红鳍东方鲀(Takifugu rubripes)是一种重要的海水养殖鱼类, 因其营养丰富, 肉质鲜美, 有“鱼中之王”的美誉。红鳍东方鲀属于暖温性、广温性鱼类, 适宜生长水温为14~27 ℃, 最适水温为16~23 ℃ (马爱军等, 2014)。养殖区域在我国主要集中在辽宁、河北和山东地区, 由于北方冬季的极端低温, 红鳍东方鲀需要进行室内越冬, 不可避免地会面临着成活率降低以及因水温提升带来的成本上升等问题, 因此选育红鳍东方鲀耐低温新品种对扩大良种覆盖率、维持其产业可持续发展具有重要作用。

制定合理的育种规划是品种选育能否成功的关键, 遗传参数是制定育种规划的前提和基础。遗传力作为最重要的一个基本遗传参数, 是数量遗传学中由表及里, 从表型变异研究其遗传实质的一个关键的定量指标。在育种值估计、选择指数指定、选择反应预测、选择方法比较以及育种规划决策等方面, 均起着十分重要的作用(马爱军等, 2008)。遗传力通过量化遗传因素在总体方差中的贡献, 揭示了个体遗传背景在目标性状表现中的重要程度(王松林等, 2023)。通过精确遗传力估计, 不仅能够预测性状在后代中的变异情况, 还能为育种计划的设计和实施提供实际依据(孙坤, 2021)。遗传相关是数量遗传学中另一个重要的基本遗传参数, 可用来描述不同性状之间由于各种遗传原因造成的相关程度大小。在确定间接选择的依据和预测间接选择反应大小、比较不同环境条件下的选择效果以及综合选择指数的制定等方面具有重要的作用(马爱军等, 2008)。在多性状育种中, 通过分析性状间的遗传相关, 可为制订多性状育种规划提供理论依据。一般来说, 抗逆性状和生长性状多呈负相关(蒋湘等, 2014), 因此最好是选择通过定向选育不同的品系再进行杂交的方式进行新品种选育。

温度是决定鱼类生长和代谢的关键环境因素, 国内外已开展部分关于水产动物耐温性遗传参数的研究。刘宝锁等(2011)通过比较两种动物模型发现共同环境系数为0, 估计大菱鲆(Scophthalmus maximus)关于耐高温性状的遗传参数, 获得耐热性(upper thermal tolerance, UTT)遗传力为0.026±0.034。Thodesen等(2013)获得奥利亚罗非鱼(Oreochromis aureus)两个批次耐低温性状的遗传力分别为0.20± 0.04和0.30± 0.31, 属于中等遗传力水平。Charo-Karisa等(2005)开展尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)幼鱼的耐寒性研究, 得到低温累计存活时间(cooling degree hours, CDH)的遗传力为0.08±0.19, 死亡时温度(temperature at death, TAD)的遗传力为0.09±0.17, 属于低等遗传力。Wang等(2017)研究中国对虾(Fenneropenaeus chinensis)幼虾耐寒性的遗传参数, 其TAD和CDH的遗传力分别为0.265±0.091和0.077±0.058, 属于中低等遗传力。由此可以看出, 耐温性状的遗传力基本处于中低等水平, 不同物种间存在一定的差异。同时耐温性状的表型选择并不一致, 选择合适的表型能提升遗传参数估计的准确性。

本研究通过室内人工降温的方式对31个全同胞家系1 860尾红鳍东方鲀开展低温胁迫实验, 以CDH作为评定耐低温性状的指标, 利用建立的混合线性模型评估红鳍东方鲀的耐低温性状和生长性状遗传力以及它们之间的遗传相关和表型相关, 为红鳍东方鲀耐低温新品种的选育规划提供一定的理论参考。

1 材料与方法 1.1 实验材料

红鳍东方鲀亲鱼来自唐山牧海水产养殖有限公司, 挑选出体格健硕、无外伤的亲鱼, 经过一段时间的营养调控和生殖调节, 在同一时期达到性成熟, 用来构建家系后代。2021~2022年, 采用1雌1雄的交配设计方案, 两批次成功构建了31个F₁全同胞家系, 各家系分别在不同的养殖池中饲养并标记家系标号, 当家系达到8月龄后用于耐低温测定实验。

1.2 低温胁迫实验

低温胁迫实验在高度为1.2 m, 直径为1.5 m的养殖桶中进行, 每6个养殖桶组成一套系统连接一个控温设备用来循环水降温如图 1所示。实验开始前先利用控温设备将水温维持到15 ℃, 从每个家系中随机选取60条红鳍东方鲀放入单独养殖桶中暂养7 d。暂养结束后, 开始降温实验, 从15 ℃开始每1 h下降1 ℃, 在水温降到11 ℃以后改为每2 h降温1 ℃, 到达5 ℃后维持。实验开始后每小时检查一次养殖桶, 收集冷休克鱼体。冷休克状态为鱼体下沉或鱼体出现侧翻轻触后仍不能回正。准确称量鱼体体重、体长, 记录达到冷休克状态的时间、温度等信息, 并剪取尾鳍低温保存。当实验用鱼全部达到冷休克状态后, 低温胁迫实验结束。

1.3 数据处理 1.3.1 数据统计

使用Excel软件对红鳍东方鲀的冷休克状态时的温度和时间、个体的CDH值、体长、体重及家系信息等描述性统计数据分别按照家系水平和个体水平进行整理, 使用SPSS软件对描述性统计数据计算、分析并检验家系间差异显著性及个体水平数据是否近似正态分布。使用ASReml4.1.0软件(Butler et al, 2018)对耐低温性状和生长性状的方差组分、遗传力和遗传相关进行分析。

CDH值表示鱼体在低温胁迫下进入冷休克状态前最初温度与每个小时温度之差乘以累计小时数的总和, 计算CDH的初始温度T₀为15 ℃。公式为:

其中, t_i为低温胁迫下的累计小时数, 初始温度度T₀为15 ℃, T_i为第i个小时的温度, k为冷休克时的累计小时数。

1.3.2 建立混合线性模型

使用ASReml软件建立动物模型, 利用平均信息约束极大似然法(average information restricted maximum likelihood, AIREML) (王明珠等, 2018)计算红鳍东方鲀耐低温和生长性状方差组分。用计算得到的CDH值描述耐低温性状能力, CDH值越大, 表明耐低温能力越强。经检验, 系统Tank做固定效应具有显著性。采用单性状动物模型估计耐低温性状的方差组分, 基于是否考虑共同环境效应构建了两个动物模型, 分别命名为模型A(不含共同环境效应)和模型AF(包含共同环境效应)。

其中, Y_ij和Y_ijk是耐低温性状第j个个体的CDH值, μ是总体均值, Tanki是第i个系统, a_j是第j个个体的加性遗传效应, f_k是第k个共同环境效应, e_ij和e_ijk是随机误差。

估计生长性状遗传力时, 利用单性状动物模型估计生长性状的方差组分, 同样基于是否考虑共同环境效应构建了两个动物模型, 分别命名为模型B(不含共同环境效应)和模型BF(包含共同环境效应)。

其中, Y_j和Y_jk生长性状第j个个体的性状观测值, μ是总体均值, a_j是第j个个体的加性遗传效应, f_k是第k个共同环境效应, e_j和e_jk是随机误差。

1.3.3 模型比较

利用似然比检验(LRT)比较不同模型, 当比较耐低温性状模型A和模型AF时, 模型A是模型AF的子模型, 当比较生长性状模型B和模型BF时, 模型B是模型BF的子模型。检验统计量如下:

其中, LR为似然比值, lnL₁和lnL₂分别是两个不同模型的最大似然函数值, 模型1是模型2的子模型, 统计量符合卡方分布, 自由度为模型2中估计的参数个数与模型1中估计的参数个数之差。

1.3.4 遗传参数的评估

表型方差由加性遗传方差、共同环境效应方差和残差组分构成, 计算公式为:

遗传力的计算公式为:

其中, h²是耐低温或生长性状遗传力, σ_p²是表型方差, σ_a²是加性遗传方差, σ_f²是共同环境效应方差, σ_e²是残差组分。

在耐低温性状、体重和体长两两之间的遗传和表型相关分析中, 通过两性状动物模型, 估计相应的方差组分和协方差组分, 从而计算得到红鳍东方鲀的耐低温和生长性状的遗传相关和表型相关估计值。

遗传相关、表型相关计算公式为:

其中, r是遗传相关或表型相关, Cov(x, y)是遗传协方差组分或表型协方差组分, σ_x²和σ_y²是性状的加性遗传方差或表型方差。

1.3.5 显著性检验分析

运用Z-score来检验上述获得耐低温和生长性状的遗传力, 以及性状之间遗传和表型相关是否具有显著性(Nguyen et al, 2007):

其中, x_i和x_j是耐低温和生长性状的遗传力或性状之间的遗传和表型相关, σ_i和σ_j是指相对应的标准误。当| Z |≥1.96, 认为遗传力或性状之间的遗传和表型相关存在显著差异(P < 0.05); 当| Z |≥2.58, 认为遗传力或性状之间的遗传和表型相关存在极显著差异(P < 0.01)。

2 结果 2.1 红鳍东方鲀耐低温性状和生长性状的描述性统计 2.1.1 家系水平描述性统计

红鳍东方鲀各家系CDH的平均值如图 2a所示, 家系22的平均值最大为1 781.5, 家系9的平均值最小为1 145.5, 各家系的标准差为93.46~579.64, 变异系数为0.05~0.41。经Kruskal-Wallis检验, CDH家系间存在显著差异(P < 0.05)。各家系体重的平均值如图 2b所示, 在批次1中平均值为90.14~187.20, 标准差为22.46~49.55, 变异系数为0.18~0.31; 在批次2中平均值为270.32~431.30, 标准差为22.68~109.77, 变异系数为0.07~0.29。各家系体长的平均值如图 2c所示, 在批次1中体长平均值为13.68~16.54, 标准差为0.96~1.69, 变异系数为0.06~ 0.11; 在批次2中体长平均值为20.06~22.50, 标准差为0.54~1.81, 变异系数为0.03~0.08。经Kruskal-Wallis检验, 体重和体长分别在两个批次家系间存在显著差异(P < 0.05)。以上结果见表 1。

2.1.2 个体水平描述性统计及正态分布拟合

耐低温性状CDH、体重和体长的样本数、平均值、标准差和变异系数等描述性统计数据如表 2所示, CDH、体重和体长的平均值分别为1 459、230.42 g、18.11 cm。体重的范围为22.49~586.30 g, 变异系数较大(CV= 47.90%)。体长的标准差为3.18, 具有较小的变异系数(CV=17.54%)。耐低温性状指标CDH有较大的变异系数(CV=28.68%), 表明红鳍东方鲀的个体间耐低温能力有较大的差异, 耐低温性状具有较好的改良潜力。

红鳍东方鲀个体水平CDH、体重和体长数据分别拟合正态分布如图 3所示, CDH的拟合度(R²)为0.799 57, 其余生长性状数据的拟合度较高都大于0.95, 其中体重两个批次拟合度分别为0.991 53和0.985 75, 体长两个批次的拟合度分别为0.992 7和0.997 96, 通过方差分析表明数据近似正态分布具有统计学意义(P < 0.05)。

2.2 动物模型比较

利用似然比验证(LRT)比较不同模型, 分析耐低温性状和生长性状模型中是否需要考虑共同环境效应结果见表 3。耐低温性状两个模型比较, 模型A与模型AF的似然值相同两个模型之间无显著差异(P > 0.05)。体重性状两个模型比较, 模型B与模型BF的似然值不相同, 似然比为82.223, 两个模型差异极显著(P < 0.01)。体长性状两模型比较, 模型B与模型BF的似然值也不相同, 似然比为137.52, 两个模型差异极显著(P < 0.01)。因此, 估计耐低温性状遗传参数选用不考虑共同环境效应的模型A, 估计生长性状遗传参数则选用加入共同环境效应的模型BF。

2.3 红鳍东方鲀耐低温和生长性状的方差组分和遗传力

红鳍东方鲀耐低温和生长性状的方差组分和遗传力如表 4所示, 耐低温性状CDH遗传力为0.27± 0.08, 属于中等遗传力, 体重遗传力为0.36±0.13, 属于中等遗传力, 体长遗传力为0.14±0.06, 属于低遗传力。经检验, 所获得的遗传力均极显著(P < 0.01)。

2.4 红鳍东方鲀耐低温性状、体重和体长之间的遗传和表型相关性

红鳍东方鲀的耐低温性状CDH、体重和体长两两之间估计的遗传相关和表型相关结果如表 5所示。用CDH来表示耐低温性状指标, CDH与体重和体长的遗传相关分别为–0.40±0.22、–0.44±0.24, 表型相关分别为–0.09±0.06、–0.16±0.05 (P < 0.01), 均为负相关。体重和体长两者间的遗传和表型相关分别为0.92±0.05、0.80±0.02, 生长性状的两个指标体重与体长之间呈高度正相关(P < 0.01)。

3 讨论 3.1 红鳍东方鲀耐低温性状遗传力

水产动物耐低温选育是近年来的热点领域, 关于耐低温的研究已开展了大量的报道, 包括低温胁迫下的生理反应(Liu et al, 2022)、相关基因表达(刘志峰等, 2023)、分子标记筛选(袁晨浩等, 2022)等。然而, 关于水产动物耐低温性状的遗传力报道少有研究, 目前仅罗非鱼(Charo-Karisa et al, 2005; Thodesen et al, 2013)、中国对虾(Li et al, 2016; Wang et al, 2017)、凡纳滨对虾(Penaeus vannamei) (Li et al, 2015)等有耐低温性状遗传力的报道, 还没有关于红鳍东方鲀耐低温性状遗传评估的研究。研究人员通常会选择CDH、TAD、半致死时间的存活状态(Survival status at half lethal time, SS₅₀)等作为描述耐低温能力的指标, 如卢其西等(2011)用CDH做为奥利亚罗非鱼的耐寒指标, 评价6个家系的耐寒能力, 王明珠等(2018)和Wang等(2017)利用TAD、CDH和SS₅₀分别描述中国对虾及其幼虾的耐低温程度。一般来说, CDH结合了低温存活的持续时间和温度, 描述耐低温性状更精确, 因此本研究使用CDH作为指标来评估红鳍东方鲀的耐低温能力并进行遗传参数评估。

本研究获得CDH的遗传力为0.27±0.08, 与奥利亚罗非鱼(Thodesen et al, 2013)、中国对虾(王明珠等, 2018)研究得到的耐低温性状遗传力水平相似, 都属于中等遗传力水平。然而, 这个结果并不是普遍现象, Li等(2015, 2016)研究了凡纳滨对虾和中国对虾的耐寒性遗传力, 凡纳滨对虾的SS₅₀遗传力为0.021 1±0.019 6, CDH遗传力为0.025 8±0.020 5; 中国对虾SS₅₀遗传力为0.059 3±0.016 0, 加入共同环境效应后遗传力下降为0.019 2±0.023 5。Charo-Karisa等(2005)用CDH和TAD两种指标来描述耐低温性状, 估计尼罗罗非鱼幼鱼耐低温性状的遗传力, 获得CDH和TAD的遗传力分别为0.08±0.17和0.09±0.19。这些遗传力结果都是低遗传力, 明显低于本研究的结果。我们推测这种差异主要来源于种间差异, 此外, 遗传评估的个体数量、不同的统计方法和模型、以及所用样本的不同发育时期同样是不可忽视的因素。

3.2 红鳍东方鲀生长性状遗传力

生长性状作为重要的经济性状, 近几年已开展大量关于水产动物生长性状遗传参数的研究, 如菲律宾蛤仔(Ruditapes philippinarum) (王松林等, 2023)、全州禾花鲤(Cyprinus carpio var. Quanzhouensis) (许艺兰等, 2022)、金鲷(Chrysophrys auratus) (Ashton et al, 2019)和凡纳滨对虾(王伦等, 2022)等。针对红鳍东方鲀生长性状的遗传力估计也有部分研究, 刘永新等(2014)以135日龄生长性状为协变量, 构建了三个不同的动物模型用来估计红鳍东方鲀200日龄的生长性状遗传力。通过比较不同模型, 确定有全同胞效应并且不含母本效应的模型三为最优模型, 所估计的体质量和体长遗传力分别为0.16和0.14。刘永新等(2017)又估计红鳍东方鲀150日龄和240日龄的体质量遗传力分别为0.17和0.21, 体长遗传力分别为0.15和0.18。两次对红鳍东方鲀的生长性状估计所选择的群体日龄接近, 并且结果相近都属于中低等遗传力。这与本研究的结果相似, 本研究的结果发现体重的遗传力为0.36±0.13, 属于中等遗传力, 体长的遗传力为0.14±0.06, 属于低等遗传力。于海龙等(2016)基于仅加性遗传效应作随机效应的动物模型, 估计红鳍东方鲀210日龄和360日龄生长性状遗传力, 获得红鳍东方鲀体质量遗传力为0.54和0.46, 体长遗传力为0.38和0.37, 全长遗传力为0.52和0.44, 这与本研究的结果并不相同, 属于中高等遗传力。分析原因可能是忽略了共同环境效应, 没有将共同环境效应从加性遗传效应中准确地剖分出来, 导致结果偏大。马文超等(2021)为了探究红鳍东方鲀在不同生长时期的生长性状遗传力, 分别估计了1、2、6和18月龄的体重、体长和全长的遗传力, 得到各个生长时期的体重遗传力分别为0.73、0.48、0.23和0.23, 体长遗传力分别为0.65、0.38、0.19和0.16、全长遗传力分别为0.66、035、0.16和0.19。其中, 6月龄与本研究使用的实验鱼月龄接近, 得到该月龄的结果属于中低等遗传力, 与本研究得到的结果一致。此外, 不难看出随着月龄的增长生长性状遗传力呈下降趋势, 因所选用的方法无法考虑母本效应的影响, 并且母本效应在生物发育早期占有一定的方差组分(Shimada et al, 2007), 因此1月龄和2月龄的生长性状遗传力估计值偏大。红鳍东方鲀的生长性状遗传力估计值存在差异, 主要是由于共同环境效应和母本效应是否考虑加入到模型中, 不同的动物模型估计的遗传力往往差异较大(王延晖等, 2023), 选择合适的模型能提高遗传力估计的准确性。

3.3 红鳍东方鲀耐低温性状和生长性状之间的相关分析

除了遗传力之外, 遗传相关也是重要的遗传参数。当两个性状之间的相关性较高时, 对其中一个性状的选择育种也会对另一个性状有较大的影响。因此对于那些改良难度大或是难以直接测量的性状, 可以利用与该性状相关性强的其他性状进行间接选择, 当目标性状间有较强的负相关时, 由于性状间存在相互拮抗, 需要改变育种策略, 首先对不同性状进行品系选育, 然后利用品系间杂交培育出不同性状同时得到改良的新品种。本研究中红鳍东方鲀CDH与体重的遗传相关和表型相关分别为–0.40±0.22和–0.09±0.06, 与体长的遗传相关和表型相关分别为–0.44±0.24和–0.16±0.05, 均为负相关, 且遗传相关高于表型相关。这与其他研究中的结果相类似, 比如Li等(2015)对凡纳滨对虾的耐低温遗传参数做了研究, CDH和SS₅₀与体重之间存在较强的负相关, 遗传相关分别为–0.770 2±0.458 3和–0.825 3±0.455 3, 表型相关分别为0.028 4±0.027 6和–0.062 8±0.201 1。Charo-Karisa等(2005)研究尼罗罗非鱼幼鱼耐低温性状发现体重与耐低温性状TAD的遗传相关和表型相关分别为–0.68±0.84和–0.26±0.18, 为负相关。另外有些研究结果也表明, 耐低温性状与生长性状之间存在一定的正相关, 王明珠等(2018)研究中国对虾耐低温性状与生长性状的相关性, 体重与SS₅₀的遗传相关和表型相关分别为0.517±0.205和0.187±0.030, 体长与SS₅₀的遗传相关和表型相关分别为(0.538±0.203)和(0.218±0.030)。由此可以看出, 不同的物种, 其抗逆性状与生长表型的相关性并不一定是普遍的负相关, 这对育种的路线规划至关重要, 也从侧面反映出遗传参数评估的重要性。

4 结论

本研究利用构建的31个F₁全同胞家系, 开展红鳍东方鲀耐低温性状和生长性状的遗传参数评估。获得耐低温性状遗传力为中等遗传力, 生长性状体重遗传力为中等遗传力, 体长遗传力为低等遗传力, 表明通过群体选育或者家系选育对红鳍东方鲀耐低温性状和生长性状进行改良, 能够获得较好的遗传进展。另外, 耐低温性状和生长性状的表型相关和遗传相关为负相关, 由于性状间存在相互拮抗, 因此制定育种方案时, 首先对不同性状进行品系选育, 然后利用品系间杂交培育出不同性状同时得到改良的新品种。研究结果为红鳍东方鲀耐低温新品种的选育规划提供一定的理论参考。