牦牛分子標記研究進展

李愛民,馬 云,2,藍賢勇,馬 偉,陳 宏＊

(1.西北農林科技大學動物科技學院,陜西 楊凌 712100;2.信陽師范學院生命科學學院,河南 信陽 464000)

牦牛分子標記研究進展

李愛民1,馬 云1,2,藍賢勇1,馬 偉1,陳 宏＊1

(1.西北農林科技大學動物科技學院,陜西 楊凌 712100;2.信陽師范學院生命科學學院,河南 信陽 464000)

牦牛是青藏高原高寒草地牧區畜牧業發展中最重要的畜種。作為當前遺傳育種的熱點,分子標記技術已被廣泛應用于牦牛分子育種研究中。為此,本文以影響牦牛生長發育、肉品質、繁殖和泌乳相關的基因為切入點,結合現代DNA標記與起源進化分析,就牦牛分子標記研究的最新進展作一綜述。

牦牛;分子標記;基因;標記輔助選擇(MAS);研究進展

1 引言

牦牛是牛屬動物中能適應高寒氣候環境條件而延續至今的特有牛種。它具有地方特異性強、抗逆性強和耐粗飼等優點,且受現代良種的沖擊較小,已成為當前青藏高原高寒草地牧區畜牧業發展中最重要的畜種。我國現有牦牛1300萬頭左右,約占牛只總數的1/6,主要分布在青海、四川、甘肅、云南、西藏和新疆等省份或自治區。但目前人們認為,牦牛仍屬生產性能較低的原始牛種,主要牦牛產區雖曾采用過種間雜交改良和本品種選育等方法來提高牦牛的生產性能,但由于受到雜種雄性不育、群體生產性能與系譜資料記錄的不完整等因素的影響,故未取得顯著成效。為此,目前關于牦牛現代育種的研究和應用主要集中在分子育種水平。

分子育種是利用現代分子生物技術和基因工程等方法,以基因為對象,選育、培育或改良出符合人類要求的新品種或品系。牦牛分子育種研究涉及重要候選基因DNA變異及其遺傳效應研究和分子標記輔助選擇(marker-assisted selection,MAS)研究。牦牛分子標記輔助選擇是直接在DNA水平上對控制生長發育、肉品質、繁殖和泌乳等經濟性狀的基因型或基因進行選擇,具有高效和快速育種的特點,克服了傳統雜交選擇法的各種缺陷。為此,本文以牦牛生長發育、肉品質、繁殖和泌乳相關基因為切入點,結合現代DNA標記與起源進化分析,就牦牛分子標記研究的最新進展作一綜述。

2 牦牛分子標記研究

生長發育、肉品質、繁殖和泌乳等生產性狀是牦牛主要的經濟性狀。因此,控制這些重要經濟性狀的相關重要基因DNA變異及其關聯分析和起源進化研究,成為當前研究的熱點,為牦牛的MAS研究奠定基礎。

2.1 與生長發育相關基因的研究

與牦牛生長發育性狀相關候選基因的研究,主要涉及三類:I類是以GH為介導的重要基因,包括生長激素(G H)、生長激素受體(GHR)和生長激素釋放激素(GHRH);II類是以IGF為介導的重要基因,如:胰島素生長因子-1(IGF-1)、胰島素生長因子-2(IGF-2);III類是肌肉生長抑制素(MS TN)等功能基因。其中,MS TN通過抑制MyoD家族成員轉錄活性負向控制肌細胞的生長發育,家畜MS TN基因的活性喪失可導致肌肉增大,體重增加。目前,對牦牛上述基因的研究結果總結如表1所示。

2.2 與肉品質相關基因的研究

與牦牛肉質性狀相關的候選基因主要有:(1)激素敏感脂肪酶(HS L):是動物體內引發脂肪組織中甘油三酯分解的關鍵酶和限速酶,在動物脂肪代謝中起到關鍵作用;(2)脂蛋白脂肪酶(LPL):是由脂肪細胞、骨骼肌細胞、乳腺細胞及巨噬細胞等實質細胞合成的一種蛋白水解酶;(3)瘦素(Leptin):是一種主要由脂肪細胞分泌的激素,調節機體能量平衡及營養改變時神經內分泌的應答反應;(4)鈣蛋白酶抑制蛋白(CAST):是鈣蛋白酶的內源抑制蛋白;(5)血管生成素相關蛋白-4(ANG PT L4):可以抑制脂蛋白脂肪酶的活性,時正調控血漿甘油三酯水平,促進脂肪動員,抑制脂肪貯存等;(6)鈣激活蛋白酶-1(CAPN1):是細胞質中主要的蛋白水解酶,降解肌原纖維蛋白;(7)硬脂酰輔酶 A脫氫酶-1(SCD1):可以影響牛肉中脂肪酸(FA)水平的變化等。有關這些基因在牦牛分子標記方面的研究成果見表2。

表1 與牦牛生長發育性狀關聯基因的分子標記研究

表2 與牦牛肉品質性狀關聯基因的分子標記研究

2.3 與繁殖性狀相關基因的研究

與牦牛繁殖性狀相關基因的研究,如表3所述:(1)促卵泡激素-β(FSH-β)在促進雌性動物子宮內膜生長、排卵、刺激多卵泡發育及刺激雄性動物的精子發生方面起著主要作用;(2)促卵泡素受體(FSHR)介導FSH的信息傳遞到靶細胞內;(3)SRY是睪丸決定因子,其是否突變直接決定了哺乳動物的性別表型。

表3 牦牛繁殖性狀關聯基因的分子標記研究

2.4 與泌乳性狀相關基因的研究

與牦牛泌乳性狀相關基因的分子標記研究,主要集中在乳鐵蛋白基因家族和乳上皮黏蛋白(MUC1)基因。乳鐵蛋白基因家族主要包括β-CN、κ-CN 、α-La、αS1-CN 、β-Lg 等成員 ,其均具有廣譜抗菌、抗病毒和調節腸道菌群的重要生理功能,對促進和調節機體對鐵的吸收,提高機體造血功能,預防和減少貧血的發生等方面起著重要的作用。關于MUC1基因的功能還未見明確的報道,但根據其結構和分布特點,可以推測其在調節細胞免疫和阻止病原微生物方面具有重要作用。有關牦牛這些基因的分子標記研究如表4所示。

表4 牦牛泌乳性狀關聯基因的分子標記研究

2.5 分子標記技術在牦牛其它方面的研究

關于牦牛起源問題及其在牛亞科中與其它物種的親緣關系一直存在爭議,目前主要有兩種不同的觀點:一種觀點認為牦牛與牛屬的親緣關系比較近;另一種觀點認為牦牛與野牛屬的親緣關系比較近。冀德君等[26]以蒙古牛、雷瓊牛、巴音郭楞牦牛、獨龍牛、海子水牛、尼里拉菲水牛6個牛亞科物種共101頭牛為實驗材料,運用PCR-SSCP及 DNA測序法對MSTN基因外顯子2進行了多態性研究,結果顯示牦牛與普通牛、瘤牛的分化較明顯,親緣關系較遠,在一定程度上也支持了牦牛及大額牛劃為牛亞科中單獨一個屬的觀點。Zhangetal.[27]通過研究決定遺傳變異水平的16個微衛星標記,并進行種群結構的相關性分析,結果發現94.4%的遺傳變異存在于牦牛品種之內,僅有5.6%的遺傳變異存在于牦牛和其它牛品種之間。動物線粒體DNA因其進化速度快、群體內變異大、分子結構簡單等特點,已成為進行物種起源、分子進化和系統發育研究的重要分子標記。Tu,etal.[28]應用PCR-RFLP法,對21頭牦牛(采自云南)的腎臟(肝臟)組織進行了線粒體DNA的多態性研究,初步判斷牦牛與黃牛的親緣關系較之黃牛不同品種之間較遠。因此,分子標記技術的應用,為牦牛起源和進化的研究提供了可能。

3 存在問題與展望

目前,牦牛分子育種雖取得了較大突破,但與國內其它優良牛種的育種相比,仍有很多不足之處:①部分分子遺傳標記在牦牛研究中運用不夠深入,未發揮出其應有的優勢,如對SSCP、SNP、DN A指紋標記技術應用較少;②對牦牛核外基因組研究相對較少;③對牦牛經濟性狀功能基因多態性研究較多,而對其多態性與生產性能的相關性分析研究較少,未能與生產性能進行相關性探討;④牦牛功能基因的定位、表達調控研究尚未深入研究;⑤從分子水平上對犏牛雄性不育的機理以及其對生態環境的適應性研究開展不夠深入等。

從DNA分子標記技術在牦牛遺傳育種研究中的應用及牦牛功能基因的研究現狀來看,大多數DNA分子標記在牦牛品種的起源、演化和分類研究以及牦牛品種間和品種內親緣關系鑒定方面,以及牦牛功能基因的研究不斷深入,成果顯著。在牦牛組織表達譜研究方面,目前也獲得一定的研究成果,如屈旭光[29]等對牦牛、犏牛睪丸組織中S YCP3基因mRNA表達水平進行了研究,發現SYCP 3基因在牦牛睪丸組織中特異表達,牦牛與犏牛睪丸組織中SYCP3基因的表達水平差異極顯著(P<0.01);林亞秋等[30]對九龍牦牛PPARγ基因進行了克隆及表達譜分析,結果在脂肪、背最長肌、心、肝、腎、脾和肺臟中均檢測到PPARγ基因的表達,并且在脂肪組織中表達量極顯著高于其他組織(P<0.01),在肝臟和脾臟中亦有較高表達;鄺良德等[31]對九龍牦牛脂肪細胞型脂肪酸結合蛋白基因(AFABP)的克隆及其表達譜研究,發現除肺以外,在脂肪、骨骼肌、心、肝、腎和脾中均檢測到A-FABP基因的表達,并且在脂肪組織中表達量極顯著高于其他組織(P<0.01),這些研究為牦牛相關候選基因的后續功能驗證提供了理論依據。由此可見,分子生物技術已經深入到牦牛的研究當中,并隨著分子理論知識的不斷發展完善,以及牦牛育種工作經驗的積累,分子育種將會對牦牛的保護和利用起重要作用,并成為未來牦牛品種改良的主要工具。

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Progress on Molecular Marker in Yak

LI Ai-min1,MA Yun1,2,LAN Xian-yong1,MA Wei1,CHEN Hong＊1

(1.Colleg e of An ima lS cience and Techno log y,North west A&F University,Yang ling,S haan xi,712100;2.Co llege of life Science,X in yang Normal University,X inyang,Henan,464000)

Yak is the mostim portant livestock ofindispensable key breeds for the development of modern husbandry in Alpine Pasture area of Qinghai Tibet Plateau.As the hot spot of breeding and genetics,molecular marker technology has been widely used in molecular breeding of yak now.Therefore,in this paper,the latest advancement of molecular markers in yak were reviewed involving numerous key candidate genes associated with grow th traits,meat quality traits,reproduction and milk production traits as well as origin and evolution ofyak.

Yak;Molecular Marker;Gene;Marker Assistant Selection(MAS);Progress

S823.2

A

1001-9111(2011)04-0030-05

2011-03-11

2011-04-02

本研究受農業部現代肉牛產業技術體系專項(No.CARS-38),國家自然科學基金(No.30972080)和國家支撐計劃(No.2008ADB2B03-19)項目資助。

李愛民(1984-),男,甘肅天水人,在讀碩士,研究方向:生物技術與動物育種。

＊通訊作者:陳宏(1955-),男,陜西西安人,教授,博士生導師,研究方向:生物技術與動物育種。