12月10日，動物科學技術學院李孟華教授課題組在國際知名學術期刊《Molecular Biology and Evolution》線上發表題為“Whole-genome resequencing of worldwide wild and domestic sheep elucidates genetic diversity, introgression and agronomically important loci”的研究論文(https://doi.org/10.1093/molbev/msab353)。該研究透過來自於非洲、南亞、東南亞、中亞、東亞、南美、歐洲和中東的738個家羊個體(158個種群)和所有7個野羊近緣種的72個野羊個體(包括盤羊argali, 亞洲摩弗倫Asiatic mouflon, 歐洲摩弗倫European mouflon, 烏里亞爾羊urial, 雪羊snow sheep, 大角羊bighorn, 扁角羊thinhorn), 表徵了全球綿羊的遺傳多樣性、基因滲入和農業生物重要性狀相關變異。
自馴化以來, 綿羊(Ovis aries)一直為人類提供肉, 毛, 皮, 奶和其它副產品，其對於生活在一些亞洲, 非洲和南美洲國家農業社群的數億人的民生福祉至關重要。自大約10,000年前在中東由亞洲摩弗倫(Ovis orientalis)馴化以來, 綿羊擴張到亞洲其它地區以及歐洲, 非洲和新世界地緣。一個早期的重大事件是hair型綿羊馴化後向wool型綿羊的轉變。
長期以來一直認為基因滲入是進化的強大力量, 基因組資料越來越多地提供證據表明基因滲入是遺傳變異的一個至關重要的來源, 並且這種變異可用於動植物的適應性進化。綿羊屬中也發生了從野生近緣種向家羊種群的基因滲入。因此, 綿羊透過適應各種環境和不同生產系統下的遺傳改良, 分佈到了全球範圍的不同地域, 發展成為獨特的品種。地方品種和改良品種的廣泛變異是家養綿羊基因組變異, 適應性特徵和重要農業相關性狀的基礎。
亞洲摩弗倫和烏里亞爾羊具有最高的核苷酸多樣性, 而在大角羊中觀察到的最低。亞洲摩弗倫和烏里亞爾羊在遺傳上沒有完全分離, 表明它們是擴大家養綿羊改良遺傳資源的潛在資源。來自不同大洲地理區域的種群之間沒有太大差異。家養綿羊的多樣性在π值範圍內變化很大, 從π = 3.1×10-3（中國新疆的巴什拜羊）到1.7×10-8(瑞典Svärdsjö品種)。所有家羊種群在約8,000-10,000 BP期間持續下降, 反映了馴化的瓶頸效應。它們隨後的種群擴張顯示了社會中農業的擴張。
圖1 遺傳多樣性（A）七種野生和家養綿羊的平均核苷酸多樣性 (π)（B）全球158個家羊種群的π（C）六個地理區域家羊種群的π（D）七個野生近緣種和家羊的連鎖不平衡衰減 （E）SMC++推斷六個地理區域的家羊種群的Ne
家養綿羊分為6個地理結構的進化枝（中亞&東亞、南亞&東南亞、中東、非洲、歐洲和美洲種群），並有明顯例外的現象出現：例如，瘦尾藏羊和中國西南羊（紅色）接近印度品種（黃色）；中東綿羊集群裡的亞塞拜然綿羊（紅色）；亞洲細毛品種（紅色）叢集接近歐洲美利奴羊。PCA在很大程度上將6個地理組分開, 韋桑羊(Ouessant)和哥特蘭羊(Gotland)處於極端位置。歐洲, 非洲種群在很大程度上與亞洲種群分開, 也具有重疊（如美利奴羊衍生個體）。7種野羊存在於5個遺傳簇（亞洲摩弗倫和烏里亞爾羊在同一遺傳簇；大角羊和扁角羊在同一遺傳簇）。家養綿羊含有6個地理分佈的基因組成分。家羊品種有來自於野羊的遺傳成分。歐洲、非洲和亞洲種群中遺傳雜合性的明確證據, 表明在當地品種的培育過程中，來自不同大陸的優良遺傳種群之間存在大量基因流。
圖2 系統發育關係（A）野生和家養綿羊的鄰接樹（B）主成分分析（C）種群遺傳結構（K =11）
本研究探索了羊毛細度的遺傳基礎，針對於羊毛性狀，劃分為hair型（hair）, 粗毛型（coarse-wool）, 中等細度型（medium-wool）, 細毛型（fine-wool）這四個表型，透過XP-CLR, π ratio, 等位基因頻率分佈, 單倍型模式, 不同物種序列的比較, 共同揭示了IRF2BP2基因的3'-UTR中的一個新突變（chr25: T7,068,586C）作為羊毛纖維直徑的合理因果變異。對於羊毛進化過程(hair型→粗毛型→中等細度型→細毛型), 本研究發現一系列與羊毛性狀相關的基因，例如VEGF訊號通路, 轉化生長因子β2產生的調節，毛囊發育 (IRF2BP2, VEGF, FGF7, HR, SMAD4, EDAR, FGFR2,和TP63)，毛髮生長方向 (ASTN2), β-catenin結合 (LEF1)等。
圖3 hair型、粗毛型、中等細度型、細毛型的基因組進化 (A) 家羊hair型和細毛型之間的XP-CLR測試 (B) π比值的6個比較（πhair型/π粗毛型、πhair型/π中等細度型、πhair型/π細毛型、π粗毛型/π中等細度型、π粗毛型/π細毛型和π中等細度型/π細毛型）在IRF2BP2基因中顯示出強選擇性訊號 (C) IRF2BP2 (chr25: T7,068,586C) 3'UTR中突變位點的等位基因頻率和CC、TT和CT基因型頻率，並測試基因型差異的顯著性 (D)野羊、家養綿羊的hair型、粗毛型、中等細度型、細毛型種群中IRF2BP2的單倍型模式 (E)不同物種間在突變chr25: 7,068,586和chr25: 7,070,630處的序列比較 （F）GO和KEGG通路富集分析，顯示了顯著GO和通路以及相關基因
利用mRNA-seq, miRNA-seq發現IRF2BP2的mRNA表達的FPKM值顯示粗毛型和細毛型綿羊在不同產前階段的面板組織存在顯著差異（P < 0.05)，沒有觀察到粗毛羊IRF2BP2的表達。粗毛型湖羊和細毛型敖漢細毛羊的面板樣本中的miRNA表達譜揭示了粗毛羊中僅oar-miR-20a-3p存在表達。功能驗證將野生型IRF2BP2的3'-UTR引入熒光素酶表達載體，發現與陰性對照模擬物相比，oar-miR-20a-3p的表達降低了報告基因活性，但突變型IRF2BP2的3'-UTR消除了該程序(oar-miR-20a-3p介導的熒光素酶的減少)。野生型IRF2BP2的3'-UTR是oar-miR-20a-3p的直接功能靶點，oar-miR-20a-3p可以直接結合IRF2BP2並可能調節粗毛羊面板組織中IRF2BP2的表達。在H&E染色中觀察到，與中國美利奴羊（細毛）相比，窪地綿羊（粗毛）的毛囊直徑比例（DS/DP）更大，但次級毛囊和初級毛囊的數量比例（NS/NP）更小，表明細毛羊中均勻小直徑纖維的產量更高，羊毛更細。oar-miR-20a-3p可能透過其對IRF2BP2的影響作用於粗毛羊毛囊的發育，可能會抑制毛囊中VEGFA訊號的表達。簡而言之，oar-miR-20a-3p→IRF2BP2→VEGFA是透過抑制粗毛羊IRF2BP2基因表達而導致抑制次級毛囊發育的潛在調控通路。
圖4 試驗驗證（A,B）轉錄組和小RNA分析（C,D）雙熒光素酶報告基因檢測（E,F）家羊羊毛纖維變異相關基因IRF2BP2和oar-miR-20a-3p的遺傳機制以及組織學觀察
該研究完善了我們對綿羊基因組變異的理解。對遺傳學家和育種人來說，本研究的綿羊屬遺傳變異種質資源是無價的。本研究的創新點在於: (1)全面揭示全球野羊和家羊的遺傳多樣性和系統發育關係，並且發現種群結構分化的一些例外情況，這些例外可以反應物種/品種的混合歷史。(2)發現南亞&東南亞綿羊遷徙的歷史與人類遷徙歷史類似，為鮮少研究的南亞&東南亞人類歷史提供佐證。(3)收集齊全所有野生近緣種，儘可能集齊全世界所有家羊品種, 利用高深度重測序序列展開分析，檢測到了被基因滲入的具體品種及其野生供體，也表明滲入區段所調節的基因功能。(4)發現了新的選擇訊號, 尤其是對於綿羊矮小性狀篩選到的訊號和基因。(5)發現位於IRF2BP2基因 3'-UTR 中的一個新突變（chr25：T7,068,586C）作為羊毛纖維直徑的合理因果變異，並表明oar-miR-20a-3p→IRF2BP2→VEGFA是抑制粗毛羊中IRF2BP2基因表達而抑制次級毛囊發育的潛在調控通路。
動物科技學院李孟華教授為論文通訊作者。中國農業大學呂鋒驊副研究員，中國科學院動物研究所操銀紅博士，劉廣建博士為論文共同第一作者。該工作得到了國家重點研發計劃“政府間國際科技創新合作”重點專項，國家自然科學基金，中國科學院國際夥伴計劃，第二次青藏高原綜合科學考察研究（STEP）等專案的資助。伊朗、埃及、西班牙、德國、衣索比亞、肯亞、英國、奧地利、冰島、芬蘭、加拿大、瑞典、義大利、巴西、尼泊爾、克羅埃西亞、捷克、挪威和荷蘭等國科研人員參與了本項研究工作。
供稿：動物科學技術學院 操銀紅
供圖：動物科學技術學院
編輯：馬文哲
責編：於哲
