崔忆馨育种规划作业.doc

猪亲本杂交与杂种优势的关系摘 要: 杂种优势是生物界的一种普遍现象，在畜禽品种改良和生产中得到广泛应用并取得了显著的效果。但是由于杂种优势遗传基础的复杂性以及研究方法和手段的局限性，杂种优势的遗传机理及有效的预测方法仍没有获得突破性的进展。因此，对杂种优势机理和杂种优势预测研究，仍是一个有待解决的问题。本研究以三个纯种亲本大白猪、长白猪和梅山猪及其正反交大白猪长白猪、长白猪X大白猪、大白猪X梅山猪和梅山猪大白猪杂交猪为试验对象，分别从不同组织和不同杂交组合角度，比较了亲本与予代之间在DNA甲基化含量上的差异，并进一步结合生产性状资料进行了相关分析，为揭示杂种优势的分子机制提供理论依据。关键词: 猪;杂种优势;亲本杂交 杂种优势(Heterosis)是指两个或两个以上遗传组成不同的亲本杂交产生的F1代在生长势、生活力、抗逆性、产量和品质等方面优于其亲本的现象。杂种优势是生物界的一种普遍现象，在畜禽品种改良和生产中得到了广泛利用并取得了显著的增产效果。自美国玉米遗传学家Shull 1908年提出杂种优势概念以来，国内外遗传学家对杂种优势的机理提出了许多假说(如显性、超显性和上位性假说)，并从不同侧面解释了杂种优势的遗传基础。近年来，随着分子遗传理论和分子生物学技术的突飞猛进，应用分子标记为作物杂种优势显性、超显性和上位性假说提供了分子水平上的证据，并研究发现基因表达差异与杂种优势有关，但对杂种优势遗传基础的研究仍十分有限。目前，猪杂种优势机理研究还只局限于利用分子标记研究亲本问题的遗传距离，但是研究结果表明，亲本间遗传距离并不总是与杂种优势呈正相关，相同杂交组合在不同地区的的研究往往得到不尽相同甚至相反的结论。在猪育种实践中，杂交组合的优劣通常是需要做大量的杂交试验才能得到判别，但杂交试验一般需要大量的劳力、经费和较长的时间，而且随着育种工作的进行，群体的遗传结构也会发生改变，杂交组合的优劣也随之发生改变，也就是说杂交试验每隔一段时间就要重复一次，以筛选新的组合。因此，猪杂种优势分子机理和杂种优势预测的研究，仍是一个亟待解决的课题。 1 亲本间遗传距离与杂种优势的关系显性假说或超显性假说都认为杂种优势来源于遗传物质的杂合性，而杂合性是由亲本间的遗传差异引起的，要增加杂交种的杂合性，参与杂交的亲本之间就要具有较大的遗传差异或遗传距离(人们通常以遗传距离为指标来表示亲本间的遗传差异)，这一思想指导育种学和遗传学家对遗传距离的评价方法，遗传差异与杂种优势关系的研究长达半个多世纪1。遗传距离的评价方法经历了从地理远缘和形态性状遗传距离到生化标记(同工酶、蛋白质多态性)遗传差异、亲缘系数以及80年代末以来DNA水平上的RAPD、RFLP、AFLP、SSR等分子标记遗传差异等各种尝试。这些研究工作都基于建立一种能反应基因型之间真实遗传距离的评价方法，探索出简单有效的杂种优势预测方法。1.1 DNA分子标记遗传距离与杂种优势 DNA分子标记技术的广泛使用为杂种优势的预测研究提供了一种有力的工具，这主要是因为它与其它标记相比，具有很明显的优点： (1)基因组的变异十分丰富，分子标记的数量可以说是无限； (2)有些分子标记是共显性标记，对隐性基因的选择非常有利； (3)不同发育阶段、不同组织均可用于标记分析，使基因型的早期选择成为可能； (4)分子标记直接揭示来自DNA的变异，可以进行基因型选择而不是表型选择。因此DNA分子标记被认为是进行遗传距离评估的理想标记。在动物杂种优势预测研究中，我国学者作了大量的工作。孟安明等(1995)利用DNA指纹研究9个京白鸡纯种系及其杂交后代，结果表明：母本和父本的相似系数大，亲本间的变异又较高时，其杂种在总蛋重、产蛋率、存活率等性状上可获得较强的杂种优势。唐爱发等(2000)利用6个RAPD引物测定了约撤、长撒、杜撤、约长撒5个杂交组合亲本间遗传距离和Fl代平均带纹相似系数与杂种优势的关系，结果表明，亲本间遗传距离与F1代猪肉嫩度及F1代滴水损失等肉质性状呈显著相关。顾亚玲等(2003)对商品鸡4种蛋白多态性进行了遗传检测，结果表明：通过群体遗传距离的大小可以预测杂种优势。另外，Edwards等(1987)研究认为玉米籽粒平均产量和标记位点杂合性的相关性随标记位点数目增加而增加2，但也有人认为，利用DNA分子标记差异预测杂种优势是可能的，但增加标记的覆盖面并不一定能提高标记杂合度与杂种优势相关性，因为不同组合有不同的遗传背景，DNA标记数量的增加并不能保证提高阳性座位的绝对值和相对值(Zhang et a1，1996)。1.2 QTL杂合性与杂种优势与杂种优势有关的许多生产性状都是受微效多基因控制的数量性状，受环境影响较大，采用传统的数量遗传学方法难以确定其基因座位。DNA分子标记技术的发展为数量性状基因座(QTL)的检测、定位、基因效应、互作分析等方面的研究提供了新的工具，对杂种优势相关的OTL的研究将有助于加深人们对杂种优势遗传机理的认识。De Vicente和Tanksley(1993)对利用栽培番茄与野生番茄材料杂交所得到的F1代进行RFLP研究3，发现F1代在第一真叶出现时间、柱高、发育良好的分枝数等性状上表现出杂种优势，但没有鉴定出与这些性状表达有关的具有超显性的RFLP标记；F1代中没有表现杂种优势的那些性状却检测到与性状表达相关的具有显著超显性的QTLs；F1代干重累积量具有杂种优势，并鉴定出两个与之有关的QTLs，将这两个与干重累积量有关的QTLs回交转移进栽培番茄，获得了超亲个体，并且超亲个体的出现与这两个OTIs有关。Stuber等(1992)利用优良的玉米单交种分析了杂种优势产生的遗传机制，同时定位了籽粒产量和其它性状的Q呵b，结果表明： (1)产量的杂种优势与其基因组中相关OTI s位点的杂合性呈正相关； (2)在所有的两个回交群体中，影响产量的QTLs在基因组中分布区域大致相同，大多数数量性状在杂合子中表现出超显性。因此他们认为：玉米籽粒产量性状杂种优势与位点的杂合性呈正相关，对单一位点控制的性状表现而言，这种相关关系较小；而对多位点控制的性状而言，这种相关关系会随着位点数目的增加而增强，表现为显性与加性的共同作用即超显性。回顾半个多世纪遗传距离与杂种优势的关系研究，结果既有相关性很高的报道，也有完全相反的结果，还有非线性相关的报道，利用分子标记遗传距离预测杂种优势也未取得很好的效果4，这说明：杂合度与杂种优势不是呈简单的直线回归关系。因此对杂种优势预测还有待于对杂种优势遗传基础的认识和对资源遗传多样性的深入了解。2 杂种优势遗传基础假说的分子证据 20世纪初提出的显性假说，超显性假说，及后来提出的上位假说，虽然各自存在不足，但作为人们公认的解释杂种优势现象较为成熟的学说，仍得到了不少验证。2.1 杂种优势遗传机理假说显性假说是由Davenport(1908)提出的，后经Bruce(1910)用数学方法论证，是解释杂种优势现象的重要理论之一5。该假说认为：各种优良性状是受多基因连锁群中的显性基因所控制的，不利的隐性基因的作用能被有利的显性基因所抑制，有缺陷的基因能被正常的基因所补偿。在F1代中的显性基因组合较亲本多，因而杂合子的生长势增强。杂合子个体进行自交或近交时隐性不利基因处于纯合状态，导致个体生长势减退。该假说还认为，具有杂种优势的性状如产量等涉及多基因，并且有害的隐性基因和有利的显性基因难免存在连锁，所以将所有有利基因集中到一个个体的概率为零，因而不可能筛选到与杂种生长势相同的纯合个体。显性假说和超显性假说所涉及的都是等位基因间的关系，而上位假说则认为不同座位的非等位基因间的互作也会导致杂种优势。非等位基因间的互作是指各位点的基因效应作用于某性状时，除了各自的单独作用外，还存在彼此的联合效应，这种联合效应就是上位效应，它等于基因型值与加性效应和显性效应的差6。近年来的大量研究表明，上位性可能是物种进化的重要遗传机制，在杂种优势的形成中起重要作用。2.2 杂种优势遗传机理假说的分子证据分子标记的出现及其在杂种优势研究中的应用使得深入了解杂种优势的遗传基础有了可能7。由于分子标记数目巨大，在染色体上的位置已知，因而可以将复杂性状的多基因体系分解成盂德尔因子来加以分析，这样就可以确定数量性状基因位点的数目，在染色体的位置、基因的效应及基因互作的方式，从遗传物质的本质上来揭示杂种优势的遗传基础。近年来，基因组研究进展和高密度分子标记连锁图的构建，为杂种优势遗传假说的严格检验提供了强有力的实验手段。总之，杂种优势的遗传机制应该包括三种类型： (1)显性基因作用掩盖不利基因作用； (2)超显性或等位基因互作； (3)非等位基因或上位互作。但大量的实验证据表明，无论是显性假说、超显性假说还是上位学说，都只能对杂种优势现象作出部分解释，均存在不足。生物界杂种优势的表现是多种多样的，不同的物种、不同的性状形成杂种优势的原因可能是不同的，不能用一个公式去套形形色色的各种表现8。杂种优势可能是由于双亲显性基因的聚合和互补、异质等位基因互作和非等位基因互作的单一作用，也可能是由于这些因素的综合作用和累加作用。3 基因表达差异与杂种优势的关系基因型的杂合性是杂种优势的基础，在杂合子中，来自双亲的染色体和主要来自母本的细胞质构成一个全新的胞内环境和核质关系，这种全新的胞内环境对来自双亲的遗传基础构成了一个新的调控系统9。杂合子的生长发育就是在这种全新的调控系统下进行的。因此，杂种优势现象实际上就是基因表达调控的外在表现，随着近年来分子生物学技术的飞速发展，人们除了在DNA水平探讨位点杂合性及QTL互作方式与杂种优势的关系外，更需要从杂交种与亲本在基因表达调控角度探讨杂种优势的遗传机理。3.1 结构基因表达与杂种优势Romagnoli等(1990)首先研究了基因表达与玉米杂种优势的关系3，结果表明：从杂交中cDNA文库中选出的三个在杂交种和亲本间差异表达的克隆中，有一个克隆在F1中的表达介于双亲之间，另外两个克隆在F1中的表达接近高效表达的亲本。对于杂交种的亲本mRNA进行离体翻译的结果显示，杂种优势的产生与杂交种中许多基因的差异表达有关，因为有33的差异表达产物在杂交种中更丰富或特异表达。Tsaftaris等(2000)利用3个玉米自交系(B73，H108，H109)配组产生强优势组合H109X B73和弱优势组合H109X H108，对亲本和杂种一代基因表达状况进行了研究，结果显示杂种与亲本，以及不同优势的杂种之间在每个发育时期的基因表达均存在差异【10】。强优势组合在第一个发育时期有30检测的基因表达量高于最好的亲本，在第三个时期有63的检测基因表达水平高于最好的亲本；而相比之下，弱优势组合在两个时期分别有15和57的检测基因表达水平高于最好的亲本。此外，弱优势组合有28的检测基因表达量低于最差的亲本。总体看来，强优势组合的总体基因表达平均水平要高于亲本及弱优势组合。程宁辉等(1997)应用mRNA差异显示技术，对水稻杂种一代(珍汕97AX明恢63)与其亲本幼苗的基因表达差异进行研究，发现亲本基因和F1代基因表达虽然基本相似但仍有差异2。他们认为F1代中基因表达的差异可能决定了杂种优势的形成，F1代和亲本基因表达差异存在着质与量的差别，表达量的差别主要表现在Fl基因表达水平强或弱于父本和母本；基因表达质上的差异可以归纳为3种类型，第一类是F1代特异表达而在双亲中不表达；第二类是亲本基因在F1代中沉默，这一类又可分为双亲基因表达而在F1代中抑制和单亲基因表达而在F1代中沉默；第三类是单亲基因在F1代中表达。这一结果与他们1996年在玉米中的研究结果类似(程宁辉等，1996)。熊立仲等(1999)以mRNA差异显示和eDNA点杂交技术为基础，以强优势杂交组合籼优63的两亲本和F1代剑叶为材料，分析其差异表达的基因【11】。结果发现，杂种和亲本之间的基因表达差异呈现如下几个特点：(1)不同基因差异表达的方向不一样； (2)在不同的发育时期，基因表达差异的程度或方向也不一样。同时还指出，从基因表达水平上研究杂种优势的分子基础，不能仅仅着眼于杂种中表达增强的基因，而要同时考虑那些减弱或被抑制的基因倪中福等(2001)在研究中则发现； (1)杂种基因表达与亲本之间存在明显差异，而表达的差异则可能决定了杂种一代正或负的优势； (2)杂种与亲本问基因的差异表达程度与发育时期有关； (3)强优势杂交组合和亲本问存在更明显的基因差异，这可能与其强优势的形成有关； (4)在强优势杂种组合中，增强型和沉默型所占比例均明显高于弱优势杂种组合，而单亲本表达减弱型则较弱优势组合低。3.2 调控基因表达与杂种优势基因网络调控系统认为：不同的生物其基因组都有一套保证正常生长与发育的遗传信息，包括全部的编码基因，控制基因表达的调控序列，以及协调不同基因之间相互作用的组分。基因组将这些看不见的信息编码在DNA上，组成了一个使基因有序表达的网络，通过遗传程序将各种基因的活动联系在一起【12】。如果其中某些基因发生了突变，则会影响到网络中的其它成员，并通过网络系统进一步扩大其影响，而发展成为可见变异。对杂种优势的形成，基因网络系统认为：杂种一代是由两个不同的基因群组合在一起形成的网络系统，在这个新组建的网络系统内13等位基因成员处在最好的工作状态，使整个遗传体系发挥最佳效率，从而实现杂种优势。因此近年来对调控蛋白基因的表达与杂种优势的关系的探讨也逐渐成为热点。 有关基因表达调控与杂种优势关系的研究还处于起步阶段，目前还无法确定发生表达改变的基因与F1代表型变化的直接关系，杂种优势的形成是不是这些差异表达基因作用的结果，还没有明确的答案因此能否通过基因表达来达到了解杂种优势形成的遗传基础和预测杂种优势的目的仍有待进一步研究。参考文献(References): 1蔡祖勋，梁庆正，廖世秀，张学宪，王旭肺癌血清P16基因启动子畸变甲基化检测中国肿瘤，2003，12(9)：5365382程宁辉，高燕萍，杨金水，钱曼，葛扣麟水稻杂种一代与亲本幼苗基因表达差异的分析植物学报，1997，39(4)：379