基于微卫星标记及TG5和LEP基因的哈萨克斯坦阿伯丁安格斯牛遗传多样性与群体结构分析

《Frontiers in Animal Science》：Genetic diversity and population structure of Aberdeen Angus cattle in Kazakhstan based on microsatellites and the TG5 and LEP genes

　　

摘要 引言：在哈萨克斯坦集约化肉牛产业发展的条件下，评估阿伯丁安格斯牛的遗传多样性和群体结构，以及功能基因TG5和LEP中与肉质相关的单核苷酸多态性（SNP）等位基因和基因型分布是一项紧迫任务。本研究旨在利用中性短串联重复序列（STR）标记以及TG5与LEP SNP对阿伯丁安格斯牛进行综合群体和功能遗传学分析，以同时评估遗传多样性、群体结构以及与产肉性能和牛肉品质相关的潜在等位基因的分布。方法：研究人员分析了来自三个农场的122头公牛；采用毛细管电泳对15个微卫星位点进行基因分型，通过聚合酶链反应-限制性片段长度多态性（PCR-RFLP）并辅以Sanger测序验证对TG5和LEP基因的SNP位点进行研究；统计处理包括遗传多样性指数和F统计量计算，以及主坐标分析（PCoA）和STRUCTURE分析。结果：研究确立了中等水平的遗传多样性，杂合度值接近，无近交迹象；群体间分化程度低（平均F_st≈0.016），基因流高，而聚类分析显示缺乏明显的群体结构和高度混合。对于TG5，观察到C等位基因和CC基因型占优势，而对于LEP基因则观察到更均匀的基因型分布，杂合子比例较高。讨论：获得的结果表明，所研究的群体具有中等遗传多样性和低群体间分化，这可应用于遗传监测和育种计划的改进。

**研究背景与目的**

哈萨克斯坦养牛业在肉类产业中占据重要地位，阿伯丁安格斯牛因其早熟性、高效饲料转化率和优良的大理石纹性状而成为该国的主导品种。然而，有限数量种公牛的集约化使用及育种基础的快速扩张可能导致遗传多样性降低、近交水平上升，进而削弱群体的适应潜力和育种价值。因此，定期开展遗传监测对肉牛产业可持续发展至关重要。微卫星标记（STR，短串联重复序列）凭借高多态性和共显性遗传特点，被广泛用于评估遗传多样性、群体结构及基因流。尽管高密度SNP芯片和全基因组测序可提供更高分辨率，但这些方法无法直接评估与经济性状相关的功能等位基因分布；而选择性中性的STR标记虽能反映群体历史，却不提供功能基因变异信息。TG5和LEP基因是研究较深入的功能候选基因，分别与大理石纹和脂肪沉积等肉质性状相关。然而，哈萨克斯坦此前缺乏将中性STR标记与功能SNP整合分析的阿伯丁安格斯牛研究。

研究人员对122头来自三个农场（KB，阿克莫拉地区，35头；SHUK，北哈萨克斯坦地区，55头；TIM，北哈萨克斯坦地区，32头）的18–24月龄阿伯丁安格斯公牛进行了综合分析，利用15个STR位点以及TG5（c.-422C>T）和LEP（c.73T>C，p.Arg25Cys）两个功能SNP，旨在同时评估遗传多样性、群体结构和与经济性状相关的等位基因分布。该研究首次在哈萨克斯坦对这一品种开展中性标记与功能标记的整合分析，为遗传监测和育种规划提供了基础数据。

**研究技术方法**

研究人员从尾根毛囊提取DNA，采用商品化试剂盒进行纯化。STR基因分型使用包含15个微卫星位点的COrDIS Cattle试剂盒，其中12个为国际动物遗传学会（ISAG）标准位点，3个为联合国粮农组织（FAO）推荐位点，经毛细管电泳后进行等位基因判定。TG5和LEP的SNP分型采用PCR-RFLP方法，分别用限制性内切酶BstX2I和BspACI消化扩增片段，并以Sanger双向测序验证约10%样本，结果100%一致。统计处理包括遗传多样性参数计算、Wright的F统计量（F_IS、F_IT、F_st）、Nei遗传距离、主坐标分析（PCoA）、STRUCTURE贝叶斯聚类（K=1–10，Puechmaille法确定最优K）以及Hardy–Weinberg平衡（HWE）检验。

**研究结果**

**基于STR标记的遗传多样性**
全部122头个体在15个微卫星位点均获得完整基因型，共检测到94个等位基因。各群体的平均等位基因数（Na）为5.400–5.667，有效等位基因数（Ne）为3.149–3.333，Shannon信息指数（I）为1.300–1.339。观察杂合度（Ho）为0.676–0.693，期望杂合度（He）为0.658–0.681，多数位点固定指数（F）为负值。结果表明三个群体均具有中等水平遗传多样性，杂合度接近且无近交迹象。

**群体分化与遗传结构**
群体内固定指数F_IS均值-0.022±0.010，总固定指数F_IT均值-0.006±0.011。群体间分化系数F_st范围0.003–0.029，均值0.016，对应低度分化；基因流Nm平均值为23.145，远高于防止遗传分化所需的阈值。Nei遗传距离在各群体对间仅为0.046–0.050。PCoA显示各群体在坐标空间中紧密相邻、无独立聚类。STRUCTURE分析在K=2时表现出两个遗传簇，但群体间存在显著混合，K=3时仍无明确分化。这表明群体间遗传相似性高、基因交流强烈，地理因素对遗传结构影响微弱。

**SNP基因型分布**
TG5位点：C等位基因在所有群体中占优势，频率从KB（0.671）经SHUK（0.727）至TIM（0.813）递增，CC基因型比例相应升高（TIM达71.9%），KB群体中杂合子CT比例最高（54.3%），TT基因型在各群体均低频（5.7%–9.4%）。LEP位点：三个群体的T等位基因频率为0.563–0.586，杂合子CT比例较高（37.1%–54.5%），CC与TT纯合子频率相近。PCR-RFLP与Sanger测序结果100%一致，验证了分型的可靠性。TG5在群体间差异较LEP更明显，而LEP分布稳定且杂合度较高。

**Hardy–Weinberg平衡**
TG5和LEP两个位点在所有群体及合并样本中均未偏离Hardy–Weinberg平衡（p>0.05）。TG5的χ2值为0.38–2.85，LEP为0.01–1.93，全部无显著统计学偏差。该结果支持群体中随机交配未受明显干扰，与STR标记揭示的低分化水平相一致。

**STR和SNP结果的整合**
基于STR的群体对间F_st为0.011–0.012，基于TG5/LEP SNP的F_st为0.002–0.013，两种标记均显示低度分化和高度混合。STRUCTURE分析在K=2和K=3时均未出现清晰的动物分离模式。SNP的PCoA显示KB和TIM沿第一坐标轴分离，SHUK居中，但无明确聚类。尽管TG5的C等位基因频率沿KB–SHUK–TIM梯度升高，研究人员指出这可能是遗传漂变或奠基者效应等人口学过程所致，而非定向选择证据，因为本研究未分析基因组选择信号。

**讨论与结论**

讨论部分指出，所研究群体的中等遗传多样性水平与欧洲（Márton等，2024）和南美（Montoya等，2010）的安格斯牛报道相符，也与此前哈萨克斯坦群体研究结果一致。负的F_IS值与杂合子过剩表明现有育种管理有效避免了近交积累。极低的F_st和强基因流体现了各农场间种畜交换活跃和集中化育种支持系统的共同作用，但过高的遗传同质性可能削弱群体间差异，因此需在基因交流与保持群体特色间取得平衡。TG5的C等位基因优势与匈牙利、俄罗斯及白俄罗斯安格斯牛研究结果一致，而LEP的T等位基因优势也与俄罗斯和白俄罗斯部分群体的报道相符，表明这些位点的多态性在品种内得以维持。综合使用中性STR和功能SNP优于单独使用任一种标记，因为STR反映总体基因组变异性，而功能位点提供经济性状相关变异信息。研究局限性包括样本规模有限、缺乏系谱数据、仅两个功能位点不足以解析选择信号等。

根据原文结论部分翻译并浓缩：本研究表明，哈萨克斯坦阿伯丁安格斯牛群体具有中等遗传多样性水平、低群体间分化程度和高度遗传混合。基于15个STR标记的群体结构评估显示无近交迹象且基因流活跃，表明群体遗传整合和种畜交流频繁。TG5 C等位基因和LEP T等位基因的优势分布与文献数据相符，可能反映了群体的遗传历史。本研究首次综合应用中性STR标记和TG5/LEP功能多态性对哈萨克斯坦阿伯丁安格斯牛进行了遗传多样性与群体结构表征，所得结果为后续遗传监测和育种计划改进奠定了基础。未来在更大样本中应用高密度SNP基因分型和全基因组测序，将进一步阐明群体遗传结构、基因组多样性水平和重要功能变异的分布特征。