Nat Commun | 兰州大学刘建全团队：白牦牛不是‘神牛’，是花黄牛渗入引起的新突变

kibcat 2023-09-20

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兰州大学与中国农科院兰州牧药所等单位合作，共同揭示了家养牦牛广泛遗传渗入导致的表型变异

Liu, X., Liu, W., Lenstra, J.A. et al. Evolutionary origin of genomic structural variations in domestic yaks. **Nat Commun** 14, 5617 (2023). https:///10.1038/s41467-023-41220-x

驯化是将野生物种变成家养的过程，这一过程主要涉及到如何选择符合驯化特征的个体，将其群体扩大。驯化后的动植物，为了适应人类需求和环境适应性，除了筛选自然突变外，再和野生物种以及近缘物种通过杂交，获得新的等位遗传变异，改变表型-产生各式各样的品种；这一过程可能涉及广泛的混合和多次杂交渗入，这种复杂的过程组合使得理清驯化过程的人工选择、局域适应的自然选择以及种间杂交渗入影响具有巨大的挑战性。

Scenarios Demonstrating the Utility of Feral Populations in Understanding Domestication and Local Adaption.

牛属现存物种包括普通牛、瘤牛、大额牛、印度野牛、爪哇野牛、牦牛、欧洲野牛和美洲野牛等等。历史上，家养动物伴随着人类迁徙到世界各地。在这个过程中，家养黄牛随人类扩散的地理范围最大，不仅会与各地驯化的其他牛属物种相遇，导致杂交渗入，有时也与部分野生牛属物种相遇，导致杂交渗入（Wu et al. 2018; Zhang et al. 2020）。

Zhang, K., Lenstra, J.A., Zhang, S., Liu, W. and Liu, J. (2020), Evolution and domestication of the Bovini species. Anim Genet, 51: 637-657. https:///10.1111/age.12974

最近的研究表明，至少在某些情况下，家养动植物已能从其直接的野生祖先物种，特别是从非祖先种的其他近缘种获得基因渗入；这有助于它们适应扩张过程中遇到的新生境。这种适应性基因渗入可能对早期驯化的基因鉴定产生影响，特别是影响对进化过程的估计（例如驯化瓶颈的强度、驯化的时间、驯化过程中的选择目标）。从其他近缘物种遗传渗入的单倍型的鉴定，也有助于鉴定特定环境、特定表型的关键基因以及等位变异等重要的遗传资源。

The effect of introgression on the study of domestication (Garrett et al., 2018).

家养动植物通过种间杂交获得的新表型，主要是通过反复回交和人工选择来满足人类的需要或增强自身的适应性。然而，在相同或邻近区域发生物种间杂交渗入时，确定来自近缘物种渗入的特定基因或遗传成分一直是进化生物学研究中的难题；如近缘物种之间共享的遗传变异可能来自祖先多态性；趋同以及测序误差等都可能影响对种间杂交渗入的检测。

Effect of introgression and incomplete lineage sorting (ILS) in molecular phylogenetics.

家养牦牛，学名Bos grunniens，是一种适应高寒地区的大型家养放牧哺乳动物，属于牛科。它们是亚洲高原地区特有的物种，主要分布在中国、印度、尼泊尔、蒙古以及俄罗斯的西伯利亚地区；主要分布在海拔3000米以上的地区，包括喜马拉雅山脉和青藏高原；它们已经适应了稀薄的空气和严寒的气温，能够在极端条件下生存。但是，部分家养牦牛品种也适应低海拔（如2000米左右）的较高温度和病原菌地区生活。家养牦牛长期的演化形成了多样和丰富的表型以及品种。世界上有超过 1200 万头家养牦牛 (Bos grunniens)，而野牦牛 (B. mutus) 的数量据信要少得多，只有 10,000 到 15,000 头，主要分布在青藏高原北部的可可西里等无人区。由于人类在青藏高原的扩张，野生牦牛的栖息地变得越来越稀有。

在高原地区，牦牛除被用来挤奶、吃肉外，还被广泛用于农业工作，如耕种和运输。它们能够承受高原环境的严苛条件，是牧民们不可或缺的助手。牦牛的毛皮具有商业价值，被用于制作衣物、帐篷和毯子等。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。此外，牦牛作为高原典型物种，对研究人类适应极端环境具有重要价值。

家养牦牛（B. grunniens）驯化自野牦牛，不同分子标记获得的驯化时间不一样，早期的线粒体DNA变异标记获得的不同分子驯化时间，至少是6000年前，最早12000年前(Guo et al. 2006)；基因组数据获得的平均驯化时间是7300年前(Qiu et al. 2015)。4500年前的文字记载有家养牦牛。因此，牦牛的驯化至少是全新世早期。黄牛（包括两个物种B. taurus和B. indicus）主要在近东和印度河流域驯化，黄牛来到青藏高原的时间应该不早于4000年前。牦牛和黄牛杂交产生犏牛，雄性犏牛不育，而雌性犏牛完全可繁育，能与牦牛或黄牛回交产生完全可育的雌性后代，这种不停回交逻辑上一定能导致基因转移。这些杂交也影响了对家养牦牛高海拔适应和早期驯化关键基因的鉴定和功能验证。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（Zhang et al. 2020），但是这些基因流存通常受到趋同、误差等限制，会影响对种间杂交渗入比例及其对表型影响的检测。

近年来，越来越多的证据表明基因组上大片段结构变异（SVs＞50bp）是导致许多人类疾病和动植物表型变异的关键遗传因素。因此，使用基因组结构变异，并结合分子功能验证等证据来进行杂交渗入如何影响家养牦牛的表型变异具有重要价值。

Classes of structural variation (Alkan et al., 2011).

刘建全课题组、阎萍课题组等通力合作，通过近30年的野外采样，完成了家养牦牛所有品种的采样；也通过多次到青藏高原无人区进行野外科学考察，对自然死亡野牦牛进行了材料收集，有20余头野牦牛能成功提出完整的DNA，供基因组分析；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，基因组测序和重测序等。通过若干年的材料收集和积累，以及前期发表的系列文章（如Guo et al. 2006; Wang et al., 2010, 2011; Qiu et al. 2012, 2015; Zhang et al. 2020, 2012），在重新补充样品、高质量基因组、尤其是分子功能验证数据，对基因组结构变异杂交渗入的广泛性、导致的表型差异，以及这些杂交渗入排除之后，如何获得更多的环境适应性和驯化关键基因进行了全面的研究。

2023年9月19日，Nature Communications以'Evolutionary origin of genomic structural variations in domestic yaks'为题在线发表了兰州大学生态学院刘建全教授与中国农科院兰州牧药所阎萍研究员等课题组合作的这一研究结果。通过构建牛属物种图基因组，并结合群体数据，获得了牛属物种的高质量结构变异数据集；详细分析了野牦牛、家牦牛和黄牛的高海拔适应、驯化和杂交渗入，重点研究了家牦牛基因组结构来源的多样性。

Liu, X., Liu, W., Lenstra, J.A. et al. Evolutionary origin of genomic structural variations in domestic yaks. Nat Commun 14, 5617 (2023). https:///10.1038/s41467-023-41220-x

在排除了家牦牛基因组中来自黄牛渗入的结构变异之后，鉴定到了与驯化相关的1200多个结构变异，涉及300多个基因。由于受到来自黄牛渗入的等位基因影响，野牦牛和家牦牛之间等位基因变的模糊，大部分上述鉴定的结构变异和相关基因在先前的基于碱基变异分析中未被检测到。这些基因主要与神经系统发育相关（DISC1，VWC2和SNX3），并进行了分子和生化功能验证（图3）；其等位结构变异影响了相关表型的变化。这些结果确切表明人们在最初牦牛驯化的过程中，控制牦牛的攻击性、温顺性和社交性的遗传变异及其表现出来的表型是最为主要的驯化主要目标；说明杂交渗入影响了动植物驯化关键基因的鉴定。

另一方面，在排除黄牛的杂交遗传渗入后，研究人员也发现了许多与家养牦牛和野生牦牛高海拔适应相关的遗传结构等位变异。这些结构变异涉及到的基因参与了多种生物过程，包括应对缺氧、能量代谢、紫外辐射和心血管发育。值得注意的是，作者鉴定出了几个候选基因（如EPAS1和MB等）相关的等位结构变异，对这些等位结构变异导致的基因功能表达和生化功能进行了验证（图3），表明等位结构变异确实影响了它们的表型变化；这些基因大都在以前没有排除杂交渗入的研究中鉴定到，再次说明杂交渗入影响了环境适应性关键基因的鉴定。

特别的是，发现接近90%的家牦牛拥有来自黄牛的基因组结构变异，占其所有基因组结构变异的约1-5%（见图4）。这些来自黄牛的遗传渗入是家牦牛不同品种中观察到表型变异的重要遗传基础和分子标记。例如，家养花牦牛（见图1）直接来自花黄牛的带有响应结构变异的遗传渗入。有趣的是，发现这种渗入随后引发了新的遗传突变，导致了纯白家养牦牛的出现；但是这些新的遗传突变（毛色关键基因KIT下游产生了两段新的重复序列，同时还在KIT基因上游调控区连锁新产生了一个新的Indel变异），如何导致白牦牛起源的确切分子机制还需要进一步研究。这一研究也证实了近10年前分子标记表明白牦牛的起源可能与黄牛遗传渗入有关的假设（Zhang et al. 2014, Animal Genetics 45, 652–659）。

为了验证这些结构变异的遗传渗入如何影响表型变异，还进行了染色质互作分析、基因表达和生化实验，所有结果都证实了种间杂交渗入导致的遗传结构等位变异引发了这些表型变化（图5）。因此，人类将花黄牛引入到青藏高原，家养牦牛和黄牛放牧共同过程中，主动被动的种间杂交导致了花牦牛的出现，花牦牛再通过自然突变产生了白牦牛。这些发现完全颠覆了当地牧民对白牦牛和花牦牛来源的叙述。当地牧民普遍认为白色牦牛是“神”牛；花牦牛是白牦牛与黑牦牛之间杂交的结果。

研究人员发现来自黄牛的大量结构变异在帮助家牦牛适应低海拔环境方面发挥关键作用（图5）。与此同时，在适应高海拔条件时，大多数青藏高原黄牛也获得了家牦牛适应高原的等位遗传结构渗入。例如，在许多青藏高原的黄牛中发现了来自高海拔牦牛的EPAS1特有结构变异，携带该结构变异，影响了基因表达，从而帮助它们能够在低氧环境中生存（图5）。这种双向渗入对牦牛和黄牛的表型多样性做出了贡献（图4）。这些发现再次表明，物种之间的杂交遗传渗入在驱动家养牦牛和黄牛的表型变异中发挥了重要作用。

总之，这项研究也表明，牦牛和黄牛在青藏高原上构成了一个非常复杂而有独特的进化研究系统，涵盖了三个主要的进化驱动因素：环境适应性选择、驯化过程中的人工选择和物种间的杂交渗入（图6）。

刘建全表示，物种之间的杂交渗入在培育满足人类需求的家养牦牛和黄牛各类表型变异中发挥了重要作用；牦牛和黄牛在青藏高原上构成了一个非常独特的复杂进化系统，涵盖了三个重要的进化驱动因素：环境适应性选择、驯化人工选择和物种间的杂交渗入，这项研究创造性对它们进行了区分，从而为鉴定重要表型变异的遗传基础奠定了基础；三个进化过程实际上也贯穿了其他家养动植物重要表型的进化变异，将来仍值得对它们进行有效区分、用以鉴定相关表型的重要遗传基础和基因资源；在当今基因编辑和转基因高技术育种时代，种间远缘杂交仍应该做为培育满足气候变化和人类需求新品种、甚至新物种的重要手段。

兰州大学生态学院刘建全教授、康明辉青年研究员和中国农科院兰州牧药所阎萍研究员为论文共同通讯作者。兰州大学生态学院博士研究生刘鑫锋、刘文禹、郑泽宇、乌特勒支大学Johannes A. Lenstra教授和中国农科院兰州牧药所吴晓云博士为该论文共同第一作者。兰州大学杨勇志教授、李克欣教授、李博文青年研究员、西北工业大学邱强教授、圣安德鲁斯大学Richard J. Abbott教授、兰州牧药所郭宪研究员、梁春年研究员、安徽农业大学刘洪瑜副教授等参与了本课题。该研究主要得到了第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0502）、农业科技创新项目（25-LZIHPS-01）、国家自然科学基金（U22A20447）、国家重点研发计划（2021YFD1200901）和111引智计划（BP0719040）的资助以及兰州大学超算中心提供的计算资源。

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Fig. 1: Phylogeny of bovine species and pan-genome of wild and domestic yaks.

Fig. 2: Characterization of the graph-genome of 47 de novo bovine genomes and distributions of structural variants (SVs) across these genomes and 386 individuals.

Nat Commun | 兰州大学刘建全团队：白牦牛不是‘神牛’，是花黄牛渗入引起的新突变

兰州大学与中国农科院兰州牧药所等单位合作，共同揭示了家养牦牛广泛遗传渗入导致的表型变异

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Fig. 1: Phylogeny of bovine species and pan-genome of wild and domestic yaks.

Fig. 2: Characterization of the graph-genome of 47 de novo bovine genomes and distributions of structural variants (SVs) across these genomes and 386 individuals.

Fig. 3: SVs contributed to high-altitude adaptation and domestication of yaks.

Fig. 4: The serial translocation SV with KIT introgressed from cattle contributed to white coat colours of yaks.

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