鄧玉婷,孫睿哲,賀 娜,張軍霞

(青海大學農(nóng)牧學院,青海 西寧 810016)

我國綿羊養(yǎng)殖雖已逐步實現(xiàn)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化,但養(yǎng)殖的品種多數(shù)繁殖力低,嚴重制約著我國綿羊產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。綿羊是我國重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟動物之一,其繁殖性能是衡量其經(jīng)濟性狀的重要指標之一,產(chǎn)羔數(shù)在經(jīng)濟效益統(tǒng)計中的權重可達74%～96%,產(chǎn)雙羔可以使經(jīng)濟效益提高60%[1]。因此,從增加產(chǎn)羔數(shù)入手,提升綿羊的繁殖效率是節(jié)約飼料成本、提高生產(chǎn)效益和促進畜牧業(yè)快速發(fā)展的一個可靠途徑。綿羊產(chǎn)羔數(shù)是一個低遺傳力(0.1左右)的數(shù)量性狀[2],受到遺傳和環(huán)境等多種因素的共同影響。其中遺傳背景是最為重要的影響因素,綿羊品種不同,繁殖力也有非常顯著的差異[3]。為提高綿羊的繁殖能力,除了加強飼養(yǎng)管理、預防疾病之外,還常常采用同期發(fā)情、人工授精(artificial insemination,AI)和超數(shù)排卵(multiply ovulation and embryo transfer,MOET)等方法[4]。除人工干涉之外,研究人員發(fā)現(xiàn)部分綿羊品種中存在多胎基因,對綿羊繁殖性能有顯著的增強作用[4]。迄今為止,國內(nèi)外研究報道與母羊多胎性狀相關的有16個基因、20個突變[5,6]。其中,骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體-IB中的FecB(Fecundity booroola,FecB)基因突變是研究最早、最為廣泛的一個基因。本文將從FecB基因的發(fā)現(xiàn)和結構、對產(chǎn)羔性狀的影響,以及對綿羊產(chǎn)羔性狀的調(diào)控機制研究等方面進行綜述,以期為國內(nèi)外多胎基因研究和育種繁殖實踐提供理論參考。

1 FecB基因的發(fā)現(xiàn)和結構

1.1FecB基因的發(fā)現(xiàn)

20世紀80年代,Piper和Bindon對高繁殖力的布魯拉美利奴羊(Booroola Merino sheep)的產(chǎn)羔數(shù)進行了統(tǒng)計學分析,發(fā)現(xiàn)在布魯拉美利奴羊群體中存在一個能夠調(diào)控排卵數(shù)的基因[7]。隨后,Davis等[8]發(fā)現(xiàn)布魯拉美利奴羊的常染色體上某個基因發(fā)生突變后,母羊排卵數(shù)會增加,并且突變拷貝數(shù)與排卵數(shù)呈正相關:每增加一個拷貝突變,母羊增加1.65個排卵數(shù)[9],產(chǎn)羔數(shù)增加0.8～1.2只[7]。因當時具體基因未知,綿羊(Ovis aries)和山羊(Capra hircas)遺傳學命名委員會暫時將其命名為Fecundity Booroola(FecB)基因[10]。1994年,Montgomery團隊通過微衛(wèi)星標記和遺傳連鎖的方法將FecB的位置定位在綿羊6號常染色體上[11]。直到2001年,Wilson、Mulsant和Souza三個團隊同時將FecB突變定位在BMPR-IB基因上,并且發(fā)現(xiàn)該突變是基因編碼區(qū)發(fā)生的A746G突變,可導致蛋白質(zhì)序列中第249位的谷氨酰胺被置換為精氨酸(Q249R)[12-14],至此人們明確了FecB突變的位置和化學特征。2009年Davis等[15]證明布魯拉美利奴羊的FecB突變源自印度加羅爾羊群體。同年,Walkden等[16]證實了加羅爾羊和湖羊是全球范圍內(nèi)僅有的兩個FecB突變幾乎被固定的綿羊品種。2022年,Chong等[17]發(fā)現(xiàn)蒙古國綿羊和中國蒙古支系綿羊FecB等位基因形成時間一致,結合歷史事件及環(huán)境氣候變化數(shù)據(jù),推測FecB突變在中國境內(nèi)起源于中國蒙古綿羊種群,并通過兩條途徑在綿羊種群間傳播:(1)蒙古綿羊隨著北方游牧民族的活動從蒙古高原遷移到中國南方;(2)蒙古羊在大約2 000～3 000年前遷徙到印度次大陸,并與起源于中東的綿羊種群混合,最終形成了以加羅爾綿羊為代表的綿羊種群。這樣便形成了世界上僅有的兩個FecB突變等位基因頻率被固定的綿羊種群(湖羊和加羅爾羊)。隨后,部分加羅爾綿羊被引入澳大利亞,并與當?shù)鼐d羊種群雜交,形成了澳洲美利奴綿羊。

FecB基因主要包含3種基因型,即純合型(BB)、雜合型(B+)以及野生型(++),其基因型與母羊卵泡直徑相關,卵泡液中部分氨基酸代謝物與排卵數(shù)顯著相關[18]。FecB基因對母羊卵泡發(fā)育有加性作用,能夠增加排卵數(shù),從而提高母羊產(chǎn)羔數(shù)[19]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在澳大利亞布魯拉美利奴羊群體中,與野生型相比雜合型母羊排卵次數(shù)增加2.8個(+85%),純合型母羊排卵次數(shù)增加4.6～9.7個(+(204%～439%))[8-10,20]。同時,FecB基因還能導致綿羊初情期提前,攜帶BB基因型的綿羊和攜帶B+基因型的綿羊的產(chǎn)仔數(shù)顯著高于攜帶++基因型的綿羊[21]。研究證實了綿羊高繁殖力屬單基因遺傳,通常認為這一遺傳突變是由點突變、重復或缺失引起的[22]。

1.2FecB基因的結構

FecB突變位于綿羊6號染色體上的BMPR-IB基因第8外顯子,且位于蛋白激酶功能結構域上。FecB突變導致BMPR-IB基因編碼序列的第746位堿基發(fā)生錯義突變(A746G),使第249位的氨基酸從谷氨酰胺變?yōu)榫彼?Q249R),從不帶電的中性氨基酸變?yōu)閹ж撾姷膲A性氨基酸,從而導致BMPR-IB蛋白質(zhì)空間結構發(fā)生改變,突變區(qū)域從向外開口變?yōu)橄騼?nèi)偏[14-16],且該區(qū)域對應包含BMPR-IB的人類染色體4q22～23區(qū)間,并遵循孟德爾遺傳[23]。FecB具有單核苷酸多態(tài)性(SNP),位于BMPR-IB基因。其突變位點位于746的編碼區(qū),其中A→G發(fā)生變化,導致第249個氨基酸從谷氨酰胺變?yōu)榫彼?Q249R)。Q249R位于GS之間結構域(富含絲氨酸和甘氨酸的結構域)和BMPR-IB的L45環(huán),這是一個高度保守的BMPR-IB的細胞內(nèi)激酶信號區(qū),證明249R是FecB等位基因,即FecB基因實際上是BMPR-IB基因[14]。

FecB基因最明顯的生理效應是增加卵巢中的卵泡數(shù)和排卵數(shù),但純合子(BB)母羊和雜合子(B+)母羊的成熟卵泡和排出的卵泡直徑要比非攜帶者(++)母羊的卵泡直徑小。盡管FecB基因可以增加排卵數(shù),但其作用機制尚不完全清楚,研究發(fā)現(xiàn),FecB基因攜帶者和非攜帶者在表型上完全一致,發(fā)情周期長短一致[22]。FecB基因突變改變了BMPR-1B基因的功能,增加了對卵巢體細胞骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)配體反應的敏感性[24],從而進一步調(diào)節(jié)有腔卵泡BMP/Smad信號通路的激活狀態(tài),并降低卵母細胞和卵巢中BMP15基因的mRNA水平,其結果是影響卵泡顆粒細胞的分化和卵泡發(fā)育,促進排卵[25,26]。

1993年,Montgomery等[27]首先發(fā)現(xiàn)FecB基因與微衛(wèi)星標記OarAE101和OarHH55緊密連鎖,距離分別為13 cm和20 cm;OarAE101和OarHH55又與定位在人染色體HSA4q11～q12上的分泌型磷酸蛋白1基因(ecreted phosphoprotein 1,SPP1)的一個RFLP標記連鎖。該研究組采用連鎖分析法,對Booroola羊半同胞家系和17個全同胞家系進行了研究,發(fā)現(xiàn)血小板生長因子受體α基因(platelet-derived growth factor receptor-alpha gene,PDGFRA)與αS1酪蛋白基因(alpha s1-casein gene,CSN1S1)及微衛(wèi)星標記BM143和OarHH55連鎖,遺傳距離分別為12 cm、29 cm和33 cm。通過綿羊與倉鼠兩者的體細胞雜交,分別將PDGFRA、SPP1和表皮生長因子基因(epidermal growth factor gene,EGF),以及微衛(wèi)星標記OarAE101和BM143定位于6號染色體上,且CSN2被定位于羊6號染色體6q23～q31[28]。Lord等[29]在用微衛(wèi)星OarAE101和BM1329作標記來研究FecB基因時,發(fā)現(xiàn)FecB基因存在于OarAE101位點的97bp等位基因和BM1329位點的162bp等位基因上。因此,FecB基因被進一步定位于6號染色體的BM1329和OarAE101之間10 cm連鎖群中,但因為這些微衛(wèi)星標記的圖譜位置是未知的,故不能指定出FecB基因在染色體上的確切位置。Montgomory等[30]進一步研究發(fā)現(xiàn),FecB基因與EGF連鎖,距離為26 cm,而EGF定位在人染色體4q25上,這是邁向FecB突變位置克隆的重要一步[27,31]。BMPR-IB基因編碼一個轉移生長因子β亞基(TGF-β)受體家族成員,存在于許多細胞類型中,是調(diào)節(jié)生長和分化的多功能蛋白。這些家族成員在哺乳動物、兩棲動物和昆蟲的胚胎發(fā)育中扮演重要角色,與定位于卵母細胞上的生長因子和GDF9一起影響著繁殖性狀。BMPR-IB可以在卵巢中表達,原位雜交將BMPR-IB特異性定位于卵母細胞,其mRNA編碼的BMPⅡ型受體分布于整個卵巢[32]。Souza等[12]從人類基因組圖譜資源和羊基因連鎖及染色體定位數(shù)據(jù)庫中篩選出編碼BMPR-IB的基因作為FecB基因的候選基因。

2 FecB基因對綿羊產(chǎn)羔性狀的影響

FecB基因在對母羊產(chǎn)羔數(shù)的影響表現(xiàn)為部分顯性遺傳效應,只在雌性中表達。由于FecB基因明顯提高了母羊的排卵數(shù),因此產(chǎn)羔數(shù)量也隨之提高。有研究發(fā)現(xiàn),含有一個FecB基因B等位基因的母羊(B+)排卵數(shù)增多1.50～1.65個,產(chǎn)羔數(shù)增加0.9～1.2個;含有兩個FecB基因B等位基因的母羊(BB)排卵數(shù)增多2.7～3.0個,產(chǎn)羔數(shù)增加1.1～1.7個,含有FecB基因的母羊平均每胎產(chǎn)羔超過1只[33]。Zhou等[34]利用Taq Man探針法檢驗FecB突變,并統(tǒng)計分析了不同基因型群體的產(chǎn)羔率,發(fā)現(xiàn)FecB突變顯著影響綿羊的繁殖性能。郭立宏[35]對東北細毛羊的FecB多胎基因型進行檢測發(fā)現(xiàn),BB和B+兩種基因型的母羊產(chǎn)羔數(shù)分別為每胎2.00只和1.97只;++型母羊產(chǎn)羔數(shù)為每胎1.00只,說明FecB基因能夠控制東北細毛羊的多羔性狀。張也等[36]對湖羊×湖羊、白頭杜泊羊×湖羊、白頭杜泊羊×F1代(白頭杜泊羊×湖羊)雜交后代羊羔的FecB基因進行檢測發(fā)現(xiàn),隨著雜交代數(shù)增加,杜湖雜交后代的B等位基因頻率逐漸降低,產(chǎn)羔率也隨之降低,且與基因型相關。馬麗娜等[37]為進一步有效提高灘羊的產(chǎn)羔率,加快其高繁殖品系的建立,利用TaqMan探針對373只灘羊FecB基因進行SNP分型研究,得到三種不同基因型灘羊的平均產(chǎn)羔數(shù),分別為XX(87%)2.01只、XY(12%)2.44只和YY(1%)3.81只,以此說明FecB基因可作為灘羊多胎選育的分子標記。李君等[38]研究發(fā)現(xiàn),FecB基因在黃淮杜泊羊群體中存在BB、B+、++等3種基因型,其中B+型(雜合型)是群體中的優(yōu)勢基因型,BB和B+基因型產(chǎn)羔數(shù)極顯著高于++基因型。李丹等[39]研究發(fā)現(xiàn),灘湖雜交后代G0、G1、G2代中存在BB、B+、++3種基因型。隨著橫交固定體系的持續(xù)開展,B+基因型頻率依次升高,++基因型頻率依次降低,而BB基因型在理論上與B+型的規(guī)律應一致,保持協(xié)同增長趨勢,但G2代的BB型低于G1代次,其原因可能是此次試驗抽取的G2群體數(shù)量太少,樣本沒有代表性,從而影響了整體試驗結果,影響了BB基因型在G2代群體中的分布頻率。

陳曉勇等[40]的研究結果表明,FecB基因能夠促進排卵數(shù)的增長,增加產(chǎn)羔數(shù),但在一些品種中對雜交后代斷奶成活數(shù)會產(chǎn)生負面影響;FecB基因對受精和胚胎發(fā)育有影響,且FecB基因也會影響初生重和成活率。FecB基因除了具有能夠增加排卵數(shù)的作用之外,也是生殖生理研究中常用的模型。McNatty等[41]研究發(fā)現(xiàn),卵母細胞在控制排卵方面起著重要的作用。FecB基因產(chǎn)生的突變在羊的排卵過程中發(fā)生作用的主要原因,可能是FecB基因具有調(diào)節(jié)哺乳動物物種的繁殖性能的功能。關鳳等[42]研究發(fā)現(xiàn),FecB基因對出生后的早期身體發(fā)育具有積極作用。BB/B+羔羊的心臟周長和胸部寬度顯著大于++羔羊(P<0.05)。

3 FecB基因對綿羊產(chǎn)羔性狀的調(diào)控機制研究

綿羊產(chǎn)羔數(shù)是一個復雜的數(shù)量性狀,遺傳力為0.03～0.10,受遺傳、表觀修飾和激素等的調(diào)控[43]。目前已篩選到部分影響綿羊排卵數(shù)和產(chǎn)羔數(shù)的主效基因,對其突變位點、遺傳方式和作用機理研究得比較透徹,利用該突變基因提高綿羊群體繁殖性能已取得顯著的效果[44]。

綿羊卵泡的生長發(fā)育除了受生殖激素調(diào)控之外,轉化生長因子(transforming growthfactor-β,TGF-β)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMPs)以及生長分化因子等,通過自分泌和旁分泌在卵泡的形成和發(fā)育過程中也發(fā)揮著重要作用。BMPR三種基因型(BMPR-1A、BMPR-1B及BMPR-2)作為TGF-β超家族信號分子的受體,參與TGF-β/BMP和TGF-β/SMAD信號通路,調(diào)控哺乳動物的生殖發(fā)育[45,46]。

綿羊卵泡的生長發(fā)育受到中樞神經(jīng)與卵巢之間復雜內(nèi)分泌以及卵巢自身各種旁分泌的調(diào)節(jié),是以順序的方式進行的,并產(chǎn)生分層的卵泡生長模式,即每個生殖周期在不同階段的有腔卵泡存在差異,這種差異即便是超數(shù)排卵也無法改變[47-49]。這種卵泡生長選擇模式是雌性生殖功能的關鍵,若這一過程發(fā)生改變,將可能導致無卵泡或多個卵泡排出,出現(xiàn)不孕或多胎[50]。

FecB基因對卵巢的作用是提高卵巢對促卵泡素(follicle-stimulating hormone,FSH)和促黃體素(luteinizing hormone,LH)的敏感性,能夠參與并調(diào)控顆粒細胞(granular cells,GCs)的分化和卵泡的發(fā)育成熟,這是FecB基因引起母羊排卵率增加的關鍵。與野生型母羊相比,攜帶FecB基因的母羊,其大量竇狀卵泡會提前成熟,從而引起排卵數(shù)增加,而且其排出的卵母細胞直徑較小(BB型

2001年,有研究發(fā)現(xiàn),綿羊多胎主效基因FecB能夠提高湖羊產(chǎn)羔率的原因是其能夠提高羊的排卵數(shù)[54]。該基因編碼一個絲氨酸/蘇氨酸激酶,其功能為骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的受體。編碼的蛋白質(zhì)是I型受體,并在細胞膜上形成兩種II型和兩種I型受體的復合物。該復合物向下游發(fā)出信號以激活Smad轉錄調(diào)節(jié)因子。該信號在骨骼和骨骼發(fā)育中很重要。剪接的選擇性導致多個轉錄物變體。來自澳大利亞美利奴綿羊的Booroola品系的母羊的特點是排卵率高且產(chǎn)羔數(shù)高。分析原因,可能是由于FecB主要基因B等位基因的作用所致,該基因編碼轉化生長因子-β(TGF-beta)受體家族的成員,BMPR-IB中的(Q249R)編碼序列與Booroola母羊的多產(chǎn)表型完全相同。在體外,來自FecB(BB)母羊的卵巢顆粒細胞比來自FecB(++)母羊的顆粒細胞對GDF5和BMP4的類固醇生成的抑制作用大于自然BMPR-IB的配體的抑制作用。在FecB(BB)型母羊中,BMPR-IB會部分失活,導致顆粒細胞的高級分化和排卵卵泡的成熟[14]。

FecB作為BMPR-1B基因上一個單一的常染色體突變,會使TGF-β/BMP信號通路受到抑制,導致綿羊排卵次數(shù)增加[53]。BMP15和GDF9(growth diffrentiation factor 9,GDF9)均屬于TGF-β超家族的成員,在卵母細胞中表達,通過旁分泌對周圍體細胞包括顆粒細胞、卵丘細胞以及卵泡膜細胞產(chǎn)生影響[55-57]。BMP15和GDF9的突變體均能提高綿羊的繁殖性能,但是當發(fā)生純合突變時反而會導致母羊不孕不育[15,58]。BMP15和GDF9都通過與I型和Ⅱ型受體的絲氨酸/蘇氨酸激酶區(qū)域結合,組裝成異源四聚體的復合受體并發(fā)出信號,雖然具有相同的Ⅱ型受體,即BMPR-2,但兩者的Ⅰ型受體有差異,分別為ALK-6/BMPR-1B以及ALK-5/TGF-β RI或ACVR-1B/ALK-4[59-61]。BMP15對BMPR-1B有較高的親和力,因此,BMPR-1B能夠作為BMPR15的有效受體參與信號轉導過程,調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育[62]。

4 小結

綿羊繁殖力的提高能夠大幅提高養(yǎng)殖戶及養(yǎng)殖企業(yè)的經(jīng)濟效益,增加農(nóng)民收入,加快我國畜牧業(yè)發(fā)展。因此,將FecB基因導入繁殖力低的綿羊群體,是有效提高綿羊繁殖力的途徑之一。目前,對于多胎基因引起綿羊多胎性狀的機理還沒有一個完全清晰的認識,在FecB基因對綿羊后代生長發(fā)育產(chǎn)生影響的遺傳效應機制研究上也沒有一個統(tǒng)一的認知。關于多胎后代羔羊的體重和體型普遍小于單胎后代羔羊這一問題還需做進一步的深入研究,若是因為基因連鎖導致后代羔羊生長發(fā)育受到影響,是否能夠通過一些技術,例如基因編輯技術可以對相關基因進行修飾,來打破這一連鎖效應,消除不利影響。FecB突變已經(jīng)被確定與綿羊繁殖有著密切的關系,對FecB突變分子機制的解析將有助于人們探索提高排卵數(shù)的新途徑,提高更多畜種的繁殖性能。

綜上所述,FecB基因總體上會對綿羊繁殖性能產(chǎn)生良性影響,能夠增加綿羊的排卵數(shù)和產(chǎn)羔數(shù),有利于綿羊多胎品系的建立,擴大養(yǎng)殖規(guī)模,提高牧民的經(jīng)濟收入。

近年來,不斷有研究者對綿羊包括FecB基因在內(nèi)的多胎主效基因進行研究探索,但仍有部分生理機制在研究中未涉及,期望本文對進一步深入開展綿羊繁殖性能研究以及做好育種等相關工作有所幫助。