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2020-10-03

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  动物(尤其是家畜)如何适应各种气候和应对环境具有重要的生物学意义。此外,了解当地种群适应性的遗传机制,对于设计合适的育种方案以应对气候变化至关重要。近年来,种间基因渗入已成为许多研究关注的焦点,已有研究在全基因组水平上探索古代物种的渗入对于现代生物的基因贡献,例如尼安德特人与丹尼索瓦人的 DNA 使人类得以适应青藏高原,避免人类遭受高海拔血氧饱和度低带来的危害。与古人类之间的基因流使得人类的皮肤和毛发色素适应欧亚地区的气候。但很少在家畜中研究与气候适应性相关的野生物种渗入,而这可以为分子育种提供重要信息以改善环境适应性。

  绵羊属(Ovis)包括家养绵羊(O.aries)和7个野生近缘种:盘羊(O.ammon), 亚洲摩弗伦(O.orientalis), 欧洲摩弗伦(O.musimon), 乌利阿尔羊(O.vignei), 雪羊(O.nivicola), 大角羊(O.canadensis), 和瘦角羊(O.dalli)。绵羊在适应各种环境的同时,面临着多种气候和病原体的侵袭,例如,绵羊支原体肺炎是由支原体感染引起的,以高热、咳嗽、渐进性消瘦和间质性肺炎症为主要临床特征的一种极强接触性传染病,对全球绵羊产业发展危害极其严重。而对于绵羊支原体肺炎的抗性具有物种/品种特异性,例如,巴什拜羊(Bashibai)和阿华西羊(Awassi)对肺炎具有抗性。

  图1 基因渗入野羊物种:(A)盘羊(B)亚洲摩弗伦(C)欧洲摩弗伦(D)雪羊

  被渗入家羊品种:(E)巴什拜羊(F)灰-设拉子羊(G)科西嘉羊(H)设得兰羊(I)库伦丁羊

  该研究的血液及组织样本来自于李孟华教授的合作者,样本覆盖范围包含中亚,东亚,中东,非洲,西南欧,北欧,英国,北美,西伯利亚。通过结合测序和气候数据,该研究进行了遗传多样性,种群结构,物种间渗入,气候介导的选择性扫描的全基因组分析,检测到了从野生近缘种到同域分布家羊种群的共同渗入的清晰信号,有助于家羊对当地气候的快速适应,并且增强了它们的遗传多样性。

  图2 采集样本分布,遗传多样性,及种群结构,呈现了家羊的7个主要成分(中东亚、西亚、非洲、北美、西南欧、北欧、英国)及7个野生近缘种

  该研究通过种群水平和基因组水平的分析,检测到了与嗅觉相关的基因(如ADCY3和TRPV1)和PADI基因家族(特别是PADI2)中等位基因的共同渗入信号,其与抗菌和先天性免疫有关。

  通过高深度重测序数据对全基因组序列的进一步分析表明,PADI2基因的特定区段(chr2: 248304)中渗入的等位基因与抗肺炎相关。基因型模式和单倍型模式图清晰地展现出易感野羊物种(如大角羊,瘦角羊)、抗性野羊物种(如盘羊、亚洲摩弗伦、欧洲摩弗伦)、抗性家羊品种(如巴什拜羊、灰-设拉子羊、高加索羊,阿华西羊)和易感家羊品种(如门兹羊,卡拉库尔羊),不同物种/品种羊的抗性/易感性的差异,为绵羊支原体肺炎的致病机理与防控研究奠定了理论基础。

  该研究揭示了野羊基因渗入增强了家羊的基因组多样性,从野生近缘种获得的等位基因变异为家羊提供了气候适应性,特别是家羊对肺炎的抗性。这些发现为本土家畜种群适应气候的进化机制提供了新见解。新生成的全基因组数据为绵羊的遗传改良提供了宝贵资源。在当前国际“得种质者天下安”的大环境下,培育出抗性种群刻不容缓。

  我校动物科技学院李孟华教授为论文通讯作者,李孟华教授课题组博士研究生操银红、博士研究生徐松松,新疆农垦科学院沈敏研究员,博士研究生陈泽慧,新疆农垦科学院高磊副研究员为论文共同第一作者;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。