基于全基因组重测序的GWAS分析揭示子午岭黑山羊重要经济性状的候选基因

《BMC Genomics》：Genome-wide association study identifies candidate genes affecting major traits of Ziwuling black goat

本研究针对子午岭黑山羊(ZBG)繁殖性能低、生产性状开发不足等问题，通过全基因组重测序和GWAS分析，对318头ZBG的7个重要经济性状（产羔数、角型、毛色、体高、体重、体斜长和胸围）进行遗传解析。研究鉴定出41个显著SNPs和89个候选基因，功能富集分析显示这些基因显著富集于发育过程、生殖过程、黑素生成和干细胞多能性调控等通路，为山羊分子育种提供了重要遗传标记。

在西北黄土高原的沟壑纵横间，一种名为子午岭黑山羊(Ziwuling Black Goat, ZBG)的地方品种曾经是当地农民的重要经济支柱。这种以生产黑色羔羊皮和紫色羊绒著称的山羊品种，如今却面临着种群数量锐减的危机。过去几十年间，由于养殖效益下降，农民养殖积极性受挫，导致这一珍贵遗传资源濒临流失。更令人担忧的是，子午岭黑山羊普遍存在体型小、产肉性能差、繁殖力低等突出问题——母羊6月龄性成熟，8月龄开始配种，产双羔概率仅为2%~4%，这些特征严重制约了该品种的选育与发展。

面对传统育种技术对多基因控制的复杂性状改良进展缓慢的困境，基因组技术为动物育种带来了新的希望。特别是对于产羔数(LS)这类阈值性状，其外部表达与内部遗传机制不同步，遗传调控机制更为复杂。正是在这样的背景下，周常青团队在《BMC Genomics》上发表了关于子午岭黑山羊重要经济性状遗传机制的最新研究成果。

为了解析子午岭黑山羊重要经济性状的遗传基础，研究团队收集了来自甘肃庆阳4个不同地区（华池、环县、固原、庆城）的318头子午岭黑山羊（306只母羊和12只公羊）样本，测定了产羔数(LS)、有角无角(HN)、毛色(WC)、体高(BH)、体重(BW)、体斜长(BL)和胸围(CC)等7个重要经济性状。利用Illumina测序平台进行全基因组重测序，获得3,282.00 Gb高质量数据，平均测序深度10.32 Gb/样本，鉴定出777,650个高质量SNPs。采用GEMMA软件的LM和LMM模型、FaST-LMM和EMMAX四种算法进行全基因组关联分析(GWAS)，通过单倍型分析筛选显著SNPs，并对候选基因进行GO和KEGG富集分析。

2.4 产羔数(LS)性状的全基因组关联分析

通过多模型GWAS分析，在2条染色体上鉴定出5个显著SNPs和18个候选基因。其中染色体11上的rs25416744位点同时关联THADA（滤泡发生调节因子）和ZFP36L2（卵母细胞成熟必需基因），而染色体25上的rs11417727位点关联CPPED1（胚胎ERK信号）和SHISA9（Wnt通路调节因子）。值得注意的是，rs25416744（等位基因A=434）在育种程序中表现出较强的标记辅助选择潜力。

2.5 有角无角(HN)性状的全基因组关联分析

研究在5条染色体上鉴定出5个显著SNPs和10个候选基因。染色体2上的rs5231064位点关联WNT4（经典Wnt效应因子）和CDC42（细胞极性控制器），而染色体18上的rs7491770位点关联WWOX（肿瘤抑制因子）和MAF（角质形成细胞分化转录因子）。WNT4在角芽 initiation中的作用和MAF对角蛋白生物合成的调控，使这两个基因成为角型选择的重要靶点。

2.6 毛色(WC)性状的全基因组关联分析

通过严格的跨模型一致性阈值分析，在16条染色体上鉴定出18个显著SNPs和31个高置信度候选基因。关键位点包括染色体2上的rs40576540注释KLF7（调节黑素体成熟），染色体8上的rs7398663包含CTSB（介导黑色素降解）、FDFT1（通过胆固醇合成调节黑素细胞膜流动性）和GATA4（转录协调色素细胞分化）等功能连贯的基因簇，以及染色体22/29上的MITF（黑素生成主调节因子）。值得注意的是，31.7%的基因具有黑素通路的实验验证证据。

2.7 体高(BH)性状的全基因组关联分析

多模型GWAS在6条染色体上鉴定出6个显著SNPs和13个候选基因。染色体2上的rs19677874共定位DAW1（轴突动力蛋白组装调节因子）和SPHKAP（鞘氨醇激酶支架），而染色体24上的rs31926364和rs35681309分别关联ZNF521（成骨转录因子）和COLEC12（细胞外基质组织控制器），这些基因在骨骼发育中发挥关键作用。

2.8 体斜长(BL)性状的全基因组关联分析

研究发现2个显著SNPs和7个候选基因。染色体12上的rs53406093共定位ATP8A2（磷脂翻转酶）和SHISA2（体节边界决定因子），染色体26上的rs36583992标记RBP4（视黄醇转运调节因子）和MYOF（肌管伸长控制器），通过协调调节膜动力学和肌生成伸长来实现轴向骨骼选择。

2.9 体重(BW)性状的全基因组关联分析

鉴定出2个显著SNPs和7个候选基因。染色体19上的rs3525023标记KIF2B（通过有丝分裂纺锤体调节促进细胞增殖），染色体27上的rs1200221关联ZNF385D（通过脂质合成控制指导代谢重编程），这两个基因都是提高体重选择的重要靶点。

2.10 胸围(CC)性状的全基因组关联分析

多模型GWAS在3条染色体上鉴定出3个显著SNPs和8个候选基因。染色体6上的rs10184554关联胸廓发育调节因子PTPN13，染色体13上的rs39151906共定位CFAP61和INSM1（胸廓形态发生基因），染色体17上的rs26106342标记NOC4L、ULK1和EP400等五个胸廓发育基因，通过协调细胞重塑通路共同调节胸廓扩张。

2.11 候选基因的富集分析

对7个性状筛选的151个候选基因进行富集分析显示，这些基因显著富集于发育过程、生殖过程、繁殖和生长等GO条目。KEGG通路分析显示显著富集于干细胞多能性调控、黑素生成和破骨细胞分化等信号通路。其中BRD4富集于生长通路，PLEKHA5富集于生殖过程通路，WNT4同时富集于干细胞多能性调控和黑素生成通路，MITF富集于破骨细胞分化和黑素生成通路。

研究团队通过整合全基因组测序与关联分析，成功解析了子午岭黑山羊重要经济性状的遗传架构。这不仅为理解山羊繁殖和生长性状的分子机制提供了新见解，更重要的是为分子标记辅助选择提供了切实可用的遗传工具。特别是在繁殖性状方面，鉴定出的THADA、ZFP36L2等基因与多囊卵巢综合征(PCOS)密切相关，为解析山羊高繁殖力机制提供了新视角。

在角型性状研究中，WNT4基因的发现尤为引人注目，该基因不仅参与动物性别决定和分化，还在维持卵泡存活中起关键作用。而毛色性状中MITF基因的验证，再次证实了其在黑素生成中的核心调控地位。这些发现不仅具有理论意义，更为子午岭黑山羊的品种改良提供了直接可用的分子标记。

值得注意的是，研究还发现RUNX基因不仅与产羔数和胸围性状相关，还可能参与角型特征的形成，这表明某些基因可能在不同性状间存在多效性，这为理解性状间的遗传关联提供了新思路。

该研究的创新之处在于采用了多算法验证框架，有效控制了群体分层和亲缘关系对关联分析的影响，提高了结果的可信度。未来通过功能验证这些候选基因，将有望彻底解析目标表型的遗传机制，为山羊育种提供更加精准的遗传工具。