作者:刘建全等 来源:《自然—通讯》 发布时间:2023/9/25 10:16:23
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兰州大学领衔研究破解白牦牛起源之谜

 

青藏高原,这片被称为“世界屋脊”的神秘土地,孕育了无数独特的生物和自然资源。其中,白牦牛,一种具有特殊外貌的动物,被当地人和游客普遍喜爱。近日,兰州大学生态学院教授刘建全与中国农科院兰州牧药所研究员阎萍等课题组合作的一项最新研究揭示了家养牦牛广泛遗传渗入导致的表型变异,发现白牦牛是来自黄牛杂交渗入后引起的新突变。相关论文发表于《自然-通讯》。

  青藏高原白牦牛。刘建全供图。

揭开白牦牛身世之谜

在青藏高原,传统家养牦牛普遍为黑色,但是也有花色和白色等品种;它们一起为当地牧民提供奶、肉、毛、役力、燃料等生产生活必需品。家养牦牛是青藏高原牧民的重要生活和经济来源,也是当地畜牧业经济中不可缺少的重要畜种。牦牛驯化也为人类早期永久居住在青藏高原高海拔地区提高了基本条件。

“研究家养牦牛的基因组可以帮助我们更好地理解牦牛的驯化历史、适应性特征、遗传背景和进化过程。”刘建全告诉《中国科学报》,人类驯化野牦牛,将其变成家养牦牛,就需要它们变得温顺、适应群养等;因此,人类最初选择或进化出来的个体,都是具有这些表型特征的,也应具有相应的遗传变异基础。

研究发现,与野牦牛相比较,家养牦牛在这些性状关键基因方面都存在特殊的结构变异。其次,家养牦牛驯化后,扩大了其最初的生活区,需要适应更广的环境;同时,人类也对家养牦牛提出了更高的要求,需要它们有更丰富的表型。

“在高海拔生活的家养牦牛,相关基因要发生结构变异改变氧气传递、红细胞数量和血液循环等生理过程,才能帮助它们在高原缺氧环境下生存。”刘建全说道,在低海拔地区,就不需要这些遗传变异,但又需要在其他基因方面发生的变化来适应低海拔;团队初步确定了一些基因及其结构变异,结果发现大都是来自黄牛。

进一步研究花牦牛调控毛色主效基因发现,其拥有来自花黄牛独特基因组结构变异的遗传渗入,这个渗入改变了常见的黑色牦牛表型,形成了花色牦牛;而这各渗入随后引发了新的遗传突变,产生了大家喜爱的白牦牛。

种间杂交渗入影响家养牦牛表型关键基因的鉴定

家养牦牛驯化自野牦牛,这一时间应该在7300年前;黄牛来到青藏高原的时间不会早于4000年前。牦牛和黄牛杂交会产生犏牛,雄性犏牛不育,雌性犏牛则完全可繁育,能与牦牛或黄牛回交产生完全可育的雌性后代,这种回交逻辑上一定能导致杂交渗入-基因的种间转移。

这些杂交渗入会影响对家养牦牛高海拔适应和早期驯化关键基因的鉴定。以前使用单碱基变异检测到家养牦牛和黄牛之间较高的基因流,但是这些基因流存通常受到趋同、误差等限制,也会影响对种间杂交渗入比例及其对表型影响的检测。

“生活在较低海拔地区的家牦牛更容易接触黄牛,从而获得更多来自黄牛的杂交渗入”,刘建全表示,“这样也丢掉了适应高海拔所需要的基因结构变异;导致高、低海拔家养牦牛在基因组结构变异上存在显著差异”。人工选择和种间杂交渗入在所有家养动植物中都存在。但是,以前没有对它们进行有效区分。不进行有效区分,就鉴定不到每个过程以及一些重要表型的关键基因。鉴定不到这些关键基因,也不能理解其表型变异的遗传基础,也不能很好利用它们。

通过近30年的艰苦野外采样,团队完成了家养牦牛所有品种以及可可西里无人区自然死亡野牦牛的采样;在多年的国际合作中,也对分布于青藏高原之外的欧洲野牛和美洲野牛进行了材料收集。

“通过不同地理区域的完整取样,我们使用基因组结构变异和新的组合分析方法,鉴定了每个过程的关键基因和结构变异,特别是发现种间远缘杂交不仅能直接导致新表型以及产生新的环境适应性,还能诱导新的突变,产生更为独特的表型。”刘建全说道。

  青藏高原牦牛。刘建全供图。

良种可安天下

“牦牛不仅是青藏高原上重要的生产资料,也是一种具有极高经济价值的畜种。”刘建全表示。培育高效和优良品种是当前牦牛育种的核心目标。据了解,牦牛毛是纺织品的上佳原料,毛质柔软,富有光泽,是制作衣物、家居用品和工艺品的优质材料。牦牛皮也是制作皮革的重要原料,其骨可熬制骨髓粉,骨粉和骨胶更是工业和医药的重要原料。一些牦牛品种,如相对低海拔的天祝白牦牛和金川牦牛,肉质更为细嫩,营养更丰富,更受消费者喜爱。

“利用我们已经获得的结构变异和其他遗传变异,进行分子辅助育种,能快速和高效筛选白色、无角牦牛;同时也能通过分子标记选择优异的野牦牛公牛个体,提高现在的野牦牛和家养牦牛杂交育种。”刘建全说道。

通过研究牦牛基因组的结构变异,可以识别与适应性和驯化特征及生产性能相关的基因,可以将其做为分子标记进行育种,选择具有更加良好适应性和优质遗传特征的牦牛个体作为繁殖种源,从而改良家养牦牛的品种,提高适应不同地区的牦牛生产力、抗病能力和环境适应能力。

“现在是基因时代,大家都非常关注基因编辑和转基因育种。但是,我们的结果表明,物种间远缘杂交还应作为培育家养动物新表型、新品种最为重要的方法。”刘建全表示,未来希望采用新思路和新方法,将黄牛更多(如超过10%或更多)的基因组成分通过远缘杂交导入到牦牛,那样不仅能通过杂交渗入使得后代具有更多的“杂种”优势,还能诱导更多的新突变,从而选育更好的适应不同生境和人类需求的牦牛新品种。(来源:中国科学报 叶满山)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-023-41220-x

 
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