崔愛缺,宮昳頔,章秀林,何 洋,張 瑋,韓凌霞,陳繼蘭,李長(zhǎng)龍,陳洪巖*,陳振文*
(1.首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,北京 100069; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所,哈爾濱 150069; 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,北京 100193)
在禽類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中,雞在生命科學(xué)研究和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。目前,北京SPF雞胚的年產(chǎn)量約840萬(wàn)枚,非免疫雞胚也超過(guò)24萬(wàn)枚。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物遺傳質(zhì)量控制是科學(xué)研究結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性的重要保障,也是相關(guān)生物制品質(zhì)量的重要保證。從遺傳學(xué)方面來(lái)說(shuō),目前我國(guó)的實(shí)驗(yàn)用雞有封閉群和主要組織相容性復(fù)合體(MHC)單倍型兩種遺傳特征[1-2]。封閉群是一個(gè)遠(yuǎn)交群體,繁育過(guò)程中應(yīng)保持基因異質(zhì)性和多態(tài)性,繁殖方法應(yīng)避免近交系數(shù)隨繁殖代數(shù)增加而過(guò)快上升。單倍型實(shí)驗(yàn)用雞主要關(guān)注的是個(gè)別或部分基因的同質(zhì)性,繁殖方法采用全同胞或半同胞的繁殖方式。遺傳特性和繁殖方式?jīng)Q定了不同群體的遺傳質(zhì)量要求[3]。
微衛(wèi)星DNA(microsatellite DNA)又稱短串聯(lián)重復(fù)(short tandem repeats,STR),其包括核心序列和側(cè)翼序列兩部分,核心序列是以1~6個(gè)堿基為單位的DNA重復(fù)序列,重復(fù)次數(shù)一般不超過(guò)60次[4-5]。微衛(wèi)星具有信息含量高、基因組分布廣泛、高度多態(tài)性、測(cè)定簡(jiǎn)單快捷等特點(diǎn),已經(jīng)成為應(yīng)用范圍最廣的分子標(biāo)記[6-7]。目前我國(guó)已經(jīng)建立封閉群BWEL雞的微衛(wèi)星DNA的遺傳檢測(cè)方法以及MHC雞的測(cè)序檢測(cè)方法[3,8]。我國(guó)雞的品種非常豐富,應(yīng)用于科學(xué)研究和生物制品生產(chǎn)檢定的品種也很豐富[9]。本研究采用不同遺傳背景的多種實(shí)驗(yàn)用雞,研究探索實(shí)驗(yàn)用雞微衛(wèi)星DNA遺傳檢測(cè)方法,將為實(shí)驗(yàn)用雞遺傳質(zhì)量控制以及其他雞品種的遺傳結(jié)果分析提供參考。
實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)封閉群實(shí)驗(yàn)用雞和3個(gè)單倍型雞群體。封閉群BWEL-SPF雞,樣本40個(gè),37周齡,其中6♂34♀,來(lái)自白來(lái)航雞血統(tǒng)[SCXK(黑)2017-005],目前已封閉飼養(yǎng)20世代;封閉群BM雞樣本40個(gè),14周齡,其中6♂34♀,來(lái)自白來(lái)航雞血統(tǒng)[SCXK(黑)2017-005];封閉群北京油雞樣本46個(gè);MHC單倍型雞選育自第13代BWEL雞群,根據(jù)MHC核心基因連續(xù)選育單倍體型,已采用半同胞兄妹交配方式繁殖至第8代,本次檢測(cè)抽取了G1單倍型雞樣本5個(gè),53周齡,其中1♂4♀;G2單倍型雞樣本5個(gè),93周齡,其中1♂4♀;G7單倍型雞樣本5個(gè),82周齡,其中1♂4♀。北京油雞樣本來(lái)源于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,其余群體的血液樣本來(lái)源于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心暨國(guó)家禽類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物資源庫(kù)。所有實(shí)驗(yàn)做到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物3R原則。
PCR擴(kuò)增儀(ALS1296型,美國(guó)Bio-Rad公司)。電泳儀(PCR-30型,美國(guó)Bio-Rad公司)。血液基因組DNA提取試劑盒(Cat.#DP318-03)購(gòu)于天根生化科技(北京)有限公司,蛋白酶K購(gòu)于北京索萊寶科技有限公司;Taq DNA聚合酶、dNTP購(gòu)于大連寶生物工程有限公司;微衛(wèi)星引物、熒光標(biāo)記微衛(wèi)星引物由北京天一輝遠(yuǎn)生物科技有限公司合成。STR掃描由北京天一輝遠(yuǎn)生物科技有限公司完成。
1.3.1 選取微衛(wèi)星位點(diǎn)
通過(guò)文獻(xiàn)檢索和遺傳信息分析,篩選染色體均勻分布均勻、擴(kuò)增效果好、多態(tài)性好、等位基因明確位點(diǎn)[10-12],用于下一步的實(shí)驗(yàn)篩選。
1.3.2 雞血液樣本DNA的提取
使用血液基因組DNA提取試劑盒(TIANamp Blood DNA Kit)進(jìn)行北京油雞血液樣本DNA的提取,采用紫外分光光度計(jì)和0.7%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)基因組DNA的濃度和純度,所有DNA濃度均稀釋為 50 ng/μL放置-20℃保存。
1.3.3 PCR反應(yīng)條件優(yōu)化和瓊脂糖凝膠電泳初篩
每個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)引物合成后進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR反應(yīng)體系為20 μL,10× buffer 2 μL,上下游引物(100 pM)各 1 μL,4× DNTP (100 μmol/L) 1 μL,Taq DNA聚合酶1 U 1 μL,基因組DNA(50 ng/μL)1 μL,純水(ddH2O) 15 μL,擴(kuò)增時(shí)進(jìn)行溫度梯度擴(kuò)增,擴(kuò)增條件:94℃預(yù)變性5 min;94℃變性30 s;適宜退火溫度30 s;72℃延伸30 s;35個(gè)循環(huán);72℃繼續(xù)延伸7 min;擴(kuò)增產(chǎn)物4℃保存。取擴(kuò)增產(chǎn)物5 μL與1 μL的6×loading buffer混合后置于2%的瓊脂糖凝膠電泳中,120 V,60 min,拍照成像。根據(jù)電泳圖,挑選出擴(kuò)增效率高、特異性好的位點(diǎn)保留,并記錄條帶最清晰時(shí)對(duì)應(yīng)的最適溫度。
1.3.4 熒光標(biāo)記與STR掃描
用FAM、HEX、TAMAR3種熒光標(biāo)記分別標(biāo)記初步篩選位點(diǎn)的上游引物5’端。用標(biāo)記好的熒光引物對(duì)3個(gè)封閉群雞和3個(gè)單倍型雞的基因組DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,將擴(kuò)增好的PCR產(chǎn)物送往北京天一輝遠(yuǎn)生物科技有限公司進(jìn)行STR掃描。
1.3.5 統(tǒng)計(jì)分析STR掃描結(jié)果
將最終的掃描結(jié)果導(dǎo)入Gene Marker V2.2.0軟件,對(duì)于出現(xiàn)的典型波形進(jìn)行分析與歸類:樣本基因型若為純合,則只有一個(gè)主波; 樣本若為雜和基因型,則有兩個(gè)或以上主波。
利用Gene Marker V2.2.0 軟件讀出6個(gè)群體樣本在每個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)的擴(kuò)增片段大小,并將每個(gè)位點(diǎn)的等位基因按照擴(kuò)增片段由小到大的順序分別標(biāo)記為A、B、C、D等,將其基因型按照AA、AB等格式輸入popgene 3.2軟件進(jìn)行分析,得到在每個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)上的觀測(cè)等位基因數(shù)、有效等位基因數(shù)、香隆指數(shù)和有效雜合度等信息[13]。利用PIC計(jì)算程序軟件計(jì)算多個(gè)位點(diǎn)的多態(tài)信息含量,將從popgene 3.2軟件中得到的每個(gè)位點(diǎn)的等位基因數(shù)以及等位基因在群體中的頻率輸入記事本中,建立一個(gè)擴(kuò)展名為dat的文本文件,將該文件導(dǎo)入PIC計(jì)算程序軟件中可得到位點(diǎn)PIC值。
通過(guò)文獻(xiàn)檢索和基因信息分析,共計(jì)獲得72個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)。在瓊脂糖凝膠電泳中出現(xiàn)特異性的條帶共計(jì)58個(gè)位點(diǎn),其條帶范圍為50~350 bp。封閉群位點(diǎn)初篩最終選出多態(tài)性較好的37個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)。在單倍型中選出單態(tài)性好的32個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)。以LEI0094位點(diǎn)為例,結(jié)果如圖1所示,LEI0094位點(diǎn)在封閉群中呈現(xiàn)多態(tài),在單倍型群體中為單態(tài)出現(xiàn)。

注:圖1-A:位點(diǎn)LEI0094在北京油雞樣本的瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果;圖1-B:位點(diǎn)LEI0094在G1樣本的瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果。圖1 實(shí)驗(yàn)用雞微衛(wèi)星DNA位點(diǎn)LEI0094的瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果Note. Figure 1A, LEI0094 in closed group of Ⅲ. Figure 1B, LEI0094 in inbred line G1.Figure 1 Results of agarose gel electrophoresis of microsatellite DNA locus LEI0094 in the experimental chickens
將瓊脂糖凝膠電泳初篩獲得位點(diǎn)進(jìn)行STR 掃描,并且將最終的掃描結(jié)果導(dǎo)入Gene Marker軟件,讀出并記錄波峰處的擴(kuò)增產(chǎn)物的長(zhǎng)度。排除等位基因較少、波峰形狀異常的位點(diǎn)后,最后確定用于封閉群遺傳檢測(cè)位點(diǎn)28個(gè),用于單倍型遺傳檢測(cè)的位點(diǎn)14個(gè),其中共用位點(diǎn)13個(gè)。其中GGVITC位點(diǎn)為共用位點(diǎn),其在封閉群中為多態(tài),存在122 bp、140 bp和146 bp的片段;在單倍型三個(gè)群體中均呈現(xiàn)為單態(tài),但是在三個(gè)群體間存在差異,在G1群體中為150 bp的片段,在G2群體中為142 bp的片段,在G7群體中為146 bp的片段,結(jié)果如圖2所示。位點(diǎn)ADL0292在G1、G2群體中為單一峰,分別呈現(xiàn)128 bp和124 bp的片段,在G7群體中存在明顯雙峰,呈現(xiàn)120 bp和126 bp的片段。所有微衛(wèi)星DNA位點(diǎn)信息見表1。
2.3.1 群體位點(diǎn)分析
將從STR中得到實(shí)驗(yàn)用雞的位點(diǎn)信息輸入popgene 3.2后分析得到實(shí)驗(yàn)用雞樣品在封閉群和單倍型的29個(gè)位點(diǎn)上的觀測(cè)等位基因數(shù)、有效等位基因數(shù)、有效雜合度及香隆指數(shù)。在封閉群中,28個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)均表現(xiàn)出高度多態(tài)性,平均觀測(cè)等位基因數(shù)為7.9643個(gè),其中LEI0141位點(diǎn)和LEI0094位點(diǎn)最高為16個(gè),GGVITIIG*位點(diǎn)和GGNCAMZO位點(diǎn)最低為2個(gè);平均有效等位基因數(shù)為4.9459個(gè),其中LEI0141位點(diǎn)最高為9.3284個(gè),GGVITIIG*位點(diǎn)最低為1.8349個(gè);平均香隆指數(shù)為1.667,其中LEI0141位點(diǎn)最高為2.4409,GGVITIIG*位點(diǎn)最低為0.6474,表明在封閉群中,篩選位點(diǎn)的遺傳多樣性較好,且各位點(diǎn)的遺傳多樣性差別較大;平均有效雜合度為0.563,MCW0347位點(diǎn)最高為0.833,ADL0201位點(diǎn)最低為0.2183,表明群體中雜合度差異大,多數(shù)位點(diǎn)存在兩個(gè)及兩個(gè)以上等位基因。具體信息見表2。

表1 用于實(shí)驗(yàn)用雞遺傳檢測(cè)的29個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)
(續(xù)表1)

位點(diǎn)Loci引物序列(5'-3') Primer sequence 退火溫度(℃)Temperature等位基因數(shù)Allele number 等位基因范圍Allele range 適用群體Applicable groupsADL0201GCTGAGGATTCAGATAAGACAATGGCYGACGTTTCACAGC58.55151~179封閉群MCW0402ACTGTGCCTAGGACTAGCTGCCTAAGTCTGGGCTCTTCTG56.07177~203封閉群?jiǎn)伪缎蚐TMSGGHU2-1ACTTAATATGTGTGAGGTGGCGTTCTCACAATTGCATTAGC53.93158~165封閉群?jiǎn)伪缎?/p>

表2 封閉群實(shí)驗(yàn)用雞樣品的觀測(cè)等位基因數(shù)、有效等位基因數(shù)、有效雜合度、PIC和香隆指數(shù)

注:圖2-A:位點(diǎn)GGVITC下封閉群動(dòng)物中表現(xiàn)為多態(tài),分別為122 bp和146 bp;圖2-B:位點(diǎn)GGVITC下單倍型G1動(dòng)物中表現(xiàn)為150 bp單態(tài);圖2-C:位點(diǎn)GGVITC下單倍型G2動(dòng)物中表現(xiàn)為142 bp單態(tài);圖2-D:位點(diǎn)GGVITC下單倍型G7動(dòng)物中表現(xiàn)為146 bp單態(tài)。圖2 實(shí)驗(yàn)用雞微衛(wèi)星DNA位點(diǎn)GGVITC的STR掃描結(jié)果Note. Figure 2A, The STR diagram corresponding to the sample of closed group under primer GGVITC shows heterozygote with two wave peaks of 122 bp and 146 bp, respectively. Figure 2B, The STR graph corresponding to the sample of haploid type under primer GGVITC shows homozygote with a wave peak of 150 bp. Figure 2C, The STR graph corresponding to the sample of haploid type under primer GGVITC shows homozygote with a wave peak of 142 bp. Figure 2D, The STR graph corresponding to the sample of haploid type under primer GGVITC shows homozygote with a wave peak of 146 bp.Figure 2 Results of GGVITC scan of the experimental chekens
在3個(gè)單倍型群體中,14個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)均表現(xiàn)出一致的單態(tài)性,平均觀測(cè)等位基因數(shù)為2.0714個(gè),STMSGGHU2-1A位點(diǎn)最高為3個(gè),其余位點(diǎn)均為2個(gè),主要由于單倍型3個(gè)群體中位點(diǎn)一致性良好,但3個(gè)群體間存在差異;平均有效等位基因數(shù)為1.6972個(gè),STMSGGHU2-1A位點(diǎn)最高為2.1778個(gè),MCW0402位點(diǎn)最低為1.3243個(gè);平均香隆指數(shù)為0.5995,STMSGGHU2-1A位點(diǎn)最高為0.876,MCW0402位點(diǎn)最低為0.4101,表明位點(diǎn)遺傳多樣性差,各位點(diǎn)遺傳多樣性相近;平均有效雜合度為0.3794,STMSGGHU2-1A位點(diǎn)最高為0.4983,MCW04021位點(diǎn)最低為0.2317,表明雜合度差異較小,所選位點(diǎn)的遺傳信息較為單一。具體信息見表3。
2.3.2 群體遺傳結(jié)構(gòu)分析
在3個(gè)封閉群中,北京油雞平均觀測(cè)等位基因數(shù)、平均有效等位基因數(shù)、平均香隆指數(shù)和平均有效雜合度均最高,表明北京油雞群體多樣性最好。BM種群中平均觀測(cè)等位基因數(shù)、平均有效等位基因數(shù)、平均香隆指數(shù)均最低,平均有效雜合度與BWEL均為0.5566。表明BM種群多樣性最低(表4)。
在單倍型群體中,單倍型G2、G7平均觀測(cè)等位基因數(shù)最高為2個(gè),單倍型G1最低為1.8571個(gè),三個(gè)群體內(nèi)異質(zhì)性較好,但是群體間存在一定的差異,主要受其繁殖方式(全同胞或半同胞)的影響。單倍型G2平均有效等位基因數(shù)最高為1.7243個(gè),單倍型G1最低為1.6154個(gè)。單倍型G7平均香隆指數(shù)最高為0.5881,單倍型G1最低為0.5108。單倍型G1、G2、G7平均有效雜合度均為0.3794。3個(gè)群體的遺傳雜合度很低且一致性好(表5)。
從DNA水平研究生物遺傳多樣性有多種研究方法,微衛(wèi)星DNA、線粒體DNA(mtDNA)、限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性(PCR-RFLP)、單鏈構(gòu)象多態(tài)性(PCR-SSCP)和特定基因多態(tài)性等方法。趙獻(xiàn)芝等[14]采用將微衛(wèi)星標(biāo)記與熒光標(biāo)記引物測(cè)序相結(jié)合的技術(shù)研究了重慶地方雞品種的遺傳多樣;武艷平等[15]利用mtDNA的D-loop 區(qū)來(lái)分析江西地雞品種的群體結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)關(guān)系及系統(tǒng)進(jìn)化情況;周敏等[16]采用此方法對(duì)4個(gè)雞品種進(jìn)行VIPR-1 基因遺傳多樣性分析;常國(guó)斌等[17]運(yùn)用該方法檢測(cè)雞A-FABP基因的SNP及后代分離群體不同基因型的時(shí)空表達(dá)規(guī)律。微衛(wèi)星DNA具有多態(tài)性高、共顯性遺傳和高分辨率等特點(diǎn),且微衛(wèi)星標(biāo)記較之其他方法如PCR-SSCP,有著操作簡(jiǎn)單、分析程序簡(jiǎn)潔、研究所需DNA量較小等優(yōu)勢(shì),故而本研究選擇采用微衛(wèi)星DNA分子標(biāo)記技術(shù)。
在微衛(wèi)星多態(tài)性分析中,分型方法主要包括瓊脂糖凝膠電泳法、聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE) -銀染法、熒光標(biāo)記引物測(cè)序法[18]。瓊脂糖凝膠電泳操作簡(jiǎn)便、快速, 但是分辨率不高;PAGE-銀染法分辨率高,操作繁瑣,受其他因素影響大,而且在進(jìn)行大批量樣本和標(biāo)記分型時(shí)工作量大;熒光標(biāo)記引物測(cè)序法,可以克服肉眼分辨能力不客觀等缺點(diǎn),得到更加清晰的圖譜和準(zhǔn)確的分析結(jié)果,快捷準(zhǔn)確,真正實(shí)現(xiàn)了高通量與自動(dòng)化的結(jié)合,試驗(yàn)周期短,結(jié)果理想。另外,對(duì)于MHC單倍型雞的判定還可以采用PCR結(jié)合直接測(cè)序法,這種方法針對(duì)MHC核心區(qū)域的2個(gè)片段進(jìn)行擴(kuò)增并測(cè)序?qū)Ρ萚3],適用于部分序列高度一致的群體,但此種方法對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備要求較高。因此,分析對(duì)比各種分型方法的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況,本實(shí)驗(yàn)選擇熒光標(biāo)記引物測(cè)序法。

表3 單倍型實(shí)驗(yàn)用雞樣品的觀測(cè)等位基因數(shù),有效等位基因數(shù),有效雜合度和香隆指數(shù)

表4 雞封閉群群體的平均觀測(cè)等位基因數(shù)、平均有效等位基因數(shù)、平均香隆指數(shù)、平均有效雜合度的比較

表5 單倍型雞群體的平均觀測(cè)等位基因數(shù)、平均有效等位基因數(shù)、平均香隆指數(shù)、平均有效雜合度的比較
雜合度是度量群體遺傳變異的一個(gè)參數(shù)。張劍等[19]利用29對(duì)微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)北京油雞保種群192個(gè)個(gè)體進(jìn)行了遺傳多樣性檢測(cè),發(fā)現(xiàn)29個(gè)微衛(wèi)星中有19個(gè)位點(diǎn)呈高度多態(tài),且平均期望雜合度為0.59。本研究中,封閉雞群的平均期望雜合度為0.56,其中北京油雞的平均期望雜合度為0.5630,與張劍等人研究結(jié)果相似,這也進(jìn)一步證明北京油雞具有豐富的遺傳多樣性和較高的選擇潛力,可能是由于北京油雞群體較大等原因?qū)е?。在本研究?個(gè)單倍群體中平均有效雜合度均為0.3794,表明單倍型實(shí)驗(yàn)用雞群體一致較好。這由于長(zhǎng)期的全同胞和半同胞繁殖的結(jié)果。
多態(tài)信息含量(PIC)是衡量基因變異程度高低的一個(gè)指標(biāo),多態(tài)信息含量越高,基因座所提供的遺傳信息就越多[20]。本研究中,封閉群28個(gè)微衛(wèi)星座位中有26個(gè)位點(diǎn)處于高度多態(tài),2個(gè)位點(diǎn)為中度多態(tài),無(wú)低度多態(tài)位點(diǎn)。28個(gè)微衛(wèi)星座位的平均PIC為0.7162,能夠?yàn)樵u(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)用雞的遺傳多樣性提供充分的信息。在3個(gè)單倍型群體中,所采用的14個(gè)位點(diǎn)中13個(gè)位點(diǎn)均表現(xiàn)為單態(tài),只有1個(gè)位點(diǎn)表現(xiàn)為多態(tài),說(shuō)明單倍型群體產(chǎn)期的近交繁育使得其遺傳背景高度一致化。但是13個(gè)呈現(xiàn)單態(tài)的位點(diǎn)在單倍型群體間也存在差異,表明不同單倍型群體間依然存在不同。
實(shí)驗(yàn)用雞的遺傳質(zhì)量控制對(duì)生命科學(xué)研究和生物制品生產(chǎn)具有非常重要的意義。本研究中選擇3個(gè)封閉群實(shí)驗(yàn)用雞群體和3個(gè)單倍型雞群體,通過(guò)PCR、瓊脂糖凝膠電泳法和STR方法篩選,初步建立封閉群和單倍型實(shí)驗(yàn)用雞的微衛(wèi)星DNA的遺傳檢測(cè)方法,并在3個(gè)封閉群和3個(gè)單倍型實(shí)驗(yàn)用雞的群體中進(jìn)行了應(yīng)用。本研究建立的微衛(wèi)星DNA檢測(cè)方法適用于實(shí)驗(yàn)用雞的遺傳質(zhì)量檢測(cè)。