纯干货分享！SNP分子育种标记与肠道菌群互作研究进展

中国拥有丰富的地方猪种资源，地方猪种作为宝贵的遗传资源，是发展现代畜牧业和实现农业可持续发展的基本要素之一，是畜产品品质升级的重要保障。由于我国在1978年后开始大量引进国外猪种生产瘦肉型商品猪，导致我国很多优秀地方猪种处于品种保种数量少或濒临灭绝的状态。与引进猪种相比，我国地方猪种普遍具有产仔多、肉质好、耐粗饲等优点，且肉质具有肉色鲜红、系水力强、肌内脂肪含量高等特点，符合当前人们对于“高端肉”的要求。但许多地方猪的生长速度慢、育肥周期长等缺陷是其保种保育和推广工作中的难点问题。

随着分子育种技术的发展，分子辅助育种技术因准确性高、遗传性稳定、特异性强及成本较低等优势在家畜育种工作中得到广泛应用。作为第三代遗传标记，单核苷酸多态性具有广泛分布、数量众多、遗传稳定等特点，可对性状进行早期选择，从而极大地缩短育种进程，提高选择准确性。但随着基因组研究的不断完善，越来越多的研究者发现基因并不能完全解答性状差异的问题。近年来，一些研究发现宿主遗传与肠道微生物间存在一定的交互作用，且越来越多的研究试图解析二者之间的互作方式。宿主遗传因素会影响动物表型变异，而复杂的肠道微生物及其代谢产物在养分吸收、能量获取、碳水化合物代谢以及免疫等过程中的重要作用也不能忽视。研究肠道微生物可以帮助科学家更深入地理解动物在生长过程中的生理变化，揭示动物生理疾病的发生和发展机制，从而为针对性地调节宿主的生理状态提供坚实的科学基础。此外，肠道微生物也会受到宿主遗传的影响，有研究发现携带炎症性肠病（IBD）遗传基因的健康人群更易受到环境因素的影响，导致不利微生物的变化，进一步扰乱肠道中的免疫微生物稳态，最终导致IBD。

本文通过阐述SNP分子标记辅助育种在猪育种中的应用及宿主基因遗传和肠道微生物互作等方面的研究进展，从宿主与菌群的角度更加准确地为地方猪的选种选育提供参考。

1 单核苷酸多态性在猪育种中的应用

单核苷酸多态性（SNP）是一种发生在不同个体基因组DNA序列间的单核苷酸碱基变异，因DNA序列对氨基酸密码子转录的调控作用，进而在分子水平上对蛋白质翻译产生影响。目前对于SNP在猪育种工作中的应用已经较为广泛。周身娉通过全基因组关联分析（GWAS）对6 044头杜洛克猪分析发现，15个SNPs与日增重和瘦肉率相关，并筛选到4个候选基因潜在影响瘦肉率。张冰等采用PCR-SSCP技术在陆川猪和大白猪群中发现IGF-Ⅱ基因上存在突变g.13561 G＞A，且AA型仔猪的初生重均显著高于AG型和GG型，对于平均日增重则是陆川猪AA型显著高于GG型，大白猪AA型显著高于AG型。顾阳在藏猪中发现了IGF-1基因上g.40 T＞C的变异，关联分析显示6～8个月龄藏猪的体重、体长、胸围均有极显著的变化（TT＞CC＞TC）；9～11月龄藏猪的胸围、体高有极显著差异（TT＞CC）。关学敏等在马身猪中发现，MSTN基因启动区存在A、B双等位基因且与表型性状关联发现，初生重为BB型显著高于AA型和AB型，而断奶重则呈现为AA＞BB＞AB。

2 猪生长育肥过程中肠道微生物的变化

肠道微生物是宿主在出生后通过不断与外界环境的交互作用而逐步定植于宿主的肠道内，并通过不断的筛选和适应，最终建立起一种与宿主相互作用的、极为复杂的肠道菌群稳定状态。研究发现，肠道菌群中含有丰富的必需氨基酸、维生素等生物合成的基因簇，为机体提供了丰富的酶及底物。此外，该基因簇还编码可以降解纤维素的代谢酶，生成短链脂肪酸（SCFAs），并可通过体内循环系统调控机体的能量与养分代谢，进而改善宿主表型性状。

肠道微生物群落与宿主之间形成了一种复杂微妙的共生关系。它们在这个生态系统中虽然保持着相对的稳定性，但这并不意味着它们是静止不变的。相反，这些微生物能够对周遭环境的变化做出迅速反应，从而在体内构成一个充满活力的动态网络。有研究发现，猪肠道微生物菌群结构会受到宿主生理结构、基因型、饮食和环境等因素的影响，随着生长进程而发生变化，结果发现拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度下降，但厚壁菌门（Firmicutes）的相对丰度增加，且最终趋于稳定，而梭菌科（Clostridiaceae）、丁酸菌科（Clostridium butyricum）等的丰度在生长育肥猪的粪便中较高。肠道微生物在宿主的生长发育、营养代谢和免疫调节等生理过程中扮演着关键角色，特别是一直以来肠道微生物与宿主生长性能都被联系在一起，已有研究发现，生产性能好的猪肠道中的优势菌为粪球菌、罗氏菌属菌和乳酸菌。有学者对蓝塘猪、杜洛克猪肠道内微生物群落结构进行了研究，发现蓝塘猪肠道内参与纤维素分解的基因明显多于杜洛克猪，表明蓝塘猪对膳食纤维的消化能力较杜洛克猪强，耐粗饲。Frese等通过宏基因组测序检测发现糖基的降解途径在哺乳期和断奶后仔猪粪便中存在显著不同，且微生物富集情况在不同功能通路中存在显著差异。Duc等通过将3个时期（断奶仔猪、15周龄及试验结束）猪的生长性状与肠道菌群结构相关分析发现，15周龄猪背膘厚、平均日增重与肠道菌群的多样性存在显著负相关。吴敏等总结了近年来肠道菌群对动物肌肉生长发育、营养代谢等影响，揭示了肠道微生物在维持机体生长发育和营养代谢方面发挥重要的作用。

3 宿主基因多态性与肠道微生物互作的研究进展

近年来，随着基因组和肠道微生物研究的不断深入，学者们发现单一的宿主遗传因素或肠道菌群差异，难以解释宿主复杂的性状表型。肠道微生物与宿主基因组之间存在密切的联系，但此方面的研究主要在人和小鼠上。一些研究已经表明，几个宿主基因（如核苷酸结合寡聚化结构域2）特定位点的变化可能有助于肠道菌群结构的改变，从而影响IBD的发生。在2014年，Goodrich等以英国416对双胞胎为研究对象发现，相比于无血缘关系的个体之间，双胞胎之间的肠道微生物的组成呈现更高的相似性，且相比于异卵双胞胎，同卵双胞胎的肠道微生物组成更相似；此外研究人员还发现有受宿主遗传影响丰度的微生物类群，包括有与肥胖有关的克里斯藤森菌科（Christensenellaceae），且其具有较高的遗传力。接下来在2016年的研究中，Goodrich等人扩展了之前的双胞胎研究群体至1 126对，并通过遗传分析及微生物组基因组关联研究（mbGWAS）发现了新的可遗传微生物群，研究还揭示了肠道微生物群的α多样性和β多样性也具有遗传性，除此之外，研究还指出主要与饮食、代谢和嗅觉相关的宿主基因会对肠道微生物群的组成产生影响。Davenport等通过采用200K芯片技术，分析哈特教派信徒宿主遗传特征与肠道菌群结构之间的相互作用关系，发现一个与体重指数密切相关的基因（PLD1）与嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia）显著关联，而Akkermansia是一个已知的影响肥胖的细菌。随后，宿主遗传变异与肠道微生物菌群结构组成的相互作用得到更多研究者的关注，开始在牛、鸡、猪等非模式动物上研究。Fan等研究表明，在其研究的杂交牛宿主中存在9个特定的单核苷酸多态性（SNP）与肠道中颤螺菌属（Oscillospira）和罗氏菌属（Roseburia）的含量有关，且这9个SNP均位于与免疫和代谢相关的基因上。Wen等通过研究发现鸡盲肠中的菌群丰度与MTHFD1和LARGE1这两个宿主基因显著相关，此外还发现鸡盲肠中的菌群丰度与饲料效率有一定的相关性。Xiao等利用宏基因组学分析发现猪肠道微生物中含有猪全基因组基因数量的300倍之多的770多万个基因，为研究者通过调控微生物的组成来提高动物生长性状提供可能。

在2022年，江西农大黄路生院士课题组针对杂交猪进行研究发现宿主的遗传相似性与菌群差异性存在负相关，并指出ABO基因型的一个2.3kb缺失可能通过调节N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）水平，使丹毒丝菌科相关细菌丰度的下降，这项研究也进一步证实宿主基因遗传与肠道微生物间的交互作用。Chen等也以猪为研究对象通过GWAS技术分析宿主遗传和肠道微生物间的关系，研究结果显示，宿主盲肠和粪便中分别存在40个和34个mbQTL与菌群的丰度相关，且初步的功能预测分析发现，与微生物分类群相关的宿主候选基因主要与宿主的代谢、免疫反应和信号转导相关。

4 展望

宿主基因型与肠道微生物共同影响表型性状是目前人类医学上的研究热点，将其应用到猪遗传育种改良研究中具有重要的理论意义和实际价值。目前，在猪上已有研究发现宿主遗传与肠道微生物之间存在相关性，将二者进行耦合效应分析对我国地方猪种表型性状的影响，有望为改善其生长速度慢、育肥周期长等缺陷提供研究依据和实践方案，为分子标记辅助育种及创制优异性状突出的新种质提供素材。