复方卡力孜然 http://news.39.net/bjzkhbzy/180501/6204497.html
年12月6日,中国农业大学李孟华教授及合作者在国际知名期刊MolecularBiologyandEvolution发表题为“Whole-genomeresequencingofworldwidewildanddomesticsheepelucidatesgeneticdiversity,introgressionandagronomicallyimportantloci”的研究论文,该研究通过来自于非洲、南亚、东南亚、中亚、东亚、南美、欧洲和中东的个家羊个体(个种群)和所有7个野羊近缘种的72个野羊个体(包括盘羊argali,亚洲摩弗伦Asiaticmouflon,欧洲摩弗伦Europeanmouflon,乌里亚尔羊urial,雪羊snowsheep,大角羊bighorn,扁角羊thinhorn),表征了全球绵羊的遗传多样性、基因渗入和农业生物重要性状相关变异。
自驯化以来,绵羊(Ovisaries)一直为人类提供肉,毛,皮,奶和其它副产品，其对于生活在一些亚洲,非洲和南美洲国家农业社区的数亿人的民生福祉至关重要。自大约10,年前在中东由亚洲摩弗伦(Ovisorientalis)驯化以来,绵羊扩张到亚洲其它地区以及欧洲,非洲和新世界地缘。一个早期的重大事件是hair型绵羊驯化后向wool型绵羊的转变。
长期以来一直认为基因渗入是进化的强大力量,基因组数据越来越多地提供证据表明基因渗入是遗传变异的一个至关重要的来源,并且这种变异可用于动植物的适应性进化。绵羊属中也发生了从野生近缘种向家羊种群的基因渗入。因此,绵羊通过适应各种环境和不同生产系统下的遗传改良,分布到了全球范围的不同地域,发展成为独特的品种。地方品种和改良品种的广泛变异是家养绵羊基因组变异,适应性特征和重要农业相关性状的基础。
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表1在野生和家养绵羊中鉴定的全基因组变异
在所有样本中鉴定了约1.亿个全基因组遗传变异,包括约1.亿个SNP，约万个插入和缺失。74,个结构变异（包含缺失,易位,重复,倒位）。
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约万(约50.2%)个SNP是以前未发现的。野羊和家羊中的大量特有变异,可能是由于先前研究的绵羊品种代表性不足,而本研究弥补了这个不足之处。约万个SNP是野生物种特有的。地方种群和改良种群之间共享约万个SNP。
图1全基因组测序和变异检测（A）个家羊种群的采样地点、以及7个野生近缘种的地理分布范围和采样地点（B）SNP图谱（C）维恩图：在野生和家养绵羊中检测到的新变异（D）共享变异的维恩图：野生绵羊物种，改良种群，地方种群
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亚洲摩弗伦和乌里亚尔羊具有最高的核苷酸多样性,而在大角羊中观察到的最低。亚洲摩弗伦和乌里亚尔羊在遗传上没有完全分离,表明它们是扩大家养绵羊改良遗传资源的潜在资源。来自不同大洲地理区域的种群之间没有太大差异。家养绵羊的多样性在π值范围内变化很大,从π=3.1×10-3（中国新疆的巴什拜羊）到1.7×10-8(瑞典Svrdsj品种)。所有家羊种群在约8,-10,BP期间持续下降,反映了驯化的瓶颈效应。它们随后的种群扩张显示了社会中农业的扩张。
图2遗传多样性（A）七种野生和家养绵羊的平均核苷酸多样性(π)（B）全球个家羊种群的π（C）六个地理区域家羊种群的π（D）七个野生近缘种和家羊的连锁不平衡衰减（E）SMC++推断六个地理区域的家羊种群的Ne
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家养绵羊分为6个地理结构的进化枝（中亚东亚、南亚东南亚、中东、非洲、欧洲和美洲种群），并有明显例外的现象出现：例如，瘦尾藏羊和中国西南羊（红色）接近印度品种（黄色）；中东绵羊集群里的阿塞拜疆绵羊（红色）；亚洲细毛品种（红色）集群接近欧洲美利奴羊。
PCA在很大程度上将6个地理组分开,韦桑羊(Ouessant)和哥特兰羊(Gotland)处于极端位置。欧洲,非洲种群在很大程度上与亚洲种群分开,也具有重叠（如美利奴羊衍生个体）。
7种野羊存在于5个遗传簇（亚洲摩弗伦和乌里亚尔羊在同一遗传簇；大角羊和扁角羊在同一遗传簇）。家养绵羊含有6个地理分布的基因组成分。家羊品种有来自于野羊的遗传成分。欧洲、非洲和亚洲种群中遗传杂合性的明确证据,表明在当地品种的培育过程中，来自不同大陆的优良遗传种群之间存在大量基因流。
图3系统发育关系（A）野生和家养绵羊的邻接树（B）主成分分析（C）种群遗传结构（K=11）
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南亚东南亚种群的最佳支持种群模型支持南亚和东南亚绵羊~5.93ka从中亚东亚种群中分化出，后来~2.42ka与中东种群混合。本研究发现了在青铜时代早期和晚期，跨越欧亚草原和伊朗高原的两次主要迁徙浪潮（南亚东南亚路线；中东绵羊混入南亚东南亚绵羊）
图4南亚东南亚家羊的种群历史重建（A）南亚东南亚种群的最佳支持种群模型（B）世界各地的主要绵羊迁徙
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欧洲摩弗伦对北欧绵羊品种（如WelshMountain,IcelandicLeader和Shetland）有重大影响。亚洲摩弗伦和乌里亚尔羊影响了相同的品种，证实这些野生物种已经相互混合。巴什拜羊的基因组携带相当大的盘羊成分，可能是基因渗入的结果。
全球家羊种群中来自于每个野羊物种全基因组中基因组渗入的比例(PGI)反映了从野生近缘种中保留或渗入到家羊的实际基因组大小，估计为7.64-13.40%、5.94-9.61%、4.31-6.39%和3.67-5.03%的全基因组分别来源于欧洲摩弗伦、亚洲摩弗伦、乌里亚尔羊和盘羊。
对于每条染色体上家养绵羊中来自于野羊物种(欧洲摩弗伦、亚洲摩弗伦、乌里亚尔羊和盘羊)的保留或渗入序列(RIS)，本研究检测到了共同渗入的信号，例如HBB(缺氧适应),MRP4(耐药性),AKT3(大脑大小),NPFFR1(体温调节和伤害感知)基因。
图5渗入信号（A）D统计：(Menz羊，家羊受体，野羊供体，大角羊)（B,C,D,E）全球家羊种群中来自于每个野羊物种全基因组中基因渗入的比例(PGI)（F）每条染色体上共同渗入的信号（G）家羊中来自于四种野羊的累积RIS长度
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家养种群中保留或渗入的野生基因变异有助于本地适应，例如与高原适应相关的HBB变异。使用种群分支统计进行了正向选择分析，发现基因渗入促进了高海拔群体跟随野生渗入供体（欧洲摩弗伦、亚洲摩弗伦、乌里亚尔羊和盘羊）的适应性印迹。
基于从野生近缘种到羌塘羊的基因渗入区域的基因的GO和KEGG通路富集，本研究发现主要与氧转运蛋白活性、氧结合、色素沉着、细胞对UV-B的反应、和能量稳态，以及与嗅觉转导,PI3K-Akt信号通路相关的KEGG通路。
图6野羊到羌塘羊的渗入信号（A）曼哈顿图显示从亚洲摩弗伦到羌塘羊的基因渗入信号（B）种群分支统计(PBS)检测到的羌塘羊的选择信号（C）基于野生物种到羌塘羊的重要基因渗入区域的基因的GO和KEGG通路富集分析
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针对于全局FST、矮小性状、遗传改良，本研究确定了新的和先前报道的形态和农业生物重要性状（如体型大小、角型、尾型和羊毛性状）的全基因组选择信号靶标，成功构建了所有家羊群体的选择性扫描信号的全面图谱，受选择信号的基因功能注释发现一系列与农业生物重大性状相关的候选基因，例如EVC,GDF6,RXFP2和TMEM基因，这些基因主要与体型大小、角型、和抗菌先天性免疫反应相关。还例如全局FST分析富集到的PDGFD,IGF2BP2,HOXC13,KIF9,NF1等,矮小性状分析的骨吸收(如PTGER4)，骨矿化(如BMP6)和矮小(如PTDSS1)等，遗传改良分析的MC1R,CNOT8,FGF8,OSR2,和BMP2等。
图7选择信号（A）全局FST在所有个家养绵羊种群中的全基因组分布（B）基于多样性减少（ROD）分析的候选选择性基因组区域（C）矮小体型表型的曼哈顿图，显示了布雷顿矮羊种群中的CLR分布
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本研究探索了羊毛细度的遗传基础，针对于羊毛性状，划分为hair型（hair）,粗毛型（coarse-wool）,中等细度型（medium-wool）,细毛型（fine-wool）这四个表型，通过XP-CLR,πratio,等位基因频率分布,单倍型模式,不同物种序列的比较,共同揭示了IRF2BP2基因的3-UTR中的一个新突变（chr25:T7,,C）作为羊毛纤维直径的合理因果变异。
对于羊毛进化过程(hair型→粗毛型→中等细度型→细毛型),本研究发现一系列与羊毛性状相关的基因，例如VEGF信号通路,转化生长因子β2产生的调节，毛囊发育(IRF2BP2,VEGF,FGF7,HR,SMAD4,EDAR,FGFR2,和TP63)，毛发生长方向(ASTN2),β-catenin结合(LEF1)等。
图8hair型、粗毛型、中等细度型、细毛型的基因组进化(A)家羊hair型和细毛型之间的XP-CLR测试(B)π比值的6个比较（πhair型/π粗毛型、πhair型/π中等细度型、πhair型/π细毛型、π粗毛型/π中等细度型、π粗毛型/π细毛型和π中等细度型/π细毛型）在IRF2BP2基因中显示出强选择性信号(C)IRF2BP2(chr25:T7,,C)3UTR中突变位点的等位基因频率和CC、TT和CT基因型频率，并测试基因型差异的显著性(D)野羊、家养绵羊的hair型、粗毛型、中等细度型、细毛型种群中IRF2BP2的单倍型模式(E)不同物种间在突变chr25:7,,和chr25:7,,处的序列比较（F）GO和KEGG通路富集分析，显示了显著GO和通路以及相关基因
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利用mRNA-seq,miRNA-seq发现IRF2BP2的mRNA表达的FPKM值显示粗毛型和细毛型绵羊在不同产前阶段的皮肤组织存在显著差异（P0.05)，没有观察到粗毛羊IRF2BP2的表达。粗毛型湖羊和细毛型敖汉细毛羊的皮肤样本中的miRNA表达谱揭示了粗毛羊中仅oar-miR-20a-3p存在表达。
功能验证将野生型IRF2BP2的3-UTR引入荧光素酶表达载体，发现与阴性对照模拟物相比，oar-miR-20a-3p的表达降低了报告基因活性，但突变型IRF2BP2的3-UTR消除了该进程(oar-miR-20a-3p介导的荧光素酶的减少)。野生型IRF2BP2的3-UTR是oar-miR-20a-3p的直接功能靶点，oar-miR-20a-3p可以直接结合IRF2BP2并可能调节粗毛羊皮肤组织中IRF2BP2的表达。
在HE染色中观察到，与中国美利奴羊（细毛）相比，洼地绵羊（粗毛）的毛囊直径比例（DS/DP）更大，但次级毛囊和初级毛囊的数量比例（NS/NP）更小，表明细毛羊中均匀小直径纤维的产量更高，羊毛更细。oar-miR-20a-3p可能通过其对IRF2BP2的影响作用于粗毛羊毛囊的发育，可能会抑制毛囊中VEGFA信号的表达。
简而言之，oar-miR-20a-3p→IRF2BP2→VEGFA是通过抑制粗毛羊IRF2BP2基因表达而导致抑制次级毛囊发育的潜在调控通路。
图9试验验证（A,B）转录组和小RNA分析（C,D）双荧光素酶报告基因检测（E,F）家羊羊毛纤维变异相关基因IRF2BP2和oar-miR-20a-3p的遗传机制以及组织学观察
该研究完善了我们对绵羊基因组变异的理解。对遗传学家和育种人来说，本研究的绵羊属遗传变异种质资源是无价的。本研究的创新点在于:(1)全面揭示全球野羊和家羊的遗传多样性和系统发育关系，并且发现种群结构分化的一些例外情况，这些例外可以反应物种/品种的混合历史。(2)发现南亚东南亚绵羊迁徙的历史与人类迁徙历史类似，为鲜少研究的南亚东南亚人类历史提供佐证。(3)收集齐全所有野生近缘种，尽可能集齐全世界所有家羊品种,利用高深度重测序序列展开分析，检测到了被基因渗入的具体品种及其野生供体，也表明渗入区段所调节的基因功能。(4)发现了新的选择信号,尤其是对于绵羊矮小性状筛选到的信号和基因。(5)发现位于IRF2BP2基因3-UTR中的一个新突变（chr25：T7,,C）作为羊毛纤维直径的合理因果变异，并表明oar-miR-20a-3p→IRF2BP2→VEGFA是抑制粗毛羊中IRF2BP2基因表达而抑制次级毛囊发育的潜在调控通路。
中国农业大学吕锋骅副研究员，中国科学院动物研究所操银红博士，刘广建博士为论文共同第一作者，中国农业大学李孟华教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项，国家自然科学基金，中国科学院国际伙伴计划，第二次青藏高原综合科学考察研究（STEP）等项目的资助。伊朗、埃及、西班牙、德国、埃塞俄比亚、肯尼亚、英国、奥地利、冰岛、芬兰、加拿大、瑞典、意大利、巴西、泥泊尔、克罗地亚、捷克、挪威和荷兰等国科研人员参与了本项研究工作。
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绿会融媒收稿日期：年12月11日
值班编辑：Lucy
