中国肉牛分子育种研究进展

1中国肉牛分子育种研究进展陈宏1,2*，张春雷2(1.西北农林科技大学动物科技学院，陕西省农业分子生物学重点实验室，杨凌712100；2.徐州师范大学细胞与分子生物学研究所，徐州221116)摘要：本文全面地概述了中国肉牛分子育种的研究进展——介绍了中国黄牛肉用选育的历史背景，开展分子育种的必要性，分子育种研究的内容与特点、成就与现状、问题和展望。重点汇总了DNA分子多态及其与生产性状关系研究的成就，包括肉牛生长发育、屠宰性状、肉品质性状、繁殖性状、抗病性方面候选功能基因的研究，功能基因的克隆与分析，生产性能的微卫星标记，比较基因组研究与分子进化等方面。指出了中国肉牛分子育种研究还存在不够系统、研究经费不足、样本量偏少和研究群体不够稳定等问题；据此提出了今后加快中国肉牛分子育种研究的思路、措施和应用前景。关键词：黄牛，分子育种；肉用性能；研究进展1中国黄牛肉用选育的背景由于社会经济的不断发展和人民生活水平的不断提高及市场的变化，使中国黄牛的选育方向经历了一系列历史性的变化，即“役用——以役用为主——役肉兼用——肉役兼用——肉用”的选育过程。20世纪70年代以前，中国牛业以役用为主，大部分研究主要是集中在牛的营养代谢试验、役用性能、生长发育、生理生化指标测定、冻精制作及种质特性等基础研究工作。20世纪70年代以后，中国黄牛作为农业的动力已退居次要地位，随着中国良种黄牛委员会的成立，一些品种成立了选育协作组，先后制定了选育方案、体型外貌鉴定方法、良种登记和畜群档案制度。在20世纪70年代中期，中国才提出“独立的肉牛业”，但是由于没有根据中国本地黄牛的特点，及时总结世界上肉牛品种利用的历史，先后引进了28个国外肉牛品种进行杂交改良，当前在中国肉牛生产中影响面最大的当数西门塔尔牛，其次为夏洛来和利木赞。从80年代以后逐渐有计划的起步黄牛的肉用选育。2中国肉牛分子育种的必要性作为世界牛品种资源宝库的重要组分，我国黄牛品种资源十分丰富，适应性强，肉质良好。然而，由于历史上以役用为主，我国黄牛作为规模化肉用生产的牛种，缺点也是明显的。这主要表现在后躯不发达，产肉少，育肥增重速度赶不上国外的专门化肉牛品种，加上没有经过系统的肉用性能选育，肉的品质规格往往差异较大，优质高档肉块产量少，造成发展肉牛生产的规模效益比不上专门化的国外肉牛品种。但另一方面，我国各黄牛品种内个体间存在极大的差异，一些个体的生长育肥性能较好[1]。在一些群体中，部分个体具有很好的肉用特征。如果通过品种内高强度的选择和培育，完全有可能在较短时间内培育成为中国特有的优良肉牛品种。据张英汉报道，我国地方黄牛，例如晋南牛、秦川牛中分别有20％～26％和5％～10％左右的个体具有不亚于国外专门化肉牛品种的肉用体型特点。因此，充分利用这部分牛群，应用现代生物技术迅速培育、发展具有我国本地黄牛优良的肉质特性，且生长速度快、屠宰率和净肉率较高的新型肉牛品种（系），建立现代的中国种（肉）牛业是发展我国肉牛业的重要战略目标，也是中国面对国外肉用种牛和牛肉产品挑战的唯一选择。肉用性状是典型的、具有重要经济价值的数量性状，受环境因素影响较大，用常规育种方法进行育种进展缓慢。20世纪80年代后期以来，国际上的动物遗传育种已经进入分子水平，即分子育种，使育种朝着快速改变动物基因型的方向发展。近几年来，由于分子生物学和各种分子生物技术的发展，使人们有可能直接从遗传物质本身的基础上揭示生物的性状特征，它与基因产物的研究相比克基金项目：国家高技术研究发展计划(863项目)(2006AA10Z197)；国家科技支撑计划(2006BAD01A10-5)；国家自然科学基金（30771544），河南省杰出人才创新基金(0521001900)；西北农林科技大学拔尖人才支持计划项目资助作者简介：陈宏（1955-），男，陕西西安人，博士，教授，博士生导师，主要从事动物遗传育种的教学和科研工作。E-mail：[e-mail]2服了年龄、性别、组织及各种内外环境因素的影响，而且所提供的遗传差异，即遗传标记的种类又非常多，因此，分子育种越来越受到人们的重视。进入20世纪90年代中期以后，在我国逐渐开展了黄牛肉用性能的分子遗传学研究。采用基因标记等现代分子育种新技术结合常规育种，以便能够加快中国肉牛品种的培育和和选育。然而从总体上来看，目前大部分黄牛品种的繁育盲目性还是太大，远没有建立起完整意义上的现代肉牛纯种繁育体系和杂交繁育体系，欲改变这种现状，将是今后10～20年内中国养牛学界所肩负艰巨历史使命之一。3分子育种研究的内容和特点动物分子育种（animalmolecularbreeding）是利用分子数量遗传学理论和技术来改良畜禽品种的一门新兴学科，是传统的动物育种理论和方法的新发展。从目前发展现状来看，它应包括两方面内容：基因组育种（genomicbreeding）和转基因育种（transgenicbreeding）。其中，基因组育种是在比较基因组研究和基因组分析的基础上，通过DNA标记技术来对畜禽数量性状座位进行直接选择，或通过标记辅助导入有利基因，通过标记辅助淘汰（markerassistedculling，MAC）清除不利基因等，以达到更有效地改良畜禽的目的。转基因育种则是通过基因转移技术将外源基因导入某种动物的基因组上，育成转基因畜禽新品种（系），从而达到改良重要生产性状（如生长率、遗传抗性等）或非常规性育种性状（如生产人类药用蛋白、工业用酶等）的目标。由于动物分子育种是直接在DNA水平上对性状的基因型或基因进行选择，因此其选种的准确性大大提高，克服了传统动物育种方法的缺陷。按照常规育种方法要提高家畜的生产性能，如瘦肉率、产奶量、增重速度、饲料利用率等，人们往往需要进行多代杂交，选优交配，最后培育出高产、优质的品种。然而，这种传统的方法存在着品种育成时间长、育成后再想引入新的遗传性状困难大等许多弊端，使带有新性状的品种可能同时也携带有害基因，杂交后有可能会降低原有性状。而分子育种能够克服传统杂交选择法的各种缺陷，具有高效、快速育种的特点，目前已显示出了越来越强大的生命力，必将成为动物遗传育种学科发展的方向和21世纪动物育种的主流。4中国黄牛分子育种研究进展中国黄牛（肉牛）分子育种的研究主要集中在肉用性状。自从中国黄牛开展了分子遗传学研究以来，研究的内容已涉及到功能基因的编码序列和非编码序列。研究的功能基因已超过40个，这些基因主要包括与中国黄牛生长发育性状、屠宰性状、肉品质性状、繁殖性状、抗病性状相关的基因，非编码基因包括微卫星DNA序列和mtDNA的D-Loop序列。研究的主要目的一是揭示生产性状的分子遗传标记，直接用于选种；二是揭示品种的分子群体遗传学特征，阐明品种间的差异和遗传关系，用于杂交效果的预测、遗传资源的评价、保护和开发利用。目前中国黄牛大部分品种或多或少都进行过分子遗传学方面的研究，但做的工作比较多的品种主要集中在中国几个优良黄牛品种上，包括秦川牛、南阳牛、鲁西牛、晋南牛、延边牛、郏县红牛和培育品种中国西门塔尔牛、草原红牛以及引进品种如利木赞、德国黄牛、红安格斯牛的杂交系。4.1功能基因多态与生产性状关联研究4.1.1生长发育相关基因的研究关于中国肉牛生长发育候选基因研究较多，涉及GH、GHRH、GHR、POU1F1、IGFBP-3、IGF-1、IGF-2、MEF2、TG、MC3R、MC4R、AGRP、NPY、POMC、CART、Ghrelin、Hcrtr1、Orexin、HTR1B、HTR2A、CLPG等21个功能基因。研究主要集中在秦川牛、南阳牛、鲁西牛、晋南牛和郏县红牛等重要地方黄牛品种上。秦川牛、鲁西牛、南阳牛和中国西门塔尔牛GH基因第5外显子位点突变等位基因B为体重、体高、体斜长、胸围的正效应等位基因[2]。南阳牛IGF2基因BB基因型初生重、体重、胸围显著大于AA型[3]。秦川牛生长激素受体基因的AB基因型效应在部分生长性状上高于其他基因型[4]。南阳牛、秦川牛及杂种牛秦安、秦德、秦利4个群体内POU1F1基因AB、BB基因型个体在胸围，十字3部高指标上显著高于群体AA型个体，即BB、ABAA，可作为秦川牛体尺指标(胸围、十字部高)候选基因之一[5~8]。晋南牛IGFBP-3基因AA型后腿宽显著高于AB型[2]。CLPG基因AC基因型的体重和体长显著大于AA、AB型。秦川牛AGRP基因群体中BB基因型个体体重、体高显著大于AA型个体。南阳牛POMC基因BB型6月龄体重和0～6月龄平均日增重显著大于AA型。南阳牛DGAT2基因基因型AB的6月龄体重比基因型AA高6.7%；6月龄体高比基因型AC高3.2%，基因型B12月龄的坐骨端宽比基因型AA高3.3%，基因型AB24月龄胸围比基因型A高3.1%[9]。MC4R基因与牛体重和初生重存在相关[10]。4.1.2屠宰性状相关基因关于屠宰性状相关基因研究相对较少，由于屠宰性状的样本资料获得相对较难，对屠宰性状遗传标记的研究受到一定的限制。现共涉及IGFBP-3、DGAT1、DGAT2、MSTN、Myf-5、Myf-6、MyoD、MyoG基因等8个以上的功能基因。IGFBP3基因与秦川牛、南阳牛屠宰率和净肉率存在相关[11，12]。鲁西牛DGAT1基因KK型腔油重／胴体重明显高于AA型，而且KK型个体有更高的净肉率[13]。鲁西牛DGAT2基因AA型个体的屠宰率显著高于AB和BB型。Myf5基因在南阳牛群体中，18月龄南阳牛AA型个体则极显著高于AB和BB型个体；在秦川牛群体中，AA型个体的体高和十字部高显著低于AB和BB型个体；郏县红牛AA型个体的坐骨端宽显著高于其它两种基因型个体。关于秦川牛、南阳牛、蒙古牛和西门塔尔牛MSTN基因序列特征和多态性均有报道[14~16]。王珊等[17]（2006）报道了牛MyoG基因的序列特征。4.1.3肉品质性状相关基因肉品质相关基因研究涉及Leptin、CAST、CAPN1、CAPN4、UCP3、H-FABP基因等6个功能基因。牛CAST基因中的B等位基因，尤其是BB纯合基因型对牛肉嫩度具有显著影响，并且在利木赞品种内达到极显著[18]。CAPNI基因A3717G位点上，AG基因型和GG基因型的嫩度值好于AA基因型的嫩度值；在A3854G位点上，GG基因型的嫩度值好于AA基因型的嫩度值[19]。李武峰[20]（2002）和李君灵[21]（2006）利用PCR-RFLP技术研究牛小亚基钙蛋白酶(CAPN4)基因第5内含子的遗传变异，共发现了5个SNP，但对肉质无影响。H-FABP基因中h等位基因，尤其是hh纯合基因型对牛肉WBS值有较大的影响[22]；；鲁西黄牛BB纯合基因型对牛肉嫩度剪切力值有较大的影响[23]。IGFBP3基因AA型个体的眼肌面积大于BB型个体(P0.05)，AB型和BB型个体胴体脂肪含量高于AA型个体[12]。牛DGAT1基因KK型和KA个体外脊肌肉剪切力低于AA型个体[13]。4.1.4繁殖性状相关基因关于繁殖相关基因研究很少。在中国黄牛繁殖性状的研究中，目前主要是针对牛的双胎性展了一些研究，涉及的品种有秦川牛、中国荷斯坦牛、鲁西牛、晋南牛、南阳牛、延边牛等。FSHR基因第一外显子TaqI酶切位点出现多态，并与牛的繁殖性状存在相关[24~26]。鲁西牛GDF9基因的3’UTR发现缺失突变，发现该多态位点与单、双胎性状之间基因型分布存在显著差异，双胎牛群体B等位基因频率显著大于单胎牛[27]。在国外关于精液中的一些蛋白质研究已有相关报道，并发现一些蛋白与受精过程密切相关，从而选择公牛，提高公牛的繁殖率。4.1.5抗病性相关基因关于抗病相关基因的研究主要集中在MHC基因家族，另外还有自然抗性相关巨噬细胞蛋白1基因(nramp1)、白细胞介素IL-8受体基因（cxcr1）、TOLL样受体4基因（tlr4）、乳铁蛋白基因（lf）和一些易感染病菌过程中的受体蛋白基因及一些突变的正常基因。在中国黄牛上相关的研究不是太多。MHC基因家族在中国黄牛中具有丰富