鸡交叉喙研究进展

石雷，孙研研，李云雷，白皓，陈继兰*

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，农业部动物遗传育种与繁殖（家禽）重点实验室，北京 100193；2.河北农业大学动物科技学院，河北 保定 071001；3.扬州大学动物科学与技术学院，江苏 扬州 225009；4.扬州大学农业科技发展研究院，教育部农业与农产品安全国际合作联合实验室，江苏 扬州 225009）

交叉喙特征为上下喙错位、咬合不全、呈交叉状态，发生率在2%左右[1-3]。地方鸡种如北京油鸡、丝羽乌骨鸡和惠阳胡须鸡等均有不同程度的交叉喙现象。喙畸形鸡无法正常采食饮水，导致生长发育受阻，死亡率通常高出正常鸡数倍[4-6]，即使存活下来，成年后的繁殖力也低于正常鸡50%以上[7]，该性状制约着地方鸡的产业化发展。喙同时是禽类重要的触觉感受器[8-9]和温度调节器[10-17]，畸形喙也严重损害了动物福利。

鸡交叉喙的形成包括遗传和非遗传两种因素。Yamauchi等[18]报道，断喙操作可使鸡群交叉喙发生率达到16.3%。然而，未断喙的鸡也会发生交叉喙现象，研究人员结合交配试验证实了交叉喙具有遗传性[5-7]。近几年，关于鸡交叉喙发生原因和遗传机制的研究不断深入[4-6]，本文对交叉喙性状研究进展进行综述，以期为后续相关工作的开展提供参考。

1 交叉喙发生率

1934年至今，全球已公开报道10余个鸡种存在遗传性交叉喙现象，发生率介于0.20%～7.40%（表1）。本课题组调研发现，北京油鸡、贵妃鸡、惠阳胡须鸡、丝羽乌骨鸡、象洞鸡、河田鸡和洪山鸡等品种也存在交叉喙，发生率为0.03%～2.00%。

表1 不同鸡品种交叉喙发生率Table 1 Incidence of crossed beak in different chicken strains

北京油鸡在排除不良孵化条件和营养等非遗传因素后，每个世代繁种时仍有少量个体发生交叉喙。北京畜牧兽医研究所培育的第12世代北京油鸡交叉喙个体向上追溯4代，发现存在共同祖先。另外，白皓[24]通过构建交叉喙资源群体，发现亲本均为交叉喙时，子一代的交叉喙发生率高达7.8%，是同期正常繁育群体的11.8倍，由此推断交叉喙具有遗传性。Landauer[20]对交叉喙性状的遗传调控研究表明，交叉喙的Silver Spangled Hamburgh鸡群近交可使后代交叉喙发生率提高至50%[20]。

综上所述，交叉喙具有遗传性，并广泛分布于全球多个鸡种中。我国地方鸡种资源丰富，未来有必要对这些资源进行详细的调研，以完善交叉喙在国内鸡种的分布研究。

2 交叉喙表型分类与特征

表型是机体内许多分子生物学过程发生发展的结果，认识交叉喙的表型特征是深入研究遗传机理的前提，对深入理解基因组对交叉喙表型的复杂作用具有重要作用。

2.1 交叉喙表型分类

1938年，Landauer[20]通过观察Silver Spangled Hamburgh和白来航鸡(White Leghorn)等品种的交叉喙表型特征，提出交叉喙存在4种类型，其中，Ⅰ型和Ⅱ型分别由不良孵化条件和致死基因引起，Ⅲ型和Ⅳ型由遗传因素导致。Ⅰ型和Ⅱ型交叉喙特征为鸡胚或雏鸡缺少某一侧眼球或同时缺少两侧眼球，引起上喙偏向无眼球或眼球缺失严重的一侧。Ⅲ型交叉喙的雏鸡出壳时面部完整，喙形正常，但在随后1～2个月内逐渐表现交叉喙，并随日龄增长喙畸形逐渐加重。Ⅲ型交叉喙表现为上喙偏离中轴线，且上喙右偏的频率高于左偏，个体间畸形程度差别也较大。轻度交叉喙个体的上喙只在其远端处扭曲，重度交叉喙个体的上喙则从颅面骨处开始扭曲，并伴有鼻骨和眼眶骨不对称，最终导致颅面骨畸形。Ⅳ型交叉喙在白来航鸡(White Leghorn)中发生率较高，特点为胚胎期表现交叉喙，但个体在出壳后的生长发育过程中会逐渐恢复正常。Landauer[20]系统归纳了各类交叉喙表型特征，推测各类型形成原因，为后续鸡交叉喙的研究奠定了基础。

21世纪以来，国内外学者发现地方鸡种同样存在交叉喙现象。Joller等[5]、Hong等[4]和白皓[24]分别在Appenzeller Barthuhn鸡、惠阳胡须鸡和北京油鸡群体中发现交叉喙，主要特征为刚出壳的雏鸡喙形正常，但在饲养过程中部分个体逐渐出现喙畸形，与Landauer[20]提出的Ⅲ型交叉喙发生规律相同。深入分析发现，Appenzeller Barthuhn鸡、惠阳胡须鸡和北京油鸡均以下喙偏转为主，发生率分别为98.70%，68.67%和95.77%[5]，但下喙偏转方向无显著差异，与Landauer[20]报道的Silver Spangled Hamburgh交叉喙鸡多以上喙偏转、右偏为主的结果不同，其原因可能是不同品种间遗传背景不同所造成的表型差异。另外，Hong等[4]测量鸡面部对称性发现，交叉喙鸡存在面部扭曲和不对称情况，这与Landauer[20]报道的交叉喙可导致鸡颅面骨畸形的结论一致。

2.2 交叉喙表型特征

Shi等[22]研究北京油鸡交叉喙发生规律发现，交叉喙发生率在0日龄时仅为0.09%，随后以每周10%～20%的发生率增加，6周龄达到总发生率的93.33%，直至8周龄不再新增交叉喙个体。与此同时，交叉角度随日龄的增长也逐渐增大，直至8周龄时，交叉角度达到最大。上述结果与Landauer[20]报道的Ⅲ型交叉喙表型特征一致。因此，目前发现的地方鸡种交叉喙多与Landauer[20]报道的Ⅲ型特征相同。

朱静等[23]和Shi等[22]详细分析了交叉喙鸡的颅骨特点，首次报道北京油鸡交叉喙由左右侧下颌骨长度不等导致，即某一侧下颌骨支短于对侧正常骨支，下喙偏向于下颌骨短支侧（图1）。同时，下喙弯曲偏离中轴线，阻碍了上下喙的正常闭合，导致畸形个体在采食和饮水过程中短侧骨支与其同侧颧弓骨的频繁碰撞，进而引起颧弓骨变形，最终畸形的颧弓骨造成上喙偏转和颅面骨扭曲。北京油鸡群体也存在上下喙同时向一侧偏转的情况，发生率为0.28%，解剖发现同样为双侧下颌骨支长度不对称，并伴有颧弓骨畸形[22]。因此，确定下颌骨支生发中心逐渐成为解析交叉喙的关键。Shi等[22]进一步分析下颌骨HE染色切片，发现下颌骨髁部存在不同发育阶段的成骨细胞，进而确定了骨支的生发中心是下颌骨髁部。人类相关研究也表明，单侧下颌骨髁部功能损伤可导致下颌骨不对称[25-26]，提示下颌骨髁部功能异常引起鸡交叉喙。

图1 正常喙与交叉喙北京油鸡颅骨解剖观察［22］Fig.1 Morphological observation of crossed beak and normal beak in Beijing-You chickens［22］

综上所述，交叉喙表型的复杂性为遗传方式和分子机制的研究带来了难度。目前，北京油鸡的致畸原因分析较为全面，包括致畸部位定位和发病时间规律，为后续深入探究交叉喙性状的遗传机制奠定了基础。然而，目前仍无法解释上喙弯曲而下喙正常类型的发病原因。在人类医学中，同样存在因下颌骨疾病导致咬合不全，颅面骨不对称等疾病，包括安氏Ⅲ错颌和第一、二鳃弓综合征等[27-29]。人类下颌骨形态异常的研究已处于发展相对较快、趋于成熟和完善的阶段，而鸡喙形态的研究相对较少，尤其是遗传方面的研究。因此，未来可以借鉴人类口腔疾病的研究思路和方法，寻找影响交叉喙的遗传因素。

3 交叉喙遗传方式

遗传方式是指遗传信息传递的特点，可通过亲代与子代遗传性状的相似性及其变异情况进行分析，研究交叉喙的遗传方式是解析性状形成机制的重要手段。Hutt[30]和Schrapel[31]根据系谱信息首次提出鸡交叉喙性状是隐性遗传，后续多位学者通过交配实验证实，交叉喙是非孟德尔遗传的复杂性状[6,20，24,32]。

Landauer[20]将Silver Spangled Hamburgh交 叉喙鸡进行随机交配，发现后代交叉喙发生率在0.02%～0.13%。通过构建交叉喙近交群体，后代交叉喙发生率也仅达到50%，据此提出交叉喙并非孟德尔遗传性状，畸形亲本的后代正常个体可能携带某种修饰基因而抑制了喙畸形基因的表达；进一步研究杂交后代的交叉喙发生率发现，子一代均未出现交叉喙，推测可能是不同种群间的交叉喙基因相互独立，或者至少在1个主效基因上存在差异。通过比较交叉喙与正常个体的孵化性能，发现交叉喙性状并不携带致死基因[20，24]。

Joller等[5]对Appenzeller Barthuhn鸡的交叉喙规律进行研究，发现正常繁种的子一代交叉喙发生率为2.9%，但双亲均为交叉喙时，子一代交叉喙发生率提高至15.7%，推测交叉喙遗传方式相对复杂。白皓[24]利用12只交叉喙公鸡先后与24只交叉喙母鸡随机交配，构建了交叉喙资源群体。在获得的921只子一代个体中，交叉喙发生率为7.82%，是同批正常繁育群体的11.84倍（畸形率为0.66%）。另外，子一代交叉喙性别比例约为1∶1。回交试验发现，当子一代与亲本同为交叉喙时，子二代交叉喙发生率可达10%。由于交叉喙资源群体并未表现出孟德尔遗传规律，提示交叉喙是由非性染色体参与的复杂性状。本课题组通过对交叉喙北京油鸡与闭锁繁育且无交叉喙史的白来航鸡进行正反交试验，发现正交组（北京油鸡♂×白来航♀）子一代交叉喙发生率为4.48%，反交组（白来航♂×北京油鸡♀）为18.75%。随后子一代配种（正常×正常、畸形×正常、畸形×畸形），发现正交组子二代的畸形率分别为3.83%、6.21%、16.92%，反交组子二代的畸形率分别为8.71%、5.14%、7.34%，上述结果并未出现明显规律，推测交叉喙是多基因控制的复杂性状。

综上所述，交叉喙遗传规律复杂已引起诸多学者关注，通过一系列交配试验确定交叉喙是多基因控制的复杂性状。另外，交叉喙性状是否与冠型、胡须、羽色等质量性状存在连锁关系还需进一步研究。

4 交叉喙的分子调控机制

随着高通量测序技术快速发展，国内外学者专家分别从基因组、转录组和蛋白组等方面研究交叉喙的分子调控机制。

4.1 基因组学分析

本课题组利用鸡600K的SNP芯片，对48只交叉喙和48只正常北京油鸡进行单个SNP和基于通路的全基因组关联研究（genome wide association studies,GWAS），检测到位于3号染色体的1个SNP位点与交叉喙性状显著关联，以及7个潜在SNP位点，位于1、3、5、6、10和23号染色体[6,21,33]。针对上述位点附近的基因进行功能注释，发现类转录延伸因子B多肽（transcription elongation factor B polypeptide 3-like，LOC421892）基因、Tudor结构蛋白3（tudor domain containing protein 3，TDRD3）基 因、原癌基因（ret protooncogene，RET）和癌基因1（stathmin 1，STMN1）可能是鸡交叉喙性状的重要候选基因，6条显著性关联信号通路包括钙离子信号调控通路、卵母细胞减数分裂通路、泛酸和辅酶A的生物合成通路、丙酮酸盐代谢通路、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路以及核糖体通路。在全基因组拷贝数变异（copy number variations，CNV）分析中，6个CNV区域的检出率在交叉喙和正常组之间差异极显著，在喙畸形鸡CNV区域中鉴定出免疫球蛋白样多肽（leucine rich repeats and immunoglobulin like domains 2，LRIG2）基因。LRIG2在人、猕猴、犬、牛、鼠等动物中高度保守[34]，该基因突变可引起人类常染色体隐性、先天性的面部怪异表情疾病[35]。喙的起源和进化与神经嵴细胞密切相关[36]，而RET基因在神经嵴生长中具有至关重要的作用[37]。同时，RET与细胞增殖相关，当基因编码产物增多或活性增强时，细胞快速增殖，形成肿瘤[38]。因此，LRIG2可能与RET互作调控鸡喙的发育，并造成交叉喙。然而，Joller等[5]同样利用600K的SNP芯片对53只交叉喙和102只正常Appenzeller Barthuhn鸡进行GWAS分析，最终并未筛选出与交叉喙性状显著关联的位点。研究结果的差异可能是由于不同品种间导致交叉喙的基因相互独立或主效基因存在差异。综上，鸡交叉喙形成可能与LOC421892、TDRD3、LRIG2、RET、STMN1等位点突变相关。

4.2 转录组与蛋白组学分析

朱静[23]利用数字基因表达谱技术研究交叉喙的形成原因，通过对比56日龄交叉喙个体及其全同胞正常个体下喙的差异表达基因，发现骨形态发生蛋白4（bone morphogenetic protein 4，BMP4）、类似爪角蛋白（claw keratin-like，LOC426217）、O-岩藻糖肽3-β-N-乙酰氨基葡萄糖转移酶（lunatic fringe，LFNG）、黏液蛋白（mucin protein，MUC）、乙酰辅酶A酰基转移酶1（acetyl-coA acyltransferase 1，ACAA1）和醛脱氢酶7家族成员A1（aldehyde dehydrogenase 7 family,member A1，ALDH7A1）等候选基因与交叉喙形成相关。BMP4位于鸡5号染色体，含有3个外显子和2个内含子，其表达产物为骨形成蛋白，参与生物过程“喙形态”的条目。同时，BMP4是胚胎期影响鸡喙形成的关键基因[39-41]。胚胎发育过程中，随着BMP4增加，喙长度、宽度、深度也相应增长[24]。另外，Hong等[4]通过对105日龄交叉喙鸡的下颌骨、颌前骨、额骨和顶骨等进行实时荧光定量PCR（quantitative real time-PCR，qRT-PCR）分析发现，喙畸形鸡的下颌骨、颌前骨、泪骨、额骨和顶骨的BMP4表达量随交叉喙严重程度增加而上升。由于颅面骨来源于颅神经嵴细胞[42-43]，且颅神经嵴细胞参与调节破骨细胞活性和骨吸收功能[44]，因此推测BMP4过表达促使颅神经嵴细胞及其衍生物凋亡[45-47]，从而形成交叉喙。LOC426217在畸形喙中显著上调，并与角蛋白调控密切相关[24,48]。通过对比交叉喙与正常个体的LOC426217序列，发现G36C和A192T在交叉喙鸡的基因型频率显著高于正常个体。Joller等[5]对交叉喙Appenzeller Barthuhn鸡的LOC426217测序，发现G62T、T24C、G36C、T222C和T363C位点与白皓[49]的SNP结果一致，进一步证实LOC426217参与鸡交叉喙形成。

白皓[49]基于朱静[23]数字基因表达谱结果，对细胞角蛋白19（cytokeratin 19，CK19）、半乳糖苷酶6（galactosidase alpha，GLA）、ALDH7A1等候选基因进行转录表达和SNP分析，发现CK19、GLA在正常喙中高表达，BMP4在交叉喙中高表达。细胞角蛋白作为细胞骨架的重要组成蛋白，对维持正常细胞形态至关重要。CK19是细胞角蛋白家族成员之一，该基因的表达与人类鼻咽癌的分化和转移有关。通过直接测序方法检测候选基因的SNP，发现交叉喙鸡CK19启动子区G272A位点和GLA第7个外显子的C4815T位点处未突变，但正常鸡的基因型频率差异显著。另外，交叉喙鸡与正常鸡的GLA基因以及内含子6区域的A4552C位点均发生突变，两者的基因型频率差异极显著。在ALDH7A1基因A7816T位点，正常鸡未发生突变，其与喙畸形鸡的基因型频率差异极显著，因此，CK19、GLA、ALDH7A1可能是交叉喙形成的候选基因。虽然未见上述基因与喙形成相关，但基因调控本就是复杂的过程，具有一因多效或多因一效作用。Sun等[32]利用iTRAQ技术筛选12日龄的交叉喙和正常鸡喙的差异蛋白，发现清蛋白和脂蛋白脂肪酶是导致鸡交叉喙的候选蛋白，并可能在调节软骨、骨细胞和骨量的细胞内游离钙离子缓冲方面具有重要作用。综上，通过转录和翻译水平发现多个候选基因差异表达，但其与鸡交叉喙的因果关系仍需进一步验证。

4.3 表观遗传学分析

交叉喙由单侧下颌骨支发育缓慢引起，下颌骨髁部是骨支的生发中心[23]。Shi等[50]对交叉喙鸡双侧下颌骨髁部进行全基因组甲基化测序（whole genome BS-Seq,WGBS）和RNA-seq联合分析，发现FIGNL1启动子区存在差异甲基化区域（图2），且FIGNL1在交叉喙的短骨支侧髁部表达下调。FIGNL1是与细胞活性蛋白相关的ATP酶亚组成员，能够抑制成骨细胞增殖，促进成骨细胞分化。干扰FIGNL1基因会降低颅骨细胞增殖，骨钙素和碱性磷酸酶表达下调，进而导致成骨细胞矿化能力下降[51]。进一步分析发现，2个差异表达lncRNA（MSTRG.22262.17和MSTRG.22262.19）对FIGNL1具有顺式表达调控作用，推测非编码RNA通过调控靶基因FIGNL1影响下颌骨髁部矿化过程，进而导致交叉喙。

图2 FIGNL1的基因组位置信息［50］Fig.2 Genome browser track plot around the FIGNL1 locus［50］

综上，高通量测序已筛选出大量与交叉喙性状相关的候选基因、SNP位点和蛋白，但这些遗传因子的功能还需要在细胞和个体水平进行验证，以进一步揭示交叉喙性状的分子调控机制。另外，随着单细胞测序和ATAC测序等新技术的应用，将有助于加快解析交叉喙的遗传机制。

5 结语

鸡交叉喙对家禽业造成了一定程度的经济损失，并阻碍了地方鸡种的资源开发和利用，如何检测和预防交叉喙性状是目前需要解决的难题。交叉喙性状的遗传机制复杂，已发现的多个候选基因尚未完全得到验证，相关病理通路也有待进一步解析。在前期研究的基础上，建立专门的鸡交叉喙近交系，应用最新测序技术，进行跨学科的联合性研究，将有助于精准挖掘鸡交叉喙性状的致病基因和突变位点，减少遗传缺陷的发病率，最终提升种用价值，实现动物福利和家禽的健康繁育。