李孟華團隊揭示綿羊抵禦肺炎的關鍵功能基因和氣候適應性遺傳機制

2020-09-20 BioArt

責編丨兮


動物（尤其是家畜）如何適應各種氣候和應對環境具有重要的生物學意義。此外，了解當地種群適應性的遺傳機制，對於設計合適的育種方案以應對氣候變化至關重要。近年來，種間基因滲入已成為許多研究關注的焦點，已有研究在全基因組水平上探索古代物種的滲入對於現代生物的基因貢獻，例如尼安德特人與丹尼索瓦人的 DNA 使人類得以適應青藏高原，避免人類遭受高海拔血氧飽和度低帶來的危害。與古人類之間的基因流使得人類的皮膚和毛髮色素適應歐亞地區的氣候。但很少在家畜中研究與氣候適應性相關的野生物種滲入，而這可以為分子育種提供重要信息以改善環境適應性。


綿羊屬(Ovis)包括家養綿羊(O.aries)和7個野生近緣種:盤羊(O.ammon), 亞洲摩弗倫(O.orientalis), 歐洲摩弗倫(O.musimon), 烏利阿爾羊(O.vignei), 雪羊(O.nivicola), 大角羊(O.canadensis), 和瘦角羊(O.dalli)。綿羊在適應各種環境的同時，面臨著多種氣候和病原體的侵襲，例如，綿羊支原體肺炎是由支原體感染引起的，以高熱、咳嗽、漸進性消瘦和間質性肺炎症為主要臨床特徵的一種極強接觸性傳染病，對全球綿羊產業發展危害極其嚴重。而對於綿羊支原體肺炎的抗性具有物種/品種特異性，例如，巴什拜羊(Bashibai)和阿華西羊(Awassi)對肺炎具有抗性。


圖1 基因滲入野羊物種：（A）盤羊（B）亞洲摩弗倫（C）歐洲摩弗倫（D）雪羊

被滲入家羊品種：（E）巴什拜羊（F）灰-設拉子羊（G）科西嘉羊（H）設得蘭羊（I）庫倫丁羊

患肺炎的大角羊

(http://bighornhealth.org/about-pneumonia)


2020年9月17日，中國農業大學李孟華教授及合作者在Molecular Biology and Evolution在線發表題為「Historical introgression from wild relatives enhanced climatic adaptation and resistance to pneumonia in sheep」的研究論文，通過來自129個家羊種群和所有7個野生近緣種(盤羊argali, 亞洲摩弗倫Asiatic mouflon, 歐洲摩弗倫European mouflon, 烏利阿爾羊urial, 雪羊snow sheep, 大角羊bighorn, 和瘦角羊thinhorn)的3938個樣本，以及40年117個氣候變量的數據，解析了野生綿羊物種PADI2基因的滲入對家養綿羊抵禦肺炎和快速適應氣候的貢獻。



綿羊支原體肺炎（操銀紅 提供）


該研究的血液及組織樣本來自於李孟華教授的合作者，樣本覆蓋範圍包含中亞，東亞，中東，非洲，西南歐，北歐，英國，北美，西伯利亞。通過結合測序和氣候數據，該研究進行了遺傳多樣性，種群結構，物種間滲入，氣候介導的選擇性掃描的全基因組分析，檢測到了從野生近緣種到同域分布家羊種群的共同滲入的清晰信號，有助於家羊對當地氣候的快速適應，並且增強了它們的遺傳多樣性。


圖2 採集樣本分布，遺傳多樣性，及種群結構，呈現了家羊的7個主要成分（中東亞、西亞、非洲、北美、西南歐、北歐、英國）及7個野生近緣種


該研究通過種群水平和基因組水平的分析，檢測到了與嗅覺相關的基因（如ADCY3和TRPV1）和PADI基因家族（特別是PADI2）中等位基因的共同滲入信號，其與抗菌和先天性免疫有關。


通過高深度重測序數據對全基因組序列的進一步分析表明，PADI2基因的特定區段（chr2: 248302667-248306614）中滲入的等位基因與抗肺炎相關。基因型模式和單倍型模式圖清晰地展現出易感野羊物種（如大角羊，瘦角羊）、抗性野羊物種（如盤羊、亞洲摩弗倫、歐洲摩弗倫）、抗性家羊品種（如巴什拜羊、灰-設拉子羊、高加索羊，阿華西羊）和易感家羊品種（如門茲羊，卡拉庫爾羊），不同物種/品種羊的抗性/易感性的差異，為綿羊支原體肺炎的致病機理與防控研究奠定了理論基礎。


該研究揭示了野羊基因滲入增強了家羊的基因組多樣性，從野生近緣種獲得的等位基因變異為家羊提供了氣候適應性，特別是家羊對肺炎的抗性。這些發現為本土家畜種群適應氣候的進化機制提供了新見解。新生成的全基因組數據為綿羊的遺傳改良提供了寶貴資源。在當前國際「得種質者天下安」的大環境下，培育出抗性種群刻不容緩。


據悉，中國科學院動物研究所博士研究生操銀紅、徐松松、新疆農墾科學院沈敏研究員，中科院動物所博士研究生陳澤慧，以及新疆農墾科學院高磊副研究員為論文共同第一作者，中國農業大學李孟華教授為通訊作者。


原文連結：

https://doi.org/10.1093/molbev/msaa236

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