第二节 封闭群动物的特点及应用
一、定义和和概念
（一）定义
封闭群动物是指一个种群在五年以上不从外部引进新种，仅在固定场所的一定群体中保持繁殖的动物群。
（二）概念
封闭群（Closed colony）的正确概念是指引种于某亲本或同源亲本的动物，让其不以近交形式，也不与群外动物杂交而繁衍的动物群，目的是要求整个群体尽量防止近亲交配而保持着遗传变异，也就是说既保持群体的一般特性，又保持动物的杂合性。至于个体间差异的程度因引种来源的不同而有不同，如引种于一般杂种，则个体间差异就大；如果引种于有近交历史的动物，则个体间差异就小。
由于封闭群体本身的特点，加上客观上具有各种各样的相似存在形式，就使封闭群这个概念很混乱。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“远交系”、“远交株”或“远交动物”（Outbred animals）。实际上这些叫法并不是指真正的“封闭群”，而只是通常供应使用的、保持于各种饲养系统的非近交群体而已。特别是“远交”一词很容易使人理解为遗传学上的“异系交配”。因为“远交”在遗传学上是指遗传上不相关的动植物的杂交，或没有相近亲缘关系的不同家系的两个个体的交配，甚至把不同特种、不同变种的交配都看作是异系交配。而实验动物的封闭群，其个体之间并不是没有亲缘关系，甚至是很亲近的或有一定的近交。所以封闭群不应叫成上述这些名称，它们之间更不能划等号。
ICLA在1963年和1964年曾规定：“不从外部进行引起的群体为封闭群”，这是最基本的。日本实验动物研究会于1973年又进一步规定：“五年以上不从外部引种，只在一定的群体中进行繁殖，为经常提供实验动物而进行生产的群体叫做封闭群”。
实际上对封闭群的全面理解应该包括封闭年限、群体大小及繁殖结构等。一般认为封闭群是指引种于某亲体或同源亲本的动物。
二、封闭群的分类
封闭群按其来源和遗传背景不同，可分为以下两大类：
1．来源于近交系的繁殖群及其子代，不用兄弟姐妹交配方式保种进行生产的实验动物。
2．来源于非近交系，不是以培育近交系为目的而生产的实验动物群。
如系来源于近交系的封闭群，虽然对繁殖群的的大小不作特殊规定，但应采取在群体内不产生隔离状态的方法繁殖。
如系来源于非近交系的封闭群，应经常保持“群体的有效大小”，一般为50只以上，同样应采取群内不产生隔离状态的方法繁殖。
上述两种封闭群，除了在选择时应考虑繁殖力外，均不采用特殊的淘汰方法进行选种。
三、封闭群动物的应用
目前国内外实验动物的使用，以小鼠为例，大部分是近交系和封闭群。而从使用量上来看封闭群远远超过近交系，这是因为近交品系繁多，又不易大量生产，往往仅适用设备条件较好的研究机构或专门科技人员亲自保种使用，大大限制了其使用范围。而封闭群因为有杂合子并避免了近交，故能保持相当程度的杂合性，从而避免了近交衰退的出现。所以，其生活力、生育力都比近交系强，具有繁殖率高等遗传学的特点，因此封闭群动物可以大量生产，作为鉴定实验用。例如ddN小鼠、NIH小鼠、LACA小鼠、Wistar大鼠以及目前各研究所长期自行繁殖的瑞士种小鼠、青紫兰兔、新西兰白兔、大耳白兔、豚鼠等均属此类。这类动物在生物制品和化学药品的鉴定上，其反应稳定性远远优于市售动物，特别是作为热源质试验的家兔更为明显。进行各种筛选性实验时，选用封闭群动物有一定优点，因为在这群动物中有的可能有近亲关系，有的可能没有，而保持一定的遗传差异。因而对各种刺激的反应有强一些的，也有低一些的，但其平均的反应性有一定稳定性，故要观察筛选某一药物的初步疗效时，封闭群动物就可以反映综合的平均疗效。
然而，对于封闭群的研究，无论在理论上还是实践上，无论在国内或国外，都落后于近交系。其原因在于封闭群是属于群体遗传学理论范畴，不仅群体遗传学本身产生较晚，而且该理论又不能机械地套用于封闭群。到目前为止，对封闭群动物所进行的研究工作几乎都只限于小鼠和大鼠，而且报告也甚少。
四、培育方法及注意事项
封闭群动物的培育方法较为简单，只要不引进新品种，让其自行繁殖就可以，当然要避免近亲繁殖。但是长期保持一个封闭群就必须要控制各种条件，采取一定的措施。保持封闭群的主要目的的是为了减少群体内的遗传变异，使整个群体的性状、特征能持续稳定不变，而且不产生性质不同（变异）的个体或小群体。培育时应注意下列规则：
（一）群体封闭后应维持五年以上
为什么把小鼠封闭群有效时间定为五年？其理由如下。假如将两个近交系进行交配，培育出一个新的群体（杂交群）。此时，把其中一个近交系的基因型假定为A/A，另一近交系为a/a，则两者杂交以后所产生的F1基因型必定是A/a，然后让F1进行随机交配，从理论上讲，F2代基因型分离的比例A/A为25%，A/a为50%，a/a为25%。再让F2进行随机交配，生下F3，其基因型的比例和F2一样，不发生变化。但实际情况不会如此准确，因为还有其它许多因素（如繁殖率的高低）的影响，假如具a/a基因型的个体比A/A及A/a基因型的个体繁殖率低1/2的话，此时这三种基因型出现的频率就各不相同（如图5-1所示），即随着代数的增加，a/a型频率逐代减少，而A/A型的频率则逐代增加，也就是说，在起初10代（从1～10代），各基因型频率，都有变化，达到15升后才趋于稳定（几种基因型频率平行发展）。这虽然是理论的推导，但已用于实践，故目前暂定15代，也就是说经过15代后，该群体的基因型频率才能达到相对稳定。以小鼠为例，一年大约繁殖3代，要达到15代，就需要5年时间。因此，5年确定为小鼠封闭群的最低年限，但这种年限只能用之于小鼠，如豚鼠和兔等世代间隔长，封闭群达到稳定的年数，就比小鼠的更长了。
图5-1 不同繁殖率基因型个体的基因型频率变化：在A/A为35%，
A/a为5%，a/a为25%的群体中a/a的繁殖率为A/A和A/a的1/2时，各基因型频率的变化。
（二）防止产生群体内的隔离状态
封闭群体，不要在隔离状态下进行繁殖（交配）。上面所讲的是随机交配时的情况。如果交配不随机（如一封闭群隔离饲养，每处的雌雄只数都不多），而是兄弟姐妹之间交配，则该封闭群就会分化为许多近交系，从而使该群体的基因型结构发生变化，结果不但破坏了封闭群固有的遗传结构，而且将使封闭群分化成几个近交系，如近交系之间再进行杂交，虽可提高该群体的繁殖率，可是封闭群原有的特点将因此丢失。
假如将某封闭群分在两个饲养间饲养，各饲养间又独立地自行保种，这样就使群体有效大小减少一半，随之近交系数也将提高，从而在这两个饲养间产生基因结构（型）变化的可能性也就大了。因为，基因结构的变化原则上趋向于不随机交配的群体一方。如果经过若干代之后就会变成两个完全不同的封闭群。即使是各饲养间的群体量很大，但相同基因结构的微小变化是不可避免的，因此经过几十年代后，这些微小差异积累起来，也同样产生上述结果。有时虽然在同一饲养的保种，但采取的方法与上述两饲养间的作法相同，结果也会产生两个封闭群。
图5-2 繁殖场较多时，为避免各繁殖之间产生隔离生产的方法
总之，若同属于一个封闭群，则留种对必须在整个群体内普遍地选择，并进行随机交配。如果繁殖场有两个以上都生产同一品系的封闭群，为避免隔离状态下的配种，可采用图5-2方式繁殖生产。即由一个种群繁殖提供雌雄种鼠，再分配给各繁殖场，进行随机交配生产，然后供应使用。
（三）“群体有效大小”应保持在50只以上
当采用图5-2这种生产方式时，应特别注意种群繁殖场的“群体有效大小”，要达到足够大。如果封闭群过小，必然引起群体内近交系数上升，而致群体内各种基因的物质纯度提高，这是与封闭群的性质所不相容的，是封闭群最忌讳的。如群体只有雌雄两只组成，就只能进行兄妹交配，结果会育成近交系。如果群体有10只组成，这时虽然1、2代不进行兄妹交配，但在2～3代后，不可避免地要进行堂兄弟和堂姐妹之间的近亲交配，从而也能使群体的近交系数上升，结果使群体内基因结构改变。为了防止这种现象出现，必须规定群体的大小。
“群体有效大小”是群体遗传学的术语，有固定的含义。即在进行动物的繁殖生产时，为表示其群体规模大小，常以雌雄种的数目来表示。这个数目，通常的含义可定义为该群体的大小，但是当考虑每代之间的遗传特性时，这种表示方法就有问题了。比如，雌雄种的数目虽然相等，但在留种时如来源分布不均时，情况就大不一样（见表5-1）
表5－1 由10对公母鼠组成的不同群体的有效大小
| 双亲号/留种仔数/留种方式 | 12 3 4 5 6 7 8 9 10 | 计 | 群体的有效大小 |
| A | 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 | 20 | 40 |
| B | 1 3 0 3 0 3 4 1 2 3 | 20 | 20 |
| C | 0 4 0 3 4 0 0 0 5 4 | 20 | 12 |
| D | 0 12 0 0 0 8 0 0 0 0 | 20 | 4 |
表中所示为10对种动物，采取A、B、C、D四种不同的留种方法。从中不难看出，四种方式虽都是在10对亲代所生的仔代中选种，但是所选出留种仔数，在A组是来自10对种鼠，B组是来自8对种鼠，C组来自5对种鼠，而D组则只是来自2和6号两对种鼠。四组选出的留种仔数分别都是20只，群体的有效大小从外观上似乎相同，但其基因结构则完全不一样。为了比较这种差异，就采用了“群体有效大小”这一标准来进行衡量。
“群体的有效大小”是指一个自然繁殖的群体所包含的雌雄动物数目，是为下一代留种时，能从中随机选种，并随机交配以繁殖后代的数目，并以此作为衡量的尺度，以计数被测群体的有效大小。表5-2的B组所列即大致与所谓理想大小接近，故其有效大小定为20，A组则为40，正好为D组的10倍，C组为12，D组为4。如果采取A组的形式进行繁殖，必须非常仔细选种才能达到，因此非常麻烦。B组实际是采服随机选择的一例，因此操作较简便，只要稍微留心选种即可，但是如果不留心，很可能会出现C组或D组那种情况，即仅仅从几只母种所生的仔代中选择，势必造成群体有效大小的变小。
降低“群体的有效大小”的另一主要原因是种鼠的雌雄数不同。雌雄鼠的性比越大，其“群体的有效大小”就变小（可见表5-2）。
表5－2 群体大小相同、雌雄种的比不同时的“群体的有效大小”
| 雌 种 数 | 雄 种 数 | 群 体 大 小 | 群体的有效大小 |
| 10 | 10 | 20 | 20.0 |
| 12 | 8 | 20 | 19.2 |
| 14 | 6 | 20 | 16.2 |
| 16 | 4 | 20 | 12.8 |
| 18 | 2 | 20 | 7.2 |
| 19 | 1 | 20 | 3.8 |
下面的公式用以计算“群体有效大小”与群体近交系数上升率之间的关系，也就是说只要进行随机交配，两者之间的关系可用下列公式计算：
△F1=1/2Ne
△F1:近交系数的上升率
Ne：群体的有效大小
由此公式我们可以看出，Ne越大，则△F1就越小。在封闭群的规定中，“群体的有效大小”被定为50。为什么要定为50与要成为近交系就必须兄弟姐妹交配20代一样，也就是说只在一般群体中，近交系数的上升率（△F1）等于百分之一时，群体的有效大小（Ne）恰好是50。
在一般情况下，大量生产实验动物的繁殖是用各种雌雄鼠的比例进行生产的。表5-3用以说明在不同性别比例时的情况，要达到“群体有效大小”50左右时所需的雌雄鼠数。根据表5-3，现假定如下计划生产方式，即每周用一只雄鼠与2只雌鼠进行交配，这种雌雄两性配合的比例为1：14。这样的群体，要达到有效大小50时，至少须经常保持雄鼠14只，雌鼠196只，这交不是说，只要准备好14只雄鼠和196只雌鼠就万事大吉了，而是为了在下一代留种时能从较多的种群中进行广泛选种，不致因种群数目较少而不得不进行近亲交配。因为，种雄雌鼠太少了，不知不觉地就提高了近交系数，结果就丧失了封闭群的意义。
表5-3雌雄性别比例不同的各群体要达到有效大小50以上时所需的雌雄鼠
| 性 别 比 例 | 群体有效大小达到50时所需的动物数 | 群体的有效大小 | |
| 雄 | 雌 | ||
| 1：1 | 25 | 25 | 50．0 |
| 1：6 | 15 | 75 | 50．0 |
| 1：7 | 15 | 106 | 52．5 |
| 1：10 | 14 | 140 | 50．9 |
| 1：14 | 14 | 196 | 52．3 |
(四)不要用人为淘汰的方式选种
所谓人为淘汰的方式选种，是把基因决定的性状引向特定方向，结果使群体内基因结构发生变化。例如在图5-3中，基因结构大体自第15代起才趋于稳定。要想增加具体a/a基因型的个体，而进行淘汰方式的选种，结果使其有a/a基因型的小鼠在全体种鼠中上升到1/2，从而使其他基因频率发生急剧变化。
图5-3所示只是一种基因型的改变所产生的结果，但即使是单基因，在实际上也伴随着许多其他遗传性状的变化。因此，在封闭群中，原则绝对上不允许进行淘汰式选种。
图5-3 自第15代起进行淘汰式选种后基因频率变化情况
但是，涉及到繁殖能力问题，可视为例外，因为作为实验动物首要的基本条件是可繁殖性，尤其是封闭群，利用杂合性提高繁殖率是其特特。人们在选种时有意无竟地都想用繁殖率高的动物作种。在群体被封闭后在5年之内，只要采用同一方法，只选择繁殖率高的留种，其基因结构几乎不会引起变化。因此育成封闭群后选种时，应挑选繁殖率高的为宜。
五、封闭群动物的交配方式
主要介绍来源于非近交系封闭群的交配方式。在保持封闭群时，须注意两点，第一是在群体中防止产生小群体（分化）；第二是不应改变封闭群特有的杂合性。为此，决不能进行近亲交配。这里所说的近亲交配，不单是指兄弟姐妹交配。也包括父妇、母子、堂兄弟与堂姐妹间以及表亲间的交配。由于进行近亲交配，即使近交数上升，导致群体基因纯合，另一面也会丢失杂合基因，促使群体的性质发生改变。
为了防止近效系数上升，尽量增加动物的数量是最有效的措施，但群体动物的数量常受人力、物力的限制，不可能太大，而且要绝对阻止近交系数上升，目前尚缺乏有力措施，故现在只要求每代近交系数的上升率不超过1%。
为避免近交，封闭群应采取随机交配（Randommating），避免循环式的近亲交配方式。具体作法是，将群体分成若干小群，在组合下一代的交配时，有规律地把不同小群中的雌雄进行随机交配。小群体组数，可分成3、4或6，一般小群组数不宜太多，因组数太多，组合交配时比较困难，手续也比较繁杂，通常以3～4个组为宜。下图是用三组（A、B、C）小群体进行交配的方法：
由图5-4可以看到，组成新的一代时，有三种方式从A群中挑选的种雌鼠与C群中挑选的种雄鼠组成新的B群；从B小群中挑选的种雌鼠与从A群选择的种雄鼠组成新的C上述方法，以50只种雄鼠和300只种雌鼠进行繁殖，其近交系数上升率，每代不会超过0.8%左右。
图5-4用三个群（组）保持与生产封闭群动物的示例