白来航蛋鸡骨骼强度与骨组成的遗传结构解析

《Genetics Selection Evolution》：Genetic architecture of bone strength and composition in White Leghorn laying hens

　　

背景：骨折和骨质量不良等骨骼问题因其对动物福利的负面影响及给家禽产业带来的经济挑战而日益受到重视。此前基于系谱的分析已在白来航蛋鸡中报道了皮质骨和髓质骨组成性状的中等遗传力（范围为0.18至0.41），以及与胫骨断裂强度和密度的强遗传相关（0.69至0.90）。本研究采用全基因组关联分析（GWAS）鉴定与骨骼强度和骨组成性状相关的遗传标记，旨在增进对白来航蛋鸡骨质量遗传结构的理解。结果：研究人员在20号染色体（11.55–12.29 Mb）上鉴定出一组彼此处于强连锁不平衡（LD，r² > 0.8）的标记，这些标记与肱骨刚度显著相关，并与肱骨强度和胫骨皮质厚度重叠。这些标记位于先前鉴定的20号染色体上控制骨生物力学强度和体重的数量性状位点（QTL）内。该区域包含骨形态发生蛋白7基因（BMP7），该基因在鸡的骨骼发生和生长中具有已知作用。与胫骨髓质骨中有机质和无机质含量及骨矿物质中碳酸盐总量（MinCO₃ 1415）具有最强提示性关联的遗传标记检测到位于1号染色体（173.5–173.6 Mb）。该区域包含长链非编码RNA LOC107052041（LncFAM），该基因此前已被定位在生长相关QTL内，其多态性已被报道与鸡的体重和骨骼尺寸相关。最后，与红外光谱法相比，热重分析法对骨组成性状的测量估计出更准确的遗传力，其中髓质骨有机质和无机质含量遗传力最高（约0.19），并与胫骨密度高度相关（0.7）。结论：本研究鉴定了与骨质量性状变异相关的基因组位点，为功能验证及未来评估其改善蛋鸡骨强度预测潜力提供了候选位点。

研究背景：骨骼问题如骨折和骨质量不良对动物福利的负面影响及其给家禽产业带来的经济挑战日益受到关注。蛋鸡在产蛋过程中持续面临的钙需求等多重因素导致龙骨等骨骼极易发生骨折，龙骨骨折发生率从产蛋初期的3%可高达产蛋末期的97%。骨折会促使蛋鸡将资源重新分配用于愈合，从而影响生产性能和整体适应性。通过遗传改良骨性状有望减少骨折影响并改善鸡群福利和生产性能。已有研究表明遗传因素在骨强度中发挥作用，不同遗传品系中遗传力估计范围为0.19至0.59，但品系间差异较大。除骨强度外，骨的化学组成在决定骨质量和结构完整性方面也起着关键作用。近期研究表明白来航鸡和洛岛红鸡骨化学组成性状的遗传力为0.18–0.41，并鉴定出髓质骨矿物质含量与胫骨断裂强度或密度之间的显著遗传相关（0.6至0.9）。在洛岛红鸡中开展的GWAS已鉴定出与皮质骨脂质相关的基因组关联。然而，白来航鸡中类似性状的遗传结构仍缺乏充分探索，亟需通过基因组学研究进一步调查。为此，本研究旨在利用基因组数据扩展对白来航蛋鸡骨强度和骨组成性状遗传因素的理解，具体目标是开展GWAS以检测与这些性状相关的遗传标记。

研究人员开展了什么研究及结论：本研究以987只来自Lohmann Breeders GmbH（德国）维持的纯种品系的白来航蛋鸡为研究群体，所有个体属于同一世代并在同一年四周内孵化。鸡只在100周龄时安乐死并采集骨骼样品，分析了肱骨、胫骨（附肢骨骼）以及龙骨（胸骨，中轴骨骼）。评估的骨性状分为四类：（i）骨力学性状，包括断裂强度和刚度；（ii）骨密度性状；（iii）胫骨形态计量性状；（iv）通过热重分析（TGA）和红外光谱（FTIR）测量的骨组成性状。所有鸡只使用57,636个Illumina Infinium SNP芯片进行基因分型，经过质量控制后共有17,633个SNP和987只鸡通过所有标准用于下游分析。GWAS分析使用GCTA软件v.1.92.3中的线性混合模型，基于基因组关系矩阵校正动物亲缘关系。研究鉴定出20号染色体（11.55–12.29 Mb）上一组与肱骨刚度显著相关的标记，该区域包含BMP7基因；以及1号染色体（173.5–173.6 Mb）上与髓质骨有机质、无机质含量和碳酸盐含量提示性关联的标记，该区域包含LncFAM。TGA性状的遗传力估计高于FTIR性状，髓质骨有机质和无机质含量遗传力最高（约0.19），并与胫骨密度高度遗传相关（0.7）。本研究鉴定了与骨质量性状变异相关的基因组位点，为功能验证和未来评估其改善蛋鸡骨强度预测潜力提供了候选位点，同时提示骨骼性状与生长相关性状之间可能存在共享遗传基础。

关键技术方法：研究群体为987只白来航蛋鸡（Lohmann Breeders GmbH，德国），同一世代四周内孵化，具有混合父系半同胞和全同胞家系结构。使用57,636个Illumina Infinium SNP芯片基因分型，经质控后保留17,633个SNP和987只个体。采用GCTA软件v.1.92.3的线性混合模型（-mlma、-grm、-reml选项）进行GWAS，Bonferroni校正确定显著性阈值。使用Plink v1.09进行连锁不平衡分析。采用AIREMLF90通过双变量模型估计遗传参数（遗传力和遗传相关），基于基因组关系矩阵。骨力学性状通过三点弯曲试验测定，骨密度通过软X射线设备测定，骨组成通过TGA和FTIR测定。使用DAVID进行基因功能注释和富集分析。

研究结果：

全基因组关联分析：结果揭示了20号染色体上13个SNP低于显著性阈值（p < 2.84×10^?6），位置为11.59–11.78 Mb（MAF 0.4–0.5），与肱骨刚度相关；5号染色体上单个SNP（58,281,780 bp；MAF 0.2）与肱骨密度相关；1号染色体上3个SNP（55,553,280、55,598,304、55,662,347 bp；MAF 0.007）与胫骨刚度相关。其他性状无SNP达到指定显著性阈值。提示性关联（p < 1×10^?3）方面，与力学和密度表型相关的SNP分布于20条染色体上，其中5号染色体包含与10个表型中6个相关的提示性SNP。

GWAS结果重叠：在20号染色体大QTL区域（11.55–12.29 Mb）内发现最多的重叠SNP（34个），与肱骨断裂强度、刚度和胫骨皮质厚度相关。3号染色体QTL区域（79.41–79.57 Mb）内5个重叠SNP和22号染色体（0.74–0.93 Mb）上4个SNP在胫骨性状间被检测到，这些SNP在各性状间表现出一致的正负效应，与它们之间的强遗传相关一致。在皮质骨化学组成性状中，3号染色体（85.34–85.53 Mb）4个SNP、19号染色体（0.13–0.51 Mb）6个SNP和28号染色体（2.06–2.09 Mb）3个SNP显示与多个FTIR性状的提示性关联。在髓质骨中，1号染色体173.53–173.75 Mb区域7个重叠SNP对髓质有机质含量（TGA）显示正效应，而对无机质含量（TGA）和骨矿物质碳酸盐（MinCO₃ 1415，FTIR）显示负效应。

连锁不平衡：1号染色体（55.55–79.83 Mb）上3个与胫骨刚度显著相关的SNP彼此完全连锁（r² = 1.00），但MAF极低（0.007），与其他SNP物理距离远（>70 kb），且无邻近SNP的LD支持，因此被认为可能是虚假关联而排除进一步生物学解释。20号染色体（11.55–12.14 Mb）上最显著SNP（11,715,985 bp）与13个邻近SNP处于强LD（r² > 0.8），MAF分布适中（0.4–0.5）。G/G基因型个体相比A/G或A/A基因型具有更高的肱骨断裂强度（6–16%）、更高刚度（11–21%）和更高皮质厚度（4–9%）。1号染色体173.5–173.6 Mb区域7个重叠提示性SNP与最显著SNP（173,634,193 bp）处于高LD（r² = 0.97–1.00），MAF = 0.23。A/A基因型个体相比A/G和G/G基因型具有高6–13%的TGA矿物质含量和高8–16%的FTIR矿物质碳酸盐含量，但低5–10%的有机质含量。

基因注释和富集分析：候选区域基因注释得到255个独特基因，DAVID工具报告其中69个基因涉及8个显著过程（GO术语）。更聚焦的位置候选基因分析在达到p < 1×10^?5的显著SNP ±100 kb窗口内鉴定出25个基因。20号染色体11.55–12.14 Mb区域显著SNP位于15个基因内，其中BMP7具有已知的骨骼发生和鸡生长作用，3个显著SNP位于BMP7基因内。值得注意的是，当统计模型校正体重后，显著信号降至显著阈值以下，而未校正体重时关联强度显著增加（p < 2.84×10^?6）。1号染色体173.5–173.6 Mb提示性QTL包含LncFAM，该基因此前已被定位在生长相关性状QTL内，其多态性与鸡体重和骨骼尺寸相关。与BMP7区域类似，校正体重后髓质矿物质和有机质含量的关联信号强度从p < 1×10^?5降至p < 1×10^?3。

表型相关：骨力学和密度参数及胫骨形态计量性状的表型相关与先前发表数据一致。TGA或FTIR性状之间的高相关系数与皮质骨和髓质骨的遗传相关一致。髓质骨中矿物质与有机质含量的表型相关为?0.97（p < 0.05），皮质骨中为?0.71（p < 0.05）。

基因组遗传力和遗传相关——骨力学和密度性状：与先前基于系谱的估计一致，胫骨骨力学和密度参数的遗传力估计范围为0.10±0.04至0.33±0.05，胫骨密度遗传力最高。这些性状间遗传相关系数范围为0.72±0.01至0.99±0.04。肱骨力学和密度记录的遗传力较低，范围为0.10±0.04至0.29±0.05，肱骨刚度遗传力最高。肱骨性状间遗传相关变化较大（0.01±0.2至0.90±0.06），肱骨断裂强度与刚度之间相关最强。胫骨与肱骨性状间，最强的遗传相关见于肱骨断裂强度和刚度与胫骨断裂强度、刚度和密度之间（0.44±0.12至0.69±0.11）。龙骨X射线密度的基因组遗传力较低（0.08±0.04）。

骨材料化学特性：与先前发表的基于系谱的估计一致，TGA性状的遗传力（0.01±0.01至0.19±0.07）高于FTIR性状（0.001±0.0至0.12±0.07）。TGA矿物质和有机质含量是髓质骨中遗传力最高的性状（约0.19±0.07），高于皮质骨（0.09±0.04）。FTIR性状中遗传力最高的是髓质骨硫酸盐含量（0.12±0.07），其余性状遗传力估计低于0.07。皮质骨和髓质骨中TGA矿物质与有机质含量之间观察到最强的遗传相关（?0.9），髓质骨标准误（SE：0.18）低于皮质骨（SE：0.33）。胫骨密度与髓质骨TGA矿物质（0.72±0.08）和有机质（?0.7±0.08）含量的遗传相关最高且显著，高于皮质骨中相应记录（有机质：?0.48±0.26；矿物质：0.37±0.2）。胫骨密度与皮质骨和髓质骨FTIR性状的遗传相关变化较大且标准误较高。

讨论部分总结：本研究结合骨力学、密度、形态计量和组成性状与基因型数据，探索了商品白来航蛋鸡骨骼特征的遗传基础。在髓质骨组成性状方面，1号染色体173.5–173.6 Mb QTL内7个SNP与两个TGA性状和一个FTIR性状显示重叠提示性关联，有机质和无机质含量的估计SNP效应方向相反，提示该QTL区域可能影响髓质骨矿物质和有机质组分之间的相对平衡。该区域包含7个候选基因，其中ALG5和SMAD9功能与骨性状相关，SMAD9在BMP信号通路中发挥作用且对骨发育和维护至关重要。该区域还包含LncFAM，其多态性与鸡体重和骨骼尺寸相关，且该区域还检测到SUPT20H，为骨骼性状的调控通路提供了额外生物学支持。校正体重后该区域关联信号下降，提示这些关联可能部分反映了体重和髓质骨组成的共享遗传效应。皮质骨组成性状的遗传分析未产生显著的全基因组关联，其低基因组遗传力（h² < 0.09）结合样本量（n ≈ 900）降低了检测小效应变异的功效。研究在3号、19号和28号染色体上强调了若干提示性关联区域，19号染色体（0.13–0.51 Mb）重叠SNP最多，包含FZD9、TNXB和ANGPTL2/ANGPTL1等骨相关基因。在骨力学、密度和形态计量性状方面，研究鉴定了与肱骨刚度强烈相关的20号染色体基因组区域，同一位点还与肱骨断裂强度和胫骨皮质厚度提示性关联，该区域包含BMP7基因，该区域与先前在白来航鸡和野生型红原鸡中鉴定的骨生物力学强度QTL重叠，也与Virginia鸡品系中体重QTL关联。体重与肱骨断裂强度之间的中等遗传相关（0.39±0.14）表明部分关联源于影响整体生长和骨骼强健性的共享遗传背景。20号染色体关联在洛岛红鸡肱骨断裂强度GWAS中未被检测到，可能归因于群体间遗传结构差异。在骨组成遗传力和遗传相关方面，髓质骨TGA有机质和无机质含量具有最高的基因组遗传力（0.19±0.05），与先前基于系谱的估计一致，二者之间负遗传相关（?0.99，p < 0.01）反映了骨组成中有机质和矿物质基质比例之间的内在平衡，且与胫骨密度强遗传相关（0.7±0.08）。龙骨骨在本分析中基于X射线密度表型发现低遗传力且GWAS未检测到显著标记，与基于系谱的数据一致，提示需要替代方法对该性状进行表型测定。大多数与胫骨密度高度遗传相关的TGA骨材料性状与髓质骨而非皮质骨相关，尽管这些估计标准误较高，但与基于系谱的发现一致。若干与皮质骨和髓质骨矿化相关的FTIR组成性状与胫骨密度表现出极高相关（0.87±1.44至0.99±0.0），但FTIR性状的低遗传力（基因组h² < 0.07）表明加性遗传方差有限，可能导致不稳定的遗传协方差和相关的估计，因此这些估计不应被解释为与胫骨密度近乎完美遗传关系的证据。胫骨皮质直径和厚度为本文新分析的表型，遗传力估计较低（直径：0.16±0.05；厚度：0.10±0.04），但皮质直径与胫骨密度之间遗传相关中等且显著（0.29±0.18至0.45±0.27），提示这些性状间存在共享遗传基础。

研究结论翻译：本研究调查了胫骨皮质骨和髓质骨组成性状的遗传结构，并估计了它们与骨力学和密度性状及胫骨形态计量特征的遗传关系。研究突出了一组显著影响肱骨刚度、强度和皮质厚度的标记，位于先前鉴定的20号染色体骨生物力学强度和体重QTL内。该区域包含BMP7，因其在骨骼发育中的已知作用及其在鸡中与体重的报道关联而成为强有力的位置候选基因。研究还鉴定了1号染色体（173.5–173.6 Mb）上的提示性QTL，与髓质骨矿物质和有机质含量观察到最强关联。该区域包含长链非编码RNA LOC107052041（LncFAM），其多态性此前已被观察到与鸡的体重和骨骼尺寸相关。总之，这些发现突出了两个候选基因组区域——骨强度（显著效应）和骨组成（提示性效应），并提示骨骼与生长相关性状之间可能存在共享遗传基础。最后，与FTIR性状相比，TGA性状估计出更准确的遗传力，其中髓质骨有机质和无机质含量遗传力最高并与胫骨密度性状高度相关。总体而言，这些发现鉴定了与骨质量性状变异相关的基因组位点，为功能验证和未来评估其改善蛋鸡骨强度预测潜力提供了候选位点。