不同品種的豬。 華中農(nóng)大供圖

■記者 李晨

豬肉占我國居民肉類消費(fèi)的60%，隨著生活水平的提高，人們對瘦肉的消費(fèi)需求量逐步增加，我國養(yǎng)豬業(yè)主體也過渡到養(yǎng)瘦肉豬。

現(xiàn)代養(yǎng)豬業(yè)中，瘦肉豬養(yǎng)殖占90%以上，當(dāng)前國際上豬育種主要工作是對杜洛克、長白、大白等少數(shù)幾個(gè)“當(dāng)家”瘦肉豬品種進(jìn)行產(chǎn)肉性能改良。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授趙書紅告訴《中國科學(xué)報(bào)》，國際上種豬育種競爭，本質(zhì)上就是改良速度的競賽，誰的效率更高，誰將最終勝出。

基因組育種是當(dāng)前最先進(jìn)的豬育種技術(shù)，相比傳統(tǒng)方法效率能提高30%以上，在這場全球豬遺傳育種科學(xué)家參與的育種“競賽”中，要想跑在前面，必須深入理解豬基因組，應(yīng)用好基因組信息，進(jìn)行高效育種。

近日，趙書紅團(tuán)隊(duì)繪制了目前涵蓋品種信息和組織類型最廣的豬基因組啟動子、增強(qiáng)子、開放染色質(zhì)區(qū)域及三維基因組精細(xì)圖譜，大規(guī)模鑒定了調(diào)控元件及調(diào)控區(qū)的突變位點(diǎn)，為應(yīng)用功能突變位點(diǎn)提升豬基因組育種效率奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然—通訊》。

育種效率“競賽”

目前，我國已經(jīng)建成了較完善的選育、擴(kuò)繁、推廣的繁育體系，育種進(jìn)展明顯加快，種豬質(zhì)量不斷提高。論文通訊作者趙書紅介紹，我國對杜洛克、長白、大白品種選育與發(fā)達(dá)國家是同步的，“哪個(gè)國家的育種效率高，性狀改良速度快，哪個(gè)國家的種豬就將形成競爭優(yōu)勢”。

“種豬育種采用的是群體育種的方式。”論文共同通訊作者、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授李新云解釋說，即從每一世代的群體中，選出最優(yōu)秀的一小部分個(gè)體做種，生產(chǎn)下一代，這樣下一代群體性能的平均水平就會好于上一代，這個(gè)過程周而復(fù)始地進(jìn)行，種豬的性能就能持續(xù)提升，養(yǎng)豬業(yè)的效率也會逐年上升。育種的一個(gè)關(guān)鍵就是從一群后備豬中挑選出遺傳性能真正優(yōu)秀的個(gè)體，挑選對了，遺傳進(jìn)展就快，反之就會降低遺傳進(jìn)展。

在這場育種效率“競賽”中，如何才能在育種效率上跑在前面？趙書紅認(rèn)為，僅僅依靠傳統(tǒng)方法已經(jīng)落后了。實(shí)際上，種豬育種過程中經(jīng)歷了表型選擇、BLUP選育和基因組選育幾個(gè)主要階段，育種技術(shù)一直在革新，育種效率一直在提高。當(dāng)前豬基因組育種是效率最高的育種技術(shù)，是在傳統(tǒng)BLUP基礎(chǔ)上結(jié)合基因組信息對種豬遺傳性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估，深入解析基因組、挖掘基因組信息對于創(chuàng)新豬基因組育種是非常關(guān)鍵的。

解碼基因組非編碼區(qū)功能

盡管家豬基因組參考圖譜的完成開啟了豬遺傳育種研究的新局面，但占基因組98%的非編碼區(qū)域功能研究很少，調(diào)控元件注釋尚不清晰，這嚴(yán)重制約了豬經(jīng)濟(jì)性狀分子機(jī)理解析及基因組育種技術(shù)創(chuàng)新。

基因組非編碼區(qū)過去曾被認(rèn)為是“垃圾DNA”。隨著科學(xué)家對未知的深入探討，目前我們知道這些非編碼區(qū)實(shí)際上是包含基因表達(dá)調(diào)控的重要調(diào)控元件。為了破譯動物基因組非編碼區(qū)的功能，2015年，趙書紅與國際同行共同發(fā)起了動物基因組功能注釋計(jì)劃（FAANG），旨在揭示動物基因組中啟動子、增強(qiáng)子、開放染色質(zhì)區(qū)域等基因調(diào)控元件，繪制動物基因組功能元件精細(xì)圖譜。

“調(diào)控元件注釋是解析動物經(jīng)濟(jì)性狀調(diào)控機(jī)制的重要基礎(chǔ)。”趙書紅說。為了攻克這一重要問題，論文第一作者、副研究員趙云霞與侯曄、許月園等研究生自主搭建了豬調(diào)控組學(xué)研究技術(shù)體系，以瘦肉型大白豬、杜洛克豬，以及脂肪型恩施黑豬和梅山豬4個(gè)品種為研究對象，獲得了包含12種組織的199組與基因調(diào)控相關(guān)的基因組活性區(qū)域信息。

“這些數(shù)據(jù)包含了基因組中有調(diào)控活性的區(qū)域所在的位置、調(diào)控活性強(qiáng)弱、區(qū)域大小、發(fā)揮活性的組織特異性等特征信息，解析這些數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步認(rèn)識豬基因組的非編碼區(qū)。”趙云霞說。

該研究鑒定出超過22萬個(gè)豬基因組調(diào)控元件、25萬個(gè)調(diào)控區(qū)突變位點(diǎn)和3316個(gè)豬基因組新轉(zhuǎn)錄本，并進(jìn)一步解析了豬基因組的超級增強(qiáng)子、活性啟動子等，闡明了豬基因組調(diào)控元件的組織特異性及其三維空間結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)調(diào)控的影響。

趙云霞告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“解析這些大數(shù)據(jù)確實(shí)是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。”他們主要是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)，獲取大量數(shù)據(jù)，通過生物信息學(xué)分析，對基因組大數(shù)據(jù)進(jìn)行特征挖掘。

例如增強(qiáng)子的判定，是依據(jù)具有特定的表觀修飾和與周圍基因的距離、三維結(jié)構(gòu)等。而啟動子分析則主要依據(jù)其特定的H3K4me3組蛋白修飾信號。為此，他們開發(fā)了一套批量分析技術(shù)，即根據(jù)調(diào)控信號特征對增強(qiáng)子和啟動子進(jìn)行分類。

論文中提到PLCB4基因的增強(qiáng)子，它具有ATAC-seq和H3K27ac組蛋白表觀修飾信號，三維結(jié)構(gòu)分析可以看出它與PLCB4基因的啟動子存在遠(yuǎn)程互作。“通過這些分析就可以證明該區(qū)域是PLCB4基因的增強(qiáng)子。”趙云霞說，類似的，通過全基因組范圍分析就可以解析全基因組的增強(qiáng)子。

“探明這些調(diào)控元件特征，為豬經(jīng)濟(jì)性狀調(diào)控機(jī)制研究提供了新資料，也為下一步應(yīng)用這些信息進(jìn)行基因組育種技術(shù)創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。”趙書紅說。

新成果有望進(jìn)一步提高育種效率

“由于豬基因組調(diào)控元件與功能區(qū)突變挖掘滯后，導(dǎo)致豬基因組的功能位點(diǎn)與分子標(biāo)記無法區(qū)分，基因組育種芯片設(shè)計(jì)時(shí)無法充分利用功能區(qū)域和功能位點(diǎn)信息，影響了基因組育種效率的提升。”趙書紅表示這是他們想要解決的另一個(gè)重點(diǎn)問題。

該研究通過整合調(diào)控元件、三維基因組及全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）信息，解析了豬重要性狀GWAS位點(diǎn)在調(diào)控元件周圍的分布特征，對部分重要性狀候選調(diào)控區(qū)突變進(jìn)行了鑒定，同時(shí)通過整合不同品種間基因組突變、表觀修飾、三維基因組及基因表達(dá)變異，鑒定了一批重要候選功能突變位點(diǎn)。

趙云霞解釋說，基因組中有很多突變位點(diǎn)，絕大部分是沒有功能的分子標(biāo)記位點(diǎn)，僅有很少一部分是有生物學(xué)功能的位點(diǎn)，這些位點(diǎn)能夠影響基因表達(dá)水平，對動物的生理、生化表現(xiàn)及生產(chǎn)性能會有一定的影響。

“因此，找到這些重要突變位點(diǎn)，對于動物育種、疾病診斷都有重要意義。”趙云霞說，他們在影響生長發(fā)育的重要基因SIX1和SXI4基因遠(yuǎn)程增強(qiáng)子中找到一個(gè)位點(diǎn)，改變了基因增強(qiáng)子中轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合序列和增強(qiáng)子的組蛋白修飾、ATAC-seq信號，這說明該位點(diǎn)具有調(diào)控功能。在此基礎(chǔ)上，他們找到了位于調(diào)控元件區(qū)域約25萬個(gè)重要突變位點(diǎn)。

通過充分利用這些最新找到的重要突變位點(diǎn)，結(jié)合全新的基因組育種算法，豬基因組育種效率還有可能再提升5%~10%。“這些工作為基因組育種技術(shù)創(chuàng)新及效率提升提供了豐富的數(shù)據(jù)信息，為加速豬經(jīng)濟(jì)性狀遺傳改良開辟了新路徑。”趙書紅表示。

不過，她強(qiáng)調(diào)，科學(xué)家對基因組的認(rèn)識仍然不夠深入，這從實(shí)際上制約了技術(shù)的創(chuàng)新。而缺乏原始創(chuàng)新，必然會導(dǎo)致在育種效率競爭中落后于人。這篇論文得到的成果將是他們今后需要深入研究的科學(xué)問題的一個(gè)起點(diǎn)。