豬產(chǎn)仔數(shù)性狀候選基因研究進展

周 梅，張 玉，王重龍*

(1. 安徽省農(nóng)業(yè)科學院 畜牧獸醫(yī)研究所, 豬分子數(shù)量遺傳學安徽省農(nóng)業(yè)科學院重點實驗室,畜禽產(chǎn)品安全工程安徽省重點實驗室，安徽合肥 230001;2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部豬肉質(zhì)量安全控制重點實驗室，安徽 亳州236700;3. 寧國市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，安徽 寧國 242300)

據(jù)中國統(tǒng)計年鑒記載，豬的存出欄量以及豬肉產(chǎn)品的量一直位居所有家畜之首，可見豬在畜產(chǎn)品行業(yè)占據(jù)著極其重要的地位。根據(jù)2011年《中國畜禽遺傳資源志·豬志》記載，中國現(xiàn)有地方豬品種76個，其中高產(chǎn)仔數(shù)的梅山豬、二花臉豬和嘉興黑豬在國內(nèi)外均具有很大的影響力[1-2]。產(chǎn)仔數(shù)作為豬最重要的經(jīng)濟性狀之一，對豬場效益有直接影響。而在影響豬產(chǎn)仔數(shù)眾多因素如環(huán)境、營養(yǎng)水平、年齡、遺傳以及品種中，遺傳因素是主要原因。而豬產(chǎn)仔數(shù)性狀受多基因控制，要找到真正的主效基因和基因突變非常困難，因此，對其進行挖掘一直是遺傳育種領域的熱點。目前，國內(nèi)外科學家已經(jīng)利用最新的生物技術如全基因組關聯(lián)分析、全基因組重測序、全基因組甲基化測序、蛋白質(zhì)組學、代謝組學、腸道微生物、以及單細胞測序等技術成功鑒定了一些豬產(chǎn)仔數(shù)主效基因和候選基因。

1 豬產(chǎn)仔數(shù)性狀相關基因

據(jù)報道，受精率、排卵率、子宮容積和胎盤效率是影響豬產(chǎn)仔數(shù)的主要因素，因此對影響這幾個性狀的基因進行研究可能為解釋產(chǎn)仔數(shù)差異提供新的思路[3]。目前，已經(jīng)報道的與這些性狀相關的基因主要有雌激素受體基因(Estrogen receptor,ESR)、促卵泡素β基因(Follicle-stimulating hormone beta subunit,FSHB)、骨形成蛋白家族基因(Bone morphogenetic protein (BMP) families)、生長分化因子9基因(Growth differentiation factor,GDF9)、催乳素受體基因(Prolactin receptor,PRLR)、視黃醇結合蛋白4基因(Retinol-binding protein 4,RBP4)、骨橋蛋白基因(Osteopontin,OPN)以及褪黑素受體1A基因(Melatonin receptor 1a,MTNR1A)等，但已被定位的產(chǎn)仔數(shù)主效基因僅有ESR和FSHB兩個，其他均為微效基因[4-6]。這些基因正是通過在豬的排卵、受精、妊娠或胚胎發(fā)育等方面各自發(fā)揮作用并最終對豬的產(chǎn)仔數(shù)產(chǎn)生影響。

1.1 ESR基因

雌激素由哺乳動物的卵巢和胎盤分泌，在雌性動物的生殖活動中作用極為重要，ESR廣泛存在于動物體多個器官或組織的細胞核、細胞質(zhì)以及細胞膜中，其中位于細胞核的ESR能夠與雌激素特異性結合對下游基因的轉(zhuǎn)錄進行調(diào)控，在雌性動物子宮生長、卵泡發(fā)育、胚胎著床以及泌乳等活動中發(fā)揮非常重要的作用。豬ESR基因由8個外顯子和7個內(nèi)含子構成，位于1號染色體上。

ESR是1996年Rothschild等[7]發(fā)現(xiàn)的首個與豬的產(chǎn)仔數(shù)密切相關的基因，他們利用候選基因法發(fā)現(xiàn)中國梅山豬中ESR基因一個特定等位基因與產(chǎn)仔數(shù)相關，具有50%梅山豬血統(tǒng)合成品系BB型比AA型母豬第一胎和平均產(chǎn)仔數(shù)分別多2.3頭和1.5頭，且在大白豬后代中也得到了類似的結果，該研究結果對于商品豬的育種工作具有極其重要的指導意義。2000年，van Rens等[8]研究發(fā)現(xiàn)，ESR基因BB型母豬的產(chǎn)仔數(shù)比AA型多，但是兩種基因型豬排卵前血漿中促黃體素(Luteinizing hormone, LH)、雌激素以及孕酮(Progesterone, P4)的濃度并無明顯差異，且黃體數(shù)和妊娠第35/36天二者的胚胎數(shù)量均無差別，進一步研究發(fā)現(xiàn)BB型豬的子宮容量大于AA型，然而每個胚胎占據(jù)的子宮空間基本相同，這就導致胚胎發(fā)育后期AA型豬胎兒死亡率高于BB型，從而導致產(chǎn)仔數(shù)減少。Alfonso[9]報道，ESR基因的PvuII位點多態(tài)性與豬的產(chǎn)仔數(shù)相關，其中AA型豬的產(chǎn)仔數(shù)顯著低于BB型和AB型。另外也有報道B等位基因?qū)ωi的產(chǎn)仔數(shù)具有明顯的加性效應，且該位點在國內(nèi)外豬種中的基因頻率分布差異很大，其中B等位基因和A等位基因分別是中國地方豬種和外來豬種的優(yōu)勢等位基因，僅有少數(shù)報道例外，可能是因為豬的品種效應導致的[10-11]。Laliotis等[12]研究發(fā)現(xiàn)，ESRβ基因BB型個體的總產(chǎn)仔數(shù)(Total number boin, TNB)和產(chǎn)活仔數(shù)(Number boin alive, NBA)比AA型和AB型平均高出約2頭，AA型和AB型之間無明顯差異。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)ESR基因確實存在多個影響豬產(chǎn)仔數(shù)的分子標記，但總的來說，目前科學家們對ESR基因影響豬產(chǎn)仔數(shù)遺傳機制尚未達成統(tǒng)一的定論，原因可能在于基因的多效性，但這些分子標記對于今后高產(chǎn)仔數(shù)分子育種仍具有一定的指導意義。

1.2 FSHB基因

促卵泡素(Follicle-stimulating hormone, FSH)是由哺乳動物垂體前葉的嗜酸性細胞分泌的一種糖蛋白激素，由α和β兩條亞基構成，對于雌性動物的卵泡和卵巢的生長發(fā)育以及排卵等過程極為重要[13]，其中編碼β亞基的是FSHB基因，豬FSHB基因由3個外顯子和2個內(nèi)含子構成，位于2號染色體上。研究發(fā)現(xiàn)，豬的排卵方式與人、牛和羊相似，均以卵泡波的方式呈現(xiàn)，而每個卵泡波的啟動都是在FSH濃度達到峰值時出現(xiàn)的，F(xiàn)SH在促進卵泡發(fā)育和生長的同時還能抑制其凋亡，且對雌二醇的分泌也具有促進作用[14]。李鵬飛等[15]對豬卵巢顆粒細胞進行分離培養(yǎng)并測定FSH對顆粒細胞的影響，發(fā)現(xiàn)隨著FSH濃度的增加顆粒細胞的數(shù)量也呈不斷上升趨勢，另外還發(fā)現(xiàn)在一定的濃度范圍內(nèi)顆粒細胞分泌雌二醇的能力會隨著FSH濃度的增加而升高，但FSH濃度過高反而會抑制顆粒細胞分泌雌二醇。而顆粒細胞的增殖和分化及其分泌的生殖激素對于卵泡的發(fā)育及排卵等活動尤為重要，因此，將FSHB基因作為主效基因來研究其對豬卵巢中最重要的卵泡發(fā)育的影響能夠更好地闡釋豬產(chǎn)仔數(shù)的差異形成機制。

Zhao等[16]首次證明了FSHB基因是影響豬產(chǎn)仔數(shù)的主效基因，AA型和AB型母豬平均每胎產(chǎn)仔數(shù)比BB型多1.5頭，該結果也在杜洛克、長白豬以及約克夏豬中得到驗證。之后，陳來華等[17]在大白豬中檢測到FSHB基因的3種基因型，其中AA型和AB型母豬的TNB和NBA顯著高于BB型，且在初產(chǎn)母豬中該效應較經(jīng)產(chǎn)母豬更為明顯，這與Rohrer等[18]的研究結果一致;此外，他們還發(fā)現(xiàn)FSHB基因AA型母豬的胎盤效率顯著高于AB型和BB型，原因可能在于攜帶A等位基因豬的胎盤質(zhì)量更小，血管分布更為密集，從而在有限的子宮容積內(nèi)爭取更多營養(yǎng)以提高仔豬的成活率。然而，方宇瑜等[19]研究發(fā)現(xiàn)FSHB基因多態(tài)性與蘇淮豬的TNB和NBA均無明顯關聯(lián)，原因與前面介紹的ESR基因類似，均是產(chǎn)仔數(shù)性狀調(diào)控機制的復雜性及影響因素的多樣性所致。

1.3 BMP家族基因

BMP家族的成員很多，其中骨形成蛋白15(Bone morphogenetic protein,BMP15)和骨形成蛋白受體1B(Bone morphogenetic protein receptor,BMPR1B)被認為是影響豬產(chǎn)仔數(shù)的候選基因。BMP15是一種由卵母細胞分泌的生長因子，通過抑制FSH分泌、促進顆粒細胞的增殖以及促進卵母細胞有絲分裂等在哺乳動物早期卵泡發(fā)育中發(fā)揮重要作用[20-22]。

吳井生等[23]對小梅山豬和大白豬BMP15基因外顯子2上BcuⅠ位點多態(tài)性進行檢測并與產(chǎn)仔數(shù)進行關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，該位點對小梅山豬TNB和NBA均有顯著影響，其中AA型產(chǎn)仔數(shù)最高，BB型產(chǎn)仔數(shù)最低，然而，在大白豬中，該位點僅對第一胎TNB和NBA有顯著影響，表現(xiàn)為AA型>AB型>BB型。宋一萍等[24]分析了BMP15和BMPR1B基因共3個多態(tài)位點在5個山東地方豬品種(萊蕪豬、魯萊黑豬、里岔黑豬、魯煙白豬、新沂蒙黑豬)和3個引進豬種(大約克夏、長白、杜洛克)中的基因頻率，發(fā)現(xiàn)這兩個基因在地方豬種和引進豬種之間的基因型頻率分布差異很大，分析發(fā)現(xiàn)兩個基因?qū)ωi產(chǎn)仔數(shù)均有顯著影響，其中BMP15基因AA型引進豬種比地方豬種TNB和NBA平均多1.20和1.64頭；CC型引進豬種比地方豬種TNB和NBA平均多1.20和0.82頭；BMPR1B基因AA型地方豬種TNB和NBA比BB型平均多0.49頭和0.51頭，而BB型引進豬種比AA型TNB和NBA平均多1.05和0.90頭。此外，林鵬飛等[25]檢測了貴州宗地花豬經(jīng)產(chǎn)母豬BMPR1B基因的多態(tài)性，發(fā)現(xiàn)外顯子6上的兩個突變位點(G595C和C643T)各胎TNB和NBA均表現(xiàn)為AA>AG>GG、BB>BT>TT，且達到差異顯著水平。上述分子標記可為中國高繁殖力地方豬品種選育提供良好的理論素材。

1.4 GDF9基因

GDF9是轉(zhuǎn)化生長因子超家族的主要成員之一，位于豬的2號染色體上，僅包含2個外顯子和1個內(nèi)含子，同BMP15一樣，也是由卵母細胞分泌的生長因子，對于卵泡的發(fā)育非常重要，因此被McIntosh等作為控制豬排卵率的候選基因進行研究，但在多個品種豬中均未發(fā)現(xiàn)GDF9基因影響產(chǎn)仔數(shù)的直接證據(jù)[26]。之后，張璐等[27]也得到了類似的結果，但除此之外他們還發(fā)現(xiàn)GDF9和FSHB基因的第一內(nèi)含子上均存在一個Alu插入序列，將二者Alu序列多態(tài)性進行聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)二者合并基因型對豬產(chǎn)仔數(shù)影響極顯著，說明GDF9基因本身雖然對豬的產(chǎn)仔數(shù)沒有影響，但它與影響豬產(chǎn)仔數(shù)的主效基因FSHB密切相關，對于高產(chǎn)仔數(shù)主效基因的尋找乃至高產(chǎn)豬的育種意義同樣重大。然而，林鵬飛等[28]在貴州宗地花豬母豬中檢測到GDF9基因外顯子2上的的兩個多態(tài)位點C1009T和T1014C，該報道稱這兩個位點對母豬的TNB和NBA均有顯著影響，可以作為貴州宗地花豬母豬標記輔助育種的重要分子標記。

1.5 PRLR基因

催乳素與FSH一樣也是由垂體前葉的嗜酸性細胞分泌的一種蛋白類激素，對于雌性動物乳腺發(fā)育、泌乳以及促黃體素受體(Luteinizing hormone receptor, LHR)的生成均具有促進作用等。催乳素通過與其受體結合參與雌性動物排卵、黃體生成以及孕激素和雌激素的分泌[29-30]。豬PRLR基因被定位于第16號染色體上，由8個外顯子和7個內(nèi)含子組成。

Vincent等[31]首次將PRLR基因作為豬產(chǎn)仔數(shù)候選基因進行研究，他們發(fā)現(xiàn)在部分豬種中PRLR基因與TNB和NBA顯著相關。之后，國內(nèi)外學者對其展開了廣泛地研究，2009年，曹果清等[32]對大白豬、馬身豬、山西黑豬和山西白豬4個品種中PRLR基因多態(tài)性進行檢測發(fā)現(xiàn)，該基因第10外顯子上的NaeⅠ多態(tài)位點與母豬的產(chǎn)仔數(shù)顯著相關，在4個豬品種中均無BB基因型出現(xiàn)，且AA型母豬初產(chǎn)的TNB和NBA均顯著高于AB型，這對于豬育種工作中有利基因型的選擇頗具意義。同年，孫延曉等[33]對5個山東地方豬品種和3個引進豬種中PRLR基因多態(tài)性進行檢測發(fā)現(xiàn)，在這兩個豬種中，AA型母豬的TNB和NBA均顯著高于BB型。另外，石建中等[34]稱PRLR基因第8內(nèi)含子上存在的一個多態(tài)位點對豬產(chǎn)仔數(shù)存在一定的影響，雖然差異未達到顯著水平，但攜帶A等位基因母豬的產(chǎn)仔性能均優(yōu)于其他基因型個體。熊琪等[35]的研究表明，PRLR基因與清平豬F1代妊娠期極顯著相關，與TNB和斷奶仔豬數(shù)顯著相關，但其對繁殖性狀有利的等位基因同時容易出現(xiàn)仔豬弱仔性狀，因此在實際應用中需謹慎。以上研究結果表明PRLR基因?qū)ωi產(chǎn)仔數(shù)存在多方面的影響，該基因的某些位點可能對產(chǎn)仔數(shù)有利，但同時又可能會對豬產(chǎn)生一些非常不利的影響，在豬產(chǎn)仔數(shù)性狀分子育種應用中需充分權衡利弊，降低風險。

1.6 OPN基因

胚胎死亡率是限制哺乳動物中繁殖效率的重要因素之一，對繁殖效率的貢獻約占到25%～60%[36]，因而探明動物胚胎發(fā)育機制對于提高動物的繁殖效率非常關鍵。OPN是一種分泌型糖基化磷蛋白，主要成分是精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸，在哺乳動物的乳汁、子宮和胎盤等組織中表達，對于動物泌乳、受精、胚泡著床以及胎盤形成等均十分重要[37-40]。豬OPN基因位于8號染色體上，由7個外顯子和6個內(nèi)含子構成。據(jù)報道，OPN是豬、綿羊以及靈長類動物子宮-胎盤微環(huán)境的主要成分，影響整個妊娠期子宮-胎盤界面粘附和信號轉(zhuǎn)導所需的組織營養(yǎng)素成分[36]。Garlow等[41]檢測豬子宮和孕體中OPN表達和功能發(fā)現(xiàn)，由子宮上皮和免疫細胞表達的OPN可以與子宮和孕體上的受體(即整聯(lián)蛋白)相互作用，從而促進孕體發(fā)育和組織間的信號傳導，是豬胎盤附著和形成的關鍵影響因子。

早在1999年，羅仍卓么等[42]在檢測長白豬、大白豬和北京黑豬中OPN基因第 6 內(nèi)含子上305 bp片段缺失多態(tài)性時發(fā)現(xiàn)，OPN基因在長白豬和大白豬中均存在多態(tài)性，但在長白豬中，AA型初產(chǎn)母豬TNB和NBA最高，而在經(jīng)產(chǎn)母豬中，則是AB型TNB和NBA最高且顯著高于另外兩種基因型；而在大白豬中，無論初產(chǎn)還是經(jīng)產(chǎn)母豬，AB和BB型TNB和NBA均顯著高于AA型。之后，李不學等[43]對長白豬進行研究也發(fā)現(xiàn)OPN不同基因型對初產(chǎn)和經(jīng)產(chǎn)母豬的影響均表現(xiàn)為AA>AB>BB，這與羅仍卓么[42]和李千軍等[44]的研究結果一致。甘乾福等[45]發(fā)現(xiàn)OPN基因第6 136 bp 處發(fā)生的C→A突變雖然是同義突變，但對初產(chǎn)槐豬TNB以及經(jīng)產(chǎn)槐豬TNB和NBA均有顯著影響，且CC和AA型的TNB均顯著高于CA型。然而，該位點對長白豬、大白豬和杜洛克豬TNB和NBA均無明顯影響。但劉乙等[46]在探討OPN基因多態(tài)性對大白豬產(chǎn)仔數(shù)影響的時候發(fā)現(xiàn)，對于經(jīng)產(chǎn)母豬而言，AA型TNB最高，但在NBA上則表現(xiàn)為BB>AA>AB，與甘乾福等人的研究結果存在差異。以上研究說明OPN基因?qū)ωi產(chǎn)仔數(shù)的影響受到品種和胎次等因素的制約，在實際生產(chǎn)中需要綜合多方因素開展育種工作。

1.7 MTNR1A基因

褪黑素是由哺乳動物松果體產(chǎn)生的一種胺類激素，能夠調(diào)節(jié)內(nèi)分泌活動并抑制排卵。據(jù)報道，動物在夏季夜間分泌褪黑素的持續(xù)時間最短，導致該季節(jié)母豬生育能力下降和青春期延遲。先前的研究發(fā)現(xiàn)MTNR1A基因位于染色體SSC17區(qū)域。1998年，Rothschild等[47]首次將MTNR1A基因作為豬繁殖性狀候選基因進行研究，并推測該基因可能是豬產(chǎn)仔數(shù)性狀候選基因之一。然而，王曉鳳等[48]對大白豬和長白豬中MTNR1A基因多態(tài)性進行檢測時發(fā)現(xiàn)在該基因+159 bp處存在一個G→A同義突變，但該突變對兩個品種豬的產(chǎn)仔數(shù)均無顯著影響。之后，Ramírez等[49]又發(fā)現(xiàn)在豬MTNR1A基因的外顯子2上存在一個T162C同義突變，對該位點在伊比利亞克斯梅山雜交品系中的多態(tài)性進行檢測發(fā)現(xiàn)，MTNR1A基因?qū)υ撾s交品系豬TNB和NBA均具有加性和顯性效應，且在夏季的加性效應以及在秋季和冬季的顯性效應均達到顯著水平，表明這種加性和顯性效應的季節(jié)性變化可能是由于光周期對褪黑素分泌的模式和持續(xù)時間的影響導致的。由此可見，MTNR1A基因?qū)ωi產(chǎn)仔數(shù)的影響與其他基因可能不太一致，該基因與環(huán)境間復雜的互作關系可能導致豬產(chǎn)仔數(shù)性狀的變異。

2 其他可能影響豬產(chǎn)仔數(shù)的基因

除了以上介紹的基因以外，還有一些基因可能也與豬產(chǎn)仔數(shù)存在一定的聯(lián)系，包括：促黃體素受體基因(LHR)、視黃酸受體γ基因(RARG)，轉(zhuǎn)化生長因子β1基因(TGFβ1)，表皮生長因子基因(EGF)，豬前列腺素內(nèi)過氧化物酶2基因(PTGS2)，視黃醇結合蛋白4基因(RBP4)，胰島素樣生長因子基因(IGF)、瘦素受體基因(LEPR)等等，但目前證明它們影響豬產(chǎn)仔數(shù)的證據(jù)還不夠充分，有待于更多科學試驗結果來證實?？傊?，豬產(chǎn)仔數(shù)候選基因的篩選之路還很漫長，未知的調(diào)控機制還需要一代又一代科研工作者堅持不懈地去挖掘、去探索。

3 小結與展望

綜上所述，雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些豬產(chǎn)仔數(shù)主效基因和候選基因，且隨著豬基因組研究的不斷深入，越來越多候選基因或數(shù)量性狀基因座(quantitative trait loci, QTL)因被認為與豬產(chǎn)仔數(shù)相關而得到廣泛的研究，但是總的來說，在已經(jīng)公布的1 007個豬產(chǎn)仔數(shù)QTL中(https://www.animalgenome.org/cgi-bin/QTLdb/SS/traitmap?trait_ID=710)，絕大部分基因的功能研究都缺乏深度，且多項研究僅針對單個基因，考慮產(chǎn)仔數(shù)作為數(shù)量性狀本身的特性以及基因之間的互作，對多個基因進行聯(lián)合分析可能更有助于闡釋豬產(chǎn)仔數(shù)的差異形成機制，從而更好地指導豬的分子育種工作。