西門塔爾牛與我國地方黃牛的雜種優勢預測分析

范婷婷，陳 燕，張路培，徐凌洋，高會江，李俊雅，高 雪

(中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京100193)

我國肉牛品種主要為地方黃牛品種。黃牛品種作為我國的特色資源，具有耐粗飼、抗逆性好、肉質細嫩等優點，但因其役用的歷史緣故，同時也存在生長速度緩慢，體型發育不佳、胴體產肉少、優質牛肉切塊率低等缺陷[1]。為了增加產肉量，提高牛肉品質，我國引入了大量優良的外國肉牛品種，對本土黃牛品種進行雜交改良，培育出了很多優秀的肉用專門化品種，例如利用夏洛萊培育了遼育白牛和夏南牛。我國自20世紀50年代開始引進西門塔爾牛，利用西門塔爾牛與本地牛進行雜交后選育獲得了生產性能良好的中國西門塔爾牛[2]和蜀宣花牛[3]兩個乳肉兼用新品種，而且兩個培育的新品種在我國的適應性較好。西門塔爾牛的雜交后代占我國肉牛飼養產業的80%以上，是我國肉牛生產及改良所用的主導品種。雜種優勢利用成為了提高地方黃牛生產性能的重要途徑之一。雜種優勢利用的一般方法是在雜交試驗的基礎上進行不同親本種群之間的雜交，然后對雜種后代進行評比鑒定，最終篩選出最佳的雜交組合進而應用于生產。這個過程不僅耗費大量的人力、物力和時間[4]，而且畜禽的種群又很多，不可能全部兩兩進行雜交試驗，同時大量的雜交試驗也帶來了育種結果的不確定性。因此，在雜交試驗之前對親本組合潛在的雜種優勢進行快速、準確的預測，對最終獲得符合生產目標的雜交種，加快育種進程，提高育種效率具有重要的意義。

隨著現代分子生物學和分子遺傳學的發展，使利用分子水平的遺傳標記預測畜禽雜種優勢和估計畜禽基因組雜種優勢及其組成成分[5-7]成為了可能[8]。目前應用最廣泛的是通過微衛星標記預測雜種優勢，但是其研究結果卻有很大的不一致性[9-11]。而SNP標記以其存在的優勢開始被研究者發現，并發掘其在雜種優勢預測中的潛在價值。Amuzu-Aweh 等[12]利用全基因組SNPs研究白來航雞純系品種的雜交數據，對雜種優勢進行預測，發現雜種優勢與親本品系之間等位基因頻率之差的平方(SDAF)成正比，預測的雜種優勢準確率達到了50%。徐忠等[13]利用全基因組與性狀相關的SNPs分子標記估算不同群體間的遺傳距離，對金華豬不同雜交模式下的雜種優勢進行預測，篩選不同雜交模式下較優的雜交組合。雖然SNP標記得到了廣泛的應用，但是關于SNP標記在牛雜種優勢預測上的研究報道并不多。

本研究以西門塔爾牛及地方黃牛作為親本構建雜交群體，并利用770K高密度芯片進行基因分型，分別用全基因組和與性狀相關的SNPs數據估算親本間的遺傳距離，預測親本各雜交組合生長發育及胴體性狀的雜種優勢， 以篩選出較優的雜交組合，為地方黃牛的雜交改良提供一定的理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

自內蒙古錫林郭勒盟烏拉蓋管理區牧場收集1 222頭 西門塔爾牛(Chinese Simmental beef cattle，CSC)群體的數據，此西門塔爾牛群體是將國外引進西門塔爾牛與本地北方黃牛進行雜交后選育獲得的，經過十幾年的選種選育已經逐漸偏向肉用。8個地方黃牛品種共190頭，采集血樣，提取基因組DNA，獲得基因型數據。地方黃牛品種的具體信息見表1。其中蒙古牛、西藏牛和柴達木牛為北方黃牛品種，其余地方黃牛為南方黃牛品種。選擇的目標性狀為生長發育、胴體和肉質性狀，包括初生重(birth weight，BW)、胴體重(carcass weight，CW)、周歲重(yearling weight，YW)和大理石花紋評分(marbling score，MS)性狀。

表1 地方黃牛各品種信息

1.2 血液樣本基因分型和質量控制

使用llumina BovineHD(770K)芯片對1 222頭西門塔爾牛群體和190頭地方黃牛個體進行基因分型，在分析之前，利用PLINK v1.90軟件[14]對基因型數據進行質量控制，剔除不合格的個體和SNPs，質控標準：1)SNPs檢出率>95%；2)SNP的最小等位基因頻率>1%；3)哈代-溫伯格平衡檢驗(P>10-6)；4)個體SNP缺失率<0.1；5)SNP位于常染色體。質控后，地方黃牛190個個體和622 162個SNPs用于分析，西門塔爾牛1 217個個體和675 029個 SNPs用于分析。接著利用BEAGLE v3.3.2軟件對缺失位點的基因型進行填充。

1.3 性狀相關SNP位點篩選

將牛QTL數據庫(https://www.animalgenome.org/cgi-bin/QTLdb/BT/index)中關于生長、胴體和肉質性狀的QTLs篩選出來。通過Perl軟件將目的性狀QTL與牛參考基因組進行比對，分別獲得包含基因的性狀QTL，從而篩選出與胴體和肉質、生長性狀相關的QTL集合。然后通過R軟件將檢測到的SNPs位點映射到這些包含基因的性狀QTL中，以找到落入QTL覆蓋區間內的標記SNPs。

1.4 群體遺傳結構分析

為避免互相連鎖的SNPs對群體結構分析的影響，選取經PLINK修剪后相互之間連鎖不平衡系數 (r2)小于0.2的全基因組SNPs及與性狀相關的SNP進行主成分分析(principal component analysis，PCA)(參數：indep-pairwise 50 5 0.2)，分析雜交組合兩個群體之間的遺傳背景聯系。通過PLINK軟件 (參數：--pca) 進行主成分分析，輸出結果用R軟件畫圖展現。

1.5 群體間遺傳距離

2 結 果

2.1 性狀相關的SNP位點分析

通過將西門塔爾牛和地方黃牛的SNPs位點與牛QTL數據庫中關于生長、胴體和肉質性狀的QTL進行映射，找到與牛大理石花紋評分、胴體重、初生重和周歲重性狀潛在相關聯的SNPs。西門塔爾牛和地方黃牛與性狀相關的SNP數見表2。

表2 與性狀相關的SNP數

2.2 群體的主成分分析

通過全基因組SNPs和與性狀相關的SNPs標記對西門塔爾牛和地方黃牛品種的9個雜交組合進行主成分分析，結果如圖1、圖2所示。從全基因組SNP主成分分析的結果(圖1)可以看出，PC1能夠解釋57.43%的遺傳變異，PC2能夠解釋20.86%的遺傳變異。結合PC1和PC2，發現西門塔爾牛群體聚集在一起，南方地方黃牛品種聚集在一起，北方地方黃牛品種聚集在一起。根據PC1可以明顯的將南方黃牛品種(南丹牛、文山牛、涼山牛、平武牛、昭通牛)從所有群體中分開，而涼山牛、平武牛、昭通牛相對聚集在一起，分化程度較低，親緣關系相較于南丹牛和文山牛要近；西門塔爾牛群體與北方黃牛品種(蒙古牛、西藏牛、柴達木牛)相距比較近，表明西門塔爾牛與北方黃牛的親緣關系相對于南方黃牛較近，遺傳背景差異較小。從與性狀相關SNPs主成分分析的結果(圖2)可以看出，其結果與用全基因SNPs進行主成分分析的結果大致相同。

圖1 根據全基因組SNPs對西門塔爾牛和地方黃牛群體進行主成分分析Fig.1 Principal component analysis of Chinese Simmental beef cattle and Chinese local cattle populations based on genome-wide SNPs

2.3 各雜交組合間遺傳距離比較

由全基因組SNPs及與4個性狀具有潛在關聯的SNPs計算的親本間的遺傳距離見表3、圖3，結果顯示，在全基因組水平上，9個親本間的遺傳距離范圍為0.306 6～0.323 7，對于初生重性狀，9個親本間的遺傳距離變幅為0.301 4～0.323 0，在胴體重性狀上，9個 親本間的遺傳距離變幅為0.297 4～0.316 2，對于大理石花紋評分性狀，9個親本間的遺傳距離變幅為0.297 2～0.312 5，在周歲重性狀上，9個親本間的遺傳距離變幅為0.305 3～0.322 5。在各性狀中，遺傳距離最大的親本組合都是CSC與NDC。除了大理石花紋評分性狀是CSC與ZTC之間的遺傳距離最小，其余性狀遺傳距離最小的親本組合都是CSC與PWC。因此，從總體水平來看，在各性狀上西門塔爾牛與南丹牛雜交獲得的雜種優勢可能最大。以上結果與PCA分析的結果相似性很高。

西門塔爾牛與不同地域地方黃牛的之間的遺傳距離見圖4、圖5。西門塔爾牛與北方黃牛組成的雜交組合中(圖4)，在初生重和胴體重性狀上，遺傳距離排序為CSC×CDM > CSC×MGC > CSC×XZC；在大理石花紋評分性狀上，遺傳距離排序為CSC×MGC > CSC×CDM > CSC×XZC；在周歲重性狀上，遺傳距離排序為CSC×CDM > CSC×XZC > CSC×MGC。西門塔爾牛與南方黃牛組成的雜交組合中(圖5)，在初生重、胴體重上，遺傳距離排序為CSC× NDC > CSC× WSC > CSC× LSC > CSC×ZTC> CSC×PWC；在大理石花紋評分性狀上，遺傳距離排序為CSC×NDC > CSC×WSC > CSC×PWC > CSC×LSC > CSC×ZTC；在周歲重性狀上，遺傳距離排序為CSC×NDC > CSC×WSC > CSC×ZTC > CSC×LSC > CSC×PWC。

a.初生重的PCA；b.胴體重的PCA；c.大理石花紋評分的PCA；d.周歲重的PCA a. PCA of birth weight; b. PCA of carcass weight; c. PCA of marbling score; d. PCA of yearling weight圖2 根據與性狀相關的SNPs對西門塔爾牛和地方黃牛群體進行主成分分析Fig.2 Principal component analysis of Chinese Simmental beef cattle and Chinese local cattle populations based on trait-specific SNPs

表3 9個親本間SNPs估算的遺傳距離

圖3 8個雜交組合間的遺傳距離Fig.3 Genetic distance among 8 hybrid combinations

圖4 西門塔爾牛與北方黃牛之間的遺傳距離Fig.4 Genetic distance between Chinese Simmental beef cattle and Northern breeds of Chinese local cattle

圖5 西門塔爾牛與南方黃牛之間的遺傳距離Fig.5 Genetic distance between Chinese Simmental beef cattle and Southern breeds of Chinese local cattle

3 討 論

3.1 分子標記多態性及群體結構分析

隨著高通量測序技術的發展，SNP標記作為新一代的分子標記類型，具有密度高、分布范圍廣、分型簡單等優點，在分子遺傳研究中逐漸興起[15]。尤其是快速、高通量的SNP分型技術即SNP芯片的問世，讓SNP標記在雜種畜禽的遺傳多樣性分析[16-17]和關聯分析[18-20]等研究中得到廣泛應用。本研究采用牛770K SNP芯片對兩個親本群體進行全基因組基因型分型，篩選后得到地方黃牛622 162個有效多態性SNPs位點，西門塔爾牛675 029個有效多態性SNPs位點，可見SNP標記多態性的豐富性和SNP芯片檢測方法的高通量特性。

群體結構分析主要是研究遺傳變異導致各群體產生分化的一種動態變化規律，能夠根據不同品種的分化走向確定品種所屬類型。從PCA分析結果可以發現，兩個親本群體中，西門塔爾牛、北方黃牛和南方黃牛基本能保持地域特異性，3個不同地域的牛品種獨立形成聚類。西門塔爾牛與北方黃牛品種在PCA圖上的距離相對于南方黃牛品種較近，這與李榮嶺等[21]采用Nei′s遺傳距離(DA)進行NJ聚類分析中，外來品種西門塔爾牛與北方黃牛聚為一類結果相似，說明西門塔爾牛與北方黃牛親緣關系相對較近，遺傳背景差異較小。本研究所用的西門塔爾牛為引進的西門塔爾牛與北方黃牛進行雜交培育而成的，所以與北方黃牛品種的親緣關系近。西門塔爾牛與北方黃牛品種雜交產生的雜種優勢不如與南方黃牛品種雜交形成的雜種優勢大。西門塔爾牛與南丹牛遺傳關系最遠，在所有雜交組合中，CSC與NDC雜交可能會產生最大的雜種優勢。

3.2 雜種優勢預測分析

在基因序列水平或基因頻率水平上計算的不同個體、種群或物種之間的遺傳差異的任何數值度量，皆可定義為遺傳距離[22]。狀態一致(IBS)是指兩個或兩個以上個體的DNA片段具有相同的核苷酸序列。因此親本之間的IBS距離應該與后代雜種優勢呈負相關。數量遺傳學理論認為，雜種優勢與遺傳距離之間具有一定的線性關系。通常認為，親本間遺傳距離越遠、品系純度越高，后代表現出來的雜種優勢就會越明顯[23]。吳常信[24]指出，用DNA多態性測定品種或品系間的差異，并據此作出遺傳距離要比根據其它材料穩定，因此用來預測雜種優勢也更為準確。曹陽等[25]利用微衛星標記分析了4個引進肉牛品種與西門塔爾雜交牛之間的遺傳距離，并預測雜種優勢，發現西雜牛與4個引進肉牛品種之間的遺傳距離為：德國黃牛(1.259 8)、利木贊牛(1.054 6)、紅安格斯牛(0.886 7)、夏洛萊牛(0.599 7)。進而推測西雜牛與其他品種牛之間的雜種優勢依次為德國黃牛>利木贊牛>紅安格斯牛>夏洛萊牛。在其他畜禽，如豬[13,26-27]、鴨[28]、雞[29]、羊[30-31]等同樣依據遺傳距離得到了評估雜交組合雜種優勢優劣的結果。本研究分別用全基因組SNPs標記及與性狀相關的SNPs標記來構建狀態同源矩陣，計算各雜交組合親本間的遺傳距離，預測不同雜交組合在生長、胴體和肉質性狀上的雜種優勢。在全基因組水平推測雜種優勢較優的組合可能是CSC與NDC。雖然與性狀相關的SNPs標記估算的遺傳距離普遍低于全基因組SNPs標記估算的遺傳距離，但是在各性狀水平雜種優勢較優的可能的組合依然是CSC與NDC。與性狀相關的分子標記雖然減少了計算中使用標記的數量，但是預測的最優雜交組合和全基因組SNP標記預測結果相同，說明使用與性狀相關的分子標記提高了估計的準確性[26]。雜種優勢預測可以從不同雜交組合中篩選出最優方案，大大減少了候選的雜交試驗，但是此預測方法的可靠性仍然需要進行雜交試驗驗證。總之, 這一結果可為地方黃牛雜交改良研究提供一定的理論參考依據。

4 結 論

本研究利用覆蓋全基因組和與性狀相關的SNPs標記估算西門塔爾牛和地方黃牛兩個親本群體之間的遺傳距離進而進行雜種優勢預測，推測西門塔爾牛與南丹牛可能為最佳的雜交組合。在與北方黃牛的雜種優勢預測中，在初生重、周歲重和胴體重性狀上，推測西門塔爾牛與柴達木牛可能為最佳的雜交組合；在大理石花紋評分性狀上，推測西門塔爾牛與蒙古牛可能為最佳的雜交組合。在與南方黃牛的雜種優勢預測中，推測在各個性狀中西門塔爾牛與南丹牛可能為最佳的雜交組合。