母豬繁殖力基因遺傳育種研究進展

鐘 欣,張 暉,張 充,劉小紅

(中山大學生命科學學院,廣州 510275)

我國是全球最大的生豬生產國和豬肉消費國。然而,我們面臨著母系豬繁殖力較低的重要問題。為了解決這一問題,選育高繁殖性狀的母系豬已成為當前研究的重點和熱點。母豬的繁殖力性狀是衡量其年提供斷奶仔豬數量能力的重要指標之一,其中包括總產仔數(TNB)、產活仔數(NBA)等參數[1],這些繁殖性狀直接影響養殖企業的競爭力,對于生豬養殖業的生產能力、盈利能力和經濟效益至關重要[2]。

母豬的繁殖力性狀是一種復雜的低遺傳力和限性性狀。在傳統的飼養產業中,母豬的產仔數量受到多個外部因素(如飼養管理、環境條件和營養攝入)和內部因素(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,表現出較低的遺傳性和強烈的異質性[3-4],因此,傳統的利用表型值和系譜信息進行育種值預測的方法在母豬繁殖性能的改良方面進展緩慢。隨著養殖規?；蜆藴驶陌l展,特別是近年來國內規?；瘶欠棵芗B殖的興起[5],改善飼養方法和豬舍條件在提高母豬繁殖性能方面要取得的進步空間有限,因此,選擇具有高繁殖性能遺傳特征的母系豬至關重要[6]。

排卵率和胚胎存活率是影響母豬繁殖力的關鍵因素,并具有較高的遺傳性。因此,通過基因標記輔助選擇或全基因組選擇優化與排卵率和胚胎存活率相關的基因,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,并對利用全基因組信息技術進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展進行了介紹。

1 影響母豬繁殖力性狀的已知基因

通過微衛星標記和連鎖圖譜技術的應用,已經鑒定出大量與母豬繁殖性能相關的數量性狀位點和候選基因[7]。數量性狀位點(QTL)指的是與多基因表型性狀相關的基因組區域。目前豬數量性狀位點數據庫(PigQTLdb)收錄了48 844個QTLs,涉及到673種數量性狀。其中,與母豬產仔數相關的QTL達1 557個(來源:https:∥www.animalgenome.org,發布日期:2023年4月25日)。然而,由于QTL的檢測基于低分辨率的高多態性微衛星標記,其定位過于寬泛,置信區間通常超過20 cm。因此,要精確定義與經濟性狀相關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,至少需要進行三代周期的試驗驗證,并且長時間維持QTL作用下環境影響的標準化也十分困難。因此,在標記輔助選擇(marker-assisted selection,MAS)中難以應用定位過于寬泛的信息。

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、視黃醇結合蛋白4(RBP4)基因、瘦素(LEP)基因、備解素(BF)基因、胰島素樣生長因子結合蛋白(IGFBP)基因、連環蛋白阿爾法樣蛋白1(CTNNAL1)、無翼型MMTV結合位點家族10B(WNT10B)基因、轉錄因子12(TCF12)基因、無精癥樣刪除(DAZL)基因家族、無名指蛋白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)基因是最早發現與母豬繁殖力性狀相關的基因之一[8]。它位于豬的1號染色體上,由8個外顯子和7個內含子組成,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、卵泡發育、胚胎著床、泌乳等雌性生理活動中起核心作用。雌激素的功能是通過與其受體,即ESR1和ESR2結合來介導的。ESR1和ESR2屬于異源二聚體,二者具有協同作用且功能相似[10]。雌激素受體基因被認為對卵巢卵泡和胚胎的生長、成熟以及圍繞著床期的發育至關重要[11]。

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

然而,也有研究發現ESR基因型與繁殖力的相關性并不十分顯著。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品種的產仔數相關[14]。在伊比利亞豬的研究中,發現了1號染色體SCC1的q臂端的ESR2多態性,但未發現與伊比利亞豬種群的產仔數顯著相關[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]。這些研究結果可能與豬的品種效應相關。

1.2 泌乳素受體(PRLR)基因

泌乳素是一種前垂體多肽激素,通過與其受體結合參與雌性動物排卵、黃體生成以及孕激素和雌激素的分泌,在繁殖和泌乳中發揮著重要作用[17-18]。豬的PRLR位于第16號染色體,含有8個外顯子和7個內含子[19]。該基因的最后一個外顯子存在一個多態性突變,描述了兩個等位基因,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豬品種的產仔數性狀具有顯著關聯。在大白豬、長白豬、杜洛克豬、長白豬×皮特蘭豬、大白豬雜交、長白豬雜交、中國梅山豬雜交系以及大白×梅山F2雜交母豬的研究中,發現該基因與各種品種的總產仔數(TNB)和活仔數(NBA)顯著相關[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,產仔數最高的母豬為AB基因型[19]。目前尚不清楚泌乳素受體基因影響產仔數的機制,也不清楚PRLR多態性本身是否造成了產仔數的差異[26]。

1.3 視黃醇結合蛋白4(RBP4)基因

視黃醇結合蛋白(RBP)是大型家畜胚胎和子宮內膜的主要分泌產物[27],在豬胚胎早期發育的第10～12天,胚泡膜迅速重塑和延長,同時伴隨著子宮內膜合成和分泌視黃醇的轉運蛋白:視黃醇結合蛋白進入子宮腔,同時孕子宮內膜中RBP4基因表達增加,表明相應的編碼蛋白(RBP4)在妊娠建立過程中對子宮和胚胎的生理起著重要作用[28]。豬RBP4基因位于第14號染色體上[29],是豬產仔數性狀的候選基因之一。

RBP4基因的MspI多態位點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,關于RBP4基因的有利基因型的影響并不一致。波蘭大白×長白母豬的BB基因型母豬在總產仔數、活仔數以及斷奶仔豬數方面顯著多于AA和AB型[30]。相反地,藏豬中AA基因型的母豬的TNB和NBA數量顯著高于BB和AB基因型[31]。商業交叉大白×長白種母豬[32]和超高產大白×長白種母豬中,AA基因型的母豬也表現出較高的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]。在對巴馬香豬及大白豬的研究中,發現RBP4基因的SNP位點與窩產仔數的相關性不顯著(P>0.05)[13]。這些結果之間的不一致使得一些研究者認為RBP4基因影響母豬產子數的證據不夠充分[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胞分泌的16 ku多肽激素,豬的leptin基因位于第18號染色體上[35],由3個外顯子和7個內含子組成[36]。瘦素通過位于第6號染色體上編碼的特異性受體(LEPR)相互作用,主要調節豬的脂肪調節、飼料攝入、能量消耗和全身能量平衡,進而可能參與了生殖功能的調節[37]。

瘦素的基因多態性對產仔數量有影響。例如,在大白豬種群中,LEP基因在Hinfl位點上的多態性與出生時的總產仔數量和活產仔數量有顯著關聯。CC基因型的母豬在總產仔數以及活仔數要顯著高于TT基因型以及TC基因型[38]。對鹿川豬的研究也發現了類似的顯著效應[39]。然而,在波蘭大白豬×長白豬母豬雜交品種的研究中,不同LEP基因型與TNB、出生活仔數和斷奶窩重之間的關系也沒有統計學意義[26]。

與瘦素基因相比,瘦素受體基因含有更多的多態性。例如,在長白豬、約克夏豬和杜洛克豬的LEPR基因中發現了內含子2、外顯子2、6和18的4個單核苷酸多態性。約克夏豬和杜洛克豬LEPR基因的內含子2、外顯子2和外顯子18的多態性與產仔數量之間存在顯著關聯,但長白豬的產仔數與LEPR基因的多態性之間無統計學意義[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,通過其在性腺細胞上的受體來調節成熟卵巢的卵泡集合和發育。卵泡刺激素(FSH)由兩個不同的亞單位組成:一個共同的α亞基和一個激素特異性的β亞基[41]。這兩個亞單位由不同的基因編碼,并且獨立合成。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號染色體上,包含了3個外顯子和2個內含子[42]。

在長白豬和約克郡豬的研究中,發現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2.53頭和2.12頭仔豬。對于其他胎次,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1.5頭仔豬[43]。在大白豬[44-45]、藏豬[46]對FSHβ亞基的研究中,也發現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域[47],BF基因在子宮上皮細胞生長中發揮著重要作用,對妊娠的建立和維持至關重要[48]。豬的BF基因中存在SmaI限制酶多態性位點。在(大白豬×長白豬)×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(高產期)中表現出顯著的統計學差異 (P<0.05)[49]。在另一個希臘品種的豬種群中,也發現BB基因型的TNB和NBA數量更多[16]。

1.7 胰島素樣生長因子結合蛋白(IGFBP)基因

胰島素樣生長因子結合蛋白基因(IGFBP)是由六種結合蛋白質組成的家族。IGFBP參與調節排卵、著床、胎兒發育和妊娠維持等與生殖生理相關的過程[50],作為信號分子,IGFBP在卵巢卵泡中產生,并調節子宮內膜細胞的生長和分化[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。研究發現,伯克郡豬的IGFBP2和IGFBP3在內含子2的多態性位點與產仔數存在相關性。具體來說,IGFBP2基因的AT型和IGFBP3基因的GG型與TNB和NBA呈最高相關性。而芬蘭約克郡豬和長白豬的IGFBP1、IGFBP2和IGFBP5基因對產仔數性狀有積極影響[52]。此外,在杜長大三元雜交豬種群中,IGFBP3基因顯著影響發情間隔和死胎數量,從而調節母豬的繁殖性狀[53]。在對巴馬香豬的IGFBP2基因研究中,標記為rs1 112 268 627 的T>C位點與第3、4、6胎和6胎總平均產仔數顯著關聯(P<0.05)[13]。

1.8 無精癥樣刪除(DAZL) 基因

DAZL基因是DAZ基因家族的成員之一,該家族包括3個基因:DAZ、DAZL和BOULE。這些基因編碼RNA結合蛋白,負責調節生殖細胞的發育和分化[54]。在豬的基因組中,DAZL位于第13號染色體上,編碼一個由295個氨基酸組成的蛋白質[55],DAZL基因所在的位置周圍還存在與排卵率和死胎相關的數量性狀位點(QTL)。

在大白豬和DIV豬中,DAZL基因的內含子9中存在TaqI多態性位點。研究發現,大白豬TaqI位點的CC基因型與CD基因型相比,存活仔豬的NBA數量增加了0.716頭(P<0.05),其顯性效應為每窩NBA增加0.304頭(P<0.05)。而DIV豬中,CC基因型的動物在首胎中的NBA數量比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有觀察到多態性分離[56]。

1.9 WNT信號通路基因CTNNAL1、WNT10B和TCF12

WNT信號通路是一個復雜的互動通路,由蛋白質、受體和其他調節元件組成,在胚胎發育、著床、卵巢卵泡形成、排卵、妊娠維持和泌乳等多個生殖過程中發揮著關鍵作用[57-58]。其中,連環蛋白樣蛋白1(CTNNAL1)、無翼型MMTV整合位點家族成員10B(WNT10B)和轉錄因子12(TCF12)是WNT信號通路中的幾個重要基因。

在比較產仔數較高的F太湖豬與產仔數較低的大白豬母豬的差異表達基因時,研究發現WNT信號通路中的6個基因(包括WNT10B和CTNNAL1)表達差異顯著,進一步證實了WNT10B和CTNNAL1與母豬的產仔數相關[59]。

此外,在對不同豬群體的檢測中,發現CTNNAL1基因、WNT10B基因和TCF12基因各自存在與產仔數顯著相關的SNP位點。例如,在大白豬的CTNNAL1基因的c.1 878 G>C位點上,GG基因型的母豬的NBA數量比CC基因型的多出1.14頭(P<0.01)。在中國DIV豬中,CTNNAL1基因的GG基因型的母豬的TNB和NBA數量分別比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數量中,TC基因型比TT和CC基因型的少,但沒有觀察到顯著的遺傳效應。而在TCF12基因的c.-200-300 G>A位點上,GG基因型的母豬的首胎NBA數量比AA和AG基因型的更多(P<0.05)。中國DIV豬類似,TCF12基因GG基因型的母豬的首胎TNB數量也比AA和AG基因型的多出1.45頭(P<0.05)[60]。

1.10 環指蛋白4(pRNF4)基因

豬的pRNF4基因位于第8號染色體上,已經在SSC8的p臂上鑒定出了影響排卵率的QTL[61]。過度表達pRNF4基因編碼的環指蛋白可以增強雌激素和孕激素等多種類固醇受體的轉錄[62],并調節胎兒生殖細胞的發育,以及卵母細胞和顆粒細胞的成熟[63]。一項涉及3個不同豬種群體的研究發現,在民豬中,TT基因型的母豬比CC基因型的母豬產仔數更多。在青坪和DIV系群體中也觀察到了類似的結果,但這些結果并不顯著[64]。

1.11 骨形態發生蛋白家族及其近緣基因

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

骨形態發生蛋白7以及15(BMP-7, BMP-15)是由卵母細胞產生的生長因子,在哺乳動物卵巢促性腺激素作用調控中具有重要的生理作用[67]。在對大白豬種群的研究中,發現BMP7基因的3′-非翻譯區(3′-UTR)SNP c.1 569 A>G和BMP15基因的3′-非翻譯區(3′-UTR)SNP c.2 366 G>A形成了6個組合基因型。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。對于小梅山豬(太湖豬的地方類群)和大白豬的BMP15基因的第2外顯子的BcuI位點的多態性分析發現,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基因型的經產小梅山豬TNB和NBA均比AB基因型和BB基因型更高,大白豬的數據也呈現類似趨勢[68]。五種山東地方豬種群的BMP15基因的第2外顯子中存在2個變異位點,其中一個與小梅山豬的位點一致,并與產仔數相關,呈現類似于小梅山豬的規律。但在對大白豬和杜洛克豬群中的研究中只觀察到一個基因型[69]。在對大白豬BMP-7、BMP-15的研究發現,有2個突變位點的合并基因型與大白豬TNB、死胎數(NSB)和出生窩重(LW)顯著關聯,AG/ID型母豬總產仔數顯著高于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胞層、卵母細胞、卵泡膜、黃體和卵巢上皮細胞中,因此對生殖過程有重要影響。在5種山東地方豬種群以及大白豬和長白豬中,BMPR-IB基因發生了C-T突變,形成了AA、AB和BB三個基因型。然而,在研究的杜洛克豬群中,只觀察到AA型基因。長白豬和大白豬的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外顯子存在兩個突變位點,G595C和C643 T。根據這些位點的基因型,經產母豬的總產仔數和產活仔數表現為AA>AG>GG,BB>BT>TT[71]。

2 基于全基因組信息的母豬產仔數分析研究與育種應用

豬的高繁殖性能是一個復雜的性狀特征,上述影響母豬繁殖力性狀的已知基因通過復雜的相互作用網絡影響母豬的繁殖力性狀表現,綜合考慮各個繁殖性狀特征的相互作用顯得十分重要。單一選擇某個高繁殖性狀可能導致其他繁殖性狀出現問題。舉例來說,選擇增加排卵卵泡數量通常會增加仔豬死亡的風險;選擇高數量的產仔總數會導致子宮過度擁擠,影響胎盤發育、仔豬出生體重和胎兒產后發育。因此,在選育高繁殖力母豬時,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,多個候選基因常被同時進行統計分析,然而已知的候選基因數量有限,對于復雜的低遺傳力性狀和限制性狀,如母豬的產仔數,其遺傳影響仍然較小,因此取得的遺傳進展相對緩慢。此外,不同豬品系在其養殖環境中,特定基因位點對繁殖性能的影響也可能有所不同。隨著豬全基因組測序的完成以及高通量測序技術的發展,基于全基因組信息進行母豬繁殖力的育種成為研究的熱點和趨勢,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的遺傳信息[73]。

2.1 全基因組關聯分析

全基因組關聯分析(GWAS)利用覆蓋全基因組的遺傳標記信息,對比并統計分析遺傳變異多態性與表型和系譜信息之間的關聯關系,從而研究分子遺傳標記與目標性狀之間的關聯。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現周期,促進了育種遺傳進展。

在基于全基因組策略的分析中,首先需要構建研究目標品種的豬種群體。在構建豬種群體時,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致群體分層,進而產生虛假陽性結果。其次,需要對一定數量的品種群體進行基因分型分析,形成基因型數據庫,并收集相關的表型數據,如產仔數、活仔數等。最后是進行數據處理及關聯分析,找到與目標繁殖性狀關聯的SNP位點,找到的SNP位點還需要在其他品種進行post-GWAS分析進行驗證[74]。

在高繁殖力母豬選育過程中,對目標豬種群體進行SNP基因分型是成本最高的環節之一。全基因組選擇對豬種群的SNP進行分型時,通常采用SNP芯片、簡化基因組測序或基因組重測序幾種方案。其中SNP芯片是應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和江西農業大學開發的KPS Porcine Breeding Chip v2(中芯一號)芯片、中國農業大學開發的GenoBaits Porcine SNP50K液相芯片等[76]。

2.2 全基因組關聯分析在母豬繁殖力方面的研究進展

中國二花臉豬是全球產仔數量較多的品種之一,但該品種的產仔數量表型存在較大的變異。一項研究使用Illumina Porcine SNP60基因芯片對18頭二花臉母豬進行了選擇性基因組掃描,這些母豬被分為高估計育種值(前10%)和低估計育種值(后10%)兩組。通過計算每個SNP在高估計育種值和低估計育種值EBV群體之間的全基因組固定系數(FST)值,得到了154個差異顯著的SNP并在313頭二花臉母豬中驗證了在第8染色體上的rs81 399 474與TNB之間的顯著關聯關系[77]。另一項研究也使用了類似的方法,利用Illumina Porcine SNP60基因芯片對50頭中國二花臉豬(其中25頭為產仔數前12%的豬,25頭為產仔數后12%的豬)進行基因分型,篩選出了10個差異顯著的SNPs。并在313頭二花臉豬、173頭蘇泰豬和488頭約克夏豬種群產仔數數據中驗證了位于第13號染色體的SNP位點rs81 447 100與產仔數的關系。此外,研究人員還發現rs81 447 100周圍存在視黃醇結合蛋白2和視黃醇結合蛋白1基因[78]。

大白豬是目前生產的重要品種之一,復雜性狀如產仔數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。在一項對69 549頭大白豬母豬的264 419個TNB的觀測數據分析中,使用雙層次廣義線性模型對大白豬種群中的TNB及其變異進行了分析,并采用Illumina PorcineSNP60 Beadchip基因分型對2 351頭具有產仔觀測值數據的母豬,以及2 067頭具有殘差產仔數量數據的母豬應用貝葉斯方法進行全基因組關聯研究。研究檢測到10個與總仔豬數(TNB)相關的顯著單核苷酸多態性位點(SNP),首次在第11號染色體獲得與TNB顯著關聯的SNP位點,同時還獲得了9個與TNB變異性(varTNB)相關的SNPs,與varTNB相關的檢測到的基因組區域可應用于基因組選擇,以減少varTNB,避免非常小或非常大(超出母豬哺乳生理能力)的仔豬數量的情況[79]。另一個在大白豬上的研究采用了PorcineSNP80 BeadChip芯片對1 207頭大白豬種群進行了分析,對總產仔數、活仔數等多個繁殖性狀進行了全基因組關聯研究,檢測到4個與TNB相關以及3個與NBA相關的全基因組顯著SNPs[80]。

長白豬也是主要生產品種組成之一,在一項對328頭芬蘭長白豬的研究中,應用Illumina PorcineSNP60 BeadChip進行基因分型,在SSC9第9號染色體SSC9的95和79 Mb周圍發現兩個顯著統計區域,其有利雙純合子基因型的動物較具有不利雙純合子基因型的動物多產1.3頭仔豬[81]。此外,還有研究應用Illumina Porcine SNP 60k BeadChip芯片對181頭大白豬和140頭長白豬采用一步法ssGWAS分析,獲得了繁殖性狀相關的22個(大白豬)和25個(長白豬)SNP,并在大白豬中發現5個候選基因,在長白豬中發現3個候選基因[82]。

杜洛克豬也是生產應用中的重要品種,在一項針對杜洛克的繁殖性狀的全基因組關聯分析中,應用了Illumina PorcineSNP60 BeadChip和GeneSeek GGP-Porcine兩種芯片,對1 067頭杜洛克豬(81頭公豬和986頭母豬)進行了基因分型,關聯分析了與出生窩仔數最顯著相關的兩個SNP,為位于第14號染色體BICC1基因內含子的 rs80 979 042和rs80 825 112[83]。

基因組測序技術包括基因組測序分型(GBS)和全基因組重測序技術(whole-genome sequencing, WGS),被認為可以提供比基因芯片更高質量的SNP數據信息。在一項以長白豬以及約克夏豬為研究對象的研究中,采用基因組測序分型(GBS)技術對532頭豬(282頭長白豬品種和250頭約克夏品種)進行了單步基因組關聯研究(ssGWAS),獲得了167 355個高質量的SNPs,并于TNB、NBA等表型進行關聯分析,共找到8個與TNB、23個與NBA顯著關聯的SNPs,這些顯著SNPs解釋了62.78%、79.75%的遺傳變異,并推測出了1個(SSC14:16 314 857)、4個(SSC1:81 986 236、SSC1:66 599 775、SSC1∶161 999 013和SSC1∶267 883 107)分別與TNB、NBA性狀相關的新位點[84]。全基因組重測序技術 (WGS)可以為基因分型提供更為詳盡的數據,在一項對5頭高繁殖力和5頭低繁殖力的約克夏母豬進行的全基因組重測序(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特征具有顯著關聯[85]。

在對商業三元豬進行母豬繁殖性狀的研究中,全基因組關聯分析也被應用。一項研究選擇了大白母本系和大白×長白父本系的683頭商業母豬作為研究對象,采用了PorcineSNP60 BeadChip和貝葉斯統計方法進行了總產仔數和活仔數等繁殖性狀的全基因組關聯研究。該研究發現,在商業母豬的前三胎期間,TNB的性狀表型相關性在0.16～0.2之間,NBA的性狀表型相關性在0.15～0.18之間,遺傳相關性較低。這可能受到商業豬肉生產系統中常見的管理和環境水平的影響[1],相比于用于研究的實驗養殖場或核心場,這些商業生產系統通常管理程度較低。在管理良好的實驗養殖場或核心育種場進行的研究中,所得到的相關性往往較高[86]。

全基因組關聯分析的應用使得人們能夠從全基因組的角度去發現與繁殖性狀相關的候選基因和位點,迄今為止,豬數量性狀位點數據庫(PigQTLdb)已記錄了48 844個位點,其中包含了673種豬的基本性狀和279種變異性狀(來源:https:∥www.animalgenome.org,版本50,2023年4月25日)。其中,與產仔數相關的位點數據共有1 557個,涉及到TNB的關聯有478個位點,涉及到NBA的關聯有267個位點,這些位點和發現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。它針對特定的豬種群和養殖環境,利用系譜信息、表型數據和全基因組的SNP分型信息,直接預測每個個體的SNP位點效應值。這種策略可以通過提供個體全基因組估計育種值(GEBV)來快速、準確地改良母豬的繁殖性能等低遺傳力性狀。在實際育種選育過程中,全基因組選育方案顯著加快了育種進展。

全基因組選擇時首先要建立參考群,采集詳細的參考群表型值、系譜信息以及基因型信息,建立所有標記的親緣關系矩陣,主要通過各種基因組 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算模型得出參考群體的綜合選擇指數;然后對被選擇育種的候選群體進行系譜信息及基因型信息的采集,通過計算得到被選擇個體的SNP效應以獲得其GEBV 值和綜合選擇指數,最終獲得選擇決策。整個全基因組選擇的過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,就可以通過計算來進行選擇,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展

已有多項研究報道了應用全基因組選擇進行母豬后代預測和選擇的探索。母豬繁殖力相關的遺傳系數通常較低,通常認為不超過0.1。傳統基于譜系的BLUP方法在預測準確性方面表現不佳,而全基因組選擇可以顯著提高預測的準確性。一項研究對338 346頭母豬的窩產仔數數據進行分析(其中1 989頭豬有Illumina PorcineSNP60 BeadChip基因分型數據),采用單性狀動物模型估計方差成分和育種值。在構建基因組關系矩陣時,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)或等于觀測頻率的等位基因頻率(GOF),以及等位基因頻率隨機獲取的基因組矩陣(GOF*),結果顯示對母豬的育種值平均準確性分別為0.37、0.49、0.30、0.43,比傳統分子行列式關系矩陣對母豬的育種值(0.22)預測準確性更高。公豬也攜帶與產仔數相關的基因,在構建參考群體時加入后裔產仔數據較多的公豬的基因組數據,將會獲得一個更高的 GEBV 預測準確性,因此有研究者建議育種場保留種公豬的毛發后續提取DNA應用于全基因組選擇[87]。

計算模型方法是預測GEBV 值和綜合選擇指數準確性的關鍵之一。有研究應用了單步BLUP(SSBLUP)方法、基因組BLUP(GBLUP)方法、選擇指數混合(SELIND)方法和傳統基于譜系的BLUP方法4種不同的計算分析方法,比較其對丹麥大白豬母豬和約克豬母豬的TNB等繁殖性狀方面的預測準確性。該研究對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)進行了Illumina PorcineSNP60 BeadChip基因分型,發現基于傳統譜系的方法(BLUP)獲得的兩個品種繁殖性狀的可靠性平均值只有0.091,而具有基因分型標記信息的3種方法(GBLUP、SELIND和SSBLUP)的可靠性平均值分別可以達到0.171、0.179和0.209,顯示出比基于傳統譜系方法更準確的預測能力[88]。

不同的基因分型技術也有不同的預測準確性。在一項針對1 097頭大白豬的研究中,針對TNB、NBA和窩產健仔數(healthy piglet, HP)等繁殖性狀,發現利用低深度測序進行基因分型獲得的預測準確性較高,比模擬SNP60芯片信息的基因分析要準確[89]。此外,另一項研究針對2 000頭大白豬種豬采用了簡化基因組測序(GBS)數據和生產性狀數據的ssGBLUP分析和傳統BLUP分析。結果顯示,在總產仔數性狀中,通過基因組預測GEBV相比于BLUP預測EBV的可靠性提高了56.7%[90]。

全基因組選育需要持續進行才能積累更好的遺傳進展。每年對2 400頭母豬進行基因型分型進行持續的全基因組選育,可以將產仔數等繁殖性狀對總遺傳增益的相對貢獻從16%增加到32%[91]。

3 小 結

高繁殖力是豬種育種中的最為重要的性狀之一,在生豬養殖場提高經濟效益以及自身競爭力上具有關鍵性的作用。由于繁殖力相關的性狀是遺傳力較低的性狀,對環境因素敏感,多個基因相互交叉作用和途徑的累積小效應決定了繁殖性狀的表現。隨著高通量測序技術的應用和發展,基于全基因組信息的全基因組關聯分析方法以及全基因組選擇也已經越來越多地應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位點的發現,低成本的基因芯片分型技術的推廣應用以及高通量測序技術的發展使得成本不斷下降,高繁殖力母豬的選育工作將越來越多地應用到基因遺傳位點信息,基于全基因組的持續育種也將會在國內更廣泛地應用,這將會加快母豬繁殖力育種的遺傳進展,將我國的母豬繁殖力性狀提高到一個新的水平。