王彥環(huán),吳 慧,房興堂,陳 宏,張春雷
(江蘇師范大學(xué) 細(xì)胞與分子生物學(xué)研究所 生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
夏南牛是中國(guó)第一個(gè)肉牛新品種,以法國(guó)夏洛來(lái)牛作為父本和本地南陽(yáng)牛作為母本雜交培育而成。與中國(guó)地方黃牛相比,其具有產(chǎn)肉率高及肉質(zhì)好等特點(diǎn),適合作為肉牛品種進(jìn)行推廣。當(dāng)前,對(duì)夏南牛的研究主要集中在培育技術(shù)、牛肉品質(zhì)和肉用性能等方面,但關(guān)于其品種資源現(xiàn)狀缺乏系統(tǒng)了解。
微衛(wèi)星DNA標(biāo)記(Microsatellite DNA Marker)是一種新型的分子標(biāo)記,也是當(dāng)前研究遺傳多樣性最有效的分子手段之一,廣泛應(yīng)用于動(dòng)植物起源進(jìn)化、親緣關(guān)系分析和遺傳資源現(xiàn)狀評(píng)估[1]。線粒體DNA( Mitochondrial DNA,mtDNA)也被認(rèn)為是研究遺傳多樣性和親緣關(guān)系很好的工具[2]。研究表明[3-4],在野馬、野牦牛[5]、豬[6]、山羊等[7]多種動(dòng)物中具有豐富的mtDNA遺傳多樣性。迄今為止,mtDNA分子結(jié)構(gòu)中的D-loop區(qū)被證明是特別有用的遺傳標(biāo)記[8],因?yàn)樗倪M(jìn)化速度比線粒體DNA的編碼區(qū)快5~10倍[9]。本試驗(yàn)以夏南牛作為主要研究對(duì)象,通過(guò)微衛(wèi)星DNA和mtDNA兩種遺傳標(biāo)記方法,從分子水平上對(duì)夏南牛群體的遺傳多樣性進(jìn)行探討,并對(duì)夏南牛群體與其它地方黃牛品種和部分引進(jìn)品種的親緣關(guān)系進(jìn)行比較分析,旨在為夏南牛遺傳資源的保護(hù)、利用和今后的推廣工作奠定分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)。
本研究采集12個(gè)黃牛群體的159不同個(gè)體的血樣,以及夏洛來(lái)牛和西門(mén)塔爾牛冷凍精液樣品各10份。14個(gè)黃牛群體分別是6個(gè)中國(guó)地方黃牛品種(秦川牛、南陽(yáng)牛、郟縣紅牛、恩施牛、旱勝牛和蒙古牛)、4個(gè)培育品種(夏南牛、中國(guó)荷斯坦牛、草原紅牛和德南牛)和4個(gè)外來(lái)牛種(安格斯牛、日本和牛、夏洛來(lái)牛和西門(mén)塔爾牛)。經(jīng)頸靜脈采血10 mL/只,置于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?4個(gè)黃牛群體樣本數(shù)等信息見(jiàn)表1。
采用酚-氯仿法提取牛血樣基因組DNA和冷凍精液DNA,結(jié)合1.5%瓊脂糖凝膠電泳和紫外分光光度計(jì)進(jìn)行DNA質(zhì)量檢測(cè),產(chǎn)物置于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
本研究使用的黃牛mtDNA D-loop區(qū)擴(kuò)增引物序列為[10]F:5'-CTGCAGTCTCACCATCAACC-3'; R:5'-GGGGTGTAGATGCTTGC- 3'。PCR反應(yīng)體系為30 μL:2×Reaction Mix 15 μL, 上下游引物各1.5 μL(10 pmol/μL),基因組DNA模板1.5 μL(50 ng/μL),ddH2O 10.5 μL。擴(kuò)增程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性30 s,64 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,35個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min;4 ℃保存。PCR產(chǎn)物以1.5% 的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)合格后送至上海生工生物工程公司進(jìn)行測(cè)序。
根據(jù)Sharma等[11]的研究篩選出14個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)(ETH10,ETH225,MM8,ILSTS06,ILSTS11,NRA63,CSSM08,BM1824,CSSM66,MM12,HEL1,CSRM60,INRA005和ILSTS34)。PCR反應(yīng)體系為10 μL:2×Reaction Mix 5 μL, 上下游引物各為0.5 μL(10 pmol/μL),基因組DNA模板0.5 μL(50 ng/μL),ddH2O 3.5 μL。PCR擴(kuò)增程序同上,產(chǎn)物用10%的聚丙烯凝膠電泳檢測(cè)。
根據(jù)測(cè)序峰圖用DNAStar軟件和Clustal X軟件進(jìn)行序列比對(duì),使用MEGA 5.0分析mtDNA D-loop區(qū)序列的堿基組成。然后使用DnaSP 5.10軟件計(jì)算序列的多態(tài)位點(diǎn)、單倍型多樣度、核苷酸差異及Tajima's中性顯著性檢驗(yàn)。最后使用MEGA5.0軟件基于Kimura 雙參模計(jì)算遺傳距離,并構(gòu)建NJ系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。微衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)Popgen32軟件來(lái)分析等位基因數(shù)、有效等位基因數(shù)、雜合度、遺傳距離等遺傳多樣性參數(shù);Cervus3.0軟件計(jì)算多態(tài)信息含量;及MEGA5.0軟件中的鄰接法構(gòu)建基于遺傳距離的系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)。
以Genbank上普通牛和瘤牛(AY526085和AF492350)的D-loop區(qū)序列為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)序列進(jìn)行整理,得到14個(gè)黃牛群體的mtDNA D-loop全序列,長(zhǎng)度為910 bp,胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)、鳥(niǎo)嘌呤(G)四種核苷酸的比例分別是29.0%(28.1%~29.5%)、24.4%(23.9%~25.2%)、32.9%(32.2%~33.4%)、13.7%(13.0%~14.0%),A+T的含量61.9%(61.2%~62.9%)顯著高于G+C的含量38.1%(36.9%~39.2%)。夏南牛D-loop區(qū)全序列堿基T、C、A、G、含量分別為28.9%、24.7%、32.8%和13.6%,A+T的含量為61.7%,明顯高于G+C的含量38.3%。夏南牛和其他13個(gè)黃牛群體D-loop區(qū)序列同樣富含堿基A和T,表現(xiàn)出一定的堿基偏倚性,核苷酸組成上沒(méi)有明顯差異。
14個(gè)黃牛群體mtDNA D-loop全序列共檢測(cè)出124個(gè)變異位點(diǎn),60個(gè)(48.55%)變異位點(diǎn)集中在200~400 bp之間,說(shuō)明該區(qū)域?yàn)閙tDNA D-loop區(qū)的高變區(qū)。夏南牛mtDNA D-loop全序列共檢測(cè)出49個(gè)變異位點(diǎn),在200~400 bp之間的變異位點(diǎn)數(shù)占到44.89%,低于均值48.55%,其他群體較夏南牛多態(tài)性更為豐富。
14個(gè)黃牛群體mtDNA D-loop全序列變異中轉(zhuǎn)換、顛換、 插入、缺失四種變異類(lèi)型均存在,包括轉(zhuǎn)換102次(82.26%)、顛換13次(10.48%)、轉(zhuǎn)換與顛換共存5次(4.03%)、插入與缺失共4次(3.23%)。夏南牛D-loop區(qū)變異類(lèi)型中轉(zhuǎn)換有40次,顛換6次,轉(zhuǎn)換/顛換共存1次,插入與缺失共2次,分別占總變異位點(diǎn)數(shù)(49)的81.63%、12.24%、2.04%和4.08%。夏南牛和其他13個(gè)黃牛群體的核苷酸突變位點(diǎn)的變異類(lèi)型都以轉(zhuǎn)換為主。
14個(gè)黃牛群體mtDNA D-loop區(qū)的單倍型多樣度(Hd)、核苷酸多樣度(Pi)和Tajima's D中性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知 ,Hd介于0.649~1.000之間,Pi介于0.005~0.028之間,各群體具有豐富的單倍型類(lèi)型,秦川牛核苷酸多樣度和單倍型多樣度均最高,夏南牛核苷酸多樣度和單倍型多樣度較低,說(shuō)明其品種遺傳一致性較高。
對(duì)14個(gè)黃牛群體進(jìn)Tajima's D中性檢驗(yàn),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,秦川牛和蒙古牛的P值為0.05~0.10,其余黃牛群體的P值均大于0.10,說(shuō)明14個(gè)黃牛群體均符合中性進(jìn)化。
將微衛(wèi)星PCR產(chǎn)物進(jìn)行聚丙烯凝膠電泳發(fā)現(xiàn)14個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)有5個(gè)位點(diǎn)(HEL1、CSSM66、ETH10、ILSTS06和MM8)不具有多態(tài)性,其他9個(gè)位點(diǎn)高度多態(tài)。14個(gè)黃牛群體的PIC和H分別為0.608 ~0.798和0.695 ~0.837,夏南牛的PIC和H分別為0.692和0.715(表2),說(shuō)明夏南牛的遺傳多樣性較中國(guó)黃牛低。9個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)在60個(gè)夏南牛個(gè)體中共發(fā)現(xiàn)47個(gè)等位基因,平均每個(gè)位點(diǎn)的等位基因數(shù)為5.22,有效等位基因數(shù)與等位基因數(shù)相差較小,說(shuō)明等位基因在群體中的分布較均勻(表3)。以上結(jié)果與 mtDNA D-loop序列遺傳多樣性分析結(jié)果一致。
表1 14個(gè)黃牛群體mtDNA D-loop區(qū)序列單倍型、核苷酸多樣度及Tajima's D中性檢驗(yàn)Table 1 mtDNA D-loop haplotype diversity,nucleotide diversity and Tajima's D neutrality test in 14 yellow cattle populations
表2 14個(gè)黃牛群體的等位基因數(shù)、有效等位基因數(shù)、平均雜合度及多態(tài)信息含量Table 2 Numbers of alleles and effective alleles, average heterozygosity and polymorphism informationcontent in fourteen yellow cattle populations
表3 60個(gè)夏南牛個(gè)體在9個(gè)微衛(wèi)星座位的遺傳信息Table 3 The genetic information of sixty Xia'nan cattle of nine microsatellite locus
14個(gè)黃牛群體的遺傳距離變化范圍是0.001~0.048之間(表4),夏南牛與南陽(yáng)牛的遺傳距離最小,其次是夏洛來(lái)牛,這說(shuō)明夏南牛與南陽(yáng)牛的親緣關(guān)系最近,而與其它中國(guó)地方黃牛群體親緣關(guān)系較遠(yuǎn),符合其遺傳背景[12]。
從179條mtDNA D-loop全序列中統(tǒng)計(jì)出60種單倍型,根據(jù)Kimura 雙參數(shù)模型和NJ法構(gòu)建60種單倍型(Hap_1~ Hap_60)聚類(lèi)圖(圖1)。由圖1可知,60種單倍型被明顯地分為兩大分支,即普通牛和瘤牛。其中瘤牛單倍型6種,普通牛單倍型54種。瘤牛涉及的主要牛種有夏南牛、南陽(yáng)牛、恩施牛和德南牛。其中,夏南牛在瘤牛單倍型中出現(xiàn)35次,占夏南牛總個(gè)體數(shù)的58.3%;在普通牛中出現(xiàn)25次,占夏南牛總個(gè)體數(shù)的41.7%;這說(shuō)明夏南牛受瘤牛的影響更大,這跟其母本是南陽(yáng)牛有關(guān)。
由圖2A可知14個(gè)黃牛群體被分為四大類(lèi):草原紅牛先與蒙古牛聚為一類(lèi),然后與早勝牛聚為一類(lèi),接著與日本和牛、荷斯坦牛聚在一起,再與安格斯牛聚在一起,然后與秦川牛、郟縣紅牛聚為一大類(lèi);夏洛來(lái)牛和西門(mén)塔爾牛聚為一類(lèi);南陽(yáng)牛與夏南牛、德南牛和恩施牛聚為一大類(lèi)。
14個(gè)黃牛群體的遺傳距離取值范圍為0.001~0.053(表5),夏南牛與南陽(yáng)牛的遺傳距離最小,僅為0.001。在圖2B中,14個(gè)黃牛群體被分為三支,即蒙古牛、草原紅牛、早勝牛、安格斯牛和日本和牛聚為一支;荷斯坦牛、秦川牛和郟縣紅牛聚為一支;南陽(yáng)牛、夏南牛、夏洛來(lái)牛、西門(mén)塔爾牛、德南牛和恩施牛聚為一類(lèi)。以上分析結(jié)果與mtDNA D-loop區(qū)序列分析結(jié)果基本一致。
圖1 14個(gè)黃牛群體60種單倍型的聚類(lèi)圖indicus代表瘤牛,taurus代表普通牛Fig.1 Cluster of sixty haplotype in fourteen yellow cattle populationsThe indicus represents zebu and taurus represents Bos Taurus
群體PopulationsXNQCNYJXESZSMGHSTHNDNAGSRHXLLXNQC0.027NY0.0190.024JX0.0250.0280.013ES0.0320.0290.0390.039ZS0.0220.0260.0070.0150.042MG0.0260.0290.0110.0180.0450.012HST0.0230.0270.0080.0150.0420.0090.013HN0.0210.0250.0060.0130.0390.0050.0040.008DN0.0340.0310.0440.0430.0190.0470.0480.0460.044AGS0.0240.0270.0090.0160.0420.0100.0140.0040.0090.046RH0.0210.0250.0050.0140.0410.0070.0110.0040.0060.0480.009XLL0.0210.0240.0050.0120.0400.0060.0090.0080.0070.0440.0080.004XM0.0190.0230.0040.0120.0390.0050.0080.0060.0110.0430.0070.0040.001
14個(gè)黃牛群體的mtDNA D-loop區(qū)全序列 A+T平均含量(61.5%)明顯高于G+C含量(38.5%),夏南牛mtDNA D-loop區(qū)全序列A+T平均含量為61.7%顯著高于G+C含量38.3%,核苷酸的組成表現(xiàn)出堿基偏好性。張桂香等[13]表明黃牛D-loop區(qū)序列中,A+T平均含量為61.7%;雷初朝等[14]發(fā)現(xiàn)在中國(guó)8個(gè)黃牛品種D-loop區(qū)序列中,A+T平均含量為61.65%。表明夏南牛與其他13個(gè)黃牛群體都具有較高的A、T堿基偏好性。宋喬喬等[15]認(rèn)為線粒體基因密碼子偏好性與線粒體序列一樣,均可用于物種親緣關(guān)系的研究。本研究夏南牛mtDNA D-loop全序列共檢測(cè)出49個(gè)變異位點(diǎn),其中22個(gè)(44.89%)變異位點(diǎn)集中在200~400 bp之間,證實(shí)了黃牛D-loop區(qū)序列主要的高變區(qū)位于241~610 bp[16]。
表5 基于微衛(wèi)星位點(diǎn)的14個(gè)黃牛群體間的遺傳距離Table 5 Genetic distance based on microsatellite loci in fourteen yellow cattle populations
圖2 A. 基于mtDNA D-loop區(qū)序列的14個(gè)黃牛群體的NJ聚類(lèi)樹(shù);B. 基于微衛(wèi)星位點(diǎn)的14個(gè)黃牛群體的NJ聚類(lèi)樹(shù)Fig.2 A. Based on mtDNA D-loop sequence of NJ clustering figure in fourteen yellow cattle populations;B. Based on microsatellite loci of NJ clustering figure in fourteen yellow cattle populations
評(píng)估m(xù)tDNA遺傳多樣性最主要的兩個(gè)指標(biāo)是單倍型多樣度(Hd)和核苷酸多樣度(Pi),其數(shù)值與遺傳多樣性呈正相關(guān)。蔡欣等[17]測(cè)的中國(guó)17個(gè)黃牛品種D-loop區(qū)序列,Hd值為0.919±0.027,Pi值為0.02678±0.00050。本研究中14個(gè)黃牛群體平均Hd和Pi值分別為0.649~1.000和0.005~0.028,研究結(jié)果與蔡欣基本一致,表明14個(gè)黃牛群體都具有豐富的遺傳多樣性。夏南牛Hd和Pi值為0.732±0.017和0.007,表明夏南牛D-loop區(qū)序列進(jìn)化穩(wěn)定,同時(shí)也具有較高的遺傳多樣性。
本研究所選取的14個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)[11]在11個(gè)印度牛群中均具有多態(tài)性,而本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中國(guó)和歐洲黃牛群體中僅有9個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)具有多態(tài)性,表明印度牛的遺傳多樣性較這些牛豐富。位點(diǎn)多態(tài)信息含量(PIC)是等位基因頻率和數(shù)量變化的參數(shù),可描述群體變異的程度。汪聰勇[18]等選用8個(gè)微衛(wèi)星DNA標(biāo)記研究40頭夏南牛的遺傳多樣性,平均PIC在0.570~0.786,微衛(wèi)星位點(diǎn)ETH225和BM1824的PIC分別為0.786和0.775,這與本研究結(jié)果一致。本研究中9個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)均為高度多態(tài),其中,秦川牛的PIC(0.798)最高,夏南牛的PIC較低,為0.692。
雜合度(H)是衡量群體遺傳性的最適參數(shù),用來(lái)反映種群純合度的大小。王斌等[19]利用12個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)分析秦巴山區(qū)4個(gè)黃牛群體的平均雜合度為0.6672~0.7241。本研究中14個(gè)黃牛群體的平均H在0.695~0.837,表明14個(gè)黃牛群體具有豐富的遺傳變異和較高的遺傳多樣性,雜合度最高的是郟縣紅牛0.837,夏南牛的H較低,為0.715,夏洛來(lái)牛的H最低為0.695,進(jìn)一步證實(shí)了中國(guó)黃牛的遺傳多樣性較外來(lái)牛種更豐富,這與mtDNA分子標(biāo)記得出的結(jié)果一致。
mtDNA D-loop序列遵循母系遺傳,屬于細(xì)胞質(zhì)遺傳[20],微衛(wèi)星DNA屬于細(xì)胞核遺傳,遵循孟德?tīng)栠z傳定律[21]。利用mtDNA D-loop和微衛(wèi)星DNA兩種標(biāo)記的目的是驗(yàn)證細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)遺傳下黃牛群體的親緣關(guān)系。遺傳距離是衡量群體間親緣關(guān)系的重要指標(biāo),遺傳距離越小,說(shuō)明親緣關(guān)系越近,反之則越遠(yuǎn)。14個(gè)黃牛群體兩兩之間的遺傳距離表明,夏南牛和南陽(yáng)牛遺傳距離最近,其次是夏洛來(lái)牛。此外,草原紅牛與蒙古牛的遺傳距離也較小,說(shuō)明它們的親緣關(guān)系很近,這主要因?yàn)椴菰t牛是由蒙古牛與短角牛進(jìn)行雜交而成。
陳幼春等[22]和陳宏等[23]曾分別利用蛋白質(zhì)多態(tài)和染色體帶型分析研究中國(guó)黃牛之間的相互關(guān)系及起源進(jìn)化,他們均認(rèn)為我國(guó)黃牛為普通牛和瘤牛的混合起源。北方牛(草原紅牛、蒙古牛等)受普通牛的影響較大,南方牛(恩施牛、德南牛等)受瘤牛的影響較大,中原牛(秦川牛、南陽(yáng)牛、郟縣紅牛等)同時(shí)受兩種牛的影響。本研究分析了14個(gè)黃牛群體的單倍型分布和聚類(lèi)(圖1),夏南牛在6種瘤牛單倍型中出現(xiàn)35次,占夏南牛總個(gè)體數(shù)的58.3%,說(shuō)明夏南牛受瘤牛的影響更大,可能因?yàn)槠淠副臼悄详?yáng)牛。根據(jù)mtDNA D-loop區(qū)序列構(gòu)建的 NJ進(jìn)化樹(shù)(圖2A)表明,14個(gè)黃牛群體被分為兩大分支四大類(lèi):草原紅牛、蒙古牛、早勝牛、日本和牛、荷斯坦牛和安格斯牛聚為一類(lèi),這可能因?yàn)樗鼈兤鹪从谄胀ㄅ24];秦川牛、郟縣紅牛聚為一類(lèi),這可能因?yàn)樗鼈兤鹪从谥性S牛;而南陽(yáng)牛、夏南牛、德南牛和恩施牛聚為一大類(lèi),恩施牛和德南牛主要起源于瘤牛[25],原因是其分布于長(zhǎng)江以南地區(qū),地理位置較為接近,遺傳距離較近,瘤牛的特征非常明顯,屬于南方牛種。南陽(yáng)牛、夏南牛和德南牛聚為一類(lèi),因?yàn)橄哪吓:偷履吓>且阅详?yáng)牛作為母本培育而成。采用mtDNA和微衛(wèi)星兩種方法,基于Kimura雙參數(shù)模型對(duì)14個(gè)黃牛群體構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)聚類(lèi)結(jié)果基本一致,均顯示出2個(gè)聚類(lèi)簇。在微衛(wèi)星DNA的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)中,夏南牛、南陽(yáng)牛與夏洛來(lái)牛聚為一類(lèi),說(shuō)明三者間的親緣關(guān)系很近,這符合夏南牛是由夏洛來(lái)牛為父本、南陽(yáng)牛為母本雜交而成的遺傳背景[12]。然而在mtDNA的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)中,夏南牛僅與南陽(yáng)牛聚為一類(lèi),這是因?yàn)閙tDNA D-loop序列屬于母系遺傳。
夏南牛因具有產(chǎn)肉率高、適合生產(chǎn)等特點(diǎn),其牛肉已銷(xiāo)往世界。然而,作為我國(guó)第一個(gè)肉用牛種,夏南牛在遺傳多樣性的研究和育種方面還有大量的工作要做。本試驗(yàn)采用微衛(wèi)星DNA和mtDNA D-loop序列兩種分子遺傳標(biāo)記方法,從分子水平上分析了夏南牛群體的遺傳多樣性及與其他黃牛的親緣關(guān)系,為夏南牛遺傳資源的保護(hù)、合理利用和選育改良提供參考資料,并為夏南牛今后的推廣工作奠定了分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)。
本試驗(yàn)微衛(wèi)星DNA與mtDNA D-loop分子標(biāo)記的研究結(jié)果基本一致,即14個(gè)黃牛群體具有較高的遺傳變異和豐富的遺傳多樣性,但夏南牛群體的遺傳多樣性較中國(guó)地方黃牛低。夏南牛和南陽(yáng)牛遺傳距離最小,兩者親緣關(guān)系最近,符合其遺傳背景,夏南牛受瘤牛的影響更大。
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