西藏牦牛POU1F1基因的多态性及其与生长性状的相关性分析
2017-01-09宋娜娜柴志欣钟金城
宋娜娜,柴志欣,胡 丹,向 超,钟金城
(1.西南民族大学 动物遗传育种学国家民委-教育部重点实验室,四川 成都 610041;2.西南民族大学 青藏高原研究院,四川 成都 610041)
西藏牦牛POU1F1基因的多态性及其与生长性状的相关性分析
宋娜娜1,2,柴志欣1,2,胡 丹1,2,向 超1,2,钟金城1.2*
(1.西南民族大学 动物遗传育种学国家民委-教育部重点实验室,四川 成都 610041;2.西南民族大学 青藏高原研究院,四川 成都 610041)
本研究利用DNA池和测序技术,结合PCR-RFLP方法,筛查了POU1F1基因第2外显子和第5内含子的SNP位点,分析了西藏申扎(SZ)、类乌奇(LWQ)、斯布(SB) 和帕里(PL)4个牦牛类群(品种)共182个个体的POU1F1基因的多态性及其与体重、体高、体长等生长性状指标之间的相关性。结果表明:①POU1F1基因第2外显子高度保守,未发现任何突变,第5内含子中发现2个突变位点,分别为T727C(BglII酶切)位点和T284C(StuI酶切)位点。② 申扎(SZ)、类乌奇(LWQ)、斯布(SB)和帕里(PLl)4个群体中StuI位点为中度多态性,其基因T/C频率分别为:0.61/0.39、0.54/0.46、0.54/0.46和0.62/0.38,BglII位点为低度多态性;Hardy-Weinberg检验表明StuI位点和BglII位点均处于平衡状态(P>0.05)。③StuI位点在4个群体中表现CC、CT和TT 3种基因型,BglII位点在4个群体中只表现CT和TT 2种基因型。④帕里牦牛StuI位点CC和CT基因型在生长性状上存在显著差异(P<0.05),其中CC基因型的体高和体长均高于CT基因型,而其他几个牦牛类群未发现类似现象。BglII位点基因型与生长指标的相关性不显著。西藏牦牛POU1F1基因内含子5内T284C基因座表现的多态性可以作为改良其生长性状的一个遗传标记。
西藏牦牛;POU1F1基因;PCR-RFLP;多态性;生长性状
牦牛是青藏高原的特有牛种,是典型的耐高寒、耐低氧动物,主要产于海拔3000 m以上的青藏高原地区[1]。西藏是我国牦牛的主产区之一,西藏牦牛因各地区气候和生态环境条件的差异,形成了不同的品种或类群,是西藏农牧业发展的重要支撑。与牦牛经济指标相关性状的研究对牦牛产业的发展有重要作用[2-3],对促进牦牛产业快速、高效发展,提高牦牛的生长性状尤为重要[4]。
POU1F1(POU domain, class 1, transcription factor 1,POU1F1)是第1个被鉴定为垂体释放因子的组织特异性转录因子,具有高度保守的POU结构域[5-6],能够识别POU1F1的启动子激活基因转录,主要在垂体前叶腺中参与正向调控生长激素(Growth Hormone, GH)、催乳素(Prolactin, PRL)和促甲状腺B激素(Thyroid-Stimulating Hormone B, TSHB)基因的表达[7-8]。当编码基因发生变异时,导致垂体发育不全,致使三种基因表达受阻,多种垂体激素缺乏,严重影响生物的发育,导致个体矮小现象[9]。POU1F1还是垂体催乳素细胞、甲状腺细胞、促生长激素细胞分化的重要转录因子,而且发现POU1F1在这些细胞中可能有其他作用,Herman等[10]通过对全基因组研究确定其为潜在的新靶点基因,并通过该因子调控下游网络。牛的POU1F1基因位于1号染色体上,全长为15 945 bp,包含6个外显子和5个内含子[11]。限制性内切酶片段长度多态性(Restriction Fragment Length Polymorphism, RFLP)是在20世纪末提出的DNA标记方法,RFLP是指基因型之间限制性片段长度的差异,通过酶切后的图谱能够准确说明缺失或突变的位点[12-13]。近年来很多学者相继对牦牛的多态性进行了研究[14-17]。鉴于POU1F1基因对提高牦牛生长性状的重要作用,且与其相关的报道较少,因此,本研究将通过对西藏牦牛POU1F1基因进行SNP检测,并分析多态性与西藏牦牛生长性状的相关性,以期筛选出有效的遗传标记,为优化西藏牦牛选育体系及新品系的选育提供初步的科学根据。
1 材料与方法
1.1 材料
选取西藏申扎(70头)、类乌奇(48头)、帕里(28头)和斯布(36头)4个牦牛品种(类群)共182个成年健康个体,采集耳组织样品,75 %酒精保存,带回实验室,-80 ℃保存备用。同时测定体重、体高、体长、胸围、管围等生长指标。
1.2 方法
构建DNA池,以DNA池为模板对设计的引物进行PCR扩增,对扩增片段测序结果图进行分析及综合DNAMAN比对结果,得到突变位点。
1.3 试剂与总DNA的提取
DNA提取试剂盒购自天根生化科技有限公司;TaqDNA预混酶和限制性内切酶BglII及StuI购自大连宝生物公司。用DNA提取试剂盒,提取总DNA,配制1 %的琼脂糖凝胶,EB染色,紫外照射观察,验证总DNA,-20 ℃保存。
1.4 引物设计与合成
根据GenBank 上发表的牛POU1F1基因序列(Accession No:AC000158),利用Primer 5.0软件设计3对引物(表1)。对第2外显子设计1对引物,对第5内含子设计2对引物,引物由英潍捷基(上海)生物技术有限公司合成。
1.5 PCR扩增
PCR反应体系(15 μl):ddH2O 5.7 μl,上下游引物各0.6 μl,模板0.6 μl,2×longTaqDNA预混酶7.5 μl。PCR产物经1 %琼脂糖凝胶检测。
PCR反应条件:95 ℃预变性4 min,94 ℃变性30 s,退火30 s(退火温度为50.5和59.1 ℃),72 ℃延伸1 min 40 s,共30个循环;72 ℃后延伸6 min。
将PCR扩增产物用BglII和StuI进行酶切,20 μl酶切反应体系:ddH2O 8.8 μl,PCR产物8 μl,内切酶1.2 μl,缓冲液2 μl,金属浴37 ℃ 11 h,酶切产物经2 %的琼脂糖凝胶电泳检测,通过凝胶成像系统拍照来确定酶切图谱的基因型。
2 结果与分析
2.1 基因SNPs位点的筛查和检测
将以DNA池为模板PCR产物进行直接测序,获得了3个片段,从图1可知,其中第2外显子片段高度保守未发现突变,第5内含子POU1F1-5-1片段发现T284C位点,POU1F1-5-2片段发现T727C位点。经酶切在线分析工具分析得到T284C和T727C两位点分别使用StuI和BglII内切酶。
表1 牦牛POU1F1基因的引物序列
图1 POU1F1-5-1 和POU1F1-5-2片段测序Fig.1 The sequencing of POU1F1-5-1 and POU1F1-5-2 fragment
2.2 PCR-RFLP分析
第5内含子的两对引物PCR扩增后的长度分别为534和1 519 bp,POU1F1-5-1扩增片段经StuI酶切后表现出多态性(图1),表现534、250和284 bp条带,泳道1为CT基因型;泳道2、5、7为CC基因型;泳道3、4、6、8为TT基因型。POU1F1-5-2扩增片段经BglII酶切后表现出多态性(图2),表现727和792 bp条带,泳道1~6和8~12为TT基因型;泳道7为CT基因型,未见CC基因型。
2.3 基因型频率、等位基因频率及χ2检验
POU1F1基因中T284C和T727C这2个SNP位点等位基因及基因型在4个类群中的分布频率(表2)。T284C位点中,杂合基因型TC在申扎、类乌齐、斯布3个类群中的分布频率为0.51、0.54和0.64,均表现为优势基因型;而等位基因T在申扎和帕里2个类群中的分布频率分别为0.61和 0.62,为优势等位基因。而在T727C位点中,未发现CC基因型个体,TT基因型个体的的分布频率分别为0.91、0.96、0.94、0.92,是明显的优势基因型,同时得出T为优势等位基因。
1:CT型;2,5、7是CC型;3、4、6、8是TT型;M:Marker1:Genotype CT; 2, 5, 7:Genotype CC; 3, 4, 6, 8:Genotype TT; M:Marker图2 申扎牦牛POU1F1-5-1片段PCR产物StuI酶切电泳图Fig.2 Electrophoresis patterns of digesting PCR products of POU1F1-5-1 fragment with StuI
1、2、3、4、5、6、8、9、10、11、12:TT型;7:CT型;M:Marker1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12:Genotype TT; 7:Genotype CT; M:Marker图3 申扎牦牛POU1F1-5-2片段PCR产物BglII酶切电泳图Fig.3 Electrophoresis patterns of digesting PCR products of POU1F1-5-2 fragment with BglII
对POU1F1基因的T284C位点和T727C位点进行Hardy-Weinberg平衡的χ2检验(表3)。结果表明,4个群体在T284C、T727C2个位点均处于遗传平衡状态(P>0.05),χ2值均未达到显著水平,推测可能是经过长期自然选择、人工选择,达到了遗传平衡状态。
表2 4个牦牛类群POU1F1基因2个SNP位点等位基因及基因型频率
续表2 Continued table 2
牦牛类群Yakgroups基因和基因型Geneandgenotype突变位点(Loci)T284CT727C数量Quantity频率Frequency数量Quantity频率FrequencyCC90.1900T-0.54-0.98C-0.46-0.02斯布(SB)TT50.22340.94TC230.6420.06CC80.1400T-0.54-0.97C-0.46-0.03帕里(PL)TT120.43250.92TC110.3920.07CC50.1800T-0.62-0.96C-0.38-0.04
表3 4个牦牛类群POU1F1基因2个SNP位点的Hardy-Weinberg平衡的χ2 检验
2.4 遗传多态性指标
由表4可知,T284C位点在4个类群中均处于中度多态(0.25 表4 4个牦牛类群POU1F1基因2个SNP位点的遗传多态性指标 表5 帕里牦牛POU1F1基因StuI位点对体尺性状的影响(平均数±标准误) 注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。 Note:The different scripts(a,b) mean difference significantly(P<0.05). 2.5 帕里牦牛POU1F1基因StuI位点多态性和生长性状相关性 通过SPSS分析4个群体两个酶切位点与体尺性状的相关性(表5),结果得出帕里牦牛CC和CT基因型个体存在显著差异(P<0.05)。3种基因型与体高和体长之间有相关性,CT型个体体长为133.64 cm,CC型个体为124.50 cm,前者比后者高出9.14 cm,差异显著,说明西藏牦牛POU1F1基因第5内含子的StuI位点可能是影响体尺性状的重要功能基因座。 3.1 西藏牦牛POU1F1基因的多态性 POU1F1基因能正向调控生长激素、催乳素和垂体释放激素,对动物早期胚胎及整个生长期生长发育起到重要的调控作用。因此,很早以前POU1F1基因就已作为生长性状主要的候选基因。宋成义等[18]通过对猪POU1F1基因启动子多态性分析阐明其与生长性状的关联性,其AA 基因型个体的体长、体重、体高、胸围和显著高于其他2个基因型个体。邱国宇等[19]利用PCR-RFLP方法在郏县红牛POU1F1基因第6外显子发现HinfI、AluI、PstI 3个酶切位点,且BB基因型对郏县红牛生长发育性状有显著影响。牛志刚等[20]对新疆褐牛POU1F1基因进行多态性分析发现部分基因型与体重有显著相关。Sadeg等[21]研究发现,伊朗地方绵羊POU1F1基因多态性与体重显著相关。 本文通过对西藏4个牦牛类群POU1F1基因外显子2及内含子5上酶切突变位点与体尺性状的研究,探寻与生长性状相关的候选基因,从分子角度来提高牦牛的经济性状。4个类群中T为优势等位基因,CT基因型为优势基因型。χ2和Hardy-Weinberg 平衡性检测可知西藏牦牛4种群均处于平衡状态(P>0.05),受选择、基因突变等影响较小,可能是4个群体在人工选育过程中对BglII和StuI座位选择压力不强,两座位在人工选育、迁徙和遗传漂变下处于动态平衡中。由多态信息含量(PIC)、纯合度(Ho)、杂合度(He)检测结果可知T284C位点在4个种群均属于中度多态位点,可以作为该群体遗传资源评价的建议性指标,T727C的低度多态可能是遗传分化程度较低,缺乏与其他种群的基因交流,可能在该位点的遗传变异程度较小,突变少,使得基因的纯合型得以积累。T284C位点杂合度相对较大,遗传变异程度越高,利用前景较大。T727C位点的纯合度均达到90 %以上,说明该位点遗传变异程度低,基因交流少。 在T727C位点位发现CC型个体,原因可能:①CT、TT型优势个体在自然选择过程中中已趋于稳定,是群体固有的遗传特性;②由CT、TT型到CC型转变的个体较少,可能存在不利突变,使得突变后的个体母牛难产率增大;③也可能因实验样本数较少,基因型在群体中分布不均。本研究结果与魏伍川等[22]在对雷州黄牛GAD1和GHR基因的多态性分析时,只发现BB、AB型个体未发现AA型个体的研究结果一致,推测可能是AA 型个体在生长过程因采食量偏少、生长慢而被较早淘汰。马彦男等[23]在对中国荷斯坦牛FASN基因多态性对泌乳的影响的研究中也未发现BB型个体。 3.2 POU1F1 基因多态性与生长性状的关系 通过不同基因型和生长指标的关联分析,4个群体中,T284C 位点在帕里牦牛中CC/CT之间有显著差异(P<0.05),其他几个牦牛类群却未见相同结果。而T727C位点与牦牛体尺无相关性。 本研究对POU1F1第5内含子的多态性和生长指标进行相关性分析,结果第5内含子的BglII多态位点对生长指标无显著影响。与Curi等[24]研究不同品种牛POU1F1基因与生长性状的关联性,得出未对生长和胴体性状产生任何影响的结果一致,与刘波等[25]通过对秦川牛及其杂种牛POU1F1基因多态性研究得出第5内含子的HinfI 多态位点对其胸围、体高,十字部高有显著影响的的结果存在差异。薛恺等[26]对POU1F1基因对南阳牛生长发育性状的影响,得出POU1F1-HinfI位点BB型为优势基因型与生长指标有相关性(P<0.05),阐述了不同的基因型是南阳牛生长多样性主要的原因。通过以上结果对比表明虽然同属牛种但是受遗传因素、环境因素等影响仍存在较大差异。近些年来越来越多的研究表明,POU1F1基因不仅可以作为牛生长性状和其他物种生长性状的候选基因,还可以作为肉质、产奶等经济性状的候选基因。Stasio等[27]研究表明POU1F1基因与牛的肉质相关。Zakizadeh等[28]得出POU1F1基因与牛的产奶相关。Mura等[29]得出POU1F1基因与奶萨尔达绵羊产奶相关。lin[30]研究还发现POU1F1复合型基因的多态性对生产性状有重要影响。 本研究POU1F1-StuI多态位点对帕里牦牛体高、体长指标存在显著性影响的结果可为今后研究提供一定的参考依据,因样本数量的制约,因此进一步的研究将加大样本容量,以得出更详细的试验结论,为POU1F1基因作为与生长性状候选基因提供依据。 西藏牦牛POU1F1基因存在一定的遗传多态性,在POU1F1基因第5内含子处筛选出两个SNP位点,分别为T284C和T727C位点,且POU1F1基因内含子5上T284C基因座对帕里牦牛的体高和体长有较为显著的影响,可以用来作为优化选育体系的一种遗传标记。 [1]钟金城, 赵素君, 陈智华, 等. 牦牛品种的遗传多样性及其分类研究[J]. 中国农业科学, 2006, 39(2):389-397. 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(责任编辑 李 洁) Association of Polymorphism ofPOU1F1 Gene with Growth Traits in Tibetan Yak SONG Na-na1,2, CHAI Zhi-xin1,2, HU Dan1,2, XIANG Chao1,2, ZHONG Jin-cheng1,2* (1.Key Laboratory of Animal Genetics and Breeding of State Ethnic Affairs Commission and Ministry of Education,Southwest University for Nationalities,Sichuan Chengdu 610041,China;2. Institute of Tibetan Plateau Research,Southwest University for Nationalities,Sichuan Chengdu 610041,China) This research on the use of DNA pool and sequencing technology, the PCR-RFLP method, was conducted to study the correlation of polymorphisms ofPOU1F1 gene and growth traits of Shenzha Yak, Leiwuqi Yak, Sibu Yak, Pali Yak by screening the SNP locus of gene exons 2 and intron 5 with three pairs of primer, a total of 182 yaks. The results showed that(i) no polymorphism was found atPOU1F1 gene exon 2,which was highly conserved, two polymorphisms were found in intron 5, they were respectively T727C locus(BglII) and T284C locus(StuI).(ii) In four populations of SZ, LWQ, PL, SB,StuI locus belonged to the middle polymorphic index, moreover, the frequencies of T/C alleles were respectively 0.61/0.39, 0.54/0.46, 0.54/0.46 and 0.62/0.38, CT was a predominant genotype and T was a predominant allele.StuI locus belonged to the low polypeptide.StuI andBglII locus were under Hardy-Weinberg equilibrium(P>0.05).(iii)StuI locus of four groups were found three genotype with CC, CT and TT. Only two genotypes(CT and TT) were found atBglII locus.(iv)The correlation of polymorphisms betweenPOU1F1 gene and growth traits among the four populations was analyzed. In Pali Yak,the results showed that Genotype CC and TT were highly associated with body length and body height(P<0.05), genotype CC was higher than that genotype CT, the same result did not appear in the left three population. The correlation betweenBglII locus and growth index was not significant. T284C locus polymorphism atPOU1F1 intron 5 of Tibetan yak can be as a genetic marker for improved growth traits. Tibetan Yak;POU1F1gene; PCR-RFLP; Gene polymorphism; Growth traits 1001-4829(2016)12-2904-07 10.16213/j.cnki.scjas.2016.12.040 2015-12-24 西南民族大学研究生创新型科研项目(CX2015S Z103);国家支撑计划课题(2012BAD03B02) 宋娜娜(1990-),女,黑龙江绥化人,硕士生,主要从事基因组与分子生物学研究,E-mail:songnana28@126.com;*为通讯作者:钟金城(1963-),教授,E-mail:zhongjincheng518@126.com。 S823 A3 讨 论
4 结 论