太湖鵝4個群體保種效果的遺傳評價

劉宏祥，王 健，宋衛(wèi)濤，朱春紅，陶志云，徐文娟，章雙杰，李慧芳

(1.江蘇省家禽科學(xué)研究所，江蘇 揚(yáng)州 225125； 2.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

畜禽遺傳資源是畜牧生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是滿足未來不可預(yù)見需求的種質(zhì)資源基因庫[1]。我國畜禽遺傳資源是世界上最豐富的[2]，大部分地方品種與國外的一些專用品種(品系)相比，具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐粗飼、抗病力強(qiáng)、繁殖力高以及肉質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)[3]。但隨著外來品種以及品種改良的沖擊，一些地方品種逐步處于瀕危狀態(tài)[4]。太湖鵝是江浙地區(qū)比較重要的地方鵝種，以體型小、產(chǎn)蛋多而聞名，并被列入國家級保護(hù)名錄[5]。由于受到外來品種的沖擊，以及近親交配導(dǎo)致的品種衰退，太湖鵝數(shù)量持續(xù)下降，目前主要保存在多個原種場以及國家級水禽基因庫(江蘇)(以下簡稱基因庫)中[6]。

筆者所在課題組前期對不同世代的太湖鵝江蘇原種場和基因庫中的太湖鵝遺傳結(jié)構(gòu)及保種效果進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)2個太湖鵝群體的近交系數(shù)均有所上升[7]。其后江蘇原種場與基因庫改進(jìn)了保種方法，實(shí)行嚴(yán)格的家系等量隨機(jī)選配法。鑒于此，利用簡化基因組測序技術(shù)對太湖鵝種群江蘇原始群體(TS)、2個世代后江蘇原種場全體(TC)、國家級水禽基因庫(江蘇)群體(TK)以及浙江原種場群體(TZ)進(jìn)行系統(tǒng)比較分析，以期全面了解江蘇省太湖鵝群體改進(jìn)后的保種效果以及浙江省的保種情況，為江浙地區(qū)太湖鵝保種策略的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 供試動物

采集TS群體(江蘇省家禽科學(xué)研究所保存)、TC群體、TK群體以及TZ群體血樣各10個。TS群體血樣為2007年在江蘇原種場所采血樣，TC群體、TK群體和TZ群體血樣分別于2019年采集。2007年國家級水禽基因庫(江蘇)從太湖鵝江蘇原種場引進(jìn)保種，因此，TS群體可視為TC群體、TK群體的祖先群體。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 ddRAD簡化基因組測序 常規(guī)酚-氯仿法提取基因組DNA，利用ddRAD建庫方式[8]構(gòu)建長度在300～500 bp的pair-end文庫，進(jìn)行簡化基因組測序。

1.2.2 參考基因組比對與單核苷酸多態(tài)性(SNP)檢測 使用BWA軟件[9]對短序列reads與鵝參考基因組(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/GCA_002166845.1/)比對得到Clean reads，使用Samtools軟件[10]對Clean reads進(jìn)行去重復(fù)，GATK軟件[11]進(jìn)行局部重比對、堿基質(zhì)量校正等預(yù)處理。堿基質(zhì)控條件包括Q20(正確率99%的堿基數(shù)目比例)>95%，ddRAD depth(雙酶切基因測序的覆蓋深度)>60%，SNP call rate(在所有群體中單核苷酸多態(tài)性檢出率)>70%[7]。最后使用GATK軟件進(jìn)行SNP檢測。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用PopGen32軟件[12]計算平均雜合度、近交系數(shù)(FIS)、群體分化指數(shù)(Fst)和核苷酸多樣性(θπ)，使用Admixture軟件[13]進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析；使用GCTA軟件(https://cnsgenomics.com/software/gcta/#Overview)進(jìn)行主成分分析(Principal component analysis,PCA)，得到樣品的主成分聚類情況；利用Treemix軟件推斷多個群體分化和基因交流情況；使用PLINK軟件[14]進(jìn)行選擇信號分析，其中以100 kb為窗口、10 kb為步長計算基因組上不同區(qū)域的Fst和θπ值。

2 結(jié)果與分析

2.1 太湖鵝4個群體基因組SNP鑒定

經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)控，在4個太湖鵝群體中平均鑒定出SNP數(shù)目為181 876個，其中NW_013185654.1和NW_013185655.1染色體上鑒定到的SNP數(shù)量最多，分別為13 139個和12 966個。SNP位點(diǎn)在染色體上的數(shù)量及密度分布分別見圖1和圖2。

2.2 群體內(nèi)遺傳多樣性分析

根據(jù)變異位點(diǎn)對群體遺傳學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析(表1)。由表1可知，TS群體、TC群體、TK群體和TZ群體雜合度分別為0.249 5、0.225 5、0.218 2和0.211 0。TC群體、TK群體和TZ群體雜合度明顯低于TS群體，核酸多樣性也低于TS群體。與TS群體相比，TC群體和TK群體的FIS明顯上升。TZ群體的雜合度最低，且近交系數(shù)明顯高于TC群體和TK群體。

表1 太湖鵝4個群體遺傳多樣性參數(shù)統(tǒng)計Tab.1 Statistics of genetic diversity parameters of four Taihu goose populations

2.3 群體間遺傳分化分析

通過滑窗分析，計算不同組合Fst平均值(表2)。群體間Fst值越高，說明群體間序列的差異越大。TZ群體與TS、TC和TK群體的Fst值分別為0.051 5、0.049 8和0.048 6，明顯高于其他3個群體間的Fst值。TS和TC群體間的Fst值最小，為0.032 5。

表2 太湖鵝不同群體間Fst比較Tab.2 Comparison of Fst between different populations in Taihu goose

2.4 群體間遺傳結(jié)構(gòu)分析

群體遺傳結(jié)構(gòu)指遺傳變異在物種或群體中的一種非隨機(jī)分布[15]。按照地理分布或親緣關(guān)系可將一個群體分為若干亞群，處于同一亞群內(nèi)的不同個體親緣關(guān)系較近，而亞群與亞群之間則親緣關(guān)系稍遠(yuǎn)。群體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，k=2時，4個群體可以明顯分為2類，TS群體、TK群體和TC群體之間享有較多的血統(tǒng)，TZ群體單獨(dú)分為一類，但與TC群體享有少量血統(tǒng)(圖3)。

2.5 群體PCA分析

對4個群體進(jìn)行PCA分析，并利用前3個主成分對群體進(jìn)行分層(圖4)。PCA分析結(jié)果表明，TZ群體單獨(dú)聚在一起，而TS群體、TC群體和TK群體聚為一類，這與群體遺傳結(jié)構(gòu)分析結(jié)果一致。

2.6 基因流分析

在群體遺傳學(xué)上，基因流(Gene flow，也稱基因遷移)是指從一個物種的一個種群向另一個種群引入新的遺傳物質(zhì)，從而改變?nèi)后w基因庫的組成。通過基因交流向群體中引入新的等位基因，是一個非常重要的遺傳變異來源，影響群體遺傳多樣性，產(chǎn)生新的性狀組合。基因流分析結(jié)果表明，TK群體與TC群體有少量的遷移，即發(fā)生基因交流情況(圖5)。

2.7 選擇信號分析

選擇群體間分化較大的TS群體和TZ群體進(jìn)行選擇信號分析。結(jié)合θπ比率和Fst值，選擇前5%的區(qū)域(圖6)，篩選到了161個區(qū)域，與這些區(qū)域重疊(包括部分重疊和完全重疊)的基因中注釋到了343個基因。

GO富集分析結(jié)果表明，與TS群體相比，TZ群體生物學(xué)過程(Biological process)中富集到的受選擇基因主要集中在代謝過程(Metabolic process)、細(xì)胞進(jìn)程(Cellular process)以及生物學(xué)調(diào)控(Biological regulation)3個條目(圖7)。

KEGG富集分析結(jié)果(圖8)表明，與TS群體相比，TZ群體受選擇基因主要集中在脂肪酸代謝相關(guān)的5個通路中，包括亞油酸代謝通路、甘油磷脂代謝通路、不飽和脂肪酸生物合成通路、花生四烯酸代謝通路、α亞麻酸代謝通路。

3 結(jié)論與討論

種群遺傳多樣性的研究是保護(hù)生物學(xué)研究的主要內(nèi)容之一[16]。制定科學(xué)合理的保護(hù)策略需要建立在對物種遺傳多樣性成分了解的基礎(chǔ)上，而基于DNA序列變異的分析策略則成為研究物種遺傳多樣性的主流方法，也是衡量遺傳結(jié)構(gòu)和監(jiān)測保種效果的主要手段。

前期筆者所在課題組對TS群體、TC群體、TK群體進(jìn)行了簡化基因組測序[7]，分析了TC群體、TK群體的保種效果。為全面了解太湖鵝品種在江蘇省保種效果動態(tài)變化過程以及與浙江省的保種情況比較，本試驗(yàn)利用簡化基因組測序?qū)S群體、TC群體、TK群體以及TZ群體進(jìn)行了系統(tǒng)比較分析。前期研究發(fā)現(xiàn)，TC群體和TK群體的近交系數(shù)分別為0.140 9和0.131 5[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，2個世代后的TC群體和TK群體的近交系數(shù)分別降低到0.087 5和0.075 3。由于前期2個群體都進(jìn)行了嚴(yán)格的家系等量隨機(jī)選配，近交系數(shù)的降低說明該方法在小群保種中具有一定的效果。該方法在張學(xué)余等[17]對狼山雞的保種中得到了證實(shí)，其采用家系等量隨機(jī)選配法使得近交系數(shù)下降了65%。另外，2018年TC群體適當(dāng)引入了TK群體的血統(tǒng)，這可能也是TC群體近交系數(shù)變小的一個因素，該遷移事件的發(fā)生在基因流分析中也得到了體現(xiàn)。TZ群體近交系數(shù)較高，達(dá)到了0.11，說明與江蘇省太湖鵝群體相比，浙江原種場群體需要適當(dāng)增加保種群數(shù)量，以及引入其他地區(qū)太湖鵝血統(tǒng)，條件允許下可以使用家系等量隨機(jī)選配法，避免近交系數(shù)持續(xù)上升。

群體結(jié)構(gòu)分析、PCA分析均表明，江蘇省3個太湖鵝群體(TS、TC、TK)聚為一類，而TZ群體單獨(dú)聚為一類；群體間遺傳分化分析表明，TZ群體與TS、TC和TK群體分化系數(shù)均達(dá)到0.05左右，屬于中度分化[18]。這些結(jié)果說明，由于地理位置的差異，浙江原種場太湖鵝群體與江蘇省太湖鵝群體差別較大。

對群體間分化程度最高的TZ和TS 2個群體進(jìn)行基于Fst和θπ比率的選擇信號分析，并對受選區(qū)域關(guān)聯(lián)的基因進(jìn)行GO和KEGG功能富集分析，發(fā)現(xiàn)與脂肪酸代謝相關(guān)的通路得到了富集。該通路在課題組前期TC群體與TS群體比較中也得到了富集[7]，說明在不同地區(qū)保種過程中這些通路的基因受到選擇是普遍且不可避免的。在保種過程中群體大小是有限的，即使沒有受到突變、選擇和遷移的影響，隨機(jī)漂變等因素也會使得群體的某些基因頻率發(fā)生變化[19]，最終某些基因受到選擇。本研究及前期研究均發(fā)現(xiàn)，脂肪酸代謝相關(guān)的基因得到選擇，這可能更多與保種環(huán)境的飼養(yǎng)條件、營養(yǎng)水平和疾病控制等因素的變化有關(guān)[20]。

綜上，江蘇省太湖鵝群體保種效果較好，家系等量隨機(jī)選配法以及適當(dāng)血緣交換可以避免近交系數(shù)上升。