国内外5个典型鹅品种线粒体DNA遗传多样性与系统进化分析

刘林雨,张 扬,刘 威,包 强,翁恺麒,徐欣磊,张 钰,徐 琪,陈国宏

(扬州大学 动物科学与技术学院,江苏 扬州 225009)

中国的鹅业养殖可以追溯到3 000年前,是驯养鹅历史最悠久的国家之一。近年来我国引进了大量的欧洲鹅种,用于我国地方鹅种的杂交改良。但现代鹅系统选育工作起步较晚[1-2],分子进化层面的研究不充分。因此,厘清国内外鹅品种间遗传多样性和系统进化关系,对指导鹅品种资源保护利用及杂交选育意义重大。

mtDNA符合母系遗传模式并具有进化速度快、几乎不发生重组等特点,基于mtDNA序列的研究结果已被广泛应用于群体遗传学、杂交育种、畜禽物种进化等领域[3-5]。mtDNA细胞色素b(Cytb)基因进化速率适中,适合种群水平基因差异检测[6-8]。目前Cytb基因已被成功用于分析鸭[9]、绵羊[10]、黄牛[11]等动物的亲缘关系、起源进化或系统发育关系。狮头鹅作为我国唯一的地方大型鹅种,具有生长快、耐粗饲等优点,翟浩[12]通过对线粒体D-loop区进行测序证明狮头鹅曾在早期发生过较大规模的迁移。太湖鹅体型小、繁殖力高、早熟性好,通常作为杂交母本改善杂交后代的产蛋性能[13], 朱俊靖[5]对线粒体D-loop区测序结果表明,太湖鹅遗传多样性较高。浙东白鹅是肉、肥肝兼用型中型鹅,扬州鹅[14-15]则是我国第一个自主培育的肉蛋兼用中型鹅品种,张扬等[16]分析浙东白鹅、扬州鹅等的线粒体COⅠ基因序列多态性发现该基因可以作为部分鹅品种鉴定的依据。霍尔多巴吉鹅原产于匈牙利,是国外著名的蛋、绒兼用中型鹅。前人研究多围绕鹅线粒体D-loop区以及COI基因,关于这五个国内外大、中、小型鹅品种线粒体Cytb基因的遗传多样性与进化分析的系统性研究未见报道。

综上,本研究以狮头鹅、霍尔多巴吉鹅等5个国内大、中、小型鹅以及国外中体型鹅品种为样本,通过对其mtDNACytb基因序列进行测定和分析,探讨了5个鹅品种的遗传多样性和系统进化关系,为我国地方鹅品种的保种、杂交选育、开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取狮头鹅(S)、浙东白鹅(Z)、霍尔多巴吉鹅(H)、扬州鹅(Y)、太湖鹅(T)各20只,其中母鹅15只、公鹅5只。试验样本信息见表1,试验鹅孵化及饲养均在扬州天歌鹅业发展有限公司进行。

表1 试验样本信息

1.2 DNA提取

每只翅下静脉采血1～2 mL,置于含EDTA抗凝剂的采血管中,后放置在4 ℃条件下保存备用。采用基因组DNA提取试剂盒 (天根生化科技有限公司,DP304)提取鹅血液DNA,DNA经Biodropsis超微量核酸蛋白分析仪和琼脂糖凝胶电泳检验合格后稀释至50 ng·μL-1,-20 ℃冰箱保存备用。

1.3 引物设计、基因扩增与序列测定

根据NCBI已公布鹅线粒体全序列(GenBank: MN122908.1),用 Primer 5.0 软件设计用于扩增鹅线粒体Cytb基因的特异性引物,引物序列如下:F:5′-TAATCAACAACTCCCTAATCG-3′, R: 5′-TGAAGTTTTCTGGGTCTCC-3′。引物由擎科生物工程(南京)股份有限公司合成。PCR扩增体系为DNA 模 板1.5 μL,上、下游引物(10 pmol·μL-1)各1.5 μL,2×TaqPCR Mastermix 12.5 μL,加超纯水至25 μL。PCR扩增参数设置为95 ℃预变性5 min;94 ℃变性30 s,58 ℃退火 30 s,72 ℃延伸 30 s,35个循环;72 ℃延伸5 min。所获产物进行1.0%琼脂糖凝胶电泳,检测其纯度、大小和亮度,送擎科生物工程(南京)股份有限公司进行序列测定。

1.4 统计与分析

扩增所得线粒体Cytb基因序列,利用DNAStar 5.0软件进行序列剪辑和矫正。用DNASP 6.10 软件[17]对5个鹅品种进行分组分析并输出多态位点、简约信息位点、单倍型数、单倍型多样性、核苷酸多样性、碱基错配差异分析值,并进行Tajima’s D和Fu’s Fs中性检验。基于输出的碱基错配差异分析值,用GraphPad Prism 8绘制碱基错配分布曲线。用MEGA软件通过1 000次重抽样,采用p-distance模型分析,计算各品种间的遗传距离[18]。利用R语言中Heatmapper包 (http://www.heatmapper.ca/)对输出的遗传距离值用Complete Linkage聚类方法构建系统发育进化关系热图。

2 结果与分析

2.1 mtDNA Cytb基因位点信息和核酸多样性分析

鹅线粒体DNACytb基因位点信息及核苷酸多样性等见表2。由表2可知,利用DNA SP 6软件,对5个品种矫正后的606 bp mtDNACytb序列进行比对,发现23个多态性位点,占总位点数的3.79%,其中简约信息位点21个,占多态性位点的91.30%,序列的GC含量(48.5%)与AT含量(51.5%)相近。5个鹅品种中共检测到31种单倍型,其中霍尔多巴吉鹅仅具有1个单倍型,狮头鹅、浙东白鹅、扬州鹅、太湖鹅的群体内多态性位点均在10个以上,单倍型数为7～9,单倍型多样性(Hd)均大于0.5,核苷酸多样性(Pi)均大于0.005。

表2 五个鹅品种线粒体DNA Cytb基因位点信息、单倍型及核苷酸多样性

2.2 mtDNA Cytb基因单倍型分布及频率分析

5个鹅品种mtDNACytb基因单倍型数量分布及各品种特有单倍型频率之和见表3。由表可知,狮头鹅和太湖鹅特有单倍型数量最多,各有8个单倍型,浙东白鹅和扬州鹅次之,各有6个单倍型,霍尔多巴吉鹅仅有1个特有单倍型。单倍型2为狮头鹅和浙东白鹅共享单倍型,单倍型18为太湖鹅、扬州鹅和浙东白鹅共享单倍型。每个品种特有单倍型频率之和均高于共享单倍型频率之和。

表3 五个鹅品种单倍型数量分布及特有单倍型频率

2.3 mtDNA Cytb基因序列进化关系分析

5个鹅品种mtDNACytb基因进化关系见图1,由图1可知,本研究中5个鹅品种根据其各自线粒体DNACytb基因序列信息可大致聚为2个聚类簇群,即霍尔多巴吉鹅为一类,狮头鹅、浙东白鹅、太湖鹅、扬州鹅为一类,上述4个鹅品种又可分为两小类,即狮头鹅和浙东白鹅为一类,太湖鹅和扬州鹅为一类。

大写字母H、S、Z、T、Y分别代表霍尔多巴吉鹅、狮头鹅、浙东白鹅、太湖鹅、扬州鹅。

2.4 种群历史动态分析

基于线粒体Cytb基因序列,利用DNASP 软件对狮头鹅、浙东白鹅、扬州鹅、太湖鹅种群进行中性检验分析,结果显示,中性检验Tajima’s D值和Fu’s Fs值均为正值且差异不显著(P>0.10)(表4),表明4个群体符合中性突变结果,种群处于稳定状态。同时,对狮头鹅、浙东白鹅、太湖鹅、扬州鹅4个种群Cytb基因序列进行碱基差异错配分析发现,其碱基差异错配分布呈多峰分布(图2),不符合种群扩张的单峰曲线模式,与中性检测结果相吻合。

Freq.Obs.代表实际值;Freq,Exq代表期待值。

表4 狮头鹅、浙东白鹅、扬州鹅、太湖鹅种群历史动态分析

3 讨论

遗传结构差异普遍存在于种内和种间,研究物种种群内的遗传变异有利于推断其起源和驯化历史, 而遗传变异的程度主要表现为遗传多样性的水平, 遗传多样性越高, 则该种群选择潜力就越大,其后代的适应性越强[19]。本研究基于mtDNACytb序列,选取多态位点数、单倍型数、CG含量、单倍型多样性指数、核苷酸多样性指数共5个参数研究了5个鹅品种的遗传多样性。通过PCR扩增获得了5个鹅品种Cytb基因部分序列,平均GC含量与AT含量相似,这与陈艳荣[20]的研究结果一致。单倍型多样性(Hd)和核苷酸多样性(Pi)是衡量群体遗传多样性的重要指标[21],本研究中狮头鹅、浙东白鹅、扬州鹅、太湖鹅4个品种种群整体分布模式表现为高单倍型多样性(Hd>0.5)和高核苷酸多样性(Pi>0.005),表明4个鹅品种遗传多样性高,种质资源丰富,具有较高的选择潜力。霍尔多巴吉鹅作为从欧洲引进的培育品种,经历了很多人工驯化培育的过程,唐碧徽等[22]通过全基因组重测序发现霍尔多巴吉鹅具有较低的核苷酸多样性,这与本研究结果一致。5个鹅品种中特有单倍型占比高,频率为82%,共享单倍型占比低,频率为18%,表明受其他品种冲击较小,保种工作成效显著。

物种种内、种间的遗传距离差异程度反映了各种群间亲缘关系远近或种群间遗传相似性[23]。本研究结果显示,5个鹅品种可分为两大类三小类,霍尔多巴吉鹅自成一类,狮头鹅和浙东白鹅为一类,扬州鹅和太湖鹅为一类。霍尔多巴吉鹅与其他4个鹅品种遗传距离较大,这符合国内外鹅种不同起源学说[24-25]。扬州鹅与太湖鹅遗传距离较近,聚为一类,而扬州鹅是以太湖鹅为母本选育,这证明了线粒体Cytb基因可以作为研究鹅起源与系统进化关系的基因,其结果可靠。狮头鹅和扬州鹅遗传距离较远,分化程度较高,能部分反映出其所在的地域差异与品种特征差异。种群历史演化通常采用2种方法进行检测:一种方法是通过Tajima’s D和Fu’s Fs中性检验,另一种方法是通过碱基差异性分析。本研究中狮头鹅、浙东白鹅、扬州鹅、太湖鹅的Fu’s Fs值和Tajima’s D值均为正值且符合中性检验,此外核苷酸错配呈多峰趋势,表明群体处于稳定状态,今后的开发利用中可加大人工选择力度。

利用杂交优势选育畜禽已有较长历史,但在鹅业生产中,培育的专用杂交品系很少,不同品种之间的杂交利用是目前种鹅繁育的常见方式[26]。霍尔多巴吉鹅是国际公认的绒蛋兼用型优良品种,左瑞华等[27]将霍尔多巴吉鹅与产蛋量较低的皖西白鹅进行杂交,其杂交后代产蛋性能显著优于皖西白鹅,杂种优势明显。赵金艳等[28]将霍尔多巴吉鹅与四川白鹅进行杂交,其正交后代10周龄重显著高于四川白鹅。本研究发现,霍尔多巴吉鹅与其他4个鹅品种遗传距离较远,在后续配套系利用方面可作为父本或母本,与本研究中4个大、中、小型鹅品种杂交,利用杂交优势改善杂交后代的生产性能。

4 结论

5个典型鹅品种特有单倍型占比高,保种工作成效显著,根据遗传距离远近可分为两大类三小类,霍尔多巴吉鹅自成一类,狮头鹅和浙东白鹅为一类,扬州鹅和太湖鹅为一类。狮头鹅、浙东白鹅、扬州鹅、太湖鹅具有高单倍型多样性和高核苷酸多样性,且在历史上较为稳定。霍尔多巴吉鹅群体内遗传一致且与其他4个鹅品种遗传距离较远,可作为父本或母本与本研究中4个大、中、小型鹅品种杂交,利用杂交优势培育专用品系或生产商品代霍杂鹅。