太湖鹅4个群体保种效果的遗传评价

刘宏祥，王 健，宋卫涛，朱春红，陶志云，徐文娟，章双杰，李慧芳

(1.江苏省家禽科学研究所，江苏 扬州 225125； 2.江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州 225300)

畜禽遗传资源是畜牧生产和可持续发展的基础，也是满足未来不可预见需求的种质资源基因库[1]。我国畜禽遗传资源是世界上最丰富的[2]，大部分地方品种与国外的一些专用品种(品系)相比，具有适应性强、耐粗饲、抗病力强、繁殖力高以及肉质好等优点[3]。但随着外来品种以及品种改良的冲击，一些地方品种逐步处于濒危状态[4]。太湖鹅是江浙地区比较重要的地方鹅种，以体型小、产蛋多而闻名，并被列入国家级保护名录[5]。由于受到外来品种的冲击，以及近亲交配导致的品种衰退，太湖鹅数量持续下降，目前主要保存在多个原种场以及国家级水禽基因库(江苏)(以下简称基因库)中[6]。

笔者所在课题组前期对不同世代的太湖鹅江苏原种场和基因库中的太湖鹅遗传结构及保种效果进行检测，发现2个太湖鹅群体的近交系数均有所上升[7]。其后江苏原种场与基因库改进了保种方法，实行严格的家系等量随机选配法。鉴于此，利用简化基因组测序技术对太湖鹅种群江苏原始群体(TS)、2个世代后江苏原种场全体(TC)、国家级水禽基因库(江苏)群体(TK)以及浙江原种场群体(TZ)进行系统比较分析，以期全面了解江苏省太湖鹅群体改进后的保种效果以及浙江省的保种情况，为江浙地区太湖鹅保种策略的进一步改进提供理论依据。

1 试验方法

1.1 供试动物

采集TS群体(江苏省家禽科学研究所保存)、TC群体、TK群体以及TZ群体血样各10个。TS群体血样为2007年在江苏原种场所采血样，TC群体、TK群体和TZ群体血样分别于2019年采集。2007年国家级水禽基因库(江苏)从太湖鹅江苏原种场引进保种，因此，TS群体可视为TC群体、TK群体的祖先群体。

1.2 试验方法

1.2.1 ddRAD简化基因组测序 常规酚-氯仿法提取基因组DNA，利用ddRAD建库方式[8]构建长度在300～500 bp的pair-end文库，进行简化基因组测序。

1.2.2 参考基因组比对与单核苷酸多态性(SNP)检测 使用BWA软件[9]对短序列reads与鹅参考基因组(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/GCA_002166845.1/)比对得到Clean reads，使用Samtools软件[10]对Clean reads进行去重复，GATK软件[11]进行局部重比对、碱基质量校正等预处理。碱基质控条件包括Q20(正确率99%的碱基数目比例)>95%，ddRAD depth(双酶切基因测序的覆盖深度)>60%，SNP call rate(在所有群体中单核苷酸多态性检出率)>70%[7]。最后使用GATK软件进行SNP检测。

1.3 数据处理

使用PopGen32软件[12]计算平均杂合度、近交系数(FIS)、群体分化指数(Fst)和核苷酸多样性(θπ)，使用Admixture软件[13]进行群体结构分析；使用GCTA软件(https://cnsgenomics.com/software/gcta/#Overview)进行主成分分析(Principal component analysis,PCA)，得到样品的主成分聚类情况；利用Treemix软件推断多个群体分化和基因交流情况；使用PLINK软件[14]进行选择信号分析，其中以100 kb为窗口、10 kb为步长计算基因组上不同区域的Fst和θπ值。

2 结果与分析

2.1 太湖鹅4个群体基因组SNP鉴定

经过数据质控，在4个太湖鹅群体中平均鉴定出SNP数目为181 876个，其中NW_013185654.1和NW_013185655.1染色体上鉴定到的SNP数量最多，分别为13 139个和12 966个。SNP位点在染色体上的数量及密度分布分别见图1和图2。

2.2 群体内遗传多样性分析

根据变异位点对群体遗传学参数进行统计分析(表1)。由表1可知，TS群体、TC群体、TK群体和TZ群体杂合度分别为0.249 5、0.225 5、0.218 2和0.211 0。TC群体、TK群体和TZ群体杂合度明显低于TS群体，核酸多样性也低于TS群体。与TS群体相比，TC群体和TK群体的FIS明显上升。TZ群体的杂合度最低，且近交系数明显高于TC群体和TK群体。

表1 太湖鹅4个群体遗传多样性参数统计Tab.1 Statistics of genetic diversity parameters of four Taihu goose populations

2.3 群体间遗传分化分析

通过滑窗分析，计算不同组合Fst平均值(表2)。群体间Fst值越高，说明群体间序列的差异越大。TZ群体与TS、TC和TK群体的Fst值分别为0.051 5、0.049 8和0.048 6，明显高于其他3个群体间的Fst值。TS和TC群体间的Fst值最小，为0.032 5。

表2 太湖鹅不同群体间Fst比较Tab.2 Comparison of Fst between different populations in Taihu goose

2.4 群体间遗传结构分析

群体遗传结构指遗传变异在物种或群体中的一种非随机分布[15]。按照地理分布或亲缘关系可将一个群体分为若干亚群，处于同一亚群内的不同个体亲缘关系较近，而亚群与亚群之间则亲缘关系稍远。群体结构分析结果表明，k=2时，4个群体可以明显分为2类，TS群体、TK群体和TC群体之间享有较多的血统，TZ群体单独分为一类，但与TC群体享有少量血统(图3)。

2.5 群体PCA分析

对4个群体进行PCA分析，并利用前3个主成分对群体进行分层(图4)。PCA分析结果表明，TZ群体单独聚在一起，而TS群体、TC群体和TK群体聚为一类，这与群体遗传结构分析结果一致。

2.6 基因流分析

在群体遗传学上，基因流(Gene flow，也称基因迁移)是指从一个物种的一个种群向另一个种群引入新的遗传物质，从而改变群体基因库的组成。通过基因交流向群体中引入新的等位基因，是一个非常重要的遗传变异来源，影响群体遗传多样性，产生新的性状组合。基因流分析结果表明，TK群体与TC群体有少量的迁移，即发生基因交流情况(图5)。

2.7 选择信号分析

选择群体间分化较大的TS群体和TZ群体进行选择信号分析。结合θπ比率和Fst值，选择前5%的区域(图6)，筛选到了161个区域，与这些区域重叠(包括部分重叠和完全重叠)的基因中注释到了343个基因。

GO富集分析结果表明，与TS群体相比，TZ群体生物学过程(Biological process)中富集到的受选择基因主要集中在代谢过程(Metabolic process)、细胞进程(Cellular process)以及生物学调控(Biological regulation)3个条目(图7)。

KEGG富集分析结果(图8)表明，与TS群体相比，TZ群体受选择基因主要集中在脂肪酸代谢相关的5个通路中，包括亚油酸代谢通路、甘油磷脂代谢通路、不饱和脂肪酸生物合成通路、花生四烯酸代谢通路、α亚麻酸代谢通路。

3 结论与讨论

种群遗传多样性的研究是保护生物学研究的主要内容之一[16]。制定科学合理的保护策略需要建立在对物种遗传多样性成分了解的基础上，而基于DNA序列变异的分析策略则成为研究物种遗传多样性的主流方法，也是衡量遗传结构和监测保种效果的主要手段。

前期笔者所在课题组对TS群体、TC群体、TK群体进行了简化基因组测序[7]，分析了TC群体、TK群体的保种效果。为全面了解太湖鹅品种在江苏省保种效果动态变化过程以及与浙江省的保种情况比较，本试验利用简化基因组测序对TS群体、TC群体、TK群体以及TZ群体进行了系统比较分析。前期研究发现，TC群体和TK群体的近交系数分别为0.140 9和0.131 5[7]。本研究发现，2个世代后的TC群体和TK群体的近交系数分别降低到0.087 5和0.075 3。由于前期2个群体都进行了严格的家系等量随机选配，近交系数的降低说明该方法在小群保种中具有一定的效果。该方法在张学余等[17]对狼山鸡的保种中得到了证实，其采用家系等量随机选配法使得近交系数下降了65%。另外，2018年TC群体适当引入了TK群体的血统，这可能也是TC群体近交系数变小的一个因素，该迁移事件的发生在基因流分析中也得到了体现。TZ群体近交系数较高，达到了0.11，说明与江苏省太湖鹅群体相比，浙江原种场群体需要适当增加保种群数量，以及引入其他地区太湖鹅血统，条件允许下可以使用家系等量随机选配法，避免近交系数持续上升。

群体结构分析、PCA分析均表明，江苏省3个太湖鹅群体(TS、TC、TK)聚为一类，而TZ群体单独聚为一类；群体间遗传分化分析表明，TZ群体与TS、TC和TK群体分化系数均达到0.05左右，属于中度分化[18]。这些结果说明，由于地理位置的差异，浙江原种场太湖鹅群体与江苏省太湖鹅群体差别较大。

对群体间分化程度最高的TZ和TS 2个群体进行基于Fst和θπ比率的选择信号分析，并对受选区域关联的基因进行GO和KEGG功能富集分析，发现与脂肪酸代谢相关的通路得到了富集。该通路在课题组前期TC群体与TS群体比较中也得到了富集[7]，说明在不同地区保种过程中这些通路的基因受到选择是普遍且不可避免的。在保种过程中群体大小是有限的，即使没有受到突变、选择和迁移的影响，随机漂变等因素也会使得群体的某些基因频率发生变化[19]，最终某些基因受到选择。本研究及前期研究均发现，脂肪酸代谢相关的基因得到选择，这可能更多与保种环境的饲养条件、营养水平和疾病控制等因素的变化有关[20]。

综上，江苏省太湖鹅群体保种效果较好，家系等量随机选配法以及适当血缘交换可以避免近交系数上升。