水牛繁殖性状相关基因研究进展

曾令湖，谭正准，鄢胜飞，黄 健，李厅厅，李 辉，于农淇，卢 瑛，梁莎莎，罗 华，覃广胜

(中国农业科学院广西水牛研究所，南宁 530001)

水牛被国际粮农组织(FAO)认定为最具开发潜力和开发价值的家畜。由于其具有耐粗饲、抗病力强、易饲养等特点而被广泛饲养。水牛遍及全世界，但主要分为河流型水牛和沼泽型水牛，我国本地水牛主要是沼泽型水牛，一直以来主要用于耕地和产肉。然而，随着社会的进步，机械化程度的进一步提升，水牛的役用价值逐渐淡出了人们的视野。自1957年开始，我国陆续从国外引进产奶性能高的河流型水牛，以改良本地水牛，中国水牛开始向乳肉兼用型转变，水牛产业得到了快速发展。然而，尽管我国水牛现有存栏量多，但水牛的低繁殖力一直是制约水牛产业发展的重要因素之一。水牛是单胎动物，正常情况下只有一个卵泡发育成熟并排卵；其次，水牛是季节性发情动物，发情症状不明显，且排卵不规律，这些都大大降低了水牛的繁殖性能。如何提高水牛的繁殖性能，促进水牛产业的发展，成为了广大畜牧科研工作者和生产者亟需解决的问题。目前，有关水牛繁殖性能的研究主要是利用现代动物繁殖新技术，包括人工授精、超数排卵、体外胚胎生产、胚胎移植等技术手段，但其存在遗传进展慢，手段繁琐、成本高等问题。而随着分子遗传学和分子生物技术的快速发展，越来越多的基因被发现与繁殖性状密切相关，可作为繁殖性状分子标记基因，在育种时可对其进行早期选择，从而节省成本。因此这也成为了提高水牛繁殖性能的一种新途径。但是，目前与繁殖性状相关基因的研究报道多集中于奶牛和肉牛，在水牛上的研究进展仍相对缓慢，故研究人员大多是参考已经报道与奶牛、肉牛等繁殖性能有关的基因，并以此作为候选基因来研究对水牛繁殖性能的影响。本文主要从基因分子水平上概述近年来水牛繁殖性状相关基因的研究进展，为从基因水平提高水牛繁殖效率提供理论依据。

1 水牛繁殖性状相关基因

1.1 生长分化因子9(GDF-9)

GDF-9是由卵母细胞分泌的一种生长因子，属于转化生长因子β(TGF-β)超家族成员。主要通过调节卵丘细胞增殖、分化等生物学过程进而调节卵泡发育和卵母细胞的成熟。该基因可作为动物繁殖性状的候选基因。Yutaka等[1]研究表明，在牛早期胚胎发育过程中，对GDF-9基因的表达研究发现，GDF-9基因从胚胎发育起始直到八细胞期一直处于高表达，但是到了囊胚期就消失，说明GDF-9基因能促进牛早期胚胎发育。Spicer[2]研究发现，GDF-9基因能有效刺激牛小腔卵泡到排卵前卵泡颗粒细胞增殖，促进卵丘的扩展，并阻止生长卵泡的颗粒细胞过早分化。张路培等[3]对鲁西牛GDF-9基因多态位点与双胎性状的研究发现，该基因的3′UTR发生缺失突变，导致该多态位点与单胎群体和双胎群体基因型分布有极显著差异，双胎牛群体的B等位基因频率明显大于单胎牛群体。在水牛早期报道中，刘金凤等[4]、冯万友[5]对水牛GDF-9基因进行了克隆及表达分析，结果显示，水牛GDF-9的全长CDS为1 362 bp，与奶牛序列相似性为98%；蛋白结构预测显示，在氨基酸389AA-449AA(GDF-9)位点间具有保守的TGF-β功能域。陈亮等[6]对槟榔江水牛及德宏水牛GDF-9基因多态性与繁殖性状进行关联性分析发现，GDF-9基因多态性丰富，多个变异位点均与槟榔江水牛和德宏水牛的繁殖性状具有显著或极显著的关系，提示GDF-9基因变异可能是导致水牛繁殖性能差异的重要基因。

1.2 促卵泡素激素β亚基基因(FSH-β)

促卵泡素(FSH)是由垂体前叶合成的糖蛋白类激素，其靶腺是卵巢，对哺乳动物卵泡发育、成熟以及排卵有重要作用。哺乳动物的FSH分子结构由α、β 2个亚基组成，其中α亚基负责信号传导作用，β亚基是具有特异作用的功能亚基且参与受体结构并决定促卵泡素的特异性。FSH-β基因在猪上的研究较多，赵要风等[7]研究认为，FSH-β基因座位是控制猪产仔数性状的主效基因，可能与猪高产仔数有关。但FSH-β亚基在牛上相对比较保守，变异比较简单。陈宝剑等[8]对广西沼泽型水牛FSH-β亚基进行克隆和序列分析发现，该基因的cDNA序列与印度水牛的cDNA序列同源性为99%，其中有3个位置发生了碱基的突变，但并未引起氨基酸的突变。宋敏艳等[9]分析德宏水牛及杂交后代FSH-β基因多态性，结果发现有23个位点的等位基因频率在繁殖良好和繁殖异常两个群体中存在差异，说明FSH-β基因在德宏水牛及杂交后代具有很高的基因变异性，可能是影响水牛繁殖性能的一个主要基因。

1.3 卵泡抑素基因(Follistatin，FST)

卵泡抑素最早是从牛和猪的卵泡液中分离出的一种富含半胱氨酸的糖基化单链多肽，对卵泡刺激素具有较强的抑制作用，因此又称为卵泡刺激素抑制蛋白(FSP)。它是卵巢卵泡内重要的局部调节因子，对卵母细胞及胚胎的成熟发育具有重要的促进作用[10-14]。董平[15]研究表明，卵泡抑素是通过影响颗粒细胞中抑制素和活化素受体的活动，调控细胞周期和凋亡相关基因的表达从而调控细胞周期并且抑制细胞的凋亡，进而影响细胞类固醇激素的分泌，说明了卵泡抑素对颗粒细胞具有直接调控的作用。郭镇华[16]、王春强等[17]研究表明，适宜FST浓度可显著提高牛受精卵的总卵裂率。而在水牛的早期报道中，邓继贤[18]对FST基因进行了cDNA克隆及真核表达，结果显示，FST基因cDNA序列全长1 035 bp，与奶牛的序列同源性达到98.8%，且有12处碱基发生了突变，其中+389和+469位两处碱基的变化引起了氨基酸的改变。随后，云南农业大学李素霞等[19]分析了FST基因在槟榔江、德宏水牛中的多态性，并与繁殖性能进行关联，结果表明，在槟榔江、德宏水牛的FST基因序列中共检测到7个SNP位点，其中有2个变异位点与产犊率呈极显著相关。

1.4 辅肌动蛋白1基因(α-actinin1)

辅肌动蛋白1基因(α-actinin1)是存在spectrin蛋白超家族的肌动蛋白交联剂[17]，它通过绑定到肌动蛋白并且和肌动蛋白发生关联而起作用。相关研究表明，α-actinin1基因与产犊数和精液品质密切相关[20]。该蛋白也在精子中表达并且涉及到顶体反应中跨膜变化[21]。近年来，关于α-actinin1基因也有了报道，淮亚红等[20]研究了包括水牛在内的多种牛α-actinin1基因的多态性与繁殖性状的关联，结果表明，在α-actinin1基因第13内含子的669 bp处存在1个A/G的突变，产生AA和AG 2种基因型，但结果显示A→G的突变对产犊数没有显著影响。同年，作者又对α-actinin1基因进行研究，结果发现在内含子15和内含子10发生的2处突变，该突变可作为产犊数性状候选分子的遗传标记[22-24]。

1.5 其他基因

张小辉[25]研究表明，BMP基因家族可能与牛的产犊数有关。Lei等[26]报道，BMP1可能通过调节颗粒细胞的增殖和凋亡来促进水牛卵泡的选择和优势化，添加BMP1重组蛋白会引起颗粒细胞关键细胞周期调节因子的表达上调。El-Bayomi等[27]研究表明，CYP19A1基因表达降低可能会提高卵巢氧化性损害的发生率，影响雌水牛的繁殖效率。Wang等[28]通过连锁不平衡分析鉴定出3个单倍型，合并基因型H1H2和H1H3的水牛射精量较多，且GnRHR中18 953 bp处的GGCAAAGTAA缺失与较多射精量显著相关。同样，Cheng等[29]鉴定出4个单倍型，其中基因型为H2H2的水牛射精量较多，单体型为H1H4的水牛精子密度较高。魏武川等[30]研究发现FSHR与牛的繁殖性状存在连锁相关。雷雪芹等[31]发现FSHR基因第10外显子的多态性与牛的双胎性状有着明显的相关关系。屈春凤等[32]研究表明，AQP9基因在水牛卵巢和睾丸中的表达及其功能可能与水牛卵泡发育和精子发生有重要的关联。刘晨等[33]研究表明，AQP9基因主要参与早期卵泡闭锁的过程，该基因可能通过PKC信号通路调节水牛颗粒细胞的凋亡。

2 水牛繁殖性状相关的全基因组研究

近年来，随着生物技术的快速发展以及大数据时代的到来，全基因组关联分析技术已经运用到牛、猪和鸡等畜禽育种领域，特别是针对畜禽经济性状，获得了显著成效。大量的与繁殖、泌乳、疾病和生长相关的候选基因被陆续发现，极大地促进了畜禽重要经济性状的遗传解析。

Camargo等[34]利用90 K基因芯片对摩拉水牛的繁殖性状进行全基因组关联分析，鉴定出多个候选基因，其中TPCN1基因与产犊间隔有关，它能够参与精子的顶体反应[35]；另一个候选基因SELP与第1次产犊日龄有关，在卵泡闭锁过程中表达量上升[36]；该基因可能通过表达水平的改变调控蛋白质结构和表达丰度，从而影响母畜受孕[37]。此外，还鉴定到候选基因ABCC4，该基因与配种次数密切相关。有研究表明，ABCC4基因在妊娠牛和猪的子宫内膜中表达量上升，对妊娠的维持非常重要[38-39]。Wu等[40]利用50 K基因芯片对广西杂交水牛进行全基因组关联分析，鉴定到与水牛繁殖性状相关的2个候选基因，其中ARID4B基因与早期胚胎发育过程中性别分化有关[41]。另一个候选基因CADM2上游的1个SNP位点与水牛的第1次产犊和第2次产犊间隔相关。李俊[42]利用90 K基因芯片对意大利水牛进行全基因组关联分析时，检测到CADM2基因下游的1个SNP位点与第2次产犊日龄相关。说明这2个CADM2基因附近的SNP可能是通过与其他关键的SNP或候选基因协调互作影响水牛的繁殖性能。此外，还检测到1个重要的候选基因IGFBP7，即胰岛素样生长因子结合蛋白7，该基因最初被认为是FSH分泌的抑制剂，对卵泡发育和卵巢功能起着至关重要的作用[43-49]。该基因和卵泡抑素具有高度的序列同源性[42]。其可能是通过参与调控卵泡发育和排卵，最终影响水牛的繁殖性能。

3 小结与展望

水牛的繁殖性能在水牛的遗传改良中有着非常重要的地位。开展水牛繁殖性能相关基因的研究，一方面有助于品种资源的保护，另一方面有助于培育高繁水牛新品种。水牛繁殖性状遗传力低，且影响因素多，单纯的依靠现代繁殖新技术和常规育种方法进行遗传改良，不仅耗费时间长，效果也微弱。而随着分子生物技术的发展和基因组时代的到来，利用分子标记辅助选择和基因组选择手段被认为是提高水牛繁殖性能的一种有效途径。尤其在当下，国家提出“农业现代化，种子是基础”的口号。水牛作为我国南方重要的物种资源，我们不仅要保好种，还要进行有效的遗传改良，让水牛产出更多的肉和奶，以满足广大人民的需求。因此，对于快速提高水牛最重要的两个经济性状，即水牛繁殖性状和产奶性状来说，分子标记辅助选择和基因组选择将是未来水牛乃至其他动物育种的一个趋势。