瑞典兰德雷斯山羊的近亲繁殖与种群结构：酪蛋白基因区域选择作用的体现

《Small Ruminant Research》：Inbreeding and population structure in the Swedish Landrace goat and a signature of selection in the region of the casein genes

瑞典兰德雷山羊遗传多样性及近交水平研究基于48份样本的SNP芯片分析，发现种群存在与地理分布不完全相关的结构，第6染色体乳蛋白基因区域存在选择标记，近交水平与欧洲其他非岛屿山羊相当，建议采用最优贡献选择控制近交风险。

　　本研究聚焦于瑞典陆封山羊（Swedish Landrace Goat）这一在瑞典广泛饲养的奶山羊品种，旨在通过基因组分析揭示其种群结构和近亲繁殖水平。尽管瑞典陆封山羊在奶制品生产中扮演着重要角色，但关于其遗传多样性和种群结构的研究仍显不足。因此，本研究选取了来自八个农场的48个样本，利用中密度的山羊SNP芯片（Goat SNP50 Bead Chip）进行基因型分析，结合主成分分析（PCA）和混合分析（admixture analysis）等方法，全面评估该品种的遗传结构和近亲繁殖状况。研究结果表明，种群结构不仅仅由农场的地理位置决定，还可能受到其他因素的影响，如遗传选择、群体隔离等。此外，研究还发现，在染色体6上存在一个与酪蛋白基因相关的长段纯合区域（ROH），这一发现提示了对奶产量的遗传选择可能对该品种的基因组产生了显著影响。

### 研究背景与意义

瑞典陆封山羊是瑞典最普遍的奶山羊品种，以其高产奶量而著称，平均年产奶量可达700公斤，但也有部分个体年产奶量高达2000公斤。然而，该品种的遗传研究相对较少，尤其是关于其种群结构和近亲繁殖水平的系统性分析。目前，瑞典陆封山羊的遗传信息主要集中在奶产量、奶质和奶成分等生产性状上，而对其遗传多样性的深入探讨尚显不足。此外，瑞典陆封山羊的基因库并未得到充分保护，种群面临近亲繁殖的风险，尤其在某些农场中，由于遗传选择的实施，可能导致种群遗传多样性下降。

研究还指出，瑞典陆封山羊的遗传多样性与欧洲其他非岛屿山羊品种相比处于相似水平，但某些农场的近亲繁殖程度较高，表明种群内部可能存在一定的遗传瓶颈。这种瓶颈可能源于缺乏有效的遗传管理措施，例如缺乏专门用于山羊的遗传数据库和软件，导致数据收集和分析存在困难。因此，建立一个全面的遗传数据库对于保护该品种的遗传资源具有重要意义。

### 研究方法与数据处理

为了评估种群结构和近亲繁殖水平，研究团队采用了多种遗传分析方法。首先，使用中密度SNP芯片对48个个体进行基因型分析，芯片包含29条常染色体，平均每60千碱基对（kb）一个标记。随后，通过质量控制步骤过滤掉低质量的SNP数据，包括缺失率过高、等位基因频率过低、不符合哈迪-温伯格平衡（Hardy-Weinberg equilibrium）的SNP。此外，研究还采用不同的质量控制参数，以确保数据的准确性和可靠性。对于不同分析目的，研究团队对数据进行了不同的处理方式，例如在计算近亲系数（F_ROH）时，采用了更宽松的过滤标准，以保留更多可能的遗传信息。

在分析种群结构时，研究团队使用了主成分分析（PCA）和混合分析（admixture analysis）。PCA用于揭示个体之间的遗传相似性，而混合分析则帮助识别个体的祖先来源。研究发现，PCA和混合分析的结果表明，尽管某些农场的地理位置相近，但它们之间的遗传差异并不完全由地理因素决定。这可能暗示了不同农场之间存在一定程度的遗传隔离，或者在遗传选择过程中形成了不同的遗传结构。

### 种群结构分析

主成分分析（PCA）的结果显示，48个个体在前两个主成分中解释了约15%的变异。在PCA图中，某些农场的个体显示出明显的聚集趋势，而其他农场的个体则分布较为分散。例如，Herd 1、Herd 2和Herd 7的个体在PCA图中表现出较高的分化，而Herd 4、Herd 5、Herd 6和Herd 8的个体则较为接近。这一现象表明，种群结构不仅仅由地理位置决定，还可能受到遗传选择、群体交流等因素的影响。

混合分析（admixture analysis）进一步揭示了个体之间的遗传相似性。研究发现，当假定祖先种群数量为4时，Herd 2的个体显示出较高的分化，而Herd 3和Herd 8的个体则共享较多的祖先成分。这一结果提示了Herd 3和Herd 8可能具有相似的遗传背景，而Herd 2则可能是一个独立的遗传群体。此外，研究还发现，某些个体在混合分析中被分配到不同的祖先群体，这表明种群内部可能存在遗传异质性，即不同个体可能具有不同的祖先来源。

### 近亲繁殖水平分析

为了评估近亲繁殖水平，研究团队采用了三种不同的指标：观察异质性（observed heterozygosity）、长段纯合度（F_ROH）和近亲系数（approximated coancestry）。观察异质性结果显示，瑞典陆封山羊的异质性范围在0.33至0.41之间，与欧洲其他非岛屿山羊品种的异质性水平相当。这表明该品种的遗传多样性处于正常范围内，但某些农场的个体可能具有更高的近亲繁殖风险。

长段纯合度（F_ROH）的分析结果显示，Herd 3的个体具有最高的F_ROH值，表明该群体的近亲繁殖程度较高。这一结果与观察异质性数据相吻合，即Herd 3的异质性较低，暗示了其种群内部可能存在较高的遗传相似性。此外，研究还发现，不同农场之间的近亲系数存在差异，表明个体之间的遗传关系可能受到群体内部的遗传选择和外部基因流动的影响。

### 染色体6上的长段纯合区域

研究中特别关注了染色体6上的长段纯合区域（ROH），发现该区域在41个个体中存在，占样本总数的86%。这一发现表明，该区域可能经历了强烈的遗传选择，特别是在酪蛋白基因（如CSN1S1、CSN1S2、CSN2和CSN3）的附近。这些基因在奶制品中起着重要作用，负责超过80%的蛋白质含量。因此，这一区域的长段纯合可能与奶产量的提高有关。

此外，研究还发现，该区域的长段纯合与酪蛋白基因中一个特定的缺失突变（位于CSN1S1基因的外显子12）密切相关。该缺失突变在瑞典和挪威的山羊中普遍存在，且在某些个体中与长段纯合区域同时出现。这提示了该突变可能已经嵌入到特定的遗传背景中，并可能通过选择压力而被保留下来。然而，由于该SNP芯片无法区分携带该突变的个体，因此需要进一步采用Sanger测序等更精确的方法来识别携带有利等位基因（A等位基因）的个体。

### 基因流动与遗传管理

研究还指出，基因流动可能对种群结构和近亲繁殖水平产生重要影响。例如，某些农场可能由于疾病控制（如山羊关节脑炎，CAE）而限制了基因交流，导致种群内部的遗传隔离。CAE是一种在瑞典山羊中较为常见的疾病，其控制措施可能导致某些农场只能从特定的无病群体中引入新的个体，从而减少基因多样性。这种现象可能进一步加剧种群的近亲繁殖问题。

此外，研究团队建议，未来应通过建立更完善的遗传数据库和采用优化贡献选择（optimal contribution selection）等方法，平衡遗传改良和近亲繁殖风险。优化贡献选择是一种通过计算个体对下一代的遗传贡献，以控制近亲繁殖速率的策略。这种方法可以确保在提高生产性状的同时，维持种群的遗传多样性。

### 遗传多样性保护的挑战

本研究也揭示了瑞典陆封山羊在遗传多样性保护方面面临的挑战。由于该品种的遗传信息较为有限，且缺乏专门的遗传管理工具，其遗传资源的保护工作面临一定困难。此外，该品种的遗传结构较为复杂，不同农场之间的遗传差异可能源于不同的选择压力和群体隔离。因此，需要更全面的遗传数据和更系统的管理策略，以确保该品种的长期生存和可持续发展。

### 未来研究方向

本研究的发现为未来的遗传研究提供了重要的参考。首先，可以进一步探讨不同农场之间的遗传差异，以及这些差异是否与特定的环境或管理实践有关。其次，可以利用更先进的基因组分析技术，如全基因组测序（WGS），来更全面地评估该品种的遗传结构和选择压力。此外，还可以研究其他与奶产量相关的基因，以确定是否存在其他潜在的遗传变异。最后，可以结合基因流动和遗传选择的模型，预测未来种群的遗传趋势，并制定相应的保护策略。

综上所述，本研究通过对瑞典陆封山羊的基因组分析，揭示了该品种的种群结构和近亲繁殖水平，并指出了其遗传多样性保护的挑战。研究结果不仅有助于理解该品种的遗传特征，也为未来的遗传管理和保护工作提供了科学依据。