北京油鸡特异性性状的基因组学特征分析

刘孟超，张金鑫，曲鲁江，刘华贵 ,王 梁

（1.北京市农业农村局，北京 100005；2.中国农业大学动物科学技术学院，北京 100193；3.北京市农林科学院，北京 100097；4.北京市畜牧总站，北京 100107）

家养动物驯化以后，随着人类的迁移分散到世界各地，在人类的生产、生活中发挥着重要作用。家养动物和野生动物相比，其外貌表型、生活习性、抗病免疫等方面都存在显著差异。家鸡由红色原鸡驯化而来（已有报道证实红色原鸡中的部分基因来源于灰色原鸡的渗入[1]），经过数千年的人工和自然选育，逐渐形成了体型外貌、行为习性、生产用途各异的地方鸡品种，用来满足人类对鸡蛋、鸡肉、娱乐（如斗鸡、观赏鸡等）等方面的需求。

北京油鸡作为北京的地方品种，在清朝中期已经形成，经过长期的选育形成了具有特殊外貌（即凤头、毛脚和胡子嘴）、肉蛋品质兼优的地方鸡种，此外北京油鸡少数个体存在多趾现象。近年来，研究者利用微卫星、线粒体和高密度芯片等多种数据针对北京油鸡遗传资源现状展开了调研[2]，围绕北京油鸡进行了相应的遗传资源评估、保护和利用工作，目前该品种已经在保种场得到了保护，同时通过将北京油鸡作为遗传品系进行选育配套，形成了相应的配套系。另外，针对北京油鸡的不同外观性状，鉴定找到了与多趾、凤冠性状相关的基因或基因组区段[3-4]。这些工作为北京油鸡的品种保护和利用提供了有价值的研究基础和理论依据。

随着全基因组测序技术价格的降低，该技术在鸡等动物遗传资源鉴定和评估方面得到了广泛应用。本研究利用北京油鸡和其他国内外鸡种的基因组数据，应用di选择参数[5]，比对北京油鸡和其他品种的基因组分化区域，分析北京油鸡所特有的基因组选择信号，并鉴定这些选择信号下相关的特定基因，分析这些区域与北京油鸡特异性性状之间的关联，找到北京油鸡特异性性状的全基因组特征，为进一步了解和开发北京油鸡奠定遗传学基础。

1 材料和方法

1.1 实验动物 北京油鸡、红色原鸡和其他7 个中外鸡种（白来航、白洛克、洛岛红、丝羽乌骨鸡、藏鸡、瓢鸡和东涛鸡），共计133 个样本，其中：

1）瓢鸡、东涛鸡和北京油鸡群体中部分个体进行翅下静脉采集，约1 mL 血样置于盛有0.3 mL 抗凝剂（ACD）的离心管（2 mL）中，颠倒混匀后置于-20℃冰箱长期保存备用。采用天根基因组试剂盒（TIANGEN，DP318）提取禽血DNA，最后取DNA 样本进行琼脂糖凝胶电泳检测，以保证DNA 条带的完整性，最后将满足质量的DNA 用于建库测序（Illumina Hiseq 2500 平台）；

2）红色原鸡组织样为中国农科院韩建林老师提供，通过Illumina Hiseq 2500 平台进行测序；

3）白洛克、白来航、洛岛红、丝羽乌骨鸡和藏鸡样本来自华南农业大学发表在NCBI 上的二代测序数据（SAMN14651083）。

1.2 数据比对和统计分析 全基因组原始数据利用BWA软件[6]进行比对，GATK4.0 软件[7]获得原始SNP 和indel。之后，利用VCFTOOLs 对数据进行过滤及FST计算[8]。9 个鸡群共计133 个样本的基因组数据用于FST 及di 数据分析。

本研究利用了2 个参数，即群体分化指数FST[9]和di 统计量[5]。FST 是衡量2 个品种差异最为常见的选择信号分析方法之一，将FST 结果进一步转化为di 统计量分析，采用滑动窗口的形式，检测不同品种特异性受选择区域。该方法能够更好地用于3 个以上群体的群体差异分析，从而鉴定到针对北京油鸡特异性性状的基因组学特征。以下是这2 个参数的计算方法：

1.3 基因注释和功能分析 根据鸡第6 版的基因组注释信息，利用Ensembl 数据库对北京油鸡特异性的全基因组di 分析结果进行注释（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/GCF_000002315.5/），查找相关SNP 的位置信息，通过R 语言对结果进行可视化展示。

2 结果

2.1 测序数据概况 本研究利用全基因组二代重测序数据，样本基因组测序深度在8.1×～48.04×，比对率均在95% 以上（表1）。基于第六版参考基因组，通过GATK 软件本研究共得到31 134 064 个SNPs，经过过滤后（标准：-max-missing 0.5，-maf 0.05，-minQ 20，-min-meanDP 5，-max-meanDP 1000，-minGQ 5）13 768 621 个SNP 被保留用于后续分析。

表1 样本来源及测序数据概况

2.2 选择信号检测 研究采用基因组滑动窗口的方式进行，以20 kb 的窗口大小、10 kb 的滑动步长，对北京油鸡和其他8 个品种的FST 和di 结果进行分析，探究北京油鸡与其他品种表型差异的分子遗传学原因，鉴定北京油鸡特异性性状的候选基因。通过对北京油鸡全基因组di 分析，本研究一共划分出96 018 个受选择窗口，其di 选择信号值范围在-29.10～44.14 之间，详细结果见图1。di 值越大，表明该区域受选择强度越高。将di值前1% 的基因组区域（960 个区域，di＞18.68）设定为显著区域，涉及378 个基因，可以看到显著区域覆盖鸡的多条染色体（1，2，3，4，11，13，15，17，33）。在这378 个基因里，鉴定找到了40 个与北京油鸡特征性状（毛脚、凤冠、毛色，多趾）、适应性性状（免疫调节）、生长发育和繁殖性状相关的候选区域及基因（表2）。

图1 di 在常染色体上检测到的选择信号的全基因组分布

2.3 基因注释及功能分析 与北京油鸡特异性性状相关的候选基因可分为以下4 类。一是与外观相关的性状：北京油鸡具有多趾、凤冠、胡子嘴、羽毛较为密集等特征，本研究鉴定到的与之对应的基因包括：与凤冠形成相关的HOXC8、HOXC10基因[10-11]，与毛胫、多趾相关的PITX1、TBX5基因[12-13]，与羽毛发育和性状相关的IL9、HOX家族[14]、FZD4[15-16]基因等（表2）。由于在驯化和品种形成过程中，人类总会依据个人喜好将一些品种特有的外观性状保留下来，这就使得相应的等位基因变异得以保存，并在基因组分析过程中使北京油鸡与其他鸡种特有差异的基因组区段被鉴定出来。二是与色素沉积相关的性状：色素沉积的性状主要包括蛋壳颜色、羽毛颜色和皮肤颜色等，由于色素性状相对变异比较大，也更容易满足人们对动物颜色喜好的选择，所以在品种形成过程中也往往是受到正向选择的。本研究鉴定到的基因包括影响蛋壳颜色的SLCO1A2[17]、SLCO1C1[18]等基因，与羽毛颜色或者肤色相关的MC1R[19]、TYR[20]等基因（表2）。三是免疫相关性状。在品种选育过程中，品种所接触的环境总会发生变化，包括接触到的病原微生物也会有所差异。为了适应新的环境，所形成品种的免疫反应和相关基因也会受到选择。本研究鉴定到的与北京油鸡相关的基因包括：与禽白血病抗性相关的HSPA5基因，与免疫调节、炎症反应相关的CSF2、IL13、IL4、KK34、ZFP36L2基因以及与禽流感抗性相关的USP18基因（表2）。四是与发育、繁殖、生长等生产性状相关的基因：包括与生长发育相关的BCL2L13、CNMD、FGF1、CXCL14、FZD4、IGF1、LMX1B、PBX3、IRX2、PMCH、TBX3等基因[21-23]，与繁殖（产蛋）性状相关的SYCP3基因等[24]。同时，与视力相关的LHX5基因也在油鸡品种形成过程中受到了明显的选择，而驯化动物视力下降从而变得温顺也是人类选择家养动物的指标之一（表2）。di 值检测选择信号不仅为鸡驯化过程中的选择信号鉴定提供帮助，同时也证明了利用di 值挖掘品种特异性性状候选区域的可靠性。

表2 di 检测到的与北京油鸡表型性状相关的潜在候选区域和基因

3 讨 论

家鸡在驯化过程中经历长期的自然选择、人工选择、迁移、遗传漂变等事件的洗礼，逐渐分化出了不同的亚种或亚群，在体型外貌、环境适应性、行为习性等方面已经与野生祖先大为不同[1]。作为北京地方鸡种的北京油鸡，体型外貌则尤为特殊，是地方鸡多样性研究的热点之一。选择信号分析是生物信息分析中的“考古学”，通过选择信号检测能够找到生物群体在千万年进化过程中在基因组上留下的痕迹[25]。这些痕迹可能与家禽育种、驯化适应等方面密切相关，因此选择信号研究有助于挖掘与家禽特异性状相关的基因，了解性状形成的潜在的遗传学基础，进一步解析群体之间差异性状的遗传机制，对于家禽遗传改良有着重要意义。

选择信号的检测方式有很多种，主流的检测手段可分为四大类：基于等位基因频率谱、基于连锁不平衡、基于群体分化和基于基因组杂合度的方法，针对不同的数据类型、数据质量以及研究对象，可采用不同的选择信号检测方法[26]。本研究采用基于群体分化的di 选择信号检测方法来鉴定品种特异性选择信号，检测到许多与北京油鸡体型、外貌相关的受选择基因组区域，如油鸡特有的凤冠、多趾和毛胫等。此外，相比于其他地方鸡种，北京油鸡羽毛更丰富。因此，在本研究中也鉴定到了与羽毛生长发育相关的基因。在其他家养动物中，也有类似的发现，尤其是毛色（羽色）等色素沉积方面的性状[27]。

家养动物与其野生祖先在生活地域方面也有很大差异。红色原鸡主要生活在东南亚四季温湿度较高的环境，家鸡则遍布世界各地，所面对的气候条件、病原微生物则各不相同，鸡就需要有相应遗传学变化去适应这些环境[1]。本研究中，在北京油鸡中鉴定到了很多与免疫调节、抗病相关的基因，说明这些基因在鸡基因组驯化过

程中都受到了强烈的选择。北京油鸡在适应环境的过程中，形成了自己特有的针对北京及周边地区环境的适应性机制。这也与其他家养动物或者其他鸡品种的培育过程中免疫和环境适应相关的基因组区段受到选择的研究结果一致[28-29]。

北京油鸡作为家养品种，除了用作观赏及文化传承的载体外，最主要的作用还是满足人们对鸡肉和鸡蛋的需要。因此，在北京油鸡受选择的基因组区域本研究还挖掘到部分与生长和产蛋相关的候选基因，其中IGF1基因[23]在很多家养动物中都受到了选择，该基因与体型和生长速度关系密切。

4 结 论

本研究采用群基因组二代测序技术和基于群体分化计算的di 选择信号分析，在北京油鸡基因组中鉴定出960 个受到选择的显著区域，包括378 个受选择的候选基因。基因注释分析结果表明，选择作用体现在北京油鸡的外貌表型、生长发育等方面，鉴定到了与油鸡特异性状（凤冠、多趾和毛脚）以及与抗病免疫相关的基因，本研究结果对北京油鸡品种遗传资源的进一步保护和利用具有重要意义。