基于基因组信息的濒危小型家畜群体遗传多样性监测与管理——斯洛伐克阿斯卡尼美利奴羊案例研究

《Animals》：Genomics-Informed Monitoring and Management of Genetic Diversity in a Small and Endangered Livestock Population: A Case Study of the Slovak Askanian Merino Sheep

　　

斯洛伐克阿斯卡尼美利奴羊（Slovak Askanian Merino）是一个小型濒危绵羊群体，饲养于斯洛伐克的两个农场。本研究评估了其基因组多样性、群体结构以及基于基因组信息的管理价值。经质量控制后，保留491个个体和45,695个单核苷酸多态性标记（SNPs）用于群体内分析，同时保留927个个体和18,143个SNPs用于与其他美利奴及美利奴衍生品种的比较。观测杂合度（observed heterozygosity, Ho）与期望杂合度（expected heterozygosity, He）分别为0.411和0.412，基于纯合片段（homozygous-by-descent segments, HBD）和长连续纯合片段（runs of homozygosity, ROH）计算的基因组近交系数分别为0.025和0.019。长度超过16 Mb的片段对近交贡献最大，表明近期近交的发生。有效群体大小（effective population size, Ne）估计值范围为46至112。群体结构分析将斯洛伐克阿斯卡尼美利奴羊与其他美利奴衍生品种区分开来，并揭示了农场相关的亚群分化。正向模拟显示，优化配种分配可在十代内减缓近交积累。到第10代时，优化场景下基于长度超过4 Mb的HBD片段的基因组近交值达到0.042–0.044，而随机交配场景下则为0.069–0.072。将每只公羊的使用限制在15–50只母羊之间，是在降低近交与操作可行性之间的最佳折中方案。这些发现表明，基因组监测结合优化配种可支持小型濒危家畜群体的长期保护与可持续管理。

研究背景与问题

美利奴羊是全球最具影响力的细毛羊种群之一，其形成与地中海地区羊毛生产羊的逐步改良密切相关。苏联时期，通过将澳大利亚美利奴羊、美国兰布耶羊等与当地美利奴类型及粗毛羊杂交，培育了许多复合型细毛羊品种。阿斯卡尼美利奴羊便是其中之一，于1925年至1934年在乌克兰干旱草原的阿斯卡尼亚诺瓦建立。历史上，该品种曾达到约180万头的规模（1980年）。然而，近年来全球羊毛产业变化及细毛需求持续下降，导致多个欧洲国家的美利奴群体大幅减少。斯洛伐克的阿斯卡尼美利奴羊目前仅存于两个农场，数量仅有数百头，面临严重的遗传多样性丧失风险。尽管该品种历史悠久，但尚未利用现代基因组工具进行全面评估，对其当前的遗传多样性水平、近交状况及与其他美利奴衍生品种的关系知之甚少。此外，对于小型濒危家畜群体，基因组监测不仅应描述现状，还应支持实际育种决策。由于公畜使用不均及近亲交配会迅速增加共祖率、降低有效群体大小并加速遗传多样性丧失，因此基于系谱或基因组关系的配种优化成为重要工具。本研究的目的是全面评估斯洛伐克阿斯卡尼美利奴羊的基因组多样性，包括群体内遗传多样性、近交模式、有效群体大小，以及与其他美利奴品种的遗传关系，并提出适用于当前育种条件的优化配种方案。

主要关键技术方法

研究人员从两个农场采集502个个体的鼻拭子样本，代表斯洛伐克阿斯卡尼美利奴羊的全部活跃群体，并使用GGP Ovine 50K芯片进行基因分型。同时，利用公开的OvineSNP50 BeadChip数据集获取其他美利奴及美利奴衍生品种的数据。经过质量控制后，分别构建用于群体内分析（491个个体，45,695个SNPs）和群体间比较（927个个体，18,143个SNPs）的数据集。研究中采用多种方法评估遗传多样性：利用PLINK计算杂合度和近交系数；通过检测长连续纯合片段（ROH）和基于模型的纯合片段（HBD）评估基因组近交；使用NeEstimator、currentNe2和GONE2三种软件估算有效群体大小（N_e）。群体结构分析采用Nei's遗传距离热图、Neighbor-Net网络图、主坐标分析（PCoA）、判别主成分分析（DAPC）以及ADMIXTURE无监督聚类。配种优化则基于基因组亲缘关系矩阵，构建二进制线性规划模型，并通过AlphaSimR进行十代正向随机模拟，评估不同公羊使用策略下的近交积累情况。

研究结果

3.1 斯洛伐克阿斯卡尼美利奴羊的多样性状态

整个群体的平均观测杂合度（H_o）和期望杂合度（H_e）分别为0.411和0.412。农场2的杂合度高于农场1。群体中共检测到2880个ROH片段和6860个HBD片段，其中短片段（1–2 Mb）的数量差异最大。农场1的近交水平显著高于农场2，尤其在大于16 Mb的长片段类别中更为明显。基于HBD的基因组近交系数（F_HBD）平均为0.025，基于ROH的（F_ROH）为0.019，两者均主要由大于16 Mb的片段贡献，表明近期近交。当代有效群体大小估计值在46至112之间，历史轨迹显示近九代以来持续下降。

3.2 群体结构

Nei's遗传距离热图和Neighbor-Net网络图均显示，斯洛伐克阿斯卡尼美利奴羊与其他美利奴衍生品种形成独立聚类，且两个农场内部存在亚群分化。与ASM遗传距离最近的品种包括澳大利亚波尔美利奴羊、兰布耶羊、澳大利亚工业美利奴羊和澳大利亚美利奴羊。PCoA和DAPC分析进一步证实了ASM的独特性及农场间的亚群结构。ADMIXTURE分析在K=5时得到最佳支持，ASM表现出混合祖先特征，且两个农场的祖先成分明显不同，农场1主要归属于一个成分（平均q=0.714），而农场2主要归属于另一个成分（平均q=0.599）。

3.3 基于基因组亲缘关系的配种优化与正向模拟

14头公羊的平均基因组亲缘关系在0.034至0.150之间，基因组多样性指数（GDI）在0.045至0.236之间，表明不同公羊对维持遗传多样性的潜在贡献存在差异。初始配种优化结果显示，Max50策略实现了最低的平均配对亲缘关系（0.0088），其次为Min15_Max50策略（0.0095），平衡策略最高（0.0113）。正向模拟表明，所有优化场景在第0代至第3代期间F_{HBD>4 Mb}均有所下降，随后缓慢上升；而随机交配场景则持续增加。到第10代时，优化场景的F_{HBD>4 Mb}为0.042–0.044，比随机场景（0.069–0.072）降低了约36%–42%。此外，所有场景中两个农场间的F_ST均随时间下降，优化场景略低于随机场景，表明共享公羊池增加了农场间的遗传连通性。

讨论与结论

讨论部分指出，ASM群体虽然整体杂合度较高、F_ROH低于多数美利奴品种，但长片段ROH和HBD占主导地位，反映了近期近交的积累。农场1的近交水平显著高于农场2，公羊也显示出稍高的近交系数，这在小群体中尤为重要，因为公畜的不均等遗传贡献会加速近交。负值的F_IS与高比例近期近交之间的矛盾现象，被归因于群体亚结构的存在（Wahlund效应）以及群体内同时存在的近交与远交事件。群体结构分析确认ASM是一个遗传上独特的群体，与兰布耶羊和澳大利亚美利奴衍生品种关系最近，这与该品种的形成历史一致。两个农场间的显著亚群分化提示应将其作为一个统一的国家群体进行管理。配种优化模拟表明，Min15_Max50策略在控制近交积累与实际操作可行性之间达到了最佳平衡。共享公羊池有助于降低农场间的遗传分化，但严格的隔离管理不适合如此小的群体。

研究结论：本研究展示了将基因组信息整合到保护育种管理中的潜力，超越了单纯的遗传多样性评估，进入了实际育种决策的应用阶段。在斯洛伐克阿斯卡尼美利奴羊群体中，基因组分析提供了近期近交和遗传多样性持续丧失的证据，凸显了制定系统性配种策略以避免近亲交配的必要性。在此背景下，提出的配种方法提供了一种在尊重实际育种约束的同时减缓近交积累的手段。然而，有效的保护管理还需要在最小化基因组亲缘关系与合理使用现有公畜之间取得平衡，因为遗传上最优的配种分配在实际条件下不一定最可行。通过结合基因组监测、优化配种分配和正向模拟，本研究提供了一个灵活的框架，可适用于其他小型濒危家畜群体，从而支持更明智的育种决策，促进动物遗传资源的长期保存。