基于系谱记录、微卫星（STR）与全基因组SNP数据对利皮察种马场利比扎马群体的表征分析

《Animal Genetics》：Characterization of Lipizzan Horse Population From Lipica Stud Using Molecular and Pedigree Data

　　

在该研究中，研究人员通过分析系谱记录、微卫星（STR）及采用GGP Equine 70K BeadChip生成的基因组范围SNP数据，对利皮察种马场群体的遗传多样性、群体结构与近交水平进行了分析。数据集包含来自利皮察种马场的233匹马，作为比较基于系谱、STR和SNP数据多样性估计的参考群体。STR数据最初为常规亲本验证生成，此处用于比较基于系谱、STR和全基因组SNP数据的近交估计。被分析马的系谱追溯至18世纪，最长祖先路径跨越35代。参考群体中平均系谱近交系数（FPED）为11.55%，而祖先近交系数介于5.93%至15.42%之间。微卫星分析显示平均观测杂合度（Ho）为0.68，每位点平均5.9个等位基因，基于STR的近交系数（FSTR）介于0.10至0.15。然而，基于纯合子运行片段（ROH）估计的基因组近交系数（FROH）在0.09至0.28间变化，平均为0.16。选择信号分析确定了若干候选区域，而整合单倍型评分（iHS）分析突出了三个候选蛋白编码基因（ZNF114、DENND5A和TENM4）。ROH岛屿包含24个先前与马匹色素沉积、繁殖、肌肉功能及其他生物学相关性状关联的基因。这些结果提供了对利皮察种马场群体的全面基因组表征，并为利比扎马品种的遗传多样性和近交模式提供了重要见解。

研究背景与立项依据

利比扎马是欧洲最古老的马品种之一，起源于1580年奥地利大公查理二世在今斯洛文尼亚利皮察建立的种马场，其奠基群体由9匹公马与24匹母马引入，后续融合那不勒斯、安达卢西亚、巴巴、弗里德里克斯堡、克拉德鲁伯及阿拉伯马血统。该品种长期在哈布斯堡王朝少数宫廷种马场间形成连通育种体系，至今依六大经典父系线（Pluto、Conversano、Neapolitano、Maestoso、Favory、Siglavy）与17至18个母系家族维持繁育。尽管已有基于线粒体DNA、Y染色体MSY、系谱与微卫星及高密度SNP阵列的研究，但针对利皮察种马场这一历史核心群体，尚未有同时整合系谱、STR与SNP三类数据开展的全基因组表征。由于战争与政治变动导致群体反复重建，近交与遗传漂变风险上升，开展综合评估对保种具有紧迫意义。本研究由斯洛文尼亚研究署资助，发表于《Animal Genetics》，旨在以233匹利皮察种马场马匹为参考群体，刻画遗传多样性与近交结构，比较三类数据近交估计差异，并识别与保种相关的基因组区域。

主要技术方法概述

研究人员构建出生于1992至2018年、覆盖全部六条父系线与十八条母系家族的233匹利皮察种马场马匹队列，采集外周血提取DNA。基因型分型采用Neogen GGP Equine 70K BeadChip（71,607标记），质控后保留64,102个常染色体SNP。系谱取自斯洛文尼亚中央马属动物登记册，编辑后含2,911匹动物（447奠基者）。STR数据采用ISAG面板16个位点（剔除X染色体LEX3），利用Micro-Checker、GenAlEx、Cervus及adegenet估算等位基因数与F_STR。ROH检测在SNP&Variation Suite设定最小长度500 kb、最少25个纯合SNP、允许5个缺失。选择信号分别用ROH岛屿（前1%出现频率阈值）与Beagle 5.4定相后rehh包计算整合单倍型评分（iHS，|iHS|>3为显著）。有效群体大小（N_e）用NeEstimator与GONE推算，系谱统计用ENDOG 4.8与CFC 1.0。

研究结果

3.1 系谱分析

最长祖先路径35代，参考群体平均F_PED为11.55%（全系谱动物4.95%，近交个体7.97%）。祖先近交（Kalinowski法）5.93%–15.42%，新近交平均1.92%。六位最高贡献祖先解释参考群体50.8%基因池，CONVERSANO GAETANA IV居首。平均世代间隔11.68年，参考群体N_e约69.51。系谱深度在第七代前100%完整，第二十五代低于1%。

3.2 微卫星数据分析

16个位点平均H_o=0.68，平均等位基因数5.9，有效等位基因3.2，F_IS=-0.02。F_STR主要分布0.10–0.15，最高达0.61。个体间Nei遗传距离未显清晰聚类。

3.3 SNP阵列数据分析

质控后64,604常染色体SNP中55,994为多态。核苷酸多样性π=0.31274，F_IS=-0.02046，Pudovkin杂合过剩法N_e=24.9，GONE推最近代N_e=68.95，历史曲线显示二战与建场期瓶颈。

3.4 基因组近交

F_ROH介于9.01%–28.49%，平均16.09%。每样本平均97条>1 Mb ROH，总覆盖367.05 Mb。4–8 Mb中段ROH占比最高，提示5–10代前共同祖先瓶颈。各父系线/母系家族间F_ROH差异较小。

3.5 近交系数比较

F_PED与F_ROH呈中等正相关，F_PED–F_STR与F_ROH–F_STR无显著相关。平均值F_PED=0.116、F_STR=0.214、F_ROH=0.161，反映不同方法捕捉IBD（identity by descent，血缘相同）尺度不一。

3.6 选择信号

ROH岛屿法获646候选SNP，注释354蛋白编码基因，其中24个既往关联马性状（如MC1R色素、STX17灰毛、CACNA1S横纹肌溶解、PRKAB2能量代谢、PEBP1/CFAP251雄性生育、NR5A1类固醇生成）。PANTHER富集显著于GnRH受体信号通路（NR5A1、CACNA1S、PRKAB2）。iHS在ECA7、ECA10、ECA16、ECA21检出|iHS|>3，直接重叠ZNF114、TENM4、DENND5A及ENSECAG00000006255（人类FPR2同源）。

讨论与结论翻译

研究人员指出，利皮察参考群体F_PED=11.55%略高于Zechner等早年10.73%，源于本研究的系谱更深更完整；微卫星F_IS近零不代表无历史近交，因ISAG面板位点少且偏亲本验证用途，而F_ROH直接量化常染色体纯合片段实属自合（autozygosity）。ROH长度分布中4–8 Mb段吻合约5–10代前（按11.7年/代折合20世纪两次大战瓶颈）共同祖先。六祖先解释50.8%基因池印证历史结构化繁育与奠基线贡献不均。ROH岛屿与iHS分别捕获长期漂变/选择与近期正向选择，STX17灰毛与NR4A3黑色素瘤易感区并存符合品种灰毛表型选择史。局限在于样本截至2018年、SNP密度中等，后续需近期队列与全基因组重测序验证。总体而言，系谱、STR与SNP三源整合首次给出利皮察种马场核心群全景基因组画像，为利比扎马保种计划提供量化基准。