猪mtDNA及其在遗传育种中的应用

柴玉兰，马海明

（湖南农业大学动物科学技术学院，长沙 410128）

猪mtDNA及其在遗传育种中的应用

柴玉兰*，马海明

（湖南农业大学动物科学技术学院，长沙 410128）

自1962年线粒体DNA (mitochondrial DNA， mtDNA) 首次通过电子显微镜直接被观察到以来，便成为核外遗传物质的研究热点。随着PCR、DNA测序、生物信息学等领域的快速发展，有关猪mtDNA的结构、遗传特点、应用等各方面都已经积累了相当丰富的资料。猪线粒体DNA的长度约为16.7 kbp， 由1个非编码D-Loop区和37个编码基因组成，其结构排列十分紧凑，碱基使用节约、高效。mtDNA具有母系遗传、自主遗传、无组织特异性、进化速率快等特点，因此它在遗传多样性、起源进化、生产性能、繁殖性能、猪肉真伪鉴别等方面被广泛地研究、应用。

1 特征

1.1 猪mtDNA的结构、大小

mtDNA由重链（H strand，H链）和轻链（L strand，L链）两条链组成，呈双链闭合环状。1979年，人类线粒体基因组全部序列被测得后，其他哺乳动物的线粒体基因组全部序列也被先后测定。就猪的mtDNA而言，很多种猪种（如巴马香猪、莱芜黑猪、桃源黑猪、宁乡猪、滇南小耳猪、荣昌猪、大围子猪等等）mtDNA的全序列已被测出。猪mtDNA结构现已十分清楚，它是由1个非编码D-Loop区 (D-Loop region，又叫非控制区non-coding control region)和37个编码基因组成。而37个编码基因中，包含2个核糖体RNA (12S rRNA和16S rRNA)，13个蛋白质编码基因 ( PCGs) 和22个转运RNA (tRNA)。以大围子猪mtDNA为例（表1）可以看出，猪mtDNA基因的结构排列十分紧凑，无内含子，基因间隔小，甚至阅读框有交叠读取的情况；碱基使用节约、高效，这些特点适应于细胞器的快速复制。

1.2 猪mtDNA的遗传特点

1.2.1 母系遗传

在生殖过程中，mtDNA通过猪卵细胞质传递给后代，不受公畜影响。虽然精子的少量线粒体会进入卵母细胞，但由于胚胎中存在一对精源线粒体的识别和降解系统，它们在胚胎发生早期就消失了。这种几乎无基因重组、严格的母系遗传方式，为母系起源、亲缘关系等群体分析奠定了理论基础。

1.2.2 自主遗传

mtDNA能完成自我复制，能自主转录生成RNA，并编码合成部分维持自身结构、功能所需的蛋白质，其遗传具有很大的自主性。值得提出的是，mtDNA的遗传也会受到核DNA的调控，主要通过向线粒体输入核DNA编码的蛋白质以及某些小RNA来实现。

1.2.3 组织特异性

细胞中mtDNA含量丰富，在同一个体中，不同组织中的mtDNA具有高度的均一性，即无组织特异性。但不同组织中的mtDNA的含量、断裂程度不相同，因此不同组织中mtDNA提取的难易程度有所不同。实验证明，从肝脏提取mtDNA难度最小。

1.2.4 进化速率

mtDNA的进化非常快，其进化速率是染色体基因组进化速率的5～10倍。其主要原因，一方面在于mtDNA几乎没有与之相结合的组蛋白，处于“裸露”状态，因而容易受到代谢产生的自由基、氧化物等中间物质的诱变或损伤；另一方面，线粒体中缺乏防止DNA复制错误和修复DNA损伤的酶，这都使mtDNA突变的可能性增加。同时，又由于核DNA承担了细胞生长发育和新陈代谢的核心功能，选择压力大，而mtDNA承担的功能少许多，选择压力较小，因此mtDNA的一些突变易被保留下来。

2 在遗传育种中的应用

2.1 遗传多样性与猪种的起源、进化

早在20世纪90年代，就通过研究江西省、浙江省等地的猪mtDNA多态性充分探究了中国地方猪种遗传多样性。到目前，对中国地方猪种的起源分化基本已经达成以下共识：中国地方猪种遗传多样性贫乏。

尽管各猪种的外表特征差异明显，但是它们的mtDNA在遗传结构上没有太大差异，这反映了它们母系起源上的一致性。的确，大多数研究表明，中国地方猪种都起源于亚洲野猪，亚洲野猪与欧洲野猪的进化、驯养相对独立。但此结论也存在争议，有研究指出琉球野猪、华北野猪的几种单元型与亚洲家猪间并无直接联系；而Souza等通过分析线粒体Cytb基因表明本地主要猪品种起源于2 个不同的欧洲母系支系。

2.2 猪的繁殖、育种

线粒体在体内处于新陈代谢和能量转换的中心地位， 可产生体内约85%的 ATP，线粒体的能量传递能力可能受mtDNA的调控。S.K.Lee等的研究指出，线粒体的代谢活性和mtDNA的复制对猪卵母细胞的发育有重要影响。另有报道指出mtDNA 拷贝数的减少和转录水平的降低都可以影响呼吸链功能、ATP的产生，而ATP可以影响卵子的正常发育、成熟；其次，卵母细胞的ATP含量直接影响受精率，ATP含量过高或过低都可以引起受精的失败；再次， 由于在胚胎发育的早期， 受精卵基因组尚未激活， 胚胎发育所需的能量供给及调控因子都来自母源的基因表达产物， 故其所有耗能主要依赖卵母细胞所携带的线粒体。Hongshan Ge等的研究进一步指出，mt DNA 拷贝数的减少，主要影响的是胚胎的发育潜力，而对卵母细胞成熟和体外受精影响相对较小。

表1 大围子猪mtDNA的结构

在mtDNA标记辅助育种方面，赵兴波等通过 PCR-RFLP方法研究猪mtDNA D-loop区，结果表明太湖猪、大白猪、北京黑猪、香猪、五指山猪、长白猪和杜洛克猪7个猪品种Acc Ⅳ 酶切位点的多态与太湖猪的高繁殖性能没有直接的关系。

2.3 猪生产性能

Toelle等研究了杜洛克猪和大白猪的2个母系猪种的细胞质效应，其研究结果表明细胞质对出生重、断奶重和背膘厚度都有较大的意义，据此得出猪mtDNA与生产性能密切相关的结论。

2.4 猪肉真伪鉴别

猪肉真实性检测关系到经济、宗教、食品安全或公共健康问题。自从2001年，BellagambaF利用 mtDNA的cytb基因产生的限制性位点成功鉴定出饲料中所使用的动物性脂肪的动物品种。近年来，基于mtDNA，在分子水平开发出了便宜、高效、灵敏、快捷的猪肉实验室常规鉴定方法。

2012年，Haider等开发了基于线粒体细胞色素c 氧化酶亚基1基因 （COI）的PCR-RFLP方法，可以把猪肉从牛、鸡、火鸡、羊、水牛、骆驼和驴的生肉样品区分开。

2013年，陈睿赜根据mtDNA确定了4对引物，建立了一种能够一次性快速区分出绵羊肉、猪肉、鸡肉、鸭肉的多重PCR检测方法，即使100 ℃沸水中将样品煮熟10 min，对mtDNA不会造成大的损伤，此方法依然灵敏。同年，Karabasanavar等根据猪线粒体D-loop区引物，建立了高度特异性的PCR猪肉鉴定方法，实现猪组织的精确检测。该方法可使猪组织区别于其他24种动物 (其中包含哺乳类、 鸟类、 啮齿类动物和鱼类)，灵敏度可达0.1%，这项技术可以用于检测生猪肉、 加工猪肉中是否有掺假肉。

3 问题与展望

目前，mtDNA在猪繁殖性能、生产性能方面的研究比较少。赵兴波等虽然提出了7个猪品种Acc Ⅳ 酶切位点的多态与太湖猪的高繁殖性能没有直接关系的论点，但是，这个试验的样本量比较小（每个猪种只有12个样本），因此该论点局限性较大，尚不能确认该位点变异是否就只存在于长白猪和部分大约克猪品种上。所以，充分利用猪mtDNA， 找到更多符合人类生产需求的有利基因，选育出更符合社会需要的品种，是我们现在面临的挑战。

略。

2015-07-07)

863项目（2011AA100304），湖南省自然科学杰出青年基金（13JJ1021）

柴玉兰（1989-），女，汉族，湖南益阳人，在读硕士，研究方向为猪的分子遗传。

马海明，教授，博导，E-mail: mahaiming2000@163.com