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为解决奶牛受孕率低及相关因果突变不明的问题，华盛顿州立大学研究人员开展奶牛受孕率（CCR）和受孕所需配种次数（TBRD）相关研究，验证 3 个相关基因座，对提升奶牛繁殖力意义重大，值得一读。
在奶制品行业中，奶牛的繁殖能力可是个 “重头戏”，直接关系到奶农们的 “钱袋子”。全球范围内，牛奶产业的收益相当可观，2024 年预计全球牛奶收入将达到 3500 亿美元，并且还在持续增长。在美国，奶牛产品的收入约占所有动物现金收入的 21.3%，高达 418 亿美元呢。
不过，奶牛的繁殖问题却让整个行业头疼不已。奶牛的受孕率（CCR）低得可怜，只有 30 - 43% 。想象一下，一大群奶牛，大部分却不能顺利怀孕产崽，这得造成多大的损失啊！据估算，一头奶牛从配种到怀孕 60 天内如果发生流产，平均经济损失高达 2333 美元。要是美国 938 万头奶牛中有 35% 出现一次怀孕失败，那整个奶制品行业的损失将超过 76 亿美元，这可不是个小数目！
以前，奶制品行业在进行遗传选种时，主要关注的是牛奶产量或牛奶成分，对奶牛的繁殖能力重视不够。直到 2003 年，才开始把女儿怀孕率纳入选种指标，后来又陆续增加了整体小母牛受孕率、CCR 以及首次配种受孕率等指标。虽然通过基因组选择，CCR 有了一定提高，首次配种受孕率（CCR1）提高到了 44%，总体受孕率提高到了 42% ，但寻找与繁殖相关的因果突变却困难重重。找到这些突变，不仅能提高繁殖预测的准确性，还能深入了解繁殖的分子机制，可目前已知的相关突变少之又少。
为了解决这些问题，华盛顿州立大学的研究人员在《BMC Genomics》期刊上发表了题为 “Identification of genes, gene - sets and putative causal variants associated with conception rate and number of breedings required to conceive in Holstein cows” 的论文。研究人员通过一系列研究，得出了重要结论：他们验证了 3 个与荷斯坦奶牛 CCR 和受孕所需配种次数（TBRD）相关的基因座，这些发现有助于通过基因组选择提高奶牛的繁殖能力，还为理解奶牛不育问题提供了新的思路。
在这项研究中，研究人员运用了几个关键的技术方法。首先是基因集富集分析 - 单核苷酸多态性（GSEA - SNP）技术，用它来找出与 CCR1 和 TBRD 相关的基因集和前沿基因（LEG） 。其次是基因分型测序技术，通过设计定制的基因分型阵列，对之前研究中验证的与繁殖相关的基因座进行分析，寻找潜在的因果突变。最后，运用关联分析，在不同的遗传模型下分析基因变异与繁殖性状之间的关联。
下面我们来看看具体的研究结果。
基因集富集分析 - SNP
研究人员利用 GSEA - SNP 技术对相关数据进行分析，发现了许多有趣的现象。在 CCR1 方面，共确定了 95 个富集的基因集，这些基因集里共有 1473 个独特的 LEG。其中，scinderin（SCIN）和 villin 1（VIL1）这两个 LEG 在 95 个基因集中的 40 个里都出现了。而对于 TBRD，有 67 个基因集富集，包含 1438 个独特的 LEG，Rac 家族小 GTP 酶 1（RAC1）这个 LEG 在 28 个基因集中都存在。进一步分析发现，有 34 个基因集在 CCR1 和 TBRD 中都有富集，788 个 LEG 是二者共有的。这些共享的基因集主要集中在细胞成分组织和结构、有丝分裂细胞周期 / 有丝分裂、RNA 和 mRNA 代谢过程以及信号通路等功能类别上。这表明，这些基因集和 LEG 在奶牛的繁殖过程中可能起着非常重要的作用，也许是奶牛繁殖的 “小助手”，默默影响着受孕的各个环节。
关联分析
在关联分析中，研究人员对 CCR1 和 TBRD 分别进行了三种遗传模型（加性、显性和隐性）的分析。结果发现，在任何模型中都没有 SNP 与 CCR1 显著相关（P < 1×10??） 。不过，在加性模型中，BTA1 上 146 Mb 处的一个基因座有一个假发现率（FDR）为 0.04 的位点，虽然它的P值没有达到威康信托基金会的显著性阈值，但也暗示着这个位点可能与 CCR1 有某种潜在联系。对于 TBRD，在加性模型中确定了 4 个 SNP（3 个基因座），分别位于 BTA1 的 83 Mb 和 146 Mb 处，以及 BTA20 的 46 Mb 处 。其中，BTA1 上 146 Mb 处的基因座在 CCR1 的加性模型中也有一定趋势。BTA1 上 83 Mb 处基因座的一个错义突变（rs110205198）导致氨基酸从半胱氨酸变为丝氨酸，不过用 SIFT 工具预测，这个突变可能是可耐受的，但由于预测的置信度较低，还需要进一步研究。这些基因座的发现，为深入了解奶牛繁殖的遗传机制提供了重要线索。
研究人员还对显著的 GBS SNP 与原始 SNP 进行了连锁不平衡（LD）分析，发现不同基因座的 LD 情况有所不同。此外，将本研究中与繁殖相关的基因座与之前 Kiser 等人 2019 年的研究进行比较，发现本研究中的 3 个基因座在之前的研究中并未被发现与奶牛繁殖相关，这意味着这些基因座是新发现的与奶牛繁殖相关的重要位点，为后续研究提供了新的方向。
在讨论部分，研究人员对富集的基因集和发现的基因座进行了更深入的探讨。大多数富集的基因集功能与细胞成分的组织有关。比如，VIL1、RAC1和TWF1这几个前沿基因在细胞骨架的调控中发挥着重要作用。在奶牛受孕的过程中，细胞骨架可是个 “大忙人”，它能组织细胞内容物、帮助细胞移动和改变形状，还能连接细胞与外部环境。在胚胎着床前，如果子宫上皮细胞的肌动蛋白细胞骨架发生变化，就可能导致细胞极性丧失，进而影响子宫内膜的容受性和胚胎着床。就好像房子的结构出了问题，胚胎这个 “小客人” 就没办法好好住下来。
与有丝分裂和细胞周期相关的基因集也很重要。有丝分裂对于维持生命至关重要，在子宫中，有丝分裂的正常调控对奶牛的繁殖非常关键。如果有丝分裂失调，可能会导致子宫容受性缺陷，影响胚胎着床。就像工厂的生产线乱了套，产品（胚胎）就没办法正常生产出来。
信号通路相关的基因集也参与了奶牛的繁殖过程。比如神经营养因子信号通路、Notch 信号通路等，它们在细胞增殖和分化中发挥作用，还与排卵、怀孕建立等过程密切相关。RNA 和 mRNA 相关的基因集对子宫容受性和妊娠维持也有多种影响，它们可以通过调节 Wnt 信号通路、替代剪接等方式来影响奶牛的繁殖。
此外，研究还验证了 3 个与 CCR 和 TBRD 相关的基因座，其中两个基因座包含可能与子宫容受性相关的基因。不过，这些基因座中的变异如何影响奶牛的受孕率，还需要进一步的功能分析。研究得到的遗传力估计值表明，通过选择繁殖性状可以显著提高奶牛的繁殖能力。而且，CCR1 和 TBRD 之间存在负相关，这意味着减少受孕所需的配种次数，就能提高首次配种的受孕率。
总的来说，这项研究意义重大。它通过验证与奶牛繁殖相关的基因座，为通过基因组选择提高奶牛繁殖能力提供了有力的依据。研究人员发现的基因集、前沿基因和潜在的功能变异，为深入了解奶牛繁殖的分子机制打开了一扇窗。这些发现可以应用到实际的奶牛养殖中，比如将相关基因信息纳入商业基因分型面板，帮助奶农更准确地选择繁殖能力强的奶牛，减少因繁殖失败带来的经济损失，提高养殖效率和经济效益。这就像是给奶农们提供了一份 “繁殖秘籍”，让他们在养殖奶牛的道路上更有方向，也为整个奶制品行业的发展注入了新的活力。
