保种猪场系谱记录、管理及群体遗传结构分析——以莱芜猪为例

郝鑫宇，冯 健，孙延晓，陈琳琳，王起山，潘玉春,3*

（1.上海交通大学农业与生物学院，上海 200240；2.山东省莱芜市莱芜猪原种场有限公司，山东莱芜 271100；3.上海市兽医生物技术重点实验室，上海 200240）

经过几千年的自然与人工选择，我国培育出了大量地方品种猪。根据第二次全国畜禽遗传资源普查及其后续补充调查，目前我国尚存83 个猪地方品种，其中有6 个品种含多个地方类群，亦即品种/类群共有105 个[1]。这些遗传资源是在我国特定的地理、生态环境下形成的，与传统的社会、经济条件相适应，因此大多数具有肉质鲜美、产仔数多、适应性强等特点。

为保障养猪业的可持续发展，满足人们日益增长并且不断变化的消费需求，农业农村部已组织开展了一系列保种工作。首先，完善了组织体系与法制法规。1997年成立了国家畜禽遗传资源委员会。根据《畜牧法》，颁布了《国家级畜禽遗传资源保护名录》，制定了《畜禽新品种配套系审定和遗传资源鉴定办法》《畜禽新品种配套系审定和遗传资源鉴定技术规范》《畜禽遗传资源保种场保护区和基因库管理办法》等。其次，完善了原产地保护和异地保护相结合、活体保种和遗传物质保存互为补充的地方畜禽遗传资源保护体系。目前，44个猪地方品种/类群被列入国家级保护名录，建立了55个国家级保种场、6 个保护区。同时，抢救性保护了大蒲莲猪、深县猪等遗传资源。

但在《畜禽遗传资源保种场保护区和基因库管理办法》中，只对国家级保种场的群体规模及家系数量做了规定——母猪100 头以上，公猪12 头以上，三代之内没有血缘关系的家系数不少于6 个。实践当中，大多数国家级保种场均力争满足这些要求，并且高度重视系谱。系谱（Pedigree）是指反映动物本身及其祖先的信息资料，可以用于指导选配、选种，进而控制群体遗传结构、保持群体内的遗传多样性。各保种场对系谱记录及其档案管理倾注了大量心血，并且因时制宜地提出和采纳了一些应用系谱进行保种的措施。但是实际工作情况及应用系谱对群体遗传结构分析效果如何？实践中对保种的理解、措施，例如家系、血统及其划分，是否适应新的时代？对于这些问题有必要开展调查研究。

莱芜猪是原产于山东省莱芜市的地方品种，历史悠久，并以肌内脂肪含量高闻名于世。2006 年，莱芜猪被列入《国家级畜禽遗传资源保护名录》；2009 年，莱芜猪原种猪场成为国家级畜禽遗传资源保种场。本研究以莱芜猪保种群为例，分析我国当前保种实践中在系谱记录、档案管理、系谱应用中存在的共性问题，进而提出合理、有效的措施与解决方案。

1 材料与方法

1.1 实验材料 本研究以山东省莱芜市莱芜猪原种场保种群作为调研对象，统计场内2018 年12 月的在群种猪个体信息，并向前追溯了这些个体的系谱，包括个体耳号、出生日期、亲本信息等。

1.2 系谱分析

1.2.1 近交系数与亲缘系数 本研究对在群个体系谱数据进行梳理，并将梳理后的系谱数据整理成包含个体、父亲、母亲、出生日期4 列信息的文件格式。首先利用R 语言order 函数对个体进行排序，之后利用R 语言 pedigree 包（https://CRAN.R-project.org/package=pedigree）计算莱芜猪保种群个体加性遗传相关矩阵（A）。该矩阵由个体间的亲缘系数r组成，根据计算出的A矩阵，列出矩阵对角线Djj，根据公式Ft=Djj-1得到每个个体的近交系数。

1.2.2 实际的群体有效含量 群体有效含量（Ne）是指与实际群体有相同基因频率方差或相同杂合度衰减率的理想群体含量。在此，理想群体是指群体足够大，群体内雌雄个体数相同并随机交配，每个个体产生的后代数相同，无世代重叠，无选择、突变、迁移等因素影响群体遗传平衡现象发生的群体。根据数量遗传学理论Falconer[2]，若群体中种公、母畜分别为Nm和Nf，则群体在各家系等量留种的情况下有效含量为：

假设起始群体的近交系数为0，则t 世代的近交系数为：

而群体每一世代的近交系数增量为：

进一步地，根据《家畜遗传资源濒危等级评定（NY/T 2995-2016）》，假定2.5 年1 个世代，可以计算出经历过去一段时间内后当代的平均近交系数（Ft。），比较Ft。与实际的群体平均近交系数Ft可对过去的留种方式、群体有效含量等做出有效的掌握和判断。

1.2.3 家系的数量及其分布 根据A矩阵，通过聚类分析法对个体聚类，具体利用R 语言中hclust函数中的最长距离法进行分类，画出系谱聚类图，决定分类的数目和各分类的个体。个体间遗传距离（D）：D=1－r，r为个体间亲缘系数。利用perl 脚本将A矩阵处理为MEGA 7[3]遗传结构分析软件的文件格式，用此构建反映个体间遗传关系的系统进化树（Neighbor-joining tree，NJ-tree），以此构建莱芜猪系谱结构图。

据刘亚楠、许燕等人的统计，至2010年时全球已有15个国家进行了400 多项有关TMT的研究，多数研究证实了其基本假设。[4] 但随着研究的不断深入和涉及范围的不断扩大，也出现了很多对TMT不利的证据，引发了大量的争论和质疑，继而延伸出了许多新的研究热点。 但令人遗憾的是，这些研究中的绝大多数都是在西方文化背景中进行的，国内相关研究仍然非常缺乏，由于死亡觉知具有明显的文化约束性，探索中国人独特的恐惧管理机制，将是国内研究者努力的方向。

2 结果与讨论

2.1 系谱记录

2.1.1 连续性与完整性 调查发现，场内在群个体系谱仅可向前追溯至2009 年的数据，2009 年以前的系谱由于数据的大量缺失导致无法继续追溯。档案记录显示，莱芜市于1973 年建立了国营猪场——莱芜猪保种繁育场；1978 年组建了保种选育群进行保种繁育，同时在莱芜市建立了2 个繁育场；1982 年对猪群进行整顿，同时在面广量大的莱芜市及周边地区再次进行猪源调查，重新组建了75 头含6 个血统、26 个祖系的保种选育基础群和40 头规模的繁育群；1991 年，莱芜市种猪场（莱芜猪种猪繁育场）在莱芜市莱城区孙故事村建成投入使用，原苗山莱芜猪原种场撤销，原种场莱芜猪猪群整体转入该场；1993 年原泰安市杨庄莱芜猪种猪场移交给莱芜市；2000 年在莱芜市种猪繁育场建立了存养莱芜基础母猪200 头，占地33333 m2建筑面积为4 000 m2的高标准原种场，并新组建了无病原猪群体。考虑到由于莱芜猪场历史变迁等原因导致档案可能出现不连续不完整的情况，因此保种场应及时对场内时刻动态变化的猪群建立电子档案，并在地方猪品种登记平台上随时登记个体信息，保证系谱信息在各个阶段连续与完整。此外，对于之前缺失无法挽回的数据造成系谱不完整，可能导致在其应用分析过程中A矩阵准确性下降。为此，需要进一步利用分子标记构建系谱。

2.1.2 正确性与准确性 在整理已知的系谱数据过程中发现的具体问题见表1。

表1 系谱中存在的问题

根据地方猪品种登记管理办法（http://klab.sjtu.edu.cn/pigbreeds/index.html）[4]，个体号实行全国统一的编号规则，编号由15 位字母和数字构成，如图1 所示，各保种场应按照自己的实际情况，建立起属于自己的编号系统，避免耳号出现重复、错误等问题。

图1 种猪个体编号

具体编号原则：前2 位用英文字母表示品种；第3～7 位用英文字母或数字表示场号（由农业农村部统一认定）及分场号；第8～9 位用公元年份最后二位数字表示个体出生时的年度；第10～13 位用数字表示场内窝序号；第14～15 位用数字表示窝内个体号，公猪用奇数表示、母猪用偶数表示。

对耳号重复且并无法区分、记录错误以及可能为杂交个体的莱芜猪进行过滤后，现有纯种莱芜猪163 头，其中公猪18 头，母猪145 头。将莱芜猪的在群个体电子档案上传至地方猪登记平台上，并追溯到保种群的上溯3 个世代共360 头莱芜猪个体信息。

2.2 亲缘系数与近交系数

2.2.1 计算方法 系谱记录最主要的目的在于指导选配，进而控制近交、避免遗传多样性的流失。所以，保种当中特别重视个体的近交程度和两两个体间的亲缘关系。

衡量近交程度可用近交系数。近交系数定义：近交系数是指个体所由形成的2 个配子的加性基因效应间的相关[5]；近交系数可定义为一个个体任一基因座上2 个等位基因为同源相同的概率[6]。依据后一定义，假设一个个体x的近交系数Fx，追溯出x的所有共同祖先，计算Fx公式如下：

式中，k为共同祖先数，Fi为第i个共同祖先，ni1与ni2分别为由x的父母到第i个共同祖先的代数。

然而，在实践中要追溯每个个体2 个亲本间的共同祖先及其世代传递路径是极其困难的且易发生错误。因此，近交系数计算也可采用另外一种方法——共亲系数[6]。任意2 个个体的共亲系数是从这2 个个体所产生的配子中各随机抽取一个所携带的基因同源相同的概率，所以等于二者交配时所生后代的近交系数，亦即：

据此可以相对简单地计算出任意一个个体的近交系数，因为只需要计算该个体的2 个亲本间的共亲系数即可。由于实践当中自起始群体开始个体随着时间推移逐渐产生，每个个体的父母较易准确记录、追溯，且当群体不大时其父母间的共亲系数也较易记录、存贮，所以这种方法较之（1）式更为实用一些。但当群体较大或历史较长时，没有软件和计算机，这种方法应用起来仍较困难。

控制近交系数高低，关键在于配种个体间的亲缘系数——2 个个体因为具有共同祖先而造成的加性基因效应间的相关。对应（1）式，2 个个体s、d 间的亲缘系数可以如下计算：

同理，利用共亲系数的概念，采用下式计算亲缘系数更加实用：

调查发现，无论哪种方法在实践中都是困难的，且在实践中并没有参考群体中个体的近交系数和亲缘系数进行选配。出现这种情况的原因在于除了档案记录之外，还需要花费大量时间和精力对档案进行整理和计算。为此，各个保种场通过地方猪登记平台对场内个体信息登记并利用育种软件计算近交系数及亲缘系数进行快捷的选择选配是十分有必要的。

2.2.2 计算结果 亲缘系数与近交系数的评估是估计群体内个体间的关系的重要指数，同时也是选配与保护利用的依据所在。本研究针对2009—2018 年的360 条记录进行分析，并计算了163 个个体近交系数和13 203对亲缘关系对，统计结果见表2。结果显示，163 头保种群莱芜猪平均近交系数为0.034，平均亲缘系数为0.106；145 头莱芜母猪平均近交系数0.035，平均亲缘系数为0.105；18 头莱芜公猪平均近交系数0.028，平均亲缘系数为0.1。可以看到公猪间的亲缘系数和近交系数相对母猪较低一些。

表2 近交系数和亲缘系数描述性统计

近交系数和亲缘系数分布情况见图2，个体近交系数和亲缘系数分布在各个区间内。大部分个体没有近交情况，绝大多数个体近交系数在0～0.15，少部分个体近交程度比较高，近交系数最高为0.25。绝大部分个体间的亲缘系数在0～0.35，亲缘系数最高的为0.579。群体整体近交程度较低，个体间的亲缘关系较远。

图2 近交系数（A）和亲缘系数(B)分布图

2.3 实际群体有效含量 对莱芜猪2009—2018 年的保种群个体划分为4 个世代，根据145 头母猪、18 公猪按照各家系等量留种方式计算群体有效含量为92.19 头，平均近交系数年增量为0.5424%。理论上按照等量留种的方式莱芜猪当代群体平均近交系数Ft应为2.15%，实际上当代的群体近交系数Ft。为3.50%。出现Ft。大于Ft这种现象的原因在于在过去一段时间的生产实践中群体内没有按照等量留种的方式，部分个体采了随机留种的方式。随机留种相较于各家系等量留种会使群体有效含量降低，群体近交增量提高，并且对于这种偏移家系留种的方式，会导致群体近交程度的升高甚至出现基因遗传漂变。因此，保种仅通过控制公母数量、家系数量的要求不足以控制群体近交增量。然而在实际中由于疾病疫情等因素，实践中几乎无法严格按照等量留种方式留种，故应尽量考虑公母比例及血统关系，尽量保证群体有效含量，保持群体动态平衡。

2.4 家系数量及其分布

2.4.1 全群 依据农业农村部颁布的《畜禽遗传资源保种场保护区和基因库管理办法》，符合种用标准的单品种基础畜禽数量要求母猪100 头以上，公猪12 头以上，3代之内没有血缘关系的家系数为6 个以上。3 代之内没有血缘关系，则2 个个体间亲缘系数应该小于0.062 5（图3）。基于A 矩阵构建个体间聚类图，由图3 可知，现存莱芜猪保种群家系均划分为13 个家系，大部分家系群体数量较为合理，但部分家系个体比较少，如7 号和12 号家系。

图3 莱芜猪亲缘系数聚类图

2.4.2 公猪 利用本研究的系谱聚类法对18 头莱芜公猪进行聚类分析，其亲缘系数聚类图见图4。根据3 代之内没有血缘关系的原则，当亲缘系数取0.0625 时，18头猪可以分成7 个血统，当亲缘系数取0.2 时，18 头猪可以分成10 个血统。表明随着亲缘系数的增加，血统数量也将增加，这也与王起山等[7]研究结果相一致。

利用加性遗传关系A矩阵构建的反映邻近个体关系的莱芜猪群体内系谱结构见图5， 18 头公猪在各个家系中整体分布较为均匀。

图4 18 头莱芜公猪亲缘系数聚类图

2.4.3 问题 因为实践当中近交系数、亲缘系数难以计算，人们采用了变通措施——家系。通过以家系为抓手，在实际生产实践中采用不同家系中的个体进行选配，这种方式相较于根据个体间亲缘系数选配会因为个别家系数量少或选配中混淆家系个体等情况出现近交。调查发现，虽然莱芜猪家系数量较多，但家系中个体数量分布不均衡，保种过程中存在着关注家系的数量，却忽视了家系结构的现象。

图5 18 头公猪分布情况

此外，家系划分通常是基于起始群体中的个体都假定为无亲缘关系的个体。本研究利用聚类分析将可追溯的第3 世代的个体当作起始群体。然而，这些个体可能存在一定的亲缘关系，因此，如果能追溯更多代的祖先则可以更准确反映群体结构。另外，保种群之前的共同祖先造成了大量基因位点的同态相同，而遗传多样性同基因组中同态相同的基因位点数密切相关。因此，在基因组时代，应关注基于分子标记构建系谱，切实反映群体真实的血统关系。

猪的常规保种主要是以维持群体遗传结构不变作为目标。为此，根据Hardy-Weinberg 定律，通常建议采取如下保种措施：①尽量扩大群体规模；②公母数量尽量趋近；③各家系尽量等量留种，在此家系是指成为下一世代繁殖个体的1 个个体的后裔数目；④亲本贡献尽量一致；⑤各世代的群体规模尽量不要突然向下波动；⑥世代间隔尽量延长。

3 结 论

本研究以莱芜猪保种群系谱档案作为案例，探析了当前保种场系谱记录、管理及应用系谱对群体遗传结构效果分析中存在的共性问题。对于大部分保种场，系谱中仍存在不完整、不连续及准确性等问题。因此各个保种场应加强档案管理，及时建立电子档案及规范耳号编号、系谱记录流程，避免给后续的育种分析带来困难与阻碍。应用系谱分析时应与时俱进，各家系尽可能等量留种，但在选配中不应过多的强调家系和血统，在实践中充分重视中国地方猪品种登记平台的信息登记、储存及软件利用。此外，本研究仅局限于系谱对保种群遗传结构进行分析，由于系谱缺陷和孟德尔抽样误差等原因，可能无法反映群体真实的遗传结构。因此，后续在基于系谱分析遗传结构的同时，有必要进一步通过结合分子标记优化遗传结构，从而有助于种质资源的有效保护及合理利用。