人才强校 | 李孟华教授团队揭示家养绵羊驯化相关基因起源以及其早期野化形成了现代欧洲摩弗伦野生绵羊

中国农大新闻网讯 11月18日，中国农业大学李孟华教授团队在Communications Biology期刊发表题为“Whole-genome sequence analysis unveils different origins of European and Asiatic mouflon and domestication-related genes in sheep”的研究论文。该研究收集了家养绵羊及其野生近缘物种的高深度全基因组信息，重建绵羊属物种间的系统发育和进化历史，并探究物种间的基因交流和驯化选择特征。研究发现了野生绵羊之间的基因渐渗现象，揭示了羊属早期分化的北美古老类群对摩弗伦支系的基因渐渗现象，尤其是在绵羊驯化前或驯化中对绵羊祖先亚洲摩弗伦羊的渐渗，在家养绵羊基因组中留下了受选择痕迹，为了解驯化基因起源提供了新的见解。 该研究还提出了分化历史较短的欧洲摩弗伦羊野化起源以及有来自北美古老类群可能灭绝分支的遗传贡献的“二层”起源假说。

图1. 欧洲摩弗伦羊（左上，图片来源：https://zooinstitutes.com/animals/mouflon-rostov-on-don-zoo-36011.html），亚洲摩弗伦羊（右上，图片来源：https://www.flickr.com/photos/85387952@N00/8059123611）和古代绵羊浮雕（下，图片来源：https://dailycaller.com/2021/07/14/ancient-dna-found-1600-year-old-mummified-sheep/）

羊的驯化和发展是人类文明史和农业革命史上的重要事件。羊属的进化历史长达831万年，包括现存的8个物种：家养绵羊、盘羊、亚洲摩弗伦、欧洲摩弗伦、东方盘羊、大角羊、小角羊和雪羊。尽管羊属各物种染色体数目不同（2n=52-58），但种间均可进行杂交。早期的考古学和遗传学研究证明，家养绵羊是在距今12000-10000年由其野生祖先亚洲摩弗伦羊在新月沃地驯化而来。先前的研究也显示了部分羊属物种基因渐渗的证据，包括从野生绵羊到家养绵羊的适应性渐渗。然而，羊属间的基因渐渗及其对绵羊驯化过程的贡献仍然存在较大缺环。野生绵羊分布地域广泛，对不同的生物地理范围的许多生物和非生物胁迫具有弹性适应性，其现有的遗传变异可为改良家养绵羊提供重要的遗传资源，以应对日益增长的粮食生产需求、疾病和全球气候的快速变化。因此阐明野生绵羊和家养绵羊之间的进化和遗传联系，对于利用野生绵羊遗传资源改良家养绵羊具有重要意义。

该研究使用8个羊属物种共72个个体的高深度全基因组重测序数据（平均覆盖率 = ~21×），在全基因组范围检测到125982209个SNP、13043920个INDELs和众多结构变异，为绵羊遗传改良以及野生物种的生态和进化研究提供了重要的遗传资源。对来自8个羊属的72个个体主成分以及聚类分析显示出显著的种间和种内遗传差异。

图2. 绵羊种的地理分布与种群结构

研究基于全局和局部构树的方式构建了羊属的进化树。

图3. 羊属的系统发育树以及基因交流情况概览

研究利用PSMC模型发现，在80-25万年前，这些物种的种群规模急剧下降，在距今3万-1万年期间即末次冰期左右，东方盘羊和亚洲摩弗伦羊经历了剧烈的瓶颈效应。随后随着畜牧业、农业的繁荣和人类的定居等因素，使得种群规模开始恢复。根据SMC++分析，所有物种随后在距今10000 -1000 年间呈现下降趋势。特别地，我们注意到距今6000-5000年期间欧洲摩弗伦的有效群体大小下降幅度比家羊更大，这可能与欧洲摩弗伦的野化即新物种形成初期的瓶颈效应相对应。

图4. 群体历史推断

随后，研究基于D统计、fd统计、TreeMix等一系列遗传学研究工具对绵羊属间基因交流模式进行探索，并基于隐马尔科夫模型和LD衰减的方法推断了种间基因渐渗的时间。值得注意的是，多种分析方法一致显示北美古羊类群 (Pachyceriforms：包括雪羊、大角羊和小角羊)向摩弗伦羊的渗入事件。进一步局部基因渐渗分析表明，大角羊、小角羊和雪羊对欧洲摩弗伦的遗传贡献分别为1.47%、1.45%和1.43%，而大角羊、小角羊和雪羊对亚洲摩弗伦的遗传贡献分别为3.7%、3.63%和3.68%。

研究进一步表明欧洲摩弗伦的野生祖先，即第一批被驯化的毛用羊，可能来自于相较于本研究所用到亚洲摩弗伦（在伊朗取样）更加古老的种群。由于雪羊、大角羊和小角羊的地理分布没有延伸到欧洲，该研究进一步推测：欧洲摩弗伦羊具有欧洲一种可能现已灭绝的来源于北美古老支系绵羊的遗传成分，是通过该物种与野化后的家养绵羊杂交而产生。

先前的研究表明，盘羊到藏羊的适应性渐渗信号明显，渗入的基因与青藏高原极端环境适应性相关，渐渗基因涉及缺氧和紫外线信号通路（如HBB和MITF）和与角的大小和形状等形态特征相关基因（如RXFP2）。该研究通过盘羊对藏羊的渗入事件分析发现：藏羊中存在从盘羊中渗入的其他基因，这些基因与对病原体的抗性（如ACTN4）、嗅觉发育（如AGTPBPI）和运动（如OXRI）相关，可能与适应半野生放牧和缺氧环境有关。

该研究进一步发现渗入到绵羊祖先亚洲摩弗伦羊的基因，覆盖了多个驯化相关基因，如KITLG, CAMK4, NR6A1, RNF24, MBIP，SH3GL3, GMDS，EXOC2和GTF21。它们的功能与一些重要的形态、生理和生产性状有关，如产仔数、乳腺周期、早期体重（PLAG1）、卵泡发育的调节（NR5A1）。这些与驯化相关的候选基因在驯化过程中受到了强烈的选择压力，最终导致了家养绵羊和野生祖先之间的形态、生产、生理和行为的差异。在实际应用中，该基因编码区高度分化的非同义突变具有重要的功能，对未来家羊相关性状的分子标记和遗传改良具有重要意义。

图5 . 雪羊向亚洲摩弗伦基因渗入信号的局部推断与注释

该研究首次对羊属系统发育和渐渗进行全面而深入的研究，重建了这些物种的系统发育和进化历史，探讨了物种间的基因交流和驯化选择特征，增加了我们对亚洲和欧洲摩弗伦羊起源以及家养绵羊驯化特征的理解。发现的野生绵羊对家养绵羊驯化有贡献的渗入基因，为绵羊育种提供了丰富的分子标记素材。

中国科学院动物研究所博士（现中国科学院古脊椎动物与古人类研究所特别研究助理）陈泽慧和中国农业大学动物科技学院博士后徐垭烯为论文共同第一作者，中国农业大学李孟华教授和加州大学伯克利分校Rasmus Nielsen教授为共同通讯作者。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，中国科学院对外合作项目、国家自然科学基金，第二次青藏高原综合科学考察研究（STEP）等项目的资助。

供稿：动物科学技术学院

供图：动物科学技术学院