2025-01-20
動物(wu)群體(ti)進化測序相關的(de)多(duo)組學聯合分析再(zai)添高分文章啦(la)~
近日，中科院西北高原生物研究所在《J Anim Sci Biotechnol》期刊發表新研究成果！
本(ben)項目研(yan)(yan)究了青海(hai)省6個(ge)藏(zang)綿(mian)羊品種(zhong)的(de)(de)遺傳多樣性(xing)和群體結構。此外，還分析(xi)了藏(zang)綿(mian)羊的(de)(de)馴(xun)化特征，并(bing)研(yan)(yan)究了藏(zang)綿(mian)羊在高(gao)原地(di)區(qu)不同海(hai)拔地(di)區(qu)的(de)(de)獨特適應(ying)機制。本(ben)研(yan)(yan)究為(wei)極端環境(jing)中藏(zang)綿(mian)羊的(de)(de)進化過程提供了寶貴的(de)(de)見解，有助于(yu)保護(hu)遺傳多樣性(xing)，并(bing)為(wei)藏(zang)綿(mian)羊多樣性(xing)保護(hu)和高(gao)原動(dong)物(wu)環境(jing)適應(ying)機制研(yan)(yan)究奠定基礎。
本研究的(de)測序和部(bu)分(fen)分(fen)析由上海派森諾生物科技股份有限公司(si)完成(cheng)。
1、研究(jiu)背(bei)景(jing)
從社(she)會經濟的(de)(de)角度來看，小型(xing)(xing)反(fan)芻動(dong)物，對人(ren)(ren)類的(de)(de)生計至關(guan)重要。藏(zang)(zang)綿(mian)羊(yang)是在青藏(zang)(zang)高原環境中長(chang)期自然和人(ren)(ren)工選擇形成(cheng)的(de)(de)小型(xing)(xing)反(fan)芻動(dong)物，具有(you)抗寒(han)、抗病和適應高海(hai)拔等顯著特征。然而，高原獨特的(de)(de)環境條件，加上(shang)以放(fang)牧(mu)為基礎的(de)(de)飼養方式和傳統(tong)的(de)(de)繁殖方法，導致(zhi)藏(zang)(zang)綿(mian)羊(yang)繁殖率低，生長(chang)緩慢，體型(xing)(xing)小。
通過(guo)整合(he)(he)基因(yin)組(zu)和(he)表型(xing)數據，可以識別由自(zi)然(ran)和(he)人工(gong)選擇(ze)的基因(yin)組(zu)區域，有助于揭示物種(zhong)適應各種(zhong)環境(jing)和(he)生產需求的分子基礎。本研究(jiu)使用全基因(yin)組(zu)重測序技術分析來自(zi)中國青海(hai)省(sheng)的6個藏(zang)綿羊品(pin)種(zhong)的遺傳結構。此外，與轉錄組(zu)學相結合(he)(he)，探索(suo)高(gao)原地區不同(tong)海(hai)拔地區藏(zang)綿羊的高(gao)原適應機(ji)制。
2、研究材(cai)料與方(fang)法
1.實驗(yan)材料：6個品種的藏綿羊
2.測(ce)序平臺：Illumina
3.分析內容：進化樹(shu)、IBS、PCA、Structure、基(ji)因流(liu)、遺傳系數(shu)、選擇清除分析、RNA-seq。
3、研究結果
系統發育關系和種群結構
本研究共有(you)130只(zhi)綿羊(yang)(yang)，其(qi)中6個不同品種(EL，GB，PT，VT，ZS，ZK)的(de)120只(zhi)藏綿羊(yang)(yang)，10只(zhi)盤羊(yang)(yang)的(de)測序數據來自NCBI（圖(tu)1A）。
PCA結果(guo)顯示盤羊和(he)(he)(he)藏綿羊以及6個單獨的(de)藏綿羊品種(zhong)是可區分(fen)的(de)（圖1B和(he)(he)(he)C）。系統發(fa)育樹表(biao)明不(bu)(bu)同(tong)(tong)品種(zhong)存在明顯的(de)遺傳(chuan)差異（圖1D）。種(zhong)群結構(gou)表(biao)明，在K=2時，盤羊和(he)(he)(he)藏綿羊可以追(zhui)溯到(dao)不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)祖(zu)先(xian)譜系。在K=4時，GB、PT、ZS和(he)(he)(he)ZK的(de)大部(bu)分(fen)遺傳(chuan)信息來(lai)自一個共同(tong)(tong)的(de)祖(zu)先(xian)群體（黃色），EL和(he)(he)(he)VT分(fen)別顯示了藍色和(he)(he)(he)紅色祖(zu)先(xian)群體的(de)主要遺傳(chuan)貢獻(xian)（圖1E）。
圖1 藏綿羊的系統發育關系和種(zhong)群結構
基(ji)因組多樣性
從兩個方面分析了LD衰(shuai)變：第一，將6個藏綿(mian)羊品種(zhong)作為(wei)一個整(zheng)體（TS）與盤羊進行(xing)比(bi)較，表(biao)明TS的(de)LD速(su)度(du)比(bi)盤羊快；第二，僅關注6個藏綿(mian)羊品種(zhong)，結果(guo)表(biao)明PT亞(ya)型表(biao)現(xian)出最慢的(de)衰(shuai)變率，而(er)ZK亞(ya)型最快。說明ZK種(zhong)群經歷了最高程(cheng)度(du)的(de)馴化和最激(ji)烈(lie)的(de)人工選擇，而(er)PT亞(ya)型表(biao)現(xian)出最高的(de)群體多樣(yang)性和最低的(de)人工選擇強度(du)（圖2C和D）。
圖2 藏、盤羊(yang)6個品(pin)種的基因流及LD分析
盤羊和藏綿羊的獨(du)特SNP鑒定
盤(pan)羊和(he)藏綿(mian)羊分別鑒定到(dao)2953038和(he)823277個(ge)(ge)特(te)有(you)SNP，20576個(ge)(ge)共(gong)有(you)SNP（圖(tu)3A）。藏綿(mian)羊特(te)有(you)SNP的KEGG和(he)GO富集(ji)(ji)分析結果(guo)(guo)與(yu)盤(pan)羊中觀察到(dao)的結果(guo)(guo)非(fei)常相似。富集(ji)(ji)的KEGG通路主要(yao)與(yu)營(ying)養消(xiao)化、激素合成(cheng)和(he)分泌(mi)、消(xiao)化液分泌(mi)、味(wei)覺信(xin)號轉導和(he)免疫相關通路等過(guo)程有(you)關(圖(tu)3D)。同樣，富集(ji)(ji)GO的途徑與(yu)材料結合、ATP酶(mei)活(huo)性途徑和(he)細(xi)胞結構有(you)關(圖(tu)3E)。
圖3 盤羊和藏綿羊特有的SNP分析
藏綿羊馴化過(guo)程中選擇信號的檢測
6個藏綿羊(yang)品種與盤羊(yang)通過XR-CLR鑒定藏綿羊(yang)在馴化過程中經歷自然選(xuan)擇和人工馴化的基因(yin)組區域(yu)，并對受(shou)選(xuan)擇信(xin)(xin)(xin)(xin)號進(jin)行富集(ji)分(fen)(fen)析（圖(tu)4A），結果(guo)顯(xian)示KEGG通路分(fen)(fen)析強調(diao)了參與信(xin)(xin)(xin)(xin)號轉導的通路，包括(kuo)Ras信(xin)(xin)(xin)(xin)號通路、PI3K/Akt等信(xin)(xin)(xin)(xin)號通路和鈣信(xin)(xin)(xin)(xin)號通路。GO分(fen)(fen)析揭示了對發育(yu)和細胞(bao)功能至關重要的過程（圖(tu)4B和4C）。
圖4 改(gai)良過程(cheng)中藏綿(mian)羊的選(xuan)擇性標記
高海拔適應性選(xuan)擇
青(qing)藏高海(hai)拔(ba)地(di)區（4300米(mi)）的(de)ZS與(yu)自低(di)山(shan)谷(gu)地(di)區（1800米(mi)）的(de)VT，經過XP-CLR鑒定出5788個受選(xuan)擇區域（圖(tu)5A）。KEGG顯著(zhu)富集于嘌呤代謝(xie)、ECM受體相(xiang)互(hu)作用、血管平(ping)滑肌(ji)收縮、甲狀腺激素(su)信號等通路途徑（圖(tu)5B）。GO富集分析揭示了與(yu)適應(ying)相(xiang)關的(de)過程（圖(tu)5C）。
圖5 藏綿羊(yang)適應(ying)性的選(xuan)擇性淘汰分析
轉錄(lu)調控測(ce)序分析
藏綿羊已適應(ying)高原高海(hai)拔(ba)的(de)(de)缺氧環境(jing)，心臟和肺等器官(guan)在這(zhe)種(zhong)適應(ying)中起著至(zhi)關重(zhong)要的(de)(de)作用(yong)。對ZS和VT的(de)(de)個(ge)體心臟和肺部樣(yang)本進行(xing)轉錄分析。與低(di)海(hai)拔(ba)VT組相比，高海(hai)拔(ba)ZS組心臟中有245個(ge)上調基因和226個(ge)下調基因（圖6A）。值得注意的(de)(de)是，在一(yi)個(ge)模塊內(nei)，L0C101119076、CYP1A1和APOB顯(xian)示出(chu)高度(du)的(de)(de)連接性，這(zhe)表明(ming)它(ta)們在這(zhe)種(zhong)生物過(guo)程中可能起著重(zhong)要的(de)(de)調節作用(yong)。
圖6 高、低(di)海拔(ba)組(zu)的心(xin)臟轉錄組(zu)結果
高原適應(ying)中轉(zhuan)錄組和選(xuan)擇性清除的聯合分析
在ZS與(yu)VT的(de)比較中，五個基(ji)因（RAMP1、PTPN3、COL4A2、MXRA5和ADAMTS2）受到了(le)選擇(ze)，并在心(xin)臟和肺轉錄分析中差(cha)異表達。這(zhe)些基(ji)因是適應高(gao)海拔(ba)的(de)潛在候選基(ji)因。KEGG和GO（圖7A和7B）富(fu)集分析揭示了(le)這(zhe)些途徑(jing)可能代表了(le)藏綿羊適應高(gao)海拔(ba)高(gao)原(yuan)環境的(de)關鍵調控機制。
圖7 選擇(ze)性清除區域(yu)差異表(biao)達(da)基因的(de)功能富集分析
4、結 論
本(ben)研(yan)究中分(fen)析(xi)了6個(ge)藏(zang)(zang)綿(mian)羊品(pin)種的基(ji)(ji)(ji)因組變異、種群結構、差異、遺(yi)傳(chuan)距離和(he)基(ji)(ji)(ji)因流，全面解析(xi)了它們的系統發育關(guan)系。值得(de)注意的是，本(ben)研(yan)究表明(ming)，藏(zang)(zang)綿(mian)羊通過增強心肺(fei)功能、腎臟(zang)再吸收調節體(ti)液平衡以及改變營養消化(hua)和(he)吸收途徑來(lai)適(shi)應(ying)高(gao)海(hai)拔環(huan)(huan)境。這項研(yan)究為(wei)西藏(zang)(zang)綿(mian)羊在(zai)極端環(huan)(huan)境中茁壯(zhuang)成(cheng)長的進化(hua)過程(cheng)提供了寶(bao)貴的見解。這些發現(xian)還(huan)將有助于保護遺(yi)傳(chuan)多(duo)樣(yang)(yang)性，并為(wei)未(wei)來(lai)研(yan)究高(gao)海(hai)拔物種的環(huan)(huan)境適(shi)應(ying)和(he)生物多(duo)樣(yang)(yang)性保護奠定基(ji)(ji)(ji)礎。
如需進(jin)一步討(tao)論(lun)，歡迎發(fa)郵(you)件或者致電(dian)我們喲（郵(you)箱地址：genome_support@doudin.cn，聯系電(dian)話：021-80118168-6611）！
文(wen)章(zhang)索引：Li， X， et al.Whole-genome resequencing to investigate the genetic diversity and mechanisms of plateau adaptation in Tibetan sheep.J Anim Sci Biotechnol. 2024 Dec 6;15(1):164.doi: 10.1186/s40104-024-01125-1.
