基于snp標記的荷斯坦牛群親子推斷研究

基于snp標記的荷斯坦牛群親子推斷研究

家譜信息在牛育種中起著重要作用。錯誤的系譜會大大降低遺傳評定準確性,影響選種選配的效果,降低群體的遺傳進展,給奶牛生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟影響。然而,在實際養(yǎng)殖生產(chǎn)中,系譜記錄錯誤是難免的,它受多種因素影響,如配種記錄、產(chǎn)犢記錄、系譜錄入及整理中的人為錯誤等等,尤其在飼養(yǎng)管理較粗放的散養(yǎng)式牧場,犢牛出生后很難確定父親甚至雙親,往往會造成系譜錯誤。世界范圍平均的奶牛系譜錯誤率約為11%。汪湛等報道了天津部分奶牛場的系譜錯誤率為11.83%,初芹等利用微衛(wèi)星標記對北京地區(qū)21個場的系譜錯誤率進行檢測,平均為16.3%。進入21世紀后,隨著SNP標記檢測手段的不斷成熟,利用SNP標記進行牛的親子推斷成為可能,Heaton和Werner等也分別報道了用32~37個SNPs標記在肉牛、奶牛的多品種群中進行親子推斷的結(jié)果。2009年Fisher等人的研究表明利用一定數(shù)目的SNPs標記進行奶牛親子鑒定可以達到或超過目前所常用的微衛(wèi)星標記體系的效率。目前我國尚無利用SNP標記進行實際奶牛群體親子推斷的研究。本研究利用北京地區(qū)中國荷斯坦牛基因組選擇資源群體的SNP標記基因型信息,研究其親子推斷的效率,并分析系譜錯誤率的影響因素,以期為降低系譜錯誤,改善牛場生產(chǎn)管理,加快我國奶牛育種進程提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1篩選合適的品種研究群體為北京地區(qū)的中國荷斯坦牛,包括13頭種公牛及其1927頭女兒,其中2頭種公牛為同卵雙生且基因型完全相同,合并處理;另外隨機選擇了71頭荷斯坦青年公牛同時作為候選公牛。公牛女兒分布于北京地區(qū)15個牛場,系譜信息由中國奶業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)處理中心提供。1.2測標記基因型的構(gòu)建使用DP318基因組提取試劑盒(天根,北京)從母牛凝血和公牛凍精中提取基因組DNA。檢測DNA濃度后全部定量到10ng·μL-1。使用IlluminaBovineSNP50芯片檢測標記基因型,由IlluminaBovineSNP50Beadchip儀器完成,每個芯片含有54001個SNPs。用于親子推斷的SNP標記的篩選標準參照美國農(nóng)業(yè)部的研究(/USDA/index.html):1)最小等位基因頻率(MAF)大于0.45;2)每個標記的檢出率(Callrate)大于0.95;3)每條染色體上相鄰SNPs間距大于10Mb。美國農(nóng)業(yè)部推薦121個SNPs標記進行親子鑒定,其中有112個標記在本研究的芯片中,而本研究所選的255個標記與美國推薦的標記沒有直接關(guān)系。1.3不同狀況的真實父母是否成為選型錯誤親子推斷采用Cervus3.0軟件,以84頭公牛作為候選親本,利用最大似然原理對母牛群體進行親本推斷。Cervus軟件針對每頭母牛,對提供的所有候選親本進行計算,并給出似然得分最高的親本。本研究中,當軟件推斷出的父親與后代的似然得分大于零時,就認為該公牛是真實父親,似然得分越高,可靠性越高;如果推斷的母牛真實父親與實際系譜記錄不一致,則認為其為系譜錯誤。當軟件推斷出的父親與后代的似然得分小于零時,認為它不是真實父親,即該后代的真實父親不在候選親本中,也作為系譜錯誤處理。這兩部分的系譜錯誤合并為總的系譜錯誤率。1.4其他明顯的群體效應采用以下統(tǒng)計模型對影響系譜錯誤的因素進行統(tǒng)計分析:y=μ+sire+herd+year+month+e其中,y表示系譜是否錯誤,錯誤用1表示,否則用0;μ是群體總平均值;sire為公牛家系效應;herd為場效應;year為母牛出生年份效應;month為母牛出生月份效應;e為隨機殘差效應。統(tǒng)計分析采用SAS9.2GLM軟件包來完成。2結(jié)果2.1snps標記的分布本研究從IlluminaBovine50SNP芯片數(shù)據(jù)結(jié)果中共篩選出255個高多態(tài)性SNPs標記,這些標記分布于29條常染色體上,平均間距為10.62Mb,具體的分布情況如圖1所示。其中,1號染色體上標記數(shù)最多,共16個,平均間隔為10.53Mb。篩選出的標記最小等位基因頻率均高于0.45,檢出率高于0.95,適合用于進行親子推斷。2.2真實父母與非真實高校使用255個SNPs標記,將84頭公牛作為候選親本,對1927頭母牛進行了親子推斷研究,其中1847頭(95.8%)母牛被推斷出的最可能父親的似然得分大于零且推斷父親的置信度均達到95%以上;有402頭母牛存在系譜錯誤,其中80頭(4.1%)的pairLOD值小于0,可認為沒有推斷出父親,即真實父親不在84頭公牛內(nèi);其余的322頭推斷出了父親,其中196頭(占322頭的60.9%)的真實父親在13頭公牛中,126頭(占322頭的39.1%)的真實父親在其余71頭公牛中。1847頭母牛的最可能父親的似然得分的分布情況如圖2?？梢娝迫坏梅侄嘣?0~50之間,即這些母牛推斷的父親可信度很高。理論上,真實親本與其后代的基因型之間不應存在孟德爾矛盾,但這1847頭母牛中仍有少數(shù)個體(4%比例)的基因型與其推斷的最可能父親基因型之間存在孟德爾矛盾(表1)。然而,這些親子對中存在孟德爾矛盾的標記數(shù)均很少,最多僅為4個。造成這種現(xiàn)象的最可能原因是標記判型錯誤。根據(jù)255個SNPs標記的親子推斷結(jié)果,1927頭母牛中有80頭母牛未推斷出真實父親,323頭母牛推斷的真實父親與系譜記錄不一致,即403頭母牛的公牛系譜是錯誤的,平均系譜錯誤率為20.9%。2.3不同牛場的譜系錯誤情況系譜錯誤的產(chǎn)生受多種因素影響。在本研究中,考慮了母牛所在場、出生年份、出生月份及公牛家系對系譜錯誤的影響,結(jié)果顯示公牛間差異不顯著(P>0.05),不同場間系譜錯誤率有極顯著差異(P<0.001),母牛出生年份和出生月份間的系譜錯誤率差異顯著(P<0.05),具體見表2。對各牛場的系譜錯誤情況分別進行了統(tǒng)計(表3),可見不同牛場間系譜錯誤率差別非常大,系譜錯誤率最低的牛場其錯誤率僅為6.9%,而系譜錯誤率最高的牛場其錯誤率高達46.3%。15個牛場中有8個牛場的系譜錯誤率都在20%以上。系譜錯誤比例=系譜錯誤母牛數(shù)/檢測母牛數(shù)Pedigreeerrorrate=Numberofcowswithrejectedpaternity/Numberofcowsdetected不同年份出生母牛的系譜錯誤率差異也非常大,2002年系譜錯誤率最低,為16.85%,2006年最高,為27.84%。2001-2006年,平均系譜錯誤率波動很大,但總體呈上升趨勢,為22.39%~27.8%(圖3)。從母牛出生月份角度來看,1月和10~12月份系譜錯誤率較低,平均為18.74%,9月份系譜錯誤率最高,達到28.82%,而其它月份系譜錯誤率較平穩(wěn),在23.19%~26.89%之間(圖4)。3討論3.1不同牛場間的譜系錯誤率差異較本研究中,北京地區(qū)的荷斯坦母牛的系譜錯誤率平均為20.9%,高于汪湛和初芹等報道的錯誤率數(shù)據(jù)。一方面是由于本研究使用的SNPs標記數(shù)目多,分布廣,具有更高的推斷效率,如周磊的模擬研究發(fā)現(xiàn),利用SNP標記進行親子鑒定,在最小等位基因頻率為0.35~0.50時,以至少2個矛盾排除原則推斷需要54個SNPs,本研究共挑選了255個間距大、分布均勻、MAF高的標記,達到了很高的推斷水平。而另一方面也可能是由于研究群體本身之間系譜錯誤情況就存在差異造成的。在影響系譜錯誤率的諸多因素中,牛場是主要因素,不同牛場間系譜錯誤率差異較大,最高牛場系譜錯誤率約是最低牛場系譜錯誤率的7倍,顯示出不同牛場的管理水平及對系譜登記工作的重視程度和對分娩牛監(jiān)督管理水平的差異。實際生產(chǎn)中有多種因素可造成系譜登記錯誤。例如,奶牛多在夜間分娩,如果接生人員沒有及時監(jiān)護,可能造成幾個犢牛同晚出生而分不清母親,進而導致犢牛父親的記錄錯誤;實際生產(chǎn)中牛耳標遺失后會根據(jù)譜系中犢牛的花片來確認牛只,往往也會造成一定的錯誤。此外,如果牛場的考核指標存在缺陷,也可能間接造成人為的系譜記錄錯誤,如有的牛場將犢牛死淘率作為考核指標,可能用雙胎個體中的一頭去取代死胎而導致人為的系譜錯誤。分析結(jié)果顯示,不同母牛出生年份和月份間系譜錯誤率存在顯著差異。2001-2006年,北京地區(qū)牛場的系譜錯誤率有增加趨勢,從22.3%升高到27.8%,造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于奶牛存欄數(shù)量逐年增加,牛場規(guī)模不斷擴大增加了管理難度造成的。1年的12個月份中,9月份出生母牛系譜錯誤率最高,而1月份和10~12月份的系譜錯誤率較低,這與北京地區(qū)奶牛的產(chǎn)犢季節(jié)性有關(guān)。在實際生產(chǎn)中,9月份是大多數(shù)牛場的產(chǎn)犢高峰期,產(chǎn)犢數(shù)量激增造成牛場值班人員工作量增加,管理難度加大,系譜錯誤率上升;而每年的1~3月份發(fā)情牛只較少,因此10月份到次年1月份的產(chǎn)犢數(shù)量較少,系譜錯誤率也相對較低。此外,公牛對系譜錯誤率并沒有顯著影響,說明系譜錯誤主要是牛場本身的管理因素造成的,而非遺傳因素。因此,在中國亟待采取一系列措施提高牧場管理水平,加強繁殖監(jiān)管,完善系譜記錄制度,進而提高系譜準確性。3.2基于群體隨機抽樣檢測的遺傳檢測Weller等提出,如果保證每年牛群的遺傳進展在1%以上,那么系譜錯誤率需控制在8%以下。此外,據(jù)模擬研究結(jié)果,如果美國奶牛遺傳評估中母牛的父親記錄錯誤率為11%,群體遺傳進展將會降低11%~15%。根據(jù)Visscher等提出的系譜錯誤造成的選擇進展損失公式,本研究中一半的牛場系譜錯誤率都在20%以上,如果假設選擇性狀遺傳力為0.25,每頭公牛女兒數(shù)為50,那么選擇進展的損失率約為12%。為了降低系譜錯誤對生產(chǎn)和育種帶來的不利影響,各奶業(yè)發(fā)達國家早已建立了系譜錯誤檢測、校正的監(jiān)管系統(tǒng),利用遺傳標記進行群體隨機抽樣的親子鑒定。例如,澳大利亞荷斯坦協(xié)會,在全國每500頭登記出生的犢牛中就抽檢1頭,要求農(nóng)戶將犢牛及其母親的毛囊樣品寄到協(xié)會,由協(xié)會出資進行親子鑒定。在我國奶牛業(yè)迅猛發(fā)展的現(xiàn)階段,已成熟的標記檢測方法,包括微衛(wèi)星標記和SNP標記,建立系譜準確性的監(jiān)管體系已經(jīng)迫在眉睫,以監(jiān)督后裔測定系統(tǒng)的正確性和準確性為出發(fā)點,進而加強記錄管理意識和手段指導生產(chǎn),可加速中國奶牛群體遺傳進展。這也是今后我國奶牛遺傳改良的重要基礎工作之一。3.3基因型判定錯誤隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展,SNP標記應用越來越廣泛,SNP標記具有自動化檢測程度高,基因型判定錯誤率低,突變率低,基因組分布廣泛等優(yōu)點,其缺點是單個標記多態(tài)性低,需要標記數(shù)多,但芯片技術(shù)給SNP的應用創(chuàng)造了有利條件。微衛(wèi)星具有單個標記多態(tài)性高,需要標記數(shù)少的優(yōu)點,但存在基因型判定錯誤率高的缺陷,而基因型判定錯誤對親子鑒定的準確性影響很大。因此,SNP在親子推斷上具有更大的應用前景。4場、牛場管理情況的估計本研究利用255個高多態(tài)性SNPs標記實現(xiàn)了對中國荷斯坦牛親子關(guān)系的高效推斷。以分布于15個牛場的1927頭北京地區(qū)中國荷斯坦母牛為試驗對象,平均系譜錯誤率估