肖玉萍,周 磊,程勝利,楊保平,魏云霞
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所,蘭州 730050)
我國山羊絨年產(chǎn)量已達(dá)1萬t左右,貿(mào)易量占全球的50%以上,但山羊個(gè)體的生產(chǎn)水平較低,并且在傳統(tǒng)的選擇模式下,山羊經(jīng)濟(jì)性狀的選擇進(jìn)展也很慢。而標(biāo)記輔助育種能充分利用表型、系譜和遺傳標(biāo)記的信息,與只利用表型和系譜信息的常規(guī)選種方法相比,具有更大的信息量,且可允許進(jìn)行早期選種、縮短世代間隔、提高選擇的準(zhǔn)確性和選擇強(qiáng)度、降低育種成本,可彌補(bǔ)傳統(tǒng)選擇技術(shù)準(zhǔn)確率低、育種周期長的缺點(diǎn),從而加快山羊的育種進(jìn)程。近年來,隨著標(biāo)記輔助選擇方法的逐步完善和許多影響山羊重要經(jīng)濟(jì)性狀的QTL的成功定位,標(biāo)記輔助選擇在未來山羊育種改良中將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用[1]。
標(biāo)記輔助選擇(marker assisted selection,MAS)是通過尋找對(duì)動(dòng)物特定性狀有較大影響的數(shù)量性狀位點(diǎn)(quantitative trait loci,QTL)附近的分子標(biāo)記,并通過判斷標(biāo)記的基因型對(duì)種畜進(jìn)行選擇的方法。MAS育種的基本技術(shù)路線:尋找包含QTL的染色體片段,在這些區(qū)域內(nèi)標(biāo)定相應(yīng)QTL的位置,并找到與該QTL緊密連鎖的遺傳標(biāo)記,確定與性狀變異有關(guān)的特定基因及其功能位點(diǎn),在遺傳標(biāo)記的輔助下較準(zhǔn)確地對(duì)特定性狀進(jìn)行選擇。MAS應(yīng)用于動(dòng)物育種時(shí)主要有以下3種方法:
①在常規(guī)動(dòng)物模型的基礎(chǔ)上加上分子標(biāo)記的信息,即同時(shí)利用表型、系譜和分子標(biāo)記的信息進(jìn)行個(gè)體育種值估計(jì)。個(gè)體育種值可以分為兩部分,QTL育種值與多基因育種值。有研究者將僅用標(biāo)記信息輔助選擇的效率同BLUP選種和根據(jù)標(biāo)記+表型最佳組合選種作比較,其結(jié)論為只有當(dāng)標(biāo)記基因與QTL間的連鎖緊密時(shí)標(biāo)記輔助選擇才會(huì)有效。若對(duì)標(biāo)記效應(yīng)估計(jì)不準(zhǔn)確,則標(biāo)記效率就會(huì)降低。②兩階段選擇。在生產(chǎn)性能測(cè)定之前根據(jù)分子標(biāo)記信息進(jìn)行選擇,將攜帶有理想分子標(biāo)記等位基因的個(gè)體選留下來參加性能測(cè)定,用常規(guī)方法BLUP進(jìn)行育種值估計(jì),并進(jìn)行第2次選擇,從而提高選擇差和選擇強(qiáng)度。③早期選擇。由于分子標(biāo)記的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是其測(cè)定不受年齡的限制,因此,當(dāng)對(duì)某個(gè)性狀所掌握的QTL能夠保證進(jìn)行早期選擇(根據(jù)標(biāo)記信息),并產(chǎn)生更大的遺傳進(jìn)展和育種效益時(shí),可以考慮采用早期選擇。
控制某一數(shù)量性狀的基因是多位點(diǎn)的,只有那些對(duì)相應(yīng)經(jīng)濟(jì)性狀具有適當(dāng)或有足夠大效應(yīng)的QTL才可用于MAS。QTL對(duì)相應(yīng)性狀的效應(yīng),可用該QTL純合子間性狀差異的一半來衡量。在MAS中,一般要求其效應(yīng)值a至少為0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。Saefudin(1991)指出,某QTL的效應(yīng)值a越大,則該QTL在MAS中被選擇來利用所需的代數(shù)就越少。Smith(1986)認(rèn)為,具有適當(dāng)效應(yīng)值和中間程度基因頻率(0.1
另外,標(biāo)記輔助選擇是以遺傳標(biāo)記與QTL連鎖為基礎(chǔ)的,所以標(biāo)記與QTL間的連鎖程度是決定MAS的關(guān)鍵。遺傳標(biāo)記與QTL的連鎖程度可用重組率、連鎖不平衡值和標(biāo)記與QTL間的圖距厘摩等來衡量。由于重組等原因,常使遺傳標(biāo)記與QTL的連鎖信息不能跨家系或跨群體使用。在對(duì)同一群體的連代選擇中,由于重組,其連鎖水平也將會(huì)隨代數(shù)增加而逐漸下降,從而造成運(yùn)用標(biāo)記選擇的能力逐代降低。因此,采用那些與QTL緊密連鎖的標(biāo)記是促進(jìn)標(biāo)記輔助選擇廣泛應(yīng)用的有力手段。
任何一個(gè)品種不可能帶有全部優(yōu)良經(jīng)濟(jì)性狀的基因,但若能鑒定出若干個(gè)有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的等位基因,通過有效的雜交育種將其擴(kuò)散到全群將大大提高整體的生產(chǎn)水平。如果某個(gè)品系除了1個(gè)或幾個(gè)等位基因外,其他各方面性能都較差,此時(shí)可使用標(biāo)記輔助導(dǎo)入方法(Marker-assisted introgression,MAI)導(dǎo)入優(yōu)良的基因。
在基因?qū)霑r(shí),有2種方式可利用遺傳標(biāo)記:①利用遺傳標(biāo)記對(duì)欲導(dǎo)入的基因進(jìn)行標(biāo)記;②利用遺傳標(biāo)記來選擇或排除某一特定的背景基因型。基因?qū)霑r(shí)采用如下途徑:利用帶有被導(dǎo)入等位基因(或數(shù)量性狀主基因)的群體與受體群進(jìn)行多代回交,繼而進(jìn)行橫交使目的基因純合。標(biāo)記輔助導(dǎo)入方案的效率取決于終端群體被導(dǎo)入基因的頻率和有益經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳進(jìn)展(Haley C S.,1991)。Hospital(1992)認(rèn)為,使用標(biāo)記比不使用標(biāo)記重新獲得基因組的效率快2個(gè)世代。
動(dòng)物育種一般具有較長的世代間隔、較低的繁殖力和較高的飼養(yǎng)成本。因此,一般只針對(duì)那些效應(yīng)較大的基因進(jìn)行標(biāo)記輔助導(dǎo)入。如Hanset等(1995)采用與RYR座位緊密連鎖的標(biāo)記進(jìn)行前景選擇,將抗應(yīng)激敏感的基因成功地導(dǎo)入到皮特蘭豬中。
總結(jié)諸多關(guān)于標(biāo)記輔助選擇相對(duì)效率的研究,標(biāo)記輔助選擇的效率總體上高于常規(guī)選擇方法,但標(biāo)記輔助選擇的優(yōu)勢(shì)究竟有多大,不同研究者的結(jié)果差別很大。影響因素主要有:①所選性狀的遺傳特性。一般認(rèn)為用標(biāo)記輔助選擇低遺傳力性狀、限性性狀和抗病性狀的效率較高;而高遺傳力性狀和早期表達(dá)的性狀,標(biāo)記輔助選擇的效率則較低[2-4]。盡管如此,也有學(xué)者認(rèn)為,并非性狀的遺傳力越低,標(biāo)記輔助選擇的效率越高。因?yàn)楫?dāng)某一性狀的遺傳力很低時(shí),標(biāo)記與QTL的連鎖效應(yīng)以及標(biāo)記被檢出的機(jī)率都會(huì)受到影響,從而也就降低了標(biāo)記輔助選擇的選擇反應(yīng)。Moreau L 等[5]、Hospital F 等[6]研究指出,當(dāng)遺傳力低于0.2時(shí),標(biāo)記輔助選擇的選擇反應(yīng)會(huì)變得不穩(wěn)定,需要重復(fù)估計(jì),標(biāo)記輔助選擇對(duì)中等遺傳力性狀(h2=0.2~0.4)最為適用。②標(biāo)記與QTL的連鎖程度。標(biāo)記與目的基因或QTL連鎖得越緊密,標(biāo)記輔助選擇的效率越高[5,7-8]。Meuwissent等[9]通過對(duì)奶牛的研究發(fā)現(xiàn),祖父的遺傳標(biāo)記可以說明孫女預(yù)測(cè)值家系內(nèi)方差的13.3%,但該數(shù)值會(huì)隨著側(cè)翼標(biāo)記距離的增大而降低。③QTL的數(shù)目和效應(yīng)。當(dāng)控制某一數(shù)量性狀的QTL數(shù)目較多、效應(yīng)較大時(shí),標(biāo)記輔助選擇往往能取得明顯的效果,當(dāng)QTL的效應(yīng)小到一定程度時(shí),用其來進(jìn)行標(biāo)記輔助選擇就變得沒有意義。但Moreau L等[5]研究認(rèn)為,某數(shù)量性狀的QTL數(shù)目較多時(shí),QTL間就有可能存在一定的連鎖,這不僅會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜性,而且易引起檢出“幻影”QTL,以至于影響標(biāo)記輔助選擇的效率。④QTL參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。QTL參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性是影響標(biāo)記輔助選擇應(yīng)用的最關(guān)鍵因素之一,過高或過低估計(jì)QTL的效應(yīng)都會(huì)降低標(biāo)記輔助選擇的效率。Spelman等[10]的研究表明,如果在育種程序中通過標(biāo)記輔助選擇利用了虛假的QTL,不僅不會(huì)提高選擇效果,反而會(huì)降低遺傳進(jìn)展。如果QTL參數(shù)估計(jì)的結(jié)果不可靠,甚至是錯(cuò)誤的,那么在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的標(biāo)記輔助選擇就是不可靠之上的不可靠,就是一錯(cuò)再錯(cuò)、錯(cuò)上加錯(cuò)了。⑤其他因素。除了上述因素會(huì)影響標(biāo)記輔助選擇的效率外,QTL有利基因的起始頻率和其他影響常規(guī)方法選擇效果的因素如育種方案、群體的規(guī)模和結(jié)構(gòu),以及選擇的世代數(shù)等也會(huì)影響標(biāo)記輔助選擇的效率。許多研究[5,8,11]結(jié)果表明,群體規(guī)模是影響標(biāo)記輔助選擇效率的一個(gè)重要因素,多數(shù)情況下標(biāo)記輔助選擇的相對(duì)效率會(huì)隨著群體規(guī)模的增大而提高。也有不少研究表明,標(biāo)記輔助選擇所獲得的額外選擇反應(yīng)(相對(duì)于常規(guī)選擇而言)在短期選擇時(shí)較大,而在長期選擇時(shí)卻會(huì)因連鎖不平衡降低等原因而下降[11]。但如果能在選擇過程中不斷地檢測(cè)到新的QTL,當(dāng)“老”QTL趨于固定時(shí)將其加入選擇指數(shù)中,則可能繼續(xù)保持標(biāo)記輔助選擇在選擇效率上的優(yōu)勢(shì)。
沈偉等[1]以遼寧絨山羊、柴達(dá)木絨山羊和柴達(dá)木山羊3個(gè)群體共147只山羊?yàn)檠芯繉?duì)象,運(yùn)用PAGE和RAPD技術(shù)對(duì)山羊的體重、絨產(chǎn)量和絨細(xì)度3個(gè)性狀進(jìn)行了與標(biāo)記基因關(guān)系的遺傳分析,結(jié)果表明:EsD222型、LAPBB型和PA322型分別為體重、絨產(chǎn)量和絨細(xì)度性狀的優(yōu)勢(shì)標(biāo)記基因型;可利用標(biāo)記輔助預(yù)測(cè)的方法充分利用多基因座標(biāo)記基因間的互作效應(yīng);在體重上,尋找到有顯著選擇效應(yīng)的RAPD條帶11個(gè),在絨產(chǎn)量和絨細(xì)度上分別為9個(gè)和6個(gè);在多目標(biāo)性狀選擇中,CY0818/AO型和OPW 19/C1型為體重和絨產(chǎn)量的雙重優(yōu)勢(shì)RAPD標(biāo)記,CY0818/G1型為體重和絨細(xì)度的雙重優(yōu)勢(shì)RAPD標(biāo)記。張亞妮等采用PCR-SSCP技術(shù)研究了絨山羊KAP基因的多態(tài)性,并通過標(biāo)記位點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳相關(guān)預(yù)測(cè)了選擇反應(yīng)。其結(jié)論為:在產(chǎn)絨量性狀上,S1-AB,S1-BB,S3-BB和S4-AB基因型可以作為標(biāo)記基因型;在體重性狀上,S3-AA和S3-AB基因型可以作為標(biāo)記基因型;在體重和產(chǎn)絨量性狀上,S2-BB基因型可作為多性狀標(biāo)記輔助選擇的標(biāo)記。馬蕊霞[12]采用PCRSSCP和基因測(cè)序技術(shù),對(duì)140只隴東白絨山羊和130只中衛(wèi)山羊的KAP6.1和KAP S.1基因部分序列進(jìn)行了多態(tài)性分析,并通過經(jīng)濟(jì)性狀與多態(tài)位點(diǎn)的遺傳相關(guān)計(jì)算了各位點(diǎn)的選擇反應(yīng)以確定經(jīng)濟(jì)性狀的優(yōu)勢(shì)標(biāo)記位點(diǎn),結(jié)果:篩選了6位點(diǎn),只在4個(gè)位點(diǎn)得到了特異性擴(kuò)增結(jié)果表明,檢測(cè) L1、L2、L3、L4四個(gè)位點(diǎn)存在多態(tài)性,且均為3個(gè)基因型AA、AB和BB型;中衛(wèi)山羊在L1、L2、L3三個(gè)位點(diǎn)均處于Hardy-Weinberg平衡狀態(tài),在L4位點(diǎn)不平衡。隴東白絨山羊只有在L3位點(diǎn)是平衡的,在L1、L2、L4三個(gè)位點(diǎn)的分布均處于Hardy-Weinberg不平衡狀態(tài)。結(jié)合基因型的選擇,L1位點(diǎn)的BB基因型可以作為隴東白絨山羊體重性狀和產(chǎn)絨量性狀的首選標(biāo)記基因型;L3位點(diǎn)的AB基因型可以作為中衛(wèi)山羊體重性狀和產(chǎn)絨量性狀的首選標(biāo)記基因型。耿社民等[13]通過對(duì)127只遼寧絨山羊血液蛋白質(zhì)座位與經(jīng)濟(jì)性狀遺傳關(guān)系的分析結(jié)果表明:PA-32-2型在產(chǎn)絨量和體重兩方面的LSE都顯著的大于其他基因型,而且PA-3座位的選擇反應(yīng)最大,可以作為多性狀標(biāo)記輔助選擇時(shí)的標(biāo)記基因型;其次TfAB型、ESDBB型可作為產(chǎn)絨量的標(biāo)記基因型,LAPAB作為體重的標(biāo)記基因型。于輝等[14]采用PCR-SSCP、PCR-RFLP和DNA測(cè)序等技術(shù),檢測(cè)了內(nèi)蒙古白絨山羊、陜北白絨山羊兩個(gè)絨山羊品種共計(jì)1 006個(gè)個(gè)體的角蛋白相關(guān)蛋白基因(KAP7.1、KAP9.2、KAP16.2和KAP16.6)和同源異型盒基因(Hoxc13)等8個(gè)基因座的遺傳變異,分析了其遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳多態(tài)性。同時(shí)運(yùn)用SPSS(16.0)軟件,利用最小二乘擬合線性模型等方法對(duì)內(nèi)蒙古白絨山羊在上述基因座中的多態(tài)性與產(chǎn)絨性狀及體重進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析,得出:Hoxc13基因包含2個(gè)外顯子在內(nèi)的3個(gè)基因座中未檢測(cè)出多態(tài)性;KAP9.2P1和KAP9.2P2基因座在陜北白絨山羊和內(nèi)蒙古絨山羊群體中均處于Hardy-Weinberg不平衡狀態(tài);陜北白絨山羊在KAP16.2基因座中處于Hardy-Weinberg平衡狀態(tài),而內(nèi)蒙古白絨山羊群體在該基因座中處于Hardy-Weinberg不平衡狀態(tài)。陜北白絨山羊和內(nèi)蒙古白絨山羊群體在KAP16.6基因HindⅢ酶切位點(diǎn)中處于Hardy-Weinberg不平衡狀態(tài),而在KAP16.6基因E-co130Ⅰ酶切位點(diǎn)中均處于Hardy-Weinberg平衡狀態(tài)。趙苗等[15]以內(nèi)蒙古白絨山羊、陜北白絨山羊兩個(gè)絨山羊品種共計(jì)1 006個(gè)個(gè)體為材料,利用PCR-SSCP、aPCRSSCP、PCR-RFLP、生物信息學(xué)、DNA測(cè)序和DNA序列分析技術(shù),研究了KAP基因家族中的4個(gè)HGT-KAP基因(KAP6.1、KAP6.2、KAP8.1、KAP8.2 基因的全 CDS 區(qū))、MTNR1a基因(外顯子2)、SS基因(全CDS區(qū))共6個(gè)候選基因8個(gè)基因座的遺傳變異,同時(shí)探討絨山羊群體遺傳結(jié)構(gòu)、遺傳多態(tài)性及其與經(jīng)濟(jì)性狀(產(chǎn)絨量、毛長、絨厚、抓絨后體重、產(chǎn)羔數(shù)、初生重)的關(guān)系,同時(shí)初步探討了PCR-SSCP和aPCR-SSCP兩種方法的優(yōu)點(diǎn)與不足。結(jié)果表明:在陜北絨山羊和內(nèi)蒙古絨山羊群體中,KAP6.1基因和KAP8.2基因?yàn)閱螒B(tài),KAP6.2基因中共揭示了2個(gè)SNP和1個(gè)缺失突變;KAP6.2基因的片段僅在陜北絨山羊群體中存在,并且處于Hardy-Weinberg平衡狀態(tài),而在內(nèi)蒙古絨山羊群體中并沒有檢測(cè)到。不同多態(tài)基因座與內(nèi)蒙古絨山羊產(chǎn)絨性狀和抓絨后體重的方差分析表明,KAP6.2基因?qū)Ρ驹囼?yàn)所檢測(cè)的性狀沒有影響,KAP8.1基因的不同基因型對(duì)毛長性狀有極顯著影響(P<0.01),因此該試驗(yàn)將KAP8.1基因作為毛長性狀的候選基因;MTNR1a基因外顯子2中的SNP對(duì)產(chǎn)絨性狀和抓絨后體重沒有影響。但是,MTNR1a-4-577基因座對(duì)內(nèi)蒙古絨山羊的產(chǎn)羔數(shù)有影響顯著,MTNR1a-4-589基因座對(duì)羔羊初生重有顯著影響,故將MTNR1a-4-577作為產(chǎn)羔數(shù)選擇的標(biāo)記,而MTNR1a-4-589基因座可以作為初生重選擇的標(biāo)記;利用PCR-SSCP的方法并沒有檢測(cè)到SS基因突變基因座的存在。Gootwine等[16]借助與FecB座位緊密連鎖的兩個(gè)微衛(wèi)星標(biāo)記OarAE101和BM1329對(duì)FecB進(jìn)行前景選擇,將Booroola羊中的FecB基因利用標(biāo)記信息輔助導(dǎo)入到了Awassi乳用綿羊中,這是標(biāo)記輔助導(dǎo)入FecB基因來培育高繁殖力綿羊的一個(gè)重要成果。
標(biāo)記輔助選擇由于充分利用了遺傳標(biāo)記、表型和系譜的信息,因此具有比常規(guī)遺傳評(píng)定方法更大的信息量,可提高個(gè)體遺傳評(píng)定的準(zhǔn)確性。同時(shí)由于標(biāo)記輔助選擇不易受環(huán)境的影響,且沒有性別、年齡的限制,因而允許進(jìn)行早期選種,可縮短世代間隔,提高選擇強(qiáng)度,從而提高選種的效率和準(zhǔn)確性,因此在山羊的遺傳改良中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,我們應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到,分子標(biāo)記技術(shù)只是起輔助作用,輔助選擇離不開常規(guī)育種。憑借分子標(biāo)記輔助選擇手段育成品系或品種的報(bào)道在山羊育種中還相對(duì)較少,通過分子標(biāo)記輔助選擇提高育種效率,大規(guī)模培育優(yōu)良品種的期望仍未實(shí)現(xiàn)。從已有的研究結(jié)果來看,標(biāo)記輔助選擇的真正應(yīng)用尚有很多需要研究解決的問題,未來的成功還需要不斷積累新的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。隨著國際綿羊和山羊基因組計(jì)劃的深入開展和完成,許多影響山羊重要經(jīng)濟(jì)性狀的QTL已經(jīng)或正在被成功定位,人們對(duì)標(biāo)記輔助選擇的研究也將不斷深入,標(biāo)記輔助選擇也將從理論研究逐漸進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段,標(biāo)記輔助選擇也必將在未來的山羊育種改良中發(fā)揮出其應(yīng)有的作用。
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