基于基因组重测序的地方畜禽选择信号研究进展

冯韶华，李 尚，刘 刁，芦春莲，曹洪战

（河北农业大学动物科技学院，河北保定 071000）

人类驯化畜禽的历史悠久，驯化使人们不再仅靠狩猎和采集生活，也形成了适于不同地理环境的畜禽品种，丰富了地方遗传资源的多样性。由于自然选择和人工选择，畜禽在基因组上留下了不同的遗传印记，这些遗传印记即为选择信号，通过地方畜禽的遗传印记可以了解物种的遗传多样性，也更有利于选育品种和保护资源。

随着基因组学的发展，各种动物基因组框架图得以构建，运用基因组学不仅可以分析动物的表型变异，而且可以获得生物的分子遗传标记。二代测序的发展使得畜禽基因组选择信号可以被大范围地检测，目前二代测序中高密度SNP 芯片和重测序技术被广泛运用于选择信号的检测。重测序技术由于可以一次性输出大量的基因组序列，同时测序速度和准确性较高，已越来越多地应用到选择信号的研究中。本文主要对基于重测序技术在不同畜禽上的选择信号研究进行综述。

1 地方畜禽资源和选择信号概况

中国畜禽养殖历史悠久，自有文字记载的黄帝时期开始人们就已有目的地驯化畜禽。目前，《中国畜禽遗传资源志》已收录了包括猪、鸡、鸭、鹅、特禽、牛、羊、马、驴、骆驼、兔等20 个物种共777 个品种的相关信息，其中地方品种有556 个[1]。在过去很长一段时间，受引进品种的冲击，我国的一些地方品种数量减少，甚至濒临灭绝。目前，我国畜禽资源的保护逐渐受到重视，保种场的建立使一些遗传资源得到保护，一些测序等新技术实现了对地方品种选择信号的研究，使人们能够更加了解地方品种的遗传变异和分化，从而更加有效地保护地方品种资源。

由于地理环境和气候温度的变化，中国地方品种经历了长期的人工选择，使得不同品种形成了不同表型，如两头乌的金华猪等；同时，驯化过程中家畜基因组中也留下了大量的选择印记[2]。通过研究人工选择在动物基因组上的选择特征可以认识畜禽的遗传多样性机制，同时能够定位受选择区域，找到影响性状的相关基因，通过对相关基因的定向选择或编辑等使畜禽能够向正选择方向发展，促进畜禽育种发展。

选择信号是指由于选择作用的存在，生物在基因组上遗留下的大量遗传印记，通常的表现是染色体连锁不平衡程度增加或者受选择位点及其附近位点遗传多样性的降低。测序技术的发展使选择信号的研究成为热点，通过选择信号分析可以快速准确地筛选出受选择区域，并且定位到相关候选基因。

2 基于重测序技术的畜禽选择信号研究

2.1 猪上的研究进展 由于存在地理隔离，中外猪种在表型和基因组上都存在差异，现在公认亚洲猪与欧洲猪之间的基因交流发生在18 世纪和19 世纪[3]。Wang 等[4]对中国家猪和欧洲家猪基因组重测序，揭示了在中国家猪和欧洲家猪之间的差异是通过人工选择介导产生的，不同国家根据其不同的育种需求产生了不同的遗传变化。Li 等[5]在白眉猪、金华猪、荣昌猪、梅山猪、藏猪与西方5 个家猪的基因组测序数据中发现，由于过去人工选择的不同，西方倾向于选择瘦肉型猪，而中国更倾向于选择肥肉型猪来进行饲养，中国地方猪与西方猪存在较大的遗传差异，且中国地方猪的遗传变异较高。

对于中国地方猪而言，人工选择影响了猪遗传进化的方向和进展，人们更趋向于选育遗传力较高、生长和繁殖性状较好的个体，社会的进步与发展使家猪繁育变得商业化。Liu 等[6]基于重测序技术对贵州本地的湘猪、柯勒猪、黔北黑猪、关陵猪、洛波猪的基因组进行遗传分化分析，发现贵州品种具有丰富的遗传多样性，不同品种猪具有不同的基因结构变异，这些结构变异可能会影响猪的遗传进化。Wang 等[7]对通城猪进行基因组测序，并同数据库中测序数据进行对比，分析通城猪驯化过程中选择的遗传模型，发现亚洲猪在颜色和繁殖性状上的选择功能可能具有保守性，同时由于独立驯化中国家猪进化出了独特的特性。Zhang 等[8]分析了中国地方猪皖南黑猪在驯化过程中的选择特征，揭示了皖南黑猪的遗传多样性低于亚洲野猪，耐粗饲性更强。Li 等[9]对30 个不同地理位置的藏猪个体基因组进行了测序，结果显示中国猪种与欧洲猪种存在明显不同，表明其血统存在较大差异，并揭示了猪表型的多样性是由于相关差异基因和变异，不同地理区域的历史选择特征不同。Zhu 等[10]利用中国9 个不同品种的54 头猪和来自中国7 个地方的16 头野猪的全基因组测序数据，对中国家猪驯化过程中基因组选择信号进行系统研究，并进行遗传分化和变异的选择性分析，找到了可能选择位点，从而促进对中国家猪进化史的理解，同时有助于识别导致猪表型多样性的重要功能基因或突变。

对其他猪种全基因组测序的研究也揭示了不同猪种特有的选择特征和人工选择痕迹，Ma 等[11]对商业品种杜洛克进行了选择信号的分析，Wang 等[12]对太湖猪种质特征进行了分析，Choi 等[13]对韩国本地猪选择特征的分析结果都表明重测序技术对于分析猪遗传进化和人工选择具有重大作用，从而揭示了不同品种猪的选择特征。

2.2 牛上的研究进展 目前世界上牛品种常见的有牦牛、野牛、水牛、黄牛等，其中72 个品种起源于中国[14]，青藏高原地区的珍稀牛种牦牛作为遗传上宝贵的基因库，具有较高的研究价值。Lan 等[15]基于重测序对四川省金川县牦牛进行全基因组分析发现，金川牦牛作为独立于其他牦牛的一个分支，其驯化程度和选择强度均大于其他牦牛群体，金川牦牛有339 个基因与其他牦牛品种相比具有显著的正向选择，这些基因与节律、神经系统、突触发育等相关。Qiu 等[16]研究了野生牦牛和国内牦牛的基因组变异，野生牦牛与家养牦牛之间具有极端的等位基因频率，牦牛驯化过程中大脑和神经元系统发生了改变，但其驯化效果相较于其他品种不明显，可能是由于牦牛在驯化中更倾向于选择适应环境的能力，而非满足人们的需要。牦牛在基因组中同样表现出明显的选择特征，这些特征集中表现于适应恶劣环境方面。Wang 等[17]对野生牦牛和家养牦牛进行全基因组进化分析，发现中国家养牦牛具有更强的人工选择，野生牦牛和家牦牛之间的遗传分化很低，其选择信号集中在经济性状上。Wang 等[18]对16 个牦牛品种进行了基因组测序，发现16 个品种被划分为2 个大陆群体，同时在不同品种中发现的基因拷贝数变异使得不同品种具有不同的选择特征，新发现的基因拷贝数变异与其环境差异一致。

除了牦牛，中国其他牛品种也具有其特殊的选择信号，Mei 等[19]对6 个中国国内品种进行了表型和地理差异的全基因组测序，结果显示中国品种牛体现更多的遗传多样性，这其中正向选择较多，选择性扫描发现了许多与品种特性相关的潜在选择信号，其中包括与毛色、乳制品性状和肉制品性状相关的基因，揭示了中国牛的进化史和驯化特性。

2.3 羊上的研究进展 绵羊和山羊的基因组芯片分别于Kijas 等[20]和Tosser-klopp 等[21]问世，极大地推动了羊在基因组上的研究，早期对于畜种选择信号的研究都是基于基因芯片，随后基因组重测序也大量运用于羊基因组选择信号的研究上。Wang 等[22]对藏羊、蒙古羊、阿尔泰羊、湖羊、多栏羊5 个品种绵羊进行全基因组测序，并与其野生祖先进行比较，发现在长期的选择中某些基因和功能在不同品种中产生了不同的变化，例如湖羊受选择基因与多产性状相关，而藏羊的受选择基因则与适应高原环境相关。Liu 等[23]对3 个不同品种、不同地理位置的蒙古羊品种进行了测序，发现在进化过程中不同品种、不同区域的蒙古羊受到选择不同，例如，BMPR1B基因在高产品种湖羊和大尾寒羊的选择上很强。Guo 等[24]对不同表型山羊的选择特征进行分析，基于群体遗传统计学中的基因扫描发现藏山羊有4 个起源，品种间都具有较高的遗传分化，在毛色上的选择区域受体较多，许多正向选择区域造成了品种毛色、繁殖性状等的不同。Zhang 等[25]分析了哈萨克羊和多珀羊的重测序基因组中与毛发有关的基因，结果发现FGF5可能受到很强的选择限制，在绵羊山羊的选择进化中更加保守，会影响毛发的长度和增长率。Yang 等[26]获得21 个中国品种的绵羊基因组序列，发现这些品种很有可能起源于中国北方，在不断地发展进化中也遭遇过瓶颈期和扩展期，不同品种由于环境不同出现了新的能够适应环境的变异特征，这些变异可能与高原相关，也可能与适应沙漠干旱环境有关等。

2.4 鸡上的研究进展 鸡作为人类最早期开始驯养的动物之一，具有丰富的驯化历史，在驯化的同时也导致了一些性状的改变，形成了不同的商业化特征，目前世界上存在的鸡品种大多都产生了基因间的交流，了解这些遗传进化可以更加清晰地认识鸡在驯化过程中的选择特征[27]。藏鸡是研究高海拔适应性的良好地方品种。Li 等[28]对海拔400～ 3 000 m 之间的9 种中国家鸡品种的全基因组进行了研究，了解到鸡在驯化过程中发生了巨大而复杂的遗传多样性变化，人工选择和自然选择在家鸡的进化中发挥了巨大的作用，而藏鸡的受选择区域携带着经济性状的基因和适应高海拔的基因。Wang 等[29]比较了藏鸡与云南低地平原鸡的基因组，发现藏鸡的基因组特征在适应高海拔过程中使嗅觉受体基因相对减少，而高海拔受体基因相对增多，同时在人工选择中可能导致了高近交率的出现。Zhang 等[30]对藏鸡和低海拔鸡（海拔50、150、500 m）的研究中发现，藏鸡具有遗传混合效应，说明藏鸡曾经与低海拔鸡进行过遗传交流，而藏鸡差异表达基因参与的心肺系统发育、炎症和免疫反应、辐射的反应在藏鸡适应高海拔生活中发挥巨大的作用。

研究藏鸡可以清晰地认识鸡对高海拔适应性的选择特征，而研究斗鸡则可以了解其具有攻击性的选择信号。Guo 等[31]研究的西双版纳斗鸡具有攻击同一物种所有雄性的特征，在人工选择中人们趋向于选择具有好斗特性的鸡，因此在斗鸡中存在更多的与生长、抗病、攻击行为和能量代谢等性状有关的基因。

2.5 其他畜种上的研究进展 Zhang 等[32]对来自中国各地的2 个野生种群和7 个家禽品种共22 只野鸭和56 只家鸭进行了基因组测序，发现在过去鸭群体由于环境的变化发生过群体数量的变化，鸭的驯化可能是在距今2200 年，同时发现家鸭进行过强烈的人工选择，无论是羽色还是大脑和神经系统发育方面，甚至能量代谢都发生过选择。樊英智[33]对分布在6 个地域的6 种不同类型家驴进行了重测序，发现6 种家驴的遗传距离各有远近，找到11 个受选择区域，这些选择区域可能与毛色、运动、环境适应能力相关，不同地理环境使得家驴的选择区域也不尽相同。基于重测序技术对不同畜禽的选择信号的研究还有很多，如对不同品种的骆驼进行选择信号分析，发现不同品种骆驼之间有明显的地理分离[34]。

3 小结和展望

基因组学的发展使人们能够从基因上探讨畜禽遗传进化过程中发生的变异。对于地方畜禽基因组选择信号的检测可以更好地了解地方物种的起源进化和基因遗传交流，探究畜禽在适应性变化过程中的发展机制。检测选择信号的方法各有优势，因此在选用不同方法时应尽可能考虑到不同的群体，例如在长期的驯化选择中，虽然不同的物种在驯化过程中都具有共同的特征，但在遗传进化过程中都会遇到发展的瓶颈期。基因组中不同的选择信号在表型上会有不同，例如毛色的不同、繁殖能力的不同、适应环境的能力不同等，因此需要选用合适的选择信号检测方法。

随着测序技术的发展和普及，对于地方品种选择信号的检测会逐渐深入，地方品种的遗传历史会更加清晰，同时地方品种选择信号检测也面临大样本、大数据、多组学的发展，能够从多方面多角度全面检测畜禽的选择信号是未来的发展方向之一。