汶上蘆花雞保種群體一對等位基因遺傳漂變的計算機模擬

李國輝+韓威+張會永+王洪志+殷建玫+尤哲夫+蘇一軍

摘 要：小群保種是我國家禽遺傳資源保護的一種重要方式。在假定汶上蘆花雞保種群體不發生基因突變的情況下，群體內實行家系等量隨機留種，采用計算機模擬方法研究一對等位基因（PRL基因）在群體內的實際頻率和假設不同基因頻率、不同群體規模保種群體內一對等位基因座位的遺傳漂變。模擬試驗共進行了800個世代。結果表明：汶上蘆花雞保種群體（群體實際有效含量為102）20世代后等位基因的丟失或固定率達5.34%。在假設群體中，群體規模越大，基因由于隨機遺傳漂變而發生丟失或固定的概率也越低。群體規模太小以及基因的初始頻率過低或過高，均會增加基因丟失或固定的風險。

關鍵詞：汶上蘆花雞；等位基因；基因頻率；遺傳漂變；計算機模擬

中圖分類號：Q34 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.09.015

Abstract：It was an important way by a small group to conserve poultry genetic resources in China. Computer simulation was used to study the genetic drift of alleles gene（PRLgene） in the population actual frequency and the genetic drift of a single biallelic loci assuming different gene frequencies and a closed population of different population sizes， based on the assumption that there was no gene mutation in Wenshang barred chicken conservation population. Random selection and mating were implemented in all generations， the generation was non-overlapping and the number of breeding chicken was kept equal in each generation. The simulation experiment was carried out for 800 generations. The results showed that the loss or fixation rate of allele was 5.34% after 20 generations in Wenshang barred chicken group （group real effective content of 102）. In assumed group， the lower probability of gene loss or fixation resulted from random genetic drift were gained for larger size population. The risk of gene loss or fixation would be increased for smaller population size， lower or higher initial gene frequency.

Key words：Wenshang barred chicken； alleles； gene frequency； genetic drift； computer simulation

畜禽遺傳資源是一種特殊資源，是改良畜禽和塑造人類所需要的畜禽新品種的原始材料和基因來源。我國是世界上畜禽遺傳資源最豐富的國家，但隨著我國經濟的高速發展，部分畜禽資源日益瀕臨滅絕，畜禽遺傳資源的保護已成為人們廣泛關注的課題[1]。

目前，通過繼代繁殖來保存一個家禽群體（保種群）的保種方式仍是保護家禽遺傳資源的主要形式。這種原位保種的方式要求盡量保持一個品種的基因庫平衡，力爭使基因庫中的每一個基因都不丟失[2]。因此，在一個有限規模的家禽保種群體中，有效地減少基因丟失或固定的概率，才能保持一個群體的遺傳特性和適應性的相對穩定性。在這個有限規模的保種群內，由于繼代繁殖過程中配子的隨機抽樣而導致的遺傳漂變（Geneticdrift）是影響群體遺傳結構的重要因素[3]。遺傳漂變的直接結果就是使基因頻率在世代間發生不定向的隨機波動，這種波動變化導致某些等位基因的消失，另一些等位基因的固定，從而改變了群體的遺傳結構。我國地方雞種資源的保護通常采用小群保種的方式保種，一般的保種群都是一個閉鎖的有限群體，在世代的自繁和基因傳遞過程中，避免不了發生遺傳漂變。保種群體的規模、性別比例以及基因的最初頻率是影響保種群體遺傳漂變的重要因素[4-5]。

本研究利用計算機模擬的方法，通過實驗室檢測PRL一對等位基因的頻率，旨在揭示汶上蘆花雞保種群群體規模和一對等位基因的起始頻率影響群體基因遺傳漂變的程度，從而為科學制定地方雞種保種方案提供一定的理論基礎和依據。

1 材料和方法

1.1 試驗雞群

汶上蘆花雞試驗群來源于中國農業科學院家禽研究所國家級地方雞種基因庫汶上蘆花雞保種群，隨機選取成年公雞30只，母雞170只，共200只。翅靜脈采血0.5 mL，ACD抗凝，加裂解液5 mL，酚-氯仿抽提法提取基因組DNA。

1.2 基因多態性檢測

利用PCR-SSCP技術檢測PRL基因的多態性，發現PRL基因在283處座位存在A、a兩個等位基因，形成AA、Aa和aa3種基因型。設等位基因A、a的頻率分別為p和q（p=1-q），基因型AA、Aa和aa的頻率分別為G、E和F。假設保種群體中每個個體彼此間無親緣關系。群體內實施閉鎖繁育，每個世代參與繁殖個體數相同，整個繼代繁殖過程中基因不發生突變。endprint

1.3 公式模型

保種群體有效含量的公式是Ne=4NsNd/（Ns+Nd），Ns為公雞數量，Nd母雞數量。

隨機保種的群體考慮群體遺傳結構穩定性的問題，對此本研究參考芒來的文章[6]中建立的數學模型，即假設群體無選擇，只考慮一個基因的一個位點上的一對等位基因A、a，一個初始頻率為q的基因，于第t代丟失的概率為p，其相對基因的頻率為p0，t世代的近交系數為Ft，Ft亦是基因的純合率。根據上述參數，可以得出：P=[1-（1-1/2Ne）t]（1-q0）。P即為世代基因丟失或固定的概率。

1.4 計算機模擬

采用EXCEL自行編寫模擬程序，根據試驗群體的群體規模（200只）、性別比例（3∶17）和等位基因A的初始頻率（0.392 5），構建0世代基礎群。基礎群個體的基因型根據等位基因A和a的初始頻率隨機產生，每個世代均實行家系等量隨機留種。后代個體的基因型由隨機來自父、母的2個等位基因構成。整個試驗共進行了800個世代的模擬，計算出等位基因A、a發生丟失的頻率。

2 結果與分析

2.1 PRL基因多態性的實驗室檢測

PCR-SSCP發現PRL基因調控區的pro2位點發生了24 bp的插入/缺失突變，存在3個基因型（圖1）。χ2檢驗表明（表1），PRL基因多態位點在汶上蘆花黃雞群體處于Hardy-Weinberg平衡狀態（P<0.01）。一對等位基因A頻率為0.392 5，a頻率為0.607 5。

2.2 PRL基因遺傳漂變的計算機模擬預測

將PRL等位基因A的起始頻率q，群體有效含量Ne等參數輸入EXCEL自行編寫的程序，模擬800個世代的A的頻率變化，結果見表2。

表2的結果表明，在汶上蘆花雞保種群體中，再經歷20世代，等位基因A的丟失率為5.34%，80世代時等位基因A的丟失率為18.7%，經歷100世代后等位基因A的丟失率為22.4%。如果世代間隔為一年，即400年后A基因丟失率為51.1%，達到一半以上。

在設定的基因頻率和群體規模下，一對等位基因丟失概率的數學模型理論預測結果見表3。

表3列出了假設PRL基因在不同初始基因頻率下4種群體有效含量（群體規模）模擬等位基因A發生丟失（固定）或固定（丟失）的概率。由此可以得出：無論基因的初始頻率如何，等位基因A丟失或固定的概率均隨著群體有效含量的降低而升高，且A基因丟失或固定的概率受其初始頻率的影響較大，A基因的初始基因頻率為0.1和0.9時，每個世代發生丟失或固定的概率基本不變；當初始頻率較低時，群體有效含量越大，A基因發生丟失或固定的概率隨之減少，群體有效含量為400只時，在第10代時發生A的丟失或固定僅為0.1%；當初始頻率為0.5時，所有規模的群體在第10代時出現A基因丟失或固定最小。即便再經歷10年，群體有效含量為400只的群體發生A的丟失或固定僅為1.2%。這說明，初始頻率過低或過高都會加速基因（A或a）在整個群體中的丟失或固定。

3 結論與討論

起始基因頻率越高，其丟失的概率越小。保存一個基因不丟失，當然其頻率越高越有利；群體有效含量越大，丟失基因的概率亦越小。因此，群體的有效含量越大越好，這是符臺目前地方雞種保種的實際情況的。從理論分析結果可以看出，在小群體內基因丟失的概率隨著保存世代的增加而逐漸上升，而上升的速度在早期世代快于后期世代。這就提示了，在地方雞種保種的過程中，對保種早期的世代更應該引起足夠的重視。

PRL基因的模擬結果顯示，在一個群體規模有限的汶上蘆花雞保種群體內，遺傳漂變的作用會導致基因頻率在不同世代間發生隨機波動，并導致2個等位基因中的1個或早或遲地發生丟失（另1個等位基因固定）。汶上蘆花雞保種群體經過20世代后等位基因A的丟失率為5.34%，基因頻率隨機波動是發生在單個基因的一個多態位點上，如果將這個頻率覆蓋整個基因組，基因的丟失率可想而知。如果群體中某一基因的初始頻率過低或過高，則會加快該基因的丟失或固定。相反，較大的群體規模，以及中等水平的初始基因頻率則有利于降低基因丟失或固定的風險。盡管如此，要想在一個有限規模的保種群體中長期保存每一個基因而無一丟失幾乎是不可能的，只能設法通過合理的措施來減緩基因丟失或固定的速率，降低基因丟失或固定的概率。

國家級地方雞種基因庫采用“家系等量隨機選配法” 對我國部分地方雞種進行保護。在保種的過程中，保種群亦是有限規模的閉鎖群體，因此，有必要采取科學合理的措施降低隨機遺傳漂變造成基因丟失或固定的風險，提高基因庫的保種效果[7-8]。汶上蘆花雞是我國珍貴的地方品種，原產于山東省汶上縣，于2009年引入國家級地方雞種基因庫保存。保種群體由于受到個體的血緣關系、人工選擇等影響，實際的保種效果并不能達到模擬的結果，以PRL一對等位基因為例，200只的群體（群體有效含量為102）20世代后等位基因的丟失或固定率達6.18%。受到保種群體規模的限制，只能采取一定的措施，比如可以增加與配公雞的數量，增加群體的有效含量，或者定期從保種群外（保種場或保護區）引入一定數量的本品種，增加和保持群體內的遺傳變異，這對維持群體遺傳結構的相對穩定也具有積極的意義。

參考文獻：

[1]陳寬維.我國畜禽遺傳資源保護理論與方法[J].中國禽業導刊，2009，26（23）：26-27.

[2]吳常信.畜禽遺傳資源保存的理論與技術[J].家畜生態，2001，22（1）：1-4.

[3]張沅.家畜育種學[M].北京：中國農業出版社，2001：319-323.

[4]魯紹雄，毛華明，魯立剛，等.不同初始基因頻率下閉鎖群體遺傳漂變的模擬[J].江蘇農業學報，2009，25（5）：991-996.

[5]張勤.動物遺傳育種中的計算方法[M].北京：科學出版社，2007：125-127.

[6]芒來.隨機保種群體遺傳結構變化規律的研究[J].內蒙古農業大學學報（自然科學版），2002，23（1）：1-8.

[7] DE ROCHAMBEAU H，FOURNET-HANOCQ F，VU TIEN KHANG J.Measuring an dmanaging genetic variability in small populations[J].Ann Zootech，2000，49 ：77-93.

[8]WANG J L.Application of the one-mgrant-per-generation rule to conservation and management[J].Conservation Biology，2004，18（2）：332-343.endprint