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客戶發表:全基因組測序揭示RXFP2在半野化山羊獨特角表型發育過程中的作用
作者: 來源: 發布于:2018-3-23 15:59:28 點擊量:

 

源宜基因參與了客戶中國農業科學院畜牧科學研究所在Giga Sceiece上發表的題為Whole-genome sequences of 89 Chinese sheep suggest role of RXFP2 in the development of unique horn phenotype as response to semi-feralization 的文章,下文是我們對文章的解析。

 

研究背景

家畜的馴化研究已經很深入了,但是家畜的野化現象研究的卻遠遠不足。馴化和野化是相反的行為,馴化是動物適應人為的選擇,而野化是由適應人為環境逐漸再適應自然環境的過程。

中國馴養羊的歷史長達5000年,5000~7000年前的蒙古高原上的游牧民族已經開始飼養羊類了。中國境內的羊種群以地理劃分為3個品種:蒙古高原品種、云貴高原品種和青藏高原品種。青藏高原品種由于其馴化歷史和馴養系統,非常適合作為研究半野化的進化模型。首先,青藏高原品種生長在廣闊的高原草場環境中;其次受到自然的脅迫,第三,品種內并沒有性別隔離和品種篩選等人為控制。

 

材料與方法

材料:3個典型的青藏高原品種共30只、6個中國北方蒙古品種共59只和10只歐洲品種的澳洲美利奴羊共99只(共計10個品種,圖1.a),分別取200 μl次級靜脈血提取基因組DNA

方法:全基因組測序(Illumina Hiseq 2500測序平臺進行PE測序),Western bolt


研究結果

(1)變異特征

共獲得38,090,348個SNP位點和4,348,493個InDel位點。大多數變異存在于基因間或是內含子中,外顯子中僅有269,584個SNP位點和5,518 個InDel位點。與參考數據庫比對,測序捕獲到94 %的SNP、InDel位點共26,598,869 個,其中37.3 %是新發現的位點。

青藏品種羊的基因組多樣性π值為2.44-2.61 ×10-3, 比蒙古高原品種的π值低,這是因為青藏高原品種是由蒙古高原品種演化而來。

(2)中國綿羊的群體遺傳學

研究根據等位基因距離構建了中國羊的NJ系統進化樹(圖1. b),顯示歐洲品種是系統樹第一個分支,然后是蒙古品種,再次是青藏品種,符合羊的歷史遷移路線。3個青藏品種在抽樣測試中形成一個分支說明該品種來自一個較近的祖先系統。

PCA分析顯示歐洲種、蒙古種、青藏種相互分離,而在青藏種的兩個組中存在相當大的差異,一組是半野化的PT、OL品種,另一組是VT品種(圖1. c)。此外,還進行了群體結構分析(圖1. d)。

圖1. 中國綿羊的遺傳進化關系和群體結構

(3)半野化和馴養羊群的選擇性掃描

在兩個半野種群中研究在10號染色體上發現了一種松弛素/胰島素樣家族肽受體2基因(RXFP2)。RXFP2基因是典型的與羊角相關的基因,一般作為野生群體的標記。

除了RXFP2之外,研究還發現了不少對野外環境適應的基因的Fst和Hp顯著增高(圖2. b)。如聽力相關基因MITF, MSRB3, SLC26A4以及肌肉發育相關基因SMNDC1, SOX6、瘤胃發育相關基因PRD-SPRRII(圖2.b)、高原適應相關基因NF1PTEN、PINK1。對PT、OL、VT、BY種群基因進行GO注釋發現PT、OL和其重疊的候選基因中野性相關功能顯著(圖2. c)。

圖2. 野化相關基因篩選

(4)以RXFP2作為半野種群的陽性選擇基礎

兩個半野種群(PT、OL)顯示出種群分化和顯著地雜合率降低,VT中沒有類似情況,而BY顯示了穩健的基因分化但沒有雜合率降低(圖3. a)。RFXP2基因的SNP定位模式揭示了其在PT、OL中的單一性,與VT、BY和蒙古品種、歐洲品種相比明顯不同(圖3. b)。

RXFP2基因的兩種錯義突變位點在其蛋白變異中最顯著差異,這兩個位點在草食性動物種高度保守但與其他品種相比,PT和OL種群中發生了突變(圖3. c)。為了驗證該理論研究檢測了1155個獨立個體的這兩個SNP位點。其結果與上文實驗結果一致(圖3.d)。

圖3. 半野種群雜合率變化和RXFP2突變位點

(5)RXFP2單倍型決定角的大小和形狀

半野化品種PT、OL的一般特征是擁有螺旋形且水平延伸的強有力的長角(SHE型,圖4. a),而VT、BY、蒙古種、歐洲種羊的角或是無角或是環形緊貼面部(TCF型,圖4. a)。為了驗證RXFP2對角的外形有直接影響,研究測試了獨立的PT種群中182個個體變異角類型,包括138個SHE型、16個TCF型和14個不全角和11和無角個體,利用退化模型鑒定角表型和8個(包括2個蛋白編碼,2個內含子,4個前期報道的)RXFP2偶聯SNP的相關性。這182個個體中研究發現角的大小與鑒定得到的3個SNP有強關聯性,但與前期報道的4個SNP相關性不強或無關(圖4. b)。8個SNP中相關性最高的是蛋白編碼SNP(OAR10_29461968)P=4.78×1023(圖4. c)該純合子在SHE型角個體中比在TCF行個體中顯著,P=2.20×10-7(圖4. d)。

圖4. SHE型、TCF型及相關SNP篩選

(6)RXFP 2在羊角中的表達量

為了證明RXFP2對羊角有直接作用而不是間接調控該性狀,研究檢測了所有的相關功能基因(RXFP2, B3GLCT, FRY, LOC101110773, LOC106991357),結果發現只有RXFP 2在軟質角和角的骨膜中存在組織特異性(圖5. a)。

后續檢測了SHE型、TCF型和不全角個體的基因蛋白表達,盡管個體差異十分明顯,RXFP2在SHE型個體中表達量比TCF型(p<0.001)和不全角型(p<0.001)低(圖5. b),也就是說RXFP2與角大小成負相關(皮爾遜系數r=-0.76,p=0.002)(圖5. c),western bolt結果與mRNA表達量相印證(圖6. d)。

圖5. 相關基因驗證

總結

野化是馴化的相反過程。本文進行了廣泛的青藏羊類的基因多樣性研究,兩種半野化種群與馴化種群分析比較揭示了半野化在雄性生殖、肌肉生長、食性、防御反應等的重要作用,尤其是半野羊類觀察到獨特的角表型。

角對于羊生存在野外環境中有著重要作用。首先利于交配生殖,其次能夠用于抵御肉食天敵。青藏高原的羊類則具備特殊的SHE型角,這一表型由RXFP2介導。RXFP2顯著影響角的大小和形狀,且該基因在13種組織中顯示組織特異性。SHE型角與匈牙利Racka羊有類似的角型,但還不清楚是由其他血統基因滲透產生SHE型角,還是相反。


參考文獻

Pan, Zhangyuan, et al. "Whole-genome sequences of 89 Chinese sheep suggest role of RXFP2 in the development of unique horn phenotype as response to semi-feralization." GigaScience  (2018). 



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