2025-01-20
动物群体进化测序相关的多组学联合分析再添高分文章啦~
近日，中科院西北高原生物研究所在《J Anim Sci Biotechnol》期刊发表新研究成果！
本项目研究了青海省6个藏绵羊品种的遗传多样性和群体结构。此外，还分析了藏绵羊的驯化特征，并研究了藏绵羊在高原地区不同海拔地区的独特适应机制。本研究为极端环境中藏绵羊的进化过程提供了宝贵的见解，有助于保护遗传多样性，并为藏绵羊多样性保护和高原动物环境适应机制研究奠定基础。
本研究的测序和部分分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
1、研究背景
从社会经济的角度来看，小型反刍动物，对人类的生计至关重要。藏绵羊是在青藏高原环境中长期自然和人工选择形成的小型反刍动物，具有抗寒、抗病和适应高海拔等显著特征。然而，高原独特的环境条件，加上以放牧为基础的饲养方式和传统的繁殖方法，导致藏绵羊繁殖率低，生长缓慢，体型小。
通过整合基因组和表型数据，可以识别由自然和人工选择的基因组区域，有助于揭示物种适应各种环境和生产需求的分子基础。本研究使用全基因组重测序技术分析来自中国青海省的6个藏绵羊品种的遗传结构。此外，与转录组学相结合，探索高原地区不同海拔地区藏绵羊的高原适应机制。
2、研究材料与方法
1.实验材料：6个品种的藏绵羊
2.测序平台：Illumina
3.分析内容：进化树、IBS、PCA、Structure、基因流、遗传系数、选择清除分析、RNA-seq。
3、研究结果
系统发育关系和种群结构
本研究共有130只绵羊，其中6个不同品种(EL，GB，PT，VT，ZS，ZK)的120只藏绵羊，10只盘羊的测序数据来自NCBI（图1A）。
PCA结果显示盘羊和藏绵羊以及6个单独的藏绵羊品种是可区分的（图1B和C）。系统发育树表明不同品种存在明显的遗传差异（图1D）。种群结构表明，在K=2时，盘羊和藏绵羊可以追溯到不同的祖先谱系。在K=4时，GB、PT、ZS和ZK的大部分遗传信息来自一个共同的祖先群体（黄色），EL和VT分别显示了蓝色和红色祖先群体的主要遗传贡献（图1E）。
图1 藏绵羊的系统发育关系和种群结构
基因组多样性
从两个方面分析了LD衰变：第一，将6个藏绵羊品种作为一个整体（TS）与盘羊进行比较，表明TS的LD速度比盘羊快；第二，仅关注6个藏绵羊品种，结果表明PT亚型表现出最慢的衰变率，而ZK亚型最快。说明ZK种群经历了最高程度的驯化和最激烈的人工选择，而PT亚型表现出最高的群体多样性和最低的人工选择强度（图2C和D）。
图2 藏、盘羊6个品种的基因流及LD分析
盘羊和藏绵羊的独特SNP鉴定
盘羊和藏绵羊分别鉴定到2953038和823277个特有SNP，20576个共有SNP（图3A）。藏绵羊特有SNP的KEGG和GO富集分析结果与盘羊中观察到的结果非常相似。富集的KEGG通路主要与营养消化、激素合成和分泌、消化液分泌、味觉信号转导和免疫相关通路等过程有关(图3D)。同样，富集GO的途径与材料结合、ATP酶活性途径和细胞结构有关(图3E)。
图3 盘羊和藏绵羊特有的SNP分析
藏绵羊驯化过程中选择信号的检测
6个藏绵羊品种与盘羊通过XR-CLR鉴定藏绵羊在驯化过程中经历自然选择和人工驯化的基因组区域，并对受选择信号进行富集分析（图4A），结果显示KEGG通路分析强调了参与信号转导的通路，包括Ras信号通路、PI3K/Akt等信号通路和钙信号通路。GO分析揭示了对发育和细胞功能至关重要的过程（图4B和4C）。
图4 改良过程中藏绵羊的选择性标记
高海拔适应性选择
青藏高海拔地区（4300米）的ZS与自低山谷地区（1800米）的VT，经过XP-CLR鉴定出5788个受选择区域（图5A）。KEGG显著富集于嘌呤代谢、ECM受体相互作用、血管平滑肌收缩、甲状腺激素信号等通路途径（图5B）。GO富集分析揭示了与适应相关的过程（图5C）。
图5 藏绵羊适应性的选择性淘汰分析
转录调控测序分析
藏绵羊已适应高原高海拔的缺氧环境，心脏和肺等器官在这种适应中起着至关重要的作用。对ZS和VT的个体心脏和肺部样本进行转录分析。与低海拔VT组相比，高海拔ZS组心脏中有245个上调基因和226个下调基因（图6A）。值得注意的是，在一个模块内，L0C101119076、CYP1A1和APOB显示出高度的连接性，这表明它们在这种生物过程中可能起着重要的调节作用。
图6 高、低海拔组的心脏转录组结果
高原适应中转录组和选择性清除的联合分析
在ZS与VT的比较中，五个基因（RAMP1、PTPN3、COL4A2、MXRA5和ADAMTS2）受到了选择，并在心脏和肺转录分析中差异表达。这些基因是适应高海拔的潜在候选基因。KEGG和GO（图7A和7B）富集分析揭示了这些途径可能代表了藏绵羊适应高海拔高原环境的关键调控机制。
图7 选择性清除区域差异表达基因的功能富集分析
4、结 论
本研究中分析了6个藏绵羊品种的基因组变异、种群结构、差异、遗传距离和基因流，全面解析了它们的系统发育关系。值得注意的是，本研究表明，藏绵羊通过增强心肺功能、肾脏再吸收调节体液平衡以及改变营养消化和吸收途径来适应高海拔环境。这项研究为西藏绵羊在极端环境中茁壮成长的进化过程提供了宝贵的见解。这些发现还将有助于保护遗传多样性，并为未来研究高海拔物种的环境适应和生物多样性保护奠定基础。
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文章索引：Li， X， et al.Whole-genome resequencing to investigate the genetic diversity and mechanisms of plateau adaptation in Tibetan sheep.J Anim Sci Biotechnol. 2024 Dec 6;15(1):164.doi: 10.1186/s40104-024-01125-1.
