牦牛分子标记研究进展

李爱民,马 云,2,蓝贤勇,马 伟,陈 宏＊

(1.西北农林科技大学动物科技学院,陕西 杨凌 712100;2.信阳师范学院生命科学学院,河南 信阳 464000)

牦牛分子标记研究进展

李爱民1,马 云1,2,蓝贤勇1,马 伟1,陈 宏＊1

(1.西北农林科技大学动物科技学院,陕西 杨凌 712100;2.信阳师范学院生命科学学院,河南 信阳 464000)

牦牛是青藏高原高寒草地牧区畜牧业发展中最重要的畜种。作为当前遗传育种的热点,分子标记技术已被广泛应用于牦牛分子育种研究中。为此,本文以影响牦牛生长发育、肉品质、繁殖和泌乳相关的基因为切入点,结合现代DNA标记与起源进化分析,就牦牛分子标记研究的最新进展作一综述。

牦牛;分子标记;基因;标记辅助选择(MAS);研究进展

1 引言

牦牛是牛属动物中能适应高寒气候环境条件而延续至今的特有牛种。它具有地方特异性强、抗逆性强和耐粗饲等优点,且受现代良种的冲击较小,已成为当前青藏高原高寒草地牧区畜牧业发展中最重要的畜种。我国现有牦牛1300万头左右,约占牛只总数的1/6,主要分布在青海、四川、甘肃、云南、西藏和新疆等省份或自治区。但目前人们认为,牦牛仍属生产性能较低的原始牛种,主要牦牛产区虽曾采用过种间杂交改良和本品种选育等方法来提高牦牛的生产性能,但由于受到杂种雄性不育、群体生产性能与系谱资料记录的不完整等因素的影响,故未取得显著成效。为此,目前关于牦牛现代育种的研究和应用主要集中在分子育种水平。

分子育种是利用现代分子生物技术和基因工程等方法,以基因为对象,选育、培育或改良出符合人类要求的新品种或品系。牦牛分子育种研究涉及重要候选基因DNA变异及其遗传效应研究和分子标记辅助选择(marker-assisted selection,MAS)研究。牦牛分子标记辅助选择是直接在DNA水平上对控制生长发育、肉品质、繁殖和泌乳等经济性状的基因型或基因进行选择,具有高效和快速育种的特点,克服了传统杂交选择法的各种缺陷。为此,本文以牦牛生长发育、肉品质、繁殖和泌乳相关基因为切入点,结合现代DNA标记与起源进化分析,就牦牛分子标记研究的最新进展作一综述。

2 牦牛分子标记研究

生长发育、肉品质、繁殖和泌乳等生产性状是牦牛主要的经济性状。因此,控制这些重要经济性状的相关重要基因DNA变异及其关联分析和起源进化研究,成为当前研究的热点,为牦牛的MAS研究奠定基础。

2.1 与生长发育相关基因的研究

与牦牛生长发育性状相关候选基因的研究,主要涉及三类:I类是以GH为介导的重要基因,包括生长激素(G H)、生长激素受体(GHR)和生长激素释放激素(GHRH);II类是以IGF为介导的重要基因,如:胰岛素生长因子-1(IGF-1)、胰岛素生长因子-2(IGF-2);III类是肌肉生长抑制素(MS TN)等功能基因。其中,MS TN通过抑制MyoD家族成员转录活性负向控制肌细胞的生长发育,家畜MS TN基因的活性丧失可导致肌肉增大,体重增加。目前,对牦牛上述基因的研究结果总结如表1所示。

2.2 与肉品质相关基因的研究

与牦牛肉质性状相关的候选基因主要有:(1)激素敏感脂肪酶(HS L):是动物体内引发脂肪组织中甘油三酯分解的关键酶和限速酶,在动物脂肪代谢中起到关键作用;(2)脂蛋白脂肪酶(LPL):是由脂肪细胞、骨骼肌细胞、乳腺细胞及巨噬细胞等实质细胞合成的一种蛋白水解酶;(3)瘦素(Leptin):是一种主要由脂肪细胞分泌的激素,调节机体能量平衡及营养改变时神经内分泌的应答反应;(4)钙蛋白酶抑制蛋白(CAST):是钙蛋白酶的内源抑制蛋白;(5)血管生成素相关蛋白-4(ANG PT L4):可以抑制脂蛋白脂肪酶的活性,时正调控血浆甘油三酯水平,促进脂肪动员,抑制脂肪贮存等;(6)钙激活蛋白酶-1(CAPN1):是细胞质中主要的蛋白水解酶,降解肌原纤维蛋白;(7)硬脂酰辅酶 A脱氢酶-1(SCD1):可以影响牛肉中脂肪酸(FA)水平的变化等。有关这些基因在牦牛分子标记方面的研究成果见表2。

表1 与牦牛生长发育性状关联基因的分子标记研究

表2 与牦牛肉品质性状关联基因的分子标记研究

2.3 与繁殖性状相关基因的研究

与牦牛繁殖性状相关基因的研究,如表3所述:(1)促卵泡激素-β(FSH-β)在促进雌性动物子宫内膜生长、排卵、刺激多卵泡发育及刺激雄性动物的精子发生方面起着主要作用;(2)促卵泡素受体(FSHR)介导FSH的信息传递到靶细胞内;(3)SRY是睾丸决定因子,其是否突变直接决定了哺乳动物的性别表型。

表3 牦牛繁殖性状关联基因的分子标记研究

2.4 与泌乳性状相关基因的研究

与牦牛泌乳性状相关基因的分子标记研究,主要集中在乳铁蛋白基因家族和乳上皮黏蛋白(MUC1)基因。乳铁蛋白基因家族主要包括β-CN、κ-CN 、α-La、αS1-CN 、β-Lg 等成员 ,其均具有广谱抗菌、抗病毒和调节肠道菌群的重要生理功能,对促进和调节机体对铁的吸收,提高机体造血功能,预防和减少贫血的发生等方面起着重要的作用。关于MUC1基因的功能还未见明确的报道,但根据其结构和分布特点,可以推测其在调节细胞免疫和阻止病原微生物方面具有重要作用。有关牦牛这些基因的分子标记研究如表4所示。

表4 牦牛泌乳性状关联基因的分子标记研究

2.5 分子标记技术在牦牛其它方面的研究

关于牦牛起源问题及其在牛亚科中与其它物种的亲缘关系一直存在争议,目前主要有两种不同的观点:一种观点认为牦牛与牛属的亲缘关系比较近;另一种观点认为牦牛与野牛属的亲缘关系比较近。冀德君等[26]以蒙古牛、雷琼牛、巴音郭楞牦牛、独龙牛、海子水牛、尼里拉菲水牛6个牛亚科物种共101头牛为实验材料,运用PCR-SSCP及 DNA测序法对MSTN基因外显子2进行了多态性研究,结果显示牦牛与普通牛、瘤牛的分化较明显,亲缘关系较远,在一定程度上也支持了牦牛及大额牛划为牛亚科中单独一个属的观点。Zhangetal.[27]通过研究决定遗传变异水平的16个微卫星标记,并进行种群结构的相关性分析,结果发现94.4%的遗传变异存在于牦牛品种之内,仅有5.6%的遗传变异存在于牦牛和其它牛品种之间。动物线粒体DNA因其进化速度快、群体内变异大、分子结构简单等特点,已成为进行物种起源、分子进化和系统发育研究的重要分子标记。Tu,etal.[28]应用PCR-RFLP法,对21头牦牛(采自云南)的肾脏(肝脏)组织进行了线粒体DNA的多态性研究,初步判断牦牛与黄牛的亲缘关系较之黄牛不同品种之间较远。因此,分子标记技术的应用,为牦牛起源和进化的研究提供了可能。

3 存在问题与展望

目前,牦牛分子育种虽取得了较大突破,但与国内其它优良牛种的育种相比,仍有很多不足之处:①部分分子遗传标记在牦牛研究中运用不够深入,未发挥出其应有的优势,如对SSCP、SNP、DN A指纹标记技术应用较少;②对牦牛核外基因组研究相对较少;③对牦牛经济性状功能基因多态性研究较多,而对其多态性与生产性能的相关性分析研究较少,未能与生产性能进行相关性探讨;④牦牛功能基因的定位、表达调控研究尚未深入研究;⑤从分子水平上对犏牛雄性不育的机理以及其对生态环境的适应性研究开展不够深入等。

从DNA分子标记技术在牦牛遗传育种研究中的应用及牦牛功能基因的研究现状来看,大多数DNA分子标记在牦牛品种的起源、演化和分类研究以及牦牛品种间和品种内亲缘关系鉴定方面,以及牦牛功能基因的研究不断深入,成果显著。在牦牛组织表达谱研究方面,目前也获得一定的研究成果,如屈旭光[29]等对牦牛、犏牛睾丸组织中S YCP3基因mRNA表达水平进行了研究,发现SYCP 3基因在牦牛睾丸组织中特异表达,牦牛与犏牛睾丸组织中SYCP3基因的表达水平差异极显著(P<0.01);林亚秋等[30]对九龙牦牛PPARγ基因进行了克隆及表达谱分析,结果在脂肪、背最长肌、心、肝、肾、脾和肺脏中均检测到PPARγ基因的表达,并且在脂肪组织中表达量极显著高于其他组织(P<0.01),在肝脏和脾脏中亦有较高表达;邝良德等[31]对九龙牦牛脂肪细胞型脂肪酸结合蛋白基因(AFABP)的克隆及其表达谱研究,发现除肺以外,在脂肪、骨骼肌、心、肝、肾和脾中均检测到A-FABP基因的表达,并且在脂肪组织中表达量极显著高于其他组织(P<0.01),这些研究为牦牛相关候选基因的后续功能验证提供了理论依据。由此可见,分子生物技术已经深入到牦牛的研究当中,并随着分子理论知识的不断发展完善,以及牦牛育种工作经验的积累,分子育种将会对牦牛的保护和利用起重要作用,并成为未来牦牛品种改良的主要工具。

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Progress on Molecular Marker in Yak

LI Ai-min1,MA Yun1,2,LAN Xian-yong1,MA Wei1,CHEN Hong＊1

(1.Colleg e of An ima lS cience and Techno log y,North west A&F University,Yang ling,S haan xi,712100;2.Co llege of life Science,X in yang Normal University,X inyang,Henan,464000)

Yak is the mostim portant livestock ofindispensable key breeds for the development of modern husbandry in Alpine Pasture area of Qinghai Tibet Plateau.As the hot spot of breeding and genetics,molecular marker technology has been widely used in molecular breeding of yak now.Therefore,in this paper,the latest advancement of molecular markers in yak were reviewed involving numerous key candidate genes associated with grow th traits,meat quality traits,reproduction and milk production traits as well as origin and evolution ofyak.

Yak;Molecular Marker;Gene;Marker Assistant Selection(MAS);Progress

S823.2

A

1001-9111(2011)04-0030-05

2011-03-11

2011-04-02

本研究受农业部现代肉牛产业技术体系专项(No.CARS-38),国家自然科学基金(No.30972080)和国家支撑计划(No.2008ADB2B03-19)项目资助。

李爱民(1984-),男,甘肃天水人,在读硕士,研究方向:生物技术与动物育种。

＊通讯作者:陈宏(1955-),男,陕西西安人,教授,博士生导师,研究方向:生物技术与动物育种。