母豬繁殖力基因遺傳育種研究進(jìn)展

鐘 欣,張 暉,張 充,劉小紅

(中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,廣州 510275)

我國(guó)是全球最大的生豬生產(chǎn)國(guó)和豬肉消費(fèi)國(guó)。然而,我們面臨著母系豬繁殖力較低的重要問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題,選育高繁殖性狀的母系豬已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。母豬的繁殖力性狀是衡量其年提供斷奶仔豬數(shù)量能力的重要指標(biāo)之一,其中包括總產(chǎn)仔數(shù)(TNB)、產(chǎn)活仔數(shù)(NBA)等參數(shù)[1],這些繁殖性狀直接影響?zhàn)B殖企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力,對(duì)于生豬養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)能力、盈利能力和經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要[2]。

母豬的繁殖力性狀是一種復(fù)雜的低遺傳力和限性性狀。在傳統(tǒng)的飼養(yǎng)產(chǎn)業(yè)中,母豬的產(chǎn)仔數(shù)量受到多個(gè)外部因素(如飼養(yǎng)管理、環(huán)境條件和營(yíng)養(yǎng)攝入)和內(nèi)部因素(如健康狀況、胎次、排卵率、胚胎存活率和子宮容量)的共同影響,表現(xiàn)出較低的遺傳性和強(qiáng)烈的異質(zhì)性[3-4],因此,傳統(tǒng)的利用表型值和系譜信息進(jìn)行育種值預(yù)測(cè)的方法在母豬繁殖性能的改良方面進(jìn)展緩慢。隨著養(yǎng)殖規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展,特別是近年來(lái)國(guó)內(nèi)規(guī)?；瘶欠棵芗B(yǎng)殖的興起[5],改善飼養(yǎng)方法和豬舍條件在提高母豬繁殖性能方面要取得的進(jìn)步空間有限,因此,選擇具有高繁殖性能遺傳特征的母系豬至關(guān)重要[6]。

排卵率和胚胎存活率是影響母豬繁殖力的關(guān)鍵因素,并具有較高的遺傳性。因此,通過(guò)基因標(biāo)記輔助選擇或全基因組選擇優(yōu)化與排卵率和胚胎存活率相關(guān)的基因,可以選擇出具有高排卵率和高胚胎存活率的母豬基因型,從而提高母系豬的繁殖性能。本文綜述了目前已知的影響母豬繁殖性能的基因,并對(duì)利用全基因組信息技術(shù)進(jìn)行高繁殖力母豬選育分析研究以及全基因組選擇的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。

1 影響母豬繁殖力性狀的已知基因

通過(guò)微衛(wèi)星標(biāo)記和連鎖圖譜技術(shù)的應(yīng)用,已經(jīng)鑒定出大量與母豬繁殖性能相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)和候選基因[7]。數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)指的是與多基因表型性狀相關(guān)的基因組區(qū)域。目前豬數(shù)量性狀位點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)(PigQTLdb)收錄了48 844個(gè)QTLs,涉及到673種數(shù)量性狀。其中,與母豬產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)的QTL達(dá)1 557個(gè)(來(lái)源:https:∥www.animalgenome.org,發(fā)布日期:2023年4月25日)。然而,由于QTL的檢測(cè)基于低分辨率的高多態(tài)性微衛(wèi)星標(biāo)記,其定位過(guò)于寬泛,置信區(qū)間通常超過(guò)20 cm。因此,要精確定義與經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的重要基因在其中的作用是十分困難的。尤其是在繁殖力表型中方差偏差較大的情況下,至少需要進(jìn)行三代周期的試驗(yàn)驗(yàn)證,并且長(zhǎng)時(shí)間維持QTL作用下環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)化也十分困難。因此,在標(biāo)記輔助選擇(marker-assisted selection,MAS)中難以應(yīng)用定位過(guò)于寬泛的信息。

目前研究較多的、已知能顯著影響母豬繁殖力性狀的基因包括雌激素受體(ESR)基因、泌乳素受體(PRLR)基因、視黃醇結(jié)合蛋白4(RBP4)基因、瘦素(LEP)基因、備解素(BF)基因、胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白(IGFBP)基因、連環(huán)蛋白阿爾法樣蛋白1(CTNNAL1)、無(wú)翼型MMTV結(jié)合位點(diǎn)家族10B(WNT10B)基因、轉(zhuǎn)錄因子12(TCF12)基因、無(wú)精癥樣刪除(DAZL)基因家族、無(wú)名指蛋白4(RNF4)基因以及骨形成蛋白(BMPs)家族等基因。這些基因在母豬的繁殖力性狀中扮演著重要的角色。

1.1 雌激素受體(ESR)基因

雌激素受體(ESR)基因是最早發(fā)現(xiàn)與母豬繁殖力性狀相關(guān)的基因之一[8]。它位于豬的1號(hào)染色體上,由8個(gè)外顯子和7個(gè)內(nèi)含子組成,是研究最多的候選基因之一[9]。雌激素是一種類固醇激素,在子宮生長(zhǎng)、卵泡發(fā)育、胚胎著床、泌乳等雌性生理活動(dòng)中起核心作用。雌激素的功能是通過(guò)與其受體,即ESR1和ESR2結(jié)合來(lái)介導(dǎo)的。ESR1和ESR2屬于異源二聚體,二者具有協(xié)同作用且功能相似[10]。雌激素受體基因被認(rèn)為對(duì)卵巢卵泡和胚胎的生長(zhǎng)、成熟以及圍繞著床期的發(fā)育至關(guān)重要[11]。

最早的研究發(fā)現(xiàn),中國(guó)梅山豬品系ESR的PvuII位點(diǎn)多態(tài)性與TNB以及NBA顯著相關(guān) ,具有50%中國(guó)梅山豬血統(tǒng)的合成系母豬,其純合有益等位基因的BB型母豬,在首次產(chǎn)仔中比具有相同合成系A(chǔ)B型、純合不良等位基因AA型母豬的TNB以及NBA均多產(chǎn)2.3頭仔豬,其總平均TNB以及平均NBA均多產(chǎn)1.5頭仔豬。類似地,在大白豬血統(tǒng)的豬中也證實(shí),BB型母豬首次產(chǎn)仔的總產(chǎn)仔數(shù)比AB型、AA型母豬的TNB以及NBA均要多產(chǎn)1頭以上仔豬。有研究發(fā)現(xiàn),BB基因型的母豬子宮容量大于AA基因型,因此在胚胎發(fā)育后期AA基因型豬胎兒的死亡率要高于BB基因型[12]。最近幾年的研究發(fā)現(xiàn),ESR1基因rs14 295 786A>C位點(diǎn)與巴馬香豬第2、4、6胎TNB和6胎總平均產(chǎn)仔數(shù)存在顯著關(guān)聯(lián)(P<0.05),AA型比CC型窩產(chǎn)仔數(shù)多0.860頭。大白豬ESR1基因SNP位點(diǎn)與窩產(chǎn)仔數(shù)無(wú)顯著關(guān)聯(lián)(P>0.05)[13]。

然而,也有研究發(fā)現(xiàn)ESR基因型與繁殖力的相關(guān)性并不十分顯著。例如,在意大利大白豬種群中未觀察到ESR基因的遺傳變異與目標(biāo)品種的產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)[14]。在伊比利亞豬的研究中,發(fā)現(xiàn)了1號(hào)染色體SCC1的q臂端的ESR2多態(tài)性,但未發(fā)現(xiàn)與伊比利亞豬種群的產(chǎn)仔數(shù)顯著相關(guān)[15]。類似地,在土豬種群的研究中也未觀察到ESR2基因座的顯著差異[16]。這些研究結(jié)果可能與豬的品種效應(yīng)相關(guān)。

1.2 泌乳素受體(PRLR)基因

泌乳素是一種前垂體多肽激素,通過(guò)與其受體結(jié)合參與雌性動(dòng)物排卵、黃體生成以及孕激素和雌激素的分泌,在繁殖和泌乳中發(fā)揮著重要作用[17-18]。豬的PRLR位于第16號(hào)染色體,含有8個(gè)外顯子和7個(gè)內(nèi)含子[19]。該基因的最后一個(gè)外顯子存在一個(gè)多態(tài)性突變,描述了兩個(gè)等位基因,有益等位基因A和不良等位基因B。

泌乳素受體基因型與大多數(shù)豬品種的產(chǎn)仔數(shù)性狀具有顯著關(guān)聯(lián)。在大白豬、長(zhǎng)白豬、杜洛克豬、長(zhǎng)白豬×皮特蘭豬、大白豬雜交、長(zhǎng)白豬雜交、中國(guó)梅山豬雜交系以及大白×梅山F2雜交母豬的研究中,發(fā)現(xiàn)該基因與各種品種的總產(chǎn)仔數(shù)(TNB)和活仔數(shù)(NBA)顯著相關(guān)[19-23]。研究表明,AA基因型母豬通常比AB基因型、BB基因型母豬的TNB、NBA高[24-26]。然而,在梅山豬雜交品系中,產(chǎn)仔數(shù)最高的母豬為AB基因型[19]。目前尚不清楚泌乳素受體基因影響產(chǎn)仔數(shù)的機(jī)制,也不清楚PRLR多態(tài)性本身是否造成了產(chǎn)仔數(shù)的差異[26]。

1.3 視黃醇結(jié)合蛋白4(RBP4)基因

視黃醇結(jié)合蛋白(RBP)是大型家畜胚胎和子宮內(nèi)膜的主要分泌產(chǎn)物[27],在豬胚胎早期發(fā)育的第10～12天,胚泡膜迅速重塑和延長(zhǎng),同時(shí)伴隨著子宮內(nèi)膜合成和分泌視黃醇的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白:視黃醇結(jié)合蛋白進(jìn)入子宮腔,同時(shí)孕子宮內(nèi)膜中RBP4基因表達(dá)增加,表明相應(yīng)的編碼蛋白(RBP4)在妊娠建立過(guò)程中對(duì)子宮和胚胎的生理起著重要作用[28]。豬RBP4基因位于第14號(hào)染色體上[29],是豬產(chǎn)仔數(shù)性狀的候選基因之一。

RBP4基因的MspI多態(tài)位點(diǎn)存在兩種不同的等位基因:等位基因A和等位基因B。然而,在不同豬種的研究中,關(guān)于RBP4基因的有利基因型的影響并不一致。波蘭大白×長(zhǎng)白母豬的BB基因型母豬在總產(chǎn)仔數(shù)、活仔數(shù)以及斷奶仔豬數(shù)方面顯著多于AA和AB型[30]。相反地,藏豬中AA基因型的母豬的TNB和NBA數(shù)量顯著高于BB和AB基因型[31]。商業(yè)交叉大白×長(zhǎng)白種母豬[32]和超高產(chǎn)大白×長(zhǎng)白種母豬中,AA基因型的母豬也表現(xiàn)出較高的TNB[33]。另一方面,在自然種豬種群中,AB基因型的母豬相較于其他基因型擁有更大的TNB和NBA[16]。在對(duì)巴馬香豬及大白豬的研究中,發(fā)現(xiàn)RBP4基因的SNP位點(diǎn)與窩產(chǎn)仔數(shù)的相關(guān)性不顯著(P>0.05)[13]。這些結(jié)果之間的不一致使得一些研究者認(rèn)為RBP4基因影響母豬產(chǎn)子數(shù)的證據(jù)不夠充分[34]。

1.4 瘦素(LEP)基因及瘦素受體(LEPR)基因

瘦素是一種由白色脂肪細(xì)胞分泌的16 ku多肽激素,豬的leptin基因位于第18號(hào)染色體上[35],由3個(gè)外顯子和7個(gè)內(nèi)含子組成[36]。瘦素通過(guò)位于第6號(hào)染色體上編碼的特異性受體(LEPR)相互作用,主要調(diào)節(jié)豬的脂肪調(diào)節(jié)、飼料攝入、能量消耗和全身能量平衡,進(jìn)而可能參與了生殖功能的調(diào)節(jié)[37]。

瘦素的基因多態(tài)性對(duì)產(chǎn)仔數(shù)量有影響。例如,在大白豬種群中,LEP基因在Hinfl位點(diǎn)上的多態(tài)性與出生時(shí)的總產(chǎn)仔數(shù)量和活產(chǎn)仔數(shù)量有顯著關(guān)聯(lián)。CC基因型的母豬在總產(chǎn)仔數(shù)以及活仔數(shù)要顯著高于TT基因型以及TC基因型[38]。對(duì)鹿川豬的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的顯著效應(yīng)[39]。然而,在波蘭大白豬×長(zhǎng)白豬母豬雜交品種的研究中,不同LEP基因型與TNB、出生活仔數(shù)和斷奶窩重之間的關(guān)系也沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[26]。

與瘦素基因相比,瘦素受體基因含有更多的多態(tài)性。例如,在長(zhǎng)白豬、約克夏豬和杜洛克豬的LEPR基因中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)含子2、外顯子2、6和18的4個(gè)單核苷酸多態(tài)性。約克夏豬和杜洛克豬LEPR基因的內(nèi)含子2、外顯子2和外顯子18的多態(tài)性與產(chǎn)仔數(shù)量之間存在顯著關(guān)聯(lián),但長(zhǎng)白豬的產(chǎn)仔數(shù)與LEPR基因的多態(tài)性之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[40]。

1.5 卵泡刺激素β亞基(FSHβ)基因

豬卵泡刺激素(FSH)是一種由前垂體分泌的糖蛋白,通過(guò)其在性腺細(xì)胞上的受體來(lái)調(diào)節(jié)成熟卵巢的卵泡集合和發(fā)育。卵泡刺激素(FSH)由兩個(gè)不同的亞單位組成:一個(gè)共同的α亞基和一個(gè)激素特異性的β亞基[41]。這兩個(gè)亞單位由不同的基因編碼,并且獨(dú)立合成。通常情況下,FSH的生物功能取決于FSHβ亞基的特異性。在豬的基因組中,編碼β亞基的FSHβ基因位于第2號(hào)染色體上,包含了3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子[42]。

在長(zhǎng)白豬和約克郡豬的研究中,發(fā)現(xiàn)有利等位純合體基因型(高基因頻率)的母豬的首胎平均TNB和NBA相較不利等位純合體基因型(低基因頻率)的母豬分別多產(chǎn)2.53頭和2.12頭仔豬。對(duì)于其他胎次,盡管有利等位基因型的影響逐漸減弱,但與其他等位基因型的母豬相比,有利等位基因純合子的雌性母豬仍然每胎多產(chǎn)1.5頭仔豬[43]。在大白豬[44-45]、藏豬[46]對(duì)FSHβ亞基的研究中,也發(fā)現(xiàn)有利等位純合體基因型(高基因頻率)的TNB和NBA顯著高于不利等位純合體基因型(低基因頻率)的母豬。

1.6 備解素(BF)基因

備解素基因又稱補(bǔ)體因子B基因(BF),其編碼的備解素(properdin)蛋白是一種分子量為93 ku的單鏈糖蛋白。豬的BF基因位于豬第7條染色體的著絲粒區(qū)域[47],BF基因在子宮上皮細(xì)胞生長(zhǎng)中發(fā)揮著重要作用,對(duì)妊娠的建立和維持至關(guān)重要[48]。豬的BF基因中存在SmaI限制酶多態(tài)性位點(diǎn)。在(大白豬×長(zhǎng)白豬)×Leicoma母豬F2代的基因分型中,備解素基因的BB型與AA型以及AB基因型相比,顯示出更高的TNB和NBA。希臘商業(yè)豬中,BB型母豬的TNB和NBA比AB型母豬更高,在第2到第5胎(高產(chǎn)期)中表現(xiàn)出顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異 (P<0.05)[49]。在另一個(gè)希臘品種的豬種群中,也發(fā)現(xiàn)BB基因型的TNB和NBA數(shù)量更多[16]。

1.7 胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白(IGFBP)基因

胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白基因(IGFBP)是由六種結(jié)合蛋白質(zhì)組成的家族。IGFBP參與調(diào)節(jié)排卵、著床、胎兒發(fā)育和妊娠維持等與生殖生理相關(guān)的過(guò)程[50],作為信號(hào)分子,IGFBP在卵巢卵泡中產(chǎn)生,并調(diào)節(jié)子宮內(nèi)膜細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化[51]。

在豬的基因組中,IGFBP2位于第15染色體上,IGFBP3位于第18染色體上。研究發(fā)現(xiàn),伯克郡豬的IGFBP2和IGFBP3在內(nèi)含子2的多態(tài)性位點(diǎn)與產(chǎn)仔數(shù)存在相關(guān)性。具體來(lái)說(shuō),IGFBP2基因的AT型和IGFBP3基因的GG型與TNB和NBA呈最高相關(guān)性。而芬蘭約克郡豬和長(zhǎng)白豬的IGFBP1、IGFBP2和IGFBP5基因?qū)Ξa(chǎn)仔數(shù)性狀有積極影響[52]。此外,在杜長(zhǎng)大三元雜交豬種群中,IGFBP3基因顯著影響發(fā)情間隔和死胎數(shù)量,從而調(diào)節(jié)母豬的繁殖性狀[53]。在對(duì)巴馬香豬的IGFBP2基因研究中,標(biāo)記為rs1 112 268 627 的T>C位點(diǎn)與第3、4、6胎和6胎總平均產(chǎn)仔數(shù)顯著關(guān)聯(lián)(P<0.05)[13]。

1.8 無(wú)精癥樣刪除(DAZL) 基因

DAZL基因是DAZ基因家族的成員之一,該家族包括3個(gè)基因:DAZ、DAZL和BOULE。這些基因編碼RNA結(jié)合蛋白,負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)生殖細(xì)胞的發(fā)育和分化[54]。在豬的基因組中,DAZL位于第13號(hào)染色體上,編碼一個(gè)由295個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)[55],DAZL基因所在的位置周圍還存在與排卵率和死胎相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)。

在大白豬和DIV豬中,DAZL基因的內(nèi)含子9中存在TaqI多態(tài)性位點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn),大白豬TaqI位點(diǎn)的CC基因型與CD基因型相比,存活仔豬的NBA數(shù)量增加了0.716頭(P<0.05),其顯性效應(yīng)為每窩NBA增加0.304頭(P<0.05)。而DIV豬中,CC基因型的動(dòng)物在首胎中的NBA數(shù)量比DD和CD基因型分別增加了1.940和2.017頭[55]。然而,在意大利大白豬中,DAZL基因在基因型樣本中沒(méi)有觀察到多態(tài)性分離[56]。

1.9 WNT信號(hào)通路基因CTNNAL1、WNT10B和TCF12

WNT信號(hào)通路是一個(gè)復(fù)雜的互動(dòng)通路,由蛋白質(zhì)、受體和其他調(diào)節(jié)元件組成,在胚胎發(fā)育、著床、卵巢卵泡形成、排卵、妊娠維持和泌乳等多個(gè)生殖過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[57-58]。其中,連環(huán)蛋白樣蛋白1(CTNNAL1)、無(wú)翼型MMTV整合位點(diǎn)家族成員10B(WNT10B)和轉(zhuǎn)錄因子12(TCF12)是WNT信號(hào)通路中的幾個(gè)重要基因。

在比較產(chǎn)仔數(shù)較高的F太湖豬與產(chǎn)仔數(shù)較低的大白豬母豬的差異表達(dá)基因時(shí),研究發(fā)現(xiàn)WNT信號(hào)通路中的6個(gè)基因(包括WNT10B和CTNNAL1)表達(dá)差異顯著,進(jìn)一步證實(shí)了WNT10B和CTNNAL1與母豬的產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)[59]。

此外,在對(duì)不同豬群體的檢測(cè)中,發(fā)現(xiàn)CTNNAL1基因、WNT10B基因和TCF12基因各自存在與產(chǎn)仔數(shù)顯著相關(guān)的SNP位點(diǎn)。例如,在大白豬的CTNNAL1基因的c.1 878 G>C位點(diǎn)上,GG基因型的母豬的NBA數(shù)量比CC基因型的多出1.14頭(P<0.01)。在中國(guó)DIV豬中,CTNNAL1基因的GG基因型的母豬的TNB和NBA數(shù)量分別比CC基因型的多出2.62頭和2.07頭(P<0.01)。此外,大白豬的WNT10B基因的首胎NBA數(shù)量中,TC基因型比TT和CC基因型的少,但沒(méi)有觀察到顯著的遺傳效應(yīng)。而在TCF12基因的c.-200-300 G>A位點(diǎn)上,GG基因型的母豬的首胎NBA數(shù)量比AA和AG基因型的更多(P<0.05)。中國(guó)DIV豬類似,TCF12基因GG基因型的母豬的首胎TNB數(shù)量也比AA和AG基因型的多出1.45頭(P<0.05)[60]。

1.10 環(huán)指蛋白4(pRNF4)基因

豬的pRNF4基因位于第8號(hào)染色體上,已經(jīng)在SSC8的p臂上鑒定出了影響排卵率的QTL[61]。過(guò)度表達(dá)pRNF4基因編碼的環(huán)指蛋白可以增強(qiáng)雌激素和孕激素等多種類固醇受體的轉(zhuǎn)錄[62],并調(diào)節(jié)胎兒生殖細(xì)胞的發(fā)育,以及卵母細(xì)胞和顆粒細(xì)胞的成熟[63]。一項(xiàng)涉及3個(gè)不同豬種群體的研究發(fā)現(xiàn),在民豬中,TT基因型的母豬比CC基因型的母豬產(chǎn)仔數(shù)更多。在青坪和DIV系群體中也觀察到了類似的結(jié)果,但這些結(jié)果并不顯著[64]。

1.11 骨形態(tài)發(fā)生蛋白家族及其近緣基因

骨形成蛋白(BMPs)是一組多功能細(xì)胞因子,屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)超家族的BMP亞家族。作為分泌的信號(hào)分子和配體,BMPs通常通過(guò)與骨形成蛋白受體BMPR以及SMAD蛋白形成BMP/SMAD信號(hào)通路來(lái)發(fā)揮其生物功能,例如在卵巢功能調(diào)控中發(fā)揮重要作用[65-66]。

骨形態(tài)發(fā)生蛋白7以及15(BMP-7, BMP-15)是由卵母細(xì)胞產(chǎn)生的生長(zhǎng)因子,在哺乳動(dòng)物卵巢促性腺激素作用調(diào)控中具有重要的生理作用[67]。在對(duì)大白豬種群的研究中,發(fā)現(xiàn)BMP7基因的3′-非翻譯區(qū)(3′-UTR)SNP c.1 569 A>G和BMP15基因的3′-非翻譯區(qū)(3′-UTR)SNP c.2 366 G>A形成了6個(gè)組合基因型。其中,AA/GA和AG/GG的母豬基因型顯示更高的TNB和NBA。此外,不同豬種的BMP15基因存在不同的突變位點(diǎn)。對(duì)于小梅山豬(太湖豬的地方類群)和大白豬的BMP15基因的第2外顯子的BcuI位點(diǎn)的多態(tài)性分析發(fā)現(xiàn),小梅山豬群主要為AA基因型,而大白豬群主要為BB基因型。此外,AA基因型的經(jīng)產(chǎn)小梅山豬TNB和NBA均比AB基因型和BB基因型更高,大白豬的數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)類似趨勢(shì)[68]。五種山東地方豬種群的BMP15基因的第2外顯子中存在2個(gè)變異位點(diǎn),其中一個(gè)與小梅山豬的位點(diǎn)一致,并與產(chǎn)仔數(shù)相關(guān),呈現(xiàn)類似于小梅山豬的規(guī)律。但在對(duì)大白豬和杜洛克豬群中的研究中只觀察到一個(gè)基因型[69]。在對(duì)大白豬BMP-7、BMP-15的研究發(fā)現(xiàn),有2個(gè)突變位點(diǎn)的合并基因型與大白豬TNB、死胎數(shù)(NSB)和出生窩重(LW)顯著關(guān)聯(lián),AG/ID型母豬總產(chǎn)仔數(shù)顯著高于GG/ID型母豬(P<0.05)[70]。

骨形成蛋白受體1B(BMPR1B)是骨形成蛋白受體的一種,與BMPs共同影響生殖過(guò)程的功能。BMPR1B主要存在于胎兒卵巢中,并存在于從原始卵泡到有腔卵泡的所有卵泡的顆粒細(xì)胞層、卵母細(xì)胞、卵泡膜、黃體和卵巢上皮細(xì)胞中,因此對(duì)生殖過(guò)程有重要影響。在5種山東地方豬種群以及大白豬和長(zhǎng)白豬中,BMPR-IB基因發(fā)生了C-T突變,形成了AA、AB和BB三個(gè)基因型。然而,在研究的杜洛克豬群中,只觀察到AA型基因。長(zhǎng)白豬和大白豬的BB基因型相比AA基因型,具有更高的TNB和NBA[69]。在貴州的宗地花豬中,BMPR-IB基因的第6外顯子存在兩個(gè)突變位點(diǎn),G595C和C643 T。根據(jù)這些位點(diǎn)的基因型,經(jīng)產(chǎn)母豬的總產(chǎn)仔數(shù)和產(chǎn)活仔數(shù)表現(xiàn)為AA>AG>GG,BB>BT>TT[71]。

2 基于全基因組信息的母豬產(chǎn)仔數(shù)分析研究與育種應(yīng)用

豬的高繁殖性能是一個(gè)復(fù)雜的性狀特征,上述影響母豬繁殖力性狀的已知基因通過(guò)復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)影響母豬的繁殖力性狀表現(xiàn),綜合考慮各個(gè)繁殖性狀特征的相互作用顯得十分重要。單一選擇某個(gè)高繁殖性狀可能導(dǎo)致其他繁殖性狀出現(xiàn)問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō),選擇增加排卵卵泡數(shù)量通常會(huì)增加仔豬死亡的風(fēng)險(xiǎn);選擇高數(shù)量的產(chǎn)仔總數(shù)會(huì)導(dǎo)致子宮過(guò)度擁擠,影響胎盤(pán)發(fā)育、仔豬出生體重和胎兒產(chǎn)后發(fā)育。因此,在選育高繁殖力母豬時(shí),需要平衡各方面因素的選擇,而不是單一方向的選擇方式[72]。同時(shí),多個(gè)候選基因常被同時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,然而已知的候選基因數(shù)量有限,對(duì)于復(fù)雜的低遺傳力性狀和限制性狀,如母豬的產(chǎn)仔數(shù),其遺傳影響仍然較小,因此取得的遺傳進(jìn)展相對(duì)緩慢。此外,不同豬品系在其養(yǎng)殖環(huán)境中,特定基因位點(diǎn)對(duì)繁殖性能的影響也可能有所不同。隨著豬全基因組測(cè)序的完成以及高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,基于全基因組信息進(jìn)行母豬繁殖力的育種成為研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì),基于全基因組信息的分析方法能更全面地挖掘與性狀相關(guān)的遺傳信息[73]。

2.1 全基因組關(guān)聯(lián)分析

全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)利用覆蓋全基因組的遺傳標(biāo)記信息,對(duì)比并統(tǒng)計(jì)分析遺傳變異多態(tài)性與表型和系譜信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,從而研究分子遺傳標(biāo)記與目標(biāo)性狀之間的關(guān)聯(lián)。該方法顯著加速了重要的SNPs、QTLs和候選基因在基因組中的發(fā)現(xiàn)周期,促進(jìn)了育種遺傳進(jìn)展。

在基于全基因組策略的分析中,首先需要構(gòu)建研究目標(biāo)品種的豬種群體。在構(gòu)建豬種群體時(shí),需要避免不同品種的混雜,以防止由于品種間較大的遺傳差異而導(dǎo)致群體分層,進(jìn)而產(chǎn)生虛假陽(yáng)性結(jié)果。其次,需要對(duì)一定數(shù)量的品種群體進(jìn)行基因分型分析,形成基因型數(shù)據(jù)庫(kù),并收集相關(guān)的表型數(shù)據(jù),如產(chǎn)仔數(shù)、活仔數(shù)等。最后是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及關(guān)聯(lián)分析,找到與目標(biāo)繁殖性狀關(guān)聯(lián)的SNP位點(diǎn),找到的SNP位點(diǎn)還需要在其他品種進(jìn)行post-GWAS分析進(jìn)行驗(yàn)證[74]。

在高繁殖力母豬選育過(guò)程中,對(duì)目標(biāo)豬種群體進(jìn)行SNP基因分型是成本最高的環(huán)節(jié)之一。全基因組選擇對(duì)豬種群的SNP進(jìn)行分型時(shí),通常采用SNP芯片、簡(jiǎn)化基因組測(cè)序或基因組重測(cè)序幾種方案。其中SNP芯片是應(yīng)用最廣泛的方法之一。目前常用的SNP芯片包括Illumina公司的PorcineSNP60芯片[75]、GeneSeek公司的PorcineSNP80、Porcine SNP50和江西農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的KPS Porcine Breeding Chip v2(中芯一號(hào))芯片、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的GenoBaits Porcine SNP50K液相芯片等[76]。

2.2 全基因組關(guān)聯(lián)分析在母豬繁殖力方面的研究進(jìn)展

中國(guó)二花臉豬是全球產(chǎn)仔數(shù)量較多的品種之一,但該品種的產(chǎn)仔數(shù)量表型存在較大的變異。一項(xiàng)研究使用Illumina Porcine SNP60基因芯片對(duì)18頭二花臉母豬進(jìn)行了選擇性基因組掃描,這些母豬被分為高估計(jì)育種值(前10%)和低估計(jì)育種值(后10%)兩組。通過(guò)計(jì)算每個(gè)SNP在高估計(jì)育種值和低估計(jì)育種值EBV群體之間的全基因組固定系數(shù)(FST)值,得到了154個(gè)差異顯著的SNP并在313頭二花臉母豬中驗(yàn)證了在第8染色體上的rs81 399 474與TNB之間的顯著關(guān)聯(lián)關(guān)系[77]。另一項(xiàng)研究也使用了類似的方法,利用Illumina Porcine SNP60基因芯片對(duì)50頭中國(guó)二花臉豬(其中25頭為產(chǎn)仔數(shù)前12%的豬,25頭為產(chǎn)仔數(shù)后12%的豬)進(jìn)行基因分型,篩選出了10個(gè)差異顯著的SNPs。并在313頭二花臉豬、173頭蘇泰豬和488頭約克夏豬種群產(chǎn)仔數(shù)數(shù)據(jù)中驗(yàn)證了位于第13號(hào)染色體的SNP位點(diǎn)rs81 447 100與產(chǎn)仔數(shù)的關(guān)系。此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)rs81 447 100周圍存在視黃醇結(jié)合蛋白2和視黃醇結(jié)合蛋白1基因[78]。

大白豬是目前生產(chǎn)的重要品種之一,復(fù)雜性狀如產(chǎn)仔數(shù)的基因型不僅在均值上有差異,而且在基因型均值周圍的(殘差)變異方面也有差異。在一項(xiàng)對(duì)69 549頭大白豬母豬的264 419個(gè)TNB的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析中,使用雙層次廣義線性模型對(duì)大白豬種群中的TNB及其變異進(jìn)行了分析,并采用Illumina PorcineSNP60 Beadchip基因分型對(duì)2 351頭具有產(chǎn)仔觀測(cè)值數(shù)據(jù)的母豬,以及2 067頭具有殘差產(chǎn)仔數(shù)量數(shù)據(jù)的母豬應(yīng)用貝葉斯方法進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)研究。研究檢測(cè)到10個(gè)與總仔豬數(shù)(TNB)相關(guān)的顯著單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(SNP),首次在第11號(hào)染色體獲得與TNB顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點(diǎn),同時(shí)還獲得了9個(gè)與TNB變異性(varTNB)相關(guān)的SNPs,與varTNB相關(guān)的檢測(cè)到的基因組區(qū)域可應(yīng)用于基因組選擇,以減少varTNB,避免非常小或非常大(超出母豬哺乳生理能力)的仔豬數(shù)量的情況[79]。另一個(gè)在大白豬上的研究采用了PorcineSNP80 BeadChip芯片對(duì)1 207頭大白豬種群進(jìn)行了分析,對(duì)總產(chǎn)仔數(shù)、活仔數(shù)等多個(gè)繁殖性狀進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)研究,檢測(cè)到4個(gè)與TNB相關(guān)以及3個(gè)與NBA相關(guān)的全基因組顯著SNPs[80]。

長(zhǎng)白豬也是主要生產(chǎn)品種組成之一,在一項(xiàng)對(duì)328頭芬蘭長(zhǎng)白豬的研究中,應(yīng)用Illumina PorcineSNP60 BeadChip進(jìn)行基因分型,在SSC9第9號(hào)染色體SSC9的95和79 Mb周圍發(fā)現(xiàn)兩個(gè)顯著統(tǒng)計(jì)區(qū)域,其有利雙純合子基因型的動(dòng)物較具有不利雙純合子基因型的動(dòng)物多產(chǎn)1.3頭仔豬[81]。此外,還有研究應(yīng)用Illumina Porcine SNP 60k BeadChip芯片對(duì)181頭大白豬和140頭長(zhǎng)白豬采用一步法ssGWAS分析,獲得了繁殖性狀相關(guān)的22個(gè)(大白豬)和25個(gè)(長(zhǎng)白豬)SNP,并在大白豬中發(fā)現(xiàn)5個(gè)候選基因,在長(zhǎng)白豬中發(fā)現(xiàn)3個(gè)候選基因[82]。

杜洛克豬也是生產(chǎn)應(yīng)用中的重要品種,在一項(xiàng)針對(duì)杜洛克的繁殖性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析中,應(yīng)用了Illumina PorcineSNP60 BeadChip和GeneSeek GGP-Porcine兩種芯片,對(duì)1 067頭杜洛克豬(81頭公豬和986頭母豬)進(jìn)行了基因分型,關(guān)聯(lián)分析了與出生窩仔數(shù)最顯著相關(guān)的兩個(gè)SNP,為位于第14號(hào)染色體BICC1基因內(nèi)含子的 rs80 979 042和rs80 825 112[83]。

基因組測(cè)序技術(shù)包括基因組測(cè)序分型(GBS)和全基因組重測(cè)序技術(shù)(whole-genome sequencing, WGS),被認(rèn)為可以提供比基因芯片更高質(zhì)量的SNP數(shù)據(jù)信息。在一項(xiàng)以長(zhǎng)白豬以及約克夏豬為研究對(duì)象的研究中,采用基因組測(cè)序分型(GBS)技術(shù)對(duì)532頭豬(282頭長(zhǎng)白豬品種和250頭約克夏品種)進(jìn)行了單步基因組關(guān)聯(lián)研究(ssGWAS),獲得了167 355個(gè)高質(zhì)量的SNPs,并于TNB、NBA等表型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,共找到8個(gè)與TNB、23個(gè)與NBA顯著關(guān)聯(lián)的SNPs,這些顯著SNPs解釋了62.78%、79.75%的遺傳變異,并推測(cè)出了1個(gè)(SSC14:16 314 857)、4個(gè)(SSC1:81 986 236、SSC1:66 599 775、SSC1∶161 999 013和SSC1∶267 883 107)分別與TNB、NBA性狀相關(guān)的新位點(diǎn)[84]。全基因組重測(cè)序技術(shù) (WGS)可以為基因分型提供更為詳盡的數(shù)據(jù),在一項(xiàng)對(duì)5頭高繁殖力和5頭低繁殖力的約克夏母豬進(jìn)行的全基因組重測(cè)序(WGS)研究中,找到的位于AVCR1(activin A receptor type 1)附近的SNP rs324 003 968以及位于ZFYVE9(zinc finger, FYVE domain containing 9)中的SNP rs342 908 929均與TNB、NBA特征具有顯著關(guān)聯(lián)[85]。

在對(duì)商業(yè)三元豬進(jìn)行母豬繁殖性狀的研究中,全基因組關(guān)聯(lián)分析也被應(yīng)用。一項(xiàng)研究選擇了大白母本系和大白×長(zhǎng)白父本系的683頭商業(yè)母豬作為研究對(duì)象,采用了PorcineSNP60 BeadChip和貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了總產(chǎn)仔數(shù)和活仔數(shù)等繁殖性狀的全基因組關(guān)聯(lián)研究。該研究發(fā)現(xiàn),在商業(yè)母豬的前三胎期間,TNB的性狀表型相關(guān)性在0.16～0.2之間,NBA的性狀表型相關(guān)性在0.15～0.18之間,遺傳相關(guān)性較低。這可能受到商業(yè)豬肉生產(chǎn)系統(tǒng)中常見(jiàn)的管理和環(huán)境水平的影響[1],相比于用于研究的實(shí)驗(yàn)養(yǎng)殖場(chǎng)或核心場(chǎng),這些商業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)通常管理程度較低。在管理良好的實(shí)驗(yàn)養(yǎng)殖場(chǎng)或核心育種場(chǎng)進(jìn)行的研究中,所得到的相關(guān)性往往較高[86]。

全基因組關(guān)聯(lián)分析的應(yīng)用使得人們能夠從全基因組的角度去發(fā)現(xiàn)與繁殖性狀相關(guān)的候選基因和位點(diǎn),迄今為止,豬數(shù)量性狀位點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)(PigQTLdb)已記錄了48 844個(gè)位點(diǎn),其中包含了673種豬的基本性狀和279種變異性狀(來(lái)源:https:∥www.animalgenome.org,版本50,2023年4月25日)。其中,與產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)的位點(diǎn)數(shù)據(jù)共有1 557個(gè),涉及到TNB的關(guān)聯(lián)有478個(gè)位點(diǎn),涉及到NBA的關(guān)聯(lián)有267個(gè)位點(diǎn),這些位點(diǎn)和發(fā)現(xiàn)為豬的育種工作提供了潛在的幫助。

2.3 全基因組選擇(GS)

全基因組選育(GS)是一種基于全基因組信息的育種策略。它針對(duì)特定的豬種群和養(yǎng)殖環(huán)境,利用系譜信息、表型數(shù)據(jù)和全基因組的SNP分型信息,直接預(yù)測(cè)每個(gè)個(gè)體的SNP位點(diǎn)效應(yīng)值。這種策略可以通過(guò)提供個(gè)體全基因組估計(jì)育種值(GEBV)來(lái)快速、準(zhǔn)確地改良母豬的繁殖性能等低遺傳力性狀。在實(shí)際育種選育過(guò)程中,全基因組選育方案顯著加快了育種進(jìn)展。

全基因組選擇時(shí)首先要建立參考群,采集詳細(xì)的參考群表型值、系譜信息以及基因型信息,建立所有標(biāo)記的親緣關(guān)系矩陣,主要通過(guò)各種基因組 BLUP(genomic blup,GBLUP)如單步BLUP(SSBLUP)方法、基因組BLUP(GBLUP)方法等和貝葉斯等方法計(jì)算模型得出參考群體的綜合選擇指數(shù);然后對(duì)被選擇育種的候選群體進(jìn)行系譜信息及基因型信息的采集,通過(guò)計(jì)算得到被選擇個(gè)體的SNP效應(yīng)以獲得其GEBV 值和綜合選擇指數(shù),最終獲得選擇決策。整個(gè)全基因組選擇的過(guò)程不需要獲得候選群體的表型信息,在出生后獲得基因型信息后,就可以通過(guò)計(jì)算來(lái)進(jìn)行選擇,大大加快了選擇的周期速度。

2.4 全基因組選擇在母豬繁殖力的研究進(jìn)展

已有多項(xiàng)研究報(bào)道了應(yīng)用全基因組選擇進(jìn)行母豬后代預(yù)測(cè)和選擇的探索。母豬繁殖力相關(guān)的遺傳系數(shù)通常較低,通常認(rèn)為不超過(guò)0.1。傳統(tǒng)基于譜系的BLUP方法在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)不佳,而全基因組選擇可以顯著提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。一項(xiàng)研究對(duì)338 346頭母豬的窩產(chǎn)仔數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(其中1 989頭豬有Illumina PorcineSNP60 BeadChip基因分型數(shù)據(jù)),采用單性狀動(dòng)物模型估計(jì)方差成分和育種值。在構(gòu)建基因組關(guān)系矩陣時(shí),使用不同等位基因頻率方法,如等于0.5的等位基因頻率(G05)、等于平均小等位基因頻率的等位基因頻率(GMF)或等于觀測(cè)頻率的等位基因頻率(GOF),以及等位基因頻率隨機(jī)獲取的基因組矩陣(GOF*),結(jié)果顯示對(duì)母豬的育種值平均準(zhǔn)確性分別為0.37、0.49、0.30、0.43,比傳統(tǒng)分子行列式關(guān)系矩陣對(duì)母豬的育種值(0.22)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性更高。公豬也攜帶與產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)的基因,在構(gòu)建參考群體時(shí)加入后裔產(chǎn)仔數(shù)據(jù)較多的公豬的基因組數(shù)據(jù),將會(huì)獲得一個(gè)更高的 GEBV 預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性,因此有研究者建議育種場(chǎng)保留種公豬的毛發(fā)后續(xù)提取DNA應(yīng)用于全基因組選擇[87]。

計(jì)算模型方法是預(yù)測(cè)GEBV 值和綜合選擇指數(shù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵之一。有研究應(yīng)用了單步BLUP(SSBLUP)方法、基因組BLUP(GBLUP)方法、選擇指數(shù)混合(SELIND)方法和傳統(tǒng)基于譜系的BLUP方法4種不同的計(jì)算分析方法,比較其對(duì)丹麥大白豬母豬和約克豬母豬的TNB等繁殖性狀方面的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。該研究對(duì)3 445頭大白豬(1 366頭公豬和2 079頭母豬)和3 372頭約克豬(1 241頭公豬和2 131頭母豬)進(jìn)行了Illumina PorcineSNP60 BeadChip基因分型,發(fā)現(xiàn)基于傳統(tǒng)譜系的方法(BLUP)獲得的兩個(gè)品種繁殖性狀的可靠性平均值只有0.091,而具有基因分型標(biāo)記信息的3種方法(GBLUP、SELIND和SSBLUP)的可靠性平均值分別可以達(dá)到0.171、0.179和0.209,顯示出比基于傳統(tǒng)譜系方法更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)能力[88]。

不同的基因分型技術(shù)也有不同的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。在一項(xiàng)針對(duì)1 097頭大白豬的研究中,針對(duì)TNB、NBA和窩產(chǎn)健仔數(shù)(healthy piglet, HP)等繁殖性狀,發(fā)現(xiàn)利用低深度測(cè)序進(jìn)行基因分型獲得的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高,比模擬SNP60芯片信息的基因分析要準(zhǔn)確[89]。此外,另一項(xiàng)研究針對(duì)2 000頭大白豬種豬采用了簡(jiǎn)化基因組測(cè)序(GBS)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)性狀數(shù)據(jù)的ssGBLUP分析和傳統(tǒng)BLUP分析。結(jié)果顯示,在總產(chǎn)仔數(shù)性狀中,通過(guò)基因組預(yù)測(cè)GEBV相比于BLUP預(yù)測(cè)EBV的可靠性提高了56.7%[90]。

全基因組選育需要持續(xù)進(jìn)行才能積累更好的遺傳進(jìn)展。每年對(duì)2 400頭母豬進(jìn)行基因型分型進(jìn)行持續(xù)的全基因組選育,可以將產(chǎn)仔數(shù)等繁殖性狀對(duì)總遺傳增益的相對(duì)貢獻(xiàn)從16%增加到32%[91]。

3 小 結(jié)

高繁殖力是豬種育種中的最為重要的性狀之一,在生豬養(yǎng)殖場(chǎng)提高經(jīng)濟(jì)效益以及自身競(jìng)爭(zhēng)力上具有關(guān)鍵性的作用。由于繁殖力相關(guān)的性狀是遺傳力較低的性狀,對(duì)環(huán)境因素敏感,多個(gè)基因相互交叉作用和途徑的累積小效應(yīng)決定了繁殖性狀的表現(xiàn)。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,基于全基因組信息的全基因組關(guān)聯(lián)分析方法以及全基因組選擇也已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于高繁殖力母豬的育種工作中,隨著更多與母豬繁殖力性狀的基因、QTL以及全基因組范圍的SNP位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn),低成本的基因芯片分型技術(shù)的推廣應(yīng)用以及高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展使得成本不斷下降,高繁殖力母豬的選育工作將越來(lái)越多地應(yīng)用到基因遺傳位點(diǎn)信息,基于全基因組的持續(xù)育種也將會(huì)在國(guó)內(nèi)更廣泛地應(yīng)用,這將會(huì)加快母豬繁殖力育種的遺傳進(jìn)展,將我國(guó)的母豬繁殖力性狀提高到一個(gè)新的水平。