基于全基因组重测序的新疆黑猪遗传多样性及选择信号分析

《Genes》：Genetic Diversity and Selection Signal Analysis of Xinjiang Black Pig Based on Whole Genome Resequencing Mingming Tian, Yun Feng, Haitao Wang, Qiang Wang, Jingyang Dong, Haichao Zhao, Fahui Yang, Mengxun Li, Guang Pu and Tao Huang + 4 authors

本研究对新疆黑猪核心保种群体（224头）进行了全基因组重测序，通过分析其遗传结构，发现该种群存在严重的近交，且与长白猪（LD）遗传距离接近。现有选育方案有效保存了F2代遗传多样性。利用FST和θπ互补方法，以新疆黑猪、民猪（MZ）和莱芜猪（LW）为祖先基因库，在F2代中共鉴定出686个显著选择区域，含406个候选基因。结合功能富集分析和数量性状位点（QTL）注释，挖掘出与脂肪沉积、雄性生殖能力、发情周期调控等经济性状相关的关键候选基因，为新疆黑猪的后续育种与遗传研究提供了重要理论基础。

引言

猪作为全球分布最广、适应性最强的家畜之一，深刻影响着人类社会与经济发展。中国拥有丰富的本土猪种资源，其适应性强、繁殖力高、肉质优良，是宝贵的全球猪育种基因库。然而，由于外来品种的引入，近三分之一的中国地方猪种处于濒危状态。新疆黑猪是新疆生产建设兵团在二十世纪九十年代培育的优良品种，但受商业品种冲击，已濒临灭绝。为此，研究团队引入莱芜猪和民猪进行遗传改良，并对现有保种群体展开全基因组重测序，旨在评估保种效果，并为未来的保护、发展和利用策略提供科学指导。

材料与方法

研究采集了224个样本，包括新疆黑猪、民猪、莱芜猪的亲本及其杂交后代（F₁代LM、LX、MX）和F₂代，并引入长白猪作为外群。其中20个样本进行20×高深度测序，其余进行2×低深度测序。通过基因型填补，低深度数据的基因型准确性高达87.8%至89.9%。使用BWA软件将质量控制后的干净读段比对到猪参考基因组（Sus scrofa 11.1），并利用GATK、VCFTOOLS等工具进行变异检测、质量控制与注释。最终获得18,680,617个高质量单核苷酸多态性位点（SNP），其中大部分位于内含子（57.416%）和基因间区（28.179%），外显子区仅占1.851%。

结果

SNP检测与分布

SNP在18条常染色体上分布相对均匀，其中1号染色体SNP数量最多（1,802,035个），18号染色体最少（558,859个）。

新疆黑猪的遗传多样性

遗传多样性分析显示，新疆黑猪的观测杂合度（Ho）与期望杂合度（He）最低（He: 0.218773, Ho: 0.605804），表明其经历了严重的近交，潜在遗传多样性极低。相比之下，F₂代的He与Ho值最为接近（He: 0.330701, Ho: 0.353147），表明现有选育方案有效保存了F₂代的遗传多样性。次要等位基因频率（MAF）≥5%的SNP比例在新疆黑猪中最低（56.41%），在F₂代中最高（96.66%），进一步证实了新疆黑猪经历严重近交，而F₂代等位基因频率分布更集中。

系统发育关系与群体结构分析

邻接树和主成分分析（PCA）结果表明，新疆黑猪与长白猪的遗传距离最近，而民猪和莱芜猪聚在另一端，杂交后代（F₁）和F₂代则分布于四个亲本群体之间。群体混合（ADMIXTURE）分析显示，当假设祖先数K=3时，新疆黑猪、民猪和莱芜猪可被清晰区分，表明新疆黑猪形成了独特的遗传结构。

遗传亲缘关系与连锁不平衡模式

亲缘系数（KING）矩阵显示，新疆黑猪群体内的对角线值为0.32697，高于半同胞值（0.25），再次确认了其严重的近交程度。连锁不平衡（LD）衰减分析表明，新疆黑猪的连锁不平衡水平最高，而F₂代和LM猪最低，这与核苷酸多样性（θπ）分析结果一致，进一步证实新疆黑猪经历了严重近交，而F₂代的遗传多样性得到了较好保存。

新疆黑猪的选择信号检测

为探究现有育种方案对新疆黑猪的遗传改良效果，研究以新疆黑猪、民猪和莱芜猪为祖先基因库，与F₂代进行比较，利用群体分化指数（F_ST）和核苷酸多态性比率（π-ratio）两种方法筛选受选择区域。通过设定统计阈值，共鉴定出686个显著的选择区域。

基因组注释与功能分析

对选择区域进行基因注释，共得到406个候选基因。基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析显示，这些基因显著富集于肾脏发育、细胞分化与增殖、细胞生理过程等相关通路。通过与猪数量性状位点数据库（PigQTLdb）记录的QTL进行交叉分析，发现有20个候选基因与已知的QTL重叠，涉及日增重、产仔数、脂肪酸代谢等生产性状。其中，SOX5、HMG20A和NEDD4与脂肪沉积相关；SPRY1、MNS1、DMXL2和ALB与雄性生殖能力密切相关；ARPP19和TLN2与发情周期调控和卵母细胞成熟有强烈关联；SLC4A4和SLC12A1则对渗透调节和胎儿存活至关重要。

讨论

本研究通过高、低深度全基因组重测序，系统揭示了新疆黑猪保种群体的遗传背景。遗传多样性分析证实该群体存在严重近交，遗传多样性低。系统发育分析表明新疆黑猪与欧洲长白猪遗传距离较近。F₂代在现有选育方案下遗传多样性得到了有效保存，展现了杂交改良的积极效果。通过选择信号分析鉴定出的关键候选基因，为深入理解新疆黑猪肉质、生长和繁殖等经济性状的遗传机制提供了重要线索。例如，SOX5通过激活BMP-R-Smad信号通路促进脂肪生成；HMG20A是脂肪细胞分化的关键负调控因子；NEDD4在脂质代谢和肝脏修复中起保护作用。在繁殖性状方面，SPRY1是维持睾丸免疫稳态的关键分子；MNS1对精子鞭毛的结构和功能不可或缺；DMXL2通过调节促性腺激素释放激素（GnRH）脉冲分泌影响青春期启动。这些发现不仅深化了对新疆黑猪人工选择遗传机制的理解，也为该品种后续的育种和遗传研究奠定了坚实的理论基础。

结论

本研究利用全基因组重测序技术，全面评估了新疆黑猪保种群体的遗传多样性与种群结构，证实了其低遗传多样性及与长白猪的紧密遗传联系。通过构建祖先基因库与F₂代进行比较，成功检测到与生长、发育和繁殖能力相关的选择信号，并鉴定出一系列潜在的关键候选基因。这些研究成果为新疆黑猪这一濒危地方品种的资源保护、遗传改良和可持续开发利用提供了宝贵的数据支持和理论依据。