基于基因組遺傳標記的上海白豬(上系)雜交優(yōu)勢預測分析

盛中華，陳國宏，潘玉春，王起山，張 哲

(1揚州大學動物科學與技術(shù)學院，揚州 225009；2上海市閔行區(qū)動物疫病預防控制中心，上海 201109；3上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院，上海 200240)

上海白豬是肉脂兼用型品種，具有肉質(zhì)好、產(chǎn)仔數(shù)較多、耐粗飼和胴體瘦肉率較高等優(yōu)點，已被列入《上海市畜禽遺傳資源保護名錄》。上海白豬分3個品系，其中上系分布于上海近郊的原上?？h。近二十年來，受洋豬種的嚴重沖擊，上海白豬(上系)因沒有有效的開發(fā)利用，群體規(guī)模受到了較大的影響，因此如何利用上海白豬(上系)的優(yōu)勢對其進行合理應用，是本研究的目的所在。

結(jié)合引進品種生長速度快、瘦肉率高等特點，充分發(fā)揮雜種優(yōu)勢，開發(fā)高效的上海白豬(上系)雜交模式是解決上述問題的一個重要突破口。但在育種實踐中，根據(jù)幾個候選親本確定最優(yōu)的雜交組合十分困難。主要是因為候選二元、三元甚至四元雜交組合繁多，而且對于評價雜種優(yōu)勢的指標——配合力的測定通常針對的是雜交試驗所產(chǎn)生的商品代而言的。如果對于每個可能的組合都進行雜交試驗的話，不僅費時，而且費力[1]。所以，采用適當?shù)姆椒ㄔ陔s交試驗開始之前進行雜種優(yōu)勢預測從而指導雜交試驗就顯得更加切實可行。

根據(jù)數(shù)量遺傳學的基本理論，雜種優(yōu)勢與兩雜交親本之間的遺傳距離成正比，可以利用遺傳距離來對雜種優(yōu)勢進行預測[2-3]。隨著二代測序技術(shù)的飛速發(fā)展，基于全基因組范圍的分子標記構(gòu)建遺傳圖譜更為可靠[4]。常規(guī)的基于全基因組數(shù)據(jù)計算遺傳距離的雜種優(yōu)勢預測是利用全基因組標記的平均遺傳距離，對某一特定性狀而言，我們需剔除和該性狀無關(guān)的標記，以免影響平均遺傳距離的準確性。鑒于此，本研究選用五個引進品種(杜洛克，長白豬、大白豬，皮特蘭，巴克夏)和上海白豬所構(gòu)成的六個候選親本，利用測序得到的全基因組SNP遺傳標記，基于性狀特異的雜種優(yōu)勢預測方法，開展上海白豬(上系)的雜種優(yōu)勢預測分析，得到最優(yōu)雜交組合，為后續(xù)的上海白豬(上系)的配合力測定和雜交應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用99頭上海白豬(上系)的耳組織樣采自上海市閔行區(qū)畜禽種場的保種群。引進的品種包括杜洛克(48頭)、長白豬(37頭)、大白豬(35頭)、皮特蘭(20頭)、巴克夏豬(16頭)，共計156個個體。

1.2 SNP遺傳位點的獲得

基于Illumina公司Hiseq2000平臺，采用基因組簡化測序技術(shù)(Genotyping by Genome Reducing and Sequencing，GGRS)進行雙端測序[5-6]。缺失基因型的填補利用Beagle 4.1完成[7]。過濾掉最小等位基因頻率(MAF)小于0.05的SNP位點，共獲得100 120個SNP，用于雜交優(yōu)勢預測分析。

1.3 性狀特異多態(tài)位點篩選

1.4 性狀特異分子距離矩陣構(gòu)建

根據(jù)各性狀對應的 SNP位點的個體間分型信息，計算各雜交組合中兩親本群體的同態(tài)相同的概率(Identity by descent，IBS)。假定有k個待雜交優(yōu)勢預測分析的群體，針對一個SNP位點，令qk,l,i為第k個群體內(nèi)第l個個體該位點的第j個次等位基因的頻率(純合時等于1，雜合時為0.5，另一個等位基因純合時等于0)。則群體k的第j個等位基因的頻率為：

(1)

Ni為i群體的個體數(shù)。群體i、j間的同態(tài)相同率為：

(2)

a為k位點的等位基因數(shù)。假若共有M個SNP位點，則i、j兩個群體的平均同態(tài)相同率可用M個位點的算術(shù)平均，即：

(3)

另外，雜種的生產(chǎn)性能(P)不僅取決于雜種優(yōu)勢部分(H)，也取決于加性效應部分(兩個親本純繁性能的均值M)，即

P=M+H

(4)

所以最優(yōu)雜交組合的最終篩選應綜合考慮二者。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜交組合的初步篩選

杜洛克(D)、巴克夏(B)、皮特蘭(P)因為純繁時繁殖性能很差，所以通行做法是只作父系品種——在二元雜交與三元雜交中做終端父本、雙雜交中做父系父本或者父系母本。長白豬(L)純繁時繁殖性能較好，但適應性較差，所以可做各級父本或者父系母本——在二元雜交中作父本、三元雜交中做終端父本或者母系父本、雙雜交中作父系母本。上海白豬(上系)(S)純繁時產(chǎn)仔數(shù)較高、適應性較好，同時其瘦肉率也較高所以不僅可以做母本，也可做父本。雜交組合設置如表1所示，并基于初步篩選的結(jié)果開展后續(xù)的雜種優(yōu)勢預測。

表1 雜交組合的初步篩選

注：S：上海白豬；B：巴克夏；P：皮特蘭；D：杜洛克；L：長白豬；Y：大白豬；LS：長白×上海白豬雜交豬；YSSY：大白豬×上海白豬雜交豬上海白豬×大白雜交豬；LY：長白×大白雜交豬；DBBD：杜洛克×巴克夏雜交豬巴克夏×杜洛克雜交豬；DPPD：杜洛克×皮特蘭雜交豬皮特蘭×杜洛克雜交豬；DL：杜洛克×長白雜交豬；DY：杜洛克×大白雜交豬；DS：杜洛克×上海白豬雜交豬；BPPB：巴克夏×皮特蘭雜交豬皮特蘭×巴克夏雜交豬；BL：巴克夏×長白雜交豬；BY：巴克夏×大白雜交豬；BS：巴克夏×上海白豬雜交豬；PL：皮特蘭×長白豬雜交豬；PY：皮特蘭×大白雜交豬；PS：皮特蘭×上海白豬雜交豬?！虡俗R為候選雜交組合

2.2 不同組合的雜種優(yōu)勢

(1)二元雜交

二元雜種主要考慮純種的繁殖性能與肉豬的生長、胴體與肉質(zhì)、健康。由圖1可見杜上(DS)、長上(LS)的雜種優(yōu)勢較高。

(2)三元雜交

三元雜交需要考慮三個純種和二元雜種母豬的繁殖、健康性狀。圖2可見長上(LS)較好。

而幾種三元雜交的三元雜種肉豬在生長、胴體與肉質(zhì)、健康三類性狀上的雜種優(yōu)勢如圖3所示，可見上長大(SLY)最好。

圖1 二元雜種肉豬雜種優(yōu)勢預測結(jié)果Fig.1 Prediction of Heterosis in two-way crossbreds

圖2 三元雜交中二元雜種母豬繁殖與健康性狀的雜種優(yōu)勢Fig.2 Prediction of Heterosis of reproductive and health traits for binary hybrid sows in three-way crossbreds

(3)雙雜交

雙雜交涉及四個純種繁殖、健康性狀及二元雜種公豬、母豬繁殖、健康。結(jié)合圖4，杜上(DS)、杜長(DL)等公豬較好。

圖3 三元雜交肉豬雜種優(yōu)勢預測結(jié)果Fig.3 Prediction of Heterosis in three-way crossbreds

圖4 雙雜交中父代種豬的繁殖、健康性狀雜種優(yōu)勢預測結(jié)果Fig.4 Prediction of Heterosis of reproductive and health traits of parental hybrid pigs in double-hybrids

雙雜交的四元雜種肉豬涉及生長、胴體與肉質(zhì)、健康三類性狀。圖5所示：杜長大上(DLYS)最優(yōu)、杜上長大(DSLY)次之。

圖5 雙雜交四元雜種肉豬雜種優(yōu)勢預測結(jié)果Fig.5 Prediction of heterosis of hybrid pigs in four-way crossbreds

3 討論

地方豬品種的開發(fā)與利用最重要的措施就是進行雜交。雜種優(yōu)勢預測的作用在于雜交試驗開始之前就預測出潛在的最優(yōu)組合，從而大幅降低育種成本。此外，不論哪種雜交方式，都分種豬、肉豬兩類群體。對種豬，我們重點關(guān)注繁殖、健康性狀；對肉豬，重點關(guān)注生產(chǎn)、胴體、肉質(zhì)與健康性狀。而合理地整合各類信息，可使預測變得更加準確。隨著表型到基因組的研究逐漸增多，QTLdb這樣整合QTL定位研究結(jié)果的數(shù)據(jù)庫也隨之產(chǎn)生，而QTL區(qū)段中所包含的基因可能是影響其所關(guān)聯(lián)性狀的關(guān)鍵基因。然而，一個QTL的區(qū)段往往很長，其包含大量的基因。本研究中，我們應用了元分析的方法，既縮小了QTL的區(qū)間范圍，也提高了QTL置信度。

雜種優(yōu)勢是由等位基因之間的顯性效應和非等位基因之間的上位效應所產(chǎn)生的，后者由于作用方式復雜而不易估計，前者形成的物質(zhì)基礎是雜合子。而IBS是衡量兩親本產(chǎn)生后代在某一位點能形成純合子的概率，所以IBS與雜種優(yōu)勢應該呈現(xiàn)負相關(guān)趨勢。性狀特異的分子標記在動物育種中的應用也有報道，由性狀特異標記構(gòu)建的相關(guān)矩陣使得BLUP方法在全基因組選擇的準確性有所提高[10]。由此可見，性狀特異的分子標記雖然減少了計算中使用標記的數(shù)量，但實際上加入了性狀特異這一“先驗”信息，提高了估計的準確性。

在實際生產(chǎn)實踐中，雜種的生產(chǎn)性能不僅取決于雜種優(yōu)勢部分，也取決于加性效應部分(兩個親本純繁性能的均值)，所以最優(yōu)雜交組合的最終篩選應綜合考慮二者。比如根據(jù)繁殖性狀二元雜交的Kinship結(jié)果，杜上(DS)、長上(LS)的雜種優(yōu)勢較高。三元雜交方面，從繁殖性能的雜交優(yōu)勢看，LS>YS>LY。LY盡管可能雜種優(yōu)勢較小，但因L、Y兩個品種的純繁性能都很高，故其繁殖性能依然可能很高。由此可見，雜種優(yōu)勢預測的準確性則取決于整合有用的信息的多少，不僅僅需要利用基因組層面的信息，也需要與生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗相結(jié)合，比如杜洛克不做母本等等，利用這些信息，就可以預先排除一些組合。而在分性狀探討雜種優(yōu)勢時，難免會出現(xiàn)不能兼顧幾個性狀的情況，比如在我們的預測結(jié)果中，LS繁殖性能表現(xiàn)較好，而LY與上海白豬(上系)公豬結(jié)合后生產(chǎn)的三元雜種在生長性能方面較優(yōu)，此時就應綜合考慮，LY雖然在繁殖性能方面的顯性效應較小，但是其加性效應較大，而且在健康性狀方面，根據(jù)我們的預測結(jié)果S×LY也是表現(xiàn)最好的雜交組合。

結(jié)合預測分析結(jié)果，若考慮繁殖性能與育肥性能，D×LS、D×YS、S×LY這三種雜交組合均可。但從經(jīng)營管理角度看，若采用上海白豬(上系)作為終端父本，這樣上海白豬(上系)母豬用量不大，但公豬用量增多，因而可以在群體數(shù)量整體變動不大的情況下，加大了上海白豬(上系)的群體有效含量，對上海白豬(上系)的保種有實際意義。另外，S×LY這一雜交模式中，長大二元雜種因為在市場上存在更為普遍，因而長大二元雜種母豬更容易獲得且便于現(xiàn)代化的管理。針對胴體與肉質(zhì)性能的測定結(jié)果，由于西方瘦肉型豬種作為終端父本的優(yōu)勢強于上海白豬(上系)，因而DLS與DYS優(yōu)于PLY。但綜合考慮經(jīng)營管理、成本、其他性狀及當前市場對優(yōu)質(zhì)豬肉的需求，S×LY更加值得推廣。