基于主成分分析法建立綿羊一般抗病力的評估模型

楊 華，楊永林

（新疆農墾科學院畜牧獸醫研究所，石河子 832000）

基于主成分分析法建立綿羊一般抗病力的評估模型

楊 華，楊永林

（新疆農墾科學院畜牧獸醫研究所，石河子 832000）

綜合評價不同品種綿羊免疫力或抗病力的差異，為開展綿羊抗病育種提供基礎。以引進品種薩?？搜?、培育品系多胎薩?？搜?、地方品種哈薩克羊以及多胎薩?？搜蚺c哈薩克羊雜交F1羔羊（薩哈F1）為實驗對象，應用ELISA方法檢測綿羊外周血IFN-α、IFN-γ、IgG、IL-1β、IL-2、IL-5、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12免疫分子的質量濃度，并對10個免疫指標進行主成分分析。結果表明：選取累計貢獻率達到86.228%時的5個特征值作為主成分，基本反映10個免疫指標包含的全部信息，通過建立的主成分評估模型，比較4個綿羊群體的主成分綜合得分，薩哈F1得分最高，其次為哈薩克羊、多胎薩?？搜?、薩?？搜?。說明雜交羊的一般抗病力最強，本地綿羊的一般抗病力優于引進綿羊。

主成分分析；綿羊；一般抗病力；免疫指標

隨著綿羊育種程度的提高，以及集約化飼養方式的轉變，單純追求高產導致綿羊抗病力隨之降低，常引發一些疾病，尤其是傳染性疾病，嚴重影響養羊業的健康、可持續發展。據統計，由疾病造成的經濟損失占畜牧業產值的12%～15%［1］。因此，尋找一條安全可靠且經濟可行的疾病控制途徑已是當務之急。研究證實，動物自身免疫力或抗病力的高低是影響動物健康的主要因素，細胞因子在固有性免疫應答及適應性免疫應答過程中發揮著重要的功能。目前已鑒定的細胞因子近百種，功能十分復雜［2］，細胞因子的作用有多功能性和通用性，之間可相互協同或拮抗，細胞因子往往通過細胞因子網絡和細胞網絡發揮作用［3］。因此，針對多個免疫指標的抗病力研究中，往往由于變量個數太多，且彼此之間存在一定的相關性，使得所觀測的數據在一定程度上有信息的重疊，在高維空間中研究樣本的分布規律就更復雜。如何從眾多的免疫指標中選擇評價綿羊健康水平的最佳指標，已成為當前開展綿羊抗病育種的研究目標之一。

主成分分析法（principal component analysis，PCA）采取一種降維的方法，找出幾個綜合因子來代表原來眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關，從而達到簡化的目的。主成分分析法在山羊主要先天性免疫指標評估［4］、鴨的一般抗病力評估［5］、雞的日齡評估［6］、綿羊群體形態及生態特征聚類分析［7］、綿羊群體建系［8］、綿羊體尺指標分析［9］、羊羔肉揮發性風味物質［10］等領域均有應用研究，均實現了多表型性狀的降維，簡化了分析過程。目前國內諸多學者關于綿羊抗病力的評估還僅局限于通過研究單個參數進行判斷，因此從免疫性能多個測量指標中形成一套適用的綜合評價指標體系仍是一個值得研究的課題。因此，本研究對雜交綿羊、本地綿羊、培育綿羊及引進綿羊的10個免疫指標進行測定，應用主成分分析法尋求影響綿羊一般抗病力的主成分，建立綿羊一般抗病力的評估模型，旨在為綿羊抗病育種和生產提供參考依據。

1　材料與方法

1.1實驗材料

本研究的材料為新疆農墾科學院種羊場同一飼養條件下健康的185只10月齡羔羊，其中薩?？搜?9只（12，27♀），多胎薩?？搜?5只（），哈薩克羊63只（，35♀），多胎薩?？搜蚺c哈薩克羊F1雜交羊28只（以下簡稱薩哈F1）。采集綿羊頸靜脈血2 mL，于2 500 r/min離心15 min，取上清分裝，血清置-20℃冰箱中保存備用，用于免疫指標測定。

1.2主要試劑和儀器

綿 羊 IgG、IFN-α、IFN-γ、IL-1β、IL-2、IL-5、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12 ELISA檢測試劑盒為上海藍基生物科技有限公司產品。酶標儀（model 550）為美國Bio-Rad產品。

1.3方法

1.3.1血清免疫指標測定血清中10個免疫指標IgG、IFN-α、IFN-γ、IL-1β、IL-2、IL-5、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12的測定，根據ELISA試劑盒說明書進行檢測。

1.3.2統計方法綿羊品種間免疫指標測定數據應用IBMSPSSstatistics 19.0軟件的FACTOR模塊對上述免疫指標進行主成分分析，選取所研究性狀的可解釋85%以上變異的主成分，并對主成分數據采用層次聚類方法進行分析。

2　結果與分析

2.1免疫指標間的相關分析

對薩?？搜?、多胎薩?？搜?、哈薩克羊以及薩哈F1的10個免疫指標進行測定，并將整理后的各性狀值無量綱處理（表1），相關矩陣見表2。從表2可見，IFN-α（X1）、IFN-γ（X2）、IgG（X3）、IL-2（X4）、IL-6（X5）、IL-12（X6）、IL-1β（X7）、IL-5（X8）、IL-8（X9）、IL-10（X10）10個變量均呈正相關。

表1　10個免疫指標的測定值和標準化數據pg/mL

表2　綿羊10個免疫指標變量的相關矩陣

2.2主成分分析

通過對10個免疫指標的主成分分析，得到各主成分的特征根及方差貢獻率。由表3可知，前5個主成分對總方差的累積貢獻率達到86.228%（＞85%），基本上反映了原所有免疫指標包含的全部信息，可以用于建立綿羊一般抗病力的綜合評估模型。根據入選主成分的特征向量，可分別表示為公式F1～F5。F1=0.778 ZX1+0.822ZX2+ 0.863ZX3+0.730 ZX4+0.717 ZX5+0.775 ZX6+0.586 ZX7+0.366 ZX8+0.568 ZX9+0.511 ZX10；F2=-0.262 ZX1-0.213 ZX2-0.267 ZX3-0.379ZX4-0.316ZX5-0.256ZX6+0.687ZX7+0.466ZX8+ 0.666ZX9+0.703ZX10；F3=-0.027ZX1+0.086ZX2-0.093ZX3+ 0.059 ZX4-0.005 ZX5+0.002 ZX6-0.232 ZX7+0.799 ZX8-0.201 ZX9-0.103 ZX10；F4=-0.343 ZX1+0.197 ZX2-0.117 ZX3+0.032 ZX4+0.556ZX5-0.310ZX6+0.028ZX7-0.031ZX8+0.009ZX9+ 0.026 ZX10；F5=0.152 ZX1-0.278 ZX2-0.044 ZX3+0.430 ZX4+ 0.001 ZX5-0.290 ZX6-0.012 ZX7+0.031 ZX8+0.201 ZX9-0.118 ZX10。從公式F1可以看出，第一主成分主要結合了IFN-α、IFN-γ、IgG、IL-2、IL-6、IL-12的變異信息，免疫指標之間存在不同程度的正相關性，其中IgG權系數最大；從公式F2可以看出，第二主成分以IL-10權系數最大，而IL-2權系數為絕對值較大的負數，因此，第二主成分越大，則血清中IL-10含量越高，而IL-2含量相應降低。從公式F3可以看出，第三主成分以IL-5權系數最大，而IL-1β權系數為絕對值較大的負數，因此，第三主成分越大，則血清中IL-5含量越高，而IL-1β含量相應降低。從公式F4可以看出，第四主成分以IL-6權系數最大，而IFN-α權系數為絕對值較大的負數，因此，第四主成分越大，則血清中IL-6含量越高，而IFN-α含量相應降低。從公式F5可以看出，第五主成分以IL-2權系數最大，而IL-12權系數為絕對值較大的負數，因此，第五主成分越大，則血清中IL-2含量越高，而IL-12含量相應降低。

表3　相關矩陣的特征根和貢獻率

2.3主成分綜合評價

篩選出評價一般抗病力的5個主成分后，由主成分F1、F2、F3、F4和F5與各自的客觀權重（方差貢獻率）之積得出綜合加權評分，公式為Fi=47.323 F1+21.215 F2+7.639 F3+5.785 F4+4.266 F5）/86.228。將F1～F5代入公式，簡化以后得到綜合評估公式Fi=0.345 ZX1+0.406 ZX2+0.390 ZX3+0.336ZX4+0.353ZX5+0.327ZX6+0.471ZX7+0.386ZX8+ 0.468 ZX9+0.440 ZX10。其中，ZX1、ZX2、ZX3、ZX4、ZX5、ZX6、ZX7、ZX8、ZX9、ZX10分別為IFN-α、IFN-γ、IgG、IL-2、IL-6、IL-12、IL-1β、IL-5、IL-8、IL-10測定值的標準化數據。從公式Fi中，不難發現IFN-γ、IgG、IL-1β、IL-8和IL-10五個指標對綿羊的一般抗病性影響較大，其次是IFN-α、IL-2、IL-6、IL-12和IL-5，結果與預期一致，說明可以用該公式來評估綿羊的一般抗病性。

分別對薩?？搜?、多胎薩?？搜?、哈薩克羊以及薩哈F1的主成分綜合（Fi）得分進行計算。從表4可以看出，綿羊一般抗病力的高低分別為薩哈F1＞哈薩克羊＞多胎薩?？搜颍舅_?？搜?，總體表現為新疆本地綿羊哈薩克羊和雜交羊具有較高的一般抗病力，雜交綿羊薩哈F1在一般抗病力上表現出雜種優勢，哈薩克羊可以作為抗病育種的種質資源。通過主成分分析得到的綿羊一般抗病力與實際符合，進一步說明了利用主成分分析來評價綿羊一般抗病力的可行性。

表4　綿羊一般抗病力性狀主成分綜合得分

2.4聚類分析

將薩?？搜?、多胎薩?？搜?、哈薩克羊以及薩哈F1的10個免疫指標進行Q型聚類分析（圖1）。層次聚類分析聚成3類，薩?？搜蚝投嗵ニ_?？搜蚓蹫橐活?，再與哈薩克羊聚為一類，薩哈F1聚為一類，說明組內薩?？搜蚝投嗵ニ_?？搜虻南忍煨悦庖咧笜舜嬖谙嗨菩?，這與多胎薩?？搜虻呐嘤龤v程一致。

圖1　系統聚類樹圖

3　討論

主成分分析就是將原來指標重新組合成一組新的互相無關的幾個綜合指標來代替原來指標，同時根據實際需要從中選取幾個較少的綜合指標，盡可能多地反映原來指標的信息。其基本思想就是尋找一組新的變量代替原有變量，新變量是原變量的高度綜合和最佳簡化，近年來已成為多指標綜合評價和權重系數確定的重要方法。應用主成分分析時，指標數越多，且各指標間相關程度越密切，即相應的主成分個數越少，該方法越優越［11］。

吳勝利等［12］應用主成分分析評估羅曼鵝體重和11個體尺性狀，表明體重、脛圍、胸深和頸圍可作為公鵝發育的4個主成分，體重、頸圍和背寬可作為母鵝發育的3個主成分，明確了羅曼鵝體型性狀特征。吾布力等［13］對中國美利奴羊（新疆型）毛長度等14個性狀進行了主成分分析和聚類分析，按不同品系簡化為7～10個主成分因子，在主成分的基礎上把14個性狀劃分為2個大類群。本實驗選取10個免疫指標，指標間均呈正相關，選取了5個主成分來反映綿羊一般抗病力的綜合水平，5個主成分對總方差的累積貢獻率達86.228%。因此，用5個主成分就能解釋全部10個免疫指標的全部信息。

研究表明，綿羊品種間存在免疫力或抗病性的差異，抗捻轉血矛線蟲感染時，熱帶和亞熱帶綿羊表現出明顯的品種間差異；在加勒比海岸和美國南部，本地綿羊品種具有比引進品種高的抗病性；在亞洲，印度尼西亞瘦尾羊抗病性位于St Croix羊和美利奴羊之間，印度Garole羊與其他品種相比表現出較強的抗病性［14］。在非洲半濕潤地區，與杜泊羊相比，Red Maasai羊品種具有低死亡率、較強的抗胃腸線蟲和耐受能力［15］。在非洲半干旱區域Sabi羔羊也具有比杜泊羔羊較強的抗胃腸線蟲能力［16］。新疆地方品種多浪羊和培育品種中國美利奴羊的MHCDRB1基因表現出不同基因型及抗包蟲病特性［17］。馬令法等［4］對4個山羊品種的IL-1、IL-2、IL-6、IL-18、IFN-γ、NK細胞和LYS七項主要先天性免疫學指標進行了主成分分析，萊蕪黑山羊和嶗山奶山羊（山東當地品種）的先天性免疫指標的主成分得分高于波爾奶山羊和魯波山羊（引進品種），說明本地山羊品種的一般抗病力較高。徐琪等［5］對金定鴨（家鴨）、櫻桃谷鴨（育成品種）、蘇牧麻鴨（育成品種）、番鴨（馴化品種）和半番鴨（雜交種）的白蛋白、球蛋白、總蛋白、IgA、IgM、IgG和AI抗體HI效價7個免疫指標進行了主成分分析，金定鴨一般抗病力的綜合水平最高，半番鴨一般抗病力的綜合水平最低，說明本地品種鴨一般抗病力高于培育品種，而雜交半番鴨在一般抗病力上沒有表現出雜種優勢。本研究從綿羊10個免疫指標的主成分綜合評估結果來看，薩哈F1最高，其次為哈薩克羊、多胎薩?？搜?，薩?？搜虮憩F較低，總體表現為雜交綿羊及新疆本地綿羊哈薩克羊具有較高的一般抗病力，雜交綿羊表現出了一般抗病力的雜種優勢；新疆生態條件與薩?？搜虻脑a地英國及引種地澳大利亞相比，存在氣候干燥、冷及晝夜溫差大等因素，氣候條件的免疫應激反應可能是造成引進綿羊一般抗病力低的原因之一。而培育品種多胎薩?？搜蚴怯盟_?？搜蚝秃蚪浭嗄甑倪x育而成，其對新疆的生態環境適應性強于引進品種薩?？搜?，聚類分析將薩?？搜蚝投嗵ニ_?？搜蚓蹫橐活?，這一結果與品系的選育歷程一致；薩?？搜?、多胎薩?？搜?、哈薩克羊和薩哈F1的10個免疫指標主成分分析結果與作者等之前報道的一致［18］，進一步驗證了建立的一般抗病力主成分綜合評估模型的可靠性。研究結果也提示，今后在引進國外優秀綿羊品種時，考慮產肉性能和多胎性能的同時，一定要考慮到一般抗病力和適應性的影響，從而提高引種的利用率及羔羊存活率。實際工作中，隨著抗病育種研究的深入，為了更加準確地評估綿羊群體的一般抗病力差異，需要進一步擴大綿羊品種數量及樣本量，選擇合理的主成分數量，達到減少選育成本，提高選擇準確性的目的。

4　結論

綿羊一般抗病力是一個復雜的綜合性狀，影響因素多種多樣，通過主成分分析對綿羊免疫指標進行研究，可以達到降維的目的，有利于明確其免疫指標特征，為通過免疫指標間接選擇一般抗病力，開展綿羊抗病育種研究中確定應關注的主要性狀提供參考依據。

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Assessment Model of General Disease Resistance With Principal Component Analysis in Sheeps

YangHua，YangYonglin
（Institute ofAnimal Husbandryand Veterinary，XinjiangAcademyofAgricultural and Reclamation Science，Shihezi，Xinjiang832000，China）

The purpose ofthis studywas toassess the differences in immunityor disease resistance between sheeps，and provide a foundation for disease resistance in breeding sheep.Some immune traits，such as IFN-α，IFN-γ，IgG，IL-1β，IL-2，IL-5，IL-6，IL-8，IL-10，IL-12 in sheep peripheral blood of multiparous Suffolk sheep，Kazakh sheep and multiparous Suffolk×Kazakh F1sheep，were tested byenzyme-linked immunosorbent assays（ELISA）.The principal component analysis was used in the analysis of immune traits of different sheeps.The result showed that 5 character values were selected as the principal component，which could explain 86.228%variance of total information amount，the 5 components contained nearly all the original information.The difference of the combined scores of the 5 components were compared by the assessment model，the general disease resistance of multiparous Suffolk×Kazakh F1sheep was the best，Kazakh sheep and multiparous Suffolk sheep were the second，Suffolk sheep was the worst.The general disease resistance ofcrossbred sheep was the best，the local sheep was better than the introduced sheep breeds in general disease resistance.

principal component analysis；sheep；general disease resistance；immune parameter

S826.2

A

2095-3887（2015）03-0001-05

10.3969/j.issn.2095-3887.2015.03.001

2015-04-24

國家自然科學基金項目（31360541）；兵團博士資金專項（2011BB015）；兵團農業科技攻關（2011BA006）

楊華（1977-），男，副研究員，博士。研究方向：動物遺傳育種。