分子生物學技術在動物育種中的應用.doc

(自然科學版)，2006，37(2)：313315文獻綜述分子生物學技術在動物育種中的應用王丹晨1，李榮嶺2，康文霞2（1.山東大學生命科學院，山東濟南250100；2.山東農業(yè)大學動物科技學院，山東泰安271018）收稿日期：2005-11-16作者簡介：王丹晨（1985-），女，研究方向：生命科學.通訊作者：Author for correspondence.E-mail:lirong ling PROGRESS AND APPLICATION OF MOLECULAR GENETICS FOR ANIMAL BREEDINGWANG Dan-chen1, LI Rong-ling*,2 ，KANGWen-xia2(1.College of Life Science, Shandong University, Jinan 250100, China; 2.College of Animal Science and Technology, Shandong Agricuture University, Taian 271018,China）Key Words:Biotechnology ,Transgenic technology,Molecular marker, Gene mapping摘要：生物技術在現(xiàn)代動物育種中起著重要的作用。本文主要從轉基因技術、分子遺傳標記、基因圖譜的建立等方面介紹了分子生物學技術在動物育種中的作用，這些技術將發(fā)揮越來越重要的作用。關鍵詞：生物技術;轉基因技術;分子遺傳標記;基因圖譜中圖分類號：S811.5文獻標識碼：A文章編號：1000-2324(2006)02-0313-03生物學經歷了一個漫長的研究過程。最早從研究動植物的形態(tài)、解剖和分類開始，進一步研究細胞學、遺傳學、微生物學、生理學、生物化學，進入細胞水平的研究1。20世紀中葉以來，生物學以生物大分子為研究目標，分子生物學開始形成了獨立的學科，這是對生物界認識不斷深入的過程。Chargaff（1949）從不同來源的DNA中測出4種核酸堿基；Watson和Crick于1953年提出了DNA雙螺旋模型；Khorana（1966）用實驗證實了Nirenberg提出的遺傳密碼;Sanger (1977)及Gilbert（1977）分別用不同的方法解決了DNA分子中堿基序列的復雜問題。1993 年DNA 離體重組技術的突破使分子遺傳學的研究發(fā)展到了一個嶄新時期。如今，分子遺傳學的發(fā)展已進入基因組學時代，所產生的大量分子生物學信息需要用數(shù)理統(tǒng)計方法加以分析和利用。分子生物學也注定在揭示生命奧秘的過程中發(fā)揮越來越大的作用。人們有意識或無意識地對畜禽的表型進行選擇以提高其生產性能已有數(shù)千年的歷史, 而真正科學、系統(tǒng)的動物育種卻是最近幾十年的事情。進入80 年代以來, 由于畜禽經歷了相對長期的選擇, 遺傳改良的速度呈現(xiàn)了變慢的趨勢, 這就迫使各國的動物育種學家們去尋求一種具有突破性的育種方法。分子生物學, 尤其是基因工程技術得到了飛速的發(fā)展, 這使尋找動物育種新方法的工作出現(xiàn)了希望的曙光。從80年代后期開始,國際上的動物育種已進入分子水平,在我國目前這方面的工作也已開始2,3。1轉基因技術在動物育種中的應用轉基因技術就是將外源基因轉移到動物受精卵內組成一個新的融合基因,使其在動物體內融合和表達, 產生具有新的遺傳特性的動物。1976 年, Jaenisch 利用反轉錄病毒感染胚胎的方法進行轉基因, 這是最早的動物轉基因方法。1980 年, Gordon 首次利用原核注射的方法開展動物轉基因研究; 1982 年, Palmiter 將大鼠的生長激素基因注射到小鼠的原核中獲得了個體明顯大于正常小鼠的“超級鼠”, 這一成果轟動了全世界4。過去的幾十年，家畜的轉基因生產進展緩慢，而近些年，克隆技術和高效的轉基因家畜的進步，為轉基因技術的新時代打開了大門5。轉基因的制作方法有多種，核顯微注射法是目前最可靠, 也是使用最廣泛的動物轉基因方法，其他還有精子介導、反轉錄病毒介導、攜帶外源基因體細胞的核移植、ES 細胞基因打靶技術等。轉基因技術在動物育種上的應用主要有以下幾方面：1. 1抗病育種利用DNA 重組技術, 在體外構建編碼人們期望的有疾病抗性的嵌合基因, 導入受精卵, 使之在染色體上正確整合, 在組織細胞中適當表達, 培養(yǎng)出具有期望性狀表型的轉基因動物新品系。1989 年,美國生物學家用重組ALV 病毒作載體, 將有抗A型白血病肉瘤顯示基因的外源片段導入機體內, 獲得了抗ALV 雞的新品系; 我國工程院院士殷震等將抗病毒基因導入豬, 獲得抗豬瘟個體; 美國研究將抗凍蛋白基因導入鮭魚也獲得表達。Wall et al.在他的論文中報道中利用遺傳工程獲得了抗病的奶牛，大大提高了奶牛的收益6。另外, 抗口蹄疫病毒的轉基因兔、抗白血病毒的轉基因雞和小鼠、抗偽狂犬病毒的轉基因鼠也先后構建成功。1. 2生產性能的改良我們可以通過轉基因給畜禽引入新的生產途徑或通過轉基因的產物調整動物的生長發(fā)育, 以改良動物的生產性能。對于奶牛產奶來說, 目前轉基因的主要途徑是改變乳的主要成分、提高產乳量和生長速度。如牛奶中奶酪的產量與牛奶中K酪蛋白的含量直接相關, 轉入一個超量表達的K酪蛋白基因能夠增加酪蛋白產量; 美國伊利諾斯大學研究出一種帶牛生長激素的轉基因豬, 這種豬生長快、體大、飼料利用率高, 可給養(yǎng)豬業(yè)帶來豐厚的經濟效益。此外, 澳大利亞培育的轉基因豬瘦肉率達75%,日增重920g;轉基因山羊羊毛增產5%;轉基因大馬哈魚生長速度提高1137 倍。1. 3生產醫(yī)藥制劑的基因工程轉基因動物可用來制備基因產品, 此種生物叫做生物反應器。利用豬作為生物反應器已成功獲得人血紅蛋白。經檢測發(fā)現(xiàn)，它與天然的人血紅蛋白性質完全相同。由此可見, 在不遠的將來, 人們就可以用轉基因動物生產血紅蛋白來輔助輸血。 英國蘇格蘭羅斯林研究院的科學家在世界上首次培育出兩頭帶有人類基因的克隆羊“莫利”和“波利”, 從它們的奶中獲得了大量藥物或其他化合物。1. 4其他方面可以利用轉基因技術來控制動物的性別, 對加快選種進程, 提高經濟效益有著巨大作用。另外還有更多的利用空間等著人類去發(fā)掘。轉基因技術的誕生標志著人類在生命科學的發(fā)展史上進入一個嶄新的階段。轉基因技術的發(fā)展不僅促進了其它學科的發(fā)展,而且?guī)拥漠a業(yè)將推動世界經濟的發(fā)展7。2分子遺傳標記在動物育種中的應用80年代以來，由于分子生物學技術的發(fā)展，分子克隆及DNA重組技術的完善，特別是近年來，PCR技術和新的電泳技術的產生，使各種分子遺傳標記應運而生，為人類醫(yī)學、動植物育種以及遺傳圖譜的構建戰(zhàn)略和技術帶來了革命性的變化。目前在動物遺傳育種中已顯示出重要作用的分子標記主要有以下幾種：RFLP、SNPs、RAPD、AFLP、VNTR、mtDNA標記和微衛(wèi)星等8。2.1保護動物遺傳資源利用DNA分子標記可有效檢測和控制種群近交速率。在動物保種中，由于保護群的規(guī)模受諸多因素制約，因而通常采用小群體保護，群體越小，近交水平越高，高度近交可導致基因丟失，致使品種衰亡?？筛鷵﨑NA指紋圖所得遺傳相似系數(shù)大小進行標記輔助選配，從而實現(xiàn)近交速率的有效控制。利用DNA分子標記還可跟蹤保護目標基因。另外，利用DNA分子標記還可以分析生物多樣性和提高動物肌體對疾病的抵抗力9。總之，隨著動物基因組計劃的不斷發(fā)展，動物的數(shù)量、質量性狀基因的染色體定位及測序，最終可獲得完整的基因圖譜。人們可利用DNA標記對與其緊密連鎖的目標基因在世代傳遞中進行跟蹤、監(jiān)測，從而進行有目的的保護、選留，使之不致于因遺傳漂變而喪失。2.2遺傳標記輔助選擇隨著分子遺傳學、分子生物學技術和數(shù)量遺傳學的發(fā)展,一種新型的選種方法遺傳標記輔助選擇(marker assisted selection,MAS)已經誕生并逐漸成了研究的熱點10。我們將占據一定特定染色體區(qū)域的微效多基因群稱為一個數(shù)量性狀基因座位（QTL）11。在理論上.對于這些對數(shù)量性狀有較大影響而又難以識別和分離的QTL，可以通過分析它們與諸如RFLP之類的分子標記的連鎖關系，確定其在染色體上的位置、單個效應及互作效應，從而通過選擇可識別的分子標記來選擇具有育種意義的QTL。另一方面，控制一個性狀的基因型的差異本身亦是有關基因的堿基順序的差異。因此，某些標記基因座位本身就可能是QTL座位，亦或它們與QTL100%連鎖，二者一同分離和重組，在此情況下我們可以直接對QTL進行識別和選擇。所以，一旦了解分子標記與畜禽的生產性能、抗病力、抗應激反應力等諸多有經濟意義的性狀間的連鎖關系的話，在育種工作中就可依據基因型或與基因座位連鎖的分子標記進行選種，這顯然將比僅依據表型值進行選種要準確和經濟。2.3檢測與定位數(shù)量性狀主基因基因定位就是確定基因在染色體上的位置及與之相連鎖的標記。由分子標記定位的控制動物重要經濟性狀的主效基因目前已檢測出了許多,例如影響豬產仔數(shù)的ESR，基因影響豬肉質的氟烷敏感基因,影響羊產羔數(shù)的Booroola基因,影響雞體重的矮小基因(dw),影響牛產肉性能的雙肌基因等等，這些基因控制的性狀在我國當前育種中尤為重要，對它們考種費時費力,而且它們受環(huán)境的影響也大,利用標記輔助選擇將有現(xiàn)實意義。3畜禽遺傳圖譜在動物育種中的應用自從1990 年10 月美正式啟動人類基因組計劃以來, 對生物基因圖譜、基因組測序的研究成為當代遺傳學研究的熱點之一。基因定位(gene mapping) 是構建基因圖譜的基本要素,基因圖譜包括遺傳圖譜(genetic map)和物理圖譜(physical map) ,歐共體8國16個實驗室共同承擔的豬的基因圖譜研究項目(Pig gene mapping project ,PIGMP) 已于1990年開始實施。到1994 年, 該項目已報道的豬遺傳連鎖圖譜包括了328個DNA 標記,其中約有180個隨機DNA 片段、100個微衛(wèi)星標記, 圖譜的總遺傳長度為2000cM，18條常染色體及X染色體上的連鎖群均已確定。其他如雞、牛、綿羊的基因圖譜也得以構建。雞作為第一種被測序的鳥類，已成為現(xiàn)存約9600種鳥類的模型12。畜禽的圖譜已經從開始的一無所知到位點的圖譜，直到現(xiàn)在基因的不斷發(fā)現(xiàn)13。隨著生物技術日新月異的拓展和廣泛應用,畜禽基因圖譜飽和度將大幅度提高, 對重要經濟性狀位點(economic trait loci, ETLs) 的定位和標記輔助選擇高新技術也會得到迅速發(fā)展,不僅可對QTL連鎖進一步分析,找出QTLs或與之連鎖的DNA標記，找出有利的基因型而利用DNA 標記進行選種，而且可對QTLs 進行準確定位,探明QTLs 對表型的貢獻。更精細的基因插入技術和表達控制技術將成為現(xiàn)實?；蛘咄ㄟ^了解基因的開啟機制來控制基因的表達水平,可望將人的組織兼容性基因轉移給豬,使豬能提供組織器官,供人體移植使用(異種移植)。利用轉基因動物生產如人凝血因子、血紅蛋白、人尿激酶等等具有生物學活性的藥用蛋白質。另外,準確的基因轉移會大大地提高畜禽生產力,如豬的ESR基因、FSH基因、Hal基因、K88受體基因,牛的雙肌基因、抗蜱基因、與產奶量有關的weaver 基因,羊的Booroola基因、spider基因,雞的DW基因、裸頸基因等等,這些重要的經濟性狀基因的定位已經或正陸續(xù)報道出來,必將為畜牧業(yè)生產帶來巨大的經濟效益和社會效益14。21 世紀是生命科學大發(fā)展的世紀, 生物技術是21 世紀技術的核心, 它是以現(xiàn)代分子生物學、生物化學和細胞生物學等生命科學最新成就為基礎的現(xiàn)代綜合性技術。隨著轉基因技術、遺傳標記、基因圖譜的構建、染色體的原位雜交、胚胎干細胞、核移植、胚胎克隆、胚胎性別早期鑒定以及性別控制等技術的不斷完善和運用,動物遺傳育種中的許多問題將被揭示,分子生物學必將對動物育種水平的提高起到越來越大的作用。參考文獻1閻隆飛，張玉麟.分子生物學（第二版）M.北京:中國農業(yè)大學出版社,19972 吳常信,李寧.分子生物技術在中國動物育種中的應用J.中國家禽,2002,24(13):6-93 陳宏.現(xiàn)代生物技術與動物育種J.黃牛雜志，2000,26(4):1-54 郭亞寧,許尚忠,楊公社等.畜禽基因圖譜研究進展J.家畜生態(tài),2004,25(4):166-1715 Transgenic animals: current and alternative strategies. Cloning，1999,1(1):25-466 Genetically engineered livestock: closer than we think? 2005，23(11):533-5357 梁海青,岳文斌. 動物轉基因技術的研究和應用前景J. 動物醫(yī)學進展, 2003,24(6):127-1288 杜立新. 分子遺傳標記及其在動物育種中的應用J.黃牛雜志,1995,73(2):31-339 Use of molecular markers to enhance resistance of livestock to disease: a global approach. 2005，24(1):343-35310 魯紹雄,吳常信.動物遺傳標記輔助選擇研究及其應