琅琊鸡体重与体型性状的全基因组关联研究

《animal》：Genome-wide association study of body weight and body size traits in Langya hens

　　

摘要
琅琊鸡是中国地方鸡品种，具有高度的遗传多样性。为系统解析体型性状的遗传基础，研究人员测定了2 952只琅琊鸡母鸡在130日龄和开产日龄的8个性状（包括体重（BW）、冠型和体型性状）。通过全基因组重测序，共获得9 708 856个高质量单核苷酸多态性（SNP），并用于后续的遗传参数估计和全基因组关联研究（GWAS）。遗传参数分析结果显示，不同体型性状的SNP遗传力存在显著差异，总体范围为0.13–0.64。特别是在两个发育阶段，体重、冠长、冠高和胫骨长均表现出中等到高的遗传力（0.34–0.64）。GWAS鉴定了分布于多个染色体区域的显著关联SNP位点，表明体型性状具有复杂的多位点遗传调控结构，且部分染色体区域在不同体型性状和不同发育阶段中重复出现，显示出潜在的多效性或共享基因组区域。值得注意的是，研究人员在鸡常染色体（GGA）1、4和27号上鉴定出多个稳定的体型性状关联区域，包括GGA1（167.56–178.18 Mb）、GGA4（68.24–81.17 Mb）和GGA27（5.22–6.73 Mb）上的基因组区域，其中多个体型性状（如体重和胫骨长）的显著关联信号被重复检测到。上述区域中的显著SNP具有强连锁不平衡特征，并与多个体型性状相关联，表明这些SNP可能作为调控鸡体型结构的重要遗传热点。在这些核心区域中注释到的候选基因包括NCAPG、KPNA3、LDB2、PPARGC1A、FNDC3A、SOST、RB1、STON2和TARP，这些基因的功能主要涉及细胞增殖、能量代谢、骨骼发育和组织生长的调控。NCAPG在两个发育阶段均与多个性状持续关联。功能富集分析进一步揭示，这些候选基因显著富集于磷脂酰肌醇、促性腺激素释放激素（GnRH）、能量代谢、骨骼发育和蛋白质生物合成等信号通路。本研究在基因组水平上系统揭示了琅琊鸡生长阶段体型性状的遗传特征及其潜在分子机制，研究结果为体型性状分子标记筛选和地方鸡品种基因组育种提供了重要的候选基因资源和理论基础。

论文解读：琅琊鸡体重与体型性状的全基因组关联研究

一、研究背景与科学问题

家禽体型性状是衡量个体生长发育水平与胴体性状的重要指标，在肉鸡和地方鸡品种的遗传改良中具有重要的经济价值。这类性状通常表现为中等到高的遗传力，受多基因调控，且在不同品种间存在显著差异。随着分子育种技术的发展，全基因组关联研究（GWAS）已成为解析复杂数量性状遗传基础的关键工具，使研究人员能够在全基因组水平上鉴定与生长、体型和骨骼发育相关的显著位点，为分子标记辅助选择提供理论支持。

尽管已有大量研究利用高密度单核苷酸多态性（SNP）芯片或基因分型测序技术鉴定了与鸡体重和生长性状相关的多个基因及基因组区域，但地方鸡品种特有的遗传结构和特异性调控基因仍有待深入挖掘。琅琊鸡作为中国地方鸡品种，具有高度的遗传多样性，是研究体型性状遗传机制的理想材料。该研究旨在系统解析琅琊鸡体重和体型性状的遗传基础，鉴定稳定关联的数量性状基因座（QTL）区域和候选基因，为地方鸡品种的分子标记辅助选择和基因组育种提供理论依据和基因资源。

二、研究内容与结论概述

该研究以山东吉华禽业有限公司保种的纯种琅琊鸡群体为试验材料，包括两个不同孵化批次共2 952只母鸡。研究人员在130日龄和开产日龄两个发育阶段测定了体重（BW）、冠长（CL）、冠高（CH）、胸宽（CW）、体长（BL）、龙骨长（KL）、胫骨长（TL）和胫骨宽（TW）共8个性状。通过全基因组重测序获得9 708 856个高质量SNP，并开展了遗传参数估计和GWAS分析。

研究得出以下主要结论：（1）不同体型性状的SNP遗传力存在显著差异，总体范围为0.13–0.64，其中BW、CL、CH和TL在两个发育阶段均表现出中等到高的遗传力（0.34–0.64）；（2）GWAS鉴定了分布于多个染色体区域的显著关联SNP，表明体型性状具有复杂的多位点遗传调控结构；（3）在GGA1（167.56–178.18 Mb）、GGA4（68.24–81.17 Mb）和GGA27（5.22–6.73 Mb）上鉴定出多个稳定的体型性状关联区域，这些区域对多个体型性状具有重复检测的显著关联信号，可能为调控鸡体型结构的重要遗传热点；（4）核心区域注释到的候选基因包括NCAPG、KPNA3、LDB2、PPARGC1A、FNDC3A、SOST、RB1、STON2和TARP，其功能主要涉及细胞增殖、能量代谢、骨骼发育和组织生长调控；（5）功能富集分析表明这些候选基因显著富集于磷脂酰肌醇信号系统、促性腺激素释放激素（GnRH）信号通路、泛酸和辅酶A生物合成、轴突导向及骨骼发育等关键生物学通路。该研究系统揭示了琅琊鸡体型性状在基因组水平上的遗传特征及其分子机制，为地方鸡品种的体型性状分子标记筛选和基因组育种提供了重要资源。该论文发表于《animal》期刊。

三、主要关键技术方法

该研究采用的主要技术方法包括：（1）基于全基因组重测序技术获得高质量的SNP数据集，平均测序深度为0.76×，经严格质控后共获得9 708 856个SNP用于后续分析；（2）利用基因组复合性状分析（GCTA）软件基于遗传关系矩阵（GRM）和限制性最大似然（REML）方法估计SNP遗传力和遗传相关性；（3）使用混合线性模型（MLM）进行单基因座关联分析，同时纳入主成分和开产日龄作为协变量以校正群体结构和性成熟时间差异；（4）采用Bonferroni方法进行多重检验校正，基于64 486个独立标记确定全基因组显著阈值（P < 7.75 × 10??）和 suggestive 显著阈值（P < 1.55 × 10??）；（5）利用Haploview 4.2软件进行连锁不平衡（LD）分析；（6）基于Ensembl基因组浏览器114的基因注释信息鉴定候选基因，并利用KEGG和GO数据库进行功能富集分析。试验动物样本来源于山东吉华禽业有限公司保种的琅琊鸡纯种群体。

四、研究结果

**（一）表型数据的描述性统计与遗传参数估计**
对2 952只母鸡体型性状的描述性统计分析显示，各性状呈现不同程度的表型变异。在130日龄时，CL和CH表现出最大的变异系数（CV分别为22.42%和36.19%），其次为BW（CV为12.08%）；骨长相关性状的总体变异较小，CV集中在5.56%–8.40%之间。开产日龄时，BW的CV增至13.63%，表明个体间体重差异在性成熟时进一步加大。SNP遗传力估计结果显示，不同体型性状的SNP遗传力显著不同，总体范围为0.13–0.64。130日龄时，BW的SNP遗传力为0.52，CL和CH分别为0.64和0.58，TL为0.57，而TW和CW的遗传力较低（分别为0.13和0.17）。表型相关分析显示，CL和CH在两次测定时期均与BW、BL和KL等多个骨相关性状呈中度正相关（0.22–0.38）。比较两个发育阶段发现，130日龄时BW、冠性状和TL的遗传力估计值普遍高于开产日龄时。

**（二）全基因组测序数据与群体结构分析**
主成分分析（PCA）结果显示，第一主成分（PC1）解释了总遗传变异的43.88%，第二主成分（PC2）解释了29.40%。两个群体的个体在PCA图中高度重叠，未观察到明显分离，表明不同孵化批次间遗传背景高度一致，不存在严重的群体亚结构，这降低了批次效应混淆的风险，保证了后续混合模型关联分析的可靠性。所有16个性状的基因组膨胀因子（λ）范围为0.863–0.964，表明模型已充分校正群体分层。

**（三）全基因组关联研究**
基于MLM的GWAS结果系统分析了130日龄和开产日龄的体重及体型性状。研究人员构建了SNP–基因–性状桑基图，结果显示大部分显著SNP聚集在少数关键候选基因中，并进一步与多个体重和体型性状相关联。其中，NCAPG是连接度最强的核心基因，在130日龄时与BW、CW、KL、BL和TW等多个性状显著关联，在开产日龄时与BW、BL、TL和TW等对应性状的显著信号被检测到，表明该基因在鸡体型发育和体重增长过程中持续发挥作用。KPNA3、FNDC3A、SPRYD7、PPARGC1A、LDB2和RB1在两个发育阶段与多个体型性状具有共享关联，显示出不同发育阶段间体型性状的显著遗传连续性和共享遗传基础。GGA4上的SNP（4:75815346）是130日龄BW和开产日龄BW GWAS中最显著的位点，位于NCAPG基因内。基因型效应箱线图显示，该SNP的TC基因型在两个发育阶段均对应最高的体重中位数，且与TT和CC基因型差异显著（P < 0.05），表明该杂合基因型在不同发育阶段具有有利的增重效应。

**（四）连锁不平衡分析**
对GGA1和GGA4上显著SNP的LD分析显示，GGA1上的显著SNP主要分布于170.07–170.69 Mb范围内，可划分为11个相对独立的LD blocks，各block间在物理位置上相互分隔，表明该区域存在多个独立的关联区域。GGA4上的显著SNP可划分为两个LD blocks，其中block 1（约73.96–74.09 Mb）覆盖了PPARGC1A附近的多个显著位点，block 2（约75.81–76.29 Mb）包含NCAPG和LDB2区域的主要关联信号。

**（五）功能富集分析**
以每个SNP上下游500 kb为注释窗口，共鉴定出704个显著关联基因，其中467个为具有明确基因名的候选基因。KEGG和GO富集分析显示，这些候选基因显著富集于与组织生长、能量代谢和神经内分泌调节相关的关键生物学通路，最显著的富集通路包括磷脂酰肌醇信号系统、GnRH信号通路、泛酸和辅酶A生物合成通路以及轴突导向通路。这些结果为了解调控体重和骨/冠发育的生物学通路提供了初步线索。

五、讨论部分总结

讨论部分指出，鸡体型性状作为典型数量性状，受遗传和环境因素共同调控。该研究中不同发育阶段体型性状的表型变异模式与遗传参数估计结果一致。值得注意的是，冠性状与体长的遗传相关性在130日龄时较强（约0.7），但在开产日龄时急剧下降至0.1，提示性成熟后遗传调控网络可能发生“解偶联”现象。研究人员对此提出生物学解释：生长阶段可能存在共享的遗传机制（如生长激素/胰岛素样生长因子轴）共同调控纵向骨生长和冠组织发育；而性成熟后，体躯骨骼生长基本完成，冠发育则主要由生殖和性激素通路（特别是雄激素介导的调控）驱动。同时他们也指出，开产日龄性状以开产日龄（AFE）作为协变量而130日龄性状未纳入该协变量，两个发育阶段的遗传模型在结构上不完全可比，因此跨阶段遗传力的直接定量比较应谨慎解读。

关于候选基因，NCAPG位于GGA4上稳定关联区域内，作为非SMC凝缩蛋白I复合物的亚基，参与有丝分裂期间染色体的凝集与稳定，对细胞周期进程和细胞增殖至关重要。以往研究在岭南黄鸡和惠阳胡须鸡的先进互交系（AIL）中发现在调控多个生长发育性状和胴体性状中NCAPG所在区域具有稳定而显著的遗传效应，SNP rs14491022（4:75,892,495）可通过影响肠道中NCAPG基因的增强子活性上调该基因表达，进而影响胴体重。北京油鸡群体的GWAS也证实NCAPG所在染色体区域与成年鸡体重和体型性状显著相关，表明NCAPG可能在不同品系中发挥保守作用。PPARGC1A作为能量代谢和线粒体功能调控的重要转录共激活因子，在鸟类肌肉发育和能量代谢中发挥关键作用，可促进鸡骨骼肌线粒体生物发生和脂肪酸氧化，调节肌纤维代谢，影响肌肉质量和整体能量代谢。SOST作为骨形成的负调控因子，本研究检测到其与骨相关体型性状显著关联。RB1作为经典细胞周期调控因子，通过抑制G1/S期转换限制细胞增殖。研究人员明确指出，所讨论的候选基因是基于其与显著SNP的位置邻近性和已有文献证据推断而来，应视为生物学假说而非确定性功能机制。对于STON2和TARP，以往关于冠性状的遗传研究未报道这两个基因的作用，本研究首次检测到这两个基因区域与冠性状显著相关。STON2编码参与网格蛋白介导内吞和受体内化的衔接蛋白，TARP来源于TCRγ基因的替代阅读框，二者可能通过调节激素或生长因子受体的表面可用性及冠组织中的细胞增殖间接影响冠的发育，但这些解释属于推测性假说，需功能验证。富集到的通路仅基于GWAS数据提供统计关联，不能确定这些通路是否主动调控琅琊鸡的体型性状，需通过补充功能实验验证。

六、研究结论

综上所述，本研究刻画了琅琊鸡体型性状在不同发育阶段的遗传结构特征。130日龄和开产日龄时的体重、冠长、冠高和胫骨长表现出中等到高的遗传力，GWAS在GGA1、4和27号染色体上鉴定出SNP关联区域，功能富集分析结果涉及细胞增殖、骨骼发育、能量代谢和神经-肌肉骨骼协调相关通路。这些发现揭示了琅琊鸡体型性状的多基因复杂性，为地方鸡品种的基因组选择和遗传改良提供了有价值的候选标记和理论支持。