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        無角牦牛Hesx1基因多態(tài)性及其與生長性狀的關(guān)聯(lián)分析

        2019-08-23 08:17:28王宏博賈聰俊馬曉明吳曉云成述儒梁春年
        河南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年8期
        關(guān)鍵詞:無角基因座牦牛

        張 浩,王宏博,馬 武,賈聰俊,馬曉明,吳曉云,褚 敏,閻 萍,成述儒,梁春年

        (1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蘭州畜牧與獸藥研究所,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州730070)

        Hesx1(Homeobox expressed in ES cells)基因作為一種同源結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子,能夠參與胚胎的早期發(fā)育,直接影響前腦和垂體的發(fā)育。垂體在調(diào)控垂體前葉分泌生長激素(Growth hormone,GH)、促腎上腺皮質(zhì)激素(Adrenocorticotropic hormone,ACTH)、卵泡雌激素(Follicle stimulating hormone,F(xiàn)SH)、促黃體生成素(Luteotropic hormone,LH)等激素的過程中起到至關(guān)重要的作用,其中GH的分泌能夠直接影響動物的生長性狀,ACTH、FSH、LH的分泌也能夠產(chǎn)生潛在影響,因此,Hesx1基因在動物的生長發(fā)育中具有重要的地位。Hesx1基因是由澳大利亞生物學(xué)家THOMAS通過探針篩選在小鼠的ES細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的,它含有氨基末端區(qū)域(Engrailed homology domain)和成對同源區(qū)域(Paired-like homeodomain)2個阻遏結(jié)構(gòu)域,其中氨基末端區(qū)域能夠衍生1個輔助阻遏物(Tlel)。在小鼠胚胎的早期發(fā)育過程中,Hesx1基因在前內(nèi)臟內(nèi)胚層(AVE)、前軸中胚層(AME)以及前神經(jīng)外胚層(ANE)中均有表達(dá);在小鼠胚胎發(fā)育中期9.5~12.5 d時,Tlel與Hesx1基因共同在小鼠顱頰囊(垂體前葉基礎(chǔ))中表達(dá),但在12.5 d后表達(dá)量開始快速減少,而PROP1基因以及其他調(diào)控垂體前葉細(xì)胞的基因開始表達(dá)[1]。也有研究表明,在哺乳動物中首次發(fā)現(xiàn)了Hesx1基因的2個轉(zhuǎn)錄本序列編碼一段相同的開放閱讀框,同時在同源結(jié)構(gòu)域內(nèi)具有2個內(nèi)含子[2];非洲蟾Hesx1與xANF-1基因具有高度的同源性(80%),說明Hesx1與xANF-1基因?qū)儆谕环N同源結(jié)構(gòu)域類型[3]。近年來研究還發(fā)現(xiàn),Hesx1基因的突變會引起某些疾病的發(fā)生,如視覺發(fā)育不全(SOD)、聯(lián)合垂體激素缺乏癥(CPHD)等。SOD是由于突變的Hesx1基因C末端影響前腦發(fā)育,從而導(dǎo)致視神經(jīng)和透明隔發(fā)育不完全,患病者主要表現(xiàn)為眼震、色盲、視覺異常、視敏度低、兩眼間距過近、癲癇等[4-6],此外,約70%以上的SOD病人的下丘腦以及垂體發(fā)育異常,會出現(xiàn)功能障礙并導(dǎo)致生長激素、甲狀腺素刺激素、腎上腺皮質(zhì)激素缺乏,最終表現(xiàn)為生長受阻或停滯[7-8]。CPHD是由于生長激素缺乏導(dǎo)致的多種垂體前葉激素缺乏的疾病,最常見病因之一是PROP1基因發(fā)生突變。正常狀態(tài)下,Hesx1基因能夠與PROP1基因結(jié)合形成二聚體,具有拮抗作用,因此,Hesx1基因?qū)Υ贵w前葉激素的分泌具有重要的調(diào)控作用[9-11]。綜上所述,Hesx1基因通過對前腦與腦垂體的影響,對動物的生長發(fā)育起到至關(guān)重要的作用,目前,國際上很少有關(guān)于Hesx1基因在家畜上的研究報(bào)道,極大多數(shù)是對人類Hesx1基因突變所引起疾病的研究[12-14],以及對小鼠等模型動物的相關(guān)研究報(bào)道[15],而在牦牛上未見相關(guān)報(bào)道。本研究首次在無角牦牛上對Hesx1基因多態(tài)性及其與生長性狀的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析,從而揭示Hesx1的基因效應(yīng),以期為牦牛的育種提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料和方法

        1.1 試驗(yàn)動物及生長性狀測定

        選取青海大通牛場的6月齡斷奶無角牦牛共計(jì)364頭組建試驗(yàn)群體,根據(jù)耳號編寫生長數(shù)據(jù)記錄冊,同時測定所有6月齡無角牦牛的生長性狀(包括體質(zhì)量、體高、體斜長、胸圍),靜脈采集血液樣本并根據(jù)耳號編號記錄。將所有供試6月齡無角牦牛在相同管理?xiàng)l件下自然放牧至18月齡,整個試驗(yàn)期間無角牦牛于天然牧場自由行走、采食、飲水,分別測定并記錄12、18月齡時無角牦牛的生長性狀。

        1.2 無角牦牛血液DNA的提取及保存

        按照OMEGA BIO-TEK血液基因組DNA提取試劑盒說明書操作流程進(jìn)行基因組DNA的提取,經(jīng)Thermo Fisher Scientific公司(美國)的NanoDrop 2000分光光度計(jì)檢測合格后,于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.3 無角牦牛Hesx1基因的引物設(shè)計(jì)及PCR擴(kuò)增

        根據(jù)NCBI中野牦牛的Hesx1基因序列(GenBank登錄號為NW_005392951.1),分別將Hesx1基因的5′UTR、4個外顯子及部分內(nèi)含子、3′UTR依次命名為hⅠ—hⅥ,然后對hⅠ與hⅡ基因座進(jìn)行引物設(shè)計(jì)(表1),引物由西安擎科澤西生物公司合成。PCR反應(yīng)體系為20 μL:超純水7 μL,2×Pfu PCR MasterMix(不含染料)10 μL,上、下游引物各1 μL,DNA模板1 μL。PCR的擴(kuò)增條件為:94 ℃預(yù)變性4 min;94 ℃變性30 s,55 ℃或57 ℃退火30 s,72 ℃延伸2 min,共35個循環(huán);72 ℃再延伸10 min,4 ℃保存。PCR產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測后保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.4 無角牦牛Hesx1基因的PCR-SSCP檢測和DNA片段測序

        將變性緩沖液(98%去離子甲酰胺、0.025%二甲苯青、0.025%溴酚藍(lán)、0.037% Na2EDTA)與PCR產(chǎn)物按7∶3的比例加入離心管中(置于冰中),振蕩混勻后于98 ℃金屬浴變性10 min,然后迅速置于冰中10~15 min。在4 ℃恒溫箱中于150~170 V電壓下進(jìn)行10%的聚丙烯酰胺凝膠電泳4~6 h,然后使用銀染法進(jìn)行基因型判定,最后將不同帶型的PCR產(chǎn)物送至生物公司進(jìn)行測序。

        表1 Hesx1基因多態(tài)性檢測引物Tab.1 Primers used to detect polymorphism of Hesx1 gene

        1.5 數(shù)據(jù)分析

        根據(jù)PCR-SSCP檢測結(jié)果,對多態(tài)基因座的不同基因型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。測序結(jié)果用Lasergene軟件包里的Seq-Man進(jìn)行序列對比?;蛐皖l率、等位基因頻率、雜合度、有效等位基因頻率及多態(tài)信息含量等群體遺傳參數(shù)用POPGENE和PCI-CALC等分析軟件進(jìn)行計(jì)算。用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行哈代-溫伯格平衡的計(jì)算。生長性狀的關(guān)聯(lián)分析用SPSS 20.0進(jìn)行處理。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 無角牦牛Hesx1基因的PCR擴(kuò)增

        分別設(shè)計(jì)引物對無角牦牛Hesx1基因的hⅠ與hⅡ基因座序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增,經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測后,分別得到272 bp和463 bp的目的片段,與預(yù)期大小相符,條帶清晰且沒有拖帶,特異性良好(圖1A和圖1B),均可直接進(jìn)行PCR-SSCP分析。

        M:DL600 DNA Marker;1—5:無角牦牛Hesx1基因hⅠ和hⅡ基因座的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物

        2.2 無角牦牛Hesx1基因的SSCP檢測

        由圖2可知,PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)10%聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測后顯示,無角牦牛Hesx1基因hⅠ與hⅡ基因座均檢測出2種帶型,分別命名為GG、GC與TT、TC。

        圖2 無角牦牛hⅠ(A)和hⅡ(B)基因座不同基因型的電泳分析Fig.2 Electrophoresis analysis of different genotypes of hⅠ(A) and hⅡ(B) loci in polled yak

        2.3 無角牦牛Hesx1多態(tài)基因型測序

        將不同帶型的PCR產(chǎn)物進(jìn)行測序,結(jié)果在NCBI(GenBank)中與野牦牛Hesx1基因的序列進(jìn)行比對后發(fā)現(xiàn),無角牦牛Hesx1基因hⅠ基因座中(位于5′UTR中的第-618位)發(fā)生單個堿基突變:G→C(圖3A和3B),hⅡ基因座中(位于Intron 1中的第+226位)發(fā)生單個堿基突變:T→C(圖3C和3D)。

        A:GC基因型測序;B:GG基因型測序;C:TT基因型測序;D:TC基因型測序

        2.4 無角牦牛Hesx1基因遺傳多態(tài)性分析

        如表2所示,無角牦牛Hesx1基因hⅠ基因座中基因型頻率大小為GG>GC;hⅡ基因座中基因型頻率大小為TT>TC。通過卡方檢驗(yàn)可知,牦牛群體顯著偏離哈代-溫伯格平衡(P<0.05)。無角牦牛Hesx1基因hⅠ與hⅡ基因座的遺傳多態(tài)性見表3,PIC含量分別為0.296與0.348,均為中度多態(tài)性(0.25

        表2 無角牦牛Hesx1基因hⅠ與hⅡ基因座的基因型頻率和等位基因頻率Tab.2 Genotype frequency and allele frequency of hⅠ and hⅡ loci of Hesx1 gene in polled yak

        注:括號內(nèi)表示個體數(shù),*表示顯著偏離哈代-溫伯格平衡(P<0.05),**表示極顯著偏離(P<0.01)。

        Note: The number of individuals is shown in parentheses, * indicates a significant deviation from the Hardy-Weinberg equilibrium (P<0.05), and ** indicates a very significant deviation from the Hardy-Weinberg equilibrium (P<0.01).

        表3 無角牦牛Hesx1基因hⅠ與hⅡ基因座的遺傳多態(tài)性Tab.3 Genetic polymorphism of hⅠ and hⅡ loci of Hesx1 gene in polled yak

        注:PIC>0.5為高度多態(tài),0.25

        Note: PIC>0.5 is highly polymorphic, 0.25

        2.5 無角牦牛Hesx1基因多態(tài)基因座與生長性狀關(guān)聯(lián)分析

        由表4可知,對Hesx1基因hⅠ基因座與無角牦牛3個月齡的生長性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn),hⅠ基因座對6月齡無角牦牛的體質(zhì)量、體高、胸圍均有極顯著影響(P<0.01),且均為雜合GC型極顯著大于純合GG型的個體,但對體斜長影響不顯著(P>0.05);對12月齡無角牦牛的體質(zhì)量有顯著影響(P<0.05),雜合GC型顯著大于純合GG型的個體,對體斜長、胸圍均有極顯著影響(P<0.01),雜合GC型均極顯著高于純合GG型的個體;對18月齡無角牦牛的體質(zhì)量有顯著影響(P<0.05),雜合GC型顯著大于純合GG型的個體,對體高、體斜長、胸圍均無顯著影響(P>0.05)。對Hesx1基因hⅡ基因座與無角牦牛3個月齡的生長性狀關(guān)聯(lián)分析可知,hⅡ基因座對6月齡無角牦牛的體質(zhì)量、體高、體斜長、胸圍均無顯著影響(P>0.05);對12月齡無角牦牛的體質(zhì)量有極顯著影響(P<0.01),且雜合TC型極顯著大于純合TT型的個體,對體高、胸圍均有顯著影響(P<0.05),且雜合TC型顯著高于純合TT型的個體,對體斜長無顯著影響(P>0.05);對18月齡無角牦牛的體質(zhì)量、體高、體斜長、胸圍均無顯著影響(P>0.05)。因此,在hⅠ、hⅡ基因座中雜合型GC、TC個體生長性狀優(yōu)于純合型個體,為優(yōu)勢基因型,對無角牦牛的生長性狀有一定的正面影響。

        表4 無角牦牛Hesx1基因hⅠ與hⅡ基因座不同基因型與生長性狀的關(guān)聯(lián)分析Tab.4 Correlation analysis between different genotypes of hⅠ and hⅡ loci of Hesx1 gene and production traits in polled yak

        注:同列數(shù)據(jù)肩標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

        Note: In the same column of data,there are significant differences when marked in different lowercase (P<0.05) and different uppercase (P<0.01).

        3 結(jié)論與討論

        Hesx1是動物前腦與腦垂體早期發(fā)育的重要轉(zhuǎn)錄因子,而垂體前葉是調(diào)控動物生長發(fā)育、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定及生殖的重要調(diào)節(jié)中樞,突變個體常表現(xiàn)為GH、FSH、LH、ACTH等的缺乏[16],其中GH直接關(guān)系到動物的生長,因此,Hesx1基因?qū)游锏纳L性狀有重要的影響。通過PCR-SSCP與DNA測序技術(shù)對秦川牛、南陽牛、郟縣紅牛、中國荷斯坦奶牛4個品種的Hesx1基因編碼區(qū)全部外顯子及部分內(nèi)含子、5′UTR與3′UTR進(jìn)行檢測,在5′UTR、Intron1和第四外顯子中各發(fā)現(xiàn)1個SNP,并且只在秦川牛、南陽牛、郟縣紅牛這3個群體中,在中國荷斯坦奶牛中并未發(fā)現(xiàn);對有SNP的3個基因座與生長性狀關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn),5′UTR突變點(diǎn)對3個地方品種牛的生長性狀沒有顯著影響,但I(xiàn)ntron1突變點(diǎn)對18月齡南陽牛的日增體質(zhì)量有顯著影響,且野生型(TT)個體顯著大于突變型(TC)個體,而第四外顯子突變點(diǎn)對郟縣紅牛的胸圍、體質(zhì)量、體斜長有顯著影響,且野生型(TT)個體顯著大于突變型(TA或AA),對6月齡南陽牛的體質(zhì)量和平均日增體質(zhì)量、12月齡南陽牛的體質(zhì)量和胸圍有顯著影響,且野生型(TT)個體顯著或極顯著大于突變型(AA),對秦川牛的十字部高、腰角寬、胸圍及體質(zhì)量有顯著影響,且野生型(TT)個體顯著大于突變型(AA)個體[2,17-18]。藍(lán)賢勇等[19]利用混合DNA池測序技術(shù),對山羊(包括6個品種1 391個個體)Hesx1基因的全部外顯子位點(diǎn)進(jìn)行測序,掃描SNP位點(diǎn),然后利用酶切技術(shù)分出不同品種的基因型,在此基礎(chǔ)上再通過關(guān)聯(lián)分析得出,Hesx1基因?qū)ξ鬓r(nóng)薩能奶山羊的體高、體長、胸圍無顯著影響;對內(nèi)蒙古絨山羊的絨厚、絨長、產(chǎn)絨量無顯著影響;但對山羊的體質(zhì)量有顯著影響,且2、4歲山羊的AA基因型個體顯著大于AG型的個體。

        本研究通過PCR-SSCP和DNA測序技術(shù)檢測分析了無角牦牛Hesx1基因hⅠ與hⅡ基因座的多態(tài)性,通過與無角牦牛3個不同月齡的生長性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn),突變雜合型GC與TC均為優(yōu)勢基因型,對無角牦牛的生長性狀具有一定的正面影響。初步推斷,Hesx1基因的hⅠ和hⅡ基因座可為牦牛的分子標(biāo)記輔助育種提供參考,但也需要進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)群體的數(shù)量并增加對Hesx1基因其他多態(tài)位點(diǎn)的深入研究,以期為肉用牦牛的品種選育提供更加豐富的理論依據(jù)。

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