雞經(jīng)濟(jì)性狀遺傳標(biāo)記挖掘與基因組選擇研究進(jìn)展

李瑞婷，李東華，牛玉芳，陳冰潔，王燕星，劉 陽，何利洋，姬海港，王文韜，劉樹立，康相濤，李轉(zhuǎn)見

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河南鄭州 450002）

家禽是動(dòng)物蛋白的主要來源，尤其是雞肉。家禽不僅提供了寶貴的膳食蛋白質(zhì)供應(yīng)，而且是發(fā)展中國家農(nóng)村地區(qū)的重要收入來源[1]。鑒定與重要經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的遺傳標(biāo)記是提高雞生產(chǎn)力和質(zhì)量的基礎(chǔ)，通過挖掘與經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的遺傳標(biāo)記和基因，我們可以更好地了解雞的遺傳背景，科學(xué)家們一直致力于對(duì)雞的經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行遺傳標(biāo)記挖掘和基因組選擇。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和研究的深入，雞經(jīng)濟(jì)性狀遺傳標(biāo)記挖掘與基因組選擇將持續(xù)取得新的進(jìn)展，并為畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

1 DNA 分子標(biāo)記技術(shù)概述

分子標(biāo)記技術(shù)是用DNA 序列上的突變來對(duì)動(dòng)物表型進(jìn)行標(biāo)記的技術(shù)[2]。用該技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不會(huì)受個(gè)體性別、年齡和環(huán)境的影響，還可以標(biāo)記較多的位點(diǎn)，提供豐富的遺傳信息量，并且該技術(shù)具有高度的試驗(yàn)重復(fù)性，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定和可靠的結(jié)果[3,4]。經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，分子標(biāo)記技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，通過該技術(shù)，研究人員能夠準(zhǔn)確地定位基因，克隆感興趣的基因，并在遺傳育種中進(jìn)行精確的選擇和改良。

在遺傳育種領(lǐng)域，DNA 分子標(biāo)記主要包括：?jiǎn)魏塑账岫鄳B(tài)性（Single Nucleotide Polymorphism，SNPs）、插入/ 缺失多態(tài)性（Insertiondeletion，Indel）、拷貝數(shù)變異（Copy Number Variations，CNVs），這些分析標(biāo)記主要通過以下幾種方法進(jìn)行檢測(cè)（表1）。

表1 常見的DNA 分子標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)的原理和特點(diǎn)

2 DNA 分子標(biāo)記技術(shù)在雞經(jīng)濟(jì)性狀上的應(yīng)用

2.1 生長(zhǎng)性狀

研究雞的生長(zhǎng)性狀對(duì)于育種改良、提高生產(chǎn)效率、增加經(jīng)濟(jì)效益和具有重要意義。生長(zhǎng)性狀主要包括體重、體斜長(zhǎng)、胸骨長(zhǎng)、脛骨長(zhǎng)等多種表型，往往受到多基因的調(diào)控[11,12]。Yan 等[13]研究生長(zhǎng)激素基因?qū)ιL(zhǎng)和胴體性狀的影響時(shí)，通過PCR-RFLP 發(fā)現(xiàn)與胴體性狀（如胸肌重量、胸肌率、腹部脂肪率有顯著關(guān)聯(lián)的DNA 突變位點(diǎn)。楊菊鳳[14]對(duì)不同周齡雞的體重進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)10個(gè)DNA 位點(diǎn)進(jìn)行SSR，篩選出控制體重的主效基因和位點(diǎn)。王強(qiáng)利用PCR-SSCP 技術(shù)胰島素樣生長(zhǎng)因子-Ⅰ基因中找到了一些與生長(zhǎng)發(fā)育、體重、龍骨長(zhǎng)和脛骨長(zhǎng)顯著相關(guān)的位點(diǎn)。

現(xiàn)在很多研究已經(jīng)通過DNA 分子標(biāo)記技術(shù)挖掘出與雞生長(zhǎng)性狀相關(guān)的基因。SH3 domain containing ring finger 2(SH3RF2）基因中CNV 與體重、胸骨長(zhǎng)、半凈膛重、全凈膛重、胸肌重、肌胃重等生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)極顯著相關(guān)[15]。通過重測(cè)序 在Y-box 蛋 白3（Y-box binding protein 3，YBX3)基因的內(nèi)含子區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)27bp 的插入/缺失突變與雞的半凈膛重、全凈膛重、胸肌重、腿重、腿肌重等屠宰性狀顯著相關(guān)[16]。細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑3（cyclin dependent kinase inhibitor 3，CDKN3）基因啟動(dòng)子區(qū)indel 突變的多態(tài)性與體重、脛長(zhǎng)、腿重等生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)顯著相關(guān)[17]。硫酸肝素-6-O-磺基轉(zhuǎn)移酶3（heparan sulfate 6-o-sulfotransferase 3，HS6ST3）基因上發(fā)現(xiàn)了與生長(zhǎng)性狀、胴體性狀和肉質(zhì)性狀相關(guān)的43-bp indel 多態(tài)性[18]。另外還有很多其他indel 與雞的生長(zhǎng)性狀相關(guān)，比如谷氨酰胺酰肽環(huán)轉(zhuǎn)酶（glutaminyl-peptide cyclotransferase，QPCT）上有52 和224bp 的indel[19]，鋅指蛋白764-like (Zinc finger protein 764-like，ZNF764L）的第一個(gè)外顯子區(qū)域有一個(gè)22bp 的indel[20]，鉀離子內(nèi)向整流通道蛋白J 亞單位11 號(hào)成員（Potassium voltage-gated channel subfamily J member 11，KCNJ11）基因下游區(qū)域有一個(gè)新的163bp 的indel[21]，催乳素受體（Prolactin receptor，PRLR）上存在80bp 的indel[22]，羧基酯脂肪酶（Carboxyl ester lipase，CEL）上存在99bp 的indel[23]，動(dòng)情素受體基因（Motilin receptor，MLNR）基因下游區(qū)域有一個(gè)86bp 的indel[24]等。

2.2 繁殖性狀

雞的繁殖性能涵蓋了受精率、孵化率、產(chǎn)蛋量和雛雞存活率等指標(biāo)。由于其經(jīng)濟(jì)重要性，越來越多與雞產(chǎn)蛋性狀的SSR 被挖掘出來[25]，大部分?jǐn)?shù)量性狀基因座（Quantitative Trait Iocus，QTL）主要分布在在1 號(hào)，2 號(hào)和5 號(hào)染色體上[26]。例如Radwan[27]通過使用SSR 檢測(cè)基因位點(diǎn)來改善埃及地方品種的產(chǎn)蛋量和產(chǎn)蛋質(zhì)量性狀。Su 等[28]通過PCR-LDR 研究與開產(chǎn)體重、開產(chǎn)蛋重和總產(chǎn)蛋量等顯著相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性的單倍型。常志偉[29]采用SSR 和RAPD 兩種方法，對(duì)180 只渝西烏雞慢羽系個(gè)體的基因組DNA 進(jìn)行了分析，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)雞的產(chǎn)蛋性能進(jìn)行了相關(guān)性分析，成功篩選出與產(chǎn)蛋率以及蛋重相關(guān)的分子標(biāo)記。Makhsous[30]通過PCR 擴(kuò)增和限制性核酸內(nèi)切酶消化，用RFLP 方法篩選出與雞產(chǎn)蛋率相關(guān)的分子標(biāo)記。

2.3 肉質(zhì)性狀

雞肉是人類營養(yǎng)的主要來源之一，目前禽肉的產(chǎn)量和消費(fèi)量超過了豬肉，預(yù)計(jì)在未來10 年，禽肉將占新增肉類產(chǎn)量的近一半，所以研究肉質(zhì)性狀具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。肉質(zhì)評(píng)價(jià)的技術(shù)指標(biāo)有pH 值、脂肪含量、剪切力、氧化穩(wěn)定性等。Deeb 和Lamont[31]在肉雞、來航蛋雞及其F2 代雜交雞種用SSR 檢測(cè)到了過氧化物酶體增殖物激活受體α 上的有影響雞脂肪代謝的QTL 位點(diǎn)。劉琛等[32]采用PCR-SSCP 技術(shù)在北京油雞中篩選出與雞肉肌內(nèi)脂肪和肌苷酸含量相關(guān)的SNP 位點(diǎn)。李維等[33]采用PCR 產(chǎn)物直接測(cè)序技術(shù)檢測(cè)赤水黑骨雞肌肉生長(zhǎng)抑制素基因多態(tài)性與肉質(zhì)性狀的關(guān)系，找到了可作為檢測(cè)黑骨雞的pH 值和剪切力分子標(biāo)記。

2.4 抗病性狀

雞常見的疾病如禽流感、雞白痢、馬立克氏病等不僅會(huì)危及雞的生命，更會(huì)嚴(yán)重影響?zhàn)B殖收益。馬立克氏病是家禽業(yè)經(jīng)濟(jì)損失的主要原因，也是最嚴(yán)重和最持久的傳染病問題。Heifetz 等[34]通過使用微衛(wèi)星標(biāo)記來鑒定影響MD 耐藥性的QTL。有研究發(fā)現(xiàn)，RFLP 技術(shù)還可以鑒定對(duì)馬立克氏病具有抗性和易感性的純合雛雞，大大提高了育種效率[35]。通過對(duì)抗病毒基因進(jìn)行PCRRFLP 基因分型，發(fā)現(xiàn)該基因的cDNA 上有一個(gè)非同義多態(tài)性突變，而該突變已被證明會(huì)影響Mx 分子的抗病毒活性[36]。

3 基因組選擇技術(shù)概述

一般來說，單個(gè)SNP 位點(diǎn)對(duì)雞生長(zhǎng)、產(chǎn)蛋等經(jīng)濟(jì)性狀的影響可能性很小；因此需要大量的QTL 來解釋這些性狀的遺傳變異[37]。鑒于這種遺傳結(jié)構(gòu)，僅使用少量DNA 標(biāo)記來追蹤數(shù)量有限的QTL 的DNA 分子標(biāo)記技術(shù)的收益可能很小，這促進(jìn)了使用密集SNP 標(biāo)記的基因組信息來提高性狀選擇的準(zhǔn)確性，通常也被稱為基因組選擇（Genomic Selection，GS）[38]。除了可以提高動(dòng)物幼時(shí)選擇的準(zhǔn)確性外，基因組選擇還有望降低每代近親繁殖率，因?yàn)镚S 提供了有關(guān)選擇者的孟德爾遺傳信息[39,40]。

基因組估計(jì)經(jīng)濟(jì)性狀的育種值是基因組選擇的核心，而基因組選擇的實(shí)施包括兩個(gè)主要步驟：首先需要建立一個(gè)參考群[42]，利用在測(cè)試群體中測(cè)量的表型和標(biāo)記基因型，開發(fā)基因組預(yù)測(cè)模型。其次，根據(jù)標(biāo)記基因型預(yù)測(cè)的育種值，從相關(guān)的候選群體中挑選個(gè)體。貝葉斯[43]和基因組最佳線性無偏預(yù)測(cè)模型（Genomic Best Linear Unbiased Prediction,GBLUP）等方法[44,45]都能對(duì)QTL數(shù)據(jù)的基因組育種值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 雞經(jīng)濟(jì)性狀的基因組選擇研究

隨著越來越多測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)，全基因組重測(cè)序（Whole-Genome Sequencing，WGS)應(yīng)用到GS 成為可能。由于WGS 數(shù)據(jù)包含大量基因組變異，其中包括與經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的生長(zhǎng)、產(chǎn)蛋、肉質(zhì)、抗病的基因突變，因此利用WGS 進(jìn)行GS 有望獲得更高的預(yù)測(cè)能力。使用WGS 比較低蛋殼強(qiáng)度和正常蛋殼強(qiáng)度的基因組，發(fā)現(xiàn)與蛋殼性狀相關(guān)的SNP 和Indel，有助于在GS 時(shí)避免因蛋殼損傷導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失[46]。通過將五花黃雞WGS數(shù)據(jù)和雞參考基因組比較，成功發(fā)現(xiàn)在與雞的代謝、免疫相關(guān)的基因上有眾多SNP、Indel、結(jié)構(gòu)變異和拷貝數(shù)變異，這個(gè)結(jié)果有助于我們更好地了解白羽肉雞的遺傳特征，并有助于未來通過GS 選育雞生長(zhǎng)、抗病性狀[47]。對(duì)巴西F2 雞資源群體進(jìn)行WGS，獲得的SNP 數(shù)據(jù)制作使用600 K高密度SNP 芯片，對(duì)來自雞資源群體進(jìn)行了基因分型，最終鑒定出與腹部脂肪和胴體脂肪含量性狀的QTL，可以用來估計(jì)脂肪沉積相關(guān)性狀的基因遺傳率[48]。

全基因關(guān)聯(lián)分析（Genome-Wide Association Studies，GWAS）是揭示基因組與表型組關(guān)系的重要工具，GWAS 結(jié)果不僅可以提高基因組預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[49]，還能篩選出能用于GS 的SNPs 集[50]。已有多項(xiàng)針對(duì)雞的生長(zhǎng)[51,52]、體重[53]、胴體[54]、和肉質(zhì)性狀的GWAS 報(bào)告，這些結(jié)果不僅提供了許多可用于預(yù)測(cè)和基因組選擇的分子標(biāo)記，而且有助于解釋這些性狀的遺傳機(jī)制。有學(xué)者利用雞60k 高密度單核苷酸多態(tài)性陣列開展了一項(xiàng)GWAS，確定了與雞細(xì)胞介導(dǎo)免疫相關(guān)的基因組區(qū)域，為后續(xù)利用GS 實(shí)現(xiàn)抗病性育種奠定了基礎(chǔ)[55]。

目前針對(duì)雞各種經(jīng)濟(jì)性狀研發(fā)的芯片都可應(yīng)用于GS。例如河南農(nóng)業(yè)大學(xué)康相濤團(tuán)隊(duì)基于前期雞泛基因組研究成果與公共數(shù)據(jù)，創(chuàng)制了40K、5K 地方雞基因組系列芯片——“神農(nóng)1 號(hào)”，囊括了生長(zhǎng)、繁殖、屠體等性狀GWAS 的功能位點(diǎn)，有利于地方雞的種質(zhì)資源鑒定、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)和品種保護(hù)[56]。根據(jù)典型地方品種和商業(yè)品系開發(fā)出的55K 基因組芯片上包括胸肌和肌內(nèi)脂肪發(fā)育、體脂代謝、抗病等性狀的SNPs 具有廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值，如基因組選育、經(jīng)濟(jì)性狀的GWAS 分析以及不同雞種品種多樣性的研究[57]。

雞群應(yīng)用GS 后經(jīng)濟(jì)性狀得到有效提升的例子有很多。有研究發(fā)現(xiàn)基于GS 選育出的禽類的體重、產(chǎn)蛋率、產(chǎn)蛋數(shù)等表型優(yōu)于傳統(tǒng)選育[58]。雜交育種被廣泛用于提高植物和動(dòng)物的生產(chǎn)率，有研究使用60K SNP 芯片進(jìn)行基因分型，然后與傳統(tǒng)的最佳線性無偏預(yù)測(cè)（Best Linear Unbiased Prediction,BLUP）方法和GS 中的GBLUP 等方法的預(yù)測(cè)能力和選擇差異進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)GS 在雞不同時(shí)期的體重、胸肌重、腿肌重、翅重和平均日增重等18 個(gè)性狀上的準(zhǔn)確性均高于傳統(tǒng)BLUP[47]。此外，當(dāng)利用GS 來縮短育種間隔時(shí)，還可以帶來額外的遺傳進(jìn)展和經(jīng)濟(jì)效益[59]?；蚪M選擇利用貝葉斯回歸模型和半?yún)?shù)方法提升了肉雞的飼料轉(zhuǎn)化率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[60]。使用GBLUP估算雞新城疫病毒抗體反應(yīng)和禽流感病毒抗體反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)基因組選擇能提升這兩個(gè)抗病性狀的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，減少雞群死亡率和農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)損失[61]。選擇和使用對(duì)沙門氏菌有更強(qiáng)抵抗力的雞品系，可以減少沙門氏菌在表面健康的雞身上的傳播以及隨之而來的食品安全問題[62]。

5 利用遺傳標(biāo)記與基因組選擇應(yīng)用的挑戰(zhàn)

5.1 數(shù)據(jù)分析難度

一方面，處理大規(guī)模遺傳標(biāo)記數(shù)據(jù)的復(fù)雜性是GS 面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著高通量測(cè)序和SNP芯片技術(shù)的發(fā)展，可以獲取大量的遺傳標(biāo)記數(shù)據(jù)，如全基因組測(cè)序和SNP 芯片數(shù)據(jù)。但處理和分析這些龐大的數(shù)據(jù)集是非常復(fù)雜的，涉及到數(shù)據(jù)預(yù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、關(guān)聯(lián)分析等。另一方面，考慮到遺傳背景的復(fù)雜性、多基因性狀的影響和環(huán)境因素，進(jìn)行數(shù)據(jù)解讀和解釋也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

5.2 標(biāo)記選擇與驗(yàn)證

選擇和驗(yàn)證具有預(yù)測(cè)和鑒別力的遺傳標(biāo)記也是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。在標(biāo)記選擇方面，需要考慮標(biāo)記覆蓋范圍、關(guān)聯(lián)程度和遺傳多樣性等因素。通常使用關(guān)聯(lián)分析和群體遺傳學(xué)統(tǒng)計(jì)方法來篩選與經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的標(biāo)記。然而，由于測(cè)序數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性和連接關(guān)系的復(fù)雜性，標(biāo)記選擇仍然存在一定的不確定性。在標(biāo)記驗(yàn)證方面，可以使用功能基因組學(xué)方法，包括功能驗(yàn)證試驗(yàn)、表達(dá)譜分析和過量表達(dá)等來驗(yàn)證標(biāo)記與經(jīng)濟(jì)性狀之間的功能聯(lián)系。此外，可以通過克隆和家系試驗(yàn)等種群遺傳學(xué)方法來驗(yàn)證遺傳標(biāo)記的效果。

6 利用遺傳標(biāo)記與基因組選擇應(yīng)用的展望

為了提高種雞選擇的準(zhǔn)確性和效率，可以利用遺傳標(biāo)記挖掘和基因組選擇的方法，快速篩選出具有高經(jīng)濟(jì)效益的雞種，并提高雞群的產(chǎn)量、質(zhì)量和適應(yīng)力。首先，通過分析大規(guī)模的SNP 或基因測(cè)序數(shù)據(jù)，可以找到與經(jīng)濟(jì)性狀密切相關(guān)的遺傳標(biāo)記，基于這些標(biāo)記進(jìn)行雞種選擇，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)雞種的表現(xiàn)，提高雞的經(jīng)濟(jì)性狀和品質(zhì)。其次，基因組選擇可以加快雞種選擇的速度。通過分析標(biāo)記與表型的關(guān)聯(lián)性，可以快速評(píng)估個(gè)體的遺傳優(yōu)勢(shì)，從而提前選出具有良好經(jīng)濟(jì)性狀的個(gè)體作為父母本，大大縮短雞種選擇的周期，節(jié)約時(shí)間和資源成本。準(zhǔn)確性和效率是雞種選擇中至關(guān)重要的因素，它們可以確保選擇的雞種具有良好的遺傳潛力和經(jīng)濟(jì)性狀，提高養(yǎng)殖業(yè)的盈利能力，還可以加快遺傳改良的速度，適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化，以及更好地應(yīng)對(duì)疾病和環(huán)境壓力。

7 小結(jié)

利用DNA 分子標(biāo)記挖掘和基因組選擇，可以通過定位與經(jīng)濟(jì)性狀密切相關(guān)的遺傳標(biāo)記，提高育種質(zhì)量，加快育種速度，提高養(yǎng)殖業(yè)的收入。因此應(yīng)該改善、提高和優(yōu)化DNA 分子標(biāo)記挖掘和基因組選擇在雞育種上的應(yīng)用，克服技術(shù)上的困難，為養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展提供保障。