影响奶牛犊围产期和早期存活率的基因组区域

《Journal of Dairy Science》：Genomic regions affecting perinatal and early life survival in dairy calves

　　本研究通过全基因组关联分析（GWAS）和同源基因群（ROH）分析，探讨了荷斯坦和Jersey犊牛存活率（stillbirth, SB；preweaning mortality, PWM）的遗传机制。发现SB和PWM具有多基因遗传特征，共检测到198个显著SNP位点分布在多个染色体（如BTA4、7、19、22），并识别出243个与SB/PWM相关的有害单倍型。其中，BTA2、11、17的ROH区域与SNP位点共定位，涉及MSTN、FHIT、THSD7A等基因，提示近交衰退可能影响犊牛健康。研究为精准选育提供了候选基因和单倍型信息。

　　本研究聚焦于提高奶牛幼崽的存活率，旨在揭示影响幼崽出生死亡（Stillbirth, SB）和哺乳期死亡（Preweaning Mortality, PWM）的基因区域，以及这些性状与近亲繁殖相关的基因组特征。这些性状不仅对奶牛群的生产性能有重要影响，还直接关系到农场的经济效益和动物福利。通过整合来自约50个农场的数据，研究团队获得了包含存活和死亡幼崽的完整基因型与表型数据集，从而能够更全面地分析这些性状的遗传基础。这种数据集的使用，使得识别可能导致早期死亡的特定基因变异成为可能，同时也为研究人员提供了重要的信息，以更有效地进行基因选择和遗传改良。

在研究过程中，首先通过全基因组关联分析（Genome-Wide Association Study, GWAS）对11,525头荷斯坦奶牛和1,272头娟姗奶牛的基因型与调整后的表型进行分析。这些表型数据经过调整，考虑了群体、季节、性别、胎次和分娩难度等因素。结果显示，SB和PWM均为多基因性状，共有198个显著变异位点被检测到，分布在多个独立的基因组区域。这些变异位点的最大效应在荷斯坦和娟姗奶牛中分别达到了14%和20%的SB率增加，以及4%的PWM率增加。这些结果表明，虽然SB和PWM的遗传率较低，但它们仍然存在足够的遗传变异，可以用于育种计划的优化。

此外，研究还利用Haplofinder软件扫描了基因组中的不利等位基因（Unfavorable Haplotypes），识别出243个约2 Mbp长度的等位基因片段，这些片段在纯合状态下与SB和PWM的发生率增加相关。其中，4个等位基因片段还包含与GWAS显著变异位点重叠的基因，包括与肌肉生长相关的myostatin基因（MSTN）、与细胞骨架组织相关的BIN1基因，以及与胚胎发育相关的FER1L5基因。这些发现不仅有助于理解这些性状的遗传机制，还为未来的育种策略提供了重要的基因组信息。

研究团队进一步分析了这些基因组区域中与SB和PWM相关的基因，包括MKS1、MYH3、FHIT和THSD7A等。MKS1基因与婴儿的致死性畸形有关，MYH3基因则影响生长、胴体性状和胚胎发育，FHIT基因在能量传递、信号传导和应激反应中起重要作用，而THSD7A基因则与细胞骨架组织相关。这些基因的识别为理解奶牛幼崽早期生存的遗传控制提供了新的视角，同时也为育种计划中如何避免不利基因型的传播提供了理论依据。

值得注意的是，研究中发现的基因组区域中，一些基因与之前报道的与幼崽死亡相关的数量性状位点（Quantitative Trait Loci, QTL）重叠。例如，在荷斯坦奶牛中，BTA4、BTA7、BTA19和BTA22区域均与SB相关。其中，BTA4区域检测到最多的显著变异位点（n = 55），这些位点位于THSD7A和TSPAN12基因中，且其效应大小均在?14%左右。BTA19区域的变异位点虽然位于基因间区域，但它们与MKS1和LPO-201基因相邻，这些基因可能在幼崽存活中发挥关键作用。这些发现不仅有助于进一步明确这些性状的遗传基础，还为未来的育种计划提供了潜在的基因选择目标。

在对PWM的分析中，研究发现仅荷斯坦奶牛的数据足够进行分析，而娟姗奶牛由于样本量较小，PWM性状的效应不显著。检测到的26个显著变异位点主要分布在BTA15和BTA18区域，其中BTA15的变异位点位于CDH13基因中，BTA18的变异位点则位于基因内区域。这些变异位点的效应大小较小，可能与PWM的较低发生率有关。此外，研究还发现了一些与PWM相关的不利等位基因，其中部分与SB相关的变异位点重叠，这表明某些基因可能同时影响多种幼崽健康性状。

在分析不利等位基因时，研究团队使用了Haplofinder软件，该软件通过滑动窗口扫描基因组，识别出与性状效应显著相关的等位基因片段。结果显示，荷斯坦和娟姗奶牛中均检测到多个显著的不利等位基因，其中荷斯坦的SB相关等位基因片段在BTA2、BTA11和BTA17区域，而PWM相关的等位基因片段则集中在BTA15和BTA18区域。这些等位基因片段的长度从1 Mbp到3 Mbp不等，且包含多个基因，这使得识别具体的致病基因变得复杂。因此，研究团队建议未来需要更多的数据和更详细的疾病信息，以提高分析的统计效力，区分等位基因的伪影与真正有影响的基因型。

此外，研究还探讨了近亲繁殖对这些性状的影响。通过计算基因组中连续的纯合区域（Runs of Homozygosity, ROH），研究团队发现荷斯坦和娟姗奶牛的近亲繁殖系数存在显著差异。荷斯坦奶牛的平均近亲繁殖系数为0.141 ± 0.054，而娟姗奶牛为0.224 ± 0.046，表明娟姗奶牛的近亲繁殖更为严重。然而，尽管整体近亲繁殖水平较高，但研究并未发现近亲繁殖与SB之间存在显著关联。这可能与研究样本中近亲繁殖的遗传多样性不足有关，同时也表明在某些情况下，近亲繁殖对性状的影响可能并不显著。因此，研究建议未来可以关注更近期的近亲繁殖情况，例如通过分析更长的ROH区域，以更准确地评估其对性状的影响。

在讨论部分，研究团队指出，尽管当前的研究未能发现近亲繁殖与SB之间的显著关联，但一些重要的基因组区域可能仍然与这些性状相关。例如，BTA2区域的不利等位基因与MSTN基因重叠，而MSTN基因在牛中通常与生长特性相关，但其变异位点已被关联到幼崽死亡和难产。此外，BTA11区域的不利等位基因与FER1L5基因相关，该基因在牛的子宫内膜中表达较高，可能对胚胎发育和胎儿健康起关键作用。这些发现为未来的育种计划提供了重要的参考，特别是在如何避免不利基因型的传播方面。

研究团队还提到，由于基因组数据的可用性提高，研究人员能够更有效地识别与幼崽健康相关的基因组区域。例如，通过使用高密度基因组数据，研究团队发现了一些可能影响幼崽存活的基因，如MKS1、MYH3、FHIT和THSD7A。这些基因的变异可能与幼崽的生理功能、发育过程以及对环境的适应能力有关。因此，未来的研究可以进一步探讨这些基因的具体作用机制，以及它们在不同品种奶牛中的表达差异。

此外，研究团队指出，虽然当前的研究已经取得了一定的成果，但仍然存在一些局限性。例如，由于样本量的限制，研究未能检测到某些可能与幼崽健康相关的基因变异。因此，未来的研究需要更大的数据集和更详细的表型信息，以提高分析的准确性和可靠性。同时，由于当前的基因组数据主要基于短读序列，某些结构变异（如长片段的插入或缺失）未能被充分检测到，这可能影响研究结果的完整性。因此，研究团队建议未来可以采用长读序列技术，以更全面地分析这些变异，并提高对基因组结构变异的理解。

综上所述，本研究通过整合基因组数据和表型信息，揭示了影响奶牛幼崽存活的多个基因组区域，并识别出一些可能与这些性状相关的基因和不利等位基因。这些发现不仅有助于理解幼崽存活的遗传基础，还为未来的育种计划提供了重要的参考。通过减少不利等位基因的传播，研究人员可以提高奶牛群的生产性能和动物福利，同时降低因遗传缺陷导致的经济损失。未来的研究需要更多的数据和更详细的表型信息，以进一步明确这些基因的具体作用机制，并推动奶牛育种技术的持续改进。