中国牛亚科家畜六个群体遗传多样性与遗传分化及其统计方法的研究

论文摘要

用中心产区典型群随机抽样采集中国牛亚科家畜四个牛种（普通牛（Bos taurus）、瘤牛（Bos indicus）、牦牛（P（?）ephagus grunniens）、亚洲水牛（沼泽型，Bubalus bubalis-swamp type））六个代表群体（鲁西黄牛、渤海黑牛、闽南黄牛、青海牦牛、中国荷斯坦牛和山区水牛）共346个个体，用聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）和淀粉凝胶电泳（SGE）检测编码血液蛋白（酶）21个基因座和12个微卫星位点的遗传多态性，利用不同的统计方法对结果进行分析。同时基于联合国粮农组织家畜遗传多样性信息系统（FAO-DAD-IS）提供的20个主要中国黄牛品种的相关信息，结合由6个血液蛋白基因座计算所得的标准遗传距离，运用Weitzman遗传多样性分析方法对20个中国黄牛品种进行了分析，结果如下：1、利用21个血液蛋白（酶）基因座所得结果，统计群体内及群体间遗传多样性，用UPGMA和NJ法构建标准遗传距离和DA遗传距离系统发生树，并利用标准遗传距离估计牛亚科家畜三个种属间的分化时间，结果表明：在所检测的21个血液蛋白基因座中，共有13个基因座在六个牛群体中存在多态性；闽南黄牛群体内遗传变异程度最高，13个多态基因座平均观测等位基因数、平均有效等位基因数、平均杂合度和多态座位百分比分别为2.1538、1.5072、0.2788和47.62％，山区水牛群体内遗传变异最低，其平均观测等位基因数、平均有效等位基因数、平均杂合度和多态座位百分比分别为1.3846、1.2032、0.1279和23.81％；六个牛群体总群体近交系数（Fit）为67.0％，群体内近交系数为26.9％，六个牛群体间遗传分化明显，54.5％的遗传变异来源于群体间，而45.5％的遗传变异是由于各群体内个体间的差异引起的，鲁西黄牛、渤海黑牛、闽南黄牛和山区水牛群体内近交系数（Fis）均达到极显着水平（p＜0.01或p＜0.001），每世代群体间有效迁移个体数（Nem）从0.0700到7.8933不等。两种遗传距离的聚类结果基本一致，三个地方黄牛品种（鲁西黄牛、渤海黑牛和闽南黄牛）与其它牛种（荷斯坦牛、牦牛和山区水牛）相比，具有相对较近的亲缘关系，提示这三个地方黄牛品种具有相同或相近的起源；家牛属与牦牛分化时间大约为1.4570百万年，与亚洲沼泽型水牛分化时间大约为2.9475百万年，而牦牛与亚洲沼泽型水牛分化时间大约为5.4288百万年。2、利用12个微卫星位点所得结果，估计群体内及群体间遗传多样性，利用δμ2和DA两种遗传距离构建系统发生树，并利用δμ2遗传距离估计牛亚科家畜三个种属间的分化时间，结果表明：12对微卫星引物在六个牛群体中共检测到144个等位基因和24个品种特有等位基因；品种特有等位基因数荷斯坦牛最多（10），而渤海黑牛和山区水牛最少（各为2个）；中国荷斯坦牛群体内遗传变异程度最高，其平均观测等位基因数、平均有效等位基因数及平均杂合度分别为7.7500，4.9722和0.7719，而山区水牛和牦牛均表现出较低的群体内遗传变异，平均杂合度分别为0.5400和0.5325；F统计结果：六个牛群体总群体近交系数（Fit）为57.6％，群体内近交系数为42.5％，六个牛群体间遗传分化明显，26.1％的遗传变异来源于群体间，而73.1％遗传变异是由于各群体内个体间的差异引起的，每世代群体间有效迁移个体数（Nem）从0.449（牦牛与山区水牛）到1.149（荷斯坦牛与鲁西黄牛）不等。两种距离的聚类结果差异较小，鲁西黄牛与荷斯坦牛首先聚为一类，其次才与渤海黑牛和闽南黄牛聚为一类，最后与牦牛和山区水牛；家牛属与牦牛分化时间大约为0.1867百万年，与亚洲沼泽型水牛分化时间大约为0.4792百万年，而牦牛与亚洲沼泽型水牛分化时间大约为0.3272百万年。3、综合和比较血液蛋白和微卫星数据，结果如下：利用六个群体13个多态血液蛋白基因座和12对微卫星位点共25个标记的信息，连锁不平衡分析表明，仅有渤海黑牛和牦牛处于连锁平衡状态，而其它四个群体处于连锁不平衡状态；F-统计所得的Fst、Fit和Fis分别为0.4058、0.6573和0.4281，同时均达到极显着水平（p＜0.001）；六个牛群体间基因分化系数Fst均达到显着水平（p＜0.001），两群体间每世代有效迁移个体数从0.1963（牦牛与山区水牛）到0.9785（鲁西黄牛与渤海黑牛）不等；DA遗传距离的NJ和UPGMA系统发生树均表明，三个地方黄牛品种（鲁西黄牛、渤海黑牛和闽南黄牛）与其它牛群体（荷斯坦牛、牦牛和水牛）相比，具有相对较近的亲缘关系。两类标记所揭示的六个牛群体遗传变异水平、基因分化程度、聚类图和分化时间等方面均存在一定的差异：微卫星的观测等位基因数（Na）是血液蛋白多态的3.1到3.55倍，平均有效等位基因数为1.97到3.77倍，观察杂合度为1.71到3.16倍，平均观察杂合度为2.03到4.55倍，多态信息含量为2.18到4.94倍，而由血液蛋白多态计算所得的基因分化系数为由微卫星计算所得结果的2.1倍左右；由两类标记所构建聚类图的差异主要体现在渤海黑牛的归属方面；由血液蛋白座位估计所得的牛亚科家畜三个种属间的分化时间约为由为根据微卫星估计结果的6到16倍；微卫星用于牛亚科家畜不同种间遗传多样性与遗传分化研究比血液蛋白多态具有明显的优越性，有三对引物（IDVGA-2、TGAL-122和BM1824）的Na≥4，同时PIC在六个牛群体均为中度以上，说明这三对引物比其它引物更适用于中国牛亚科家畜遗传多样性及遗传分化的研究。4、以12对微卫星引物数据为基础，采用6种遗传距离(DA，DC，Ds，Dsw,（σμ）2和DTL)和2种聚类方法（UPGMA和NJ法），探索它们对系统树构建准确性的影响，同时，比较了（σμ）2和DTL两种遗传距离对群体遗传分化的估计，结果表明：位点平均杂合度水平越高，系统树构建越准确，DA遗传距离系统树构建准确性相对较高，但很难确定NJ法和UPGMA法哪一种更适合于系统树的构建，而DTL遗传距离用于系统树构建有待进一步完善；DTL遗传距离在利用微卫星资料进行家畜不同种属间分化时间估计时基本不可用，而由（σμ）2遗传距离估计所得的分化时间也应与其它资料（如线粒体、考古或历史文献等）所得结果相比较，才能做出相对准确的判断。最后，对微卫星用于家畜系统树构建和遗传分化估计的有效性和局限性进行了探讨。5、使用目前基于贝叶斯概率论用于动物遗传多样性研究中的三种相关软件GENECLASS（Ver.2）、STRUCTURE（Ver.2）和BAPS，对6个牛群体12对微卫星引物资料，从个体和群体两个水平进行统计分析，结果表明：个体和群体鉴定概率值GENECLASS所得结果最高，STRUCTURE和BAPS所得结果基本相等；STRUCTURE和BAPS能通过变化的分群数，动态地反映群体间聚类关系，同时根据个体属于所推测群体类型的概率，打出不同分群数条件下个体属于鉴定所属类群概率分布图；但当分群数较少时（K＜4），BAPS很难得出正确的结果，这一问题需要得到进一步修正；STRUCTURE运行所需时间最长，BAPS其次，GENECLASS最快；这三个软件的应用，一方面为揭示家畜群体真实的遗传结构和群体间亲缘关系提供新的佐证，另一方面也将传统的群体遗传学和遗传多样性研究从群体水平深入到个体水平，同时也可以应用于家畜杂交史的推测、个体鉴定及野生动物保护等领域。6、运用Weitzman遗传多样性分析方法，计算了20个中国黄牛品种的灭绝概率、现实和将来的期望多样性、品种贡献率、边际多样性及保护潜力，并构建了最大似然聚类图，同时介绍了三种不同的保种经费分配模型，并对保种经费的优化进行了模拟研究，结果表明：品种的总群体数量、品种的分布区域、有无育种组织及保种措施和特殊性状的有无与灭绝概率呈极显着或显着正相关（p＜0.01或p＜0.05）；20个中国黄牛品种的现实多样性为1.2650，一定时期后（如50年）的期望多样性为0.8813；所得最大似然树与标准遗传距离UPGMA聚类图大致相同；海南牛和大别山牛具有最大的品种贡献率，而复州牛、大别山牛和海南牛具有最大的边际多样性及保护潜力；除C模型是群体水平上平均分配保种经费外，A和B两种模型保种优先性和所得经费比例与品种保护潜力呈显着正相关（p＜0.001），复州牛、大别山牛、海南牛三个品种在A、B两种模型下所得的保种经费均最多；就保种经费投资回报而言，C模型下期望遗传多样性增加最大（1.2650），而A模型下最小（0.8920）；三种模型下保种经费投资回报率均是逐渐递减的；家畜品种保护的真正目标不仅应包括种内的遗传多样性，还应包括品种内的遗传多样性、品种的特殊性状、品种目前和将来经济可利用性等方面；Weitzman遗传多样性理论在某种程度上类似于盛志廉先生提出的系统保种理论，但与之又有所区别；在目前有关中国主要畜种遗传多样性测定取得阶段性成果的情况下，用Weitzman遗传多样性理论来分析中国主要畜种的遗传多样性，并进行保种经费的最优化显得更有吸引力；Weitzman遗传多样性分析方法还有待进一步不断完善和发展。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 文献综述
• 1.1 遗传多样性与中国牛亚科家畜遗传资源概况
• 1.1.1 家畜的遗传多样性及其意义
• 1.1.2 中国牛亚科家畜的起源与驯化
• 1.1.3 中国牛亚科家畜遗传资源现状
• 1.2 牛亚科家畜遗传多样性与遗传分化研究-国外研究部分
• 1.2.1 牛亚科家畜形态外貌的差异
• 1.2.2 牛亚科家畜核型特征多样性
• 1.2.3 牛亚科家畜血液蛋白多样性
• 1.2.4 牛亚科家畜微卫星多态性
• 1.2.5 牛亚科家畜mtDNA遗传分化
• 1.2.6 牛亚科家畜核糖体DNA的遗传分化
• 1.3 中国牛亚科家畜遗传多样性研究
• 1.3.1 形态学水平的研究
• 1.3.2 染色体水平的研究
• 1.3.3 血液蛋白（酶）遗传多态性的研究
• 1.3.4 分子水平的研究
• 1.4 动物遗传多样性研究中的统计方法
• 1.4.1 群体遗传学一般统计学指标
• 1.4.2 Hardy-Weinberg平衡检验
• 1.4.3 连锁不平衡分析
• 1.4.4 基因流分析及遗传分化度量
• 1.4.5 遗传距离
• 1.4.6 系统树构建常用的两种方法—NJ法和UPGMA法
• 1.4.7 系统树构建准确性的评价
• 1.4.8 基于贝叶斯（Bayes）概率论的个体鉴定方法
• 1.4.9 Weitzman遗传多样性指标的计算
• 1.5 Weitzman遗传多样性及其应用
• 1.5.1 Weitzman遗传多样性的基本理论
• 1.5.2 基于Weitzman遗传多样性三种不同的保种经费优化模型
• 1.5.3 Weitzman遗传多样性在家畜遗传多样性研究中的应用与发展
• 1.6 本研究的目的和意义
• 第二章 从血液蛋白多态和微卫星分析六个牛群体的遗传多样性与遗传分化
• 2.1 试验材料与方法
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.3 统计分析
• 2.2 结果
• 2.2.1 群体遗传变异水平
• 2.2.2 Hardy-Weinberg平衡检验
• 2.2.3 连锁不平衡分析
• 2.2.4 遗传分化度量与基因流分析
• 2.2.5 遗传距离及系统发生树的构建
• 2.2.6 分化时间
• 2.3 讨论
• 2.3.1 不同群体遗传结构及群体遗传变异水平
• 2.3.2 群体间遗传分化与亲缘关系
• 2.3.3 中原黄牛的形成与分化
• 2.3.4 牛亚科家畜不同种属间分化时间估计
• 2.3.5 微卫星和血液蛋白多态结果的差异
• 2.3.6 微卫星和血液蛋白多态对物种间遗传分化研究的有效性
• 第三章 遗传距离对利用微卫星资料进行系统树构建和遗传分化估计的影响
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 各种遗传距离的度量
• 3.1.2 数据
• 3.1.3 聚类方法与系统树构建及其评价
• 2遗传距离和D_TL距离对分化时间的比较'>3.1.4 （σμ）²遗传距离和D_TL距离对分化时间的比较
• 3.2 结果
• 3.2.1 不同遗传距离、聚类方法及杂合度水平系统发生树的自举检验值
• 3.2.2 不同遗传距离、聚类方法及杂合度水平系统树的正确性
• 2遗传距离和D_TL距离对分化时间的比较'>3.2.3 （σμ）²遗传距离和D_TL距离对分化时间的比较
• 3.3 讨论
• 3.3.1 影响系统树构建和遗传分化估计准确性的因素
• 3.3.2 不同遗传距离的比较
• 3.3.3 聚类方法比较
• 2遗传距离和D_TL遗传距离与分化时间'>3.3.4 （σμ）²遗传距离和D_TL遗传距离与分化时间
• 3.3.5 微卫星的局限性
• 第四章 基于贝叶斯概率论的相关软件在动物遗传多样性研究中的应用
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 数据
• 4.1.2 方法
• 4.2 结果
• 4.2.1 GENECLASS
• 4.2.2 STRUCTURE
• 4.2.3 BAPS
• 4.3 讨论
• 4.3.1 不同软件运算结果比较
• 4.3.2 分群数
• 4.3.3 运算时间
• 4.3.4 对资料的要求及其影响结果准确性的因素
• 4.3.5 STRUCTURE和BAPS运算结果与聚类分析的比较
• 第五章 Weitzman遗传多样性及其在中国黄牛品种保护中的应用
• 5.1 本文所涉及的相关理论及公式
• 5.1.1 Weitzman遗传多样性的基本理论
• 5.1.2 三种不同的保种经费分配方式
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 品种与遗传距离测定
• 5.2.2 品种的灭绝概率
• 5.2.3 边际多样性分析指标的计算
• 5.2.4 保种经费分配优化过程基本参数的设置
• 5.3 结果
• 5.3.1 品种的灭绝概率
• 5.3.2 最大似然树
• 5.3.3 现实和将来的期望多样性
• 5.3.4 品种贡献率、边际多样性及保护潜力
• 5.3.5 不同模型下保种经费分配比例
• 5.3.6 不同保种经费分配方式投资回报率
• 5.4 讨论
• 5.4.1 品种灭绝概率的估计
• 5.4.2 最大似然树的构建
• 5.4.3 品种保护的标准
• 5.4.4 不同保种模型效果
• 5.4.5 品种保护的目标
• 5.4.6 Weitzman遗传多样性理论对目前我国家畜禽品种保存的指导作用
• 全文结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表论文目录