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饲养管理

封闭群实验动物的遗传学质量控制

2020年06月23日 浏览量: 评论(0) 来源:《遗传标记在实验动物遗传质量控制中的应用》 作者:宋国华 责任编辑:yjcadmin

一、基本概念

封闭群动物(closed colony)属不同基因型动物,又称远交群(outbred stock),是指以非近亲交配方式进行繁殖生产的一个实验动物群体,在不从其外部引入新个体的条件下。至少连续繁殖4代以上。

在封闭群内,个体间的差异程度主要取决于其祖代来源,若祖代来自一般杂种动物,则个体差异较大;若祖代来自同一个品系的近交系动物,差异则较小。祖代来自近交系的远交群又称非近交系(non inbred strain)和随机交配品系(random- bred strain)。

封闭群是一个长期与外界隔离,雌雄个体之间能够随机交配的动物群。其遗传组成比较接近于自然状态下的动物群体结构。由于在远交种群中,个体之间具有遗传杂合性而差异较大,但是从整个群体来看,封闭群状态和随机交配使群体基因频率基本保持稳定不变,从而使群体在一定范围内保持有相对稳定的遗传特征。

作为封闭群动物的关键是不从外部引进任何新的基因,同时避免近交,进行随机交配,不让群体内基因丢失,以保持种群一定的杂合性。

某些封闭群携带个别突变基因,称为突变种。这些突变可能是以纯合或杂合的形式存在于群体之中。培育者除了考虑封闭群的遗传组成之外,更应注意研究突变基因在封闭群中的保存和遗传规律,及其应用价值。

二、封闭群实验动物的特点

封闭群动物具有杂合特性并避免了近交,从而避免了近交衰退的出现,其生活、生育力都比近交系强,具有繁殖率高、疾病抵抗力强的优点,故封闭群可以大量生产,供应量充足。封闭群在整体上由于没有引进新的血缘,其遗传特性及其他反应性能保持相对稳定,但就群内个体间而言,因其有杂合性,所以个体间的反应性具有差异,某些个体反应性强,某些个体反应性弱,因此,个体间的重复性和一致性不如近交系动物好。根据这些特点,封闭群动物一般适用于药物筛选、毒理安全试验和教学使用。

目前,常见的封闭群动物有KM小鼠(昆明小鼠)、LACA小鼠、NIH小鼠、Wistar大鼠、日本大耳白兔(Japanese white rabbit)、新西兰兔(New Zealand white rabbit)等,尤其是KM小鼠,是我国目前使用最多的动物,其祖先可能是Swiss小鼠,1946年从印度引进我国昆明,以后又分送我国各地,因此得名“昆明种小鼠”。

三、繁殖

封闭群一般采用随机交配繁殖,就是在一群繁殖的动物中,每个个体都有同样的机会同另一性别中的任何一个个体进行交配并繁殖。因为这种交配方法既不管其亲代来源,也不考虑它们的亲缘关系,所以是随机的。其目的是防止近亲繁殖,而不使后代中分离出独立的品系。

随机繁殖可维护遗传异质性,因而没有近交衰退现象。亲代数目越大,则随机交配对的平均亲缘关系越远。因此为了减少近亲繁殖到一个最小限度,则远交群必须保持最大可能饲养的双亲数量。如果一个原种要无限地维持下去,则近交系数上升率应控制在每代不得超过1%。下面介绍一下没有谱系记录的随机交配群体近交系数的计算方法。

前面提到,近亲交配是指有亲缘关系的个体之间的交配繁殖。在有性生殖的物种中,每个个体都有两个亲体、四个祖先和八个曾祖亲等。如果追溯到n代,则有2n个祖先。在个体数有限的群体中,即使交配是完全随机进行的,近亲个体间的交配也是不可避免的,群体越小,则群体中随机抽取两个个体有近亲关系的几率越大,发生近交的可能性越大。近亲个体具有同一祖先,带有同一基因的可能性较非近亲个体更大。在一较小的群体中,由于近亲交配率高,纯合体数量将增加,而杂合体的数量将减少,从而影响到群体的基因型频率。且隐性基因一旦变成纯合状态,其隐性性状就会受到自然选择的作用,并进一步影响到群体中这些基因及与之连锁基因的频率。

群体的近交程度可用近交系数来衡量。近交系数是指群体中某个体通过遗传携带两个同源等位基因(来自共同祖先的基因)的几率。一般用F来表示。假设有一个由Ⅳ个个体组成的群体,能产生2N个配子。在下一代中,两个来自同一个体的配子结合成合子的几率为1/2N。即近交系数的增加量为:

σF = 1/2N

在一代之后,群体中不带同源基因个体的几率为1-1/2N。在第二代、第三代……第t代后,该群体中不带同源基因个体的几率依次为(1-1/2N)2、(1-1/2N)3……(1-1/2N)t,由此可知,t代之后,带有同源基因的个体出现的几率,即近交系数F等于:

随着世代的推移,如果没有迁移和选择等因素的影响,群体的近交系数一直有增加的趋势,而且群体越小,近交系数增加越快。

选择封闭群动物繁殖方法的原则是尽量保持封闭群动物的基因异质性及多态性,避免近交系数随繁殖代数增加而上升过快。

根据计算群体近交系数增加量的近似公式σF=1/2N可计算出每代动物(主要指小型啮齿类封闭群动物)引种数量一般不少于25对。但从实际抽样导致的随机遗传漂变来看,25对个体仍然易发生基因频率的改变,因此,应尽可能保持更多的繁殖个体。

四、建立封闭群的遗传学质量控制方法以减少遗传漂变

封闭群动物广泛地被用于药物实验和生物制品的鉴定。但目前采用的封闭群繁殖制度均难以使一个封闭群的遗传特性保持稳定。因而造成应用封闭群动物的实验结果重复性较差。因此,应尽可能将影响动物数量性状的各种因素加以控制。

环境因素的标准化在很大程度上是通过对动物饲养室的小气候、固定的饲料配方和一定的微生物背景(如GF、SPF等)的控制而实现的。到目前为止,实验动物的遗传学质量标准是针对近交系的。已制定的封闭群繁殖制度虽能减少基因纯合度的上升率,但仍不足以保持封闭群遗传性状的稳定,许多群体的近交系数已有一定程度的上升。

对于封闭群动物的遗传性状控制主要针对两个方面:①在群体内保持其个体间较大的遗传性状差异;②所有基因的相对频率保持稳定。如果一个群体足够大,而且没有选择力量的存在,群体的遗传特性几乎可不发生变化。然而在实践中所有的子代并非都有可能参与下一代的交配繁殖。为了对封闭群进行有效的遗传控制,Rapp从封闭群的各繁殖对中收集群体的繁殖特性、骨骼特征、同工酶和血液学数据,然后利用这些数据来挑选繁殖用的后代。由于这些后代具有与双亲相同的特性比率,在这些相应位点上保持了群体的稳定。

为了降低近交系数的上升率,可在一个封闭群繁殖单元内采用最大避免近亲法、循环交配法或当数量足够大时用随机交配法以避免近亲交配。这些交配方法虽能有效地控制近交系数的上升率,却对于保持一个封闭群遗传特性的稳定没有什么作用,它们对控制遗传漂变并不合适。许多学者认为除了采用合适的繁殖交配方法外,还应对封闭群动物的各项生物学特性进行监测,并加以控制,这些生物学特性包括毛色基因、免疫位点、生化位点、骨骼测量及其他特性(如血液学数据、繁殖性能等),Hedrich认为免疫位点不适合作为封闭群动物的常规监测项目。然而直到1980年代中期由Rapp提出的“二次优选法(quadric optimization)”才成功地将生物学特性监测的结果用于指导封闭群的选种。

为了保持封闭群基因型的原有分布状态,首先要收集封闭群各种特性数据并建立这个封闭群动物的群体正常值,然后以此标准选择下一代种群。选择的特性应该尽可能多样化,并采用方便、快速、较精确的测量方法,费用应尽可能低,而数量性状的遗传变异部分即遗传力应尽可能大。所有的生物学标志在群体中应有多个位点共同表达。表1-1是运用“二次优选法”选种时常采用的各项生物学特性。

群体正常值以各项生物学特性的平均值和方差表示。群体正常值不应从当前群体中获得,而是从多年积累的数据获得。

当选择新繁殖群体时,应选择各项生物学特性的平均值和方差与群体正常值最接近者,则该新繁殖群最能保持群体的遗传特性。


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