遺傳學在未來養(yǎng)豬業(yè)中的作用

遺傳學在未來養(yǎng)豬業(yè)中的作用摘要：過去的七年是分子遺傳學和遺傳學領域的研究取得了長足的進展的十年，由于人類遺傳學和分子生物學的發(fā)展，從而使的豬的遺傳圖譜的研究也得到了快速進展。豬的遺傳圖譜現在共有4000多個位點，其中包括百個基因，在今后的幾年內，隨著大量新基因的加入，這個圖譜會得到進一步的擴展，同時豬的物理圖譜也在不斷的擴展中，現在它帶有1500多個基因和標記。最近的幾次數量性狀位點（QTL）掃描和候選基因分析研究已經確定了許多與有經濟價值的性狀相關的重要的染色體區(qū)段及單個基因。就豬來說，這些QTL包括生長、背膘、肉質性狀及繁殖性狀，現在引起豬應激綜合癥和肉質降低的突變已經被發(fā)現，影響窩產仔數基因（FSRPRVRR13P4）、生長性狀基因（MLUR）、肉質基因（ABPFABP）、抗病基因（FUT1、SLA、NRAMP）、被毛顏色基因（KIT、MCIR）也已被確認，現在育種公司靈活地運用這些研究成果，結合傳統(tǒng)的表型信息通過標記輔助篩選（MAS）的方法來提高豬的生產性能。對豬的上千個基因的協同表達的研究現在也有所進展，利用這種協同關系來輔助對新基因的發(fā)現的研究也在進行之中。這個研究將有助于我們深刻的理解遺傳學體系，也將有助于用基因間的相互關系來提高豬的生產能力，減少疾病的發(fā)生，在世界范圍內提高豬的健康水平。概述：19世紀，絕大多數的遺傳學家和育種家都是采用測量家畜的表型性狀的方法結合選擇和雜交等措施來提高畜群的生產力，而現代育種學家通常采用收集家畜生長過程中的表型性狀信息，然后利用先進的統(tǒng)計學方法，例如BLLIP（最佳線性無編預測）等來估計家畜的育種值（EBV估計的育種值）。運用選擇的方法他們能夠選出最佳的個體，作為親本來改良這些穩(wěn)定遺傳的性狀。就豬來說，屬于這些性狀的有生長性狀和胴體品質性狀。其他的一些性狀，例如抗病，繁殖性狀，其遺傳穩(wěn)定力要低得多，所以選擇對它們作用不大。育種學家們還利用交配系統(tǒng)來發(fā)揮雜種優(yōu)勢，通過這種方法，可使某些畜群生產力提高10-20%，在豬上，遺傳學家通過雜交體系來發(fā)揮雜種優(yōu)勢和品種的作用。近來利用雜交和選擇的方法，已選育出了用于生產商品豬的父系和母系豬種。不同的性狀，遺傳進展不一樣，典型的情況是每年提高大約1%。在這方面的最近的研究進展主要包括獲得EBV的更先進的統(tǒng)計方法及運用統(tǒng)計方法來發(fā)現和利用新的基因。由于存在對選擇很少起作用的性狀，因此使得確定那些可被操縱和選擇的單個基因的傳統(tǒng)的育種方法受到了挑戰(zhàn)。到九十年代末，遺傳學經歷了一些變革，在新千年里，豬的染色體的一些區(qū)段將首先得到測序，最終整個基因組的序列也將被測出。分子遺傳學正在改變動物遺傳學家檢測經濟豬種和引進豬種之間遺傳差異的方法，過去的幾年中，包含不知名遺傳標記和已知基因的基因組圖譜得到了大力的發(fā)展。另外，比較基因組圖譜對我們尋找新基因提供了很大的幫助。這些遺傳圖譜的存在，使研究者能夠通過QTL連鎖分析的方法來尋找新的基因。QTL連鎖分析一般是對F2代或者雜交后代進行基因組描述，由于均勻分布于整個基因組的標記的存在，就可以獲得基因組的類型。有幾個這種試驗正在進行之中，即將在近期完成，相信會獲得一些令人感興趣的有用的結論。首選基因和比較圖譜的方法也已被成功的用來確定一些與數量性狀有關的主要基因上來，侯選基因是那些被假設為對性狀的表達有影響的基因，而比較基因分析對侯選基因分析具有輔助作用，它能使研究者在與可能的QTL相關的染色體區(qū)段發(fā)現“定位性的侯選基因”。到目前為止，運用這種方法已發(fā)現了數個主要基因。研究更為具體細致的遺傳圖譜，進一步深入的了解單個基因和基因家簇的功能和結構及其與豬的重要的經濟性狀間的關系，這些都將促進現在乃至將來遺傳學的發(fā)展。本論文的目的就是回顧近來基因圖譜和遺傳學的發(fā)展狀況，從而去預測它們將來的前景及其在養(yǎng)豬業(yè)中的應用。結論本文試圖對豬遺傳學進展做一廣泛的回顧，但由于時間倉促，不能對所有現在正在進行的研究一一細述，遺漏之外還請多多原諒?；蚪M圖譜的地位給制基因組圖譜是一項巨大工程?？茖W家和政治家們認識到在繪制家畜基因圖譜方面采取合作研究的策略才是切實可行的，豬基因組圖譜計劃由歐洲發(fā)展起并由歐洲經濟共同體資助。這個計劃由18個歐洲試驗室和其他美國、日本、澳大利亞的7個實驗室共同承擔。在美國，USDA負責兩個項目。一個是在——由USDA-ARS指導的可測量基因圖譜計劃，另外一個是從1993年開始進行的；由USDA-LRRS承擔的國家動物基因組研究項目。這個項目的目的是建立一個各個物種，包括豬在內的基因圖譜之間協作，協調發(fā)展的機制。來自私立和州立大學以及聯邦實驗室的科學家們聯合創(chuàng)立了豬基因技術委員會，得益于美國在豬基因組研究方面所采用的協調發(fā)展的機制，卓有成效的工作以及許多國際基因組圖譜項目的順利開展，在過去的七年中，豬的基因圖譜研究得到了更快的進展。在1989年，豬基因圖譜僅有50個基因和標記，并且其中許多還是同功酶和血型標記。然而，目前圖譜標記已超過2000個基因和標記?，F在我們有兩個基本的圖譜。應用最廣泛的圖譜有大約1100個位點，大部分是由未知標記組成。PigMap圖譜第二版也將出版發(fā)行。另外，新的Pighiap基因組連鎖圖譜將標記有700個基因和標記位點，其中有近300個位點是基因。不同連鎖圖譜的覆蓋面是不同的，屬名標記間的距離平均為3-5cM，但一些大的未標記片段仍存在。通過兩個圖譜間都存在的標記，可以將這些圖譜結合起來?？茖W家們正在試圖建立一幅經多個圖譜融合的圖譜，這個圖譜預計最終會包括2000多個AFLP（擴增片段長度多態(tài)性）標記位點。物理圖譜的進展要落后于基因連鎖圖譜，但現在也正以很快的速度追趕，這主要是得益于一些先進的技術，例如體細胞雜交技術、放射雜交技術的作用。豬的物理基因圖譜現在有700多個基因和標記。然而放射雜交圖譜卻擁有1500多個標記，現在，隨著基因測序技術的引入和ESTS（表達序列標簽）技術的發(fā)展，物理圖譜和連鎖圖譜都將會以更快的速度發(fā)展，這將使圖譜得到進一步擴展。盡管科學家們已進行了卓有成效的努力，但豬的基因組圖譜在人和鼠的圖譜的比較研究方面還是一片空白。但這些基因豐富的物種將對豬的研究提供有力的幫助。隨著更多的基因在比較圖譜上得以標記，基因圖譜將會被越來越多應用到搜索單個經濟性狀相關基因的交線中來。要詳細了解基因組圖譜方面的信息，可登錄網站/pig。生長和表型性狀第一個成功的大型QTL分析以一個WildBour的三代家系作為試驗豬群，這個試驗表明位于4號染色體的背膘和腹膘QTL影響20%的表型變化。在13號染色體上還發(fā)現了一個與生長有關的QTL，它影響7%-12%的表型變化。后代的表型性狀和一些應用中間豬進行的雜交試驗都進一步證實了上述結論。通過侯選基因分析，PIP1已被確定與前膘和肉質更相關，它被定位于靠近13號染色體QTL的中心位置上。在依阿華州立大學梅山與美國豬的F2代家系中，發(fā)現了一個位于PIT1上游酶早期生長有關的QTL，并且還發(fā)現一個距離PIT120cM的與背膘有關的QTL分析結果。據Robrer和Keele等人報道與眼肌有關QTL位于1號染色體，與……有關QTL位于1號和X染色體，胴體長QTL位于7號染色體。最近，Roosschild及其研究小組針對兩個經濟品種豬巴克夏和約克夏進行了一次主要肉質QTL掃描。F2代豬群有525頭豬，包括125個標記，測量其40個性狀，這些性狀包括生長、胴體、肉質……質量，這個小組在5%的染色體顯著水平發(fā)現了100多個有意義的QTL,在5%的基因水平發(fā)現了20個?，F在研究小組還在對這些區(qū)域進行進一步的研究，以確定有意義的突變。到目前為止，一個影響……和肉質的突變位點已得到確認。我們知道PSE豬是6號染色體上RYR1基因的變異性有關。在對一來自……F2豬群進行的與PSE相關肉質UTL掃描試驗進一步證實了這一結論。研究的焦點集中在來源于漢普夏的RN基因，它與肉的低PH值和高糖分有關。RN基因被定位于15號染色體，這個基因已經讓研究者們困惑了好多年。但在DNA檢測試驗中針對RN基因的標記已得到應用。2000年，由L.Andersson領導的一個研究小組報道他們已發(fā)現了這個突變，并確定此基因屬于編碼PRKA基因家族的新成員，有趣的是這基因還能夠解釋人的某些類型的糖尿病，這個研究小組也希望他們的研究成果能有助于提高人們的健康水平。由這個小組的研究成果我們可以看出，他們在把研究從染色體定位水平推進到基因水平方面所做的巨大努力。這個新基因的發(fā)現使育種家有了一種提高豬肉質量的新的育種手段。最近的研究結果表明，這種影響肉質的基因的變異性廣泛存在于所有的品種中，并且比其他原始的變異原具有經濟性。在對肌肉質量進行的候選基因研究中，H-FABP被認為也與肌肉脂肪有關。研究者們確定這個基因具有多態(tài)性，其多態(tài)性與杜洛克的2MF變異性相關。H-FABP基因位于豬的6號染色體，最近有報道稱為這個基因存在的區(qū)域有QTL。通過對結合單倍體群體間的比較，發(fā)現他們的平均價值有1%的差別。有趣的是，2MF內容的差異僅部分能用背膘（差異）來解釋。因此，在用基因測試確定H-FABP基因型從而提高2MF的同時，還需用背膘表型選擇的方法提高背膘厚度。Figure候選基因分析還得到了與肉質有關的其他標記，其中包括肌生成標記（增加肌纖維數量影響到豬肉的整體質量）和……？被毛顏色雖不直接與肉質有關，但也是豬生產工業(yè)中的一個重要性狀。白豬一般來說更受歡迎，在一些地區(qū)，有色豬比白豬平均每天低1美元。Anderson和他領導的科研小組現在已確定RIT基因確定白色被毛。他們已對DNA測試方法申請了專利，并把它用到MDS項目上。MCIR基因也已被確認控制豬的紅色或黑色體色，對于它們的基因測試在美國已普及。我們通常認為遺傳是簡單加性的或者是加性效應占主要地位的，然而，幾個具有印跡效應的基因已被報道。在家畜中，最初的報道是關于綿羊的大腿肌肉基因。而養(yǎng)豬上，這種作用主要在IGF2有所報道。比較特別的是，這個基因的作用只能在同一性別間遺傳時才能表現出來（雌性印跡只有當基因從母親傳到女兒時才能表達）。最近據一個Nethalends的一個科研小組報道稱印跡現象在豬中非常普遍。雖然這些結論在研究者中還有爭論，但這些研究能讓我們在這些位點來預測基因型，這無疑是MAS帶給我們的好處之一。繁殖性狀因為需要極巨大的種質資源庫，且獲得繁殖方面的信息較為困難，所以關于繁殖方面的QTL描述結果非常有限。最開始的一些掃描在8號染色體上得到一些有價值的結論。與子宮長度和排卵率相關的QTL也有報道，這些QTL位于不同的染色體區(qū)段。也有報道稱在8號染色體發(fā)現一個排卵率QTL,但這與Wilkie等觀測到的排卵QTL還存在在一定的距離。在同一個實驗室的后來的工作也沒能進一步確定這一發(fā)現。在法國進行的QTL掃描試驗發(fā)現一個位于8號染色體上與窩產仔數相關的QTL,這與Rathje的發(fā)現一致。位于8號染色體的大的排卵率和大的窩產仔數QTL正好位于綿羊Booroda多產基因（已知是BMP受體基因）的位置中。令人感興趣的是已用位于8號染色體同一區(qū)段的單一微衛(wèi)星標記（OPN）也發(fā)現在商品代其對啟動子沒有很大的影響。至少有一個相關QTL位于8號染色的上游，并且可能還有另外一個位于其中游。限制染色體長度QTL分析進一步證實在6號、7號、4號、13號、15號染色體存上有繁殖相關QTL。對繁殖性狀的侯選基因分析有其特有的優(yōu)勢。研究結果表明雄激素受體（ESR）與窩產仔數有顯著相關性。估計等位作用的變化從梅山豬的1.15頭/窩到大白豬的0.42頭/窩，這個結論還沒有在梅山與大白豬分散雜交QTL掃描分析得到進一步證實，這可能是因為樣本數量太少，或者是因為用于QTL掃描的一些豬群的ESR基因沒有等位分離……進而，進化來源于這些品系的雜交代平均窩仔數增加。其他一些報道稱RARG、MTNRIA、FSHA等基因也與豬的繁殖性狀有關。依阿華大學的研究者們與PIC合作，證實了PRLR位點與窩產仔數顯著相關。這個研究結論也得到了俄亥俄大學和Wegeninggen農業(yè)大學所進行的兩個試驗的驗證，他們的試驗結果即將發(fā)表。最近，在一個對2500窩豬進行的研究顯示RBP4蛋白能夠平均提高窩產仔數0.25頭。絕大多數的侯選基因分析所使用的母畜數和窩數都要遠遠多于QTL分析，這就是為什么到目前為止在侯選基因分析已報道的與繁殖性狀相關的區(qū)段，缺乏QTL掃描分析結果的進一步證實。疾病和免疫應答性狀已知許多疾病都有遺傳性，新基因探測工具的引進使這些基因最終被發(fā)現成為可能。到目前為止，對抗病或免疫應答QTL的QTL掃描在豬上的研究還是非常有限的。不過Andarson和他領導的小組在早些時候對免疫應答等方面做過一些研究。一些與免疫力有關的QTL已被定位到7號染色體的末端，可的松水平可能與應激和免疫應答有關。最近，德國科學家們發(fā)現了與抗偽狂犬感染的染色體區(qū)段。進一步的分析研究將致力于發(fā)現相對應的基因。針對侯選基因之間的聯系，科學家們也進行了大量的分析研究。經多年前人們已經知道有一個抗大腸桿菌K88腹瀉的基因。這個基因位于13號染色體，編碼K88大腸桿菌的受體，現在有許多實驗室進行基因的定位分析和侯選基因分析研究?？褂蒄18大腸桿菌所致水腫的位點也有報道并被定位于6號染色體。與巨型抑制因子緊密連鎖的兩個巖藻糖轉移酶基因（FUT1、FUT2）和抗T18位點（ECF18R）都被當作侯選基因來進行研究。研究表明FUT1基因的多態(tài)性與ECFPR緊密連鎖，并且表明這可能導致動物具有粘附抵抗力的突變。FUT1和FUT2的產物是怎樣合成抗細菌吸附的碳水化合物結構的這個問題仍有待研究。但是這個研究已被用來研制了一種基因測試的方法，并已申請專利。利用這種基因測試方法可以篩選出具有抗病基因的品系來生產商品豬。近來有報道稱，位于7號染色體上的SLA復合體與抵抗旋毛蟲的早期感染有關，但是它不能抵抗弓形體的感染。與小鼠抗沙門氏菌感染相關的NRAMPK自然抵抗相關巨噬細胞蛋白1）,近期已被標記到豬的5號染色體上，然而NRAMP的多態(tài)性與豬的沙門氏菌之間相關關系的機理現在還不清楚。此外還有幾個其他的侯選基因也正處在研究之中。一些與人的疾病相關的基因也標記到了豬的染色體中，它們包括血凝因子IX和高血脂基因。運用基因組掃描和侯選基因分析相結合的方法來研究一些基因性的疾病也正在進行之中。一個典型的例子就是先利用基因組掃描來確定基因位點位于14號染色體，然后找到了與豬的維C缺乏癥有關的基因。最后由侯選基因分析確定GULO是目的基因，這個基因調節(jié)ASCA生物合成的最后一步。其他一些類似的項目也已在歐洲進行，期望能分析其他的一些疾病的病因?；蜃儺愋詰梅肿訕擞浀淖詈笠粋€領域是在基因變異的研究方面?；蜃儺惖难芯孔畛鯌脵z測酶的多態(tài)性的方法進行，可現在一般是應用微衛(wèi)星技術進行研究。應用這一技術的一個典型事例是由LO11Tvier領導的歐洲生物變異性研究項目?，F在一些已發(fā)表的研究文獻稱僅利用知名的標記進行功能變異研究是不夠的，與此同時還必須利用其基因的多態(tài)性。Ciobanu及其合作研究者們采納了這一建議，并利用這一方法研究了羅馬尼亞兩個本地豬種的功能基因的差異，亞洲也在對本地豬及綿羊開展相類似的研究。DNA標記的潛力及其家畜選擇中的應用。來自DNA水平的信息可以幫助生產者，育種家及獸醫(yī)工作者來篩選到一些特異的突變，例如，FUT1抗性，這些信息也可以用來敲除某些不利的突變，例如Halotane及PN等位基因等，DNA水平的信息還可用來對一些數量性狀，包括那些利用傳統(tǒng)方法進行選擇的性狀進行輔助選擇。分子水平的信息能夠增加選擇的準確性，可以對一些性別限制性狀及印跡基因進行選擇，也可以對像肉質一樣的性狀進行選擇。DNA技術在育種中應用增強了畜群的選擇應答?，F有越來越多的人注意到了由MAS項目而獲得的這些額外的選擇應答。雖然不斷有研究者稱MAS能帶來短期的效益，但也有一些研究者稱這項技術從長期的角度看可能會不利于選種。然而，這將是一個很長的過程。主要的是這些選擇應答可以由不斷發(fā)現確定的新的標記編導。例如，當老的標記已經固定之后，再把新的標記加入到選擇進程中。同時，我們期待通過候選基因分析和尋找畜群間的特定連鎖，利用廣泛標記和侯選基因的方法來取得巨大的進步。例如，AFCP標記已確認與白色位點相鄰，所以用它來選擇白色被毛的商品豬，另外，利用大量的SNPs(單核苷酸多態(tài)性)結合畜群穩(wěn)定連鎖的方法來確定標記間的相關性，這種可以用在MAS上。總之這些方法導致了一大批基因和標記已應用到豬的工業(yè)化生產中，見表1。相信基因組圖譜還會得到進一步的發(fā)展，但不可能出現很多新的不知名的廣泛標記。更多的對已知畜禽的基因組掃描和許多新的針對繁殖和肉質的QTL試驗也正在進行之中。短期內，已建立了一個較完整的基因圖譜，許多QTL及候選基因分析已經得到了豐厚的回報。QTL描述及發(fā)現了幾個染色體與經濟性狀相關，現在對白色染色體區(qū)段的進一步確定正在進行之中，目的是將QTL準確地標記到染色體上，并進行位置的核酸侯選基因分析，現在已得到的核酸基因圖譜可以輔助這一分析。其他的一些實驗也將對這些染色體區(qū)段進行進一步確定，最終分離這些基因，或者得到相反的結論。這些相反的結論可能是由于真鎖基因作用，內部或背景基因型作用等所決定的。假如我們不但希望觀察到大的基因影響，還希望觀察到小的基因影響，那么實驗的規(guī)模還需要擴大，幾個實驗的結果也需要匯總起來。最近，N個PigMap的參與者新把4號染色體的信息匯總起來，以期得到很有用的結論。其他還有幾個計劃也打算用這種方法將N個QTL實驗結合起來。由WulBoar和中國豬種雜交而獲得的結果的關系，將在商品代中進行評估，這個項目由FC資助。目前，相關的QTL及另外一個家系得到的結果也證實了這一QTL的存在。豬的Nulc分布在7號染色體的中心區(qū)，對于MNC單位體與幾個性狀之間的關系，近年來有所報道，通過MUCIDNA探針的雜交分析已部分證實了這種聯系的存在。最近，QTL掃描確定了中國雜交豬的生長和背膘性狀QTL位于7號染色體。背膘和出生北UTC位于TNFA和S0102區(qū)域附近。侯選基因分析證實AMPEPN也位于這一區(qū)域，并與生長率相關。到目前為止的所有結論都說明至少有一個生長和背膘QTL位于這一區(qū)域。其他的一些結論包括，在6號染色體存有至少一個QTL，它可能與由致瘤性基因PYRI(CRCL)所致作用相關或與RYP1臨近區(qū)的另外的一些未知基因相關。據報道，另外的一些相關性還存在于1號、3號、6號、8號和14號及X染色體上。很快，一些新公布的數據將會進一步揭示存在于其他染色體上的與生長有關的QTL。最終，這些從不同的實驗中所得出的結論將會被結合起來，應用到一個單獨分析過程中，這個分析所得出的結論反過來也會進一步證實這些發(fā)現。應用生長激素基因（GH）,利用QTL掃描和侯選基因分析的方法，對與12號染色體相關的性狀進行了研究，但研究所得出的結論還沒有得到一致的認可。通過對5號染色體臨近IGF-1區(qū)域的分析發(fā)現，此區(qū)對平均日增重有極顯著的影響。另外，有報道稱，H-FABP基因與肌肉脂肪基因關系密切，肌生成基因與平均日增重具有顯著相關性。其他的侯選基因包括CCK和CCKAR,Leptin和Leptin受體基因被證明可能與生長、肥胖和食飲等性狀有關。對MC4R的研究可能是近來最令人感興趣的，研究結果表明MC4R與進食、生長和背膘有關。通過參考MillenniumPharmacevticals所做的小鼠麻醉試驗所取得的結論，依阿華州立大學的研究小組與PIC聯合發(fā)現了一個自然的突變，它能夠提高豬的進食量（大約10%）,使豬生長更快（6-8%），長得更肥（6-10%）。這個突變可以用來對脂肪水平已達到要求的母系進行提高其愛莫能助采食量的試驗，對父系進行減少脂肪水平的試驗。最新的試驗結果已獲得專利，并已應用到了工業(yè)生產中。肉質性狀對肉質進行QTL掃描的最早的研究是Anderson及其合作者，他們應用191頭F2代試驗動物所標記的234個標記，對肉質進行了近乎完整的QTL掃描。這個試驗發(fā)現了肉質性狀QTL位于2號染色體和12號染色體。我們在Lowa最早的試驗工作表明肉的顏色，肉的堅實度與4號和7號染色體上的一些區(qū)域有關。另外，據報道肉質性狀還與7號染色體相關，肌纖維與3號染色體相關。