中國農(nóng)大新聞網(wǎng)訊?12月10日，動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院李孟華教授課題組在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Molecular Biology and Evolution》在線發(fā)表題為“Whole-genome resequencing of worldwide wild and domestic sheep elucidates genetic diversity, introgression and agronomically important loci”的研究論文(https://doi.org/10.1093/molbev/msab353)。該研究通過來自于非洲、南亞、東南亞、中亞、東亞、南美、歐洲和中東的738個家羊個體(158個種群)和所有7個野羊近緣種的72個野羊個體(包括盤羊argali, 亞洲摩弗倫Asiatic mouflon, 歐洲摩弗倫European mouflon, 烏里亞爾羊urial, 雪羊snow sheep, 大角羊bighorn, 扁角羊thinhorn), 表征了全球綿羊的遺傳多樣性、基因滲入和農(nóng)業(yè)生物重要性狀相關(guān)變異。

自馴化以來, 綿羊(Ovis aries)一直為人類提供肉, 毛, 皮, 奶和其它副產(chǎn)品，其對于生活在一些亞洲, 非洲和南美洲國家農(nóng)業(yè)社區(qū)的數(shù)億人的民生福祉至關(guān)重要。自大約10,000年前在中東由亞洲摩弗倫(Ovis orientalis)馴化以來, 綿羊擴(kuò)張到亞洲其它地區(qū)以及歐洲, 非洲和新世界地緣。一個早期的重大事件是hair型綿羊馴化后向wool型綿羊的轉(zhuǎn)變。

長期以來一直認(rèn)為基因滲入是進(jìn)化的強(qiáng)大力量, 基因組數(shù)據(jù)越來越多地提供證據(jù)表明基因滲入是遺傳變異的一個至關(guān)重要的來源, 并且這種變異可用于動植物的適應(yīng)性進(jìn)化。綿羊?qū)僦幸舶l(fā)生了從野生近緣種向家羊種群的基因滲入。因此, 綿羊通過適應(yīng)各種環(huán)境和不同生產(chǎn)系統(tǒng)下的遺傳改良, 分布到了全球范圍的不同地域, 發(fā)展成為獨(dú)特的品種。地方品種和改良品種的廣泛變異是家養(yǎng)綿羊基因組變異, 適應(yīng)性特征和重要農(nóng)業(yè)相關(guān)性狀的基礎(chǔ)。

亞洲摩弗倫和烏里亞爾羊具有最高的核苷酸多樣性, 而在大角羊中觀察到的最低。亞洲摩弗倫和烏里亞爾羊在遺傳上沒有完全分離, 表明它們是擴(kuò)大家養(yǎng)綿羊改良遺傳資源的潛在資源。來自不同大洲地理區(qū)域的種群之間沒有太大差異。家養(yǎng)綿羊的多樣性在π值范圍內(nèi)變化很大, 從π = 3.1×10-3（中國新疆的巴什拜羊）到1.7×10-8(瑞典Sv?rdsj?品種)。所有家羊種群在約8,000-10,000 BP期間持續(xù)下降, 反映了馴化的瓶頸效應(yīng)。它們隨后的種群擴(kuò)張顯示了社會中農(nóng)業(yè)的擴(kuò)張。

圖1 遺傳多樣性（A）七種野生和家養(yǎng)綿羊的平均核苷酸多樣性 (π)（B）全球158個家羊種群的π（C）六個地理區(qū)域家羊種群的π（D）七個野生近緣種和家羊的連鎖不平衡衰減 （E）SMC++推斷六個地理區(qū)域的家羊種群的Ne

家養(yǎng)綿羊分為6個地理結(jié)構(gòu)的進(jìn)化枝（中亞&東亞、南亞&東南亞、中東、非洲、歐洲和美洲種群），并有明顯例外的現(xiàn)象出現(xiàn)：例如，瘦尾藏羊和中國西南羊（紅色）接近印度品種（黃色）；中東綿羊集群里的阿塞拜疆綿羊（紅色）；亞洲細(xì)毛品種（紅色）集群接近歐洲美利奴羊。PCA在很大程度上將6個地理組分開, 韋桑羊(Ouessant)和哥特蘭羊(Gotland)處于極端位置。歐洲, 非洲種群在很大程度上與亞洲種群分開, 也具有重疊（如美利奴羊衍生個體）。7種野羊存在于5個遺傳簇（亞洲摩弗倫和烏里亞爾羊在同一遺傳簇；大角羊和扁角羊在同一遺傳簇）。家養(yǎng)綿羊含有6個地理分布的基因組成分。家羊品種有來自于野羊的遺傳成分。歐洲、非洲和亞洲種群中遺傳雜合性的明確證據(jù), 表明在當(dāng)?shù)仄贩N的培育過程中，來自不同大陸的優(yōu)良遺傳種群之間存在大量基因流。

圖2 系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系（A）野生和家養(yǎng)綿羊的鄰接樹（B）主成分分析（C）種群遺傳結(jié)構(gòu)（K =11）

本研究探索了羊毛細(xì)度的遺傳基礎(chǔ)，針對于羊毛性狀，劃分為hair型（hair）, 粗毛型（coarse-wool）, 中等細(xì)度型（medium-wool）, 細(xì)毛型（fine-wool）這四個表型，通過XP-CLR, π ratio, 等位基因頻率分布, 單倍型模式, 不同物種序列的比較, 共同揭示了IRF2BP2基因的3'-UTR中的一個新突變（chr25: T7,068,586C）作為羊毛纖維直徑的合理因果變異。對于羊毛進(jìn)化過程(hair型→粗毛型→中等細(xì)度型→細(xì)毛型), 本研究發(fā)現(xiàn)一系列與羊毛性狀相關(guān)的基因，例如VEGF信號通路, 轉(zhuǎn)化生長因子β2產(chǎn)生的調(diào)節(jié)，毛囊發(fā)育 (IRF2BP2, VEGF, FGF7, HR, SMAD4, EDAR, FGFR2,和TP63)，毛發(fā)生長方向 (ASTN2), β-catenin結(jié)合 (LEF1)等。

圖3 hair型、粗毛型、中等細(xì)度型、細(xì)毛型的基因組進(jìn)化?(A) 家羊hair型和細(xì)毛型之間的XP-CLR測試 (B) π比值的6個比較（πhair型/π粗毛型、πhair型/π中等細(xì)度型、πhair型/π細(xì)毛型、π粗毛型/π中等細(xì)度型、π粗毛型/π細(xì)毛型和π中等細(xì)度型/π細(xì)毛型）在IRF2BP2基因中顯示出強(qiáng)選擇性信號 (C)?IRF2BP2?(chr25: T7,068,586C) 3'UTR中突變位點(diǎn)的等位基因頻率和CC、TT和CT基因型頻率，并測試基因型差異的顯著性 (D)野羊、家養(yǎng)綿羊的hair型、粗毛型、中等細(xì)度型、細(xì)毛型種群中IRF2BP2的單倍型模式? (E)不同物種間在突變chr25: 7,068,586和chr25: 7,070,630處的序列比較 （F）GO和KEGG通路富集分析，顯示了顯著GO和通路以及相關(guān)基因

利用mRNA-seq, miRNA-seq發(fā)現(xiàn)IRF2BP2的mRNA表達(dá)的FPKM值顯示粗毛型和細(xì)毛型綿羊在不同產(chǎn)前階段的皮膚組織存在顯著差異（P?< 0.05)，沒有觀察到粗毛羊IRF2BP2的表達(dá)。粗毛型湖羊和細(xì)毛型敖漢細(xì)毛羊的皮膚樣本中的miRNA表達(dá)譜揭示了粗毛羊中僅oar-miR-20a-3p存在表達(dá)。功能驗證將野生型IRF2BP2的3'-UTR引入熒光素酶表達(dá)載體，發(fā)現(xiàn)與陰性對照模擬物相比，oar-miR-20a-3p的表達(dá)降低了報告基因活性，但突變型IRF2BP2的3'-UTR消除了該進(jìn)程(oar-miR-20a-3p介導(dǎo)的熒光素酶的減少)。野生型IRF2BP2的3'-UTR是oar-miR-20a-3p的直接功能靶點(diǎn)，oar-miR-20a-3p可以直接結(jié)合IRF2BP2并可能調(diào)節(jié)粗毛羊皮膚組織中IRF2BP2的表達(dá)。在H&E染色中觀察到，與中國美利奴羊（細(xì)毛）相比，洼地綿羊（粗毛）的毛囊直徑比例（DS/DP）更大，但次級毛囊和初級毛囊的數(shù)量比例（NS/NP）更小，表明細(xì)毛羊中均勻小直徑纖維的產(chǎn)量更高，羊毛更細(xì)。oar-miR-20a-3p可能通過其對IRF2BP2的影響作用于粗毛羊毛囊的發(fā)育，可能會抑制毛囊中VEGFA信號的表達(dá)。簡而言之，oar-miR-20a-3p→IRF2BP2→VEGFA是通過抑制粗毛羊IRF2BP2基因表達(dá)而導(dǎo)致抑制次級毛囊發(fā)育的潛在調(diào)控通路。

圖4 試驗驗證（A,B）轉(zhuǎn)錄組和小RNA分析（C,D）雙熒光素酶報告基因檢測（E,F）家羊羊毛纖維變異相關(guān)基因IRF2BP2和oar-miR-20a-3p的遺傳機(jī)制以及組織學(xué)觀察

該研究完善了我們對綿羊基因組變異的理解。對遺傳學(xué)家和育種人來說，本研究的綿羊?qū)龠z傳變異種質(zhì)資源是無價的。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于: (1)全面揭示全球野羊和家羊的遺傳多樣性和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)種群結(jié)構(gòu)分化的一些例外情況，這些例外可以反應(yīng)物種/品種的混合歷史。(2)發(fā)現(xiàn)南亞&東南亞綿羊遷徙的歷史與人類遷徙歷史類似，為鮮少研究的南亞&東南亞人類歷史提供佐證。(3)收集齊全所有野生近緣種，盡可能集齊全世界所有家羊品種, 利用高深度重測序序列展開分析，檢測到了被基因滲入的具體品種及其野生供體，也表明滲入?yún)^(qū)段所調(diào)節(jié)的基因功能。(4)發(fā)現(xiàn)了新的選擇信號, 尤其是對于綿羊矮小性狀篩選到的信號和基因。(5)發(fā)現(xiàn)位于IRF2BP2基因 3'-UTR 中的一個新突變（chr25：T7,068,586C）作為羊毛纖維直徑的合理因果變異，并表明oar-miR-20a-3p→IRF2BP2→VEGFA是抑制粗毛羊中IRF2BP2基因表達(dá)而抑制次級毛囊發(fā)育的潛在調(diào)控通路。

動物科技學(xué)院李孟華教授為論文通訊作者。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)呂鋒驊副研究員，中國科學(xué)院動物研究所操銀紅博士，劉廣建博士為論文共同第一作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“政府間國際科技創(chuàng)新合作”重點(diǎn)專項，國家自然科學(xué)基金，中國科學(xué)院國際伙伴計劃，第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究（STEP）等項目的資助。伊朗、埃及、西班牙、德國、埃塞俄比亞、肯尼亞、英國、奧地利、冰島、芬蘭、加拿大、瑞典、意大利、巴西、尼泊爾、克羅地亞、捷克、挪威和荷蘭等國科研人員參與了本項研究工作。