世界著名雜志《Nature Communication》刊登農學院教師論文,夯實“世界養驢看中國,中國養驢看山東”行業共識 ---家驢馴化及毛色選擇研究取得新突破

我校王長法研究員為第一作者的論文12月9日在線發表在世界著名雜志《Nature Communications》上,論文題目為《Donkey genomes provide new insights into domestication and selection for coat color》,這也是我國學者在馬屬動物研究上發表的最高水平論文。

驢產業已經成為我國特色產業、新興產業、民生產業。我國不僅具有相對完善的驢產業鏈條,還從政府層面組建了山東省第一支現代農業產業技術體系驢產業創新團隊,專業從事驢全產業鏈條的卡脖子技術研究,“世界養驢看中國,中國養驢看山東”已成為國內外行業共識。作為名貴中藥材“阿膠”的重要原料供體,驢在我國畜牧業中有著非同尋常的身份,其不僅是畜牧業中的重要一員,還是醫療康養界的“明星”。隨著我國經濟社會的快速發展和逐步進入老齡化社會,人民更加重視醫療康養,市場上對阿膠的需求持續增加,推動了我國驢產業快速發展。

為深入解析我國優良品種“德州驢”的遺傳基礎,泰山產業領軍人才、山東省現代農業產業技術體系驢產業創新團隊首席專家、聊城大學特聘教授、毛驢研究院王長法研究員團隊主導,聯合國內外多家單位共同合作,采集了四大洲、涵蓋世界上近1/6地方驢品種樣品;綜合應用二代測序、三代測序和染色體構象捕獲技術(Hi-C),獲得國際上首個組裝到染色體水平的家驢基因組參考圖譜,其Scaffold N50達到93.37 Mb,是目前奇蹄目馬屬動物中連續性最好的參考基因組。同時進行了群體比較基因組學研究,在家驢馴化及毛色選擇研究方面取得新突破。該研究成果將為驢遺傳資源保護和利用及基因組育種提供了重要理論支撐。

圖1  論文在線截圖

在人類歷史長河中,驢參與了人類多個層面的文化生活,為人類提供役力、奶、肉等,還為人類生活方式的轉變提供了遷移工具。但與馬、駱駝等役畜相比,驢在考古學及歷史文獻記錄中篇幅較少,至今仍很難確定驢的起源、馴化歷史。目前關于家驢的起源與馴化問題,國內外一直以來爭議較大,家驢高質量參考基因組的組裝為此問題的解答提供了重要手段。團隊通過全基因組重測序技術檢測分析了四大洲的126個家驢及7個野驢個體(涵蓋世界上僅存的藏野驢、蒙古野驢及索馬里野驢三個野驢品種)的基因組數據,發現大量的基因組遺傳變異。通過系統進化分析和主成分分析,結果顯示現代家驢至少在6000年前擁有共同祖先,此結果比母系遺傳線粒體DNA分析的結果要早1000年。種群遺傳關系分析表明熱帶非洲家驢群體與非洲野驢關系更緊密,埃及家驢群體次之,表明家驢可能最早馴化于熱帶非洲,隨后通過埃及擴散到歐洲、中亞及東亞。進一步研究發現家驢在馴化早期具有與非洲野驢相似的種群變化歷史,而家驢在從非洲野驢中分離出來后,不同群體間仍然具有高度相似的種群演化歷史,說明家驢的起源比較單一。

圖2  家驢群體結構及基因交流分析

父系和母系遺傳物質對于群體演化歷史研究具有重要的價值,團隊首次成功組裝了家驢的Y染色體并構建了家驢群體父系遺傳物質的系統進化樹,同時根據線粒體變異位點構建了母系遺傳物質的系統進化樹。對比分析發現驢父系和母系種群演化間存在很大差異,母系遺傳物質中除了索馬里野驢成分外還可能存在努比亞野驢成分,父系遺傳物質在馴化過程中可能受到人類喜好的影響只來自于少數幾個雄性個體,顯示家驢馴化過程中存在嚴重性別偏倚現象。

圖3 驢黑毛色的二次馴化

毛色為家畜重要的生產性狀,黑毛色頗受大眾喜愛。中醫上也素有黑色入腎經的說法,烏雞白鳳丸、黑豬肉、黑驢皮制作的高檔阿膠等均為國人喜愛的藥品和食品。和眾多馴化的家畜一樣,與野生祖先相比,現代家驢展現出多個毛色及花紋。我國大型優良驢品種多為深毛色,小型驢品種多為淺毛色,現存的藏野驢、蒙古野驢及索馬里野驢三個野驢主要為灰褐色、棕褐色,其背后的分子機制對于優良驢品種培育具有重要意義。不同毛色驢群體SNP單倍型網絡對比分析表明:深毛色驢由淺毛色驢馴化而來,黑毛色可能是二次馴化的結果。進一步比較了深毛色驢和淺毛色驢的基因組數據,發現 TBX3 基因下游的一個堿基缺失突變與馴化驢的深毛色相關。通過基因功能實驗證實了深毛色驢中該突變位點導致參與“TGF-β依賴的毛囊發育調控”中的關鍵轉錄因子NFIC的結合位點丟失,使得NFIC無法調控 TBX3 基因的表達,引起 TBX3 基因表達量大幅下調,進而解除了對毛囊皮層角質細胞中色素合成的抑制作用,使得毛色變深。本研究結果不僅為馬屬動物的起源馴化研究提供了新觀點,也為優良遺傳資源保護和利用、家驢遺傳改良和基因組選擇育種提供數據支撐,更為未來在國內外率先定向培育出皮厚肉多黑驢新品系奠定了理論基礎。

圖4 驢黑毛色的形成機理

王長法為本文的第一作者,仲躋峰等4人為本文的通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金、山東省良種工程、泰山產業領軍人才工程、山東省現代農業產業技術體系驢產業創新團隊建設項目、聊城大學高層次引進人才項目、山東省農業科學院-東阿阿膠股份有限公司院企合作項目的資助。

全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19813-7。DOI :10.1038/s41467-020-19813-7