近交衰退分子机理的研究进展

薛 倩，朱云芬，李国辉，曹愉夏，张会永，殷建玫，窦新红，苏一军，王克华，韩 威*，邹剑敏*

(1.中国农业科学院 家禽研究所，江苏 扬州 225125;2.江苏省家禽科学研究所 科技创新中心，江苏 扬州 225125)

近交(inbreeding)是指亲缘关系很近的个体间的交配，亦称近亲交配。近交会产生消极影响：(1)导致群体遗传多样性降低；(2)引起近交衰退(inbreeding depression)。研究表明，近交不仅会引起存活率、繁殖力、疾病易感性等适应性性状的衰退[1]，还会引起产蛋、产奶、绒毛等生产性状的衰退[2]。此外，近交还会对骨组织、血清中的离子浓度和激素水平[3-4]以及ATP和酶活力[5]等生理生化指标造成影响。

近交衰退的发生具有不确定性[6]。据过去诸多报道，动植物近交衰退在发生的世代[7]、生长阶段[8]、性状[2,9]、性别[10-12]等方面均存在不确定现象，且近交衰退对不同物种的影响程度不同。在绵羊[13]和鸟类[14]的研究上发现，试验种群与野生种群相比更容易发生近交衰退。同一种群相同近交程度的个体表现出的衰退也不尽相同[15-16]。此外，近交与环境具有互作效应，近交个体对冷应激[17]、热应激[18]、氧化应激[19]等环境压力条件更敏感，在恶劣环境中更容易表现出衰退甚至死亡。在果蝇中，随着压力的解除，衰退现象会减缓[10]；在甲虫中，亲代抚育也会减缓近交衰退[20]。在哺乳动物绵羊[21]、马鹿[22]中，母亲的近交更容易影响到后代的体重、存活率等；在马氏珠母贝上也发现了近交衰退与母本效应有关[23]。

但是近交也具有积极意义。在育种中，通过近交增加品系群体内等位基因纯合度，减少世代传递过程中的基因型分离(表型分离)，是纯化优良基因进而提高选育品系的群体同质性和遗传稳定性的有效技术手段。近交系也是重要的生物模型，是连锁图谱构建和QTL定位等遗传学以及病理学研究的良好试验材料。近年来，除了传统的果蝇、小鼠等模式生物，在哺乳动物(猪)近交系的培育中也取得了突破性进展[24]。

关于近交衰退的遗传机制，群体遗传学研究认为近交衰退主要是由个体基因组的纯合度(Homozygosity)增加引起的，并形成了两个经典理论：(1)“显性理论”(Dominance hypothesis)，认为大多数突变是中性的或有害的，而且一般为隐性，近交增加了有害等位基因暴露的几率；(2)“超显性理论”(Overdominance hypothesis)，认为杂合子在适应性和繁殖力等方面优于纯合子。此外基因间的上位效应(Epistatic effect)[25]、伪超显性效(Pseudo-overdominance)[26]也被证明与近交衰退有关。

随着新一代测序技术(next generation sequencing，NGS)的发展，对近交衰退的研究逐渐深入到分子水平，并取得显著进展。本文将围绕全基因组信息在近交参数度量中的应用、全基因组基因表达和表观遗传与近交衰退的关系等几个方面进行综述和展望，以期为传统学说提供补充，丰富经典理论内容，为物种资源保护及育种提供科学依据。

1 基因组信息在近交参数度量中的研究

准确地度量个体(间)近交系数和亲缘系数(relationship coefficient)是开展近交效应研究的前提基础。在系谱记录完整的条件下，系谱近交系数和系谱亲缘系数是度量近交水平的精确指标[27]，记录的世代数越多，这种方式就越有效[28]。但是，在物种资源保护和育种中系谱记录不完整或有错误现象普遍存在[29]，且系谱记录依赖于基础群(founder population)[30]。

基于系谱信息的个体(间)近交系数、亲缘系数反映的是同源等位基因标记(identity by descent，IBD)出现的概率，其值是固定的(如全同胞或半同胞)；而基于分子标记信息允许有相同系谱水平的一组个体间存在分化，其值是连续的，因此个体(间)近交系数、亲缘关系度量更为精确，可用于核实系谱或重建系谱。早期研究是利用随机扩增多态性DNA(random amplified polymorphic DNA，RAPD)[31]、微卫星(microsatellite)[32-33]等低密度分子标记度量近交参数，然而由于标记数量有限，存在较大的抽样误差，致其准确性较低。随着新一代测序技术的发展，使得鉴定全基因组SNP分子标记成为可能，大大提升了近交参数度量的准确性。

Wang等[34]通过模拟数据研究发现，当基因组标记数量足够多(比如104个SNPs)时，SNP标记信息比系谱更能精确估计近交系数，尤其对于基因组小的物种，系谱估计效果更差，因为基因组近交系数很大程度上是由孟德尔分离决定的，系谱估计可能会大大偏离预期。Silió等[35]在一个可追溯到26世代系谱记录的猪闭锁群体中，发现利用SNP标记信息计算的近交系数与系谱近交系数有很强的相关性，利用168个中间频率的SNP标记信息计算了基因组纯合度，发现其对断奶后仔猪生长性能的负面影响与系谱近交系数相似。Li等[36]利用高密度50K芯片检测平台，在绵羊群体中共发现49 034个SNP, 基于这些SNP估算群体平均分子近交系数为0.04，结果和系谱数据估计的近交系数、亲缘系数几乎是一致的，尤其是对全同胞、半同胞个体的估计更准确。在缺乏系谱的野生群体中，利用基因组信息度量近交参数更具优势。Hoffman等[33]发现利用简化基因组测序技术(restriction site associated DNA sequencing，RAD-seq)所得的SNP标记信息，能够准确估计田鼠、海豹自然群体的近交程度。Huisma等[22]研究发现在野生马鹿群体中，利用SNP标记信息计算的近交系数与繁殖成功率相关，而利用系谱信息却低估了近交对成年个体适应性的影响，表明利用SNP标记信息是评估自然群体近交衰退的有力工具。

利用SNP标记信息估计近交系数和亲缘系数的准确性会受到SNP最小等位基因频率和标记数目的影响，SNP数量越多，等位基因初始频率越接近0.5，准确性越高[37-38]。目前，利用SNP标记信息估计基因组近交系数常用的两种方法是基于基因组纯合度(homozygosity，HOM)和长纯合片段(runs of homozygosity，ROH)。其中，ROH被认为是最优方法，长的ROH能够反映出亲缘关系近的共同祖先，短的ROH反映的是亲缘关系远的祖先[39]。Brito等[40]比较了两个不同山羊品种的4种基因组近交系数(FROH、FEH、FVR、FLEUT)与系谱近交系数(FPED)的相关性，发现基于ROH的基因组近交系数(FROH)与系谱近交系数相关性最高，基于HOM的基因组近交系数(FEH)次之，另两种相差甚远，且FROH与FEH两种基因组近交系数之间相关性达到0.9。在中国荷斯坦牛基因组近交研究中与上述结果相一致，随着系谱的完整性增加，系谱近交系数与基因组近交系数的相关性随之增加[41]。

使用基因组信息度量近交参数的同时，还能够鉴定出与特定性状近交衰退发生相关的基因组区域。Saura等[42]利用不同染色体区段的HOM近交系数，鉴定出猪13号染色体上与繁殖性状近交衰退相关的一个特定区域，且该区域包含与胚胎附植有关的基因簇。Pryce等[43]和Howard等[44]利用ROH确定了与产犊间隔和产奶量近交衰退相关的特定基因组区域。Ferencakovic等[45]通过ROH度量奶牛的基因组近交系数，并通过线性回归分析找到了与精子发生和活力相关的基因组区域。

当然，单独使用某一方面的信息度量近交参数仍是欠缺的，将表型记录、系谱和基因组标记信息相结合是最佳选择。

2 近交衰退与基因表达的关系研究

基因表达调控是构成复杂表型变异的重要基础[46]，探讨基因表达变异对近交衰退的影响是受重点关注的研究方向之一。已有的研究借助于qPCR(quantitative real-time reverse transcription-PCR)检测技术发现的候选基因数目较少[47]，QTL定位[48]和全基因组关联分析(genome-wide association studies，GWAS)[49-50]也难以鉴定对近交衰退有贡献的基因。一些学者认为，近交衰退可能由大量微效基因的累加效应引起，也有学者认为是由少数主效基因引起[51-52]。鉴于多数重要生产性状为多基因控制，推测整个基因组的大部分与近交衰退相关。

在基因表达水平上研究近交衰退最为深入的是模式生物果蝇，对于近交衰退的最初认识也是来源于果蝇近交系研究[53]。Kristensen等[54]最早报道了近交对果蝇全基因组转录表达影响，在近交系与低近交系中发现466个差异表达基因，近交速率并没有显著影响基因表达模式；富集分析表明差异基因主要参与压力反应和新陈代谢通路。Kristensen等[55]发现近交衰退与环境压力存在互作效应，在压力条件下近交和远交系间差异表达基因为176个，远多于非压力下的12个。Ayroles等[56]构建了6个3号染色体替换果蝇近交系，以雄性竞争生殖率衡量近交衰退程度，发现567个差异表达基因，差异基因也是集中于新陈代谢、压力反应和防御反应通路；通过定位差异表达基因的染色体分布，发现近交衰退中的相当一部分是由相对较少的基因通过顺式调节或上位互作产生通路级联效应引起。Garcia等[15-16]构建了来源于同一基础群的4个不同近交系与远交系，以产卵力和后代蛹成活率评价近交衰退程度。通过比较每个近交品系内近交衰退程度最高与最低3个亚系及远交系之间基因表达，发现多数差异表达基因可能主要是减缓近交衰退，作为对抗近交效应的一种响应；只有14个基因具有明显的组别表达特异性，推测它们可能是导致近交衰退的候选基因[57]。Vermeuln等[18]构建了热敏感果蝇近交系，通过比较其与对照组全基因组基因表达差异，发现随着热应激程度的加剧，差异表达基因数量相应增加，其中一些基因可能包含有与热敏感表型相关的突变，并推测这些突变是该近交系所特有。Franke等[47]以热带蝴蝶为研究对象，构建了包含3个温度梯度和3个不同近交参数的试验组，发现热应激处理后，对照组热休克蛋白基因的表达显著上调，而近交组个体的表达仅微弱上调，近交强烈干扰了热休克响应，这可能是近交个体适应性降低的一种机制。

国内学者在此领域也开展了一些探索性研究，王宇等[58]发现亲本来源相同的自交扇贝和杂交扇贝闭壳肌有大量差异表达基因。傅强等[59]研究发现虾夷扇贝的自交家系的基因总体上调，且上调基因参与了各种宏观蛋白表达，下调基因显著富集在与生长显著相关的EGF家族基因。李俊辉等[23]研究马氏珠母贝发现近交系矿化基因的相对表达量明显低于杂交系，与近交系生长缓慢特征相吻合。王竹青等[5]研究三疣梭子蟹发现随着近交系数的增加,各代F-ATPaseβ基因的表达量在肝胰腺和心脏中均下降且显著低于F0代。

以上研究均表明近交衰退与转录组变化相关，近交个体中大量基因表达的差异可能是导致近交个体衰退的原因，或是作为一种减缓近交衰退的保护性应答。

3 近交衰退与表观遗传的关系研究

表观遗传学(epigenetics)是独立于序列变异之外调控基因表达的重要机制，包括DNA甲基化(DNA methylation)、组蛋白修饰(histone modification)和RNA干扰(RNA interference)等。环境因素诱导的表观修饰能够遗传给后代，其变异与表型的多样化密切相关。Biémont[60]已有研究表明，表观过程可能参与了近交效应的调节：一种解释认为近交导致的同质性增加可能破坏了同一位点不同等位基因间的表观交互，这会引起部分基因的沉默，并因此导致近交衰退，如哺乳动物雌性个体一条X染色体失活就是受表观调节[61]。另一种解释认为近交破坏了参与表观修饰的酶促作用通路[62]。另外，全基因组表观修饰变异同样也被证实与近交衰退对立的极端表现-杂种优势(heterosis)和远交衰退(outbreeding depression)相关[63]。然而，表观变异与近交衰退的关系研究较少。

在植物上，Vergeer等[64]通过检测灰蓝盆花近交系和远交系基因组中的甲基化水平差异，证明表观变异在近交衰退中发挥重要作用。Dapp等[65]通过对拟南芥全基因组的转录谱分析，发现转录组的表观遗传多样性和表观遗传调控在杂种优势和近交衰退中起重要作用。Lauss等[66]发现拟南芥亲代之间特定基因座的甲基化分化能够直接或间接引发杂种优势。罗少杰[67]应用甲基化敏感多态性扩增技术(MSAP)比对马氏珠母贝自交家系与杂交家系的甲基化模式差异，发现14条存在DNA甲基化修饰差异的序列，且自交子代的甲基化水平高于杂交子代；杨晶淼等[68]构建了马氏珠母贝的近交家系与杂交家系,利用MSAP检测甲基化差异水平发现近交家系的甲基化比例和总条代数均显著性高于杂交家系,且家系的平均壳长、体重等生长性状与甲基化存在明显负相关。Venney等[69]在鲑鱼的研究中发现，近交衰退与特定基因的甲基化差异表达有关，可能是受环境和性成熟的影响，而且这种差异表达还会随着年龄的增长而增加。因此，近交衰退发生的不确定性可能与易受环境影响的表观遗传修饰密切相关。

4 研究展望

新一代测序技术的发展使得对近交效应的研究深入到全基因组水平，为进一步丰富和发展近交衰退经典理论提供了新思路、新方法。目前，利用基因组学、转录组学及表观组学等多组学联合分析，探讨物种特定性状近交衰退分子机理的研究仍较少，亟待进一步探索。