汶上芦花鸡保种群体一对等位基因遗传漂变的计算机模拟

李国辉+韩威+张会永+王洪志+殷建玫+尤哲夫+苏一军

摘 要：小群保种是我国家禽遗传资源保护的一种重要方式。在假定汶上芦花鸡保种群体不发生基因突变的情况下，群体内实行家系等量随机留种，采用计算机模拟方法研究一对等位基因（PRL基因）在群体内的实际频率和假设不同基因频率、不同群体规模保种群体内一对等位基因座位的遗传漂变。模拟试验共进行了800个世代。结果表明：汶上芦花鸡保种群体（群体实际有效含量为102）20世代后等位基因的丢失或固定率达5.34%。在假设群体中，群体规模越大，基因由于随机遗传漂变而发生丢失或固定的概率也越低。群体规模太小以及基因的初始频率过低或过高，均会增加基因丢失或固定的风险。

关键词：汶上芦花鸡；等位基因；基因频率；遗传漂变；计算机模拟

中图分类号：Q34 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.09.015

Abstract：It was an important way by a small group to conserve poultry genetic resources in China. Computer simulation was used to study the genetic drift of alleles gene（PRLgene） in the population actual frequency and the genetic drift of a single biallelic loci assuming different gene frequencies and a closed population of different population sizes， based on the assumption that there was no gene mutation in Wenshang barred chicken conservation population. Random selection and mating were implemented in all generations， the generation was non-overlapping and the number of breeding chicken was kept equal in each generation. The simulation experiment was carried out for 800 generations. The results showed that the loss or fixation rate of allele was 5.34% after 20 generations in Wenshang barred chicken group （group real effective content of 102）. In assumed group， the lower probability of gene loss or fixation resulted from random genetic drift were gained for larger size population. The risk of gene loss or fixation would be increased for smaller population size， lower or higher initial gene frequency.

Key words：Wenshang barred chicken； alleles； gene frequency； genetic drift； computer simulation

畜禽遗传资源是一种特殊资源，是改良畜禽和塑造人类所需要的畜禽新品种的原始材料和基因来源。我国是世界上畜禽遗传资源最丰富的国家，但随着我国经济的高速发展，部分畜禽资源日益濒临灭绝，畜禽遗传资源的保护已成为人们广泛关注的课题[1]。

目前，通过继代繁殖来保存一个家禽群体（保种群）的保种方式仍是保护家禽遗传资源的主要形式。这种原位保种的方式要求尽量保持一个品种的基因库平衡，力争使基因库中的每一个基因都不丢失[2]。因此，在一个有限规模的家禽保种群体中，有效地减少基因丢失或固定的概率，才能保持一个群体的遗传特性和适应性的相对稳定性。在这个有限规模的保种群内，由于继代繁殖过程中配子的随机抽样而导致的遗传漂变（Geneticdrift）是影响群体遗传结构的重要因素[3]。遗传漂变的直接结果就是使基因频率在世代间发生不定向的随机波动，这种波动变化导致某些等位基因的消失，另一些等位基因的固定，从而改变了群体的遗传结构。我国地方鸡种资源的保护通常采用小群保种的方式保种，一般的保种群都是一个闭锁的有限群体，在世代的自繁和基因传递过程中，避免不了发生遗传漂变。保种群体的规模、性别比例以及基因的最初频率是影响保种群体遗传漂变的重要因素[4-5]。

本研究利用计算机模拟的方法，通过实验室检测PRL一对等位基因的频率，旨在揭示汶上芦花鸡保种群群体规模和一对等位基因的起始频率影响群体基因遗传漂变的程度，从而为科学制定地方鸡种保种方案提供一定的理论基础和依据。

1 材料和方法

1.1 试验鸡群

汶上芦花鸡试验群来源于中国农业科学院家禽研究所国家级地方鸡种基因库汶上芦花鸡保种群，随机选取成年公鸡30只，母鸡170只，共200只。翅静脉采血0.5 mL，ACD抗凝，加裂解液5 mL，酚-氯仿抽提法提取基因组DNA。

1.2 基因多态性检测

利用PCR-SSCP技术检测PRL基因的多态性，发现PRL基因在283处座位存在A、a两个等位基因，形成AA、Aa和aa3种基因型。设等位基因A、a的频率分别为p和q（p=1-q），基因型AA、Aa和aa的频率分别为G、E和F。假设保种群体中每个个体彼此间无亲缘关系。群体内实施闭锁繁育，每个世代参与繁殖个体数相同，整个继代繁殖过程中基因不发生突变。endprint

1.3 公式模型

保种群体有效含量的公式是Ne=4NsNd/（Ns+Nd），Ns为公鸡数量，Nd母鸡数量。

随机保种的群体考虑群体遗传结构稳定性的问题，对此本研究参考芒来的文章[6]中建立的数学模型，即假设群体无选择，只考虑一个基因的一个位点上的一对等位基因A、a，一个初始频率为q的基因，于第t代丢失的概率为p，其相对基因的频率为p0，t世代的近交系数为Ft，Ft亦是基因的纯合率。根据上述参数，可以得出：P=[1-（1-1/2Ne）t]（1-q0）。P即为世代基因丢失或固定的概率。

1.4 计算机模拟

采用EXCEL自行编写模拟程序，根据试验群体的群体规模（200只）、性别比例（3∶17）和等位基因A的初始频率（0.392 5），构建0世代基础群。基础群个体的基因型根据等位基因A和a的初始频率随机产生，每个世代均实行家系等量随机留种。后代个体的基因型由随机来自父、母的2个等位基因构成。整个试验共进行了800个世代的模拟，计算出等位基因A、a发生丢失的频率。

2 结果与分析

2.1 PRL基因多态性的实验室检测

PCR-SSCP发现PRL基因调控区的pro2位点发生了24 bp的插入/缺失突变，存在3个基因型（图1）。χ2检验表明（表1），PRL基因多态位点在汶上芦花黄鸡群体处于Hardy-Weinberg平衡状态（P<0.01）。一对等位基因A频率为0.392 5，a频率为0.607 5。

2.2 PRL基因遗传漂变的计算机模拟预测

将PRL等位基因A的起始频率q，群体有效含量Ne等参数输入EXCEL自行编写的程序，模拟800个世代的A的频率变化，结果见表2。

表2的结果表明，在汶上芦花鸡保种群体中，再经历20世代，等位基因A的丢失率为5.34%，80世代时等位基因A的丢失率为18.7%，经历100世代后等位基因A的丢失率为22.4%。如果世代间隔为一年，即400年后A基因丢失率为51.1%，达到一半以上。

在设定的基因频率和群体规模下，一对等位基因丢失概率的数学模型理论预测结果见表3。

表3列出了假设PRL基因在不同初始基因频率下4种群体有效含量（群体规模）模拟等位基因A发生丢失（固定）或固定（丢失）的概率。由此可以得出：无论基因的初始频率如何，等位基因A丢失或固定的概率均随着群体有效含量的降低而升高，且A基因丢失或固定的概率受其初始频率的影响较大，A基因的初始基因频率为0.1和0.9时，每个世代发生丢失或固定的概率基本不变；当初始频率较低时，群体有效含量越大，A基因发生丢失或固定的概率随之减少，群体有效含量为400只时，在第10代时发生A的丢失或固定仅为0.1%；当初始频率为0.5时，所有规模的群体在第10代时出现A基因丢失或固定最小。即便再经历10年，群体有效含量为400只的群体发生A的丢失或固定仅为1.2%。这说明，初始频率过低或过高都会加速基因（A或a）在整个群体中的丢失或固定。

3 结论与讨论

起始基因频率越高，其丢失的概率越小。保存一个基因不丢失，当然其频率越高越有利；群体有效含量越大，丢失基因的概率亦越小。因此，群体的有效含量越大越好，这是符台目前地方鸡种保种的实际情况的。从理论分析结果可以看出，在小群体内基因丢失的概率随着保存世代的增加而逐渐上升，而上升的速度在早期世代快于后期世代。这就提示了，在地方鸡种保种的过程中，对保种早期的世代更应该引起足够的重视。

PRL基因的模拟结果显示，在一个群体规模有限的汶上芦花鸡保种群体内，遗传漂变的作用会导致基因频率在不同世代间发生随机波动，并导致2个等位基因中的1个或早或迟地发生丢失（另1个等位基因固定）。汶上芦花鸡保种群体经过20世代后等位基因A的丢失率为5.34%，基因频率随机波动是发生在单个基因的一个多态位点上，如果将这个频率覆盖整个基因组，基因的丢失率可想而知。如果群体中某一基因的初始频率过低或过高，则会加快该基因的丢失或固定。相反，较大的群体规模，以及中等水平的初始基因频率则有利于降低基因丢失或固定的风险。尽管如此，要想在一个有限规模的保种群体中长期保存每一个基因而无一丢失几乎是不可能的，只能设法通过合理的措施来减缓基因丢失或固定的速率，降低基因丢失或固定的概率。

国家级地方鸡种基因库采用“家系等量随机选配法” 对我国部分地方鸡种进行保护。在保种的过程中，保种群亦是有限规模的闭锁群体，因此，有必要采取科学合理的措施降低随机遗传漂变造成基因丢失或固定的风险，提高基因库的保种效果[7-8]。汶上芦花鸡是我国珍贵的地方品种，原产于山东省汶上县，于2009年引入国家级地方鸡种基因库保存。保种群体由于受到个体的血缘关系、人工选择等影响，实际的保种效果并不能达到模拟的结果，以PRL一对等位基因为例，200只的群体（群体有效含量为102）20世代后等位基因的丢失或固定率达6.18%。受到保种群体规模的限制，只能采取一定的措施，比如可以增加与配公鸡的数量，增加群体的有效含量，或者定期从保种群外（保种场或保护区）引入一定数量的本品种，增加和保持群体内的遗传变异，这对维持群体遗传结构的相对稳定也具有积极的意义。

参考文献：

[1]陈宽维.我国畜禽遗传资源保护理论与方法[J].中国禽业导刊，2009，26（23）：26-27.

[2]吴常信.畜禽遗传资源保存的理论与技术[J].家畜生态，2001，22（1）：1-4.

[3]张沅.家畜育种学[M].北京：中国农业出版社，2001：319-323.

[4]鲁绍雄，毛华明，鲁立刚，等.不同初始基因频率下闭锁群体遗传漂变的模拟[J].江苏农业学报，2009，25（5）：991-996.

[5]张勤.动物遗传育种中的计算方法[M].北京：科学出版社，2007：125-127.

[6]芒来.随机保种群体遗传结构变化规律的研究[J].内蒙古农业大学学报（自然科学版），2002，23（1）：1-8.

[7] DE ROCHAMBEAU H，FOURNET-HANOCQ F，VU TIEN KHANG J.Measuring an dmanaging genetic variability in small populations[J].Ann Zootech，2000，49 ：77-93.

[8]WANG J L.Application of the one-mgrant-per-generation rule to conservation and management[J].Conservation Biology，2004，18（2）：332-343.endprint