山羊環(huán)境適應(yīng)性的研究進(jìn)展

張政凱，李業(yè)芳，葉紹輝，蔣 琳*，馬月輝*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，昆明 650201； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193)

氣候環(huán)境在物種的長(zhǎng)期遺傳進(jìn)化過(guò)程中扮演重要的角色，它是物種遺傳進(jìn)化的重要驅(qū)動(dòng)力。氣候環(huán)境是影響物種空間分布的決定性因素，氣候的變化可能會(huì)改變物種的分布格局和生物的遺傳多樣性，如對(duì)擬南芥、松樹、綿羊、人類等的研究發(fā)現(xiàn)，氣候環(huán)境的差異會(huì)使各個(gè)物種的群體之間甚至個(gè)體之間產(chǎn)生表型差異和遺傳變異。探索氣候環(huán)境介導(dǎo)的遺傳標(biāo)記是進(jìn)化生物學(xué)的重要內(nèi)容之一，它有可能揭示當(dāng)?shù)匚锓N適應(yīng)性進(jìn)化的遺傳機(jī)理，為應(yīng)對(duì)將來(lái)的氣候變化提供理論基礎(chǔ)。因此，在基因組水平上研究動(dòng)植物對(duì)氣候環(huán)境的適應(yīng)性，在保護(hù)物種的多樣性和維持生物圈的平衡等方面具有重要意義。

近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物信息學(xué)等重要學(xué)科的不斷發(fā)展，對(duì)家畜基因組學(xué)的研究有了許多重要成果，例如在山羊、綿羊、豬、牛、馬等家畜的起源進(jìn)化、重要性狀基因挖掘、環(huán)境適應(yīng)性等方面的研究都有了突破性的進(jìn)展。對(duì)家畜的環(huán)境適應(yīng)性研究，起初主要聚焦于群體遺傳學(xué)的方法，根據(jù)環(huán)境變量將物種的群體或個(gè)體進(jìn)行簡(jiǎn)單區(qū)分，然后基于群體遺傳分化水平()進(jìn)行比較分析，來(lái)篩選出與環(huán)境變量相關(guān)的遺傳標(biāo)記或基因。這樣的方法僅能定性地對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行簡(jiǎn)單區(qū)分，無(wú)法直接確定遺傳標(biāo)記與環(huán)境變量間的有效關(guān)聯(lián)，容易產(chǎn)生假陽(yáng)性的結(jié)果。新近發(fā)展起來(lái)的景觀基因組學(xué)方法主要依托于遺傳環(huán)境關(guān)聯(lián)分析(genetic-environment association, GEA)來(lái)解析環(huán)境適應(yīng)性的遺傳機(jī)制。景觀基因組學(xué)可以直接整合遺傳變異數(shù)據(jù)和環(huán)境變量數(shù)據(jù)，通過(guò)logistic回歸模型、一般線性模型等方法直接分析遺傳變異與環(huán)境變量的關(guān)聯(lián)性，不僅可以挖掘出與環(huán)境變量相關(guān)聯(lián)的特異性位點(diǎn)，還能找出關(guān)鍵的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素。伴隨著景觀基因組學(xué)的廣泛應(yīng)用，研究者們開始綜合利用群體遺傳學(xué)和景觀基因組學(xué)的方法對(duì)動(dòng)植物的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行深入研究，有效地結(jié)合群體遺傳學(xué)對(duì)群體結(jié)構(gòu)、遺傳分化歷史研究的優(yōu)勢(shì)和景觀基因組學(xué)能更準(zhǔn)確挖掘環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)聯(lián)位點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，在許多物種的研究中發(fā)現(xiàn)了一大批與環(huán)境適應(yīng)性顯著關(guān)聯(lián)的功能位點(diǎn)，對(duì)山羊的環(huán)境適應(yīng)性研究有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

根據(jù)考古學(xué)和遺傳學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代家養(yǎng)山羊的馴化大約起源于11 000年前的新月沃土地區(qū)，而Bezoar ()被認(rèn)為是家養(yǎng)山羊主要的祖先。山羊在被馴化后，跟隨著人類的遷移，迅速在亞洲地區(qū)擴(kuò)散，進(jìn)而遷移到歐洲、非洲、美洲及大洋洲。經(jīng)過(guò)萬(wàn)年的遷移進(jìn)化，如今家山羊已遍布于世界各地，并逐漸分化形成了適應(yīng)于當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的獨(dú)特品種。從北歐高緯度的極寒地區(qū)到非洲低緯度的炎熱地區(qū)，從北非干旱的沙漠地區(qū)到東南亞的濕潤(rùn)地區(qū)，從低海拔的平原地區(qū)到低溫低氧的高原地區(qū)，在這些極端環(huán)境條件下都存在獨(dú)特地方山羊品種的生存繁衍，可見(jiàn)山羊?qū)O端的氣候環(huán)境條件具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力。另一方面，山羊作為重要的家畜之一，其產(chǎn)絨、產(chǎn)奶、產(chǎn)肉等重要經(jīng)濟(jì)性狀極大地滿足了人類對(duì)物質(zhì)生活資料的需求，在農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、文化等領(lǐng)域都成為了人類社會(huì)的重要部分。研究報(bào)道，環(huán)境的溫度和濕度過(guò)高會(huì)造成家畜的生產(chǎn)力下降、死亡率上升等問(wèn)題，給畜牧產(chǎn)業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)山羊氣候適應(yīng)性的深入研究，也可能為一些重要的經(jīng)濟(jì)性狀、抗病性狀等優(yōu)良性狀的保護(hù)和利用提供理論支撐，促進(jìn)山羊產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。本文重點(diǎn)立足于基因組學(xué)，從不同技術(shù)方法的角度切入，闡述了當(dāng)前在家畜氣候適應(yīng)性研究中所應(yīng)用的主要研究方法。針對(duì)山羊的環(huán)境適應(yīng)性研究，以5個(gè)方面的環(huán)境適應(yīng)性研究為分類單元，對(duì)近年來(lái)的最新研究進(jìn)行了綜述，初步概括了山羊?qū)Σ煌瑲夂驐l件適應(yīng)性的關(guān)鍵候選基因。

1 環(huán)境適應(yīng)性研究方法

隨著全球氣候監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)管理等相關(guān)部門的發(fā)展，目前世界上已出現(xiàn)了許多成熟的氣候數(shù)據(jù)庫(kù)，如：國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(National Ecosystem Science Data Center, NESDC)、中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(Resource and Environment Science and Data Center)、WorldClim等數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)整理記錄了詳細(xì)的氣候數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)時(shí)間跨度大、覆蓋范圍廣、氣候變量多樣、分辨率高，為深入探索動(dòng)植物氣候環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)性的遺傳機(jī)制提供了必要的前提。另一方面，分子生物技術(shù)和全基因組測(cè)序技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步發(fā)展，新一代的測(cè)序技術(shù)具有高通量、高效率、低成本、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，許多動(dòng)植物都已完成了基因組序列的測(cè)定，為揭示動(dòng)植物環(huán)境適應(yīng)性的分子遺傳機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此背景下，遺傳環(huán)境關(guān)聯(lián)分析開始逐漸發(fā)展起來(lái)，用以識(shí)別與特定環(huán)境條件密切相關(guān)的遺傳變異。景觀基因組學(xué)是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，GEA是景觀基因組學(xué)的核心，它整合了景觀遺傳學(xué)和群體基因組學(xué)的工具，以識(shí)別形成當(dāng)今適應(yīng)性遺傳變異的環(huán)境因素和驅(qū)動(dòng)本地適應(yīng)的遺傳變異(圖1)。表1展現(xiàn)了環(huán)境適應(yīng)性研究常用的分析方法和軟件。

表1 環(huán)境適應(yīng)性研究常用的分析方法和軟件Table 1 Analysis methods and softwares commonly used in environmental adaptability research

圖1 基于景觀基因組學(xué)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性研究的策略Fig.1 Strategies for environmental adaptability research based on landscape genomics

1.1 以絕對(duì)環(huán)境因素作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)

在對(duì)各類物種的環(huán)境適應(yīng)性研究中，常以環(huán)境因素作為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，將所研究樣本分組進(jìn)行比較分析，例如高海拔與低海拔的群體或干旱地區(qū)與濕潤(rùn)地區(qū)的群體。在統(tǒng)計(jì)分類樣本的過(guò)程中，不同類型的環(huán)境變量會(huì)作為分類變量引入?yún)?shù)或非參數(shù)檢驗(yàn)。以環(huán)境因素為標(biāo)準(zhǔn)確定樣本分組后，許多研究常通過(guò)選擇信號(hào)分析方法檢測(cè)目標(biāo)群體中受到相應(yīng)環(huán)境因素驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的遺傳變異位點(diǎn)。常用的選擇信號(hào)檢測(cè)方法包括基于核苷酸多態(tài)性的方法(如θπ)、基于群體分化的方法(如、XP-EHH)、基于基因頻率的方法(如Tajima’s D、ZHp)和基于連鎖不平衡的方法(如EHH、iHS)等。Liu等根據(jù)海拔數(shù)據(jù)將我國(guó)的多個(gè)地方馬群體分為高、低兩組，并結(jié)合、θπ和ZHp 3種選擇信號(hào)方法進(jìn)行分析，鑒定到1基因受到強(qiáng)烈的選擇，對(duì)藏馬的高原適應(yīng)具有重要作用。Yang等利用多個(gè)選擇信號(hào)檢測(cè)方法，對(duì)根據(jù)海拔和降水量數(shù)據(jù)分組的綿羊群體進(jìn)行分析，篩選到多個(gè)涉及高原適應(yīng)性和干旱適應(yīng)性的候選基因。重要的是，許多選擇信號(hào)分析方法可以通過(guò)方向性的區(qū)分來(lái)挖掘與環(huán)境因素的某一方向相適應(yīng)的基因，這可以為候選基因受驅(qū)動(dòng)的方向提供直接的證據(jù)。如Gheyas等對(duì)雞的環(huán)境適應(yīng)性研究中，探索了所用環(huán)境變量的高、低兩個(gè)方向的變異位點(diǎn)，鑒定出適應(yīng)于環(huán)境變量?jī)蓚€(gè)方向的候選基因。

1.2 logistic回歸模型

Logistic回歸可以檢驗(yàn)環(huán)境因素是否影響等位基因或單位點(diǎn)基因型。需要注意的是，由于logistic回歸只能考慮兩種狀態(tài)(等位基因或位點(diǎn)基因型的存在或缺失)，沒(méi)有明確的方法來(lái)處理雜合子個(gè)體位點(diǎn)中出現(xiàn)的3種或更多的基因型狀態(tài)。因此，該類分析必須整理數(shù)據(jù)集的格式(即0,1,2格式)，以描述每個(gè)等位基因或位點(diǎn)基因型的存在或缺失，適用于從不同的生存環(huán)境或沿環(huán)境梯度取樣的個(gè)體。

空間分析方法(spatial analysis method，SAM)是采用logistic回歸模型研究與環(huán)境相關(guān)的局部適應(yīng)性特征，以及測(cè)量環(huán)境和分子數(shù)據(jù)集的空間自相關(guān)性的常用方法。但需要注意的是，該分析方法忽略了群體結(jié)構(gòu)的影響，這可能在一定程度上對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成干擾。因此，在SAM基礎(chǔ)上，新開發(fā)的Samβada軟件將中性遺傳結(jié)構(gòu)引入其中，可進(jìn)一步量化基因型的空間自相關(guān)水平，有效降低了假陽(yáng)性結(jié)果的概率。同時(shí)，相較于其他方法(如潛在因素混合模型，latent factor mixed models，LFMM)，該方法的運(yùn)算速度更快，尤其在應(yīng)用其內(nèi)置的拆分組合模塊后更為明顯，這對(duì)處理大型數(shù)據(jù)文件非常具有優(yōu)勢(shì)。另一方面，該方法可直接在結(jié)果中反饋顯著性位點(diǎn)關(guān)聯(lián)的環(huán)境變量，這為尋找家畜適應(yīng)性過(guò)程中的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素提供了直觀有力的證據(jù)。如Lv等對(duì)綿羊氣候適應(yīng)性的研究中，通過(guò)SAM方法確定了最佳模型中月降水量、日照百分比和月降水量≥0.1 mm天數(shù)這3個(gè)變量對(duì)綿羊地方環(huán)境適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)作用。

1.3 一般線性模型

一般線性模型框架可以擴(kuò)展到具有多元響應(yīng)變量的模型，以解釋適應(yīng)性狀的多基因結(jié)構(gòu)。其中比較常用的方法是典型相關(guān)分析(canonical correlation analysis，CCA)，該方法可以找到兩組變量，即多個(gè)位點(diǎn)(解釋變量)和多個(gè)環(huán)境因素(響應(yīng)變量)間最大相關(guān)的線性組合。如Mosca等利用CCA分析方法對(duì)意大利山區(qū)4種針葉林的種群結(jié)構(gòu)及其與地理環(huán)境間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)與冬季降水量、季節(jié)性最低溫等環(huán)境變量存在顯著關(guān)聯(lián)的SNP，解釋了針葉林對(duì)低溫等環(huán)境的適應(yīng)性。另一種常用的方法，冗余分析(redundancy analysis， RDA)可以構(gòu)建和檢測(cè)不同復(fù)雜性的模型，包括基于中性遺傳結(jié)構(gòu)或空間效應(yīng)的結(jié)果，也被稱為部分RDA(pRDA)。Lasky等就利用pRDA對(duì)擬南芥多變量氣候和多變量遺傳變異之間的相關(guān)性進(jìn)行了評(píng)估，并通過(guò)控制空間效應(yīng)確定了環(huán)境適應(yīng)性的候選SNP。Mdladla等同樣利用RDA對(duì)南非本地山羊群體的地方適應(yīng)性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了一些適應(yīng)于當(dāng)?shù)匮谉岣珊淡h(huán)境的候選SNP。

1.4 潛在因素混合模型

潛在因素混合模型(LFMM)是Frichot等提出的一種基于群體遺傳學(xué)、生態(tài)建模和統(tǒng)計(jì)分析方法構(gòu)建的新算法，以篩選基因組的局部適應(yīng)性特征。將中性遺傳結(jié)構(gòu)(即可能的祖先群體數(shù)量)作為一個(gè)潛在因子引入其中的分析方法。其優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)估計(jì)環(huán)境因素和群體遺傳結(jié)構(gòu)對(duì)等位基因頻率的影響，通過(guò)評(píng)估種群歷史和地理隔離模式的隨機(jī)效應(yīng)，來(lái)有效降低關(guān)聯(lián)分析結(jié)果中的假陽(yáng)性概率。分析中所用到的種群結(jié)構(gòu)潛在因子(K值)一般通過(guò)對(duì)目標(biāo)群體的基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和Admixture分析來(lái)確定。此外，該方法所用的環(huán)境數(shù)據(jù)需盡可能通過(guò)線性組合的方式來(lái)總結(jié)呈現(xiàn)，如采用主成分分析或類似方法將第一主成分作為新的環(huán)境變量引入分析。

2 山羊環(huán)境適應(yīng)性研究進(jìn)展

2.1 高海拔適應(yīng)性研究

位于我國(guó)西南部的青藏高原地區(qū)，是全世界平均海拔最高、面積范圍最大的高原，平均海拔在4 000 m 以上。高海拔的特殊地理環(huán)境導(dǎo)致其氧分壓僅為海平面的60%左右，由此產(chǎn)生的缺氧對(duì)人和動(dòng)物的新陳代謝造成了嚴(yán)重的影響，容易引發(fā)多種高原性疾病。另一方面，高原地區(qū)晝夜溫差大、紫外線強(qiáng)等特殊氣候條件也對(duì)高原生物的生存繁殖提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，高海拔適應(yīng)性的遺傳機(jī)制解析是近年來(lái)備受關(guān)注的課題，這對(duì)了解高原特殊環(huán)境下的適應(yīng)和缺氧性相關(guān)疾病的診斷治療具有重要的意義(表2)。

高原地區(qū)的家畜包括藏牛、藏羊、藏馬、藏犬等，它們?yōu)楦咴貐^(qū)的居民提供了重要的物質(zhì)生活材料和交通運(yùn)輸工具，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的適應(yīng)性進(jìn)化，它們?cè)诒硇吞卣魃吓c低海拔地區(qū)的家畜相比，表現(xiàn)出鮮明的特點(diǎn)，比如皮毛長(zhǎng)而濃密，毛色較深等。Wang等在對(duì)我國(guó)8個(gè)山羊群體的研究中發(fā)現(xiàn)了與高海拔適應(yīng)性相關(guān)的候選基因，其中包括具有調(diào)控氧運(yùn)輸和缺氧反應(yīng)的基因(2、2、1、)，以及具有調(diào)控毛發(fā)長(zhǎng)度(fibroblast growth factor 5,5)和表皮顏色(KIT ligand,)功能的基因，并認(rèn)為這些基因與山羊適應(yīng)高原的低氧寒冷環(huán)境密切相關(guān)。由此可見(jiàn)，藏山羊毛發(fā)的獨(dú)特表型特征是其適應(yīng)高原特殊環(huán)境的一個(gè)重要表現(xiàn)，主要體現(xiàn)在對(duì)低溫和強(qiáng)紫外線的適應(yīng)能力。除此之外，高原地區(qū)低氧分壓的環(huán)境特點(diǎn)對(duì)山羊生存繁殖的影響更為強(qiáng)烈。在Guo等的研究中，利用6個(gè)地方山羊品種(包括2個(gè)高海拔地區(qū)的藏山羊品種)的全基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)，通過(guò)和ZHp的選擇信號(hào)檢測(cè)方法，篩選出了與缺氧適應(yīng)(endothelial PAS domain protein 1,1)相關(guān)的候選基因。Song等利用6個(gè)山羊群體的外顯子測(cè)序數(shù)據(jù)，對(duì)高、低海拔地區(qū)的兩組山羊群體進(jìn)行了選擇信號(hào)分析，篩選到了339個(gè)與高海拔適應(yīng)性相關(guān)的基因，通過(guò)富集分析發(fā)現(xiàn)這些基因主要參與心血管系統(tǒng)的相關(guān)過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)1的錯(cuò)義突變對(duì)西藏本土山羊的高原適應(yīng)有重要意義，在先前分別對(duì)人類、馬、犬等的研究中均鑒定到該基因；并且在對(duì)西藏地區(qū)的馬、綿羊、山羊、牛、豬和犬的基因組協(xié)同進(jìn)化分析中進(jìn)一步證明了1基因在西藏高海拔適應(yīng)性的主效作用。此外，、10orf67等基因也被鑒定與山羊高海拔適應(yīng)性相關(guān)。

2.2 熱適應(yīng)性研究

高溫環(huán)境可以直接或間接影響家畜的生存生長(zhǎng)。氣溫升高可以導(dǎo)致多數(shù)地區(qū)的牧草質(zhì)量和數(shù)量的變化，同時(shí)伴隨溫度升高而來(lái)的是家畜對(duì)蟲害疾病的易感性增加，這些因素都可能會(huì)間接引起家畜生理或行為的變化，成為家畜適應(yīng)高溫環(huán)境的驅(qū)動(dòng)力之一。另一方面，家畜正常的體溫是由新陳代謝產(chǎn)生的熱量與機(jī)體熱量損失之間的平衡來(lái)協(xié)調(diào)控制的，當(dāng)外界環(huán)境溫度過(guò)高，家畜體內(nèi)的內(nèi)源性熱量無(wú)法及時(shí)消散時(shí)，熱應(yīng)激便會(huì)發(fā)生。熱應(yīng)激狀態(tài)會(huì)直接影響家畜的飼料攝入量、個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)奶量等，甚至?xí)l(fā)疾病，從而給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失(表2)。因此，山羊熱適應(yīng)性的研究對(duì)保護(hù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的意義，近年來(lái)也逐漸成為家畜環(huán)境適應(yīng)性的研究熱點(diǎn)之一。

山羊能夠通過(guò)表皮顏色和生理變化，如較高的呼吸速率、出汗率和呼吸量來(lái)應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境，這是在溫度因素的直接驅(qū)動(dòng)下形成的適應(yīng)性表現(xiàn)。Benjelloun等利用摩洛哥地區(qū)3個(gè)地方山羊品種的全基因組測(cè)序(WGS)數(shù)據(jù)探索山羊的遺傳結(jié)構(gòu)、連鎖不平衡和選擇標(biāo)記，使用基于群體分化的XP-CLR方法鑒定到了一些與毛色、體型、新陳代謝和呼吸系統(tǒng)相關(guān)的基因，并認(rèn)為這些受選擇的功能性基因有利于山羊?qū)Ξ?dāng)?shù)責(zé)?、干旱環(huán)境的適應(yīng)。山羊除了通過(guò)毛色和生理變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱環(huán)境的適應(yīng)以外，個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)變化也對(duì)熱環(huán)境的適應(yīng)有所貢獻(xiàn)。Kim等利用非洲地區(qū)地方山羊、綿羊群體和5個(gè)外來(lái)山羊群體的芯片數(shù)據(jù)，通過(guò)和兩種選擇信號(hào)檢測(cè)方法對(duì)熱帶干旱地區(qū)和寒冷潮濕地區(qū)的群體進(jìn)行分析，識(shí)別出了幾個(gè)受到積極選擇的候選區(qū)域，并鑒定到一些與熱適應(yīng)性和表型特征相關(guān)的基因，包括熱耐受性(2、3、1)，體型和發(fā)育(2、4、3、2)，能量和代謝(、、1A3)，神經(jīng)和自身免疫反應(yīng)(1、2、7、21、1R1)方面的基因。在Brito等對(duì)山羊的研究中也同樣鑒定出了熱耐受性相關(guān)的3基因。Bertolini等利用來(lái)自全球多個(gè)地區(qū)的山羊芯片數(shù)據(jù)，通過(guò)Samβada的遺傳環(huán)境關(guān)聯(lián)分析方法和選擇信號(hào)方法，發(fā)現(xiàn)基因家族及其附近區(qū)域的Pre-B-Cell Leukemia Homeobox 1 (1)基因通過(guò)調(diào)節(jié)山羊身體和組織的形態(tài)發(fā)育實(shí)現(xiàn)對(duì)熱環(huán)境的適應(yīng)。此外，還發(fā)現(xiàn)37L1、等基因通過(guò)參與胰島素分泌和糖代謝等過(guò)程影響山羊的熱應(yīng)激。

在熱帶地區(qū)，除了高溫環(huán)境對(duì)山羊的生理和表型會(huì)產(chǎn)生直接的影響外，高溫環(huán)境下生存的各類病蟲害威脅同樣不容小覷，其中威脅最大的就是錐蟲病。錐蟲病在非洲、亞洲和南美洲的低緯度熱帶地區(qū)家畜中非常普遍，而山羊更是深受影響，每年在非洲地區(qū)約有60%的山羊會(huì)受到錐蟲病的侵?jǐn)_。面對(duì)錐蟲病的威脅，Serranito等利用44個(gè)非洲山羊品種的芯片數(shù)據(jù)，結(jié)合采采蠅(錐蟲病傳播的主要媒介)傳播錐蟲病的強(qiáng)度和當(dāng)?shù)氐臏囟?、濕度?shù)據(jù)，通過(guò)LFMM潛在混合模型方法，鑒定出一組與錐蟲病耐受性相關(guān)的候選基因(3L2、7B、5A、2K、1、6和2)。因此，對(duì)山羊熱適應(yīng)性的基因挖掘和機(jī)制解析不僅應(yīng)關(guān)注高溫環(huán)境對(duì)山羊生理狀態(tài)的直接影響因素，也應(yīng)深入挖掘由高溫引起的一系列連鎖反應(yīng)對(duì)山羊生存生長(zhǎng)產(chǎn)生的間接影響因素，這也是山羊熱適應(yīng)能力的重要部分。

2.3 冷適應(yīng)性研究

溫度變化是影響家畜生存和繁殖的關(guān)鍵氣候因素之一，過(guò)冷的環(huán)境往往會(huì)直接影響新生羔羊的生存生長(zhǎng)，容易導(dǎo)致羔羊的出生體重低、死亡率高等情況。家畜皮毛的密度、厚度和長(zhǎng)度可直接影響御寒的效果，更加密集和更長(zhǎng)的毛發(fā)可有效降低體內(nèi)熱量的消散，從而適應(yīng)寒冷的環(huán)境。Wang等利用192只內(nèi)蒙古絨山羊的芯片數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)蒙古絨山羊的絨纖維長(zhǎng)度、纖維直徑和羊絨產(chǎn)量進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)研究，發(fā)現(xiàn)了4個(gè)與羊絨特征顯著相關(guān)的SNPs位點(diǎn)，并注釋到12、3D、和5基因參與毛囊發(fā)育過(guò)程。這些參與調(diào)控羊絨表型特性的基因也可能是山羊?qū)洵h(huán)境適應(yīng)的重要功能基因。Burren等利用10個(gè)瑞士地方山羊品種的芯片數(shù)據(jù)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)了25個(gè)重要的基因組區(qū)域，其中包含與表皮顏色(、、)、生長(zhǎng)(2、2R、、3)等表型相關(guān)的基因，并推測(cè)這些基因是為了適應(yīng)瑞士高山寒冷的氣候環(huán)境而受到選擇。另一方面，哺乳動(dòng)物脂肪組織也被認(rèn)為是維持自身熱量的關(guān)鍵因素，在低溫環(huán)境下它們可以通過(guò)高比例非飽和脂肪酸的脂肪組織來(lái)保障體內(nèi)的熱量水平。尤其是機(jī)體內(nèi)的棕色脂肪組織(Bat)，在冷環(huán)境的刺激下可以增強(qiáng)脂質(zhì)新陳代謝釋放出用以維持能量平衡的熱量。有研究者通過(guò)對(duì)山羊樣本進(jìn)行RNA-Seq分析，鑒定出、5和3M為從棕色脂肪組織(BAT)到白色脂肪組織(WAT)過(guò)渡的候選基因。因此，脂肪的轉(zhuǎn)化利用能力也許是山羊應(yīng)對(duì)寒冷環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵(表2)。通過(guò)結(jié)合山羊脂肪含量相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)也是探索山羊寒冷適應(yīng)性相關(guān)候選基因的一個(gè)有效途徑，但目前針對(duì)山羊的相關(guān)研究仍存在不足。

寒冷的氣候環(huán)境作為驅(qū)動(dòng)因素在山羊的長(zhǎng)期馴化過(guò)程中，不僅對(duì)山羊的表型特征產(chǎn)生影響，也使山羊在新陳代謝等方面表現(xiàn)出對(duì)寒冷環(huán)境的適應(yīng)性。2017年，Li等使用中國(guó)內(nèi)蒙古和遼寧地區(qū)地方山羊品種的重測(cè)序數(shù)據(jù)，通過(guò)基于遺傳分化()和多態(tài)性水平的交叉分析方法，鑒定出一些有利于山羊適應(yīng)寒冷干燥環(huán)境的候選基因，包括內(nèi)分泌調(diào)節(jié)相關(guān)的基因(4、1、1C、等)以及脂代謝和皮膚發(fā)育等相關(guān)的基因。

2.4 干旱適應(yīng)性研究

在干旱的環(huán)境條件下，水源的短缺往往會(huì)導(dǎo)致植被匱乏等一系列問(wèn)題，此時(shí)能量和營(yíng)養(yǎng)代謝對(duì)該環(huán)境下的家畜就變得至關(guān)重要。此外，干旱的環(huán)境地區(qū)通常也伴隨著高強(qiáng)的太陽(yáng)照射、強(qiáng)紫外線輻射以及炎熱的特點(diǎn)，這些因素也會(huì)對(duì)家畜的生殖生理過(guò)程產(chǎn)生直接的影響。Mwacharo等利用來(lái)自埃及沙漠地區(qū)5個(gè)綿羊群體的芯片數(shù)據(jù)，鑒定到了172個(gè)與干旱適應(yīng)性相關(guān)的候選基因，主要涉及新陳代謝、應(yīng)激反應(yīng)，神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)，免疫反應(yīng)的激活，生殖器官功能，體型的大小和形態(tài)、表皮的色素沉積和角化等生物過(guò)程(表2)。而在對(duì)山羊的研究中，Mdladla等利用來(lái)自亞熱帶濕潤(rùn)、干旱和沙漠地區(qū)239只南非地方山羊個(gè)體的芯片數(shù)據(jù)，通過(guò)遺傳環(huán)境關(guān)聯(lián)分析(RDA、SAM、LFMM)方法確定了478個(gè)重要SNPs位點(diǎn)上的基因，并發(fā)現(xiàn)受選擇的基因主要參與內(nèi)分泌調(diào)節(jié)、細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝和免疫力等相關(guān)通路，推測(cè)是南非山羊群體適應(yīng)當(dāng)?shù)匮谉?、干旱環(huán)境的結(jié)果。由此可見(jiàn)，山羊?qū)τ诟珊淡h(huán)境的適應(yīng)性是一個(gè)涉及多方面的復(fù)雜過(guò)程。而其中各個(gè)生理過(guò)程之間的聯(lián)系和最關(guān)鍵的候選基因還有待進(jìn)一步研究挖掘。

2.5 綜合氣候適應(yīng)性研究

氣候環(huán)境作為驅(qū)動(dòng)物種進(jìn)化的關(guān)鍵力量之一，除了在某些特殊環(huán)境地區(qū)擁有某一代表性的極端氣候變量(如沙漠地區(qū)的極低降水量、熱帶地區(qū)的極高溫度等)以外，大多數(shù)地區(qū)氣候環(huán)境都是由多種氣候變量協(xié)同產(chǎn)生的結(jié)果。一些氣候數(shù)據(jù)庫(kù)已提供多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的全球氣候數(shù)據(jù)，如日平均溫度、日最高溫度、降水量、蒸汽壓等多種氣候變量，通過(guò)結(jié)合這些多變量的環(huán)境數(shù)據(jù)和基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不僅可以了解家畜對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)性遺傳特征，還可以為家畜空間分布的歷史馴化過(guò)程研究提供重要證據(jù)。利用主成分分析(PCA)等方法對(duì)多變量的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，再與遺傳數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，即可了解物種內(nèi)對(duì)多變量綜合氣候適應(yīng)性的遺傳變異。如Cao等通過(guò)對(duì)地方綿羊群體的氣候適應(yīng)性和野羊的基因滲入研究發(fā)現(xiàn)，綿羊中與多變量綜合氣候適應(yīng)性相關(guān)的基因主要參與腫瘤與細(xì)胞的發(fā)育和增殖、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育；能量代謝和內(nèi)分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)及免疫與炎癥反應(yīng)等過(guò)程，其中還包括來(lái)源于野羊基因滲入的基因。而在對(duì)山羊的研究中，Cortellari等通過(guò)遺傳環(huán)境關(guān)聯(lián)分析方法(LFMM、Samβada)對(duì)意大利33個(gè)地方山羊種群的基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了62個(gè)與溫度和濕度相關(guān)的基因，并進(jìn)一步注釋到它們主要參與山羊的生長(zhǎng)、晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)、個(gè)體發(fā)育和炎癥反應(yīng)過(guò)程。此外，他們還對(duì)關(guān)鍵SNP基因型頻率的未來(lái)變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，這在對(duì)山羊氣候適應(yīng)性的研究中是個(gè)新思路。因此，通過(guò)利用豐富多樣的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)山羊的綜合氣候適應(yīng)性進(jìn)行探究，是揭示山羊應(yīng)對(duì)氣候變化的分子遺傳機(jī)制的有效途徑(表2)。

表2 主要山羊群體的氣候環(huán)境適應(yīng)性研究Table 2 Study on climatic and environmental adaptability of major goat populations

3 展 望

景觀基因組學(xué)是將基因組學(xué)、遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)用以探索生物基因組與氣候環(huán)境之間關(guān)聯(lián)的一門新近發(fā)展起來(lái)的學(xué)科。測(cè)序技術(shù)的成熟，使得在多個(gè)體或多群體內(nèi)篩選單核苷酸多態(tài)性的成本大幅降低，準(zhǔn)確性顯著提高。與此同時(shí)，大批的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)集也在持續(xù)更新完善，并越來(lái)越多地允許公開訪問(wèn)，這些因素都有利于推動(dòng)景觀基因組學(xué)的快速進(jìn)步發(fā)展。然而,目前已有的景觀基因組學(xué)研究多集中在植物和昆蟲等領(lǐng)域，針對(duì)山羊乃至針對(duì)家畜領(lǐng)域的相關(guān)研究仍處于相對(duì)落后的水平，這為今后對(duì)山羊遺傳資源的評(píng)價(jià)、保護(hù)和利用工作帶來(lái)了全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

山羊經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的遺傳馴化過(guò)程，如今已成功地適應(yīng)了沙漠、高原、山區(qū)、熱帶地區(qū)等不同的生存環(huán)境，而其他家畜物種很少能在如此多樣的環(huán)境中健康成長(zhǎng)。除此之外，山羊的產(chǎn)肉、產(chǎn)奶、產(chǎn)絨等優(yōu)良經(jīng)濟(jì)性狀為人類社會(huì)的發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)生活材料。這也使得山羊成為全世界范圍內(nèi)的重要家畜之一，也使山羊的遺傳資源挖掘工作顯得尤為重要。在對(duì)山羊環(huán)境適應(yīng)性的研究中，隨著環(huán)境數(shù)據(jù)的豐富和測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，逐步從起初簡(jiǎn)單定性的單一環(huán)境變量的適應(yīng)性分析過(guò)渡到如今多解釋變量和多響應(yīng)變量的精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)分析。這使得對(duì)家畜氣候適應(yīng)性相關(guān)候選基因的挖掘變得更加簡(jiǎn)單、高效，同時(shí)能夠直接找出與遺傳變異位點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的具體環(huán)境因素，這為解析家畜的氣候適應(yīng)性分子機(jī)制提供了重要的直接證據(jù)。

然而在現(xiàn)有的研究中，面對(duì)篩選到的眾多氣候適應(yīng)性相關(guān)的候選基因，在其后續(xù)的功能驗(yàn)證過(guò)程中往往存在困難甚至難以實(shí)現(xiàn)。推測(cè)其可能的原因包括以下兩點(diǎn)：1)山羊的氣候適應(yīng)能力多是一個(gè)通過(guò)多方面生物過(guò)程調(diào)控的復(fù)雜性狀，僅針對(duì)某單一方面的功能基因進(jìn)行驗(yàn)證難以體現(xiàn)對(duì)相應(yīng)氣候的適應(yīng)能力；2)氣候變量的條件難以在驗(yàn)證試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的復(fù)制。因此，對(duì)氣候適應(yīng)性候選基因后續(xù)的功能驗(yàn)證研究仍有待進(jìn)行技術(shù)和方法的創(chuàng)新。此外，針對(duì)某一氣候適應(yīng)性相關(guān)的多個(gè)候選基因間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)也尚不明確，在研究中仍有待進(jìn)一步深入分析挖掘。只有詳細(xì)地了解山羊環(huán)境適應(yīng)性的分子遺傳機(jī)制，才能充分地發(fā)揮山羊遺傳資源的價(jià)值，為山羊的育種和繁殖工作提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。深入開展山羊氣候適應(yīng)性研究工作，不僅可以揭示自然驅(qū)動(dòng)下山羊適應(yīng)性進(jìn)化的歷史進(jìn)程，還能為許多環(huán)境因素導(dǎo)致的疾病提供重要基礎(chǔ)資料，對(duì)保護(hù)和利用山羊的遺傳資源，保護(hù)山羊品種的多樣性，提高山羊產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能和效率具有重大意義。