分子生物学技术在动物育种中的应用.doc

(自然科学版)，2006，37(2)：313315文·献·综·述分子生物学技术在动物育种中的应用王丹晨1，李荣岭2，康文霞2（1.山东大学生命科学院，山东济南；2.山东农业大学动物科技学院，山东泰安）收稿日期：2005-11-16作者简介：王丹晨（1985-），女，研究方向：生命科学.通讯作者：Author for correspondence.E-mail:lirong ling PROGRESS AND APPLICATION OF MOLECULAR GENETICS FOR ANIMAL BREEDINGWANG Dan-chen1, LI Rong-ling*,2 ，KANGWen-xia2(1.College of Life Science, Shandong University, Jinan , China; 2.College of Animal Science and Technology, Shandong Agricuture University, Taian ,China）Key Words:Biotechnology ,Transgenic technology,Molecular marker, Gene mapping摘要：生物技术在现代动物育种中起着重要的作用。本文主要从转基因技术、分子遗传标记、基因图谱的建立等方面介绍了分子生物学技术在动物育种中的作用，这些技术将发挥越来越重要的作用。关键词：生物技术;转基因技术;分子遗传标记;基因图谱中图分类号：S811.5文献标识码：A文章编号：1000-2324(2006)02-0313-03生物学经历了一个漫长的研究过程。最早从研究动植物的形态、解剖和分类开始，进一步研究细胞学、遗传学、微生物学、生理学、生物化学，进入细胞水平的研究1。20世纪中叶以来，生物学以生物大分子为研究目标，分子生物学开始形成了独立的学科，这是对生物界认识不断深入的过程。Chargaff（1949）从不同来源的DNA中测出4种核酸碱基；Watson和Crick于1953年提出了DNA双螺旋模型；Khorana（1966）用实验证实了Nirenberg提出的遗传密码;Sanger (1977)及Gilbert（1977）分别用不同的方法解决了DNA分子中碱基序列的复杂问题。1993 年DNA 离体重组技术的突破使分子遗传学的研究发展到了一个崭新时期。如今，分子遗传学的发展已进入基因组学时代，所产生的大量分子生物学信息需要用数理统计方法加以分析和利用。分子生物学也注定在揭示生命奥秘的过程中发挥越来越大的作用。人们有意识或无意识地对畜禽的表型进行选择以提高其生产性能已有数千年的历史, 而真正科学、系统的动物育种却是最近几十年的事情。进入80 年代以来, 由于畜禽经历了相对长期的选择, 遗传改良的速度呈现了变慢的趋势, 这就迫使各国的动物育种学家们去寻求一种具有突破性的育种方法。分子生物学, 尤其是基因工程技术得到了飞速的发展, 这使寻找动物育种新方法的工作出现了希望的曙光。从80年代后期开始,国际上的动物育种已进入分子水平,在我国目前这方面的工作也已开始2,3。1转基因技术在动物育种中的应用转基因技术就是将外源基因转移到动物受精卵内组成一个新的融合基因,使其在动物体内融合和表达, 产生具有新的遗传特性的动物。1976 年, Jaenisch 利用反转录病毒感染胚胎的方法进行转基因, 这是最早的动物转基因方法。1980 年, Gordon 首次利用原核注射的方法开展动物转基因研究; 1982 年, Palmiter 将大鼠的生长激素基因注射到小鼠的原核中获得了个体明显大于正常小鼠的“超级鼠”, 这一成果轰动了全世界4。过去的几十年，家畜的转基因生产进展缓慢，而近些年，克隆技术和高效的转基因家畜的进步，为转基因技术的新时代打开了大门5。转基因的制作方法有多种，核显微注射法是目前最可靠, 也是使用最广泛的动物转基因方法，其他还有精子介导、反转录病毒介导、携带外源基因体细胞的核移植、ES 细胞基因打靶技术等。转基因技术在动物育种上的应用主要有以下几方面：1. 1抗病育种利用DNA 重组技术, 在体外构建编码人们期望的有疾病抗性的嵌合基因, 导入受精卵, 使之在染色体上正确整合, 在组织细胞中适当表达, 培养出具有期望性状表型的转基因动物新品系。1989 年,美国生物学家用重组ALV 病毒作载体, 将有抗A型白血病肉瘤显示基因的外源片段导入机体内, 获得了抗ALV 鸡的新品系; 我国工程院院士殷震等将抗病毒基因导入猪, 获得抗猪瘟个体; 美国研究将抗冻蛋白基因导入鲑鱼也获得表达。Wall et al.在他的论文中报道中利用遗传工程获得了抗病的奶牛，大大提高了奶牛的收益6。另外, 抗口蹄疫病毒的转基因兔、抗白血病毒的转基因鸡和小鼠、抗伪狂犬病毒的转基因鼠也先后构建成功。1. 2生产性能的改良我们可以通过转基因给畜禽引入新的生产途径或通过转基因的产物调整动物的生长发育, 以改良动物的生产性能。对于奶牛产奶来说, 目前转基因的主要途径是改变乳的主要成分、提高产乳量和生长速度。如牛奶中奶酪的产量与牛奶中K酪蛋白的含量直接相关, 转入一个超量表达的K酪蛋白基因能够增加酪蛋白产量; 美国伊利诺斯大学研究出一种带牛生长激素的转基因猪, 这种猪生长快、体大、饲料利用率高, 可给养猪业带来丰厚的经济效益。此外, 澳大利亚培育的转基因猪瘦肉率达75%,日增重920g;转基因山羊羊毛增产5%;转基因大马哈鱼生长速度提高1137 倍。1. 3生产医药制剂的基因工程转基因动物可用来制备基因产品, 此种生物叫做生物反应器。利用猪作为生物反应器已成功获得人血红蛋白。经检测发现，它与天然的人血红蛋白性质完全相同。由此可见, 在不远的将来, 人们就可以用转基因动物生产血红蛋白来辅助输血。 英国苏格兰罗斯林研究院的科学家在世界上首次培育出两头带有人类基因的克隆羊“莫利”和“波利”, 从它们的奶中获得了大量药物或其他化合物。1. 4其他方面可以利用转基因技术来控制动物的性别, 对加快选种进程, 提高经济效益有着巨大作用。另外还有更多的利用空间等着人类去发掘。转基因技术的诞生标志着人类在生命科学的发展史上进入一个崭新的阶段。转基因技术的发展不仅促进了其它学科的发展,而且带动的产业将推动世界经济的发展7。2分子遗传标记在动物育种中的应用80年代以来，由于分子生物学技术的发展，分子克隆及DNA重组技术的完善，特别是近年来，PCR技术和新的电泳技术的产生，使各种分子遗传标记应运而生，为人类医学、动植物育种以及遗传图谱的构建战略和技术带来了革命性的变化。目前在动物遗传育种中已显示出重要作用的分子标记主要有以下几种：RFLP、SNPs、RAPD、AFLP、VNTR、mtDNA标记和微卫星等8。2.1保护动物遗传资源利用DNA分子标记可有效检测和控制种群近交速率。在动物保种中，由于保护群的规模受诸多因素制约，因而通常采用小群体保护，群体越小，近交水平越高，高度近交可导致基因丢失，致使品种衰亡。可跟据DNA指纹图所得遗传相似系数大小进行标记辅助选配，从而实现近交速率的有效控制。利用DNA分子标记还可跟踪保护目标基因。另外，利用DNA分子标记还可以分析生物多样性和提高动物肌体对疾病的抵抗力9。总之，随着动物基因组计划的不断发展，动物的数量、质量性状基因的染色体定位及测序，最终可获得完整的基因图谱。人们可利用DNA标记对与其紧密连锁的目标基因在世代传递中进行跟踪、监测，从而进行有目的的保护、选留，使之不致于因遗传漂变而丧失。2.2遗传标记辅助选择随着分子遗传学、分子生物学技术和数量遗传学的发展,一种新型的选种方法遗传标记辅助选择(marker assisted selection,MAS)已经诞生并逐渐成了研究的热点10。我们将占据一定特定染色体区域的微效多基因群称为一个数量性状基因座位（QTL）11。在理论上.对于这些对数量性状有较大影响而又难以识别和分离的QTL，可以通过分析它们与诸如RFLP之类的分子标记的连锁关系，确定其在染色体上的位置、单个效应及互作效应，从而通过选择可识别的分子标记来选择具有育种意义的QTL。另一方面，控制一个性状的基因型的差异本身亦是有关基因的碱基顺序的差异。因此，某些标记基因座位本身就可能是QTL座位，亦或它们与QTL100%连锁，二者一同分离和重组，在此情况下我们可以直接对QTL进行识别和选择。所以，一旦了解分子标记与畜禽的生产性能、抗病力、抗应激反应力等诸多有经济意义的性状间的连锁关系的话，在育种工作中就可依据基因型或与基因座位连锁的分子标记进行选种，这显然将比仅依据表型值进行选种要准确和经济。2.3检测与定位数量性状主基因基因定位就是确定基因在染色体上的位置及与之相连锁的标记。由分子标记定位的控制动物重要经济性状的主效基因目前已检测出了许多,例如影响猪产仔数的ESR，基因影响猪肉质的氟烷敏感基因,影响羊产羔数的Booroola基因,影响鸡体重的矮小基因(dw),影响牛产肉性能的双肌基因等等，这些基因控制的性状在我国当前育种中尤为重要，对它们考种费时费力,而且它们受环境的影响也大,利用标记辅助选择将有现实意义。3畜禽遗传图谱在动物育种中的应用自从1990 年10 月美正式启动人类基因组计划以来, 对生物基因图谱、基因组测序的研究成为当代遗传学研究的热点之一。基因定位(gene mapping) 是构建基因图谱的基本要素,基因图谱包括遗传图谱(genetic map)和物理图谱(physical map) ,欧共体8国16个实验室共同承担的猪的基因图谱研究项目(Pig gene mapping project ,PIGMP) 已于1990年开始实施。到1994 年, 该项目已报道的猪遗传连锁图谱包括了328个DNA 标记,其中约有180个随机DNA 片段、100个微卫星标记, 图谱的总遗传长度为2000cM，18条常染色体及X染色体上的连锁群均已确定。其他如鸡、牛、绵羊的基因图谱也得以构建。鸡作为第一种被测序的鸟类，已成为现存约9600种鸟类的模型12。畜禽的图谱已经从开始的一无所知到位点的图谱，直到现在基因的不断发现13。随着生物技术日新月异的拓展和广泛应用,畜禽基因图谱饱和度将大幅度提高, 对重要经济性状位点(economic trait loci, ETLs) 的定位和标记辅助选择高新技术也会得到迅速发展,不仅可对QTL连锁进一步分析,找出QTLs或与之连锁的DNA标记，找出有利的基因型而利用DNA 标记进行选种，而且可对QTLs 进行准确定位,探明QTLs 对表型的贡献。更精细的基因插入技术和表达控制技术将成为现实。或者通过了解基因的开启机制来控制基因的表达水平,可望将人的组织兼容性基因转移给猪,使猪能提供组织器官,供人体移植使用(异种移植)。利用转基因动物生产如人凝血因子、血红蛋白、人尿激酶等等具有生物学活性的药用蛋白质。另外,准确的基因转移会大大地提高畜禽生产力,如猪的ESR基因、FSH基因、Hal基因、K88受体基因,牛的双肌基因、抗蜱基因、与产奶量有关的weaver 基因,羊的Booroola基因、spider基因,鸡的DW基因、裸颈基因等等,这些重要的经济性状基因的定位已经或正陆续报道出来,必将为畜牧业生产带来巨大的经济效益和社会效益14。21 世纪是生命科学大发展的世纪, 生物技术是21 世纪技术的核心, 它是以现代分子生物学、生物化学和细胞生物学等生命科学最新成就为基础的现代综合性技术。随着转基因技术、遗传标记、基因图谱的构建、染色体的原位杂交、胚胎干细胞、核移植、胚胎克隆、胚胎性别早期鉴定以及性别控制等技术的不断完善和运用,动物遗传育种中的许多问题将被揭示,分子生物学必将对动物育种水平的提高起到越来越大的作用。参考文献1阎隆飞，张玉麟.分子生物学（第二版）M.北京:中国农业大学出版社,19972 吴常信,李宁.分子生物技术在中国动物育种中的应用J.中国家禽,2002,24(13):6-93 陈宏.现代生物技术与动物育种J.黄牛杂志，2000,26(4):1-54 郭亚宁,许尚忠,杨公社等.畜禽基因图谱研究进展J.家畜生态,2004,25(4):166-1715 Transgenic animals: current and alternative strategies. 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