酪蛋白基因型与Murciano-Granadina公羊精液质量基线及动态回归成分的关联分析

《Scientific Reports》：Casein genotypes associate with baseline and dynamic regression components of seminal quality in Murciano-Granadina bucks

本研究为探究酪蛋白基因多态性与公羊精液质量动态变化的关系，研究人员对Murciano-Granadina品种公羊进行了长达10年的跟踪，收集了6868份精液样本。通过构建年龄时间轴的立方回归模型，将精液性状分解为基线(b0)、线性(b1)、曲率(b2)和立方(b3)趋势系数。研究发现，αS1-酪蛋白基因型与基线前向运动精子率和总精液量显著相关，而κ-酪蛋白基因型则主要与射精量动态和基线精子浓度相关。研究揭示了基因型组合（如EE-AA）与更高精子活力、浓度的关联，为基因组学指导的繁殖管理策略提供了依据。

　　

在畜牧业，特别是山羊养殖中，优良的种公羊是遗传改良和产业效益的核心。然而，如何高效、精准地选育出具有稳定且优异繁殖性能的公羊，一直是个挑战。传统的选育方法往往依赖于对精液质量表型（如精子浓度、活力等）的静态评估，但这些指标会随着公羊年龄的增长而动态变化，且个体差异显著。更重要的是，决定这些性状背后遗传基础的探索仍不够深入。酪蛋白，这种通常与乳汁成分相关联的蛋白质，其编码基因（如αS1-酪蛋白和κ-酪蛋白）在山羊体内存在多态性。这些基因变异是否仅仅影响产奶，还是也能“跨界”影响到雄性动物的生殖能力，比如精液质量的长期变化轨迹？这是一个有趣且具有潜在应用价值的科学问题。为了回答这个问题，一个研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项历时十年的研究，他们深入探究了酪蛋白基因型与Murciano-Granadina品种公羊精液质量基线水平及其随年龄动态变化模式之间的关联。

研究人员开展这项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，建立了长期纵向样本队列，在十年间从Murciano-Granadina公羊收集了总计6868份精液样本。其次，采用了基于年龄的立方回归模型，将每个精液质量性状（如精子浓度、前向运动率等）分解为基线(b₀)、线性(b₁)、曲率(b₂)和立方(b₃)四个回归系数，用以量化静态水平和年龄相关的动态变化。再者，对公羊进行了αS1-酪蛋白和κ-酪蛋白的基因分型。最后，运用判别分析（包括典型判别分析CDA和卡方自动交互检测法CHAID）以及交叉验证和Press‘ Q统计，来评估基因型对回归成分的分类和预测能力。

研究结果

• •
  回归模型揭示了精液性状的动态变化模式
  通过将年龄作为时间轴并应用立方回归模型，研究成功地将各项精液质量指标分解为四个回归系数：基线(b₀)、线性(b₁)、曲率(b₂)和立方(b₃)趋势。分析显示，所有被研究的精液性状（如精子浓度、前向运动精子率、顶体完整精子率、低渗肿胀试验HOS反应阳性率、射精量等）的回归系数都存在显著的个体间变异。这表明，不同公羊的精液质量不仅起始水平不同，其随年龄增长的变化轨迹（如上升、下降的速度和拐点）也各不相同。其中，立方项(b₃)特别捕捉到了一些性状（如精子浓度和内渗透压反应）微妙的非线性变化轨迹，突显了其在理解长期性状稳定性方面的相关性。
• •
  αS1-酪蛋白基因型与精液质量基线及动态成分显著关联
  针对αS1-酪蛋白基因型的分析表明，基因型与基线水平的前向运动精子率和总添加精液量显著相关(p < 0.05)。在动态成分上，基因型显示出中度到较大的判别效应，主要体现在与前向运动精子率相关的曲率成分(b₂)上（ηp²= 0.277），以及与顶体完整性/完整顶体率相关的曲率成分上（ηp²= 0.212–0.245）。这些发现表明，αS1-酪蛋白基因型与精液质量的建模特征（即其变化模式）存在差异，但这种关联并非直接的繁殖力效应。
• •
  κ-酪蛋白基因型主要与射精量动态及精子浓度基线相关
  与αS1-酪蛋白相比，κ-酪蛋白基因型的影响总体较小。其主要表现出小到中度的效应，且主要与射精量的动态变化成分以及基线精子浓度相关（ηp²= 0.131–0.138）。对于其他大多数精液质量成分，κ-酪蛋白基因型的影响可以忽略不计。
• •
  基因型组合在判别分析中呈现不同质量特征
  通过判别分析对αS1-和κ-酪蛋白基因型组合进行建模分析发现，不同的基因型组合与特定的精液质量特征簇相关联。具体而言，EE–AA (n = 1) 和 BE–AA (n = 3) 组合与更高的精子活力、精子浓度以及更有利的膜完整性（低渗肿胀试验HOS反应）相关联。相反，BB–BB (n = 3) 组合则与更高的精液量和较低的质量性状相关联。这提示特定的基因型组合可能指向不同的繁殖性能轮廓。
• •
  验证分析确认αS1-酪蛋白基因型具有更强的判别力
  研究采用两种方法验证基因型对回归成分的分类效能。典型判别分析结合留一法交叉验证显示，αS1-酪蛋白基因型的判别准确率（74.03%）高于κ-酪蛋白（64.94%），这主要得益于对显性BE基因型的完美分类，尽管稀有基因型存在较多误分类。卡方自动交互检测法结合十折交叉验证显示，αS1-酪蛋白的预测性能中等，其风险（0.325）低于κ-酪蛋白（0.429），准确率分别为67.53%和57.14%。Press‘ Q统计进一步确认，两种方法下对两种基因型的分类准确率均显著高于随机猜测水平(p < 0.05)，且αS1-酪蛋白基因型的判别力 consistently 高于κ-酪蛋白基因型。

研究结论与讨论

本研究通过创新的方法学视角，将纵向精液质量数据分解为基线静态水平和年龄动态变化成分，并系统探讨了其与酪蛋白基因多态性的关联。结论表明，αS1-酪蛋白和κ-酪蛋白的基因型与Murciano-Granadina公羊的精液质量特征存在可量化的关联，其中αS1-酪蛋白的影响更为显著，涉及精子运动能力和顶体完整性的变化轨迹，而κ-酪蛋白的影响则更多体现在精液量和精子浓度的某些方面。特定的基因型组合（如EE-AA, BE-AA）与更优的精子特性相关。

这项研究的意义在于，它超越了传统静态的表型-基因型关联分析，首次将精液质量的动态变化轨迹纳入与候选基因多态性的关联研究中。研究所采用的回归分解系数（b₀, b₁, b₂, b₃）能够更精细地捕捉性状随时间变化的生物学模式，为理解繁殖性状的发育和衰老提供了新的量化指标。尽管关联强度不等，且需谨慎区分建模特征与直接繁殖力，但研究结果支持将酪蛋白基因信息，特别是αS1-酪蛋白基因型，作为辅助标记整合到基因组学 informed 的繁殖管理策略中。例如，在种公羊早期选育时，结合其基因型信息，可能有助于预测其一生中精液质量的变化趋势，从而实现更精准、更前瞻性的遗传选育和繁殖管理，提升山羊养殖业的遗传进展和经济效益。研究发表于《Scientific Reports》，为动物繁殖遗传学，特别是山羊的分子育种，提供了有价值的方法学和实证参考。