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白水牛为什么“肤粉毛白”

中国科学报 2020年11月12日 报道 浏览次数:

白水牛 梁正文摄

贵州白水牛,这个“萌物”全身被毛白色而有光泽,角和蹄亦为白色,皮肤呈粉红色,但眼睛为黑色。作为地方水牛品种,看到白水牛的第一眼就让人不禁赞叹它的可爱。

白水牛为什么这么白?11月3日,中国农业大学动物科技学院张毅课题组联合国际家畜研究所—中国农业科学院北京畜牧兽医研究所畜禽牧草遗传资源联合实验室韩建林团队,在《分子生物学与进化》在线发表研究论文。他们利用多种组学手段,对水牛白毛色性状的致因突变和分子调控机制进行了深入探讨。

水牛的基因组研究

2018年全世界水牛存栏2.07亿头,在五大洲约67个国家为人们提供优质的奶、肉和畜产品,被联合国粮农组织誉为养活世界人口最多的大家畜。

“家猪和奶牛的基因组研究进展较快,已经建立的基因组育种技术显著提升了育种速度,加快了遗传进展,而水牛的基因组研究相对滞后。”广西大学教授刘庆友向《中国科学报》介绍。

为系统解析水牛重要性状形成的遗传基础,我国科学家在水牛基因组研究中做了大量工作。

广西大学联合中国农科院深圳基因组研究所、中国科学院北京基因组研究所和中国农业大学等单位,通过最新的基因组测序技术,分别成功组装出沼泽型和河流型水牛染色体水平的高质量参考基因组,鉴定出一系列性状相关基因和分子标记,为开展水牛基因组学研究奠定了基础。

西北农林科技大学从全基因组角度研究了水牛的种群历史和遗传多样性,筛选出与免疫、耐热、泌乳、神经、繁殖等相关的基因,将有助于今后水牛的遗传改良工作。

这次,在张毅等的组织协调下,国内外多家高校和科研机构合作,系统解析了水牛白毛色形成的分子机制。

“毛色是家畜的主要外形特征之一,表现为质量性状,受环境因素的影响极小。沼泽型水牛的毛色主要有灰色和白色,而河流型水牛的毛色主要为黑色;这两种水牛的杂交后代或个别背景不明的水牛群体中还会出现棕褐色和花斑等毛色。”韩建林接受《中国科学报》采访时说。

分布于我国贵州黔北地区的白水牛,是全世界唯一经过长期选育所形成的白毛色水牛遗传资源,又称“凤冈白水牛”或“亮毛牛”,已经被认定为特有的地方水牛品种,被《中国畜禽遗传资源志》收录,属于沼泽型水牛。

值得注意的是,这个沼泽型的白水牛不是白化水牛。韩建林说:“白水牛是显性遗传,白化水牛是隐性遗传。白水牛是黑眼睛,不怕光;而白化水牛的眼睛是粉红的,怕光。”

白毛色分子机制获解析

沼泽型水牛白毛色性状的遗传特征早在上世纪60年代就有报道,遵循受单一基因控制的孟德尔遗传规律,呈完全显性,但其分子机制却一直未被解析。

在张毅看来,从基因组结构和功能层面上揭示其白毛色性状的分子机制,对深入理解动物白毛色的形成和演化等基础生物学问题具有十分重要的意义。

该研究整合全基因组重测序、转录组测序、Nanopore单分子测序等新技术,结合基因功能实验发现,在白水牛Agouti信号蛋白(ASIP)基因上游存在一个LINE-1转座子的插入。该LINE-1行使强启动子功能,使白水牛皮肤ASIP基因的表达量提高了近10倍,且LINE-1转录序列与ASIP基因编码外显子形成白水牛特有的融合转录本。ASIP基因的高表达阻碍了黑色素细胞的发育,导致白水牛皮肤缺乏成熟黑色素细胞及色素颗粒。

“该研究在家养动物上呈现了一个由转座子作为基因调控元件,影响附近基因表达进而改变性状表型的分子调控机制,这也丰富了人们对转座子功能的认识。”张毅说。

张毅介绍,这项研究还通过多物种的基因组进化分析,证明普通牛与水牛两个物种的ASIP基因存在类似的LINE-1转座子插入,均导致表型性状改变,揭示了一种在分子水平的趋同进化现象。

这项研究历时3年,阐明了水牛白毛色性状的致因突变和分子调控机制,使白毛色成为水牛物种上第一个解析分子遗传机制的表型性状,为白水牛遗传资源保护和选育提供了科学依据。

“这项研究设计严谨,创新性地从多学科、多角度、多层次解析了水牛被毛白色表型变异的分子机制,同时揭示了动物毛色变异的一种新的机制,也为解析家畜其他重要和特色表型性状变异的遗传基础提供了新的思路和方法,对家畜的遗传改良和特色畜禽资源的遗传保护也具有重要意义。”中国农业大学教授李孟华评价道。

刘庆友表示,该研究还能为白鸭、白鸡、白猪等动物白色羽(被)毛产生的分子机制提供参考,也能为理解人类白化病的发生机制和治疗方向提供新的靶点。

“此外,研究结果有助于提高人们对地方特色畜禽重要性的认识,对中国南方水牛养殖和产业发展也有着积极的推动作用,助力脱贫攻坚。”李孟华补充道。

为保护和利用提供支撑

如果水牛产奶、繁殖、抗病等性状的基础研究比较滞后,将会制约水牛遗传改良工作的进程。

“我们知道ASIP基因参与普通牛的脂肪酸合成,LINE-1转座子的插入同样也诱导了ASIP基因在法国诺曼底牛品种的高表达,而这一品种的乳脂含量在所有法国牛品种中是最高的。国外团队一直聚焦于高表达的ASIP基因对诺曼底牛乳脂含量的影响。”张毅关注着水牛基因研究的进展。

接下来,其团队将深入调查贵州白水牛的生产性能、适应性和抗病性等,加深对白水牛整体遗传特性的了解;同时开发白毛色基因的快速检测技术,为我国白水牛特色遗传资源的有效保护和科学选育提供技术支撑。

“在我国绵延5000年的农耕文明中,水牛在长江流域和珠江流域的稻作区一直扮演着农耕动力提供者的主要角色。各省份均有本地的水牛品种。”刘庆友介绍。

除贵州白水牛外,比较有特色的还有体形较大的广西富钟水牛、江苏海子水牛、云南德宏水牛和产奶性能突出的槟榔江水牛等。

然而,近年来,由于农业机械化程度不断提高,水牛的役用性正随社会发展逐步退出历史舞台,而向肉用或乳肉兼用方向发展,加之长期缺乏科学选育和保种技术,导致白水牛等一些地方水牛的遗传品质严重退化、数量减少。

“要将品种资源保护与开发利用相结合,探索特色资源的产业化发展道路。”刘庆友表示。

专家建议,政策方面,各级政府管理部门需更加重视家畜特色品种资源保护,从财政经费上给予支持。技术方面,制定统一的白水牛品种标准,保持本品种的优良特性;开发白毛色基因的分子检测技术,提高白水牛育种效率;从品种、饲养、加工等多个方面,通过技术推广示范,全面提升饲养效益,促进产业持续健康发展。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1093/molbev/msaa279

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa024

http://dx.doi.org/10.5524/100682

《中国科学报》2020年11月10日

责任编辑:刘铮
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