公豬精液性狀的遺傳機(jī)制解析及設(shè)計(jì)育種方法研究

文丨張哲 林清

種業(yè)振興行動(dòng)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)種業(yè)自主創(chuàng)新、種源自主可控的重要行動(dòng)。畜禽種業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性核心產(chǎn)業(yè)，對(duì)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。近年來(lái)，我國(guó)生豬育種工作成效顯著，但種豬生產(chǎn)性能總體水平還有提升空間。種公豬在生豬繁育體系的遺傳貢獻(xiàn)中占有重要位置，其生長(zhǎng)及繁殖性能的優(yōu)劣直接決定整個(gè)生豬繁育體系的生產(chǎn)效率，特別是以種公豬站為紐帶的新型生豬繁育體系的發(fā)展與建立，進(jìn)一步凸顯了種公豬在遺傳繁育體系中的重要作用。因此，積極開(kāi)展公豬精液性狀的遺傳機(jī)制解析及設(shè)計(jì)育種方法研究，成為突破公豬精液性狀選育瓶頸、提高優(yōu)良公豬利用率的重要途徑。

一、研究背景及意義

隨著人工授精技術(shù)在生豬生產(chǎn)領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，精液質(zhì)量成為影響人工授精效率和母豬妊娠率及總產(chǎn)仔數(shù)的重要因素，精液質(zhì)量低會(huì)導(dǎo)致母豬妊娠率降低和總產(chǎn)仔數(shù)下降，嚴(yán)重影響生豬養(yǎng)殖效率。因此，研究并運(yùn)用相關(guān)技術(shù)手段提高公豬精液質(zhì)量，可進(jìn)一步提升優(yōu)良公豬利用率，加快遺傳進(jìn)展，同時(shí)減少公豬飼養(yǎng)成本，節(jié)省土地，保護(hù)環(huán)境資源。

公豬精液性狀為微效多基因性狀和多次度量的縱向性狀，遺傳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表型收集時(shí)間長(zhǎng)，難度大，遺傳機(jī)制解析困難。近年來(lái)，豬多組學(xué)數(shù)據(jù)及育種群體大規(guī)模表型不斷累積，為精準(zhǔn)解析公豬精液性狀提供了契機(jī)。但公豬精液性狀屬于中低遺傳力和限性性狀，遺傳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)選擇的準(zhǔn)確性和選擇時(shí)限有較高要求。因缺乏對(duì)公豬精液性狀的遺傳結(jié)構(gòu)解析以及關(guān)鍵基因挖掘和選種方法研究，傳統(tǒng)育種無(wú)法將公豬精液性狀有效地納入種豬選種指數(shù)。

多組學(xué)的發(fā)展日漸成熟，為復(fù)雜性狀遺傳解析提供了新的契機(jī)。眾多大型生物信息學(xué)和功能基因組合作項(xiàng)目，如人類基因型-組織表達(dá)（Genotype-Tissue Expression，GTEx）、表觀遺傳組路線圖項(xiàng)目（Roadmap Epigenomics Project）等，為復(fù)雜性狀的遺傳解析提供了大量注釋信息，進(jìn)一步推動(dòng)了復(fù)雜性狀遺傳解析。其中，通過(guò)利用轉(zhuǎn)錄組分子表型調(diào)控變異富集分析發(fā)現(xiàn)，主要的分子表型調(diào)控變異更多的富集在相關(guān)組織上。

近年來(lái)，隨著畜禽多組學(xué)數(shù)據(jù)的累積，通過(guò)整合多組學(xué)數(shù)據(jù)開(kāi)展基因組功能注釋成為可能。其中，動(dòng)物基因組功能注釋（Functional Annotation of ANimal Genomes，F(xiàn)AANG）、畜禽基因型-組織表達(dá)（Farm Animal Genotype-Tissue Expression，F(xiàn)armGTEx）等項(xiàng)目的開(kāi)展，為畜禽復(fù)雜性狀的遺傳解析提供了機(jī)遇。在豬的遺傳解析上，通過(guò)利用結(jié)合位點(diǎn)分析法（Chromatin Immunoprecipitation sequencing，ChIP-seq）獲得功能基因組信息，包括轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)、啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等位置信息，能夠有效注釋豬基因組信息。而通過(guò)對(duì)豬基因表達(dá)進(jìn)行分子表型調(diào)控變異定位，找到影響豬基因表達(dá)的分子表型調(diào)控變異（Pig Genotype-Tissue Expression，PigGTEx），為復(fù)雜性狀的遺傳調(diào)控機(jī)制解析提供了重要的參考信息。另一方面，整合多組學(xué)數(shù)據(jù)解析復(fù)雜性狀遺傳機(jī)制方法研究上也逐漸增多，為整合其他組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜遺傳解析提供了契機(jī)。其中，通過(guò)將轉(zhuǎn)錄組中的基因表達(dá)量數(shù)據(jù)與復(fù)雜性狀進(jìn)行全轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析，能夠鑒定影響復(fù)雜性狀的候選基因。通過(guò)組學(xué)數(shù)據(jù)與全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide association study，GWAS）進(jìn)行孟德?tīng)栯S機(jī)化分析，能夠探究基因表達(dá)與復(fù)雜性狀形成之間的因果關(guān)系。通過(guò)整合多組學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)復(fù)雜性狀的因果基因進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，能夠有效發(fā)現(xiàn)復(fù)雜性狀主要的調(diào)控基因。這些方法為整合多組學(xué)數(shù)據(jù)解析復(fù)雜性狀，提供了重要的思路。因此，整合多組學(xué)、多來(lái)源數(shù)據(jù)，深入挖掘公豬精液性狀的遺傳基礎(chǔ)，進(jìn)而通過(guò)動(dòng)物設(shè)計(jì)育種手段實(shí)現(xiàn)早期精準(zhǔn)選育，是突破公豬精液性狀選育瓶頸的重要途徑。

二、研究進(jìn)展、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及成效

由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院張哲教授、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)寧超副教授、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院袁曉龍副教授為核心的“公豬精液性狀的遺傳機(jī)制解析及設(shè)計(jì)育種方法研究”項(xiàng)目課題組，主要以“精準(zhǔn)解析公豬精液性狀遺傳機(jī)制，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)育種方法”為研究目標(biāo)，開(kāi)展公豬精液性狀多組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建及多維參數(shù)估計(jì)、公豬精液性狀的主效和調(diào)控變異位點(diǎn)鑒定、公豬精液性狀復(fù)雜互作機(jī)制研究、公豬精液性狀設(shè)計(jì)育種平臺(tái)研發(fā)四方面內(nèi)容的研究，擬通過(guò)整合轉(zhuǎn)錄組等多組學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)公豬精液性狀的分子遺傳調(diào)控機(jī)制進(jìn)行解析，對(duì)復(fù)雜性狀的分子遺傳互作機(jī)制進(jìn)行解析，了解其背后的分子機(jī)制。

（一）研究進(jìn)展

首先，通過(guò)收集多個(gè)公共數(shù)據(jù)庫(kù)豬的9530個(gè)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)和1602個(gè)全基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)，構(gòu)建豬基因組填充參考群體，并繪制了包括公豬繁殖相關(guān)組織，如睪丸、下丘腦等共計(jì)34個(gè)組織的轉(zhuǎn)錄組圖譜。其次，通過(guò)對(duì)34個(gè)組織的填充基因型數(shù)據(jù)和5個(gè)類型的轉(zhuǎn)錄組分子表型（包括蛋白質(zhì)編碼基因表達(dá)量、可變剪切等）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，鑒定了大量影響轉(zhuǎn)錄組分子表型的調(diào)控變異。再次，通過(guò)研究基因型與品種/細(xì)胞類型之間的相互作用，評(píng)估了調(diào)控效應(yīng)的組織特異性，并利用多組學(xué)數(shù)據(jù)闡明了其分子作用機(jī)制。最后，通過(guò)對(duì)分子表型調(diào)控變異和公豬精液性狀等207個(gè)豬復(fù)雜性狀進(jìn)行整合分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分子表型調(diào)控變異解釋了約80%的遺傳變異的調(diào)控機(jī)制，并通過(guò)人類與豬的全轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，證明了豬與人類在基因表達(dá)和復(fù)雜表型潛在的遺傳調(diào)控的相似性。

該研究構(gòu)建了大規(guī)模公豬睪丸、下丘腦、垂體等多個(gè)組織的轉(zhuǎn)錄組圖譜，能夠?yàn)樯i的重要經(jīng)濟(jì)性狀的分子遺傳機(jī)制解析提供良好的數(shù)據(jù)庫(kù)支持；整合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與豬重要經(jīng)濟(jì)性狀表型數(shù)據(jù)開(kāi)展整合分析方法開(kāi)發(fā)，能夠?yàn)閯?dòng)物重要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳解析提供重要工具；大量的轉(zhuǎn)錄組分子表型調(diào)控變異，能夠?yàn)樨i重要經(jīng)濟(jì)性狀的選育（如基因組選擇等技術(shù)）提供豐富的數(shù)據(jù)資源。當(dāng)前的研究工作，為公豬繁殖相關(guān)組織的調(diào)控變異鑒定、公豬精液性狀的遺傳機(jī)制解析以及分子模塊的構(gòu)建奠定了良好研究基礎(chǔ)，對(duì)項(xiàng)目的推動(dòng)具有里程碑式的意義。

作為本項(xiàng)目的研究成果之一，以項(xiàng)目負(fù)責(zé)單位華南農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一完成單位、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張哲教授為共同通訊作者的Acompendiumofgeneticregulatoryeffectsacrosspigtissues（豬多組織遺傳調(diào)控效應(yīng)圖譜）研究論文，已被NatureGenetics（自然·遺傳）預(yù)接收，近期將正式發(fā)表。

（二）研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

一是基于大規(guī)模全基因組關(guān)聯(lián)分析薈萃分析（Genome-wideassociation study meta-analysis，meta-GWAS）和豬基因型-組織表達(dá)（Pig Genotype-Tissue Expression，PigGTEx）開(kāi)展多組學(xué)聯(lián)合分析，全面挖掘和鑒定影響精液性狀的遺傳變異。傳統(tǒng)全基因組關(guān)聯(lián)分析雖然可以鑒定到影響復(fù)雜性狀的候選區(qū)域或基因，但是難以有效挖掘因果突變或關(guān)鍵基因，而且無(wú)法解釋遺傳變異對(duì)復(fù)雜表型的作用機(jī)制。該項(xiàng)目以大規(guī)模全基因組關(guān)聯(lián)分析薈萃分析為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)影響公豬精液性狀的遺傳變異，然后結(jié)合PigGTEx中豬多組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，開(kāi)展聯(lián)合分析，進(jìn)而解釋從遺傳變異到表型變異的潛在作用機(jī)制，有效挖掘并精準(zhǔn)解析影響公豬精液性狀的因果突變和關(guān)鍵基因。

二是針對(duì)縱向數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)互作檢測(cè)新方法，精準(zhǔn)解析公豬精液性狀互作機(jī)制。當(dāng)前，畜禽縱向性狀遺傳解析分析方法創(chuàng)新不足，公豬精液性狀的關(guān)鍵遺傳位點(diǎn)尚不明確，制約了豬精液性狀的設(shè)計(jì)育種。項(xiàng)目擬通過(guò)開(kāi)發(fā)整合多組學(xué)數(shù)據(jù)的高效統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)及互作檢測(cè)方法，尤其在縱向數(shù)據(jù)的加性和非加性互作效應(yīng)的全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide association study，GWAS）、全轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析（transcriptome-wide association study，TWAS）方面開(kāi)展創(chuàng)新方法研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)公豬精液性狀遺傳及互作機(jī)制的精準(zhǔn)解析，助力設(shè)計(jì)育種應(yīng)用。

三是整合多組學(xué)、多層次、多維度數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)公豬精液性狀設(shè)計(jì)育種方法。通過(guò)整合多組學(xué)、多層次、多維度數(shù)據(jù)，解析公豬精液性狀的遺傳構(gòu)成，設(shè)計(jì)分子育種模塊，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)育種方法，建立公豬精液性狀等級(jí)評(píng)價(jià)模式，提高公豬精液性狀分子選育效率。

（三）研究成效

畜禽種業(yè)是建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的標(biāo)志性、先導(dǎo)性工程，是國(guó)家戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)性核心產(chǎn)業(yè)，畜禽良種對(duì)畜牧業(yè)的貢獻(xiàn)高達(dá)40%以上。國(guó)家多重政策鼓勵(lì)以分子設(shè)計(jì)育種等為重點(diǎn)，打造具有國(guó)際先進(jìn)水平的基礎(chǔ)性、前沿性研究和商業(yè)化育種體系。項(xiàng)目聚焦國(guó)家種業(yè)重大戰(zhàn)略“打贏種業(yè)翻身仗”，改變傳統(tǒng)分子育種的思路限制，通過(guò)提出新的多組學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法，挖掘和解析公豬精液性狀的遺傳機(jī)制，建立分子設(shè)計(jì)育種平臺(tái)，創(chuàng)新分子設(shè)計(jì)育種的基礎(chǔ)理論和方法，提高豬精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)育種的能力，將成果應(yīng)用于豬新品種培育，加快豬品種改良，提升豬種業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。更重要的是，項(xiàng)目提供的多組學(xué)大數(shù)據(jù)遺傳挖掘和分子設(shè)計(jì)育種的新框架和新實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將為其他重要畜牧物種的復(fù)雜性狀遺傳解析和分子設(shè)計(jì)育種提供重要借鑒和參考，有助于提升畜禽種業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，提高畜牧業(yè)的綜合效益。

三、研究進(jìn)度安排及主要研究任務(wù)

“公豬精液性狀的遺傳機(jī)制解析及設(shè)計(jì)育種方法研究”項(xiàng)目于2023年5月正式啟動(dòng)，為確保項(xiàng)目穩(wěn)步推進(jìn)，課題組制訂了詳細(xì)的年度研究計(jì)劃，確定了年度主要研究任務(wù)。2023年主要實(shí)現(xiàn)公豬精液性狀表型數(shù)據(jù)采集、繁殖相關(guān)組織樣品采集公豬。2024年開(kāi)展數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)遺傳參數(shù)估計(jì)；對(duì)部分組織樣品進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。2025年對(duì)公豬基因組遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；非加性全基因組關(guān)聯(lián)分析方法開(kāi)發(fā)。2026年挖掘精液性狀遺傳變異；鑒定影響分子表型的調(diào)控變異并進(jìn)行整合分析。2027年構(gòu)建公豬精液性狀分子模塊；設(shè)計(jì)育種平臺(tái)開(kāi)發(fā)與完善，撰寫結(jié)題報(bào)告。

四、結(jié)語(yǔ)

公豬精液性狀遺傳調(diào)控機(jī)制的精準(zhǔn)解析，可進(jìn)一步加快公豬精液性狀的選育，對(duì)以公豬站為紐帶的新型繁育體系的構(gòu)建具有重要的支撐意義。然而，當(dāng)前公豬精液性狀數(shù)據(jù)分散、采集難度大，并且缺乏整合多組學(xué)精準(zhǔn)解析復(fù)雜性狀的資源。如何有效利用多群體小規(guī)模的精液性狀數(shù)據(jù)，整合多組學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)精液性狀開(kāi)展精準(zhǔn)解析，是該領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)。項(xiàng)目組通過(guò)開(kāi)展大規(guī)模的國(guó)內(nèi)外合作構(gòu)建了豬大規(guī)模多組織轉(zhuǎn)錄組圖譜，鑒定影響轉(zhuǎn)錄組分子表型的調(diào)控變異，為有效推動(dòng)豬重要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳解析提供了重要資源，也為本項(xiàng)目公豬精液性狀的精準(zhǔn)解析奠定了重要基礎(chǔ)。項(xiàng)目組將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)圍繞公豬精液性狀的遺傳機(jī)制解析及其分子育種應(yīng)用開(kāi)展深入研究，為破解產(chǎn)業(yè)難題貢獻(xiàn)力量。