基于分子标记共祖的亚东鲑育种群体遗传背景分析.pdf
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1、为明确亚东鲑(Salmo trutta fario)育种群体遗传背景,为今后亚东鲑的育种工作及家系选育提供理论依据,本研究通过分子标记共祖技术,对雅鲁藏布江渔业资源繁育基地的2 45尾亚东鲑育种群体的遗传背景进行了分析。结果显示:2 45个个体被分为6 个群体,StfA1、St f C2 和StfC3群体中多数个体来源于不同祖先,StfB1、SifC1和SifC4群体中多数个体具有单一的祖先来源;2 45个个体中基因组近交系数大于0.0 6 2 5的个体比例为19.6%(48/2 45),其中StfA1群体为36.3%(37/10 2),StfC2群体为5.9%(3/51),StfC3群体为4
2、.3%(2/47),SifC4群体为50%(6/12);基因组近交系数大于0.12 5的个体有14个,基因组近交系数大于0.2 5的个体有1个;6个群体内共有115对个体为全同胞近交类型(CC0.25),958 对个体为半同胞、祖孙或叔侄近交类型(0.12 5CC0.25),36 53对个体为堂兄妹、半叔侄或曾祖孙近交类型(0.0 6 2 5CC0.125);6 个群体间个体亲缘关系无全同胞近交类型,半同胞、曾孙或叔侄近交类型的个体对为10 1对;堂兄妹、半叔侄或曾祖孙近交类型的个体对为58 4对;基因流结果表明SifC3群体和SifC4群体基因交流最大,流向为SifC4群体到StfC3群体,
3、其余各种群间也存在相当程度的基因交流。该亚东鲑繁殖群体遗传多样性水平较低,可能存在一定的种质衰退。StfC1、StfC2、St f C3和StfC4四个群体两两间均达到了近亲繁殖的程度,在今后的亚东鲑育种过程中可做为一个家系使用。关键词:亚东鲑(Salmo trutta fario);分子标记共祖;遗传结构;遗传多样性;亲缘关系中图分类号:S961.1文献标识码:A文章编号:10 0 0-6 9 0 7-(2 0 2 3)0 4-0 0 8 2-0 9亚东鲑(Salmo trutta fario)又名褐鳟、棕鳟,属鲑形目鲑科鱼类,原产于欧洲、非洲北部和西亚一些地区,在19世纪初由英国引进,国内
4、仅在西藏自治区亚东县内有分布,为西藏自治区特有的冷水经济鱼类1.2 。该鱼周身有红色和灰色不规则圆点,鱼体肥满,肉质鲜美,其肌肉高度不饱和脂肪酸含量高并且具有丰富且平衡的氨基酸,营养价值较高3,具有很大的商业价值。当地政府积极发展亚东鲑养殖业,现已成为亚东县重点发展的四大特色优势产业之一。但在亚东鲑产业化发展的过程也存在许多问题,如孵化率低、发病率高、体表色泽暗等,严重影响了养殖户的养殖成本和销售,亚东鲑由于引进时间较长4,经过多代人工繁殖,缺乏人工选育,导致种质生长速度缓慢、个体小型化等现象时有发生。亚东鲑的良种化问题已成为制约其产业化发展的瓶颈。因此,无论亚东鲑作为商品化生产还是野外种质资
5、源的养护需求,以其亲本遗传管理和建立选配策略解决亚东鲑良种化问题已成为当务之急。然而,因近亲繁殖导致的资源衰退,仅靠单纯数量意义上的增殖放流在经济、环境和增殖放流效果等方面不可持续,也不利于野生群体的种质资源多样性建立5。亚东鲑在无系谱背景的情况下,由于多代的人工繁殖缺乏实质性选育,如何避免近亲繁殖又成为一个难点。分子标记共祖分析是通过高通量测序获得的SNP分子标记来替代传统系谱信息,结合多种统计学方法解析、分析群体遗传特征,计算如基因组共祖系数(genomic coancestry coefficient,CC)、血缘同源(identity by descent,IBD)、基因组近交系数(g
6、e-nomic inbreeding coefficient)、多维标度分析(multi-收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 1;修订日期:2 0 2 3-0 3-17资助项目:西藏自治区外国专家项目(2 0 2 0 WZ007);西藏自治区重点研发计划(XZ202101ZY0003N);国家特色淡水鱼产业技术体系(CA RS-46);西藏自治区中央引导地方项目(XZ202001YD0022C,XZ2 0 2 2 0 1YD 0 0 2 3C);西藏地区经济鱼虾循环水养殖技术集成和示范(2022ZX10,XZ202101ZY0003N)第一作者简介:陈孟娟(2 0 0 0),女,硕士,专业方
7、向为动物遗传育种与繁殖。E-mail:c h e n _3336 6 6 97 9 16 3.c o m通讯作者:周建设。E-mail:z j i a n s h e 16 3.c o m第4期dimensional scaling,M D S)及群体遗传结构等估计值6-8 。在没有系谱资料的育种群体中,通过分子标记共祖分析,获得个体间的亲缘关系信息,实现高效精准估算近交系数和群体近交率,进而从不同的角度揭示群体的近交关系,在水产动物育种中建立以维持物种多样性水平为保种目标的亲本选配策略。本研究通过分子标记共祖分析,在无系谱信息的亚东鲑育种群体中,基于SNP分子标记替代系谱信息构建实现分子亲缘
8、关系矩阵,精准估算个体间亲缘关系和群体近交率,以维持物种遗传多样性为目标,对亚东鲑育种群体遗传背景进行分析,为亚东鲑的家系选育及遗传多样性的管理提供新的技术方案。1材料和方法1.1样品采集实验所用2 45尾亚东鲑均来自雅鲁藏布江渔业资源繁育基地,年龄为35龄,平均体长为(30.144.6 9)c m,平均体质量为(533.19331.28)g。采样个体之间没有系谱记录。使用MS-222将采样个体进行麻醉后,采用PIT鱼类芯片标记的方法,将动物芯片打人背部肌肉进行标记,并剪取脂鳍放人90%的乙醇保存备用。1.2方法1.2.1样品DNA提取利用无锡百泰克生物技术有限公司生产的海洋动物基因组DNA提
9、取试剂盒提取亚东鲑脂鳍基因组DNA,通过琼脂糖检测和NanoDrop2000紫外分光光度计(Thermo fisher Scientific)对抽提的DNA质量和浓度进行检测。DNA产物置于-2 0 保存备用。1.2.27文库构建和测序质量分析按照 double digest restriction site-associatedDNA sequencing(d d-RA D)的方式构建文库,参考基因组大小为2 37 1.8 8 Mb,选用的限制性内切酶为EcoRI和Bfa,插人片段在2 2 0 450 bp之间。利用第二代测序技术(Next G e n e r a t i o n Se-qu
10、encing,NGS),基于 Illumina NovaSeq 测序平台,对文库进行双末端(Pairede n d,PE)测序。得到的原始图像数据文件经碱基识别转化成原始测序序列,将拼接好的测序序列进行过滤以保证数据分析结果准确性。首先采用AdapterRemoval(v e r s i o n2)9去除3 端的接头污染;随后进行质量过滤和陈孟娟等:基于分子标记共祖的亚东鲑育种群体遗传背景分析1.2.4群体遗传结构分析利用全基因组SNP标记对2 45个个体的遗传结构进行分析,设置K值为12 0 个,迭代10 0 0 0次,通过ADMIXTURE13的5倍交叉验证来选择适宜的K值。使用PLINK
11、软件进行多维标度(MDS)分析,以获得个体间的基因组关系。1.2.5群体遗传多样性分析使用R软件包(DiveRsity)14 估计群体内平均观测杂合度(Ho)和平均期望杂合度(He)。所有SNPs 的Ho和He值在群体内逐一计算,然后将平均值作为群体的Ho和He值。使用VCFtools15以10 Mb滑窗为单位,步长为2 Mb在整个基因组测量核苷酸多样性(Pi)。每个群体的平均Pi 是由所有滑窗的Pi值的平均值计算出来的,使用R软件16 对6 个组别的均值进行多重比较,并进行Scheffe 检验。1.2.6群体近交水平和亲缘关系通过基因组共祖系数(CC)和血缘同源率(IBD)两个参数来衡量个体
12、间的基因组亲缘关系。基因组共祖系数的估算是基于每个SNP 自身效应的跨SNP标准化的混合模型获得的,并被计算为基因组成对加性关系的半值(基因组加性关系矩阵的非对角线元素),并由GVCBLUP软件17 中的GCORRMX程序而得出,通过PLINK软件个体加性关系矩阵对角线元素计算个体近交系数(f)【18 。1.2.7群体遗传分化和基因流分析通过VCFtools对全基因组以10 Mb滑窗为单位,长为2 Mb进行SNP扫描,估算群体间个体遗传分化指数(Fsr)【19,个体Fsr的显著性检验使用置换检验(10 0 0 0 个置换)。通过高斯近似法从全基因组等位基因频率数据中发现遗传漂变,然后使用Tre
13、emix软件推断6 个群体的历史分裂和混合的基因流。83长度过滤,过滤去除双末端长度50 bp 的reads,由此获得可用于后续标记筛查、分型的高质量序列即SLAF标签。1.2.3全基因组序列比对和SNP标记检测采用BWAmeml101程序将过滤后得到的高质量数据比对到参考基因组上,均使用默认参数。采用GATK!I软件进行SNP 的检测,进一步对获得的SNP位点进行过滤,以获得高质量的 SNPs用于遗传多样性分析。将获得的 SNP结果进行统计,采用ANNOVAR12软件对 SNP位点进行注释。842结果2.1测序结果分析对2 45个个体通过NGS测序,平均每个样本获得17.0 1Mcleanr
14、eads,平均GC含量为42.2 8%,平均Q20百分比为97.8 4%,平均Q30碱基百分比率93.55%。平均测序深度为14.56,共获得10 92 50 9个SNP标记,经过筛选后获得17 0 58 个SNP数据集,可用于后续的群体遗传分析。2.2群体遗传结构分析群体结构是群体遗传分析的重要内容。本研究淡水渔业对2 45个个体进行Admixture检测分析,首先假设测试群体来源于12 0 个祖先(K=12 0),交叉验证结果表明在K=11时错误率最低,其次为K=10。当K=10和11时,遗传聚类分析结果显示245个个体可明显地聚为6 个群体(图1),其中StfA1、St f C2 和St
15、fC3群体中的遗传组成较为复杂,多数个体来源于不同祖先;StfB1、St f C1和StfC4群体遗传结构较为简单,多数个体具有单一的祖先来源(图1)。2023 年1.000.750.500.250.001.000.750.500.250.001StfA1图1当K=10和11时,2 45个个体的遗传结构Fig.1 Genetic structure of 245 individuals when K=10 and 11245个个体的多维标度(MDS)视图结果如图2 a和图2 b所示,遗传距离接近的群体会聚集在一起,从图中可以得到StfA1群体、StfB1群体各单独聚为一簇,并且与其它群体之间的
16、遗传距离相距较远;JsifBlsifci!个体StfC1、St f C2、Si f C3、St f C4 四个群体遗传距离较近,并且在二维图中4个群体间的个体有重叠部分(图2 b)。StfC2StifC3(a)0.05-0.00-P-0.05-2.3群体遗传多样性分析分别统计了6 个群体的Ho、H e 和Pi,结果显示(表1),6 个群体的Ho范围为0.2 8 30.2 95,(b)0.040.00d-0.04-0.08-0.050.00PC1种群StfA1StfB1StfC1StfC2图2 2 45个个体的相互遗传距离多维标度分析(a,b)Fig.2 Multidimensional sca
17、ling analysis of mutual genetic distance of 245 individuals(a,b)0.050.10-0.05StfC3StfC4其中StfC3群体中遗传多样性最高,StfA1群体中遗传多样性最低。He范围为0.2 38 0.2 7 4,其中StfC2和StfC3群体遗传多样性相对更高,StfC1群0.00PC10.050.10第4期体遗传多样性最低。Pi 范围为1.6 58 10-6 1.88410-,H e 的趋势与 Pi相似。表16 个群体的遗传多样性分析Tab.1Genetic diversity among six sampling pop
18、ulations群体样本数SifA11020.283 0.189aSfB1140.288 0.256abSifC1190.292 0.257bSifC2510.292 0.192 hSfC3470.295 0.196 bSifC4120.290 0.255 ab注:同列上标字母不同表示不同组别之间差异显著(P0.05)。下表同。陈孟娟等:基于分子标记共祖的亚东鲑育种群体遗传背景分析群体近交水平估计根据全基因组SNP数据估计的6 个群体平均基因组近交系数如表2 所示,StfA1群体基因组近交系数最高,平均基因组近交系数为0.0 46;StfC3群体基因组近交系数最低,平均基因组近交系数为HoHe
19、0.272 0.170 1.856 10-6b0.239 0.188=b 1.681 10-6 a0.238 0.190 1.658 10-6 a0.274 0.164 1.884 10-6 b0.274 0.165 1.882 10-6 b0.245 0.188b 1.733 10-6 a852.4Pi0.007。St f C3群体的平均基因组近交系数显著小于StfA1群体,与其他4个群体比较差异不显著。245个体中,基因组近交系数大于0.0 6 2 5的个体比例占所有检测个体的19.6%(48/2 45),其中SifA1群体为36.3%(37/10 2),SifC2群体为5.9%(3/51
20、),St f C3群体为4.3%(2/47),StfC4群体为50%(6/12);基因组近交系数大于0.12 5的个体有14个,其中SifA1群体中12 个,StfC3和StfC4群体中各有1个;基因组近交系数大于0.2 5的个体1个,在StfA1群体中(图3)。表2 群体平均基因组近交系数,群体内个体成对相关度群体内个体成对相关度Tab.2Average genomic inbreeding coefficients,pairwise relatedness by population群体样本量StfFA1102SifB114SifC119SifC251SifC347SifC412平均基因组
21、近交系数0.046 0.058b0.029 0.042ab0.018 0.033ab0.017 0.030ab0.007 0.037a0.022 0.051 abCC0.083 9 0.040 5b0.140 3 0.055 2c0.169 5 0.043 7d0.065 8 0.056 2 a0.066 9 0.041 8 a0.165 8 0.071 7dIBD0.112 3 0.088 7a0.309 6 0.112 3c0.346 4 0.086 7d0.120 1 0.115 3a0.133 3 0.087 8a0.274 1 0.143 6b0.250.1250.04250.005
22、0StfA1图32 45个个体的基因组近交系数Fig.3 Genomic inbreeding coefficients of the 245 individuals2.5群体内和群体间个体亲缘关系分析群体内和群体间个体对亲缘关系可以通过CC和IBD来确定,并且可以通过两者的一致性来进行验证。六个群体内基因组平均成对亲缘关系见表2。St f C1 群体中个体对的基因组亲缘关系最高(CCStfB2StfC1=0.169 5 0.043 7,IBD=0.346 4 0.086 7),StfC2和 StfC3 群体内个体对的基因组亲缘关系相对较远。群体内CC和IBD热图如图4所示,6 个群体内共有1
23、15对个体为全同胞近交类型(CC0.25),近交程度属嫡亲,其中StfA1、St f B1、StfC2StfC3StfC486StfC1、St f C2、St f C3和StfC4群体内的个体对分别为55、1、12、2 2、12 和13;958 对个体为半同胞、祖孙或叔侄近交类型(0.12 5CC0.25),近交程度属嫡亲,其中 StfA1、St f B1、St f C1、St f C2、StfC3和StfC4群体内的个体对分别为48 7、36、142、17 6、8 5和32;36 53对个体为堂兄妹、半叔侄或曾祖孙近交类型(0.0 6 2 5CC0.125),近交程度属近亲,其中 StfA1
24、、St f B1、St f C1、St f C2、StfC3和StfC4群体内的个体对分别为30 52、54、17、17 2、337 和2 1。6个群体间个体亲缘关系如表3所示,无全同胞近交类型;半同胞、曾孙或叔侄近交类型的个体对为10 1对,其中StfC2和StfC3群体间2 8 对,SifC3和SifC4群体间7 3对;堂兄妹、半叔侄或曾祖孙近交类型的个体对为58 4对,其中StfC1和StfC2群体间12 3对,StfC1和StfC3群体间45对,StfC2和StfC3群体间159对,StfC2和StfC4群体间群体SifA1SifA1SifB1SifC1SifC2SfC3SifC4注:
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