基因芯片技术助力鲑鱼的选择性育种计划

在2014年2月6日的《BMC Genomics》杂志上发表的一项最新研究中，英国爱丁堡大学的研究人员与昂飞公司合作，开发出一种大西洋鲑鱼的高密度SNP基因分型芯片。这种芯片可让鲑鱼育种者选择最好的鱼，培育出高质量和抗病性的鲑鱼品种，提高鲑鱼的产量。

　　

　　　大西洋鲑鱼（Salmo salar）是一种具有较高经济、环境和科学价值的鱼类。在世界范围内，大西洋鲑鱼的产量每年约为140万吨。大西洋鲑鱼也被认为是研究鲑科其它鱼类成员的一个模式种，同样它也是正在进行的基因组测序和组装项目的目标。其基因组序列，对于理解鲑鱼复杂性状的遗传调节非常重要，可用于改良水产业育种计划、居群和进化遗传学研究等。然而，不同于主要的陆生养殖物种，在大西洋鲑鱼中，目前从全基因组多态性变异中还未筛选出可用的高通量高密度基因分型芯片。现有的低密度SNP（单核苷酸多态性）微阵列包含大约6K的多态性SNPs。
　　　通过选择性育种程序对大西洋鲑鱼进行遗传改良，最早在挪威开始于20世纪90年代，尽管存在3到4年的世代间隔，但仍然快速改良了鲑鱼重要的经济性状，例如生长、性成熟和抗病性。已有研究人员开发出微卫星和SNP标记，并将其用于育种计划，分配父母本和检测数量性状（QTL），为随后进行的标记辅助选择提供有利的等位基因，尤其是提高抗病性。因为SNPs丰富度高、易于发现和每个位点的基因分型成本低，所以它越来越被用作遗传学研究中的一种分子标记，尤其是SNP芯片，可在每个样品中同时分析成千上万个SNPs。
　　　鲑鱼（如大西洋鲑鱼），起源于一个硬骨鱼系，在大约2500万到1亿年前，该家系经历了一个全基因组复制事件，被认为处于恢复到二倍体状态的过程中。这种基因组复制，使bi-allelic SNPs的发现变得复杂，因为在生物信息学分析中，很难将同源位点和独特基因组区域上的真正SNP变异区别开来。目前，利用高通量测序技术，研究人员在大马哈鱼中发现了大量的SNP。为发现鲑鱼SNP而进行的全基因组重测序，仍然非常昂贵，而基因组复杂性降低技术，例如reduced-representation sequencing（RR-Seq）、RAD sequencing（RAD-Seq）和RNA sequencing（RNA-Seq）已经成功地应用于这个目的。
　　　目前，英国爱丁堡大学、斯特灵大学和Affymetrix（昂飞）公司的研究人员，开发出一种大西洋鲑鱼的高密度SNP基因分型芯片，他们通过对来自几个养殖和野生鲑鱼种群的样本进行分型分析，验证了这些SNP和微阵列。由于大西洋鲑鱼基因组非常复杂，研究人员采用了多种途径来发现SNP，包括RR-Seq、RAD-Seq和RNA-Seq的结合，连同几种同源序列变异（PSV）的排除策略。这种芯片可让鲑鱼育种者选择最好的鱼，培育出高质量和抗病性的鲑鱼品种，以提高鲑鱼的产量。
　　　该芯片装载有长千上万个DNA片段——每个片段都携带鲑鱼的遗传密码，这种芯片可让育种者发现携带最好基因的鲑鱼。它通过检测每条鱼遗传密码的SNPs，来达到这个目的。这些变异，能够让我们发现与理想性状相关的基因，例如生长或对棘手疾病（如海虱虫害）的抗性。
　　　鲑鱼育种者可以通过获取鳍组织的一个小样本，进行这项检测。与现有工具相比，这种芯片携带超过二十倍的遗传信息。而类似的芯片已经改变了陆生养殖牲畜（包括牛和猪）的育种程序。
　　　爱丁堡大学Roslin研究所、爱丁堡Genomics initiative和斯特灵大学的研究人员，与工业合作伙伴昂飞公司（Affymetrix）和Landcatch Natural Selection合作，开发了这种芯片。研究工作得到了英国创新机构——英国技术战略委员会和生物技术与生物科学研究委员会的资助。该项研究成果发表在2014年2月6日的《BMC Genomics》杂志上。
　　　Roslin研究所的Ross Houston博士称：“自20世纪70年代以来，选择性育种计划已被用于提高鲑鱼的产量。我们可以利用这项新技术，更有效和更精确地选择最佳的养殖鱼品种，特别是那些具有较难测量特征（例如抗病性）的鱼。”
　　　Landcatch Natural Selection的主任Alan Tinch博士指出：“这项技术的发展，将选择育种计划带到了一个全新的水平。这是鲑鱼选择性育种的一个扩展，可让我们更精确地发现最好的鱼，来培育更健康和更健壮的后代。”（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Development and validation of a high density SNP genotyping array for Atlantic salmon (Salmo salar)
Abstract
Background: Dense single nucleotide polymorphism (SNP) genotyping arrays provide extensive information on polymorphic variation across the genome of species of interest. Such information can be used in studies of the genetic architecture of quantitative traits and to improve the accuracy of selection in breeding programs. In Atlantic salmon (Salmo salar), these goals are currently hampered by the lack of a high-density SNP genotyping platform. Therefore, the aim of the study was to develop and test a dense Atlantic salmon SNP array.

Results: SNP discovery was performed using extensive deep sequencing of Reduced Representation (RR-Seq), Restriction site-Associated DNA (RAD-Seq) and mRNA (RNA-Seq) libraries derived from farmed and wild Atlantic salmon samples (n = 283) resulting in the discovery of > 400 K putative SNPs. An Affymetrix Axiom® myDesign Custom Array was created and tested on samples of animals of wild and farmed origin (n = 96) revealing a total of 132,033 polymorphic SNPs with high call rate, good cluster separation on the array and stable Mendelian inheritance in our sample. At least 38% of these SNPs are from transcribed genomic regions and therefore more likely to include functional variants. Linkage analysis utilising the lack of male recombination in salmonids allowed the mapping of 40,214 SNPs distributed across all 29 pairs of chromosomes, highlighting the extensive genome-wide coverage of the SNPs. An identity-by-state clustering analysis revealed that the array can clearly distinguish between fish of different origins, within and between farmed and wild populations. Finally, Y-chromosome-specific probes included on the array provide an accurate molecular genetic test for sex.

Conclusions: This manuscript describes the first high-density SNP genotyping array for Atlantic salmon. This array will be publicly available and is likely to be used as a platform for high-resolution genetics research into traits of evolutionary and economic importance in salmonids and in aquaculture breeding programs via genomic selection.