绵羊肉因其蛋白质含量高、脂肪和胆固醇含量少、肉质鲜嫩等优点而广受消费者的喜爱。近年来,羊肉已经成为中国消费者主要的食用肉类之一
[1]。杂交可以提高绵羊的生产性能和肉质,广泛应用于绵羊生产。王海波等
[2]探究了湖羊与三元杂交绵羊夏杜湖和夏澳湖的肉质特性,发现三元杂交绵羊能够显著改善肉品质。刘孟君等
[3]通过比较藏绵羊及其与萨福克羊杂交后代的屠宰性能和肉品质,发现萨藏杂交羊的产肉性能高于藏绵羊。研究发现以乌骨绵羊为父本、湖羊为母本的乌湖杂交羊在生长、繁殖和屠宰性能方面均显著优于纯繁湖羊
[4]。
近年来,RNA测序技术已被应用于探索杂交羊杂种优势产生的机制
[5]。对杜波羊×小尾寒羊的杂交羊(DP×STH)和萨福克×小尾寒羊杂交羊(SFK×STH)的背最长肌进行转录组分析表明,DP×STH绵羊的肉质优于SFK×STH绵羊,
PER3和
EGR1等基因可能是影响绵羊肉质性状的关键候选基因
[6]。Shi等
[7]通过转录组测序筛选出
FGFRL1、
SIX1、
PLCB1等13个调控DP×STH和MG×STH 2种不同杂交绵羊生长发育和肉质的候选基因。晁哲等
[8]通过转录组测序分析海南黑山羊与其F
1代杂交羊皮下脂肪的遗传差异,获得与山羊皮下脂肪沉积相关的lncRNAs作用靶基因。
湖羊具有四季发情、耐湿热等优点,已成为我国南方地区乃至全国发展肉羊产业的首选母本
[9]。萨福克羊是世界著名的肉羊品种,具有生长发育快、产肉多、抗逆性强等特征,常作为优质父本参与杂交育种
[10]。研究表明利用湖羊的常年发情和萨福克的肉用性状来获取萨福克肉羊和湖羊的杂交后代,能够缩短世代间隔,加快育种进程
[11]。王生明等
[12]研究舍饲条件下萨福克羊与湖羊杂交后代的生产性能时发现,萨湖F
1代羔羊初生重及2、3、4、6月龄体重和0~6月龄日增重均显著高于纯繁湖羊,萨福克羊和湖羊杂交可显著提高F
1代生长和产肉性能
[13]。桂东城等
[14]发现在相同的饲养管理条件下萨湖杂交F
1代杂种优势较湖羊明显,其生长发育各阶段体重、体尺均比湖羊有明显提高。但目前关于萨福克羊和湖羊杂交羊的杂种优势,以及杂种优势产生机制的探索仍未见报道。本研究引进萨福克羊与湖羊进行杂交,对2日龄和8月龄萨湖杂交羊和纯繁湖羊的生长性能相关数据进行分析,利用转录组测序技术对其背最长肌进行生物信息学分析,以期为探究调控杂交绵羊生长性能的关键基因和功能通路提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验动物准备与样本的采集
本研究以出生2日龄和8月龄的萨湖杂交绵羊(S×H,n=50)和纯繁湖羊(H,n=50)为研究对象,所有绵羊均在相似的管理条件下饲养,在绵羊空腹状态下测量了以上羊只的体重、体高、体长、胸围和管围。每组随机选取3只(共12只),宰前12 h禁食,3 h禁水,对其进行麻醉后颈部放血致死,采集其背最长肌作为试验样本。将所有样品用含有1×青霉素和链霉素的磷酸盐缓冲液(DPBS)漂洗3次,置于冻存管中后再放入液氮罐中冷冻,并迅速将样品转移至-80 ℃冰箱保存。
1.2 试验方法
1.2.1 RNA提取、文库构建及测序
将背最长肌样本研磨成粉状,加入Trizol(北京艾德莱生物)提取总RNA,并用1.5%琼脂糖凝胶电泳检验其污染和降解情况。所提取RNA的纯度和浓度在Nanodrop One 微量紫外可见分光光度计(Thermo Fisher Scientific,美国)中测定,最后利用Agilent2100生物测定仪精确测定RNA的完整性和总量。
从每个样品中提取5 µg的RNA作为原始材料用来构建文库。首先通过Oligo(dT)磁珠富集带有polyA 尾的mRNA。以dNTPs为原料合成双链cDNA,并对纯化后的cDNA分别进行末端修复、加polyA接头。筛选370~420 bp 左右的cDNA进行PCR扩增来构建cDNA文库。对文库进行质检后在Illumina Hiseq 2000平台上对RNA样本进行测序。文库构建及测序工作由北京诺禾致源公司完成。
1.2.2 数据质控及转录本组装拼接
使用CASAVA 碱基识别将测序数据转化为序列数据(reads),从原始reads中过滤得到净reads,过滤内容如下:去除带接头的和无法确定碱基信息的reads;去除Qphred≤20的碱基数占整个read长度的50%以上的reads。最后,计算净reads的Q20、Q30和GC含量。
在NCBI中下载绵羊的参考基因组和基因注释文件(GCF_016772045.1)。在Hisat2(v2.0.5)中构建参考基因组的索引并将配对末端的净reads与有参基因组比对。接着使用StringTie(1.3.3b)对转录本进行组装。
1.2.3 序列数据的挖掘与分析
基因的表达水平表示为每千碱基的每百万映射读值(Fragments Per Kilobase of exon model per Million mapped fragments, FPKM)的转录本片段,通过featureCounts(1.5.0-p3)计算。使用DESeq2(1.20.0)对转录本进行差异分析。校正后的P值(P value)<0.05和|log2 Fold Change|≥1.5被设置为显著差异表达的阈值。
1.2.4 差异表达基因的GO分类和KEGG富集分析
采用clusterProfiler(3.8.1)软件对差异基因集进行GO(
http://www.geneontology.org)富集分析和KEGG(
http://www.kegg.jp)通路分析。设定
P<0.05为显著富集,
P<0.01为极显著富集
[15]。
1.2.5 RNA反转录和qRT-PCR验证
用Trizol(北京艾德莱生物)从组织中提取总 RNA,然后根据生产商(MonScript™ RTIII All-in-One Mix with dsDNase)的说明使用逆转录酶和寡聚-dT引物合成 cDNA。引物序列(
表1)在NCBI网站中设计后由TsingKe生物技术公司(南京合成部)合成,以
GAPDH基因作为内参对照。使用2×Q3 SYBR qPCR Master Mix预混液(TOLOBIO)和荧光定量PCR仪CFX Connect Real-Time PCR Detection System(BioRad, 美国)进行qRT-PCR。设定反应体系如下:2×Q3 SYBR qPCR Master Mix 5 μL, ddH
2O 4.1 μL, cDNA 0.5 μL, 上下游引物(10 μmol/L)各 0.2 μL。并按下列3个反应程序进行qRT-PCR:95 ℃ 预变性30 s;95 ℃ 10 s,60 ℃ 30 s,40个循环; 95 ℃ 15 s,60 ℃ 34 s,95 ℃ 15 s进行溶解曲线分析。
2 结果与分析
2.1 萨湖杂交羊的生长性能显著优于湖羊
对2日龄和8月龄萨湖杂交羊群体和湖羊的生长性能进行了测定。2个绵羊品种的体高和体长没有明显差异。但2日龄(简称B2)和8月龄(简称M8)萨湖羊的体重、胸围、管围等指标均极显著高于湖羊(
P<0.001)(
表2)。这些结果表明,萨湖杂交羊群体的生长性能优于纯繁湖羊。
2.2 转录组测序数据分析
由
表3可知,经转录组测序,2日龄湖羊平均获得4 372万个原始reads,2日龄萨湖杂交羊平均获得4 447万个原始reads,8月龄湖羊平均获得4 370万个reads,8月龄萨湖杂交羊平均获得4 501万个原始reads,筛选后分别得到4 158万、4 224万、4 170万和4 250万个clean reads。数据整体测序错误率均在0.03%以下,Q20>97.19%,Q30>90.61%,表明测序数据有效,可用于进一步的生物信息学分析。
2.3 萨湖杂交羊和湖羊背最长肌差异表达基因筛选
在2日龄萨湖杂交羊与纯繁湖羊两组试验样本中共鉴定到14 864个基因,显著差异表达基因共684个,其中杂交羊较纯繁湖羊上调表达248个,下调表达436个。8月龄萨湖杂交羊与纯繁湖羊两组试验样本中共鉴定到14 581个基因,显著差异表达基因共146个,杂交绵羊较纯繁湖羊上调表达40个,下调表达106个(
图1)。差异基因包括
CDH1、
ELF5、
GSTA1-1和
GPX2等。
2.4 差异表达基因功能富集分析
为了进一步确定DEGs的功能,利用GO对所有DEGs进行了分类注释。结果显示GO在生物学过程(Biological process)、分子功能(Molecular function)和细胞成分(Cellular component)中均显著富集。其中2日龄萨湖F
1代与纯繁湖羊比较中上调差异基因主要参与核小体组装,细胞-细胞粘附,G蛋白偶联受体结合等通路(
图2(a)),下调差异基因主要参与细胞氧化还原稳态、肌动蛋白丝解聚的调节、ATP代谢过程(
图2(b))。8月龄萨湖F
1代与纯繁湖羊差异基因极显著富集到GTP酶活性、核苷三磷酸酶活性通路(图
2(c),
2(d))。
对差异基因进行KEGG通路富集分析,2日龄萨湖F
1代与纯繁湖羊共得到73条通路(
P<0.05),选取前20条信号通路以富集散点图的形式展示(图
3(a),
3(b))。8月龄萨湖F
1代与纯繁湖羊差异基因共富集到27条通路(
P<0.05),选取20条
P值最小的信号通路以富集散点图的形式展示(图
3(c)和
3(d))。结合GO富集度和KEGG通路的分析结果以及以往的研究,本研究选择了与肌肉组织生长发育、骨骼肌能量代谢等生物学过程相关的差异表达基因作为候选基因,供进一步研究(
图4)。
2.5 qRT-PCR验证转录组测序结果的准确性
随机选择了10个差异表达基因,通过qRT-PCR验证RNA-seq 数据的准确性。这10个基因的表达模式与RNA-seq数据一致(
图5)。这些结果表明RNA-seq 数据是可信的。
3 讨论
本研究对不同发育阶段萨湖杂交羊和纯繁湖羊的生长性能相关数据进行分析,并对背最长肌进行比较转录组学分析,以阐明萨湖杂交羊和湖羊之间的遗传差异以及筛选杂种优势形成的关键基因。
对2日龄萨湖杂交F
1代和纯繁湖羊的差异基因进行GO功能富集,结果显示上调差异基因显著富集在G蛋白偶联受体和细胞-细胞粘附等通路中。G蛋白偶联受体(G protein coupled receptor,GPCR)是细胞膜受体中最大的一类,作为重要介质参与组织发育和再生,在脂质储存和组织葡萄糖摄入等与代谢相关的多种生理功能中发挥关键作用。多项研究表明GPCR已成为肌肉干细胞(Muscle stem cells,MuSCs)和肌肉再生的重要调节因子
[16-18]。细胞-细胞粘附是高等生物体内生成和维持有序的三维组织所必需的,对维持胚胎发育早期组织的完整性起着良好的协调作用
[19-20]。其中,E-粘附蛋白(Cadherin 1,CDH1)可通过N端细胞外结构域促进钙介导的细胞-细胞粘附。研究表明CDH1在细胞分化过程中发挥重要作用,可通过与底物MYF5(Myogenic factor 5)相互作用来控制肌源性分化
[21]。本研究中2日龄试验组GO富集分析结果显示,CDH1富集于细胞-细胞粘附通路中,且在萨湖杂交F
1代绵羊中的表达量显著高于纯繁湖羊,表明CDH1在促进萨湖杂交F
1代绵羊胚胎早期发育方面发挥重要作用,细胞-细胞粘附是调节杂交绵羊生长、发育的关键通路。
对萨湖杂交F
1代和纯繁湖羊的差异基因进行KEGG功能富集,结果显示2日龄试验组上调差异基因显著富集在谷胱甘肽代谢和甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢等与能量代谢相关通路中。8月龄试验组上调差异基因极显著富集在谷胱甘肽代谢通路中。随着年龄的增长,MuSCs从静止状态激活的速度越来越慢,从而导致肌肉修复缺陷
[22]。骨骼肌纤维衰老的特征之一是氧化应激和损伤的增加
[23-26]。谷胱甘肽抗氧化系统能够通过中和自由基减少过氧化损伤,在细胞防御活性氧ROS方面发挥着重要作用
[27]。Benjamin等
[28]利用多组学对年轻和年老小鼠(
Mus musculus)分离的静止骨骼肌干细胞进行分析,强调谷胱甘肽代谢是逆转MuSCs衰老的一个可及靶点。丝氨酸参与糖酵解、核苷酸生物合成、碳代谢和谷胱甘肽合成等生物过程,对维持免疫系统的正常功能至关重要
[29]。硒在多种生理过程中发挥着关键作用,包括抗氧化和免疫系统的调节和功能
[30]。丝氨酸作为必需底物参与硒半胱氨酸的转录和翻译过程
[31]。多项研究表明,丝氨酸通过提高谷胱甘肽过氧化物酶的合成,在啮齿动物和猪(
Sus)上发挥抗氧化作用
[32-36]。膳食中补充丝氨酸可降低生长期幼猪的氧化应激
[37]。
GPX2(Glutathione peroxidase 2)编码的蛋白质属于谷胱甘肽过氧化物酶家族,具有催化谷胱甘肽还原有机氢过氧化物和过氧化氢(H
2O
2)的作用,从而保护细胞免受氧化损伤
[38]。
GSTA1-
1(Microsomal glutathione-S-transferase 1-1)具有抵御氧化应激和参与细胞分化的作用,可通过抑制
ASK1(Apoptosis signal-regulating kinase 1,细胞凋亡信号调节激酶1)来调节细胞信号传导
[39-40]。研究表明,细胞汇合后期
GSTA1表达水平逐渐升高,证明
GSTA1的表达可能会控制细胞分化
[41]。本研究发现
GSTA1-
1在出生后表达量显著提高,与出生后骨骼肌处于生长发育最关键阶段一致。
GSTA1-
1和
GPX2均极显著富集在谷胱甘肽代谢信号通路中,且分别在2日龄和8月龄试验组中呈上调表达,表明萨湖杂交F
1代绵羊与纯繁湖羊相比具有更强的抗氧化应激能力。
4 结论
本研究发现,萨湖杂交羊在肉质和生长性能方面均优于纯繁湖羊。萨湖杂交羊和湖羊的差异表达基因显著富集在肌细胞增殖和分化、肌蛋白质合成和能量代谢过程中。最终筛选得到3个调控萨湖杂交羊肌肉和生长性能提升的关键基因(CDH1、GSTA1-1和GPX2),其中,CDH1与肌细胞增殖和分化相关,GSTA1-1和GPX2与能量代谢相关。本研究为探究调控杂交绵羊生长性能的关键基因和功能通路提供参考,未来还需进一步验证候选基因的功能。
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