虾夷扇贝养殖群体的遗传力估算

梁 峻,郑怀平李 莉张国范

(1.中国科学院 海洋研究所,山东 青岛 266071;2.中国科学院研究生院 北京 100039)

在数量性状遗传研究中,遗传力的估算具有重要的意义。一方面它指出了在所研究的群体及所处的环境中,在一个性状的表型变异上遗传因素和环境因素的相对重要性。另一方面对于育种值估计、选择指数的制定、选择反应预测、选择方法比较以及育种规划决策等具有重要的作用。

许多研究工作者利用回归分析、选择反应和全同胞(或半同胞)对贝类的遗传力进行了分析。主要包括长牡蛎(Crassostrea gigas)[1]、美洲牡蛎(Crassostrea virginica)[2-3]、欧洲食用牡蛎(Ostrea edulis)[4]、硬壳蛤(Mercenaria mercenaria)[5-6]、红鲍(Haliotis rufescens)[7]、皱纹盘鲍(Haliotis discus hannai)[8]。

虾夷扇贝(Patinopecten yessoensisJay)作为优良的海水养殖对象,自 1982年引进中国后,一直是我国北方最重要的海水养殖种类之一[9-10]。特别是近年来随着虾夷扇贝遗传育种工作开展,对其遗传参数的评估日趋重要。为此,作者以虾夷扇贝养殖群体为研究对象,在2007年采用平衡巢式设计建立了32个全同胞家系对虾夷扇贝养殖群体的遗传力进行了评估。本研究的结果能够为虾夷扇贝遗传育种工作的进一步开展提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 实验亲贝及促熟

实验所用的亲贝为来自大连长海哈仙岛的浮筏养殖群体,均为形状规则、健壮的二龄贝,于 2007年2月27日开始在庄河海洋村贝类育苗场进行促熟,整个过程遵循严格的生产技术流程。亲贝表面清洗干净后分别置于扇贝笼中 (每笼10层,每层4个)后放在60 m3的水池进行人工控温促熟。亲贝促熟的水温由开始的2℃逐渐升高,日升温0.2～0.5℃,在3、5、7℃时分别稳定3～6 d,最后升到9℃恒温待产。促熟期间,日换水1～2次,日投喂4～8次,投喂亲贝的饵料为小硅藻Nitzschia closterium30～60万个/d,螺旋藻粉 2×106～6×106g/(mL·d),鸡蛋 2×106～6×106g/(mL·d),随水温升高根据亲贝的摄食需要逐渐增加。当性腺发育完全成熟时,可用于催产。

1.2 亲贝催产、全同胞家系的建立和幼体培育

随机选取性腺发育完全成熟的8个雄贝和32个雌贝,阴干2 h后,亲贝被单独分别放入80 L塑料桶中水温由9℃提至13℃进行诱导产卵、排精。约30 min后亲贝开始陆续排放精子和卵。每个亲贝排出的卵被平均放在3个80 L的塑料桶中 (桶已编号)。之后,通过巢式平衡实验设计,每个作为雄亲亲贝产生的精子与 4个作为雌亲亲贝产生的卵分别交配,产生了8个父本半同胞家系群和32个全同胞家系。每个家系的受精卵被被单独地放在 80L的塑料桶中进行孵化,孵化水温13℃、盐度30。约72 h 后,D 型幼虫孵出。

每个家系的幼虫被定量后单独地放入80 L的塑料桶中培养,幼虫的起始培养密度被设置为 10个/mL。幼虫培育水温由选育时的14℃随换水逐渐升高,直至 16℃开始恒温培养,各家系的幼虫被培养在相同的环境条件下,包括密度、饵料、水温、盐度等。幼虫的前期饵料为金藻,后期为金藻+小硅藻,投饵量和投饵次数随幼虫年龄的增大而增加。每天全换水一次,换水时,桶被迅速彻底清洗。注意操作,保证家系间的隔离。

1.3 稚贝的保苗和养成

20d时幼虫开始陆续出现眼点,当 30%左右的幼虫出现眼点时,开始投放附着基(聚乙烯网片 2片)。在60 d时,网片被装入60目的聚乙烯网袋中,到虾圈进行稚贝保苗,100 d时将聚乙烯网片上的稚贝全部涮洗下来,装入40目聚乙烯网袋中到海上挂养进入幼贝养成期。当稚贝的壳高达到 10mm以上时,被从网袋中移入扇贝暂养笼(网径 0.5cm),每层250个;随着扇贝的生长,每层降至 100个、至 50个。而后进入养成笼(带有标记牌),每层30个,期间更换扇贝笼 2～3次;每次换笼时,死亡的个体被记录、剔除,重新分层,使每层30个,从而把环境效应降至最小。

幼虫培育、稚贝的保苗和养成过程中,任何个体没有被随意地丢弃。

幼虫培育和稚贝保苗在庄河海洋村贝类育苗场的扇贝育苗车间和室外虾池中完成;在大连长海县哈仙岛海域养成。

1.4 取样与测量

幼虫期,在1,5,10,15和20 d时取样,每个家系每次取样 50个,用4%的福尔马林杀死,在 100×的显微镜下用目微尺测量壳长、壳高;稚贝期,在日龄40和60 d时取样,每个家系每次取样30个,在40×的显微镜下目微尺测量壳长、壳高;在养成期,当日龄 500 d时已达到商品规格,每个家系每次取样 30个,用游标卡尺(精度 0.02 mm)测量壳长、壳高,电子天平称全湿质量(精度0.1g)。

1.5 数据分析

全同胞和半同胞的方差是表型变量剖分为遗传组分和环境组分的基础,全同胞和半同胞之间的方差分析见表1。

表1 半同胞家系和全同胞家系遗传力估计方差分析Tab.1 Variance analysis of esitimation of heritability for half-sib families and full-sib families

每个雄亲与相同数目的雌亲交配,每个雌亲产生相同数目的子女时,K1=K2为每个雌亲的子女数目,k3为每个雄亲的子女数目。

方差分量σ2S是由于雄亲组不同而引起的,这些组是由同父异母的半同胞构成,因此σ2S是半同胞协方差;方差分量σ2D是由于雌亲组不同而引起的,这些组是由同父同母的全同胞构成,因此σ2D是全同胞协方差;方差分量σ2W包含了剩余的遗传方差和环境方差。它们分别由下面的公式求得：

由全同胞分析可得到三个遗传力的估计值。根据原因方差组分与协方差之间的关系,估计遗传力的公式如下：

父本半同胞估计的狭义遗传力为半同胞组内相关系数的4倍

母本半同胞估计的狭义遗传力为半同胞组内相关系数的4倍

全同胞估计的狭义遗传力为全同胞组内相关系数的4倍

是半同胞遗传力、h2D是全同胞遗传力、h2SD是半同胞与全同胞的平均遗传力。理论上,这3个遗传力的估计值应该相等。然而,实际估计时三者间总是存在着一定的偏差。在满足全同胞资料估计遗传力的条件下,一般以h2SD为准,因为它是雄亲组分估计和雌亲组分估计的平均值。

巢式方差分析用SAS软件基于GLM模型的限制性最大似然方法进行(SAS Institute Inc,1990)。应用统计模型为：

其中,Yijk是第i雄亲与第j雌亲交配而得的第k个子女的观察值,µ为共同均数,αi为第i雄亲的效应,βij为与第i雄亲交配的第j雌亲的效应,eijk是归因于个体的不可控环境和遗传离差。

所有的统计分析均用SAS8.0软件进行,差异的显著性都设置为P＜ 0.05,显著性检验采用t检验(P＜ 0.05)[11]。

2 结果

2.1 表型性状的变异系数

表2 和表3列出了在幼虫期(1日龄、5日龄、10日龄、15日龄、20日龄)和稚贝期(40日龄、60日龄)这两个早期发育阶段表型性状(壳长、壳高)的平均值、标准差和变异系数。变异系数值随日龄的增长而加大,在壳长与壳高上的结果一致。这样的结果表明随日龄的增长,个体间差异增加。

表2 幼虫期、稚贝期壳长的平均值、标准差(±S.D.)及变异系数(CV)Tab.2 Mean,S.D.and CV of shell lengths at larve or spat stage

表3 幼虫期、稚贝期壳高的平均值、标准差(±S.D.)及变异系数(CV)Tab.3 Mean,S.D.and CV of shell heights at larve or spat stage

表4列出达商品规格时测量性状(壳长、壳高、壳宽)与称量性状(全湿质量)的平均值、标准差和变异系数。变异系数在测量性状(壳长、壳高、壳宽)与称量性状(全湿质量)间明显不同,测量性状的变异系数小于称量性状的变异系数。这样的结果说明虾夷扇贝在称量性状(全湿质量)个体间差异比壳长、壳高、壳宽等测量性状个体间差异更大。

表4 达商品规格时生产性状的平均值、标准差、变异系数Tab.4 Mean,S.D.and CV of yield traits of market standard

2.2 亲本对后代的影响

方差分析表明,雄亲和雌亲对不同发育阶段(幼虫期、稚贝期、养成期)的测量性状(壳长、壳高)都能够产生显著的影响(表5)。雄亲和雌亲对达商品规格时测量性状(壳长、壳高、壳宽)及称量性状(全湿质量)也都能够产生显著的影响(表6)。

表5 不同发育阶段壳长、壳高的方差组分分析Tab.5 Variance analysis of shell lengths and shell heights at different stage

2.3 表型性状的遗传力估计

根据表5中的方差组分估计的虾夷扇贝在雄亲和雌亲对不同发育阶段(幼虫期、稚贝期、养成期)的测量性状(壳长、壳高)的半同胞遗传力h2S、全同胞遗传力h2D以及半同胞与全同胞的平均遗传力h2SD等被列在表7、表8中。由表可知,壳长的半同胞遗传力h2S从0.186到0.364,全同胞遗传力h2D从0.383到0.838,半同胞与全同胞的平均遗传力h2SD从0.307到0.521,t检验表明壳长的半同胞遗传力均未达到显著水平,但全同胞遗传力和平均遗传力都达到显著水平(P＜ 0.05);壳高的半同胞遗传力h2S从0.171到0.381,全同胞遗传力h2D从0.346到0.464,半同胞与全同胞的平均遗传力h2SD从0.280到0.423,t检验表明壳高的半同胞遗传力均未达到显著水平,但全同胞遗传力和平均遗传力都达到了显著水平(P＜0.05)。壳长、壳高的全同胞遗传力h2D均高于半同胞遗传力h2S和半同胞与全同胞的平均遗传力h2SD。在不同生长期,壳长、壳高根据父系半同胞估计的遗传力水平逐渐增加,变化范围分别为 0.186～0.364、0.171～0.381;根据母系半同胞家系估计的遗传力水平逐渐变小,变化范围分别为0.856～0.383、0.726～0.346。

根据表6中的方差组分估计的虾夷扇贝在收获时的壳长、壳高、壳宽、全湿质量等四个生产性状的半同胞遗传力h2S、全同胞遗传力h2D以及半同胞与全同胞的平均遗传力h2SD等被列在表9中。4个生产性状的半同胞遗传力h2S从0.257到0.384,t检验表明4个生产性状的半同胞遗传力均未达到显著水平;4个生产性状的全同胞遗传力h2D从0.369到0.769,t检验表明 4个生产性状的全同胞遗传力均达到了显著水平(P＜ 0.05);4个生产性状的半同胞与全同胞的平均遗传力h2SD从0.358到0.513,t检验表明它们都达到了显著水平(P＜ 0.05)。

表6 成体期测量性状与全湿质量的方差组分分析Tab.6 Variance analysis of traits and total weight at adult stage

3 讨论

遗传力是数量遗传学中最重要、最常用的基本遗传参数,也是数量遗传学的最重要的特征值之一[12],在整个数量遗传学中起着十分重要的作用。同时,估计遗传力对遗传育种具有重要的指导意义,它有助育种方案制定的合理化。遗传力的大小直接影响选择反应的效果。一般而言,基于加性方差估算的遗传力越大,选择反应的效果越明显。而对于遗传力低的性状,选择反应的效果不明显。对于遗传力较低的性状,育种的策略为高强度选择、家系选择和群体(或品系)杂交。

表7 不同阶段壳长的遗传力、标准误(±S.E.)及显著性检验的t值Tab.7 Heritability,S.E.of heritability,and significance test of shell lengths at different stages

表8 不同阶段壳高的遗传力、标准误(±S.E.)及显著性检验的t值Tab.8 Heritability,S.E.of heritability,and significance test of shell heights at different stages

表9 成贝期壳长、壳高、壳宽与全湿质量的遗传力估计Tab.9 Estimation of heritability of shell length,shell height,shell width,and total weight at adult stage

进行遗传力的估计有助育种方案制定的合理化。估计遗传力的方法回归法、全同胞(或半同胞)相关法和利用选择反应进行遗传力的估计。有关贝类遗传力的报道较多。国内外利用同胞家系估计贝类遗传力的研究一直都有报道。Lannan[1]利用同胞家系估计长牡蛎C.gigas在 18月龄的体重和肉体重的遗传力分别为 0.33和 0.37,幼体存活率和附着率的遗传力分别为0.31和0.09。Newkirk[2]估计6和16日龄美洲牡蛎C.virginica幼虫的半同胞遗传力分别为 0.39和 0.50,全同胞遗传力分别为 0.51和 0.60;Davis[13]估计美洲牡蛎C.virginica幼虫壳长的半同胞遗传力为0.44(选择群体)和0.14(未选择群体),7月龄体重与壳长的半同胞遗传力分别为 0.51和 0.10;Rawson 等[5]利用同胞分析法估计硬壳蛤M.mercenaria在稚贝 9月龄时壳长的半同胞遗传力为0.91,全同胞遗传力为 0.57,半同胞与全同胞的平均遗传力为0.74;Hilbish等[6]利用巢式设计估计硬壳蛤M.mercenaria壳长在受精后第2、10和270天的半同胞遗传力为 1.08、0.82和 0.85,全同胞遗传力为0.67、1.28和0.91。此外,Jonasson[7]采用不平衡设计估计红鲍Haliotis rufescens四月龄成活率的遗传力为0.11,8月龄和17月龄壳长的遗传力分别为 0.08和 0.30。邓岳文[8]利用巢式平衡设计估计皱纹盘鲍Haliotis discus hannai10日龄、20日龄、30日龄壳长的半同胞遗传力从0.232到0.365、全同胞遗传力从0.175 到0.747、平均遗传力从0.202到0.489,壳宽的半同胞遗传力从0.181到0.316、全同胞遗传力从0.104到0.604、平均遗传力从0.142到0.428。从这些报道中不难发现,贝类遗传力的变化幅度比较大。本研究结果同样发现虾夷扇贝的遗传力有较大的变动范围,如达到商品规格时,4个生产性状(壳长、壳高、壳宽、全湿质量)的半同胞遗传力h2S从0.257到 0.384,全同胞遗传力h2D从 0.369到 0.769,半同胞与全同胞的平均遗传力h2SD从0.358到0.513,t检验表明它们都达到了显著水平(P＜ 0.05)。

本研究采用巢式设计和父系半同胞相关分析法对虾夷扇贝不同发育阶段(幼虫期、稚贝期、养成期)壳长和壳高的遗传力进行了估计,壳长遗传力估计范围为0.307～0.521,壳高遗传力估计范围为0.280～0.423。与其他贝类相比,在虾夷扇贝生长发育过程中,壳长和壳高的遗传力为中等大小。

遗传力不仅是性状的特征而且也是群体和个体所处环境的特征。遗传力的估值取决于各方差成分的数值。其中,遗传方差受研究群体的基因频率影响;环境方差受培育条件的限制。当指某性状的遗传力时,它应属于特定的条件下的特定群体。因此,对于不同种或者同种不同地理群体,估算的遗传力具有一定的差异。此外,根据全同胞家系估计的遗传力,其中包含了显性效应和母本效应。许多参考文献报道了在贝类幼体发育过程中,存在较大的显性效应和母本效应。一般认为,基于全同胞资料估计的遗传力,较遗传力实际值偏大,其中包含了显性效应和母性效应,这种设计方法难以克服其自身缺陷。本研究采用巢式设计和父系半同胞相关分析法,克服了用全同胞资料估计遗传力的缺点,采用随机抽样,代表性强,估计结果精确合理。

在本研究中,基于家系内的个体进行遗传力的估算。然而,在所测定的生长阶段随着生长,家系内个体间的差异增加,从而导致环境方差比例增加和加性方差比例下降,因此随着生长,壳长和壳高的遗传力逐渐降低。遗传力的大小直接影响选择反应的效果。一般而言,基于加性方差估算的遗传力越大,选择反应的效果越明显。而对于遗传力低的性状,选择反应的效果不明显。

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