2. 上海种猪工程技术研究中心, 上海 201302
2. Shanghai Engineering Research Center of Breeding Pig, Shanghai 201302, China
在品种或品系培育过程中,常采用近交的方式以达到固定优良性状的目的。然而,近亲繁殖导致基因组纯合,等位基因的种类和丰度下降,近交后代往往在繁殖力、生长速度、适应性等方面表现出近交衰退[1-2]。不同性状在近交衰退过程中的表现不同,如遗传力较低的产仔数、断奶仔猪成活数等性状的近交衰退严重,而胴体性状的近交衰退表现不明显[3]。因此,对于近交群体的分析有望为猪杂交繁育过程中相关性状的研究提供依据。
陆川猪原产于广西的陆川县,是中国八大地方优良猪种之一,其在纯繁育种、杂交利用及肉产品深加工等方面得到了广泛应用[4]。20世纪90年代后期,上海市农业科学院畜牧兽医研究所从广西引入3对陆川猪,开展实验用小型猪的培育工作,培育过程中进行闭锁繁育。目前,该近交群体已经繁育至15代,群体规模达到100头,但其遗传基础、遗传稳定性、近交产生的基因组纯合对基因及性状的影响等尚不清楚。
基因组的纯合区域(region of homozygosity,ROH)是基因组内连续纯合片段,亲本单倍型相同的两个拷贝聚集在一个后代个体时产生[5]。大量研究表明,自然和人工选择[6-7]、基因重组[8]、近交水平等会影响ROH在基因组中的大小及分布,因此,对于ROH的研究可深入了解群体的结构、遗传多样性及近交程度。此外,由于基因组中大部分的变异以纯合子的形式富集于ROH中[9],通过ROH的研究已发现了与人类疾病及畜禽经济性状相关的候选基因,如人类的帕金森疾病[10]、荷斯坦奶牛的产犊间隔和产奶量性状[11]、瘤牛的无角性状[12]、巴西肉牛繁殖和抗病[13]以及肉鸡免疫机制相关的侯选基因[14]等。
本研究对高度近交的陆川猪和非近交陆川猪群体进行基因组重测序,在全基因范围内检测SNPs,将其作为标记进行群体遗传多样性、群体结构及基因组纯合度的分析,以期深入了解近交陆川猪群体的遗传基础和遗传稳定性。此外,通过分析ROH的大小及其在基因组中的分布,挖掘ROH中存在的隐性纯合突变及相关基因功能,推测近交产生的基因组纯合对生产性状的影响,为猪的杂交繁育、基因与性状的关联性研究等奠定基础。
1 材料与方法 1.1 试验材料本研究中,近交陆川猪群体源于3对陆川猪,经过近20年的封闭繁育形成,从第15代中随机采取20头猪(4头公猪,16头母猪)的耳组织样品,并采集广西陆川猪原种场6头无亲缘关系公猪的耳组织样品。将以上样品置于-20 ℃冰箱冷冻保存,用于提取全基因组DNA。
1.2 试验方法1.2.1 陆川猪耳组织样品的基因组重测序和重测序数据的过滤 利用酚氯仿方法和NanoDrop 2000对26个样品进行基因组DNA的提取及其浓度和OD值的检测,按照Illumina公司基因组重测序文库构建的方法,基于Hiseq 2500平台产生双端150 bp的基因组重测序数据。利用trimmomatic软件[15]对得到的reads进行如下过滤:当read中N的含量超过该条read长度比例的10%时,去除该对reads;当read中含有的低质量(小于5)碱基数超过该条read长度比例的50%时,去除该对reads。最终,将有效的高质量reads通过BWA软件(参数:mem-t 30-k 32 -M)比对到参考基因组(Sus scrofa 11.1)。
1.2.2 陆川猪基因组SNP的扫描 综合运用samtools的mpileup参数及bcftools[16]进行26个样本SNP(单核苷酸多态性)的扫描,利用vcftools对得到的原始变异结果进行初步过滤,主要参数为:SNP的read支持数(覆盖深度)在2以上;每个变异在26个个体中缺失的比例小于20%(mis<20%);每个变异最小等位基因频率大于0.01(maf>0.01)。
1.2.3 近交陆川猪群体的遗传多样性分析 本研究利用MEGA软件[17](邻接法)进行系统进化树分析,使用Admixture软件对该近交群体的混杂程度进行分析,并构建群体遗传结构。利用SNeP(V1.1)[18]软件从群体的期望杂合度(expected heterozygosity, He)和观察杂合度(observed heterozygosity, Ho)角度剖析群体的遗传多样性现状,其中SNP的过滤条件为:maf>0.05,检出率(call rate)大于90%。
1.2.4 近交与非近交陆川猪的基因组纯合度分析 本研究利用基因组纯合度(Fhom)和长纯合片段比例(Froh)两种方法分析基因组纯合情况,并利用T检验分析两个群体中Fhom和Froh的显著性。Fhom为标记基因型中纯合子所占比例,计算公式:
| $ {{\rm{F}}_{{\rm{hom}}}} = \frac{{{{\rm{N}}_{{\rm{hom}}}}}}{{\rm{N}}} \times 100\% $ | (1) |
其中,Nhom为纯合SNP数量,N为检测SNP的总个数;Froh是ROH片段长度之和占基因组总长度的比例,计算公式:
| $ {{\rm{F}}_{{\rm{roh}}}} = \frac{{{\sum _k}{{\rm{L}}_{{\rm{RO}}{{\rm{H}}_k}}}}}{{\rm{L}}} $ | (2) |
其中,LROHk为第k个ROH的长度,L为基因组总长度,本研究为常染色体总长度(2.26 Gb);ROH利用PLINK(V1.91)软件[19]扫描完成,重要的ROH定义参数为:最小长度>500 kb;SNP个数/ROH>30;SNP平均密度<100 kb/SNP;最大间隔长度<1 000 kb[20]。
1.2.5 近交陆川猪群体中特异ROH及相关基因的富集分析 首先,基于PLINK软件对挖掘得到的ROHs数量、大小及染色体上的分布进行分析;其次,分别将近交和非近交个体的ROHs进行非冗余区域合并,分别在近交和非近交群体中选取覆盖一半以上个体的ROH作为阳性ROH(positive ROH, pROH)[21],挖掘特异存在于近交群体中的ROHs。
将特异存在于近交群体中的pROHs映射到基因组区域,结合前期在非近交群体中得到的SNPs进行重叠分析,挖掘出存在于pROHs中近交产生的纯合子突变,利用NCBI、KEGG数据库及R软件包(org.Ss.eg.db, V3.10.0)[22]对位于基因外显子区域的SNPs进行注释,将得到的候选基因通过clusterProfiler进行基因功能富集分析[23]。
2 结果 2.1 近交陆川猪群体遗传多样性及群体结构分析本研究所有个体的基因组重测序共产生84.8亿个高质量的reads,其中,98.6%的reads比对到了参考基因组,所有样本的平均覆盖度为98.7%,平均测序深度为16.6×。通过扫描26个个体的基因组变异,共发现13 178 976个SNPs,其中,43%位于基因的内含子区域,54%位于基因间区,0.75%(98 325个SNPs)位于基因的外显子区域,而在基因上、下游1 kb区域的SNPs数量分别占总数的0.6%和0.7%。
利用高质量的SNP进行近交陆川猪群体的遗传多样性分析,结果显示,该近交群体的Ho小于He,分别为0.373和0.491,推测其发生了选择或者近交。近交陆川猪群体遗传结构预测结果见图 1,当K=2时近交个体被分为两个亚群,前6个个体分在一个亚群;当K=3时,前6个个体仍为一个亚群,后14个个体被分成两个亚群;当K=4时,253、243、152和249号个体成为独立的群体,最终形成4个独立群体。
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图 1 近交陆川猪群体的遗传结构 Fig. 1 The genetic structure of inbred Luchuan pig population |
对基于26个个体的SNPs扫描结果进行主成分分析,结果表明,近交和非近交个体源于两个不同的群体(图 2)。利用MEGA软件对26个个体亲缘关系的系统进化树分析发现,近交群体除了116、120及249号个体外,其余个体的亲缘关系较近;而6头非近交个体间的亲缘关系较远。另外,结合近交陆川猪群体的遗传结构(图 1)可知,230、236、239、132、130及126号个体亲缘关系更近。因此推测,该群体在近交过程中产生两个不同的家系,而上述6个个体源于同一母本。
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左图为26个个体的主成分分析图;右图为26个个体亲缘关系的系统进化树图 The left plot shows the principal components analysis of 26 individuals; The right phylogenetic tree shows relationship of 26 individuals 图 2 两个群体的主成分分析及系统进化树 Fig. 2 The PCA analysis and phylogenetic tree of two populations |
本研究利用PLINK软件对高质量的SNPs进一步筛选,基于公式(1)和(2)评估近交和非近交群体的基因组纯合度。结果显示,基因组纯合度(Fhom)在近交个体中为52.82%~66.70%,平均值为59.64%,与目前报道的五指山猪近交系的Fhom类似(接近60%)[24];此外,本研究中近交个体的平均Fhom极显著(P<0.01)高于非近交个体(53.18%)。长纯合片段比例(Froh)在近交个体中为0.07~0.16,平均值为0.12,极显著(P<0.01)高于非近交个体Froh的平均值(0.05),26个个体基因组近交系数见图 3。基于以上分析推断,本研究中封闭繁育的陆川猪已达到高度近交。
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左图为基于Fhom评估26个个体的基因组纯合度;右图为基于Froh评估26个个体的基因组纯合度 The left plot shows that the genomic homozygosity of 26 individuals was evaluated by Fhom; The right plot shows that the genomic homozygosity of 26 individuals was evaluated by Froh 图 3 基于Fhom和Froh评估26个个体的基因组纯合度 Fig. 3 The genomic homozygosity of 26 individuals evaluated by Fhom and Froh |
近交产生的单倍型遗传导致后代基因组中存在较长的ROHs[25],基因组中的ROHs反映了个体的近交程度。本研究进一步分析ROHs的分布发现,在近交个体中共有6 972个ROHs,平均每个个体的ROH总长度为266 Mb,占常染色体总长度的12%;而非近交个体中含有877个ROHs,平均每个个体的ROH总长度为112 Mb,占常染色体总长度的5%,两个群体中ROHs的长度及数量见图 4。分别对近交和非近交个体的ROHs进行合并,共发现1 250和633个ROHs,总长度分别为1 370和528 Mb,分别占常染色体总长度的60.49%和27.95%,近交群体中最大的ROH位于2号染色体,长度为12 Mb。
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左图为近交群体中ROHs的大小和数量;右图为非近交群体中ROHs的大小和数量 The left bar plot shows the size and number of ROHs in inbred population; The right bar plot shows the size and number of ROHs in noninbred population 图 4 近交和非近交群体中ROHs的大小和数量 Fig. 4 The size and number of ROHs in inbred and noninbred populations |
基于近交和非近交群体中得到的ROHs,发现特异存在于近交群体中的pROHs有224个,推测这些pROHs可能由近交产生,将其与非近交群体中的SNPs比较,得到近交产生的纯合子突变有388 131个,注释发现,这些在近交过程中产生的纯合子突变位于1 322个基因的外显子区域。对以上基因进行富集分析发现,尽管绝大多数的基因参与的生物学过程比较广泛,但是部分基因功能分类条目可能与陆川猪近交过程中激素合成过程、胰液分泌、膜脂代谢过程、IgA产生的肠道免疫网络及纹肌细胞分化等相关(表 1)。
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表 1 基因功能富集分析结果 Table 1 The result of gene revealed by functional enrichment analysis |
理论上,近交过程中基因组变异纯合可导致隐性有害等位基因表达,对近交产生的纯合子突变进行注释,可能得到与猪重要经济性状相关的功能基因。研究发现,近交产生的纯合子可能影响猪神经内分泌生长轴相关基因,如IGF1、IGF2R、IGFBP-4、SSH2、SSH3、SSR2及LEP、LEPR的外显子区域分别存在3、5、4、2、1、5、14和2个纯合子SNPs。其中,IGF1对生长速度和胴体组成有主效作用,其基因型与断奶后日增重存在连锁[26],而IGF2R和IGFBP-4可与IGF结合对正常组织的发育和生长起到重要作用[27];在生长轴中,SS与SSR基因编码的蛋白结合可抑制脑垂体释放生长激素(GH),而鼠中,SSR等位基因的变化可影响生长速度和体型大小;猪的肥胖相关基因LEP和LEPR编码的蛋白相互作用可介导能量消耗及脂肪代谢,这两个基因的多态性与猪的采食量及生长速度有一定相关性[28]。此外,与肌肉发育及脂肪代谢相关的PRKAA2基因[29]、肠膜免疫及炎症等相关的白细胞介素家族成员(IL4、IL5、IL6)及SLA基因的外显子区域也存在多个近交产生的纯合子SNPs。
3 讨论 3.1 基于SNP芯片和重测序数据扫描基因组ROHs现有的大部分研究集中于利用SNP芯片进行全基因组ROH的扫描及近交系数的计算。Wang等[30]利用60 K SNP芯片分析6个世代的五指山近交系猪,共计96头,个体的基因组总ROH的平均长度为1 300 Mb,占基因组的53%,而本研究中仅为544 Mb。杨湛澄等[20]利用54 K SNP芯片分析了2 107头中国荷斯坦牛的基因组近交情况,结果显示,Froh为0.007~0.312。Schiavo等[31]基于猪60 K SNP芯片对源于7个品种的2 859头商品猪进行ROH扫描,通过计算Froh发现,杜洛克猪的Froh最高,为0.066~0.187,而大白猪的Froh最低,为0.042~0.117。而本研究中,20个近交个体的Froh为0.07~0.16。现有报道与本研究结果的差异源于两个方面:其一,ROH的扫描参数略有差异。本研究以高度近交的陆川猪群体为试验对象,在进行ROH扫描时要求每个ROH中至少含有30个纯合的SNPs,该参数较以上分析严格;其二,芯片的SNP密度较低,从而使得扫描得到的ROH总长度过长,Froh的数值较大,后者为主要原因。
3.2 利用ROHs评估基因组纯合度基因组ROHs的相关分析不仅可以用于评估群体的遗传结构[32-33],也可用于近交系数及近交程度的评估[34]。本研究基于全基因组ROHs计算Fhom和Froh,进而分析近交群体的近交程度。通过分析基因组纯合度发现,该群体的Fhom最高为66.70%,显著高于非近交陆川猪,且远高于五指山猪近交系(60%)[24],而近交陆川猪的平均Froh为0.12,极显著高于非近交陆川猪的Froh(P<0.01)。虽然该结果证实了近交陆川猪的近交程度很高,但本研究发现,非近交陆川猪个体的Fhom仍然处于较高水平,其平均值为53.18%,这是由于本研究中非近交陆川猪群体的近交程度较高导致,还是中国地方猪种中普遍存在Fhom较高的现象,需要进一步确定Fhom的阈值用于区分近交与非近交个体。此外,本研究发现,ROH在基因组上的分布与染色体的长短无关,其原因可能与群体进化过程中性状的选择及染色体的重组率相关[19]。
3.3 通过基因组纯合分析猪性状的遗传变异目前,大部分关于猪遗传与性状的分析限于全基因组关联分析,以及利用基因编辑技术对基因进行编辑进而观察性状的改变等,而近交作为正向遗传学的又一手段,通过挖掘近交群体基因组纯合区域中的纯合子SNPs,可以确定突变表型及相关基因。基因组ROH富含纯合的SNPs,隐藏着群体近交过程留下的足迹以及近交衰退造成的性状变化的遗传信息[2]。
本研究通过比较近交与非近交陆川猪基因组的SNPs位点并注释相应的基因发现,与内分泌生长轴及矮小性状相关的IGF1、IGF2R、IGFBP-4、SSH2、SSH3、SSR2及LEP、LEPR基因均在近交过程中受到影响,产生纯合子的SNPs。本研究前期针对82头近交陆川猪的测定分析发现,其平均初生重为0.53 kg,成年猪的平均体长、体高及胸围分别为91.07、49.27和60.48 cm,而张家富[35]对陆川县多个猪场190头猪的测定数据表明,原种陆川猪的平均初生重为0.60 kg,成年猪的平均体长、体高及胸围分别为110.80、54.83和107.20 cm。可见,近交陆川猪无论是从初生重还是体尺大小方面均小于原种陆川猪,推测,近交可能是导致现有陆川猪群体体型变小的原因,而基因组纯合是否使隐性有害等位基因表达以及如何对相关基因产生影响的则需深入研究。
4 结论本研究中,封闭繁育近20年的陆川猪群体具有遗传多样性低和基因组纯合度高的特点,说明该群体已经达到高度近交。同时,该群体在近交过程中产生的纯合突变可能影响IGF1、IGF2R、IGFBP-4、SSH2、SSH3、SSR2、LEP、LEPR、PRKAA2、IL4、IL5、IL6等与机体免疫、生长等生产性状相关的基因。
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