牦牛体型性状的大规模基因组关联分析揭示PRKAA2与SNX9关键调控基因

本研究针对高原牦牛体型性状遗传机制不清的问题，通过"清芯-1"测序芯片结合计算机视觉表型采集技术，采用五种GWAS模型（GLM、MLM、MLMM、FarmCPU、BLINK）对526头牦牛的7项体型性状进行全基因组关联分析。鉴定出94个显著SNP位点，发现PRKAA2和SNX9基因关键调控作用，多性状基因组选择（GS）相比单性状GS显著提升预测精度，为牦牛育种提供重要分子标记和理论依据。

　　

在世界屋脊青藏高原上，牦牛不仅是当地牧民重要的生产和生活资料，更是高原生态系统不可或缺的组成部分。这些适应高寒缺氧环境的独特牲畜，为人类提供肉、奶、毛皮等必需品，还承担着运输重任。然而，由于牦牛野生性强、饲养环境艰苦、测量设备缺乏，其体型性状数据的获取一直是个难题，导致生长发育状况难以跟踪记录，往往要到6岁及以上才能出栏，关键功能基因更是鲜为人知。

体型大小直接关系到牦牛的生产性能、环境适应力和劳动能力。较大的体型通常意味着更高的产肉产奶潜力，更好的寒冷适应性和更强的工作能力。因此，解析牦牛体型性状的遗传机制，对育种工作和产业发展具有重要意义。

为了攻克这一难题，赵佳洪等研究人员在《BMC Genomics》发表了突破性研究成果。他们创新性地采用计算机视觉识别技术获取高质量表型数据，结合自主研发的"清芯-1"基因分型芯片，对526头牦牛进行大规模基因组关联分析（GWAS），旨在揭示牦牛体型性状的遗传架构，为分子育种提供理论依据。

研究团队运用了多项关键技术方法：通过计算机视觉识别技术非接触测量7项体型性状（体长、体高、口长、体斜长、胸围、管围等）；采用"清芯-1"靶向捕获育种芯片对706头牦牛进行基因分型，获得29,233个高质量SNP位点；利用五种GWAS模型（GLM、MLM、MLMM、FarmCPU、BLINK）进行综合分析；基于GAPIT软件进行群体结构和亲缘关系分析；通过多性状基因组选择（GS）验证预测准确性。

群体结构分析揭示三大品种遗传特征

研究首先对麦洼、玉树和环湖三大牦牛品种进行了群体遗传学分析。邻接树（NJ-tree）和主成分分析（PCA）结果均显示，牦牛群体明显分为三个组群，品种内个体遗传相似度高，品种间存在显著遗传差异。特别是环湖牦牛群体聚类紧密，遗传相似度最高。亲缘关系热图表明，玉树牦牛群体内亲缘关系较近，而大多数个体间的亲缘系数在0.1-0.25之间，表明群体内亲缘关系相对较远。

多模型GWAS鉴定94个显著SNP位点

研究人员采用五种模型联合分析，共鉴定出94个与体型性状显著相关（P<1×10^-5）的SNP位点。其中体长相关13个、体高9个、体斜长7个、管围1（CCB1）34个、胸围（CC）19个、管围2（CCB2）12个，口长未发现显著位点。值得注意的是，有13条染色体未发现任何性状的显著SNP。

PRKAA2和SNX9成为关键候选基因

通过对显著SNP位点上下游1kb区域的基因注释，研究人员共发现23个候选基因。其中PRKAA2（蛋白激酶AMP激活催化亚基α2）和SNX9（分选连接蛋白9）被确认为影响牦牛体型性状的关键基因。PRKAA2是AMPK（腺苷单磷酸激活蛋白激酶）家族成员，在细胞能量代谢中起核心调控作用；SNX9则与细胞信号传导和生长发育密切相关。

多性状共享位点揭示遗传相关性

研究发现5个SNP位点同时与胸围和管围1显著相关，表型方差解释（PVE）分析显示，这些位点对胸围的表型方差解释比例普遍高于管围1。其中S20_34180196位点对两个性状的表型方差解释比例均达到100%，表明该位点在这两个性状的遗传调控中具有重要作用。

多性状基因组选择显著提升预测精度

基因组选择（GS）分析表明，结合标记辅助选择和最佳线性无偏预测（BLUP）能够显著提高体型性状的预测准确性。对于表型相关性最高的胸围和管围1（r=0.76），多性状GS的平均预测相关系数（0.781和0.596）明显高于单性状GS（0.743和0.512）。类似的结果也在体长和体斜长的分析中得到验证，证明多性状GS方法的有效性和稳健性。

这项研究的结论部分强调，通过整合计算机视觉表型组学和"清芯-1"基因分型芯片技术，成功建立了高效精准的牦牛育种研究体系。鉴定出的PRKAA2和SNX9等关键基因为牦牛体型性状育种提供了有价值的分子标记，多性状GS中相关性状的共同基因能够提高重要目标性状的预测准确性。

讨论部分进一步指出，尽管玉树、麦洼和环湖牦牛在体长、体高等性状上存在显著差异，但PCA结果表明这些种群并非完全遗传隔离，而是在遗传空间上连续分布，表明三大群体间存在广泛的基因流。多模型GWAS策略通过整合不同模型的视角，提高了检测位点与目标性状真实关联的可能性。除了PRKAA2和SNX9外，研究还发现GRIK1、GRIN2B、CAMTA1、CACNA1F等与神经发育和神经传递相关的基因，ELMO1和SEMA3E等与细胞信号、自噬、迁移和炎症相关的基因，以及MSRA、PTPN21、FANCA、ABCC8等重要功能基因，这些发现为后续研究提供了丰富线索。

该研究不仅拓宽了对牦牛体型性状遗传基础的认识，也为密切相关的家畜物种（如牛）中功能相似基因的研究提供了宝贵参考，对高原牲畜遗传改良和育种工作具有重要指导意义。