论文部分内容阅读
饲料利用效率是猪育种工作中的重要选育性状,也是影响养猪成本的重要因素,而猪的采食行为与饲料利用效率密切相关。动物多种复杂性状受宿主基因组和肠道微生物的共同影响,同时宿主基因组也会影响肠道微生物的群落结构,宿主基因组-肠道微生物-宿主表型三者之间存在着复杂而又密切的相互作用关系。在本研究中,我们首先对大白猪饲料利用效率、采食行为及其相关性状进行了非遗传因素分析及遗传参数估计,包括:剩余采食量(residual feed intake,RFI)、校正30～100 kg饲料转化率(feed conversion ratio,FCR)、校正30～100 kg日增重(average daily gain,ADG)、平均每日采食量(average daily feed intake,ADFI)、校正100 kg背膘厚(100 kg backfat thickness,BF)、平均每日采食次数(number of visits to the feeder per day,NVD)、平均每日采食时间(time at the feeder per day,TFD)、平均每次采食量(feed intake per visit to the feeder,FIV)、平均每次采食时间(time at the feeder per visit,TV)、采食速度(feeding rate,FR)。其次,利用简化基因组测序对大白猪RFI、FCR、ADG、BF、ADFI、NVD、FIV、TFD、TV、FR进行全基因组关联分析(GWAS),筛选与性状相关的宿主遗传变异;利用微生物16S rRNA基因测序结合宏基因组测序技术筛选与RFI、FCR、ADG、BF、ADFI、NVD、FIV、TFD、TV、FR相关的粪便微生物标记,在此基础上初步研究了宿主基因组与80日龄大白猪粪便微生物间的相互作用关系。本研究主要的结果如下:(1)对848头大白猪RFI、FCR、ADG、BF、ADFI、NVD、FIV、TFD、TV、FR性状进行了非遗传因素分析和遗传参数估计。结果表明,年份对RFI、FCR、BF、ADFI、TFD、FR性状有显著影响(P<0.05或P<0.01);性别对RFI、FCR、ADG、BF、ADFI、NVD、FIV、TFD、TV、FR性状具有显著影响(P<0.05或P<0.01);胎次仅对FCR(P<0.01)和ADFI(P<0.05)有影响;季节对RFI、ADG、ADFI性状影响极显著(P<0.01)。RFI、FCR、ADG、BF、ADFI、NVD、FIV、TFD、TV、FR等性状的遗传力在0.3～0.54之间,属于中高等遗传力性状。RFI与FCR、ADFI、TFD之间的表型和遗传相关较高,FIV与ADFI和NVD表型及遗传相关较高。(2)本研究利用简化基因组技术对349头大白猪RFI、FCR、ADG、BF、ADFI、NVD、FIV、TFD、TV、FR性状进行GWAS分析,结果发现,RFI、FCR、ADG、TFD和TV五个性状存在全基因组水平显著关联位点(-log10(P)>6),共鉴定到38个与RFI和FCR显著关联的SNP位点,发现与ADG显著关联的SNP位点有11个,与TFD和TV显著关联的SNP位点只有1个。根据定位基因的功能、单倍型及GO和KEGG富集分析,筛选到14个与RFI和FCR显著相关的候选基因,分别是PIK3C3、CLCN3、CBR4、MFAP3L、DDX60、SH3RF1、AADAT、WWC3、RAB9A、OFD、EGFL6、GLRA2、TLR7、TLR8。免疫(Toll样受体信号通路)、炎症(麻疹)和代谢(2-氧代甲酸代谢、色氨酸代谢)可能是影响RFI和FCR性状的重要信号通路。注释到1个与ADG相关的未知功能基因:LOC110255823,筛选到5个与TFD和TV性状显著相关的候选基因,分别是ELAC2、COX10、ARHGAP44、HS3ST3A1、HS3ST3B1。(3)对349头80日龄大白猪粪便微生物进行16S rRNA基因高通量测序分析。通过对影响肠道微生物的遗传和环境因素进行分析,发现性别、季节、初生重、胎次和产仔数与肠道微生物群落结构组成显著相关(P<0.05)。肠道微生物肠型鉴定结果表明,80日龄大白猪粪便微生物存在两种肠型,即乳酸杆菌属Lactobacillus肠型和吉米菌属Gemmiger肠型;肠型对RFI、FCR性状和alpha多样性有显著影响(P<0.05),对ADG、BF、ADFI、NVD、FIV、TFD、TV、FR性状影响不显著(P>0.05)。通过极端表型分组分析,发现与RFI(如unidentified＿Lachnospiraceae和Lactobacillus)、FCR(Prevotella和Lactobacillus)、ADG(Roseburia)、BF(unidentified＿Coriobacteriaceae和Prevotella)、ADFI(unidentified＿Coriobacteriaceae和Corynebacterium)、NVD(unidentified＿Rikenellaceae)、TFD(unidentified＿Acidimicrobiales)、TV(SMB53)、FR(Corynebacterium和Faecalibacterium)性状显著相关的肠道微生物,这些肠道微生物可能可以作为与性状表型相关的微生物标记。(4)基于16S rRNA基因高通量测序结果,对12头高、低饲料利用效率(RFI/FCR)的大白猪的粪便微生物进行宏基因组测序分析,结果表明不同饲料利用效率的大白猪,其80日龄的粪便微生物存在显著差异。与低饲料利用效率组相比,高饲料利用效率组个体粪便中生产短链脂肪酸的细菌(如Lachnospiraceae、Ruminococcaceae和Clostridiaceae)的丰度较高,主要富集的代谢途径为氨基酸代谢通路(例如甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸代谢等)、氮素代谢通路和碳水化合物代谢通路(例如三羧酸循环、乙醛酸和二羧酸代谢)。低饲料利用效率组粪便中Lactobacillus(如Lactobacillus＿reuteri、Lactobacillus＿johnsonii等)丰度较高,主要富集的代谢途径为类脂化合物代谢、磷酸转移酶系统和未分类的遗传信息处理进程等。(5)通过比较同胞、半同胞、非亲缘关系个体之间的肠道微生物多样性,发现全同胞之间的微生物相似性显著高于半同胞和非亲缘关系个体。进一步分析肠道微生物与宿主基因组之间的关系发现,宿主遗传变异与肠道微生物之间具有一定的关联。我们鉴定了34个与微生物β多样性显著相关的宿主SNPs,它们对微生物β多样性的累积解释率为5.07%。通过评估微生物丰度与宿主遗传变异的相关性,发现6个属水平菌、73个KOs及58个Meta Cyc代谢途径与宿主遗传变异显著相关。此外,我们还鉴定了82个属具有遗传力的微生物(Heritability>0.1),其中具有高遗传力的微生物为SMB53(h~2=0.56)、Lactobacillus(h~2=0.52)和Oscillospira(h~2=0.47)。最后,利用微生物全基因组关联分析(microbial genome-wide association studies,mGWAS)鉴定了影响SMB53、Turicibacter、Clostridium、[Ruminococcus]、02d06五个菌属相对丰度的宿主遗传变异位点及基因,并发现这些基因的功能主要涉及炎症、免疫和代谢等途径。综上所述,本研究联合宿主基因组测序和肠道微生物组测序技术对大白猪RFI、FCR、ADG、BF、ADFI、NVD、FIV、TFD、TV、FR等性状进行研究,综合利用多种分析方法挖掘到影响饲料利用效率及相关性状、采食行为等性状的候选宿主候选基因及关联微生物,并分析了这些基因与微生物的生物学功能。通过宿主基因组变异与肠道微生物组的联合分析,探讨了宿主遗传与生长性能测定早期宿主粪便微生物的相互作用关系,并筛选到一些与肠道微生物关联的基因及其可能的作用途径。本研究的结果为大白猪饲料利用率性状的分子育种提供了新的研究思路和遗传标记。