基于基因組重測(cè)序的地方畜禽選擇信號(hào)研究進(jìn)展

馮韶華，李 尚，劉 刁，蘆春蓮，曹洪戰(zhàn)

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河北保定 071000）

人類馴化畜禽的歷史悠久，馴化使人們不再僅靠狩獵和采集生活，也形成了適于不同地理環(huán)境的畜禽品種，豐富了地方遺傳資源的多樣性。由于自然選擇和人工選擇，畜禽在基因組上留下了不同的遺傳印記，這些遺傳印記即為選擇信號(hào)，通過(guò)地方畜禽的遺傳印記可以了解物種的遺傳多樣性，也更有利于選育品種和保護(hù)資源。

隨著基因組學(xué)的發(fā)展，各種動(dòng)物基因組框架圖得以構(gòu)建，運(yùn)用基因組學(xué)不僅可以分析動(dòng)物的表型變異，而且可以獲得生物的分子遺傳標(biāo)記。二代測(cè)序的發(fā)展使得畜禽基因組選擇信號(hào)可以被大范圍地檢測(cè)，目前二代測(cè)序中高密度SNP 芯片和重測(cè)序技術(shù)被廣泛運(yùn)用于選擇信號(hào)的檢測(cè)。重測(cè)序技術(shù)由于可以一次性輸出大量的基因組序列，同時(shí)測(cè)序速度和準(zhǔn)確性較高，已越來(lái)越多地應(yīng)用到選擇信號(hào)的研究中。本文主要對(duì)基于重測(cè)序技術(shù)在不同畜禽上的選擇信號(hào)研究進(jìn)行綜述。

1 地方畜禽資源和選擇信號(hào)概況

中國(guó)畜禽養(yǎng)殖歷史悠久，自有文字記載的黃帝時(shí)期開(kāi)始人們就已有目的地馴化畜禽。目前，《中國(guó)畜禽遺傳資源志》已收錄了包括豬、雞、鴨、鵝、特禽、牛、羊、馬、驢、駱駝、兔等20 個(gè)物種共777 個(gè)品種的相關(guān)信息，其中地方品種有556 個(gè)[1]。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，受引進(jìn)品種的沖擊，我國(guó)的一些地方品種數(shù)量減少，甚至瀕臨滅絕。目前，我國(guó)畜禽資源的保護(hù)逐漸受到重視，保種場(chǎng)的建立使一些遺傳資源得到保護(hù)，一些測(cè)序等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地方品種選擇信號(hào)的研究，使人們能夠更加了解地方品種的遺傳變異和分化，從而更加有效地保護(hù)地方品種資源。

由于地理環(huán)境和氣候溫度的變化，中國(guó)地方品種經(jīng)歷了長(zhǎng)期的人工選擇，使得不同品種形成了不同表型，如兩頭烏的金華豬等；同時(shí)，馴化過(guò)程中家畜基因組中也留下了大量的選擇印記[2]。通過(guò)研究人工選擇在動(dòng)物基因組上的選擇特征可以認(rèn)識(shí)畜禽的遺傳多樣性機(jī)制，同時(shí)能夠定位受選擇區(qū)域，找到影響性狀的相關(guān)基因，通過(guò)對(duì)相關(guān)基因的定向選擇或編輯等使畜禽能夠向正選擇方向發(fā)展，促進(jìn)畜禽育種發(fā)展。

選擇信號(hào)是指由于選擇作用的存在，生物在基因組上遺留下的大量遺傳印記，通常的表現(xiàn)是染色體連鎖不平衡程度增加或者受選擇位點(diǎn)及其附近位點(diǎn)遺傳多樣性的降低。測(cè)序技術(shù)的發(fā)展使選擇信號(hào)的研究成為熱點(diǎn)，通過(guò)選擇信號(hào)分析可以快速準(zhǔn)確地篩選出受選擇區(qū)域，并且定位到相關(guān)候選基因。

2 基于重測(cè)序技術(shù)的畜禽選擇信號(hào)研究

2.1 豬上的研究進(jìn)展 由于存在地理隔離，中外豬種在表型和基因組上都存在差異，現(xiàn)在公認(rèn)亞洲豬與歐洲豬之間的基因交流發(fā)生在18 世紀(jì)和19 世紀(jì)[3]。Wang 等[4]對(duì)中國(guó)家豬和歐洲家豬基因組重測(cè)序，揭示了在中國(guó)家豬和歐洲家豬之間的差異是通過(guò)人工選擇介導(dǎo)產(chǎn)生的，不同國(guó)家根據(jù)其不同的育種需求產(chǎn)生了不同的遺傳變化。Li 等[5]在白眉豬、金華豬、榮昌豬、梅山豬、藏豬與西方5 個(gè)家豬的基因組測(cè)序數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，由于過(guò)去人工選擇的不同，西方傾向于選擇瘦肉型豬，而中國(guó)更傾向于選擇肥肉型豬來(lái)進(jìn)行飼養(yǎng)，中國(guó)地方豬與西方豬存在較大的遺傳差異，且中國(guó)地方豬的遺傳變異較高。

對(duì)于中國(guó)地方豬而言，人工選擇影響了豬遺傳進(jìn)化的方向和進(jìn)展，人們更趨向于選育遺傳力較高、生長(zhǎng)和繁殖性狀較好的個(gè)體，社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展使家豬繁育變得商業(yè)化。Liu 等[6]基于重測(cè)序技術(shù)對(duì)貴州本地的湘豬、柯勒豬、黔北黑豬、關(guān)陵豬、洛波豬的基因組進(jìn)行遺傳分化分析，發(fā)現(xiàn)貴州品種具有豐富的遺傳多樣性，不同品種豬具有不同的基因結(jié)構(gòu)變異，這些結(jié)構(gòu)變異可能會(huì)影響豬的遺傳進(jìn)化。Wang 等[7]對(duì)通城豬進(jìn)行基因組測(cè)序，并同數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析通城豬馴化過(guò)程中選擇的遺傳模型，發(fā)現(xiàn)亞洲豬在顏色和繁殖性狀上的選擇功能可能具有保守性，同時(shí)由于獨(dú)立馴化中國(guó)家豬進(jìn)化出了獨(dú)特的特性。Zhang 等[8]分析了中國(guó)地方豬皖南黑豬在馴化過(guò)程中的選擇特征，揭示了皖南黑豬的遺傳多樣性低于亞洲野豬，耐粗飼性更強(qiáng)。Li 等[9]對(duì)30 個(gè)不同地理位置的藏豬個(gè)體基因組進(jìn)行了測(cè)序，結(jié)果顯示中國(guó)豬種與歐洲豬種存在明顯不同，表明其血統(tǒng)存在較大差異，并揭示了豬表型的多樣性是由于相關(guān)差異基因和變異，不同地理區(qū)域的歷史選擇特征不同。Zhu 等[10]利用中國(guó)9 個(gè)不同品種的54 頭豬和來(lái)自中國(guó)7 個(gè)地方的16 頭野豬的全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)家豬馴化過(guò)程中基因組選擇信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)研究，并進(jìn)行遺傳分化和變異的選擇性分析，找到了可能選擇位點(diǎn)，從而促進(jìn)對(duì)中國(guó)家豬進(jìn)化史的理解，同時(shí)有助于識(shí)別導(dǎo)致豬表型多樣性的重要功能基因或突變。

對(duì)其他豬種全基因組測(cè)序的研究也揭示了不同豬種特有的選擇特征和人工選擇痕跡，Ma 等[11]對(duì)商業(yè)品種杜洛克進(jìn)行了選擇信號(hào)的分析，Wang 等[12]對(duì)太湖豬種質(zhì)特征進(jìn)行了分析，Choi 等[13]對(duì)韓國(guó)本地豬選擇特征的分析結(jié)果都表明重測(cè)序技術(shù)對(duì)于分析豬遺傳進(jìn)化和人工選擇具有重大作用，從而揭示了不同品種豬的選擇特征。

2.2 牛上的研究進(jìn)展 目前世界上牛品種常見(jiàn)的有牦牛、野牛、水牛、黃牛等，其中72 個(gè)品種起源于中國(guó)[14]，青藏高原地區(qū)的珍稀牛種牦牛作為遺傳上寶貴的基因庫(kù)，具有較高的研究?jī)r(jià)值。Lan 等[15]基于重測(cè)序?qū)λ拇ㄊ〗鸫h牦牛進(jìn)行全基因組分析發(fā)現(xiàn)，金川牦牛作為獨(dú)立于其他牦牛的一個(gè)分支，其馴化程度和選擇強(qiáng)度均大于其他牦牛群體，金川牦牛有339 個(gè)基因與其他牦牛品種相比具有顯著的正向選擇，這些基因與節(jié)律、神經(jīng)系統(tǒng)、突觸發(fā)育等相關(guān)。Qiu 等[16]研究了野生牦牛和國(guó)內(nèi)牦牛的基因組變異，野生牦牛與家養(yǎng)牦牛之間具有極端的等位基因頻率，牦牛馴化過(guò)程中大腦和神經(jīng)元系統(tǒng)發(fā)生了改變，但其馴化效果相較于其他品種不明顯，可能是由于牦牛在馴化中更傾向于選擇適應(yīng)環(huán)境的能力，而非滿足人們的需要。牦牛在基因組中同樣表現(xiàn)出明顯的選擇特征，這些特征集中表現(xiàn)于適應(yīng)惡劣環(huán)境方面。Wang 等[17]對(duì)野生牦牛和家養(yǎng)牦牛進(jìn)行全基因組進(jìn)化分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)家養(yǎng)牦牛具有更強(qiáng)的人工選擇，野生牦牛和家牦牛之間的遺傳分化很低，其選擇信號(hào)集中在經(jīng)濟(jì)性狀上。Wang 等[18]對(duì)16 個(gè)牦牛品種進(jìn)行了基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)16 個(gè)品種被劃分為2 個(gè)大陸群體，同時(shí)在不同品種中發(fā)現(xiàn)的基因拷貝數(shù)變異使得不同品種具有不同的選擇特征，新發(fā)現(xiàn)的基因拷貝數(shù)變異與其環(huán)境差異一致。

除了牦牛，中國(guó)其他牛品種也具有其特殊的選擇信號(hào)，Mei 等[19]對(duì)6 個(gè)中國(guó)國(guó)內(nèi)品種進(jìn)行了表型和地理差異的全基因組測(cè)序，結(jié)果顯示中國(guó)品種牛體現(xiàn)更多的遺傳多樣性，這其中正向選擇較多，選擇性掃描發(fā)現(xiàn)了許多與品種特性相關(guān)的潛在選擇信號(hào)，其中包括與毛色、乳制品性狀和肉制品性狀相關(guān)的基因，揭示了中國(guó)牛的進(jìn)化史和馴化特性。

2.3 羊上的研究進(jìn)展 綿羊和山羊的基因組芯片分別于Kijas 等[20]和Tosser-klopp 等[21]問(wèn)世，極大地推動(dòng)了羊在基因組上的研究，早期對(duì)于畜種選擇信號(hào)的研究都是基于基因芯片，隨后基因組重測(cè)序也大量運(yùn)用于羊基因組選擇信號(hào)的研究上。Wang 等[22]對(duì)藏羊、蒙古羊、阿爾泰羊、湖羊、多欄羊5 個(gè)品種綿羊進(jìn)行全基因組測(cè)序，并與其野生祖先進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期的選擇中某些基因和功能在不同品種中產(chǎn)生了不同的變化，例如湖羊受選擇基因與多產(chǎn)性狀相關(guān)，而藏羊的受選擇基因則與適應(yīng)高原環(huán)境相關(guān)。Liu 等[23]對(duì)3 個(gè)不同品種、不同地理位置的蒙古羊品種進(jìn)行了測(cè)序，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)化過(guò)程中不同品種、不同區(qū)域的蒙古羊受到選擇不同，例如，BMPR1B基因在高產(chǎn)品種湖羊和大尾寒羊的選擇上很強(qiáng)。Guo 等[24]對(duì)不同表型山羊的選擇特征進(jìn)行分析，基于群體遺傳統(tǒng)計(jì)學(xué)中的基因掃描發(fā)現(xiàn)藏山羊有4 個(gè)起源，品種間都具有較高的遺傳分化，在毛色上的選擇區(qū)域受體較多，許多正向選擇區(qū)域造成了品種毛色、繁殖性狀等的不同。Zhang 等[25]分析了哈薩克羊和多珀羊的重測(cè)序基因組中與毛發(fā)有關(guān)的基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FGF5可能受到很強(qiáng)的選擇限制，在綿羊山羊的選擇進(jìn)化中更加保守，會(huì)影響毛發(fā)的長(zhǎng)度和增長(zhǎng)率。Yang 等[26]獲得21 個(gè)中國(guó)品種的綿羊基因組序列，發(fā)現(xiàn)這些品種很有可能起源于中國(guó)北方，在不斷地發(fā)展進(jìn)化中也遭遇過(guò)瓶頸期和擴(kuò)展期，不同品種由于環(huán)境不同出現(xiàn)了新的能夠適應(yīng)環(huán)境的變異特征，這些變異可能與高原相關(guān)，也可能與適應(yīng)沙漠干旱環(huán)境有關(guān)等。

2.4 雞上的研究進(jìn)展 雞作為人類最早期開(kāi)始馴養(yǎng)的動(dòng)物之一，具有豐富的馴化歷史，在馴化的同時(shí)也導(dǎo)致了一些性狀的改變，形成了不同的商業(yè)化特征，目前世界上存在的雞品種大多都產(chǎn)生了基因間的交流，了解這些遺傳進(jìn)化可以更加清晰地認(rèn)識(shí)雞在馴化過(guò)程中的選擇特征[27]。藏雞是研究高海拔適應(yīng)性的良好地方品種。Li 等[28]對(duì)海拔400～ 3 000 m 之間的9 種中國(guó)家雞品種的全基因組進(jìn)行了研究，了解到雞在馴化過(guò)程中發(fā)生了巨大而復(fù)雜的遺傳多樣性變化，人工選擇和自然選擇在家雞的進(jìn)化中發(fā)揮了巨大的作用，而藏雞的受選擇區(qū)域攜帶著經(jīng)濟(jì)性狀的基因和適應(yīng)高海拔的基因。Wang 等[29]比較了藏雞與云南低地平原雞的基因組，發(fā)現(xiàn)藏雞的基因組特征在適應(yīng)高海拔過(guò)程中使嗅覺(jué)受體基因相對(duì)減少，而高海拔受體基因相對(duì)增多，同時(shí)在人工選擇中可能導(dǎo)致了高近交率的出現(xiàn)。Zhang 等[30]對(duì)藏雞和低海拔雞（海拔50、150、500 m）的研究中發(fā)現(xiàn)，藏雞具有遺傳混合效應(yīng)，說(shuō)明藏雞曾經(jīng)與低海拔雞進(jìn)行過(guò)遺傳交流，而藏雞差異表達(dá)基因參與的心肺系統(tǒng)發(fā)育、炎癥和免疫反應(yīng)、輻射的反應(yīng)在藏雞適應(yīng)高海拔生活中發(fā)揮巨大的作用。

研究藏雞可以清晰地認(rèn)識(shí)雞對(duì)高海拔適應(yīng)性的選擇特征，而研究斗雞則可以了解其具有攻擊性的選擇信號(hào)。Guo 等[31]研究的西雙版納斗雞具有攻擊同一物種所有雄性的特征，在人工選擇中人們趨向于選擇具有好斗特性的雞，因此在斗雞中存在更多的與生長(zhǎng)、抗病、攻擊行為和能量代謝等性狀有關(guān)的基因。

2.5 其他畜種上的研究進(jìn)展 Zhang 等[32]對(duì)來(lái)自中國(guó)各地的2 個(gè)野生種群和7 個(gè)家禽品種共22 只野鴨和56 只家鴨進(jìn)行了基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)在過(guò)去鴨群體由于環(huán)境的變化發(fā)生過(guò)群體數(shù)量的變化，鴨的馴化可能是在距今2200 年，同時(shí)發(fā)現(xiàn)家鴨進(jìn)行過(guò)強(qiáng)烈的人工選擇，無(wú)論是羽色還是大腦和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育方面，甚至能量代謝都發(fā)生過(guò)選擇。樊英智[33]對(duì)分布在6 個(gè)地域的6 種不同類型家驢進(jìn)行了重測(cè)序，發(fā)現(xiàn)6 種家驢的遺傳距離各有遠(yuǎn)近，找到11 個(gè)受選擇區(qū)域，這些選擇區(qū)域可能與毛色、運(yùn)動(dòng)、環(huán)境適應(yīng)能力相關(guān)，不同地理環(huán)境使得家驢的選擇區(qū)域也不盡相同?；谥販y(cè)序技術(shù)對(duì)不同畜禽的選擇信號(hào)的研究還有很多，如對(duì)不同品種的駱駝進(jìn)行選擇信號(hào)分析，發(fā)現(xiàn)不同品種駱駝之間有明顯的地理分離[34]。

3 小結(jié)和展望

基因組學(xué)的發(fā)展使人們能夠從基因上探討畜禽遺傳進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生的變異。對(duì)于地方畜禽基因組選擇信號(hào)的檢測(cè)可以更好地了解地方物種的起源進(jìn)化和基因遺傳交流，探究畜禽在適應(yīng)性變化過(guò)程中的發(fā)展機(jī)制。檢測(cè)選擇信號(hào)的方法各有優(yōu)勢(shì)，因此在選用不同方法時(shí)應(yīng)盡可能考慮到不同的群體，例如在長(zhǎng)期的馴化選擇中，雖然不同的物種在馴化過(guò)程中都具有共同的特征，但在遺傳進(jìn)化過(guò)程中都會(huì)遇到發(fā)展的瓶頸期。基因組中不同的選擇信號(hào)在表型上會(huì)有不同，例如毛色的不同、繁殖能力的不同、適應(yīng)環(huán)境的能力不同等，因此需要選用合適的選擇信號(hào)檢測(cè)方法。

隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和普及，對(duì)于地方品種選擇信號(hào)的檢測(cè)會(huì)逐漸深入，地方品種的遺傳歷史會(huì)更加清晰，同時(shí)地方品種選擇信號(hào)檢測(cè)也面臨大樣本、大數(shù)據(jù)、多組學(xué)的發(fā)展，能夠從多方面多角度全面檢測(cè)畜禽的選擇信號(hào)是未來(lái)的發(fā)展方向之一。