连续性纯合片段在畜禽基因组研究中的应用

随着高通量SNP芯片技术的快速发展和测序成本的大幅降低,SNP基因芯片和基因组重测序等技术被广泛地应用于畜禽基因组研究中。在基因组某一段区域内,当一定数量和一定密度的SNPs表现为纯合时,可以判定该区域存在连续性纯合片段(runs of homozygosity, ROH)。目前,连续性纯合片段已经逐渐成为分析畜禽群体近交程度、遗传结构等方面的重要指标之一。但是,ROH计算应用的评价标准还相对匮乏。本文系统介绍了连续性纯合片段的发展历史、原理、鉴定方法以及在畜禽群体结构解析、基因组功能分析和种畜禽品质检测等方面的应用情况,以期为畜禽遗传资源保种区和保种场在遗传多样性等动态监测方面提供参考。

基于简化基因组测序评估陇南山羊群体遗传多样性和群体结构

该试验旨在利用简化基因组测序(specific-locus amplified fragment sequencing, SLAF-seq)分析陇南山羊群体遗传多样和群体结构,为陇南山羊后续保种计划的制订提供依据。该研究对50只陇南山羊(公、母各25只)进行全基因组SNP检测;计算观测杂合度(Ho)、期望杂合度(He)、多态信息含量(PIC)、香浓维纳指数(SHI)、基因多样性指数(Nei)及次要等位基因频率(MAF)等6个指标进行遗传多样性评估。结果表明,50只陇南山羊共检测到655514个SNPs位点。陇南山羊的Ho、 He、 PIC、 SHI、 Nei及MAF指标值分别为0.193、0.286、 0.236、 0.449、 0.290、 0.200,说明该群体遗传多样性较低。陇南山羊群体LD值较低,衰退速度较快,说明该群体并未受到过强烈的人工选择压力。此外,PCA与系统发育树结果均表明陇南山羊群体内部出现分化,可分为2个大的亚群。陇南山羊群体平均IBS遗传距离为0.7391,结合亲缘关系G矩阵热图,表明陇南山羊群体大部分个体亲缘关系较远。50只陇南山羊个体共检测到47206个ROH,平均ROH长度37.86 Mb,基于ROH的近交系数FROH范围为0.0535~0.2574,平均FROH值为0.1472,说明陇南山羊群体存在近交风险。可见,陇南山羊内部存在分化,可分为2个大的亚群,陇南山羊群体遗传多样性较低,部分个体间存在较大的近交风险,可能需要采取保种措施保护陇南山羊遗传资源。

利用“黄海芯1号”55K SNP芯片评估凡纳滨对虾选育群体的遗传多样性与基因组近交水平

凡纳滨对虾的主要选育目标分为两个方面:一是培育具有较强抗病、抗逆性的“高抗系”(GK),二是培育具有快速生长特性的“快大系”(KD)。然而,国内缺少针对这两个选育群体的遗传多样性特别是基因组近交水平的调查分析研究。基于液相芯片“黄海芯1号”(55 K SNP)的基因分型数据,首次分析了GK(1064尾个体)和KD(564尾个体)选育群体的遗传结构和遗传多样性,调查了连续性纯合片段(ROH)的基因组分布特征,并重点评估了两个群体的基因组近交水平。PCA及进化树分析表明GK及KD群体可明确分层,亲缘关系热图表明KD群体内个体间的亲缘关系比GK群体更近。GK群体包括的家系数量更多,导致其遗传多样性高于KD群体;两群体间的F_(st)为0.09,存在中等遗传分化。GK和KD群体每个ROH的平均长度分别为(1.70±0.34)Mb和(1.65±0.38)Mb,每个样本ROH的平均数量分别为1.98±1.30和2.07±1.37。GK和KD群体0.8~1.25 Mb长度的ROH占比分别为11.41%和19.17%,表明KD群体的选育历史比GK群体更长。两个群体>2.25 Mb长度的ROH片段占比分别为10.26和9.74%,表明两个群体短期内未发生近亲交配。七种基因组近交系数评估结果表明,KD群体的近交水平高于GK群体。不依赖基础群体等位基因频率的F_(ROH)和F_(HOM)方法可准确地评价育种群体的真实近交水平,而F_(VR1)、F_(YA1)和F_(LH1)等依赖基础群体等位基因频率的方法可以用来比较群体及个体间的相对近交水平。上述结果为准确地评估育种群体的近交水平和优化育种方案提供了重要参考依据。

基于全基因组SNPs对太行鸡保种群保种效果的评价

本研究利用全基因组低深度重测序技术及相关分析方法对2个太行鸡保种群的保种效果进行评价。结果显示:天凯和宁晋保种群的多态性标记比例分别为83.26%和84.45%;平均期望杂合度H_(e)和平均观察杂合度H_(0)分别为0.256、0.260和0.259、0.263,表明2个群体遗传多样性较为丰富;基于连续性纯合片段值计算近交系数,2个群体分别为0.053 1和0.048 7,天凯群体显著高于宁晋群体;亲缘关系分析显示,天凯群体中存在亲缘关系为全同胞的个体。2个群体遗传相似系数为0.795,此值偏低,遗传距离为0.230,此值偏大,说明2个保种群遗传结构存在显著差异,推测可能与天凯保种场在进行禽白血病净化过程中采用了不完善的方案而导致全同胞个体进入保种群有关。遗传结构、PCA和种系发生分析等的结果与上述结果一致,表明利用低深度重测序技术可更全面地评价保种效果。根据结果,建议天凯保种场重新组建保种群,制定科学的保种方案。

ROH及其在绵羊遗传育种中的应用研究进展

连续性纯合片段(runs of homozygosity,ROH)是基因组中的一段长纯合片段,不同长度的ROH和个体与共同祖先的亲缘背景相关联,亲缘关系越远ROH片段越短。在近交过程中,随着世代数的增加,子代个体从共同祖先遗传得到的ROH会被不断地打断重排。在整个遗传信息传递过程中,可以根据ROH的长短来判断个体间亲缘关系的亲近程度。ROH受种群近交、种群瓶颈、基因组特征、人工选择等多种因素的制约,这些制约因素会在其基因组上留下各种印记。ROH中有丰富的遗传信息,促使ROH成为研究绵羊基因组信息的新手段。近年来,随着高通量测序技术的发展,研究人员利用基因组ROH来评估近交程度和遗传多样性、推断种群结构和种群历史、筛选和鉴定重要经济性状功能基因,进行个体选择并追踪选择信号。因此,笔者就ROH产生原理、影响因素、检测方法及其在绵羊遗传育种中的应用等方面进行综述,以期能准确制定绵羊种质资源保护策略,为ROH在绵羊遗传育种中的应用提供理论依据。

不同来源大白猪总产仔数近交衰退评估

旨在评估两个不同来源大白猪群体经过近8个世代的选育后总产仔数(total number of piglets born,TNB)近交衰退的程度。本研究对1937头大白猪使用GeneSeek GGP Porcine HD芯片进行分型,其中1039头来自加系大白猪和898头来自法系大白猪,且两品系均有表型记录和系谱记录,系谱共由3086头大白猪组成。分别使用系谱、SNP和ROH进行个体近交系数估计,并将近交系数作为协变量利用动物模型对总产仔数进行近交衰退评估。为了精准定位导致总产仔数衰退的基因组片段,又进一步对每条染色体以及显著染色体分段计算近交系数并估计其效应,检测是否能引起总产仔数发生近交衰退现象。对于加系群体,FROH、FGRM和FPED估计的近交系数均值分别为0.124、0.042和0.013,其中FROH和FPED相关最高,相关系数为0.358;对于法系群体,FROH、FGRM和FPED均值分别为0.123、0.052和0.007,其中FROH和FGRM相关最高,相关系数为0.371。利用3种不同计算方法所得近交系数用于估计近交衰退时,加系群体的总产仔数均检测到显著的近交衰退,而且当FROH、FGRM和FPED每增加10%时,总产仔数分别减少0.571、0.341和0.823头;但法系群体仅有FROH估计的总产仔数检测到显著近交衰退,FROH每增加10%时,总产仔数减少0.690头。为了锁定相关的染色体和基因组区段,首先利用ROH估计每条染色体近交系数并进行近交衰退分析发现,加系群体中检测到第6、7、8和13号染色体产生了显著近的总产仔数交衰退,而法系群体未检测到与近交衰退相关的染色体。然后,又将与加系总产仔数近交衰退显著相关的4条染色体平均分为2、4、6、8个片段进行近交衰退检测,其中平均分成8段后的染色片段的长度范围为15.1~25.8 Mb。在第6、7和8号染色体分别检测到1、2和3个与总产仔数相关的近交衰退染色体片段。这些区域注释到了CUL7、MAPK14和PPARD基因与胎盘发育相关,AREG和EREG基因与卵母细胞成熟有关。本研究利用3种近交系数计算方法对两个不同来源的大白猪总产仔数进行近交衰退评估,在加系大白猪中3种估计方法都能检测到近交衰退的现象,而法系群体中只有FROH才能检测到。而且通过ROH方法进一步确定了能引起加系大白猪总产仔数衰退的4条染色体和6个特定的染色体区段,还注释到了与繁殖相关的候选基因。这为揭示近交衰退的遗传机制提供了新的研究手段,也为基因组选种选配提供了参考依据。

肃南牦牛群体遗传结构、选择信号分析和ROH检测

【目的】试验旨在对肃南牦牛进行群体遗传结构、选择信号分析和连续纯合片段(ROH)检测,挖掘肃南牦牛的种质特性相关基因。【方法】选择肃南牦牛、巴州牦牛、斯布牦牛、九龙牦牛和天祝白牦牛5个牦牛品种共计48头牦牛进行全基因组重测序,采用基因组变异检测流程(GATK)获得高质量的单核苷酸多态性(SNP)标记进行下游分析;对5个牦牛品种的基因型数据进行主成分分析、祖先成分分析和系统进化树分析以确定其群体结构;对5个牦牛群体进行ROH检测以及近交系数计算;采用综合单倍型评分(iHS)方法筛选共有高频ROH区域内受选择位点。【结果】5个牦牛品种共鉴定出15092883个SNPs,主要分布于内含子区域。亲缘关系计算结果显示,所有个体均不存在三代以内亲缘关系,满足后续分析要求。主成分分析表明,5个牦牛品种可以显著地分为5个类群,其中肃南牦牛群体内遗传变异较小。群体结构分析显示,肃南牦牛包含其他4种牦牛祖先成分,其中天祝白牦牛祖先成分所占的比例最大。ROH分析显示,5个牦牛品种共检测到8426个ROHs片段,其中高频ROH区域421个。相比于其他4个牦牛品种,肃南牦牛的ROH片段总长度和数目最多,具有较高的连锁程度,其近交系数远大于其他牦牛群体。在肃南牦牛高频ROH区域上注释得到465个候选基因,主要富集到与机体发育、大脑形态形成、脂肪氧化相关的通路,包括胚胎骨骼系统形态发生、前后模式规范、甲状腺发育通路和Hippo通路,其中与胚胎发育及组织分化过程相关的基因有同源框A3(HOXA3)、HOXA5、HOXD3,与肉品质相关的基因有花生四烯酸12B(ALOX12B)、ALOX15B、ALOXE3,与中脑发育相关的基因为成纤维细胞生长因子8(FGF8)。在7号染色体1个高频ROH区域中(Chr7:12661870-13045935)鉴定到3个共享基因(核内不均一性核糖核蛋白K(HNRNPK)、驱动蛋白27(KIF27)、G激酶锚定蛋白1(GKAP1))与牦牛共有的高原适应性有关。对共有高频ROH区域内的位点进行iHS分析,鉴定到的受选择基因主要与抗病性、内质网分泌蛋白加工及细胞周期调节相关,包括N-α乙酰转移酶25(NAA25)、内质网分子伴侣29(ERP29)、跨膜蛋白16(TMEM116)、TRAF型锌指结构域蛋白1(TRAFD1)、HECT结构域E3泛素连接酶4(HECTD4)基因。【结论】本研究从全基因组水平系统评估肃南牦牛的遗传多样性和遗传背景,鉴定了肃南牦牛ROH区域内与表型相关的基因,并重点挖掘了与其他牦牛品种共享高频ROH区域内的受选择基因,为肃南牦牛种质资源开发、利用提供了重要理论依据。

基于表型和基因组信息评价北京油鸡保种群保种情况

旨在利用表型和基因组信息对北京油鸡随机交配保种群体近交系数、有效群体大小进行研究,评价北京油鸡保种群体保种情况。本研究以国家级北京油鸡保种场北京油鸡2019年随机交配保种群体40只鸡为研究对象,对表型记录进行整理,同时利用基因组SNP信息,使用PLINK软件分别计算基于ROH的近交系数(FROH)、基于纯合基因型的近交系数(FHOM)、基于联合配子之间相关性的近交系数(FUNI);使用GCTA和R软件计算基于基因组关系G矩阵的近交系数(FGRM);使用SNeP软件估计北京油鸡历史世代的有效群体大小;使用NeEstimator软件估计基于连锁不平衡方法的当前世代的有效群体大小;使用R软件的PerformanceAnalytics包对FROH、FHOM、FGRM和FUNI等不同算法所得近交系数进行相关性分析,评价北京油鸡的保种情况。结果显示,1979—2019年以来,北京油鸡保种群体凤冠、胫羽、五趾等典型的外貌特征明显且百分比稳定;保种群有效群体大小从98世代前的595逐渐降至13世代前的176;2019年北京油鸡随机交配保种群体FROH为0.0798,与FGRM显著相关(P<0.01),且相关系数为0.45;除此之外,FHOM与FGRM,FHOM与FUNI以及FGRM与FUNI之间也存在较高的线性相关。北京油鸡1979—2019年以来近交系数增长缓慢,国家级北京油鸡保种场随机交配保种群体的保种工作是十分有效的。基于目前情况,本研究建议每年随机选取一定数量的北京油鸡随机交配保种群体的个体,进行全基因组二代重测序检测,有利于对保种状况进行动态监控,以便随时调整保种工作方案。

近交陆川猪的遗传稳定性研究

旨在探讨高度近交陆川猪的遗传稳定性。本试验采集20头近交和6头非近交陆川猪的耳组织样品进行个体基因组重测序,通过扫描全基因组SNPs分析近交陆川猪群体的遗传多样性,并基于基因组纯合度挖掘近交陆川猪群体中特异的纯合区域(region of homozygosity,ROHs)及相关基因。结果表明,近交陆川猪群体的观察杂合度(0.373)小于期望杂合度(0.491),推测其发生了选择或者近交;系统进化树和群体遗传结构分析发现,近交陆川猪群体在近交过程中分化成为两个近交家系,且230、236、239、132、130及126号个体亲缘关系最近;在近交群体中,基因组纯合度和基因组长纯合片段比例的均值分别为59.64%和0.12,都极显著高于非近交群体53.18%和0.05(P<0.01),说明该近交陆川猪群体已达到高度近交;近交群体和非近交群体中分别有1250和633个ROHs,重叠分析结果显示,特异存在于近交群体中的阳性纯合区域(positive region of homozygosity,pROHs)有224个,其中由于近交产生的纯合突变可能影响参与激素合成过程、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的1322个基因。结果提示,近交陆川猪群体的遗传多样性低、基因组纯合度高且已达到高度近交,说明该群体的遗传稳定性高。此外,近交陆川猪群体在近交过程中产生的纯合突变可能与机体的免疫、生长等生产性状相关。