構建全球多品種最精準千豬單倍型庫并應用其解析復雜性狀因果基因

顯著提升基因組育種效率

2023年8月23日，江西農業大學豬遺傳改良與種質創新全國重點實驗室黃路生院士團隊在Nature Communications在線發表題為“Accurate haplotype construction and detection of selection signatures enabled by high quality pig genome sequences (doi: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40434-3)”研究成果。該研究對全球43個豬種共計1096個高深度重測序樣本，結合系譜信息、有效單倍型讀長（Phase informative Reads）以及連鎖不平衡信息，構建了覆蓋全球多品種、大樣本、最準確的千豬單倍型數據庫，并應用該單倍型數據庫在豬復雜性狀因果機制解析，基因組選育以及進化選擇方面進行了創新探索。中國科學院院士、中國畜牧獸醫學會理事長、江西農業大學豬遺傳改良與種質創新全國重點實驗室主任黃路生，江西農業大學張志燕研究員為共同通訊作者，江西農業大學童信凱博士（現為江西師范大學教師）為第一作者。

研究背景：豬不僅是人類重要的肉類來源，還是理想的人類醫學模型和具有廣闊前景的異種移植器官供體。解析豬重要性狀的遺傳機理及長期選育過程的進化機制不僅為培育生長快、健康味美的優質種豬提供堅實保障，也為人類疾病模型創建及治療提供科學依據。然而，精細解析復雜性狀的遺傳機理亟須多品種、大樣本的豬全基因組序列。構建大樣本、多品種、高準確度的豬全基因組單倍型數據庫不僅能有效助力豬復雜性狀遺傳解析，還能極大提升豬育種的遺傳進展，理解豬的進化歷程及其在自然和人工選擇過程中的選擇印記。

主要創新：（1）構建了高質量豬參考單倍型資源庫。黃路生院士團隊利用遍布全球的43個豬種共計1096個樣本為研究材料，對包括亞洲野豬、中國東南家豬、中國西北家豬、歐亞雜交豬、歐洲雜交豬、歐洲家豬、歐洲野豬內的多個品種和3個具有系譜信息的資源家系群體，進行高深度基因組重測序，共挖掘了41，964，356個變異位點并對其進行基因分型，經中芯1號芯片基因型和家系信息共同驗證其準確性，發現基因型準確度高達98.6%。隨后，作者結合有效單倍型讀長、系譜結構和連鎖不平衡信息，構建了一個涵蓋豐富遺傳變異、多品種、大樣本、定相準確的高質量豬參考單倍型庫。該單倍型庫不僅在復雜性狀遺傳解析、基因組選育中具有重要作用，還在進化選擇分析中同時鑒別到了受平衡選擇和正向選擇的候選基因。

（2）鑒定了影響肌內脂肪含量的潛因果基因并顯著提升肌內脂肪含量的育種值準確性。為了評估單倍型庫在復雜性狀遺傳解析上的應用，作者下載了與本研究群體無關的已發表的豬低密度芯片基因型和肌內脂肪含量表型數據，通過單倍型庫填充策略將遺傳變異數量從50k填充至千萬級別。利用填充后的基因型與肌內脂肪含量表型重新進行關聯分析，新鑒定了與肌內脂肪極顯著關聯5位點（6.4 ? 10^-9≤P≤ 7.6 ? 10^-20），其中兩個候選基因與脂肪生成高度相關,是重要的肌內脂肪含量的候選基因。此外，該研究還利用填充后的基因型以及GWAS的效應位點對個體的育種值進行了育種值評估。與簡單的芯片估計相比，納入單倍型后育種值估計的準確性提升了36.7%，極顯著地提升了肌內脂肪含量的遺傳進展。

（3）挖掘了平衡選擇和正選擇的候選基因并闡明了其受選擇區域影響的表型及潛在機理。多品種、大樣本、高質量的豬參考單倍型庫還是進化選擇分析的重要參考。本項目在中國東南家豬、中國西北家豬、雜交豬和歐洲家豬的平衡選擇分析中發現一個平衡選擇基因MUC13，該基因在所有豬種中只存在兩種單倍型。為了進一步解析該基因平衡選擇的表型，項目利用前期構建的F2資源群體對300多項與生殖、肉質、血液、細胞、生長和免疫性狀相關的表型進行掃描，結果發現MUC13的單倍型1個體表現為仔豬腹瀉表型，而生長相關性狀則顯著增長，單倍型2個體表現為抗仔豬腹瀉表型，但生長相關性狀較單倍型1個體緩慢。該結果揭示了MUC13基因受平衡選擇的潛在機理，提示廣大動物育種工作者在育種過程中應科學選配受平衡選擇的基因的個體。另一方面，由于研究中所涉及的豬種在體型上差異巨大，為了探究體型差異背后的遺傳因素，作者針對豬體型大小進行了正向選擇分析。結果鑒定到36個影響豬體型大小的候選基因，其中的6個已證實與畜禽體型大小相關。除此之外，作者還鑒定到一個影響體型大小的新候選基因NPR3，該基因不僅與人類身高和骨骼框架大小有關，還會導致小鼠骨骼的過度生長，是一個強候選基因，可為豬遺傳育種提供重要借鑒。

研究意義：本成果構建全球多品種最精準千豬單倍型庫，應用精準的單倍型庫及提供的全球豬種基因組上豐富的變異資源,通過典型案例，研究者闡明了其在豬復雜性狀遺傳解析、育種效率提升、進化選擇分析上的重要應用，研究成果對提升生豬種業基因組選擇育種，定向創制具有重要市場競爭力的新品種或配套系具有重要價值。

報道：科技處 編發：宣傳部