牦牛基因组研究进展与育种应用_赵黄青.pdf

第 卷 第期家畜生态学报 年月 牦牛基因组研究进展与育种应用 收稿日期 修改日期：基金项目国家现代农业产业技术体系（）；青海省科技计划（）作者简介赵黄青（），男，安徽铜陵人，硕士生，专业为动物遗传与育种研究。：；为共同第一作者。通讯作者黄永震（），男，河南南阳人，博士，副教授，博士生导师，研究方向：动物遗传与育种研究。：赵黄青，彭巍，黄荣，李欣淼，雷初朝，黄永震（西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 ；青海大学 青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁 ）摘要牦牛是藏区的重要的经济物种，是当地的重要的经济支柱。牦牛的基因组的研究和分子育种都是牦牛研究的热门，该文阐述了牦牛基因组的研究进展以及在生长发育、肉质、泌乳、抗病、抗低氧等性状相关联基因的分子育种应用。为以后牦牛的育种提供新的方法和参考。关键词牦牛；基因组；经济性状；分子育种；应用 中图分类号 文献标识码 文章编号 （）：牦牛（）生活在 青 藏 高 原 海 拔 以上，能适应高寒气候。牦牛主要生活在高寒草场，这是一般牛种所不能及的，很少和人类争夺生活空间和资源。它们能提供肉、乳、皮、毛、役等畜产品，是西部少数民族牧民重要的生活资源，也是当地重要的产业支柱。世界现有牦牛 多万头，我国现有 余万头牦牛，是世界上拥有牦牛数量和品种类群最多的国家，占全世界牦牛总量的。根据国家畜禽遗传资源委员会公布的 国家畜禽遗传资源品种名录（年版），中国共有 个牦牛品种，个地方品种，个培育品种。多种牦牛之间的基因组差异为我们寻找经济性状相关候选功能基因的研究提供了巨大的帮助，这是我国宝贵的遗传资源，对我国起着不可忽视的社会及经济意义。牦牛作为西部少数民族牧民赖以生存的重要畜种，提高其经济效益是亟需解决的重要问题。由于地理环境和人文因素，牦牛现代养殖存在的问题：仍然采取传统养殖方式即天然放养，天然放养在遇到草场退化后，牦牛营养不足，牦牛的生长效率以及抵抗力都会下降，这就导致了牦牛数量逐年下降；此外，牦牛还存在近亲繁育的现象，后代存活率低，退化严重。这些问题严重的限制了牦牛产业的发展。通过分子育种选育优良的牦牛品种，可以加速我国牦牛产业的发展。但是，常规育种周期长，速度慢，这就需要将分子育种技术和传统育种技术相结合，提高育种质量，加速牦牛繁殖扩群，推动牦牛产业的发展。本文阐述了牦牛基因组学研究进展及其牦牛经济性状相关候选基因分子层面的研究进展，为日后牦牛产业的发展提供了资料和基础。牦牛基因组学研究进展基因组学是以生物体内基因组的全部基因为研究对象，阐明整个基因组的结构、及其与功能的关系以及基因之间相互作用。为了探究牦牛与普通牛瘤牛、水牛的关系，等对麦洼牦牛的线粒体进行了全测序，基于线粒体基因组的单基因、基因集和连接基因构建了系统发育树，牦牛是牛瘤牛分支的姐妹群，提出牦牛与牛瘤牛、牦牛与水牛的差异年代分别为距今 万年和 万年。为了探究家、野牦牛基因组水平上的遗传差异，等用 和 技术对种本土牦牛及野生牦牛进行了测序，发现种牦牛中有 万个 ，野生牦牛中有 万个 ，大多数鉴定的 在品种间共享。由于牦牛驯化历史较短，品系间的多样性相对较低。此外，通过突变和分析表明，野牦牛比家牦牛具有更高的多样性。在牦牛基因组学研究中，等对我国的仁美牦牛等其他多个品种进行了线粒体基因组测序组装及数据分析比较，仁美牦牛与其他个牦牛品种，亲缘关系最近。在牦牛全基因组测序研究中，等利用 的技术以 的测序深度对母牦牛测序，通过牦牛和牛之间的基因组比较，确定了与感觉知觉和能量代谢有关的基因家族在牦牛中的扩展，以及与感觉细胞外环境和低氧胁迫有关的蛋白质结构域的富集。发现可能对人类缺氧相关疾病的研究具有重要意义。等对 头野生牦牛和 头家养牦牛的基因组重测序，鉴定了 个拷贝数变异区域（），包括总共 碱基和 个重叠的注释基因，发现了神经元发育、繁殖、营养、缺氧反应相关以及免疫相关基因的 。等对 头家养牦牛和 头野生牦牛的 全 基 因 组 进 行 了 重 测 序，再 通 过 三 种 方 法（，和 ）比对，得出家养牦牛 个基因的有害突变位点和 个影响野生牦牛 个基因的有害突变位点，通过数据发现，家养牦牛相比较野生牦牛，有害突变数量更多。等 建立牦牛的全基因组数据库，提供了搜索引擎和数据挖掘工具，可以通过名称或使用功能关键字搜索基因，以及可用于可视化基因组区域和识别相似序列的 服务器。通过上述描述，牦牛基因组的主要研究进展可概括为以下几个方面：（）牦牛的起源以及分类；（）家养牦牛和野生牦牛的鉴别；（）家养牦牛和野生牦牛基因挖掘。牦牛基因组分析在育种方面的应用数量性状主基因的在育种方面应用数量性状的遗传变异既有以主基因为主导作用，也有其他微效基因共同作用的。数量性状的选择如果使用常规的育种方法，将会花费大量的时间。因此，通过对主基因的研究，将会降低畜禽动物的育种时间，主基因的研究是目前遗传育种届研究的重点之一。陈智华等 对母牦牛的体重、体高和产乳量等个数量性状进行了观察值分布分析，发现体重、体高、产乳量、乳脂率是主基因和微效基因共同控制的。因此，可在未来通过主基因来改善牦牛的这些生产性状。贾俊聪 使用三种多位点 方法，对多个不同月龄的牦牛的体重和体高等数量性状进行候选基因挖掘，发现多个显著关联的 ，其中部分在前人报道的 位点附近或者内部；附近存在多个候选基因，其中部分基因为影响牦牛生长发育的关键候选基因。牦牛分子标记育种应用分子育种是利用现代分子生物技术，如基因组育种和转基因育种，对家畜的生产性状进行选择，培养出具有优良性状的家畜品种或品系；相较传统育种方式，分子育种具有不同生物物种间的界限，缩短育种时间等优点。生长发育，肉质性状，泌乳等性状都是在生产上具有十分重要意义的经济性状，是当下牦牛研究的热点话题，挖掘这些性状基因对牦牛生产产业的发展有着推动作用。牦牛生长发育相关基因牦牛作为牧区人民重要的经济来源，牦牛的养殖是藏区经济的支柱。但是牧区的牦牛养殖仍是以家庭为单位，自给自足的天然放养的养殖模式，这就导致了牦牛生长发育缓慢的现状。除此以外，青藏草原冬季寒冷漫长，牧草产量低，枯草期长。冬季牦牛的饲料利用率低，牦牛生长速度缓慢，因此，通过分子育种来选择具有优秀生长性状的牛种是十分有必要的。牦牛的生长主要受生长激素（），生长激素释放素（），生长抑素（），生长激素受体（）等影响，白文林等 利用 技术检测了 头天祝白牦牛基因，基因的第五外显子处存在突变，突变率高达，与陈桂芳 等在 头西藏牦牛测得基因该位点的突变率接近，可说明该位点的突变存在明显的重演性，这为日后探讨牦牛的生长发育性状奠定了基础。牦牛肉质性状相关基因牦牛目前最大的生产方向还是肉用，牦牛肉脂肪含量低，蛋白质丰富，不饱和脂肪酸组成比例合适，是符合当代人饮食需求的优秀食材，但牦牛肉的肌肉嫩度较低，口感相较普通牛肉较差 。受当代的环境以及各方面的影响，牦牛育种仍然未达到能显著改善肉质、提高产肉性能的目标。但是，禽类上的分子育种工作已经开展的十分火热，对育种工作有着显著的作用。因此，开展牦牛肉质基因的挖掘工作也是十分有必要的。目前 研 究 较 多 的 候 选 基 因 包 括 瘦 素 受 体（）基因、蛋白酶基因（）家族和脂肪酸结合蛋白（）等基因。牛晓亮 研究发现 基因在甘南牦牛、天祝白牦牛及大通牦牛中多态性丰富，在启动子和第内含子之间含有个 位点，这些位点可能为后来和牦牛肉质性状相关联的 的研究提供资料。潘红梅 使用 技术对甘南牦牛 基因进行研究，该基因的外显子和内含子第期赵黄青，等：牦牛基因组研究进展与育种应用中均存在突变，其突变可能与牦牛肉嫩度等品质性状相关。曹健 通过 和 池测序技术对甘南牦牛等四种牦牛，进行 检测，发现 基因突变会影响甘南牦牛眼肌面积，基因变异影响部分年龄段个体肉质嫩度。牦牛泌乳相关基因牦牛除了肉用之外，还可产乳。一般母牦牛泌乳期产乳总量 ，日产乳量 。牦牛乳营养价值高，乳质营养物质相较普通牛乳含量高，如乳蛋白，干物质，乳脂等等 。二十碳五烯酸（）、二十二碳烯酸（）是牦牛乳中特有的，是其他普通牛乳中不含的。牦牛乳营养价值高，是一种优秀的食材，不仅可以饮用，还可以生产乳制品。因此，从经济层面和资源开发层面，挖掘相关的调控乳质和产乳量基因是非要有必要的。参与乳质调控的基因主要包括催乳素（）、信号传导与转录激活因子（）、脂蛋白 脂 酶（）、长链脂酰辅酶合成酶（）等等。姜勋平等 利用 对处于 头泌乳中期的九龙牦牛进行分析，随突变基因杂合度增加，产奶量、乳脂等乳质指数随之显著增加，因此可使种类群体杂交，提高杂合度，提升乳质量。蒋艳艳等 利用 技术对天祝白牦牛和青海牦牛等牦牛检测，牦牛 基因外显子和内含子均检测出 位点，突 变 型 其 乳 脂 率 受 到 突 变 显 著 影 响（）。参与产乳量调控的基因主要包括酪蛋白基因家族（）和胰岛素样生长因子连 接蛋 白 基因（）。使 用 结 合 测 序 技 术 对 头 中 国 牦 牛 的 基因研究，发现第外显子存在一段长度为 的插入片段；此外，同族的 的变体影响产乳量和乳蛋白量。牦牛抗低氧相关基因牦牛抗低氧的相关基因：家族缺氧诱导因子（）基因、促红细胞生成素（）基因、缺氧上调基因（）等等。管春燕 使用 克隆技术对牦牛 基因的 区域进行克隆，发现类乌齐牦牛 基因存在错义突变，此外，基因在类乌齐牦牛、西藏牛和三江黄牛 个组织器官中均有表达，在肝脏的表达量，肝脏是重要代谢的器官，对于脂肪的代谢具有重要作用，调节机体中脂肪的稳态，有利于在低氧等环境下生存。钟金城 使用 扩增和 克隆测序分析不同海拔高度的三个牦牛品种的 基因，发现该基因包含五个外显子和四个内含子，同时，通过三个牦牛品种的核苷酸序列分析，发现该三个品种牦牛的同源性很高，说明这三个品种牦牛在 基因的核苷酸水平上具有很高的保守性。汪琦 对共 头申扎牦牛和帕里牦牛等七种牦牛，结合 法和直接测序法对 基因研究，在 混池中检测到 ，但是在三江黄牛中未检测到这个 ，可以简单的说明这个 是牦牛的特异性 。牦牛无角相关基因牦牛在野外环境下，角具有保护和争取配偶的作用，但是牦牛的角在养殖过程中会对其他个体造成伤害，而且角的发育过程需要消耗营养物质。所以，培养无角牦牛也是牦牛育种的一个重要方向。有研究表明无角牦牛数量在纬度高的地域数量较多，有角牦牛几乎分布在北纬 以下的低纬度地区。有研究表明，无角牦牛可能更适应于高原寒冷的气候。在其他方面，的研究表明，无角的牦牛的肉质相比较有角牦牛更好，因此，从经济效益和遗传资源的利用等层面，无角牦牛是现代牦牛育种的一个重要方向。张志飞 通过 扩增技术和克隆筛选了与角生长发育相关基因如下：叉头转录因子（）和少突细胞转录因子（），通过免疫组化反应在胎牛角组织定位，与表皮细胞增殖以及表皮多层液泡角化细胞的的增殖分化相关。蛋白可以作为调控牦牛角发育的候选蛋白。佘平昌 通过 技术检测到 在有角和无角牦牛角基间转录量差异显著，在角基间转录量差异极显著，推测 和 可能是牦牛角性状的候选基因。牦牛基因组组装应用基因组是研究一个物种的全部基因为研究对象，通过对基因组的组装，为理解牦牛遗传多样性提供了重要的参考，且为今后牦牛的遗传改良和分子育种等研究提供了重要的数据基础。王明成 使用 技术，以 的测序深度对母牦牛测序，再加上原先 的高质量数据，最终使用了 的高质量数据（）进行基因组组装。刘艳斌 基于 技术，测序深度为 ，对野牦牛进行了全基因组序列图谱的绘制工作，家畜生态学报第 卷得到了 的原始数据；此外，还基于组装完成的野牦牛和家牦牛基因组序列，还进一步构建了 的牦牛泛基因组序列。该工作为日后的科研人员探寻经济性状基因提供了遗传数据，为分子育种提供了资料。牦牛分子育种存在的问题和展望分子育种作为近些年新兴的技术，为牦牛的育种提供了新的思路，相较传统育种方式，通过表型和遗传标记的方式，具有缩短育种年限，提高育种准备性的优点，在牦牛品种改良上具有广阔的前景，同时也应该认识到分子育种的不足及对未来的展望。我国不仅牦牛分子育种处于发展阶段，其他的牛种的分子育种也是如此，但是分子育种将是未来牛种品质改