基因組檢測技術(shù)在肉雞遺傳育種中的應(yīng)用

石少磊，武麗娜，馮羿方，蘇 惠，王艷艷，郝曉東

（北京康普森農(nóng)業(yè)科技有限公司，北京 102200）

雞肉在我國全民肉類消費結(jié)構(gòu)中占有重要地位，已經(jīng)成為第二大肉類產(chǎn)品。而雞肉主要來源于白羽肉雞和黃羽肉雞，其中，白羽肉雞提供了大約70%的雞肉類產(chǎn)品。此外，我國具有豐富的地方雞品種遺傳資源，具有很好的生物多樣性，這為肉雞育種提供了充足的遺傳素材。

測序成本的降低以及基因組選擇等分子育種技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對加快我國肉雞育種進(jìn)程提供了極大的技術(shù)便利條件。準(zhǔn)確、高效的單核苷酸多態(tài)性（Single-nucleotide polymorphisms，SNP）標(biāo)記分型技術(shù)是畜禽基因組范圍的遺傳機(jī)制挖掘以及育種實踐的重要保障。我國畜禽遺傳資源豐富，且不同區(qū)域的畜禽品種具有豐富的遺傳多樣性。為了充分利用我國優(yōu)秀的種質(zhì)遺傳資源，國內(nèi)各頂尖的研究團(tuán)隊和高校院所利用高通量測序技術(shù)以及遺傳分析方法，對攜帶優(yōu)良遺傳基因的地方畜禽品種的遺傳機(jī)制進(jìn)行深入挖掘，最終轉(zhuǎn)化為具有核心知識產(chǎn)權(quán)的畜禽育種芯片。這些基因芯片的問世，對于最大限度發(fā)揮我國優(yōu)良種質(zhì)資源、加快畜禽群體遺傳改良具有重大的推動作用。

目前，SNP 標(biāo)記分型技術(shù)以基因芯片和二代測序技術(shù)為主。本文從SNP 標(biāo)記分型技術(shù)以及其在肉雞遺傳資源挖掘利用、遺傳育種中的應(yīng)用進(jìn)行概述，旨在為肉雞遺傳育種實踐提供一定的參考和借鑒。

1 基因組檢測技術(shù)類型及原理

1.1 DNA 微陣列

DNA 微陣列又名基因芯片，也稱為分子探針，即將已知序列的DNA 片段按一定的規(guī)律有序的固定于基片表面，從而構(gòu)成DNA 探針陣列。其基本原理是利用核酸雜交檢測變異。不同類型的芯片因其用途不同，基片上的探針存在一定差異：如SNP 基因芯片根據(jù)已知的SNP 信息，設(shè)計SNP 探針；表達(dá)譜基因芯片以cDNA 或寡核苷酸序列片段作探針，通過mRNA 與探針的雜交，檢測目標(biāo)基因的表達(dá)水平；DNA 甲基化芯片[1]通過檢測對應(yīng)位點的甲基化信號，判斷堿基是否被甲基化修飾。通常在育種應(yīng)用中以中高密度（5萬以上的標(biāo)記數(shù)，如50K、100K、150K 等）的SNP 基因芯片為主?；蛐酒瑱z測平臺主要有2個[2,3]：因美納（Illumina）公司的Infinium、賽默飛世爾科技（Thermo Fisher Scientific）的Axiom。就遺傳標(biāo)記分型而言，這2 個公司的平臺都是通過熒光標(biāo)記及探針雜交實現(xiàn)，然而在芯片的設(shè)計思路上存在一定的差異。Illumina 平臺基于微珠（二氧化硅微珠）芯片技術(shù)[4]，而Thermo Fisher芯片基于原位光刻合成技術(shù)[5,6]；在探針長度方面，Illumina 芯片的探針長于Thermo Fisher 芯片，在芯片生產(chǎn)過程中所有微珠都能得到質(zhì)量控制，在實際應(yīng)用中靈活性較高；但Thermo Fisher 芯片生產(chǎn)幾乎無批次效應(yīng)。

1.2 二代測序

利用二代測序技術(shù)可以檢測到目標(biāo)個體整個基因組范圍的遺傳變異[2,3]，并且通過提高測序深度還可以發(fā)現(xiàn)更多的稀有變異信息（最小等位基因頻率很低的遺傳標(biāo)記）[7]。隨著測序成本的顯著降低，基因組測序技術(shù)以及測序數(shù)據(jù)在畜禽分子育種領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。在畜禽遺傳育種、群體遺傳分析、遺傳機(jī)制挖掘等方面，常用到的二代測序檢測技術(shù)有簡化基因組測序（Reduced-representation Genome Sequencing，RRGS）[2]、全基因組重測序（Whole Genome Sequencing,WGS）、靶向捕獲測序技術(shù)（Genotyping by Target Sequencing）[3]、全基因組低深度重測序（Low-coverage Whole Genome Sequencing，LcWGS）[8,9]。其中，全基因組重測序應(yīng)用最為廣泛。

全基因組重測序的流程包括3 步：①構(gòu)建測序文庫，包括基因組片段化、末端修復(fù)、連接測序接頭和擴(kuò)增富集等；②上機(jī)檢測，即基因測序平臺對目標(biāo)個體的全基因組文庫進(jìn)行掃描測序，獲得目標(biāo)個體的整個基因組序列信息；③生物信息學(xué)分析，將測序數(shù)據(jù)比對到參考基因組上，進(jìn)而獲得整個基因組范圍的遺傳變異信息。如SNP、結(jié)構(gòu)變異(structure variation，SV)等。

簡化基因組測序與全基因組重測序原理相同，具體實施中，RRGS 首先利用限制性內(nèi)切酶將整個基因組上的DNA 片段化[3,10,11]，然后對特定的酶切片段進(jìn)行高通量測序，進(jìn)而獲得目標(biāo)區(qū)域的遺傳標(biāo)記[2,3]。從而，簡化基因組測序可以達(dá)到減少測序數(shù)據(jù)量、降低測序成本的目的[12,13]，并能夠縮短生物信息分析的周期[3]。

全基因組低深度測序流程與全基因組重測序相同，區(qū)別在于其測序深度通常在1 倍以下。因此，與簡化基因組測序一樣可以達(dá)到降低成本的目的[2,3]。由于低深度測序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在基因組上的覆蓋率較低，被檢測個體的基因組數(shù)據(jù)存在大量未被檢測到的基因型（缺失率較高）。因此，測序之后需要利用填充軟件對未完全檢測到的等位基因進(jìn)行推斷、填補(bǔ)，以獲得個體全基因組水平的遺傳標(biāo)記。靶向捕獲測序通過挑選特定的變異位點或區(qū)域，設(shè)計特異性的捕獲探針或者引物從基因組中捕獲靶向位點進(jìn)行測序，從而獲得目標(biāo)位點或區(qū)域的變異信息。利用以上測序技術(shù)獲得個體的基因組數(shù)據(jù)和生物信息學(xué)分析手段，以進(jìn)一步用于挖掘與疾病、重要經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的基因的研究中。

2 基因組檢測產(chǎn)品應(yīng)用方向

2005 年，Muir 等[14]開發(fā)了第一款3K 的雞基因組芯片。到2008 年，Groenen 等[15]開發(fā)了60K的芯片。2013 年Kranis 等[16]報道了第一個商用化600K 芯片（Affy 600K SNP Array）。然而這些芯片通常是基于西方品種雞的商用品系，缺乏中國本土品種的基因組變異信息。因此，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所趙桂蘋團(tuán)隊開發(fā)出國內(nèi)首款肉雞55K 基因組育種芯片——“京芯一號” (IASCHICK 55K)[17]?！熬┬疽惶枴?的成功研發(fā)對于我國地方品種遺傳資源挖掘和利用、肉雞群體遺傳改良具有重要意義。

此外，國內(nèi)外研究人員利用不同的測序技術(shù)在肉雞遺傳機(jī)制挖掘和基因組育種領(lǐng)域進(jìn)行了深入探索。不同基因組檢測產(chǎn)品及其應(yīng)用場景詳見表1。

表1 主要SNP 標(biāo)記分型技術(shù)以及應(yīng)用場景

2.1 基因芯片應(yīng)用于肉雞遺傳解析以及育種實踐

Illumina 60K 芯片在雞的遺傳多樣性分析[18,19]、全基因組關(guān)聯(lián)分析[20]和基因組預(yù)測[21]等方面均得到應(yīng)用。Dementieva 等[18]利用Illumina 60K 芯片和限制性片段長度多態(tài)性（Restriction fragment length polymorphisms，RFLPs）對18 個雞品種的遺傳多樣性進(jìn)行分析。Restoux 等[19]利用60K 芯片對法國的22 個地方品種的遺傳多樣性進(jìn)行分析。Yuan 等[20]對中國4 個地方雞的生長性狀進(jìn)行單標(biāo)記和基于單倍型的全基因組關(guān)聯(lián)分析，并且發(fā)現(xiàn)一個胡須雞獨有的與生長性狀相關(guān)的基因座。Liu 等[21]比較了基于系譜和60K 芯片的預(yù)測模型在惠陽胡須雞飼料利用性狀的預(yù)測性能，發(fā)現(xiàn)基于基因組預(yù)測的準(zhǔn)確性顯著高于基于系譜的模型。

Affy 600K 芯片在群體遺傳結(jié)構(gòu)分析[22,23]、性狀遺傳機(jī)制挖掘[24-27]、品種鑒定[28,29]等方面得到應(yīng)用。Gao 等[22]利用600K 芯片對中國8 個地方雞的群體分化程度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)茶花雞與其他品種的遺傳差異最大。Malomane 等[23]分析了全球162 雞群體的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)種群間遺傳變異較小的基因都與大腦發(fā)育等主要功能有關(guān)，但是與蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)代謝過程相關(guān)的基因中，群體間的遺傳多樣性以更快的速度變化。這也反映了雞在不同基因組區(qū)域的進(jìn)化模式存在的差異。在性狀遺傳機(jī)制的研究中，研究人員對馬立克氏病[24]、飼料利用率[26]等性狀關(guān)聯(lián)位點進(jìn)行分析，以及影響肉雞體重和產(chǎn)蛋性狀的多效性基因座[27]。Cho 等[28]和Seo 等[29]分別利用機(jī)器學(xué)習(xí)的分類方法基于600K 高密度芯片對雞群體進(jìn)行品種鑒定。

目前，“京芯一號” 在雞群體遺傳分析方向得到廣泛應(yīng)用。2022 年，Tan 等[30]利用雞55K 芯片（IASCHICK 55K）對4217 只白羽肉雞（4 個世代，G4～G7）的7 個性狀進(jìn)行參數(shù)估計以及選擇信號的分析，其發(fā)現(xiàn)生長性狀、產(chǎn)肉和腹脂性狀的遺傳力在0.12～0.38；結(jié)合群體分化指數(shù)（High fixation index，F(xiàn)st）以及核苷酸多樣性（π ratio）分析，發(fā)現(xiàn)基因組上39 個常染色體區(qū)域在世代之間受到選擇。Liu 等[31]對2 個品系的黃羽肉雞（2 個世代，G15～G16）進(jìn)行群體遺傳差異分析，發(fā)現(xiàn)第15 世代（G15）2 個品系的黃羽肉雞在肌內(nèi)脂肪含量性狀上存在顯著差異，并且在G15 發(fā)現(xiàn)的差異表達(dá)基因在G16 也得到驗證。

“京芯一號” 對我國地方品種遺傳資源分析也具有重要意義。Liu 等[32]利用IASCHICK 55K芯片對7 個貴州省土雞（共計109 只母雞）、3 個其他省份地方品種和2 個商業(yè)品種的群體結(jié)構(gòu)與遺傳多樣性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)貴州地方雞的遺傳多樣性高于商業(yè)品種。屠云潔等[33]利用“京芯一號”對2 個廣西麻雞（當(dāng)雞、靈山香雞）群體進(jìn)行遺傳距離和親緣關(guān)系的分析，通過主成分分析以及遺傳距離分析，發(fā)現(xiàn)2 個群體遺傳距離較遠(yuǎn)，這就為培育優(yōu)質(zhì)麻雞提供了重要的遺傳資源保障。武艷平等[34]利用基因組芯片對8 個地方雞品種（5個江西省的地方雞品種，廣東省、浙江省以及江蘇省各1 個地方雞品種）進(jìn)行了遺傳多樣性分析，該研究結(jié)果顯示，8 個地方雞品種的遺傳距離較遠(yuǎn)，遺傳背景差異較大，具有較豐富的遺傳多樣性。這些研究也充分說明我國地方品種的遺傳多樣性為新品種的開發(fā)和利用提供了豐富的先決條件。

此外，55K 基因芯片在性狀相關(guān)位點以及遺傳機(jī)制挖掘方面也發(fā)揮了巨大作用。Yang 等[35]對873 只白羽肉雞進(jìn)行產(chǎn)肉量相關(guān)性狀的基因挖掘分析，通過將55K 芯片填充至測序水平，然后進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，并聯(lián)合選擇信號等分析，最終鑒定到18 個顯著的標(biāo)記。其中與體重相關(guān)性狀的顯著關(guān)聯(lián)位點集中分布在24 號染色體上大約24Kb 的區(qū)域(GGA24：5.73～5.75Mb)。Li等[36]對快長型肉雞的生長性狀和飼料利用率性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，最終鑒定到基因組上2 個區(qū)域分別與生長和飼料利用率性狀相關(guān)聯(lián)。2020 年，Li等[37]利用填充到測序水平的基因型數(shù)據(jù)，對快長型白羽肉雞的飼料利用性狀和代謝效率性狀的遺傳機(jī)制進(jìn)行研究。2022 年，Ding 等[38]利用基因芯片對11279 只肉雞（4 個白羽肉雞品系，3 個黃羽肉雞品系）的產(chǎn)蛋性狀進(jìn)行遺傳機(jī)制解析，最終鑒定到9 個與肉雞產(chǎn)蛋性狀相關(guān)的候選基因。

2.2 測序技術(shù)在肉雞遺傳育種的應(yīng)用

隨著測序成本的降低，測序數(shù)據(jù)在家禽遺傳育種中也得到較為廣泛的使用。Tan 等[39]利用基因組重測序數(shù)據(jù)闡釋白羽肉雞高產(chǎn)肉量的遺傳機(jī)制，利用1061 只雞（8 個品種）的基因組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，從群體遺傳學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)以及生物學(xué)的角度深度挖掘肉雞產(chǎn)肉性狀的遺傳機(jī)制，繪制了肌肉發(fā)育的基因組遺傳變異和轉(zhuǎn)錄組的圖譜信息，并提出了一個新的胸肌產(chǎn)量和肌病調(diào)控靶點（SOX6-MYH1s 軸）。

Zou 等[40]對現(xiàn)代肉雞與過去幾十年的肉雞群體的進(jìn)行重測序，通過識別選擇積累的遺傳變化，發(fā)現(xiàn)與免疫反應(yīng)和生長性狀具有生物學(xué)相關(guān)性的基因和途徑。他們的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了2 個基因（TLR3 和PLIN3）可能以犧牲免疫功能為代價來提高生長性能。Huang 等[41]利用重測序手段，分析了來自10 個品種的100 只黃羽肉雞的遺傳結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)10 個品種的遺傳結(jié)構(gòu)的相似程度與其分布的地理位置有關(guān)，即10 個品種的黃羽肉雞根據(jù)其遺傳結(jié)構(gòu)可以分為北方群體、中部群體和南方群體。

Guo 等[42]利用簡化基因組測序?qū)?33 只哈巴德肉雞的11 個性狀（輕型股骨頭畸形、7 個血液指標(biāo)、3 個生長性狀）進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析。經(jīng)過質(zhì)控，256599 個SNP 標(biāo)記用于分析，發(fā)現(xiàn)血清堿性磷酸酶和股骨頭畸形之間可能存在某種關(guān)系。劉天飛等[12]利用簡化基因組測序?qū)S羽肉雞395 只個體的6 個性狀進(jìn)行基因組預(yù)測，并與Illumina Chicken 60K 芯片的預(yù)測效果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)2 種基因分型策略差異并不明顯。Yang 等[43]利用低深度測序獲得2 個世代的6359 只黃羽雞的基因組數(shù)據(jù)，并用于生長性狀的遺傳位點挖掘和基因組預(yù)測，最終鑒定到5 個顯著的數(shù)量性狀基因座。

基因芯片以及其他基于二代測序的基因組檢測技術(shù)，為科研人員和育種企業(yè)提供了多樣化的選擇，這就為基因組育種提供了堅實的條件。此外，加快肉雞遺傳進(jìn)展，也需要選擇合適的預(yù)測模型。

3 基因組育種加快肉雞群體遺傳改良

3.1 肉雞基因組選擇模型

目前基因組選擇已經(jīng)廣泛應(yīng)用于動植物育種，探究最合適的預(yù)測模型，對提高育種值預(yù)測準(zhǔn)確性，加快畜禽品種的群體遺傳改良具有重要意義。在肉雞基因組選擇研究中，常用的預(yù)測模型模型可以分為2 類：①基于最佳線性無偏估計的模型（Best Linear Unbiased Prediction，BLUP），常見的有GBLUP（Genomic best linear unbiased prediction）[44]、ssGBLUP（single-step GBLUP）[45]；②基于貝葉斯理論的模型，如BayesLasso[46]、BayesMix4[47]等。

基于BLUP 的方法，主要差異在于親緣關(guān)系矩陣的構(gòu)建，線性模型如下：

式（1）的矩陣形式可以寫為：

式（2）中K 表示親緣關(guān)系矩陣。

在GBLUP 中，通常采用VanRaden 等[44]提出的方法：

式（3）中M 為基因型矩陣，P 中每列元素分別為對應(yīng)第i 個SNP 的最小等位基因頻率pi。

在ssGBLUP 中，通過整合基因組和系譜的信息，構(gòu)建H 矩陣[45,48]：

基于貝葉斯框架的方法，主要差異在于對標(biāo)記的先驗分布假設(shè)：

以BayesMix4 為例，假設(shè)標(biāo)記先驗為4 個組分的混合形式：

式（5）中，π1～π4為固定值，分別為0.889、0.1、0.01、0.001。且

3.2 基因組選擇提高預(yù)測準(zhǔn)確性

基因組選擇通過在利用個體的基因組信息，不依賴待留種個體的表型測定記錄，進(jìn)而實現(xiàn)早期留種。然而，對于繁殖周期短的畜禽品種，基因組選擇最大的優(yōu)勢是提高預(yù)測準(zhǔn)確性。

Yang 等[43]在對黃羽肉雞的研究中，通過比較基于系譜的預(yù)測方法（Pedigree-based BLUP，ABLUP）和GBLUP，發(fā) 現(xiàn)GBLUP 可以提 升22.0%～70.3%的預(yù)測準(zhǔn)確性。Liu 等[49]通過對8個家系的582 只黃羽肉雞進(jìn)行基因組選擇研究，發(fā)現(xiàn)基于基因組的預(yù)測方法其準(zhǔn)確性遠(yuǎn)高于基于系譜的預(yù)測方法。并且基于貝葉斯的基因組預(yù)測方法其預(yù)測準(zhǔn)確性高于GBLUP。此外，在預(yù)測過程中，參考群與驗證群有較高的遺傳聯(lián)系時，其預(yù)測準(zhǔn)確性高于家系間的預(yù)測準(zhǔn)確性。

Tan 等[30]對白羽肉雞3 個世代的遺傳進(jìn)展進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)表型和遺傳都取得了一定的進(jìn)展，尤其是體重和肉質(zhì)方面，這在一定程度上也反映了基因組選擇的高效性。

4 展望

測序成本的降低，在一定程度上極大的促進(jìn)了對畜禽遺傳機(jī)制的研究，利用測序技術(shù)挖掘影響性狀的功能區(qū)域和遺傳變異極大地促進(jìn)了畜禽育種實踐。如何有效利用測序數(shù)據(jù)挖掘的變異信息也是育種實踐需要進(jìn)一步解決的問題。如，結(jié)構(gòu)變異和拷貝數(shù)變異通常影響表型的多樣性程度，而對結(jié)構(gòu)變異和拷貝數(shù)變異的編碼是有效利用這些信息的重要前提；另一方面，開發(fā)有效整合多組學(xué)數(shù)據(jù)的預(yù)測模型對育種應(yīng)用實踐具有重要意義。