雄性重组率随年龄增长：奶牛中的可遗传多基因特性

本文首次揭示奶牛雄性重组率随年龄增长而显著提升（平均每年增加0.11-0.18个常染色体交换），并通过31,732个SNP标记分析证明该表型具有遗传基础。研究利用93,592组父-子代配对数据，发现：1）整体重组率遗传力h2≈0.15；2）年龄效应变化速率的遗传力h2≈0.05；3）全基因组关联分析（GWAS）定位到染色体10上REC8、REC114等减数分裂相关基因簇。研究成果为理解人工选择下哺乳动物重组率动态演化提供新视角。

　　

1 引言

减数分裂重组（meiotic recombination）作为有性生殖生物遗传多样性的核心机制，通过同源染色体间的遗传物质交换产生杂合重组染色体。该过程不仅影响染色体精准分离，还能通过打破有害单倍型或构建有益单倍型加速自然选择和人工选择进程。然而，重组率存在物种内保守性，实证研究表明其种内变异通常限于1-2倍范围。

重组率变异受个体、性别、种群及物种层面因素调控，且全基因组重组率在多数物种中显示遗传性。全基因组关联研究（GWAS）已鉴定多个调控交叉互换（crossover）的关键基因（如REC8、RNF212B）。机制上，重组与染色质环（chromatin loops）基部的双链断裂修复相关，因此染色质轴形成和环长度与重组率存在机械关联。

除遗传调控外，环境因素（如极端温度、病原体胁迫）和年龄变化亦可塑性调节重组率。人类研究中发现女性重组率随年龄上升，而雄性小鼠精母细胞分析显示重组均值与方差均随龄增加。但在马、挪威红牛、马鹿等哺乳动物中未检测到年龄效应，表明年龄对重组的影响存在物种特异性差异。

农业数据集为重组研究提供独特资源：育种计划中大量已知谱系的基因型-表型数据，结合人工授精技术使单个公牛产生大量后代，支持全生命周期重组动态追踪。牛作为高重组率物种（相比其他牛科动物），其雄性重组率遗传力估计值存在品种差异（挪威红牛h²=0.04，荷斯坦牛h²≈0.2）。GWAS研究持续揭示染色体6（含CPLX1/RNF212）和染色体10（含REC8/REC114/NEK9）的关键关联区域。

2 方法

2.1 数据处理

数据来源与质控：研究基于新西兰畜牧改良公司（LIC）数据库，从>15万头基因型芯片数据中筛选3,151头具有出生日期、品种信息且存在基因验证后代的核心公牛。经PLINK v1.9质控（个体/SNP缺失率<1%，孟德尔错误率过滤，MAF>1%）后，最终保留118,976头牛在31,732个SNP位点的基因型。

单倍型分析与交换推断：整合先前构建的荷斯坦-娟珊牛整合连锁图谱，采用LINKPHASE3隐马尔可夫模型进行单倍型分型，推断每对亲-子代个体在29条常染色体上的交换事件（crossover）。通过计算剩余染色体的交换计数与遗传距离比值，标准化获得每对个体的重组率（交换数/摩根）。

数据过滤：排除艾尔夏牛品种、年龄信息缺失或染色体数据质量低的样本（交换点间距<3厘摩或信息标记数最低2.5%）。最终数据集包含1,976头公牛的93,592组后代配对，平均重组率1.04交换/摩根。

2.2 数据分析

全局年龄效应建模：通过R包lme4构建线性混合模型，以重组率为响应变量，公牛年龄（精子采集日）和品种（娟珊牛血统比例）为固定效应，公牛ID和出生年份为随机效应。模型选择基于AICc准则，最优模型仅包含年龄与品种固定效应（无交互或二次项）。

遗传力估计：采用hibayes贝叶斯模型（BayesCpi方法）评估公牛平均重组率（"均值"表型）和年龄相关变化斜率（"斜率"表型）的遗传力。模型校正品种、半同胞家系数、繁殖窗口（首次-末次采精间隔）等协变量，通过MCMC迭代（10,000次，2,000次退火）获得后验h²分布。

遗传架构解析：

• 染色体遗传贡献：LDAK v5.2拟合所有染色体同步模型，估算各染色体对表型变异的贡献
• SNP关联分析：GCTA进行全基因组关联研究（GWAS），显著性阈值经Bonferroni校正（p<1.58×10^-6）
• 候选基因定位：基于ARS-UCD1.2基因组，筛选显著SNP上下游250kb内基因（相当于牛群连锁不平衡衰减距离）

3 结果

3.1 全局年龄效应

混合模型揭示公牛年龄与重组率显著正相关（p=1.82×10^-18）：

• 全群体：每年增加0.00458–0.00726交换/摩根（相当于0.111–0.176个额外常染色体交换）
• 纯种荷斯坦（≤1/16娟珊血统）：每年增加0.049–0.141个交换
• 纯种娟珊（≥15/16娟珊血统）：每年增加0.130–0.247个交换
  品种效应显示娟珊牛重组率显著低于荷斯坦（β_品种=-0.063, p=1.39×10^-48），但品种子集内无显著差异。

3.2 遗传力

表型遗传力估计：

表型	无繁殖窗口过滤 (h2)	繁殖窗口≥365天 (h2)
平均重组率（均值）	0.643 (0.554–0.757)	0.765 (0.581–0.920)
年龄效应斜率	0.0155 (0.000644–0.0483)	0.0410 (0.00114–0.128)
关键发现：

1. 繁殖窗口过滤大幅提升遗传力估计值（如均值h²从0.643→0.765），随机抽样验证该趋势非样本量缩减所致
2. MCMCglmm重复测量模型得整体重组率遗传力h²≈0.15（与既往牛研究一致）
3. 荷斯坦遗传力高于娟珊牛，可能反映后者样本量较小（n_娟珊=132）

3.3 遗传架构

染色体贡献：

• 均值表型：染色体10解释15.1%遗传变异（未过滤时），呈现多基因架构（遗传贡献与染色体大小正相关）
• 斜率表型：多基因主导，无单一染色体显著贡献

GWAS显著位点：

• 均值表型（全群体）：
  • 染色体10双峰：rs110890764（21.2 Mb，近REC8/REC114/RNF212B）与rs43640523（86.7 Mb，位于BATF内含子，邻近NEK9）
  • 关联基因富集减数分裂功能（如REC114调控双链断裂形成）
• 品种特异性信号：
  • 荷斯坦：染色体18 rs109311845（63 Mb，CDC42EP5基因）
  • 娟珊：染色体8 rs42403123（4 Mb，GALNTL6