實驗動物科學:第二節(jié)　封閉群動物的特點及應用

一、定義和和概念

（一)定義

封閉群動物是指一個種群在五年以上不從外部引進新種，僅在固定場所的一定群體中保持繁殖的動物群。

（二)概念

封閉群（Closed　colony)的正確概念是指引種于某親本或同源親本的動物，讓其不以近交形式，也不與群外動物雜交而繁衍的動物群，目的是要求整個群體盡量防止近親交配而保持著遺傳變異，也就是說既保持群體的一般特性，又保持動物的雜合性。至于個體間差異的程度因引種來源的不同而有不同，如引種于一般雜種，則個體間差異就大；如果引種于有近交歷史的動物，則個體間差異就小。

由于封閉群體本身的特點，加上客觀上具有各種各樣的相似存在形式，就使封閉群這個概念很混亂。有人叫“非近交群”（Non-inbred　colony)，有人叫“非近交系”或“非近交品系”（Nou-inbred)，甚至有人叫“遠交系”、“遠交f1411.cn/zhuyuan/株”或“遠交動物”（Outbred　animals)。實際上這些叫法并不是指真正的“封閉群”，而只是通常供應使用的、保持于各種飼養(yǎng)系統(tǒng)的非近交群體而已。特別是“遠交”一詞很容易使人理解為遺傳學上的“異系交配”。因為“遠交”在遺傳學上是指遺傳上不相關的動植物的雜交，或沒有相近親緣關系的不同家系的兩個個體的交配，甚至把不同特種、不同變種的交配都看作是異系交配。而實驗動物的封閉群，其個體之間并不是沒有親緣關系，甚至是很親近的或有一定的近交。所以封閉群不應叫成上述這些名稱，它們之間更不能劃等號。

ICLA在1963年和1964年曾規(guī)定：“不從外部進行引起的群體為封閉群”，這是最基本的。日本實驗動物研究會于1973年又進一步規(guī)定：“五年以上不從外部引種，只在一定的群體中進行繁殖，為經(jīng)常提供實驗動物而進行生產(chǎn)的群體叫做封閉群”。

實際上對封閉群的全面理解應該包括封閉年限、群體大小及繁殖結構等。一般認為封閉群是指引種于某親體或同源親本的動物。

二、封閉群的分類

封閉群按其來源和遺傳背景不同，可分為以下兩大類：

1．來源于近交系的繁殖群及其子代，不用兄弟姐妹交配方式保種進行生產(chǎn)的實驗動物。

2．來源于非近交系，不是以培育近交系為目的而生產(chǎn)的實驗動物群。

如系來源于近交系的封閉群，雖然對繁殖群的的大小不作特殊規(guī)定，但應采取在群體內(nèi)不產(chǎn)生隔離狀態(tài)的方法繁殖。

如系來源于非近交系的封閉群，應經(jīng)常保持“群體的有效大小”，一般為50只以上，同樣應采取群內(nèi)不產(chǎn)生隔離狀態(tài)的方法繁殖。

上述兩種封閉群，除了在選擇時應考慮繁殖力外，均不采用特殊的淘汰方法進行選種。

三、封閉群動物的應用

目前國內(nèi)外實驗動物的使用，以小鼠為例，大部分是近交系和封閉群。而從使用量上來看封閉群遠遠超過近交系，這是因為近交品系繁多，又不易大量生產(chǎn)，往往僅適用設備條件較好的研究機構或專門科技人員親自保種使用，大大限制了其使用范圍。而封閉群因為有雜合子并避免了近交，故能保持相當程度的雜合性，從而避免了近交衰退的出現(xiàn)。所以，其生活力、生育力都比近交系強，具有繁殖率高等遺傳學的特點，因此封閉群動物可以大量生產(chǎn)，作為鑒定實驗用。例如ddN小鼠、NIH小鼠、LACA小鼠、Wistar大鼠以及目前各研究所長期自行繁殖的瑞士種小鼠、青紫蘭兔、新西蘭白兔、大耳白兔、豚鼠等均屬此類。這類動物在生物制品和化學藥品的鑒定上，其反應穩(wěn)定性遠遠優(yōu)于市售動物，特別是作為熱源質試驗的家兔更為明顯。進行各種篩選性實驗時，選用封閉群動物有一定優(yōu)點，因為在這群動物中有的可能有近親關系，有的可能沒有，而保持一定的遺傳差異。因而對各種刺激的反應有強一些的，也有低一些的，但其平均的反應性有一定穩(wěn)定性，故要觀察篩選某一藥物的初步療效時，封閉群動物就可以反映綜合的平均療效。

然而，對于封閉群的研究，無論在理論上還是實踐上，無論在國內(nèi)或國外，都落后于近交系。其原因在于封閉群是屬于群體遺傳學理論范疇，不僅群體遺傳學本身產(chǎn)生較晚，而且該理論又不能機械地套用于封閉群。到目前為止，對封閉群動物所進行的研究工作幾乎都只限于小鼠和大鼠，而且報告也甚少。

四、培育方法及注意事項

封閉群動物的培育方法較為簡單，只要不引進新品種，讓其自行繁殖就可以，當然要避免近親繁殖。但是長期保持一個封閉群就必須要控制各種條件，采取一定的措施。保持封閉群的主要目的的是為了減少群體內(nèi)的遺傳變異，使整個群體的性狀、特征能持續(xù)穩(wěn)定不變，而且不產(chǎn)生性質不同（變異)的個體或小群體。培育時應注意下列規(guī)則：

（一)群體封閉后應維持五年以上

為什么把小鼠封閉群有效時間定為五年？其理由如下。假如將兩個近交系進行交配，培育出一個新的群體（雜交群)。此時，把其中一個近交系的基因型假定為A/A，另一近交系為a/a，則兩者雜交以后所產(chǎn)生的F1基因型必定是A/a，然后讓F1進行隨機交配，從理論上講，F(xiàn)2代基因型分離的比例A/A為25%，A/a為50%，a/a為25%。再讓F2進行隨機交配，生下F3，其基因型的比例和F2一樣，不發(fā)生變化。但實際情況不會如此準確，因為還有其它許多因素（如繁殖率的高低)的影響，假如具a/a基因型的個體比A/A及A/a基因型的個體繁殖率低1/2的話，此時這三種基因型出現(xiàn)的頻率就各不相同（如圖5-1所示)，即隨著代數(shù)的增加，a/a型頻率逐代減少，而A/A型的頻率則逐代增加，也就是說，在起初10代（從1～10代)，各基因型頻率，都有變化，達到15升后才趨于穩(wěn)定（幾種基因型頻率平行發(fā)展)。這雖然是理論的推導，但已用于實踐，故目前暫定15代，也就是說經(jīng)過15代后，該群體的基因型頻率才能達到相對穩(wěn)定。以小鼠為例，一年大約繁殖3代，要達到15代，就需要5年時間。因此，5年確定為小鼠封閉群的最低年限，但這種年限只能用之于小鼠，如豚鼠和兔等世代間隔長，封閉群達到穩(wěn)定的年數(shù)，就比小鼠的更長了。

圖5-1　不同繁殖率基因型個體的基因型頻率變化：在A/A為35%，

A/a為5%，a/a為25%的群體中a/a的繁殖率為A/A和A/a的1/2時，各基因型頻率的變化。

（二)防止產(chǎn)生群體內(nèi)的隔離狀態(tài)

封閉群體，不要在隔離狀態(tài)下進行繁殖（交配)。上面所講的是隨機交配時的情況。如果交配不隨機（如一封閉群隔離飼養(yǎng)，每處的雌雄只數(shù)都不多)，而是兄弟姐妹之間交配，則該封閉群就會分化為許多近交系，從而使該群體的基因型結構發(fā)生變化，結果不但破壞了封閉群固有的遺傳結構，而且將使封閉群分化成幾個近交系，如近交系之間再進行雜交，雖可提高該群體的繁殖率，可是封閉群原有的特點將因此丟失。

假如將某封閉群分在兩個飼養(yǎng)間飼養(yǎng)，各飼養(yǎng)間又獨立地自行保種，這樣就使群體有效大小減少一半，隨之近交系數(shù)也將提高，從而在這兩個飼養(yǎng)間產(chǎn)生基因結構（型)變化的可能性也就大了。因為，基因結構的變化原則上趨向于不隨機交配的群體一方。如果經(jīng)過若干代之后就會變成兩個完全不同的封閉群。即使是各飼養(yǎng)間的群體量很大，但相同基因結構的微小變化是不可避免的，因此經(jīng)過幾十年代后，這些微小差異積累起來，也同樣產(chǎn)生上述結果。有時雖然在同一飼養(yǎng)的保種，但采取的方法與上述兩飼養(yǎng)間的作法相同，結果也會產(chǎn)生兩個封閉群。

圖5-2　繁殖場較多時，為避免各繁殖之間產(chǎn)生隔離生產(chǎn)的方法

總之，若同屬于一個封閉群，則留種對必須在整個群體內(nèi)普遍地選擇，并進行隨機交配。如果繁殖場有兩個以上都生產(chǎn)同一品系的封閉群，為避免隔離狀態(tài)下的配種，可采用圖5-2方式繁殖生產(chǎn)。即由一個種群繁殖提供雌雄種鼠，再分配給各繁殖場，進行隨機交配生產(chǎn)，然后供應使用。

（三)“群體有效大小”應保持在50只以上

當采用圖5-2這種生產(chǎn)方式時，應特別注意種群繁殖場的“群體有效大小”，要達到足夠大。如果封閉群過小，必然引起群體內(nèi)近交系數(shù)上升，而致群體內(nèi)各種基因的物質純度提高，這是與封閉群的性質所不相容的，是封閉群最忌諱的。如群體只有雌雄兩只組成，就只能進行兄妹交配，結果會育成近交系。如果群體有10只組成，這時雖然1、2代不進行兄妹交配，但在2～3代后，不可避免地要進行堂兄弟和堂姐妹之間的近親交配，從而也能使群體的近交系數(shù)上升，結果使群體內(nèi)基因結構改變。為了防止這種現(xiàn)象出現(xiàn)，必須規(guī)定群體的大小。

“群體有效大小”是群體遺傳學的術語，有固定的含義。即在進行動物的繁殖生產(chǎn)時，為表示其群體規(guī)模大小，常以雌雄種的數(shù)目來表示。這個數(shù)目，通常的含義可定義為該群體的大小，但是當考慮每代之間的遺傳特性時，這種表示方法就有問題了。比如，雌雄種的數(shù)目雖然相等，但在留種時如來源分布不均時，情況就大不一樣（見表5-1)

表5－1　由10對公母鼠組成的不同群體的有效大小

表中所示為10對種動物，采取A、B、C、D四種不同的留種方法。從中不難看出，四種方式雖都是在10對親代所生的仔代中選種，但是所選出留種仔數(shù)，在A組是來自10對種鼠，B組是來自8對種鼠，C組來自5對種鼠，而D組則只是來自2和6號兩對種鼠。四組選出的留種仔數(shù)分別都是20只，群體的有效大小從外觀上似乎相同，但其基因結構則完全不一樣。為了比較這種差異，就采用了“群體有效大小”這一標準來進行衡量。

“群體的有效大小”是指一個自然繁殖的群體所包含的雌雄動物數(shù)目，是為下一代留種時，能從中隨機選種，并隨機交配以繁殖后代的數(shù)目，并以此作為衡量的尺度，以計數(shù)被測群體的有效大小。表5-2的B組所列即大致與所謂理想大小接近，故其有效大小定為20，A組則為40，正好為D組的10倍，C組為12，D組為4。如果采取A組的形式進行繁殖，必須非常仔細選種才能達到，因此非常麻煩。B組實際是采服隨機選擇的一例，因此操作較簡便，只要稍微留心選種即可，但是如果不留心，很可能會出現(xiàn)C組或D組那種情況，即僅僅從幾只母種所生的仔代中選擇，勢必造成群體有效大小的變小。

降低“群體的有效大小”的另一主要原因是種鼠的雌雄數(shù)不同。雌雄鼠的性比越大，其“群體的有效大小”就變�。�可見表5-2)。

表5－2　群體大小相同、雌雄種的比不同時的“群體的有效大小”

下面的公式用以計算“群體有效大小”與群體近交系數(shù)上升率之間的關系，也就是說只要進行隨機交配，兩者之間的關系可用下列公式計算：

△F1=1/2Ne

△F1:近交系數(shù)的上升率

Ne：群體的有效大小

由此公式我們可以看出，Ne越大，則△F1就越小。在封閉群的規(guī)定中，“群體的有效大小”被定為50。為什么要定為50與要成為近交系就必須兄弟姐妹交配20代一樣，也就是說只在一般群體中，近交系數(shù)的上升率（△F1)等于百分之一時，群體的有效大小（Ne)恰好是50。

在一般情況下，大量生產(chǎn)實驗動物的繁殖是用各種雌雄鼠的比例進行生產(chǎn)的。表5-3用以說明在不同性別比例時的情況，要達到“群體有效大小”50左右時所需的雌雄鼠數(shù)。根據(jù)表5-3，現(xiàn)假定如下計劃生產(chǎn)方式，即每周用一只雄鼠與2只雌鼠進行交配，這種雌雄兩性配合的比例為1：14。這樣的群體，要達到有效大小50時，至少須經(jīng)常保持雄鼠14只，雌鼠196只，這交不是說，只要準備好14只雄鼠和196只雌鼠就萬事大吉了，而是為了在下一代留種時能從較多的種群中進行廣泛選種，不致因種群數(shù)目較少而不得不進行近親交配。因為，種雄雌鼠太少了，不知不覺地就提高了近交系數(shù)，結果就喪失了封閉群的意義。

表5-3雌雄性別比例不同的各群體要達到有效大小50以上時所需的雌雄鼠

(四)不要用人為淘汰的方式選種

所謂人為淘汰的方式選種，是把基因決定的性狀引向特定方向，結果使群體內(nèi)基因結構發(fā)生變化。例如在圖5-3中，基因結構大體自第15代起才趨于穩(wěn)定。要想增加具體a/a基因型的個體，而進行淘汰方式的選種，結果使其有a/a基因型的小鼠在全體種鼠中上升到1/2，從而使其他基因頻率發(fā)生急劇變化。

圖5-3所示只是一種基因型的改變所產(chǎn)生的結果，但即使是單基因，在實際上也伴隨著許多其他遺傳性狀的變化。因此，在封閉群中，原則絕對上不允許進行淘汰式選種。

圖5-3　自第15代起進行淘汰式選種后基因頻率變化情況

但是，涉及到繁殖能力問題，可視為例外，因為作為實驗動物首要的基本條件是可繁殖性，尤其是封閉群，利用雜合性提高繁殖率是其特特。人們在選種時有意無竟地都想用繁殖率高的動物作種。在群體被封閉后在5年之內(nèi)，只要采用同一方法，只選擇繁殖率高的留種，其基因結構幾乎不會引起變化。因此育成封閉群后選種時，應挑選繁殖率高的為宜。

五、封閉群動物的交配方式

主要介紹來源于非近交系封閉群的交配方式。在保持封閉群時，須注意兩點，第一是在群體中防止產(chǎn)生小群體（分化)；第二是不應改變封閉群特有的雜合性。為此，決不能進行近親交配。這里所說的近親交配，不單是指兄弟姐妹交配。也包括父婦、母子、堂兄弟與堂姐妹間以及表親間的交配。由于進行近親交配，即使近交數(shù)上升，導致群體基因純合，另一面也會丟失雜合基因，促使群體的性質發(fā)生改變。

為了防止近效系數(shù)上升，盡量增加動物的數(shù)量是最有效的措施，但群體動物的數(shù)量常受人力、物力的限制，不可能太大，而且要絕對阻止近交系數(shù)上升，目前尚缺乏有力措施，故現(xiàn)在只要求每代近交系數(shù)的上升率不f1411.cn超過1%。

為避免近交，封閉群應采取隨機交配（Randommating)，避免循環(huán)式的近親交配方式。具體作法是，將群體分成若干小群，在組合下一代的交配時，有規(guī)律地把不同小群中的雌雄進行隨機交配。小群體組數(shù)，可分成3、4或6，一般小群組數(shù)不宜太多，因組數(shù)太多，組合交配時比較困難，手續(xù)也比較繁雜，通常以3～4個組為宜。下圖是用三組（A、B、C)小群體進行交配的方法：

由圖5-4可以看到，組成新的一代時，有三種方式從A群中挑選的種雌鼠與C群中挑選的種雄鼠組成新的B群；從B小群中挑選的種雌鼠與從A群選擇的種雄鼠組成新的C上述方法，以50只種雄鼠和300只種雌鼠進行繁殖，其近交系數(shù)上升率，每代不會超過0.8%左右。

圖5-4用三個群（組)保持與生產(chǎn)封閉群動物的示例