211240621_合川黑猪保种群遗传结构及选择信号分析

畜牧兽医学报 2023,54(5):1854-1867
A c t a V e t e r i n a r i a e t Z o o t e c h n i c a S i n i c a
d o i :10.11843/j
.i s s n .0366-6964.2023.05.009开放科学(资源服务)
标识码(O S I D )
:合川黑猪保种群遗传结构及选择信号分析
龙 熙,陈 力,吴平先,张廷焕,潘红梅,张 亮,王金勇,郭宗义,柴 捷*
(重庆市畜牧科学院,重庆402460
)摘 要:旨在研究合川黑猪保种群体的遗传多样性㊁亲缘关系㊁近交系数㊁家系结构和选择信号,以期更好地保护和
利用合川黑猪这一遗传资源㊂本研究利用猪50K S N P 芯片,对合川黑猪保种群内所含的58头健康成年种猪进行
S N P 检测;计算群体的有效含量㊁多态信息含量㊁多态标记比例㊁期望杂合度㊁观测杂合度㊁有效等位基因数以及最小等位基因频率,分析保种群体的遗传多样性;利用P l i n k 软件构建状态同源(i d e n t i t y b y s
t a t e ,I B S )矩阵和分析每个样本的连续性纯合片段(r u n s o f h o m o z y g o s i t y
,R OH ),G a m a t r i x (V 2)软件构建基因组关系G 矩阵,分析合川黑猪保种群的亲缘关系;利用M e g a X (V 10.0)软件进行群体聚类分析,研究合川黑猪保种群的家系结构;运用T a j i -m a s D 和i H S 方法分析合川黑猪群体基因组上受选择的信号区域,
挖掘潜在的候选基因㊂结果表明,合川黑猪保种群体的群体有效含量㊁平均多态信息含量㊁多态标记比例㊁平均有效等位基因数㊁最小等位基因频率分别为4.2㊁0.156㊁0.534㊁1.38㊁0.141,说明合川黑猪保种群体的遗传多样性较丰富;群体的平均期望杂合度为0.255,平均观测杂合度为0.271,观测杂合度稍高于期望杂合度,说明该保种群体出现了分化;平均I B S 遗传距离为0.1992ʃ
0.0429,其中公猪的为0.1767ʃ0.0484,I B S 遗传距离和基于G 矩阵的亲缘关系分析结果均表明,部分个体之间呈现较近的亲缘关系;合川黑猪保种群体内共发现2246个R OH 片段,长度在1~10M b 之间的R OH 数量占比
最多,为79.12%,含40~50个R OH 的个体数量占比最多,为48.28%,群体平均近交系数为0.175;现有合川黑猪群体包含7个含公猪的家系和1个不含公猪的家系,各家系个体的数量差异较大;利用T a j
i m a s D 方法检测到显著选择信号区域192个,涉及193个候选基因,i H S 方法检测到显著选择信号区域303个,涉及331个候选基因㊂两种方法同时检测到的候选基因有5个,其中H V C N 1与精子的活力和低温耐受相关,T R A F 3I P 1和P E R 2与机体免疫功能相关㊂综上所述,合川黑猪保种群体遗传多样性较丰富,但部分个体间存在较大的近交风险,各家系中个体数量的差异明显,个别家系内公猪个体数量少,存在血统流失风险㊂此外,在适应性进化过程中,合川黑猪繁殖和免疫性状相关的基因受到了一定程度的选择作用㊂
关键词:合川黑猪;50K S N P 芯片;
遗传多样性;遗传结构;选择信号中图分类号:S 828.2 文献标志码:A 文章编号:0366-6964(2023)05-1854-14
收稿日期:2022-09-15
基金项目:国家重点研发计划项目(2021Y F D 1200303);重庆市自然科学基金面上项目(c s t c 2021j c y j
-m s x m X 0800)作者简介:龙 熙(1990-),女,四川资阳人,助理研究员,硕士,主要从事猪遗传育种与繁殖研究,T e l :023-********,E -m a i l :136********@
163.c o m
*通信作者:柴 捷,主要从事猪遗传育种与繁殖研究,E -m a i l :j
i e c h a i 91@163.c o m E v a l u a t i o n o f t h e G e n e t i c S t r u c t u r e a n d S e l e c t i o n S i g n a t u r e s i n H e c h u a n B l a c k P i g
s C o n s e r v e d P o p
u l a t i o n L O N G X i ,C H E N L i ,WU P i n g x i a n ,Z H A N G T i n g h u a n ,P A N H o n g m e i ,Z HA N G L i a n g
,WA N G J i n y o n g ,G U O Z o n g y
i ,C H A I J i e *
(C h o n g q i n g A c a d e m y o f A n i m a l S c i e n c e s ,C h o n g q i n g 4
02460,C h i n a )A b s t r a c t :I n o r d e r t o b e t t e r p r o t e c t a n d u t i l i z e t h e H e c h u a n b l a c k p i g s ,t h e g e n e i t c d i v e r s i t y
,k i n -s h i p ,i n b r e e d i n g c o e f f i c i e n t ,f a m i l y s t r u c t u r e a n d s e l e c t i o n s i g n a t u r e s o f H e c h u a n b l a c k p i g
s c o n -s e r v e d p o p u l a t i o n w e r e e x p l o r e d i n t h i s s t u d y .T h e 50K S N P c h i p w a s u s e d t o a n a l y
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5期龙熙等:合川黑猪保种群遗传结构及选择信号分析
i n58h e a l t h y a d u l t H e c h u a n b l a c k p i g s c o n s e r v e d p o p u l a t i o n.T h e e f f e c t i v e p o p u l a t i o n s i z e,p o l y-m o r p h i c i n f o r m a t i o n c o n t e n t,p o l y m o r p h i c m a r k e r r a t i o s,e x p e c t e d h e t e r o z y g o s i t y,o b s e r v e d h e t-e r o z y g o s i t y,e f f e c t i v e a l l e l e n u m b e r s a n d m i n o r a l l e l e f r e q u e n c y w a s c a l c u l a t e d t o a n a l y z e t h e g e-n e t i c d i v e r s i t y o f t h e c o n s e r v e d p o p u l a t i o n.T h e i d e n t i t y b y s t a t e(I B S)d i a t a n c e m a t r i x a n d r u n s o f h o m o z y g o s i t y(R O H)f o r e a c h s a m p l e w a s c a l c u l a t e d b y P l i n k s o f t w a r e a n d t h e g e n o m i c r e l a-t i o n s h i p G m a t r i x w a s c a l c u l a t e d b y G a m a t r i x(V2)s o f t w a r e t o a n a l y z e t h e k i n s h i p o f t h e c o n-s e r v e d p o p u l a t i o n.T h e p o p u l a t i o n c l u s t e r a n a l y s i s w a s c a l c u l a t e d b y M e g a X(V10.0)s o f t w a r e t o a n a l y z e t h e f a m i l y s t r u c t u r e o f t h e c o n s e r v e d p o p u l a t i o n.T a j i m a s D a n d i H S m e t h o d s w e r e u s e d t o a n a l y z e t h e s e l e c t e d s i g n a l r e g i o n s o n t h e g e n o m e o f H e c h u a n b l a c k p i g p o p u l a t i o n a n d e x-p l o r e p o t e n t i a l c a n d i d a t e g e n e s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e e f f e c t i v e p o p u l a t i o n s i z e,a v e r a g e p o l y m o r p h i c i n f o r m a t i o n c o n t e n t,p o l y m o r p h i c m a r k e r r a t i o s,a v e r a g e e f f e c t i v e a l l e l e n u m b e r s, m i n o r a l l e l e f r e q u e n c y o f t h e H e c h u a n b l a c k p i g s c o n s e r v e d p o p u l a t i o n w e r e4.2,0.156,0.534,
1.38a n d0.141r e s p e c t i v e l y,w h i c h i n d i c a t e d t h a t t h e g e n e t i c d i v e r s i t y o f H e c h u a n b l a c k p i g s
c o n s e r v e
d p o p u l a t i o n w a s r
e l a t i v e l y a b u n d a n t.T h e a v e r a g e e x p e c t e d h e t e r o z y g o s i t y a n d o b s e r v e d h e t e r o z y g o s i t y w e r e0.255a n d0.271,w h i c h i n d i c a t e d t h a t t h e c o n s e r v e d p o p u l a t i o n h a s b e e n d i f-
f e r e n t i a t e d.T h e a v e r a
g e I B S g e n e t i c d i s t a n c e o f58H e c
h u a n b l a c k p
i g s w a s0.1992ʃ0.0429, a n d t h e a v e r a g e I B S g e n e t i c d i s t a n c e o f26b r e e d i n g b o a r s w a s0.1767ʃ0.0484.T h e r e s u l t s o f I B S g e n e t i c d i s t a n c e a n d G m a t r i x b o t h s u g g e s t e d t h a t s o m e i n d i v i d u a l s h a d c l o s e l y r e l a t t i o n s h i p w i t h e a c h o t h e r.A t o t a l o f2246R O H f r a g m e n t s w e r e f o u n d i n t h e H e c h u a n b l a c k p i g p o p u l a-t i o n.T h e n u m b e r o f R O H f r a g m e n t s w i t h a l e n g t h o f1-10M b a c c o u n t e d f o r t h e m o s t(79.12%), a n d t h e n u m b e r o f i n d i v i d u a l s w i t h40-50R O H a c c o u n t e d f o r t h e m o s t(48.28%).T h e a v e r a g e i n b r e e d i n g c o e f f i c i e n t o f c o n s e r v e d p o p u l a t i o n w a s0.175.T h e H e c h u a n b l a c k p i g s c o n s e r v e d p o p u l a t i o n i n c l u d e s7f a m i l i e s w i t h b o a r s a n d1f a m i l y w i t h o u t b o a r s,a n d t h e n u m b e r o f i n d i v i d u-a l s i n e a c h f a m i l y w e r e s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t.U s i n g T a
j i m a s D a n d i H S m e t h o d s,192a n d303 s i g n i f i c a n t s e l e c t i o n s i g n a l r e g i o n s w e r e d e t e c t e d,w h i c h c o n t a i n e d193a n d331c a n d i d a t e g e n e s, r e s p e c t i v e l y.F i v e c a n d i d a t e g e n e s w e r e d e t e c t e d s i m u l t a n e o u s l y b y T a j i m a s D a n d i H S. HV C N1w a s a s s o c i a t e d w i t h s p e r m m o t i l i t y a n d s p e r m c r y o t o l e r a n c e.T R A F3I P1a n d P E R2 w e r e a s s o c i a t e d w i t h i mm u n e f u n c t i o n.I n g e n e r a l,t h e g e n e t i c d i v e r s i t y o f H e c h u a n b l a c
k p i g s c o n s e r v e d p o p u
l a t i o n w a s r e l a t i v e l y a b u n d a n t.H o w e v e r,t h e r e w a s a g r e a t e r r i s k o f i n b r e e d i n g a
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n g s
o m e i n d i v i d u a l s,a n d t h e n u m b e r o f i n d i v i d u a l s i n e a c h f a m i l y w a s s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t. T h e n u m b e r o f b o a r s i n s o m e f a m i l i e s i s s m a l l,t h u s,t h e r e w a s a r i s k o f a n c e s t r y l o s s i n t h i s f a m i l i e s.I n a d d i t i o n,d u r i n g t h e a d a
p t i v e e v o l u t i o n o f H e c h u a n b l a c k p i g s,t h e r e l a t e d g e n e s o f r e p r o d u c t i o n a n d i mm u n e t r a i t s w e r e s e l e c t e d t o a c e r t a i n e x t e n t.
K e y w o r d s:H e c h u a n b l a c k p i g s;50K S N P c h i p;g e n e t i c d i v e r s i t y;g e n e t i c s t r u c t u r e; s e l e c t i o n s i g n a t u r e s
*C o r r e s p o n d i n g a u t h o r:C H A I J i e,E-m a i l:j i e c h a i91@163.c o m
品种资源是国家的战略性资源㊂要实现自主可控的种源,需要加强种质资源的利用和保护㊂合川黑猪属于湖川山地猪的一个类群,是我国优良地方猪种之一,品种形成历史悠久,具有能适应当地高温㊁高湿自然气候和粗放饲养环境㊁抗病力强等特征,此外,与湖川山地猪的其它类群相比,合川黑猪肌内脂肪含量较高[1],是优良的育种素材㊂从2006年开始,合川黑猪以划定保护区的形式进行保种,主要为农户自养,仅作为经济杂交的母本进行开发利用,受养殖意愿的影响巨大㊂因此,由于市场对生长速度和瘦肉率的追求㊁非洲猪瘟疫情持续存在等原因,合川黑猪群体规模大量
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畜牧兽医学报54卷
减小,近亲繁殖现象愈发严重,遗传多样性遭到严重破坏,各种优质基因不断流失㊂2020年开始,合川黑猪主产区畜牧主管单位开始联合养殖公司着手组建合川黑猪保种场,至今已初步组建好保种群体,但是,该群体当前的遗传多样性现状和群体遗传结构尚不清楚,这不利于后期保种工作的科学开展㊂此外,长期的适应性进化会使得不同猪种表现出不同的典型特征,这在基因组上则表现为连锁不平衡程度㊁优势等位基因频率等结构特征的变化,即常称的选择信号[2]㊂因此,通过对基因组上的选择信号进行分析,有利于揭示造成猪适应性表型的潜在遗传机理,同时也有利于定位优良经济性状相关的重要候选基因,为猪的遗传改良奠定坚实基础[3]㊂
S N P(s i n g l e n u c l e o t i d e p o l y m o r p h i s m)是第三代分子标记,相较于其他分子标记,其易于检测㊁数量多㊁分布广㊁遗传稳定性好,已大量用于群体进化分析㊁全基因组关联分析㊁群体遗传学分析等研究领域[4-5]㊂商业化S N P分型芯片为地方猪群体选择信号㊁遗传结构和遗传多样性的研究提供了很好的工具㊂袁娇等[6]基于S N P芯片评估了通城猪的保种效果,证实通城猪得到了有效保护㊂邓俊等[7]利用 京芯一号 芯片分析了撒坝猪的群体结构,发现需要采取保种措施以确保撒坝猪的遗传多样性㊂莫家远等[8]利用50K芯片分析了广西地方猪的群体结构和选择信号㊂吴林慧等[9]利用P o r c i n e80K S N P 芯片分析了恩施黑猪群体的选择信号与遗传学参数,挖掘了恩施黑猪群体胴体长度(滴水损失)㊁精子形成㊁骨骼肌分化和总产仔数相关的候选基因㊂L i u 等[10]利用50K S N P芯片对凉山猪保种群的遗传结构进行了分析㊂王晨等[11]利用l l u m i n a C A u P o r-i n c e50K S N P芯片分析了139头蓝塘猪的群体遗传结构㊂黄树文等[12]利用G e e n s e e k80K㊁I l l u m i n a 60K芯片分析了广东小耳花猪㊁梅花猪㊁大花白猪㊁粤东黑猪㊁蓝塘猪的遗传距离㊁遗传结构及遗传多样性㊂D i a o等[13]利用S N P芯片分析了广东和广西来自10个品种226头地方猪的遗传多样性㊂L i u 等[14]利用50K芯片分析了太湖流域猪种保种现状及体型和产仔数的候选基因㊂X u等[15]利用80K S N P芯片对姜曲海猪的种群结构㊁系统发育㊁遗传多样性及选择标记进行了分析㊂本试验以合川黑猪保种群为研究对象,利用猪50K S N P芯片对保种群的选择信号㊁近交系数㊁群体遗传多样性㊁亲缘关系
及家系组成进行分析,旨在从分子水平对合川黑猪保种群体的群体结构㊁适应性进化相关优势基因及遗传多样性进行分析,从而为更好地保护合川黑猪这一优秀种质资源提供数据参考㊂
1材料与方法
1.1试验材料
试验用58头(公猪26头,母猪32头)健康成年合川黑猪种猪耳组织样品来自重庆市合川区德康生猪养殖有限公司㊂所有样品采集后立即置于75%乙醇中保存,低温运输至实验室后于-20ħ长期保存㊂D N A提取试剂盒购自天根生化科技(北京)有限公司,T r a n s2000p l u s I I M a r k e r购自T a K a R a 公司;其它试剂均为国产分析纯㊂主要仪器:核酸蛋白浓度测定仪(N a n o D r o p2000,T h e r m o S c i e n t i f i c),雪花制冰机(I M S30,常熟市雪科电器有限公司),离心机(S o r v a l l L e g e n d M i c r o21,T h e r m o S c i e n t i f i c),电泳仪(B G-P o w e r600,北京生物技术有限公司),核酸蛋白成像系统(G e l D o c t m X R+,B i o-R a d)㊂
1.2试验方法
1.2.1 D N A提取和S N P基因分型利用D N A 提取试剂盒提取组织D N A,使用N o n o D r o p2000测定D N A浓度,D N A样本完整性用1%琼脂糖凝胶电泳进行鉴定㊂质检合格后使用北京康普森农业科技有限公司的 中芯一号 芯片进行S N P基因分型㊂
1.2.2基因型数据质量控制基因型数据的质量控制通过P l i n k(V1.90)软件完成,按照以下质控标准筛选去除不合格的S N P位点和样本:只使用常染色体上的位点,S N P检出率ȡ90%,个体检出率ȡ90%,最小等位基因频率<0.01,哈迪温伯格Pȡ
0.000001㊂
1.2.3合川黑猪保种群体的遗传多样性分析
从群体有效含量㊁多态信息含量㊁多态标记比例㊁期望杂合度㊁观测杂合度㊁有效等位基因数以及最小等位基因频率方面分析合川黑猪保种群体的遗传多样性㊂有效群体含量为与实际群体具有相同的基因频率方差或相同近交系数增量(杂合度衰减率)的理想群体含量[16],一般根据群体的连锁不平衡水平估算得来㊂多态性标记比例是指目标群体中表现为多态的位点占总位点的比例㊂群体的多态信息含量及多态标记比例的计算参照W a n g等[17]的方法㊂期望杂合度指的是群体中任一个体的任一位点杂合的概
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5期龙 熙等:合川黑猪保种群遗传结构及选择信号分析
率㊂观测杂合度指的是群体中某一位点是杂合子的
个体数占群体总数的百分比[
14
]㊂若期望杂合度比观测杂合度高,说明群体发生了近交或者选择;若期望杂合度低于观测杂合度,则说明群体可能引入了外血㊂利用P l i n k (V 1.90)
软件计算合川黑猪保种群体的期望杂合度和观测杂合度,计算方法参照孙
浩等[16]的研究㊂
1.2.4 合川黑猪保种群体近交系数分析 R O H 是个体内纯合基因型的连续片段,个体中R O H 的总长越长,近交系数就越高㊂本研究利用P l i n k (V 1.90)软件计算每个合川黑猪样本的R O H ,
统计每个样本R O H 的数目㊁长度和分布,计算每个个体中R O H 片段总长度占常染色体基因组总长度的比值,即基于R OH 的近交系数㊂R O H 的运行参数如
下:--h o m o z y g -w i n d o w -s n p 50;--h o m o z y g -w i n d o w -t h r e s h o l d 0.05;--h o m o z y g
-w i n d o w -h e t 1;--h o m o z y g -w i n d o w -m i s s i n g 1;--h o m o z y g
-s n p 30;--h o m o z y g -k b 1000;--h o m o z y g
-d e n -s i t y 1000;--h o m o z y g -g a p 1
000㊂1.2.5 合川黑猪保种群体亲缘关系及家系结构分
析 利用P l i n k (V 1.90)软件构建状态同源(i d e n -
t i t y b y s
t a t e ,I B S )矩阵,G a m a t r i x (V 2)软件构建基因组关系G 矩阵,分析保种群体的亲缘关系;利用
M e g a X (V 10.0)软件中的邻接法(N e i g
h b o r -J o i n -i n g
,N J )进行群体聚类分析,分析合川黑猪保种群的群体结构,统计不同家系的公㊁母猪数量㊂
1.2.6 合川黑猪保种群体选择信号分析 利用
T a j i m a s D 和i H S 方法进行群体内的选择信号分析㊂T a j
i m a s D 具体方法如下:采用无重叠窗口
法,每个窗口40k b ,进行选择信号分析,T a j i m a s D 值排在前1%判定为选择位点㊂i H S 具体方法如下:利用r e h h 软件进行选择信号分析,i H S 极值排
在前1%的判定为选择位点[8,14]
㊂随后,依据受选
择位点对应的基因组位置信息,在E n s e m b l 数据库
中进行比对,获得合川黑猪受选择区域包含的基因㊂
2 结 果
2.1 基因组D N A 质量检测
按照D N A 提取试剂盒操作说明提取基因组D N A ㊂利用N a n o d o r p 2000检测所有D N A 样本的浓度和O D 值后,
通过1%琼脂糖凝胶电泳评估D N A 的质量㊂结果表明,合川黑猪基因组D N A 样
本亮度均一,条带清晰,无拖带,基因组D N A 样品质量良好,可用于后续的芯片检测(图1
)㊂图1 合川黑猪基因组D N A 琼脂糖凝胶电泳图
F i g .1 T h e a g a r o s e g e l e l e c t r o p h o r e s i s o f g
e n o m i c D N A o
f H e -c h u a n b l a c k p i g
s 2.2 S N P 分型及质控利用 中芯一号 基因芯片对合川黑猪基因组
D N A 样本进行基因分型,P l i n k (V 1.90)
软件对基因型数据进行质量控制,结果如表1所示;质控合格
的S N P s 数量在各条染色体上的分布如图2所示㊂其中,1号染色体上的S N P s 数目最多,为4429个,12
号染色体上的S N P s 数目最少,为1001个(
图2)㊂表1 S N P 质量控制统计
T a b l e 1 S N P q u a l i t y c
o n t r o l s t a t i s t i c s 质量控制标准
Q u a l i t y c
o n t r o l s t a n d a r d S N P s 标记数目
N u m b e r o f S N P s
标记总数T o t a l n u m b e r o f S N P s
57466
最小等位基因频率<0.01的标记S N P s w i t h MA F <0.0112622
哈代-温伯格平衡检验P <0.000001的标记
S N P s w i t h P <0.000001o f H a r d y -W e i n b e r g e q u i l i b r i u m 35
S N P 检出率<0.90S N P s w i t h c a l l r a t e <0.90856
X 染色体上的标记S N P s o n c h r o m o s o m e X
4252
Y 染色体上的标记S N P s o n c h r o m o s o m e Y
2310
插入/缺失I n s e r t i o n /D e l e t i o n
6
通过质量控制的S N P s 数S N P s n u m b e r a f t e r q u a l i t y c o n t r o l 37385
7
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畜 牧 兽 医 学 报54卷
图2 质控前后的S N P s 位点在各染色体上的分布情况F i g .2 D i s t r i b u t i o n o f S N P s o n e a c h c h r o m o s o m e b e f o r e a n d a f t e r q u a l i t y c
o n t r o l 2.3 合川黑猪保种群体的遗传多样性分析
利用P l i n k (V 1.90)软件分析合川黑猪保种群体的群体有效含量㊁多态信息含量㊁多态标记比例㊁
期望杂合度㊁观测杂合度㊁有效等位基因数以及最小等位基因频率㊂结果如表2所示㊂群体的平均观测杂合度稍高于期望杂合度,说明该保种群体出现了分化㊂S N P s 位点的多态信息含量范围为0.017~
0.375,
具体分布见图3㊂最小等位基因频率为0~0.1的占比最大,为57.26%,其余分布较为均匀(图4
)㊂表2 合川黑猪保种群体遗传多样性相关参数
T a b l e 2 G e n e t i c d i v e r s i t y p a r a m e t e r s o f H e c h u a n b l a c k p i g
s c o n s e r v e d p o p
u l a t i o n 遗传多样性参数
G e n e t i c d i v e r s i t y p a r a m e t e r 参数P a r a m e t e r 群体有效含量E f f e c t i v e p o p
u l a t i o n s i z e 4.2
多态信息含量P o l y m o r p h i c i n f o r m a t i o n c o n t e n t 0.156多态标记比例P o l y m o r p h i c m a r k e r r a t i o 0.534期望杂合度E x p e c t e d h e t e r o z y g o s i t y
0.255观测杂合度O b s e r v e d h e t e r o z y g o s i t y
0.271有效等位基因数N u m b e r s o f e f f e c t i v e a l l e l e s
1.38最小等位基因频率M i n o r a l l e l e f r e q u e n c y
0.1412.4 合川黑猪保种群体的亲缘关系分析
为了研究合川黑猪保种群的亲缘关系,首先利
用P l i n k (V 1.90)软件计算个体间的I B S 遗传距离㊂结果显示,合川黑猪保种群个体的I B S 距离值在
0.0868~0.2960之间,平均I B S 遗传距离为0.1992ʃ0.0429㊂26头种公猪之间的I B S 遗传距离值在
0.0868~0.2817之间,平均值为0.1767ʃ0.0484㊂群体I B S 遗传距离矩阵结果如图5所示,
大部分个体间的I B S 遗传距离较远,
呈现中等程度的亲缘关系;部分个体间的I B S 遗传距离较近,
呈现较近的亲缘关系,说明这些个体之间存在较大的近交风险㊂随后,利用G a m a t r i x (V 2)
软件构建基因组关系G 矩阵来进一步分析个体间的亲缘关系㊂由图6可知,基于G 矩阵的亲缘关系结果与基于I B S 遗传距离矩阵的结果一致
㊂
图3 多态信息含量分布
F i g .3 D i s t r i b u t i o n o f p o l y m o r p
h i c i n f o r m a t i o n c o n t e n
t 图4 最小等位基因频率分布
F i g .4 D i s t r i b u t i o n o f m i n o r a l l e l e f r e q u e n c y
8
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合川黑猪保种群遗传结构及选择信号分析
每个小方格表示第一个到最后一个样本之间的遗传距离值,此值越大越接近紫色,说明两个个体间的遗传距离越大,反之
亦然
E a c h s m a l l s q u a r e r e p r e s e n t s t h e g e n e t i c d i s t a n c e v a l u e b e t w e e n t w o p a i r s f r o m t h e f i r s t s a m p l e t o t h e l a s t o n e ,t h e l a r g
e r t h e v a l u e ,t h e c l o s e r i t i s t o p u r p l e ,t h a t i s ,t h e l a r g
e r t h e g e n e t i c d i s t a n c e b e t w e e n t w o i n d i v i d u a l s ,v i c e v e r s a 图5 基于I B S 遗传距离矩阵的亲缘关系分析可视化结果F i g .5 V i s u a l i z a t i o n r e s u l t s o
f
g e n e t i c r e l a t i o n s
h
i p a n a l y
s i s b a s e d o n I B S d i s t a n c e m a t r i x 2.5 合川黑猪基于R O H 的近交系数分析
利用P l i n k (V 1.90)软件对质控后剩余的S N P s 位点进行R O H 个数和长度分析发现,
在所检测的58头合川黑猪中共发现2246个R O H 片段,
长度在1~10M b 之间的R OH 数量占比最多,
为79.12%(图7),其中,最短的R O H 长度为1.32M b
,含有51个S N P s 位点,位于13号染色体上,最长的R OH 长度为230.96M b ,含有4633个S N P s 位点,位于1号染色体上㊂除1号染色体外,R O H 在
染色体上分布整体较均匀(图8),其中,1号染色体上的R O H 数量最多,有387个,18号染色体上的R OH 数量最少,有31个㊂个体的R O H 片段个数
在12~56之间,平均个数为(38.72ʃ11.48
),其中,含40~50个R O H 的个体数量占比最多,为
48.28%,含10~20个R OH 的个体数量占比最少,为8.62%(图9);个体R O H 总长度在36.38~
1190.33M b 之间,平均R O H 长度为(416.33ʃ
305.81)M b ,其中,R OH 长度在0~200M b 的个体
数量占比最多,为36.21%(图10)㊂基于R O H 的
近交系数分析结果表明,当前保种群个体近交系数范围为0.0152~0.4976之间,
平均近交系数为0.175,
近交系数分布比例见表3,表明合川黑猪保种群内已经出现近交累积现象㊂
9
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每个小方格代表两两样本间的基因组亲缘关系值,方格颜色越接近紫色表示该值越大,说明两个个体亲缘关系越近
E a c h s m a l l s q u a r e r e p r e s e n t s t h e v a l u e o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t w o p a i r s f r o m t h e f i r s t s a m p l e t o t h e l a s t o n e ,t h e l a r g
e r t h e v a l u e ,t h e c l o s e r i t i s t o p u r p l e ,t h a t i s ,t h e c l o s e r r e l a t i o n s h i p b
e t w e e n t w o i n d i v i d u a l s 图6 基于G 矩阵的亲缘关系分析可视化结果图F i g .6 V i s u a l i z a t i o n r e s u l t s o
f
g e n e t i c r e l a t i o n s
h
i p a n a l y
s i s b a s e d o n G m a t r i x 表3 合川黑猪保种群近交系数分布比例
T a b l e 3 D i s t r i b u t i o n r a t i o o f i n b r e e d i n g c
o e f f i c i e n t i n H e -c h u a n b l a c k p i g s p o p
u l a t i o n 近交系数
I n b r e e d i n g c
o e f f i c i e n t 百分比/%
P e r c e n t a g e ȡ0.5
0.25~0.5
29.310.125~0.2525.86
0.0625~0.12513.79
ɤ0.0625
31.03
2.6 合川黑猪群体的家系结构构建
鉴于公猪对于整个保种群体的重要性,本研究
首先以公猪相互间分子亲缘关系系数大于等于0.1为标准,利用M e g
a X (V 10.0)软件中的邻接法(N e i g h
b o r -J o i n i n g
,N J )对公猪群体进行聚类分析㊂结果如图11所示,现有公猪大致可以分为7个家系㊂随后,依据各母猪个体与不同家系公猪亲缘关系的远近程度,将母猪划分进了已构建的7个公猪
家系中,结果发现,合川黑猪保种群除了拥有7个包
含公猪的家系以外,还拥有1个不包含公猪血缘的家系(表4)㊂此外,部分家系中的母猪存在交叉现象,同时被划入了多个不同的家系中,如母猪17同时被划分到了A ㊁B ㊁C ㊁D ㊁F ㊁G 家系中㊂
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5期龙 熙等:
合川黑猪保种群遗传结构及选择信号分析
图7 合川黑猪群体R O H 的长度分布
F i g .7 D i s t r i b u t i o n o f R O H l e n g t h i n H e c h u a n b l a c k p i g s p o p
u l a t i o
n 图8 合川黑猪群体中R O H 在染色体上的数量分布情况F i g .8 D i s t r i b u t i o n o f R O H q u a n t i t y o n e a c h c h r o m o s o m e i n H e c h u a n b l a c k p i g s p o p
u l a t i o
n 图9 合川黑猪个体R O H 片段个数的样本数分布F i g .9 S a m p l e s n u m b e r d i s t r i b u t i o n o f R O H f r a g
m e n t s i n H e -c h u a n b l a c k p i g
s 图10 合川黑猪个体R O H 长度的样本数分布
F i g .10 S a m p l e s n u m b e r d i s t r i b u t i o n o f R O H l e n g
t h i n H e -c h u a n b l a c k p i g
s 1
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图11 合川黑猪保种群公猪聚类分析F i g .11 C l u s t e r i n g a n a l y s i s o f b o a r s i n H e c h u a n b l a c k p i g s c o n s e r v e d p o p
u l a t i o n 表4 合川黑猪保种群家系构建结果
T a b l e 4 F a m i l y c o n s t r u c t i o n r e s u l t s o f H e c h u a n b l a c k p i g s p o p
u l a t i o n 家系名称F a m i l y n a m e 性别S e x 数量N u m b e r 个体编号
I D
家系A
公M a l e
8
25㊁43㊁39㊁47㊁34㊁41㊁30㊁46
F a m i l y A
母F e m a l e 1317㊁57㊁19㊁11㊁9㊁16㊁10㊁51㊁4㊁53㊁54㊁60㊁1
家系B
公M a l e
127
F a m i l y B
母F e m a l e
817㊁57㊁19㊁4㊁11㊁60㊁51㊁1㊁53家系C
公M a l e
731㊁35㊁44㊁26㊁5㊁38㊁28F a m i l y C
母F e m a l e
919㊁57㊁4㊁17㊁11㊁60㊁51㊁1㊁53
家系D 公M a l e
340㊁48㊁32F a m i l y D
母F e m a l e
1017㊁57㊁19㊁4㊁11㊁53㊁54㊁60㊁51㊁1家系E
公M a l e
437㊁36㊁45㊁42
F a m i l y E 母F e m a l e
820㊁18㊁22㊁15㊁14㊁12㊁8㊁2家系F
公M a l e
224㊁29
F a m i l y F
母F e m a l e
1849㊁19㊁57㊁21㊁11㊁22㊁2㊁9㊁23㊁12㊁17㊁16㊁10㊁51㊁4㊁53㊁54㊁18
家系G 公M a l e
133
F a m i l y G
母F e m a l e
1517㊁57㊁19㊁21㊁11㊁22㊁2㊁9㊁23㊁12㊁4㊁53㊁54㊁10㊁6
其它
公M a l e
0O t h e r 母F e m a l e
77㊁50㊁55㊁58㊁59㊁13㊁3
2.7 合川黑猪群体选择信号分析
利用T a j
i m a s D 方法分析合川黑猪群体的基因组选择信号,结果发现,合川黑猪基因组上存在
192个选择信号区域(图12A ),13号染色体上分布
最多,达到25个,17号染色体上无分布(图13A )㊂基于i H S 方法共发现303个显著选择信号区域(
图2
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5期龙熙等:合川黑猪保种群遗传结构及选择信号分析
12B),1号染色体上分布最多,达到35个,18号染色体上最少,为3个(图13B)㊂基于正向选择信号区域在基因组上的位置,在E n s e m b l数据库中进行比对,发现基于T a j i m a s D方法检测到的选择区域共包含193个候选基因,其中在猪上已经注释的基因118个,未注释的基因75个㊂基于i H S方法检测到的选择区域共包括331个候选基因,在猪上已经注释的有200个,未注释的有131个㊂两种方法同时检测到的候选基因有5个(图14),即T C T N1㊁HV C N1㊁T R A F3I P1㊁P E R2㊁U6㊂其中HV C N1与精子活力[18]和低温耐受[19]相关,T R A F3I P1和P E R2与机体免疫功能[20-21]相关㊂据此可以推断,合川黑猪在适应性进化过程中,繁殖和免疫性状相关基因受到了一定程度的选择㊂
图12合川黑猪选择信号曼哈顿图
F i g.12M a n h a t t a n m a p o f s e l e c t i o n s i g n a t u r e s f o r H e c h u a n b l a c k p i g s
3讨论
当前,利用商业化S N P芯片从全基因组水平上评估群体的遗传多样性和保种效果已成为主流方法㊂本研究利用商业化的猪50K S N P芯片分析了重庆合川黑猪保种群体的近交系数㊁亲缘关系㊁遗传多样性㊁选择信号和家系结构,为合川黑猪的科学利用和保种提供了数据支撑㊂
群体有效含量㊁多态信息含量㊁多态标记比例㊁期望杂合度㊁观测杂合度㊁有效等位基因数以及最小等位基因频率是评价群体遗传多样性的主要参数㊂群体有效含量越小意味着该群体的遗传变异越小,越不利于后期的遗传进展㊂本研究发现,合川黑猪保种群的群体有效含量为4.2头,较目前报道的梅山猪(50~65头)[16]㊁恩施黑猪(28头)[14]㊁青裕猪(12头)[22]㊁凉山猪(15头)[10]㊁陆川猪(34.93头)[12]等中国地方猪低很多,且极显著低于长白(207.5头)㊁大白(214.4头)等商品猪的群体有效含量[22-23]㊂多态信息含量与群体中等位基因的数目和频率有关,用来表示群体中某一位点多态性的程度,以评估群体的遗传多样性[24]㊂2010年,白小青等[25]报道的合川黑猪保种群体的平均多态信息含量为0.8859,而本研究发现合川黑猪保种群体的平均多态信息含量为0.156,下降非常明显,表明虽然划定了合川黑猪保护区,但近10年来的保种成果收效甚微,合川黑猪保种群的遗传多样性正在快速丢
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图13 合川黑猪群体中选择信号区域在染色体上的数量分布情况F i g .13 T h e n u m b e r d i s t r i b u t i o n o f s e l e c t i o n s i g n a t u r e r e g i o n s o n e a c h c h r o m o s o m e i n H e c h u a n b l a c k p i g s p o p
u l a t i o
n 图14 基于T a j
i m a s D 和i H S 方法的受选择基因维恩图F i g .14 V e n n m a p o f s e l e c t e d g e n e s b a s e d o n T a j
i m a s D a n d i H S m e t h o d s
失,亟需强化保种措施㊂多态标记比例越高,群体能提供的遗传信息越丰富㊂本研究中,合川黑猪保种群的多态标记比例为0.534,与2010年白小青等
[25]
报道0.89相比,降低明显㊂但与当前已报道的其它中国地方猪种,如大花白猪(0.658)[9]
㊁
青裕猪(0.6424
)[22]
相比差别不大㊂本研究发现,合川黑猪保种群的观察杂合度稍高于期望杂合度,说明该保种群体可能出现了分化或者引入了部分外来血缘,需进一步提纯㊂
当前,我国大多地方猪保种场采取的闭群繁育保种措施,人工选择㊁杂交方式等会极大的影响群体遗传多样性和遗传结构㊂因此,对于保种群体的可持续发展来讲,保种群体的遗传多样性㊁亲缘关系和遗传结构的理清很重要㊂本研究基于基因组关系G 矩阵和I B S 遗传距离矩阵的亲缘关系分析发现,部分合川黑猪之间的亲缘关系较近,说明这些个体之间存在较大的近交风险㊂在之后的实际生产中,要
尽量减少亲缘关系系数较高的个体间进行配种㊂此外,合川黑猪保种群个体平均I B S 遗传距离低于王
晨等[11]
报道的蓝塘猪(0.3326ʃ0.0339)
㊁刘彬等[22]
报道的青裕猪(0.2604ʃ0.0252)
及蔡春波等[24]
报道的马身猪保种群体(0.2842ʃ0.0645)
,表明当前的合川黑猪保种群体内个体之间的亲缘关
系较其它中国地方猪品种更近㊂刘彬等[22]
和蔡春波等[24]研究认为,在实际育种中,种公猪I B S 遗传
距离会略高于整个保种群体的平均遗传距离㊂但本研究发现,合川黑猪种公猪的I B S 遗传距离略低于群体的平均I B S 遗传距离,表明各种公猪间的亲缘关系相对较近,因此在后期的选种选配中应控制好亲缘关系系数㊂
4
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5期龙熙等:合川黑猪保种群遗传结构及选择信号分析
本研究基于R O H的近交系数分析发现,合川黑猪保种群的平均近交系数为0.175,高于已报到的青裕猪(0.055)[22]保种群和恩施黑猪(0.069)[14]等群体,低于已报道的马身猪(0.237)[24]群体㊂当前合川黑猪保种群中仅有31.03%的个体近交系数ɤ0.0625,表明合川黑猪保种群个体间的亲缘关系普遍较近,容易引起近交衰退,在后续的保种过程中,应高度重视近交系数增长过快的问题,适当引入外血,科学选种选配㊂此外,现有群体内各家系间公猪个体数量差异较大,部分家系中的母猪存在交叉现象,家系结构不平衡㊂因此,在后续的保种工作中,可结合每个家系的具体情况,在保护区内筛选目的猪只,将其引入保种场内进行配种,以平衡家系结构㊂
本研究发现,两种选择信号分析方法检测到的重叠基因较少,主要原因可能是两种方法对不同类型的选择信号具有不同的检测灵敏度㊂T a j i m a s D 方法主要对一些人工选择信号特别敏感,而i H S方法主要对正向选择信号以及近期发生的信号选择敏感[3]㊂从内在机制来看,性状受选择在基因组上往往体现为功能基因受到选择㊂在合川黑猪中,受到选择的代表性基因有HV C N1㊁T R A F3I P1和P E R2㊂HV C N1基因是电压门控氢离子通道1基因,研究发现阻断HV C N1基因会导致精子活力㊁精子运动改变,线粒体膜电位降低,同时还可能导致精子头部膜脂质的紊乱以及精子头部C a2+浓度的降低,因此,HV C N1基因在调节精子运动和运动学以及C a2+进入精子头部中起着至关重要的作用[18]㊂此外,D e l g a d o-B e r múd e z等[19]研究证实,在哺乳动物精子冷冻保存过程中,阻断H V C N1通道会降低精子的耐受性,揭示了HV C N1基因在精子冷冻保存中的重要作用㊂T R A F3I P1基因编码T R A F3(T N F受体相关因子3)互作蛋白1,研究发现其在脂肪细胞的免疫代谢功能中发挥着重要作用[20],此外,对哺乳动物的纤毛形成㊁胚胎发育以及细胞形态大小也具有重要作用[26]㊂P E R2基因编码昼夜调节因子2,除了具有调节昼夜节律的功能外[27-28],还可以调控脾脏的免疫功能[29]㊁乳腺发育[30]㊁成肌细胞分化和肌肉再生[31]以及雄性小鼠的生育能力[32]㊂这些候选基因的发现对合川黑猪繁殖和免疫等经济性能的遗传改良具有指导意义㊂4结论
本研究基于猪S N P芯片分析了合川黑猪保种群的遗传多样性㊁亲缘关系㊁近交系数㊁家系结构和选择信号,发现合川黑猪保种群体的遗传多样性较丰富,但部分个体间存在较大的近交风险,各家系内个体数量差异明显,个别家系内公猪个体数量极少,存在血统流失风险㊂此外,在适应性进化过程中,合川黑猪繁殖和免疫性状相关基因受到了一定程度的选择作用㊂
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