全基因组及区域性近亲繁殖对肉牛和奶牛种公牛精子生产性状的影响

《Animal Science Journal》：Impact of Genome-Wide and Regional Inbreeding on Semen Production Traits in Beef and Dairy Bulls

精液生产性状的基因组-wide和区域近交衰退分析表明，日本黑牛（JB）的精子数量、浓度、活力及冷冻后活力均受显著负面影响，而荷斯坦牛（HOL）仅精子数量受影响。基因组关联分析发现，HOL在BTA7和17染色体上存在显著关联区域，涉及USP30和TMEM119等基因，提示近交衰退可能由特定区域或SNP的累积效应引起。研究证实近交衰退效应因牛种和近交类型（短/长ROH）而异，需结合基因组-wide和区域分析进行精准选育。

　　
本研究聚焦于牛类精液生产性状的近亲交配衰退效应，通过基因组关联分析和同源纯合体（ROH）研究，揭示了不同牛种在近亲交配影响上的显著差异。研究以日本黑牛（JB）和荷斯坦牛（HOL）为对象，基于两者庞大的基因组数据及精液生产记录，系统评估了近亲交配对精子数量、浓度、活力及解冻后活力等关键性状的影响机制。

### 一、研究背景与意义
近亲交配导致的表型衰退是封闭式牛群遗传管理中的核心问题。日本黑牛作为重要肉牛品种，长期处于近亲交配状态，其有效种群规模（Ne）已降至20以下（Nomura et al., 2001），而荷斯坦牛作为全球性 dairy 品种，Ne 相对较高。这种遗传基础差异导致两者近亲交配衰退效应呈现显著分化，研究其机制对优化牛群遗传管理策略具有重要价值。

### 二、研究方法与技术路线
#### 1. 数据收集与预处理
研究整合了日本 livestock 改进协会（LIAJ）和荷斯坦牛协会（HCAJ）的数据库资源，包含两品种自1990-2020年间615头日本黑牛和873头荷斯坦牛的精液生产记录（共65,463和50,734份记录）。数据筛选严格遵循：每头牛至少20份记录，排除极端值（均值±4倍标准差外），并匹配完整的pedigree记录（追溯至4代）和SNP芯片数据（50K密度， Illumina bovineSNP50 arrays）。

#### 2. 近亲交配系数计算
采用多维度近亲交捨系数评估体系：
- **传统pedigree系数**：基于四代家谱追溯，通过递推公式计算（Meuwissen & Luo, 1992）
- **基因组关系矩阵（GRM）系数**：基于VanRaden算法构建的GRM矩阵（VanRaden, 2008）
- **ROH分段系数**：定义三种ROH类型（≥2Mb、2-8Mb、≥8Mb），计算基因组中同源纯合体覆盖比例
- **HBD模型系数**：利用RZooRoH package（Bertrand et al., 2019）的隐藏马尔可夫模型识别同源纯合性by descent（HBD）区域

#### 3. 基因组关联分析（GWAS）
创新性采用分层分析策略：
- **全基因组扫描**：基于调整后的表型值，使用ASReml软件构建线性混合模型，检验各近亲交捨系数与性状的相关性
- **ROH分段关联分析**：将SNP数据按ROH长度分组（短ROH2-8Mb，长ROH≥8Mb），分别进行GWAS
- **显著阈值设定**：采用Bonferroni校正（全基因组5%显著性，单SNP 1/nSNP阈值）

### 三、核心研究发现
#### 1. 全基因组近亲交捨效应
- **日本黑牛**：显著负向效应存在于精子数量（NUM）、浓度（CON）、活力（MOT）及解冻后活力（aMOT），回归系数达-6.06至-4.98（p<0.001）
- **荷斯坦牛**：仅精子数量（NUM）显著受影响（p=0.003），其他性状效应不显著（p>0.05）
- **近亲交捨系数差异**：日本黑牛的GRM系数均值（0.42±0.07）显著高于荷斯坦牛（0.30±0.02），显示更严重的近交衰退

#### 2. ROH分段关联分析
| ROH类型 | 日本黑牛显著区域 | 荷斯坦牛显著区域 |
|--------------|---------------------------|------------------------------|
| 短ROH（2-8Mb）| BTA6（26-69Mb） | 无显著区域 |
| 长ROH（≥8Mb） | BTA1、4、5、20等多处区域 | BTA7（56-64Mb）、BTA17（56-64Mb） |
| HBD模型 | BTA14、19等多处 | BTA7、17等关键区域 |

#### 3. 关键基因定位
- **荷斯坦牛BTA17**：发现rs110943368（p=7.4×10^-14）显著关联精子活力，该区域包含USP30（去泛素化酶）和TMEM119（精子鞭毛蛋白）基因
- **荷斯坦牛BTA7**：rs43296066位点（p=2.1×10^-8）与精子活力呈显著负相关
- **日本黑牛BTA14**：显著关联精子浓度（p=7.5×10^-6），该区域与糖原代谢相关基因簇重叠

### 四、机制解析与遗传管理启示
#### 1. 近亲交捨效应异质性
- **日本黑牛**呈现多维度衰退（4/5性状受影响），反映其封闭种群中累积的隐性有害等位基因
- **荷斯坦牛**仅精子数量受显著影响，可能与更高Ne维持更强的遗传多样性有关（Makanjuola et al., 2020）
- **ROH长度效应**：长ROH（≥8Mb）衰退系数普遍高于短ROH（2-8Mb），如日本黑牛长ROH的MOT衰退系数达-1.04（p=0.001）

#### 2. 基因组精细结构
- **BTA17显著区域**（约8Mb）包含USP30基因（位于64,109,516bp），该基因在人类与男性不育相关（Bedard et al., 2011）
- **BTA7显著区域**（约5Mb）包含TMEM119基因（位于104,401,635-110,478,001bp），其小鼠模型显示精子生成缺陷（Mizuhashi et al., 2015）
- **日本黑牛BTA14区域**（26-69Mb）与能量代谢相关基因（如AKT1）存在连锁

#### 3. 遗传管理策略优化
- **日本黑牛**：建议采用全基因组近亲交捨系数（GRM）进行遗传监测，重点避免短ROH（2-8Mb）累积
- **荷斯坦牛**：需建立基于长ROH（≥8Mb）的筛选体系，特别是BTA7和17区域的基因型筛查
- **联合管理**：日本黑牛可结合最优贡献选择（Optimal Contribution Selection）降低近交率（Meuwissen, 1997），荷斯坦牛更适合通过分子标记辅助选择排除有害隐性突变

### 五、研究创新与局限
#### 1. 方法论突破
- 首次将ROH分段分析（2-8Mb/≥8Mb）与多维度近亲交捨系数结合应用于牛类
- 开发基于ROH长度的分层GWAS模型，有效区分古代近交（短ROH）与近期近交（长ROH）效应
- 建立SNP芯片与全基因组测序数据的桥梁，验证ROH方法在中等密度芯片上的适用性

#### 2. 理论贡献
- 验证了Hedrick（2010）提出的近交衰退梯度理论：长ROH（>8Mb）衰退效应显著强于短ROH
- 揭示了精子发生相关基因（如TMEM119）在近交衰退中的关键作用
- 证实了Ceballos（2018）提出的年龄依赖性近交效应模型，即≥8Mb ROH反映近6代内的遗传纯化压力

#### 3. 实践局限
- 数据仅来自日本牛群，全球荷斯坦牛的遗传多样性可能影响结果普适性
- ROH检测阈值（2Mb/8Mb）的选择可能影响结果，需结合实际育种周期优化
- 未解析非加性遗传效应，未来需结合epistasis分析

### 六、未来研究方向
1. **多组学整合**：结合转录组与表观遗传数据，解析近交衰退的分子机制
2. **动态阈值优化**：开发基于种群有效大小（Ne）的自适应ROH分段算法
3. **全基因组筛选**：针对日本黑牛设计靶向BTA14和19的SNP芯片
4. **合成生物学干预**：针对USP30和TMEM119基因开发表观遗传调控技术

该研究为牛类遗传改良提供了新的方法论框架，特别是建立了基于ROH分段的近亲交捨管理模型。研究证实，近亲交捨衰退效应存在显著的种间异质性，日本黑牛多性状衰退提示其遗传基础脆弱性，而荷斯坦牛的单性状显著效应则与更高的遗传多样性相关。这些发现为精准制定牛群遗传管理策略提供了重要理论依据，对保障全球牛种遗传健康具有指导意义。