重測序數(shù)據(jù)，構建豬基因組填充參考群體，并繪制了包括公豬繁殖相關組織，如睪丸、下丘腦等共計34個組織的轉錄組圖譜。其次，通過對34個組織的填充基因型數(shù)據(jù)和5個類型的轉錄組分子表型（包括蛋白質編碼基因表達量、可變剪切等）進行關聯(lián)分析，鑒定了大量影響轉錄組分子表型的調控變異。再次，通過研究基因型與品種/細胞類型之間的相互作用，評估了調控效應的組織特異性，并利用多組學數(shù)據(jù)闡明了其分子作用機制。最后，通過對分子表型調控變異和公豬精液性狀等207個豬復雜性狀進行整合分析，結果發(fā)現(xiàn)分子表型調控變異解釋了約80%的遺傳變異的調控機制，并通過人類與豬的全轉錄組關聯(lián)分析結果，證明了豬與人類在基因表達和復雜表型潛在的遺傳調控的相似性。

該研究構建了大規(guī)模公豬睪丸、下丘腦、垂體等多個組織的轉錄組圖譜，能夠為生豬的重要經濟性狀的分子遺傳機制解析提供良好的數(shù)據(jù)庫支持；整合轉錄組數(shù)據(jù)與豬重要經濟性狀表型數(shù)據(jù)開展整合分析方法開發(fā)，能夠為動物重要經濟性狀的遺傳解析提供重要工具；大量的轉錄組分子表型調控變異，能夠為豬重要經濟性狀的選育（如基因組選擇等技術）提供豐富的數(shù)據(jù)資源。當前的研究工作，為公豬繁殖相關組織的調控變異鑒定、公豬精液性狀的遺傳機制解析以及分子模塊的構建奠定了良好研究基礎，對項目的推動具有里程碑式的意義。

作為本項目的研究成果之一，以項目負責單位華南農業(yè)大學為第一完成單位、項目負責人張哲教授為共同通訊作者的Acompendiumofgeneticregulatoryeffectsacrosspigtissues（豬多組織遺傳調控效應圖譜）研究論文，已被NatureGenetics（自然·遺傳）預接收，近期將正式發(fā)表。

（二）研究的主要創(chuàng)新點

一是基于大規(guī)模全基因組關聯(lián)分析薈萃分析（Genome-wideassociation study meta-analysis，meta-GWAS）和豬基因型-組織表達（Pig Genotype-Tissue Expression，PigGTEx）開展多組學聯(lián)合分析，全面挖掘和鑒定影響精液性狀的遺傳變異。傳統(tǒng)全基因組關聯(lián)分析雖然可以鑒定到影響復雜性狀的候選區(qū)域或基因，但是難以有效挖掘因果突變或關鍵基因，而且無法解釋遺傳變異對復雜表型的作用機制。該項目以大規(guī)模全基因組關聯(lián)分析薈萃分析為基礎，發(fā)現(xiàn)影響公豬精液性狀的遺傳變異，然后結合PigGTEx中豬多組織的轉錄組數(shù)據(jù)，開展聯(lián)合分析，進而解釋從遺傳變異到表型變異的潛在作用機制，有效挖掘并精準解析影響公豬精液性狀的因果突變和關鍵基因。

二是針對縱向數(shù)據(jù)開發(fā)互作檢測新方法，精準解析公豬精液性狀互作機制。當前，畜禽縱向性狀遺傳解析分析方法創(chuàng)新不足，公豬精液性狀的關鍵遺傳位點尚不明確，制約了豬精液性狀的設計育種。項目擬通過開發(fā)整合多組學數(shù)據(jù)的高效統(tǒng)計檢驗及互作檢測方法，尤其在縱向數(shù)據(jù)的加性和非加性互作效應的全基因組關聯(lián)分析（Genome-wide association study，GWAS）、全轉錄組關聯(lián)分析（transcriptome-wide association study，TWAS）方面開展創(chuàng)新方法研究，實現(xiàn)對公豬精液性狀遺傳及互作機制的精準解析，助力設計育種應用。

三是整合多組學、多層次、多維度數(shù)據(jù)，開發(fā)公豬精液性狀設計育種方法。通過整合多組學、多層次、多維度數(shù)據(jù)，解析公豬精液性狀的遺傳構成，設計分子育種模塊，開發(fā)設計育種方法，建立公豬精液性狀等級評價模式，提高公豬精液性狀分子選育效率。

（三）研究成效

畜禽種業(yè)是建設現(xiàn)代農業(yè)的標志性、先導性工程，是國家戰(zhàn)略性和基礎性核心產業(yè)，畜禽良種對畜牧業(yè)的貢獻高達40%以上。國家多重政策鼓勵以分子設計育種等為重點，打造具有國際先進水平的基礎性、前沿性研究和商業(yè)化育種體系。項目聚焦國家種業(yè)重大戰(zhàn)略“打贏種業(yè)翻身仗”，改變傳統(tǒng)分子育種的思路限制，通過提出新的多組學統(tǒng)計分析方法，挖掘和解析公豬精液性狀的遺傳機制，建立分子設計育種平臺，創(chuàng)新分子設計育種的基礎理論和方法，提高豬精準分子設計育種的能力，將成果應用于豬新品種培育，加快豬品種改良，提升豬種業(yè)核心競爭力。更重要的是，項目提供的多組學大數(shù)據(jù)遺傳挖掘和分子設計育種的新框架和新實踐經驗，將為其他重要畜牧物種的復雜性狀遺傳解析和分子設計育種提供重要借鑒和參考，有助于提升畜禽種業(yè)核心競爭力，提高畜牧業(yè)的綜合效益。

三、研究進度安排及主要研究任務

“公豬精液性狀的遺傳機制解析及設計育種方法研究”項目于2023年5月正式啟動，為確保項目穩(wěn)步推進，課題組制訂了詳細的年度研究計劃，確定了年度主要研究任務。2023年主要實現(xiàn)公豬精液性狀表型數(shù)據(jù)采集、繁殖相關組織樣品采集公豬。2024年開展數(shù)據(jù)經濟學遺傳參數(shù)估計；對部分組織樣品進行轉錄組測序。2025年對公豬基因組遺傳結構進行分析；非加性全基因組關聯(lián)分析方法開發(fā)。2026年挖掘精液性狀遺傳變異；鑒定影響分子表型的調控變異并進行整合分析。2027年構建公豬精液性狀分子模塊；設計育種平臺開發(fā)與完善，撰寫結題報告。

四、結語

公豬精液性狀遺傳調控機制的精準解析，可進一步加快公豬精液性狀的選育，對以公豬站為紐帶的新型繁育體系的構建具有重要的支撐意義。然而，當前公豬精液性狀數(shù)據(jù)分散、采集難度大，并且缺乏整合多組學精準解析復雜性狀的資源。如何有效利用多群體小規(guī)模的精液性狀數(shù)據(jù)，整合多組學數(shù)據(jù)對精液性狀開展精準解析，是該領域面臨的最大挑戰(zhàn)。項目組通過開展大規(guī)模的國內外合作構建了豬大規(guī)模多組織轉錄組圖譜，鑒定影響轉錄組分子表型的調控變異，為有效推動豬重要經濟性狀的遺傳解析提供了重要資源，也為本項目公豬精液性狀的精準解析奠定了重要基礎。項目組將在此基礎上繼續(xù)圍繞公豬精液性狀的遺傳機制解析及其分子育種應用開展深入研究，為破解產業(yè)難題貢獻力量。