公猪精液性状的遗传机制解析及设计育种方法研究

文丨张哲 林清

种业振兴行动是实现我国种业自主创新、种源自主可控的重要行动。畜禽种业是国家战略性、基础性核心产业，对畜禽养殖产业的发展至关重要。近年来，我国生猪育种工作成效显著，但种猪生产性能总体水平还有提升空间。种公猪在生猪繁育体系的遗传贡献中占有重要位置，其生长及繁殖性能的优劣直接决定整个生猪繁育体系的生产效率，特别是以种公猪站为纽带的新型生猪繁育体系的发展与建立，进一步凸显了种公猪在遗传繁育体系中的重要作用。因此，积极开展公猪精液性状的遗传机制解析及设计育种方法研究，成为突破公猪精液性状选育瓶颈、提高优良公猪利用率的重要途径。

一、研究背景及意义

随着人工授精技术在生猪生产领域的推广与应用，精液质量成为影响人工授精效率和母猪妊娠率及总产仔数的重要因素，精液质量低会导致母猪妊娠率降低和总产仔数下降，严重影响生猪养殖效率。因此，研究并运用相关技术手段提高公猪精液质量，可进一步提升优良公猪利用率，加快遗传进展，同时减少公猪饲养成本，节省土地，保护环境资源。

公猪精液性状为微效多基因性状和多次度量的纵向性状，遗传结构复杂，表型收集时间长，难度大，遗传机制解析困难。近年来，猪多组学数据及育种群体大规模表型不断累积，为精准解析公猪精液性状提供了契机。但公猪精液性状属于中低遗传力和限性性状，遗传结构复杂，对选择的准确性和选择时限有较高要求。因缺乏对公猪精液性状的遗传结构解析以及关键基因挖掘和选种方法研究，传统育种无法将公猪精液性状有效地纳入种猪选种指数。

多组学的发展日渐成熟，为复杂性状遗传解析提供了新的契机。众多大型生物信息学和功能基因组合作项目，如人类基因型-组织表达（Genotype-Tissue Expression，GTEx）、表观遗传组路线图项目（Roadmap Epigenomics Project）等，为复杂性状的遗传解析提供了大量注释信息，进一步推动了复杂性状遗传解析。其中，通过利用转录组分子表型调控变异富集分析发现，主要的分子表型调控变异更多的富集在相关组织上。

近年来，随着畜禽多组学数据的累积，通过整合多组学数据开展基因组功能注释成为可能。其中，动物基因组功能注释（Functional Annotation of ANimal Genomes，FAANG）、畜禽基因型-组织表达（Farm Animal Genotype-Tissue Expression，FarmGTEx）等项目的开展，为畜禽复杂性状的遗传解析提供了机遇。在猪的遗传解析上，通过利用结合位点分析法（Chromatin Immunoprecipitation sequencing，ChIP-seq）获得功能基因组信息，包括转录起始位点、启动子、增强子等位置信息，能够有效注释猪基因组信息。而通过对猪基因表达进行分子表型调控变异定位，找到影响猪基因表达的分子表型调控变异（Pig Genotype-Tissue Expression，PigGTEx），为复杂性状的遗传调控机制解析提供了重要的参考信息。另一方面，整合多组学数据解析复杂性状遗传机制方法研究上也逐渐增多，为整合其他组学数据进行复杂遗传解析提供了契机。其中，通过将转录组中的基因表达量数据与复杂性状进行全转录组关联分析，能够鉴定影响复杂性状的候选基因。通过组学数据与全基因组关联分析（Genome-wide association study，GWAS）进行孟德尔随机化分析，能够探究基因表达与复杂性状形成之间的因果关系。通过整合多组学数据，对复杂性状的因果基因进行优先级排序，能够有效发现复杂性状主要的调控基因。这些方法为整合多组学数据解析复杂性状，提供了重要的思路。因此，整合多组学、多来源数据，深入挖掘公猪精液性状的遗传基础，进而通过动物设计育种手段实现早期精准选育，是突破公猪精液性状选育瓶颈的重要途径。

二、研究进展、关键技术创新及成效

由华南农业大学动物科学学院张哲教授、山东农业大学宁超副教授、华南农业大学动物科学学院袁晓龙副教授为核心的“公猪精液性状的遗传机制解析及设计育种方法研究”项目课题组，主要以“精准解析公猪精液性状遗传机制，开发设计育种方法”为研究目标，开展公猪精液性状多组学数据库构建及多维参数估计、公猪精液性状的主效和调控变异位点鉴定、公猪精液性状复杂互作机制研究、公猪精液性状设计育种平台研发四方面内容的研究，拟通过整合转录组等多组学数据，对公猪精液性状的分子遗传调控机制进行解析，对复杂性状的分子遗传互作机制进行解析，了解其背后的分子机制。

（一）研究进展

首先，通过收集多个公共数据库猪的9530个转录组测序数据和1602个全基因组重测序数据，构建猪基因组填充参考群体，并绘制了包括公猪繁殖相关组织，如睾丸、下丘脑等共计34个组织的转录组图谱。其次，通过对34个组织的填充基因型数据和5个类型的转录组分子表型（包括蛋白质编码基因表达量、可变剪切等）进行关联分析，鉴定了大量影响转录组分子表型的调控变异。再次，通过研究基因型与品种/细胞类型之间的相互作用，评估了调控效应的组织特异性，并利用多组学数据阐明了其分子作用机制。最后，通过对分子表型调控变异和公猪精液性状等207个猪复杂性状进行整合分析，结果发现分子表型调控变异解释了约80%的遗传变异的调控机制，并通过人类与猪的全转录组关联分析结果，证明了猪与人类在基因表达和复杂表型潜在的遗传调控的相似性。

该研究构建了大规模公猪睾丸、下丘脑、垂体等多个组织的转录组图谱，能够为生猪的重要经济性状的分子遗传机制解析提供良好的数据库支持；整合转录组数据与猪重要经济性状表型数据开展整合分析方法开发，能够为动物重要经济性状的遗传解析提供重要工具；大量的转录组分子表型调控变异，能够为猪重要经济性状的选育（如基因组选择等技术）提供丰富的数据资源。当前的研究工作，为公猪繁殖相关组织的调控变异鉴定、公猪精液性状的遗传机制解析以及分子模块的构建奠定了良好研究基础，对项目的推动具有里程碑式的意义。

作为本项目的研究成果之一，以项目负责单位华南农业大学为第一完成单位、项目负责人张哲教授为共同通讯作者的Acompendiumofgeneticregulatoryeffectsacrosspigtissues（猪多组织遗传调控效应图谱）研究论文，已被NatureGenetics（自然·遗传）预接收，近期将正式发表。

（二）研究的主要创新点

一是基于大规模全基因组关联分析荟萃分析（Genome-wideassociation study meta-analysis，meta-GWAS）和猪基因型-组织表达（Pig Genotype-Tissue Expression，PigGTEx）开展多组学联合分析，全面挖掘和鉴定影响精液性状的遗传变异。传统全基因组关联分析虽然可以鉴定到影响复杂性状的候选区域或基因，但是难以有效挖掘因果突变或关键基因，而且无法解释遗传变异对复杂表型的作用机制。该项目以大规模全基因组关联分析荟萃分析为基础，发现影响公猪精液性状的遗传变异，然后结合PigGTEx中猪多组织的转录组数据，开展联合分析，进而解释从遗传变异到表型变异的潜在作用机制，有效挖掘并精准解析影响公猪精液性状的因果突变和关键基因。

二是针对纵向数据开发互作检测新方法，精准解析公猪精液性状互作机制。当前，畜禽纵向性状遗传解析分析方法创新不足，公猪精液性状的关键遗传位点尚不明确，制约了猪精液性状的设计育种。项目拟通过开发整合多组学数据的高效统计检验及互作检测方法，尤其在纵向数据的加性和非加性互作效应的全基因组关联分析（Genome-wide association study，GWAS）、全转录组关联分析（transcriptome-wide association study，TWAS）方面开展创新方法研究，实现对公猪精液性状遗传及互作机制的精准解析，助力设计育种应用。

三是整合多组学、多层次、多维度数据，开发公猪精液性状设计育种方法。通过整合多组学、多层次、多维度数据，解析公猪精液性状的遗传构成，设计分子育种模块，开发设计育种方法，建立公猪精液性状等级评价模式，提高公猪精液性状分子选育效率。

（三）研究成效

畜禽种业是建设现代农业的标志性、先导性工程，是国家战略性和基础性核心产业，畜禽良种对畜牧业的贡献高达40%以上。国家多重政策鼓励以分子设计育种等为重点，打造具有国际先进水平的基础性、前沿性研究和商业化育种体系。项目聚焦国家种业重大战略“打赢种业翻身仗”，改变传统分子育种的思路限制，通过提出新的多组学统计分析方法，挖掘和解析公猪精液性状的遗传机制，建立分子设计育种平台，创新分子设计育种的基础理论和方法，提高猪精准分子设计育种的能力，将成果应用于猪新品种培育，加快猪品种改良，提升猪种业核心竞争力。更重要的是，项目提供的多组学大数据遗传挖掘和分子设计育种的新框架和新实践经验，将为其他重要畜牧物种的复杂性状遗传解析和分子设计育种提供重要借鉴和参考，有助于提升畜禽种业核心竞争力，提高畜牧业的综合效益。

三、研究进度安排及主要研究任务

“公猪精液性状的遗传机制解析及设计育种方法研究”项目于2023年5月正式启动，为确保项目稳步推进，课题组制订了详细的年度研究计划，确定了年度主要研究任务。2023年主要实现公猪精液性状表型数据采集、繁殖相关组织样品采集公猪。2024年开展数据经济学遗传参数估计；对部分组织样品进行转录组测序。2025年对公猪基因组遗传结构进行分析；非加性全基因组关联分析方法开发。2026年挖掘精液性状遗传变异；鉴定影响分子表型的调控变异并进行整合分析。2027年构建公猪精液性状分子模块；设计育种平台开发与完善，撰写结题报告。

四、结语

公猪精液性状遗传调控机制的精准解析，可进一步加快公猪精液性状的选育，对以公猪站为纽带的新型繁育体系的构建具有重要的支撑意义。然而，当前公猪精液性状数据分散、采集难度大，并且缺乏整合多组学精准解析复杂性状的资源。如何有效利用多群体小规模的精液性状数据，整合多组学数据对精液性状开展精准解析，是该领域面临的最大挑战。项目组通过开展大规模的国内外合作构建了猪大规模多组织转录组图谱，鉴定影响转录组分子表型的调控变异，为有效推动猪重要经济性状的遗传解析提供了重要资源，也为本项目公猪精液性状的精准解析奠定了重要基础。项目组将在此基础上继续围绕公猪精液性状的遗传机制解析及其分子育种应用开展深入研究，为破解产业难题贡献力量。