比較基因組學(xué)鑒定藏豬和家豬的自然和人工選擇的主要內(nèi)容

1、比較基因組學(xué)鑒定藏豬和家豬的自然和人工選擇的 主要內(nèi)容藏豬主產(chǎn)于青藏高原，包括四川阿壩及甘孜藏豬、云南迪慶藏豬、甘肅合作 藏豬以及分布于西藏自治區(qū)山南、林芝、昌都等地的藏豬類群。藏豬是世界上少 有的高原型豬種，是我國寶貴的地方品種資源。藏豬長期生活于無污染、純天然 的高寒山區(qū)，具有適應(yīng)高海拔惡劣氣候環(huán)境、抗病、耐粗等特點。藏豬能適應(yīng)惡 劣的高寒氣候，在海拔2,5003,500m的青藏高原半山區(qū)，年平均氣溫712笆、 冬季最低-15笆、無霜期11019 0天、食物資源缺乏的嚴酷條件下，藏豬仍能很 好地生存下來。這種極強的適應(yīng)能力和抗逆性，是其他豬種所不具備的獨特種質(zhì) 特性。2004年，藏豬正式列

2、入中國畜牧品種志，被正式確定為地方原始豬種。該研究利用高通量測序技術(shù)及生物信息分析策略，從基因組水平充分揭示了 藏豬特有高原環(huán)境適應(yīng)性的分子機理，同時解析了四川盆地家豬在幾千年的人工 馴化過程中基因組中重要經(jīng)濟性狀相關(guān)基因的進化方向。該研究主要包括以下兩 部分內(nèi)容和發(fā)現(xiàn)：第一部分：藏豬和歐洲家豬的比較基因組學(xué)分析自然選擇和人工選擇是動物進化和家豬品種形成的重要驅(qū)動力之一。該研 究首先通過組裝我國特有高原型豬種一一藏豬的基因組，與歐洲家豬杜洛克豬 的參考基因組進行比較基因組學(xué)研究。揭示了豬基因組中大量功能基因在高原 極端環(huán)境和強烈人工選擇下出現(xiàn)的差異。嗅覺、能量代謝、低氧適應(yīng)、紫外線 抵抗、血液

3、循環(huán)系統(tǒng)的平滑肌發(fā)育、子宮內(nèi)的血液運輸和藥物轉(zhuǎn)運等基因在藏 豬和家豬間呈現(xiàn)出截然不同的進化趨勢。通過基因組大小的比較分析發(fā)現(xiàn)藏豬基因組比家豬基因組小了 0.09Gb （9千萬）堿基序列，且兩者基因組僅有93.41%的部分共線，其差異堪比牦牛和 家牛（共線性程度94%）差異程度。此外，藏豬和家豬間186 Mb （1億8千萬） 堿基的序列方向相反，其差異可比人與黑猩猩（基因組間反向序列為154 Mb （1 億5千萬）。進一步分析發(fā)現(xiàn)藏豬和家豬的祖先可能早在690萬年前就已經(jīng)開 始各自向不同方向進化，甚至可能早于牦牛和家牛（490萬年前），人類和黑 猩猩（500700萬年前）。通過基因家族的序列相似

4、性分析發(fā)現(xiàn)，與家豬相比，藏豬進化出了3千 多個特有的基因，這些基因主要涉及心肺血液循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)育，疾病的抵抗， 高紫外線下的皮膚保護，特別是發(fā)現(xiàn)了17個與大腸桿菌感染抵抗相關(guān)的基因， 這是家豬所沒有的。通過基因家族的收縮和擴張分析發(fā)現(xiàn)，藏豬與家豬相比，擁有更多的 鐵合蛋白基因，數(shù)量和種類都遠遠超過了人、牛、小鼠和狗，這充分揭示了藏 豬適應(yīng)高海拔的分子機制。家豬作為哺乳動物中嗅覺最為發(fā)達的物種之一，其嗅覺基因數(shù)目（1,240 個）略低于小鼠（1,320個），明顯多于牛（1,092個）、狗（889個）和人（511 個），但藏豬嗅覺基因僅有752個。這與在高海拔環(huán)境下動物的嗅覺能力失效（低溫和低壓不

5、利于氣體分子擴散聚集、低濕不利于氣體分子和水分子結(jié)合）， 相關(guān)基因退化有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)也同時印證了為什么人在乘飛機時嗅覺往往變得 遲鈍甚至失靈，難以察覺機艙中火災(zāi)的發(fā)生。通過基因的進化模式分析，發(fā)現(xiàn)在食物攝取和能量利用方面，家豬為 適應(yīng)在集約化養(yǎng)殖方式下高能量、低運動的“不健康的生活方式”，控制采食 量的基因快速進化，以減低無限制的食物攝入。與之相反，野生藏豬由于長期 處于食物缺乏的高原自然環(huán)境，其能量代謝（特別是糖尿病易感基因）進化速 度減緩甚至沒有進化。這一發(fā)現(xiàn)不僅印證了為什么家豬和肉牛再胖也不得糖尿 病，而野豬、捕老鼠的家貓和獵狗一旦肥胖極易罹患高血糖、高血脂和高血壓。 同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在

6、人類身上，在歐美等發(fā)達國家，通過近300年來（殖民地 時期至今，約20-25代人）長期處于“易感糖尿病的高營養(yǎng)、低勞動”的環(huán)境 下，通過不斷進化逐漸從人群中淘汰和剔除了糖尿病易感基因，II型糖尿病患 者基本都是很極端的胖子。但在中國及其他亞洲國家，由于生活水平近20年 來才逐漸明顯提高，通過進化剔除糖尿病易感基因的進化過程正在發(fā)生中，于 是II型糖尿病患者的肥胖率沒有那么高。由于藏豬大量與脈管平滑肌發(fā)育相關(guān)的基因呈現(xiàn)出加速進化的趨勢， 導(dǎo)致藏豬較家豬而言呈現(xiàn)出更為強大的心、血管系統(tǒng)，其心肺重量占體重的比例（心、：0.48%，肺：1.36%）遠高于普通家豬（心、：0.35%，肺：0.83%），是

7、 研究人類高原缺氧性肺動脈高壓和充血性心力衰竭理想模型。更為有趣的是，研究同時發(fā)現(xiàn)18個與胎盤發(fā)育和39個子宮血液循環(huán) 的基因，在藏豬中得以快速進化，充分證明藏豬在條件惡劣的高海拔環(huán)境下成 功繁殖后代的特殊本領(lǐng)。藏豬與平原家豬相比，犧牲了產(chǎn)仔數(shù)（藏豬：4-8只 每胎，家豬：8-10只每胎），通過優(yōu)化子宮內(nèi)的血液循環(huán)，有效增加氧的利用 效率，最終生出了更重更強壯的小豬（小豬與母豬的體重比例，藏豬：2.83%， 家豬：0.57%）。同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在高海拔居住的藏族人和南美的安第斯山 脈居民，由于所處地理條件惡劣，他們都能生出更重更強健的小孩。此外，藏 豬由于居住在青藏高原（平均海拔3000-50

8、00米，紫外線指數(shù)12-20），與歐 洲家豬杜洛克豬（主產(chǎn)地之一的美國紐約，平均海拔10米，紫外線指數(shù)2） 相比，長期暴露于高強度的紫外線輻射。藏豬不僅在外表上進化出了堅硬的皮 膚和長而濃密的鬃毛以抵御輻射，同時加速進化出了上百個抵抗紫外線損傷細 胞DNA復(fù)制的基因，為深入研究紫外線加速皮膚老化和抗“光衰老”提供了具 有重要價值的線索。研究還鑒定出了藏豬有188個基因在近百萬年的進化過程中發(fā)生了退 化，變成了假基因。由于生活在遠離人類文明的高原，這些假基因主要與藥物 等人工化學(xué)物質(zhì)的代謝和轉(zhuǎn)運相關(guān)。而與之相反，家豬由于長期與人類共同生 活，嚴重暴露在高劑量的人工化學(xué)物質(zhì)環(huán)境中，通過食物（農(nóng)藥殘

9、留）、藥物、 空氣和水攝入了大量的生物異生物質(zhì)，與人類一起進化出了能夠快速轉(zhuǎn)運和代 謝人工化學(xué)物質(zhì)的基因，降低體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)殘留的危害。第二部分：藏豬和四川盆地家豬的群體基因組學(xué)分析為進一步研究我國藏豬種群的遺傳結(jié)構(gòu)、漫長歷史進化過程中的群體大小 變化，以及四川盆地家豬經(jīng)受長期人工選擇在基因組中留下的選擇性清除痕 跡。本研究對來自我國6個代表性的藏豬群體，對四川盆地的4個特有地方豬種， 以及四川盆地野豬進行了群體基因組重測序。結(jié)合歐洲野豬、歐洲家豬、中國 東南家豬、亞洲野豬、東南亞島嶼的野生豬屬動物和非洲疣豬的基因組數(shù)據(jù)， 進行了群體水平的比較基因組學(xué)分析。群體遺傳學(xué)分析結(jié)果表明歐亞豬種存在明顯

10、的遺傳背景差異，歐亞的地 理隔離造成的遺傳結(jié)構(gòu)差異甚至超過了野生和馴化的差異。通過基因組堿基變異 的歷史推斷分析，鑒定出在距今2萬年前的末次冰盛期（末次冰期中氣候最為寒 冷、冰川規(guī)模達到最大的時期），歐洲和中國東南地區(qū)的野豬群體大小急劇下降。而中國西南的四川盆地由于地質(zhì)活動頻繁，四面環(huán)山，相對“膠囊”狀的地理隔絕， 成了冰期時代野豬和藏豬的“諾亞方舟”，其群體大小不降反升。這是首次從哺乳 動物基因組水平證明中國西南，特別是素有天府之國、熊貓故鄉(xiāng)的四川盆地作為 冰期生物的避難所，是世界范圍內(nèi)生物多樣性最為豐富區(qū)域之一的有力證據(jù)。通過對6個藏豬群體（西藏日喀則、西藏林芝、四川阿壩、四川甘孜、甘 肅

11、甘南和云南迪慶）和4個四川盆地特有家豬品種（盆周山地豬、烏金豬、雅南 豬和內(nèi)江豬）基因組水平的基因選擇性清除分析，鑒定出了大量藏豬高海拔適應(yīng) 性的快速進化基因268個，家豬肌肉生長、脂肪沉積、免疫基因等受到人工強烈 選擇的基因516個。結(jié)果同時表明家豬自人類農(nóng)業(yè)產(chǎn)生以來經(jīng)歷了約9000年的人 工選擇，而藏豬卻遭受了百萬年漫長的高原環(huán)境自然選擇，從基因組水平上看， 作用時間較短的人工選擇反而能夠有效地改變和塑造家養(yǎng)動物基因組。充分體現(xiàn) 了人類根據(jù)自身需要馴養(yǎng)、塑造和改良物種的強大能力。通過基因的進化速度分析，發(fā)現(xiàn)家豬唾液分泌基因受到了強烈的人工選 擇，快速進化。一方面解釋了人工飼養(yǎng)條件下家豬為消

12、化淀粉含量較高的飼料， 唾液分泌量增加的分子基礎(chǔ)，體現(xiàn)了家豬交配繁殖行為極大地依賴于唾液中“性 外激素”的適應(yīng)性進化。同時也反映了人工集約化養(yǎng)殖條件下動物福利的惡化和“行為規(guī)癖”（如無食咀嚼，豬的一種固板行為，表現(xiàn)為在口腔無食情況下連續(xù) 地咀嚼。多發(fā)生在刺激貧瘠的畜舍環(huán)境）現(xiàn)象的頻繁發(fā)生。這與現(xiàn)代人類社會中 由于壓力過大、精神抑郁導(dǎo)致的“流涎癥”類似。該研究從藏豬和家豬的比較基因組學(xué)分析出發(fā)，其研究思路和研究模式充分 表明，在目前以及未來的510年中，基于高通量基因組測序技術(shù)，能夠快速地 進行遺傳資源篩選，尋找到大量的遺傳差異，實現(xiàn)遺傳進化分析及重要經(jīng)濟性狀 候選基因的預(yù)測?；蚪M重測序?qū)⒊蔀?/p>

13、育種研究中迅速有效的方法之一，在全基 因組水平掃描并檢測出與動植物重要性狀相關(guān)的變異位點，具有重大的學(xué)術(shù)、科 研價值和潛在的產(chǎn)業(yè)價值。中國養(yǎng)豬業(yè)有著悠久的歷史，主要豬種和產(chǎn)品已成為人們所必需的生產(chǎn)和生 活資料。由于我國多元化的地理、生態(tài)和氣候條件，加上長期以來經(jīng)過廣大勞動 人民的精心選育，形成了豐富的地方豬種資源。農(nóng)業(yè)部“十二五”期間統(tǒng)計數(shù)據(jù) 顯示我國豬品種有125個，其中地方品種88個。許多地方豬種蘊藏著豐富的優(yōu) 良基因資源，其中優(yōu)良的肉質(zhì)、抗病性、抗逆性和繁殖性能等都是極具特色和國 際競爭力的經(jīng)濟性狀，也是我國畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展的堅實基礎(chǔ)和巨大的潛在優(yōu)勢。 近年來，受外來品種強烈沖擊，我國地方優(yōu)良畜禽品種數(shù)量急劇下降，經(jīng)過數(shù)千 年馴化的許多傳統(tǒng)品種被遺棄，處于滅絕或瀕危狀態(tài)的優(yōu)良地方品種已占20% 以上，并且日趨嚴重，其中以豬的品種資源流失最為嚴重。該研究以藏豬和四川 盆地家豬為例，對我國地方優(yōu)良豬種的主要優(yōu)良特性進行分子遺傳評估，其結(jié)果 將極大地加速后續(xù)建立和利用這些優(yōu)良特性的育種技術(shù)方案，是充分有效利用