不同SNP 等位基因初始頻率下家畜保種群體的基因組遺傳多樣性

關(guān)鍵詞： 家畜保種群體；基因組；SNP；基因頻率；遺傳多樣性

中圖分類號： S813.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1004–390X （2024） 06?0026?08

中國豐富的地方畜禽遺傳資源為種質(zhì)資源創(chuàng)新和優(yōu)良新品種（系） 培育提供了寶貴素材，也為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定了重要的種質(zhì)基礎(chǔ)。然而，長期以來，在追求高產(chǎn)高效的單一市場驅(qū)動下，國外品種的大量引進(jìn)對中國地方品種資源造成了嚴(yán)重沖擊，導(dǎo)致地方畜禽遺傳多樣性不斷下降；許多品種數(shù)量銳減，部分處于瀕危狀態(tài)，有些甚至已經(jīng)滅絕或瀕臨滅絕[1-3]。這種狀況迄今仍未得到根本性改善，畜禽遺傳資源的保護(hù)工作依然任重道遠(yuǎn)。

群體遺傳多樣性是衡量畜禽保種效果的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)保種實踐中，通常用基于系譜信息的近交系數(shù)（inbreeding coefficient based on pedigree，F(xiàn)ped） 衡量群體的遺傳多樣性，但其只考慮了個體間的親緣關(guān)系，而未考慮特定基因的基因型及各等位基因的頻率，并不能準(zhǔn)確地反映群體的遺傳多樣性[4-5]。當(dāng)群體系譜記錄不準(zhǔn)確或缺乏時，F(xiàn)ped 估計的可靠性會大幅度降低甚至難以進(jìn)行。近年來，隨著測序技術(shù)的迅猛發(fā)展與測序成本的不斷降低，利用全基因組范圍內(nèi)的高密度SNP 標(biāo)記研究和評價畜禽遺傳多樣性已成為現(xiàn)實[6-9]。利用全基因組SNP 標(biāo)記信息可準(zhǔn)確計算群體內(nèi)各SNP 的最小等位基因頻率（minor allele frequency，MAF）、基因組雜合度（genomic heterozygosity，HG）、基因組觀察純合度（genomic observed homozygosity，HOMobs） 等指標(biāo)，能更準(zhǔn)確地反映群體的遺傳多樣性[5， 10-12]，及時掌握群體內(nèi)某一基因的丟失或固定情況，從而實現(xiàn)畜群遺傳多樣性的準(zhǔn)確、適時監(jiān)測，為保種策略的優(yōu)化提供更加可靠的依據(jù)。因此，基于全基因組SNP 信息的遺傳多樣性監(jiān)測和基因組保種正逐漸成為畜禽品種資源保護(hù)的一種新策略[8-11]。

在活畜保種的世代繁育中，某一基因或標(biāo)記的等位基因初始頻率（initial frequency，IF） 很大程度上決定了其丟失或固定的概率，從而影響群體遺傳多樣性[12]。已有研究探討了不同等位基因IF 下的群體遺傳多樣性[4，12]，但這些研究大多停留在單個或少數(shù)幾個基因?qū)用?，而全基因組水平下不同SNP 等位基因IF 對群體遺傳多樣性的影響仍需進(jìn)一步研究。本研究通過Monte Carlo 方法模擬了1 個連續(xù)繁育50 個世代的家畜保種群體，利用1000個SNP標(biāo)記分析了不同SNP 等位基因IF 下的平均MAF（average MAF，AMAF）及其分布、HG、HOMobs和等位基因丟失數(shù)的變化情況，旨在揭示不同SNP 等位基因IF 對群體遺傳多樣性的影響，從而為制訂和優(yōu)化家畜基因組保種方案提供一定的依據(jù)和基礎(chǔ)。

1材料與方法

2 結(jié)果與分析

2.1 平均最小等位基因頻率（AMAF）

由表1 和圖1可知：隨著繁育世代的遞增，群體內(nèi)各SNP的AMAF 逐漸下降，且SNP等位基因IF 越高，AMAF 下降的幅度越大、速度越快。當(dāng)IF 為0.1、0.3和0.5時，AMAF在第5～50代期間分別下降了13.44%、34.66% 和43.60%。就同一世代而言，SNP 等位基因的IF 越高，AMAF也越大。以第50代為例，當(dāng)IF 分別為0.1、0.3和0.5時，AMAF分別為0.0863、0.1938和0.2292。

2.2最小等位基因頻率（MAF） 的分布

由表2和圖2可知：無論在何種IF 下，隨著繁育世代的遞增，位于0≤MAF≤0.1區(qū)間內(nèi)SNP 數(shù)量都逐漸增多。如當(dāng)IF為0.5時，第5代位于0≤MAF≤0.1 區(qū)間內(nèi)的SNP 數(shù)量為3個，至第50代時則為282個。在同一世代內(nèi)，當(dāng)IF 升高時，位于0≤MAF≤0.1 區(qū)間的SNP數(shù)量減少，而位于0.4lt;MAF≤0.5區(qū)間的SNP 數(shù)量增加，且兩者的差距逐漸縮小。以第50代為例，當(dāng)IF 為0.1時， 位于0≤MAF≤0.1 和0.4lt;MAF≤0.5區(qū)間的SNP數(shù)量分別為705和50個，兩者相差655個；當(dāng)IF 為0.3時，位于上述2 個區(qū)間的SNP數(shù)量分別為387和155個，兩者相差232個；而當(dāng)IF上升至0.5時，位于上述2 個區(qū)間的SNP數(shù)量分別為282和192個，兩者僅相差90個。

2.3 基因組雜合度（HG） 和觀察純合度（HOMobs）

由表3和圖3可知：隨著繁育世代的遞增，群體的H_G逐漸下降，HOM_obs 逐漸上升；當(dāng)SNP等位基因IF較低時，同一世代的H_G更低、HOM_obs更高，且隨著世代遞增，H_G下降和HOM_obs上升的速度更慢。當(dāng)IF 為0.1、0.3和0.5時，第50代的H_G分別為0.121 9、0.2580 和0.3019，分別較第5 代降低了28.84%、35.13% 和36.17%；第50代的HOM_obs 分別為0.8761、0.7381和0.6937，分別較第5 代提高了6.03%、23.68% 和33.28%。

2.4 等位基因丟失數(shù)

由表4和圖4可知：隨著繁育世代的遞增，基因組中SNP 等位基因丟失的數(shù)量逐漸增加；當(dāng)IF 過低時，同一世代SNP 等位基因丟失的數(shù)量增加，等位基因隨世代遞增而丟失的數(shù)量亦大幅增加。以IF 為0.3為例，第10代只丟失1個等位基因，而到第20和50代則分別丟失了29和226 個等位基因。當(dāng)IF 為0.1、0.3和0.5時，第50代丟失的等位基因數(shù)分別為547、226 和133個，較第5 代分別增加了542、226 和133個。

3討論

本研究探討了不同SNP 等位基因IF 下家畜保種群體基因組遺傳多樣性的變化情況，結(jié)果表明：隨著繁育世代的遞增，群體遺傳多樣性呈現(xiàn)出不同程度的下降，具體表現(xiàn)為群體內(nèi)各SNP 的AMAF 逐漸降低，MAF 位于[0， 0.1] 區(qū)間的SNP數(shù)逐漸增加，H_G 逐漸下降，HOM_obs 逐漸上升，基因丟失的數(shù)量和比例增加。這意味著在一個有限規(guī)模的閉鎖群體中，長期保存每個基因而不發(fā)生丟失幾乎是不可能的[12]。然而，如果能夠針對影響群體遺傳多樣性的因素采取合理措施，則有望降低基因丟失的概率和速率，從而提高畜群保種的效果。

前述結(jié)果顯示：SNP等位基因的IF可明顯影響保種群體內(nèi)各SNP的MAF、H_G或HOM_obs以及等位基因丟失數(shù)，進(jìn)而影響保種效果。與較低的SNP等位基因IF 相比，當(dāng)IF 接近0.5時，群體內(nèi)AMAF更高，MAF 位于[0， 0.1] 區(qū)間的SNP數(shù)量更少，H_G更高，HOM_obs更低，等位基因丟失數(shù)更少，群體的遺傳多樣性能夠得到更有效的保持。

從本質(zhì)上講，反映群體基因組遺傳多樣性的各項指標(biāo)雖在表現(xiàn)形式上有所不同，但實質(zhì)仍是反映基因頻率的變化。在一個規(guī)模有限的閉鎖群體中，基因頻率的變化幅度主要由隨機遺傳漂變的大小決定，并受群體規(guī)模、性別比例、選擇、突變、基因IF 等因素的影響。由于自然狀態(tài)下基因突變的概率極低（通常為10?5～10?8），如果在世代繁育過程中保持群體規(guī)模和種公母畜比例恒定，且實行隨機留種和隨機交配，各基因或標(biāo)記位點的等位基因IF 便成為影響遺傳漂變的關(guān)鍵因素。理論和實際研究結(jié)果表明：當(dāng)群體內(nèi)某一等位基因的IF 過低或過高（相當(dāng)于另一個等位基因的IF 過低） 時，該等位基因發(fā)生丟失或固定（相當(dāng)于另一個等位基因丟失） 的概率隨之增大[12， 16]。因此，在家畜保種實踐中，如能結(jié)合基因組SNP檢測，優(yōu)化組建1個各SNP等位基因頻率適中的保種群體，或借助基因組SNP信息優(yōu)化種畜選留或選配策略[17-18]，則對保持群體遺傳多樣性和提高保種效果具有重要意義。

如前所述，在保種群的世代繁育過程中，除了各SNP等位基因IF外，群體規(guī)模、公母比例、種畜留種與選配策略等因素也會影響群體的遺傳多樣性。在實際保種中，適當(dāng)擴大保種群體規(guī)模，增加公畜比例，實行各家系等量留種，避免親緣關(guān)系較近的個體交配等措施，均有利于減緩群體遺傳多樣性的下降[4， 12]。因此，在制訂和實施家畜基因組保種方案時，既要充分考慮適宜的SNP數(shù)量[19-21]及等位基因頻率等因素，還需盡可能保證保種群體具有足夠的種畜數(shù)量、適宜的公母比例，并采用科學(xué)合理的留種選配方式等，從而最大程度地保持群體遺傳多樣性。

家畜保種的目的在于盡可能保持群體的遺傳多樣性，以完整地保存群體內(nèi)的每個基因，但這與提高目標(biāo)性狀增效基因頻率、改進(jìn)和提高畜群生產(chǎn)性能為目的的家畜育種存在一定矛盾。長期以來，家畜保種方法大多沒有將遺傳資源的保護(hù)與生產(chǎn)性能的遺傳改良很好地結(jié)合[22-23]。近年來，學(xué)者們在如何利用基因組信息優(yōu)化家畜選種選配策略方面開展了大量研究[17-18， 24-26]，并取得明顯進(jìn)展。隨著相關(guān)研究的不斷深入，保種與選育相結(jié)合的基因組保種方法將進(jìn)一步完善，并為實現(xiàn)畜群遺傳多樣性保護(hù)與生產(chǎn)性能提升的雙重目標(biāo)提供新的有效路徑。

4 結(jié)論

基因組SNP等位基因的IF 會影響保種群體繁育過程中各SNP的MAF、H_G或HOM_obs 以及等位基因丟失數(shù)，進(jìn)而影響群體的遺傳多樣性。SNP等位基因IF過低或過高均會降低群體H_G，增加等位基因丟失或固定的概率，不利于遺傳多樣性的保持。在保種實踐中，若能結(jié)合全基因組SNP檢測，盡可能保證基礎(chǔ)群各SNP等位基因的IF 接近0.5，則可有效保持群體H_G水平，降低基因丟失或固定的風(fēng)險，從而提高家畜保種效果。

責(zé)任編輯：何承剛