我國科學家在水牛基因取得進展:解析白毛色性狀的致因突變和分子...

2021-01-20 中國綠髮會

根據聯合國糧食和農業組織（FAO）的統計，全世界水牛存欄量2.07億頭，分布在五大洲約67個國家和地區，為人類提供奶、肉以及畜力。我國水牛存欄2200多萬頭，在長江流域及以南地區廣泛飼養。白水牛的皮膚呈粉紅色，被毛、角和蹄均為白色，而眼睛呈現黑色，是珍貴的畜禽遺傳資源，常見於中國及東南亞。雖然人們已經知道水牛白毛色是顯性遺傳的性狀，但其分子機制卻一直未被解析。

集中分布在我國貴州省遵義市的白水牛，又稱「鳳岡白水牛」或「亮毛牛」，是貴州特有的地方水牛遺傳資源，其培育可能始於清朝末年。它具有抗病力強、役用性能好、持久力好、屠宰性能高、繁殖性能良好、性格溫順、易於管理、適應粗放飼養等優點。貴州白水牛個體比貴州青毛水牛略大，主要集中於黔北地區的鳳岡縣、務川縣等地。但是，隨著農業機械化程度的不斷提高，牛的役用功能逐年減弱，且白水牛適宜生活的地區為山區，長期缺乏科學的選育和保種技術，加上群體內的近親繁殖或與青毛水牛的盲目雜交，從而導致白水牛的遺傳品質嚴重退化、數量逐年減少。2012年貴州白水牛的存欄數比1997年減少了近80%，比2006年減少了30%左右。目前，鳳岡縣白水牛能繁母牛的存欄數量不足300頭，面臨滅絕的危險。

貴州白水牛和普通水牛(梁正文拍攝)

近日，中國生物多樣性保護與綠色發展基金會專家委員會遺傳資源顧問、來自國際家畜研究所-中國農科院北京畜牧獸醫研究所「畜禽牧草遺傳資源聯合實驗室」韓建林教授分享了一則最新研究成果——他與中國農業大學動物科技學院張毅副教授課題組一道，在國際知名學術期刊《Molecular Biology and Evolution》在線發表了題為「Genomic analysis revealed a convergent evolution of LINE-1 in coat color: A case study in water buffaloes (Bubalus bubalis)」的原創性研究論文。該研究利用多種組學手段，對水牛白毛色性狀的致因突變和分子調控機制進行了深入探討。

(張毅拍攝)

研究團隊通過全基因組重測序、轉錄組測序、Nanopore單分子測序以及基因功能研究，發現在白水牛Agouti信號蛋白基因（ASIP）上遊存在一個LINE-1轉座子的插入。該LINE-1長2809個核苷酸，只含有完整LINE-1轉座子的5』-UTR區域，但仍行使ASIP基因新的強啟動子功能，使白水牛皮膚ASIP基因的表達量提高了近10倍，且LINE-1轉錄序列與ASIP基因編碼外顯子形成白水牛特有的融合轉錄本。組織學實驗表明，ASIP基因的高表達阻礙了黑色素細胞的發育，導致白水牛皮膚基底層缺乏成熟黑色素細胞及色素顆粒。這些全新的「組學」 結果系統地揭示了水牛白毛色性狀形成的分子機制。

（水牛白毛色性狀形成的分子機制模型）

（水牛白毛色是受單一基因控制的經典質量性狀，遵循孟德爾遺傳規律，呈現完全顯性遺傳。2020年11月3日，中國農業大學動物科技學院和國際家畜研究所—中國農業科學院畜禽牧草遺傳資源聯合實驗室科學家聯手，利用多種「組學」手段，系統地提示了其致因突變和分子調控機制。上圖為此文發表的頁面。圖片來源/Molecular Biology and Evolution）

此外，課題組還通過對普通牛、水牛和犛牛基因組中LINE-1元件的進化分析，證明白水牛ASIP基因上遊的LINE-1轉座子元件屬於物種特異的LINE-1亞家族，起源於沼澤型水牛亞種內的LINE-1轉座事件。普通牛與水牛的ASIP基因都存在獨立進化的LINE-1轉座子插入，導致其毛色模式的改變，呈現了一種轉座子調控基因表達並進而決定性狀形成的趨同進化現象。

（普通牛和水牛兩個物種中LINE-1轉座子調控ASIP基因表達的趨同進化現象）

水牛白毛色性狀遺傳機制的闡明，使其成為家養水牛中第一個被解析分子遺傳機制的表型性狀，豐富了人們對動物白毛色形成機理的認識，加深了對白水牛遺傳特性的了解，為我國白水牛特色遺傳資源的有效保護和科學選育提供了重要的科學依據。

中國農業大學動物科技學院張毅副教授、國際家畜研究所-中國農科院北京畜牧獸醫研究所畜禽牧草遺傳資源聯合實驗室韓建林教授為論文共同通訊作者；動物科技學院博士生梁棟和博士後趙鵬舉為論文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金委員會與國際農業研究磋商組織合作研究項目（31561143010）、中國農業大學「人才培育發展支持計劃」項目和中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所對「畜禽牧草遺傳資源聯合實驗室」的資助。來自中國、澳大利亞、英國、美國、泰國、寮國和孟加拉國的學者聯合完成了此項研究；貴州省畜禽遺傳資源管理站、遵義市及鳳岡縣農業農村局、北京交通大學、雲南農業大學、中國科學院昆明動物所和中國科學院北京基因組所等國內高校和科研單位也參與了部分工作。

文章連結：https://doi.org/10.1093/molbev/msaa279

編輯/Linda 審/HJL 責編/Angel

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