西北农林科技大学动物科技学院雷初朝教授联合姜雨教授、崖州湾国家实验室韩建林教授和国际家畜研究所Olivier Hanotte教授在《Nature Communications》在线发表题为“Global genetic diversity, introgression and evolutionary adaptation of indicine cattle revealed by whole genome sequencing”的研究论文。这是继2018年雷初朝教授团队在解析东亚家牛祖先家牛的基础上，对全球瘤牛的起源和进化进行深度解析。该研究通过分析了全球57个主要瘤牛品种354个样本，从全基因组水平揭示全球瘤牛常染色体、父系和母系遗传特征、系统阐述了全球瘤牛的起源迁移扩散路线。同时发现瘤牛的不同群体在迁移到不同地域，在群体分化的同时，受到不同的自然和人工选择和近缘牛种的影响，又进化出各自不同的适应性特征，其中东亚瘤牛更是受到近缘牛种（爪哇牛和印度野牛）的基因渗入，从而适应了东亚热带极端湿热环境。该研究对进一步理解牛的起源进化和环境适应性提供了理论基础。
家牛为人类提供了肉、奶和皮革等产品，是世界上最重要的家养动物之一。现代家牛在中国被称为黄牛，包括普通牛和瘤牛两个亚种，分别于11000年前和9000年前驯化于西南亚和南亚地区。自驯化以来，随着农业文明的发展和人类的迁徙，家牛成功的扩散到世界各地，据联合国粮农组织2019年数据统计，全世界目前有家牛14.8亿头，其中瘤牛占一半。瘤牛和普通牛在体型外貌上差异明显，瘤牛最显著的外貌特征是有肩峰（瘤峰）。瘤牛的体型外貌特征为皮毛短而光滑、皮肤表面积大、汗腺多、耐粗饲，并且对蜱虫和其他寄生虫的敏感性低。以上对高温环境的适应性特征也促使瘤牛自驯化以来，从南亚地区迅速扩散到热带-亚热带其他地区，瘤牛目前广泛分布在南亚、东南亚、东亚、非洲和美洲等区域，成为热带-亚热带最重要的牲畜之一。瘤牛在中国也非常重要，中国56个地方黄牛品种中有32个品种拥有瘤牛血统。雷初朝教授团队前期对中国地方黄牛品种进行了全基因组重测序研究，发现中国瘤牛具有独特的基因组遗传特征和独立的父系起源，其种质特性明显不同于南亚瘤牛。瘤牛在热带-亚热带地区农业生产系统中，无论是极端干旱地区还是极端湿热地区均发挥着核心作用，瘤牛如此重要，但是目前还未见到关于全球瘤牛的基因组遗传多样性和适应性进化研究。
（印尼的爪哇野牛，摄影：韩建林）
瘤牛的全基因组遗传多样性
本研究对迄今为止全球主要分布的瘤牛品种/群体的最大数据集进行了全基因组序列变异的全面分析。基于染色体遗传变异，将全世界范围内的瘤牛分为三个主要的祖先类群，即南亚瘤牛、非洲瘤牛和东亚瘤牛（中国瘤牛）。其中西藏瘤牛和尼泊尔瘤牛属于南亚瘤牛血统。中国西南地区的瘤牛和东南亚瘤牛位于南亚瘤牛和东亚瘤牛之间，相比中国西南瘤牛，东南亚瘤牛中的南亚瘤牛血统更多（下图）。其中东亚瘤牛的基因组遗传多样性在全世界瘤牛中最高。
（全世界瘤牛的群体遗传结构，地图图像由作者使用https://impactlab.org/map 创建）
瘤牛对高温环境的适应性基础
一般来说，在热带-亚热带地区，瘤牛比普通牛对高温、寄生虫和传染病有更强的适应性和抵抗力。通过比较瘤牛和普通牛的基因组，该研究检测到117个瘤牛和普通牛基因组中高度分化的候选基因，其中选择强度最高的信号位于7号、1号和19号三个染色体上，这些候选基因可能与瘤牛的耐热性、免疫、代谢调节功能等相关，其中与瘤牛耐热和免疫相关的最强候选基因有DNAJC18、HSPA9、MATR3、MZB1和STING1。此外，还鉴定到与毛发生长、心脏发育、血液循环、DNA损伤和光反应相关的基因受到强选择，这些基因可能有助于保护在炎热地区的瘤牛免受极端高温和太阳辐射产生的热应激等影响。同时这些候选基因可以部分解释瘤牛与普通牛的部分体型外貌差异，以及在不同瘤牛群体中均表现出一致的受选择基因，表明这些来自瘤牛祖先群体的基因组区域可能对所有瘤牛适应高温环境有重要贡献。
不同瘤牛群体对环境的适应性基础
南亚瘤牛为瘤牛的祖先群体，分布在高温、强紫外辐射和低雨量为特征的南亚半干旱环境，长期的自然选择进化出适应当地独特环境的遗传机制。该研究鉴定到南亚瘤牛对半干旱环境适应相关的各种重要基因和信号通路。例如：与体液平衡、感官能力和毛色相关的受选择基因，以及花生四烯酸代谢和传染病相关代谢通路。
中国南部农业生态的特点是湿度大，雨量多，热带病发病率高，瘤牛从南亚向中国东迁的过程中，要适应和南亚完全不同的气候条件。该研究发现近期自然选择和近缘牛种的基因组渗入共同促进中国瘤牛对极端湿热环境的适应性。例如：在中国瘤牛中检测到近期受选择基因和渗入基因参与环境适应、神经系统、内分泌系统、水运输、血液稳态、氧运输等生物过程。
瘤牛扩散的基因组学证据
我们通过系统的对全球瘤牛核基因组、线粒体和Y染色体基因组分析，绘制出全球瘤牛的谱系地理模式和迁移扩散路线。通过瘤牛全基因组遗传变异，将瘤牛分为南亚瘤牛、非洲瘤牛和东亚瘤牛。对瘤牛的父系和母系祖先进行深度解析，发现瘤牛父系祖先主要为Y3A和Y3B两个支系，同时拥有7个亚支系（Y3A1、Y3A2、Y3A3、Y3B1、Y3B2、Y3B3和Y3B4）。瘤牛的母系支系为I1、I2和I3三个支系。以上结果支持南亚为瘤牛的驯化中心，发现东迁的东亚瘤牛为Y3A3和I1a支系，同时遗传学证据支持瘤牛在大约距今3500年前沿东南亚沿海地区扩散到中国南部。
（瘤牛在全球扩散的路线，图片由作者使用ArcGIS v10.7.0.制作）
综上，本研究对全球的主要瘤牛资源进行全基因组水平的系统评估，重建了瘤牛系统发育和进化历史，从基因组学角度揭示了不同瘤牛环境适应性的遗传变异基础，尤其是解析了东亚瘤牛极高的基因组遗传多样性和对极端湿热环境的适应性，为我国瘤牛品种资源的保护与新品种培育提供科学依据，具有重大的理论与实际意义。
（埃塞俄比亚的牧牛人，摄影：Camille Hanotte）
西北农林科技大学动物科技学院雷初朝教授、姜雨教授和崖州湾国家实验室韩建林教授和国际家畜研究所Olivier Hanotte教授为通讯作者，西北农林科技大学陈宁博副教授、博士后夏小婷、巴基斯坦留学生Quratulain Hanif、博士生张俸伟、党瑞华副教授和云南省草地动物科学研究院黄必志研究员为共同第一作者。国内外30家单位共同参与了本课题的研究。该研究得到国家重点研发计划（2021YFD1200400）、国家肉牛牦牛产业技术体系（CARS-37）、国家自然科学基金（31872317和32102523）等项目的资助。
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作者 | 韩建林
审 | 绿茵
排版 | LYJ