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客户发表:全基因组测序揭示RXFP2在半野化山羊独特角表型发育过程中的作用
作者: 来源: 发布于:2018-3-23 15:59:28 点击量:

 

源宜基因参与了客户中国农业科学院畜牧科学研究所在Giga Sceiece上发表的题为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,下文是我们对文章的解析。

 

研究背景

家畜的驯化研究已经很深入了,但是家畜的野化现象研究的却远远不足。驯化和野化是相反的行为,驯化是动物适应人为的选择,而野化是由适应人为环境逐渐再适应自然环境的过程。

中国驯养羊的历史长达5000年,5000~7000年前的蒙古高原上的游牧民族已经开始饲养羊类了。中国境内的羊种群以地理划分为3个品种:蒙古高原品种、云贵高原品种和青藏高原品种。青藏高原品种由于其驯化历史和驯养系统,非常适合作为研究半野化的进化模型。首先,青藏高原品种生长在广阔的高原草场环境中;其次受到自然的胁迫,第三,品种内并没有性别隔离和品种筛选等人为控制。

 

材料与方法

材料:3个典型的青藏高原品种共30只、6个中国北方蒙古品种共59只和10只欧洲品种的澳洲美利奴羊共99只(共计10个品种,图1.a),分别取200 μl次级静脉血提取基因组DNA

方法:全基因组测序(Illumina Hiseq 2500测序平台进行PE测序),Western bolt


研究结果

(1)变异特征

共获得38,090,348个SNP位点和4,348,493个InDel位点。大多数变异存在于基因间或是内含子中,外显子中仅有269,584个SNP位点和5,518 个InDel位点。与参考数据库比对,测序捕获到94 %的SNP、InDel位点共26,598,869 个,其中37.3 %是新发现的位点。

青藏品种羊的基因组多样性π值为2.44-2.61 ×10-3, 比蒙古高原品种的π值低,这是因为青藏高原品种是由蒙古高原品种演化而来。

(2)中国绵羊的群体遗传学

研究根据等位基因距离构建了中国羊的NJ系统进化树(图1. b),显示欧洲品种是系统树第一个分支,然后是蒙古品种,再次是青藏品种,符合羊的历史迁移路线。3个青藏品种在抽样测试中形成一个分支说明该品种来自一个较近的祖先系统。

PCA分析显示欧洲种、蒙古种、青藏种相互分离,而在青藏种的两个组中存在相当大的差异,一组是半野化的PT、OL品种,另一组是VT品种(图1. c)。此外,还进行了群体结构分析(图1. d)。

图1. 中国绵羊的遗传进化关系和群体结构

(3)半野化和驯养羊群的选择性扫描

在两个半野种群中研究在10号染色体上发现了一种松弛素/胰岛素样家族肽受体2基因(RXFP2)。RXFP2基因是典型的与羊角相关的基因,一般作为野生群体的标记。

除了RXFP2之外,研究还发现了不少对野外环境适应的基因的Fst和Hp显著增高(图2. b)。如听力相关基因MITF, MSRB3, SLC26A4以及肌肉发育相关基因SMNDC1, SOX6、瘤胃发育相关基因PRD-SPRRII(图2.b)、高原适应相关基因NF1PTEN、PINK1。对PT、OL、VT、BY种群基因进行GO注释发现PT、OL和其重叠的候选基因中野性相关功能显著(图2. c)。

图2. 野化相关基因筛选

(4)以RXFP2作为半野种群的阳性选择基础

两个半野种群(PT、OL)显示出种群分化和显著地杂合率降低,VT中没有类似情况,而BY显示了稳健的基因分化但没有杂合率降低(图3. a)。RFXP2基因的SNP定位模式揭示了其在PT、OL中的单一性,与VT、BY和蒙古品种、欧洲品种相比明显不同(图3. b)。

RXFP2基因的两种错义突变位点在其蛋白变异中最显著差异,这两个位点在草食性动物种高度保守但与其他品种相比,PT和OL种群中发生了突变(图3. c)。为了验证该理论研究检测了1155个独立个体的这两个SNP位点。其结果与上文实验结果一致(图3.d)。

图3. 半野种群杂合率变化和RXFP2突变位点

(5)RXFP2单倍型决定角的大小和形状

半野化品种PT、OL的一般特征是拥有螺旋形且水平延伸的强有力的长角(SHE型,图4. a),而VT、BY、蒙古种、欧洲种羊的角或是无角或是环形紧贴面部(TCF型,图4. a)。为了验证RXFP2对角的外形有直接影响,研究测试了独立的PT种群中182个个体变异角类型,包括138个SHE型、16个TCF型和14个不全角和11和无角个体,利用退化模型鉴定角表型和8个(包括2个蛋白编码,2个内含子,4个前期报道的)RXFP2偶联SNP的相关性。这182个个体中研究发现角的大小与鉴定得到的3个SNP有强关联性,但与前期报道的4个SNP相关性不强或无关(图4. b)。8个SNP中相关性最高的是蛋白编码SNP(OAR10_29461968)P=4.78×1023(图4. c)该纯合子在SHE型角个体中比在TCF行个体中显著,P=2.20×10-7(图4. d)。

图4. SHE型、TCF型及相关SNP筛选

(6)RXFP 2在羊角中的表达量

为了证明RXFP2对羊角有直接作用而不是间接调控该性状,研究检测了所有的相关功能基因(RXFP2, B3GLCT, FRY, LOC101110773, LOC106991357),结果发现只有RXFP 2在软质角和角的骨膜中存在组织特异性(图5. a)。

后续检测了SHE型、TCF型和不全角个体的基因蛋白表达,尽管个体差异十分明显,RXFP2在SHE型个体中表达量比TCF型(p<0.001)和不全角型(p<0.001)低(图5. b),也就是说RXFP2与角大小成负相关(皮尔逊系数r=-0.76,p=0.002)(图5. c),western bolt结果与mRNA表达量相印证(图6. d)。

图5. 相关基因验证

总结

野化是驯化的相反过程。本文进行了广泛的青藏羊类的基因多样性研究,两种半野化种群与驯化种群分析比较揭示了半野化在雄性生殖、肌肉生长、食性、防御反应等的重要作用,尤其是半野羊类观察到独特的角表型。

角对于羊生存在野外环境中有着重要作用。首先利于交配生殖,其次能够用于抵御肉食天敌。青藏高原的羊类则具备特殊的SHE型角,这一表型由RXFP2介导。RXFP2显著影响角的大小和形状,且该基因在13种组织中显示组织特异性。SHE型角与匈牙利Racka羊有类似的角型,但还不清楚是由其他血统基因渗透产生SHE型角,还是相反。


参考文献

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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