2022-11-19 | 对西南亚地方山羊的基因组分析揭示了与沙

●英文题目《Genomic analysis of indigenous goats in Southwest Asia reveals evidence of ancient adaptive introgression related to desert climate》

●期刊：Zoological Research

●影响因子：2022_IF=6.975；中科大类: 生物学期刊1区; 中科小类: 动物学期刊1区; JCR分区: Q1

●发文单位：西北农林科技大学

●文章作者：西北农林科技大学Hojjat Asadollahpour Nanaei和蔡钰东为文章共同第一作者；西北农林科技大学姜雨、王喜宏为文章共同通讯作者

摘要：了解与气候变化有关的进化压力如何塑造了家畜当前的遗传背景，是生物学的基本追求。在这里，我们对伊拉克和巴基斯坦的本地山羊种群中进行了全基因组测序。结合先前发布的有关现代，古代 (新石器时代晚期至中世纪) 和全球野生山羊物种的数据，我们探索了西南亚 (SWA) 本地山羊种群的遗传种群结构，祖先组成和正向自然选择信号。结果表明，在金属器时期，SWA山羊的遗传结构受到地中海东部基因流的深刻影响，这可能反映了该地区物种对逐渐变暖和干旱的适应。此外，比较基因组分析显示，KITLG基因座从努比亚北山羊ibex (C. nubiana) 向非洲和SWA山羊的适应性渗入。在位于非洲东北部附近的山羊种群中，该基因座上所选等位基因的频率明显更高。这些结果为SWA地区山羊种群的遗传组成和历史提供了新的见解。

前言：西南亚 (SWA) 的新月沃地和邻近地区被认为是大多数牲畜和植物物种驯化的起源。然而，这个重要的地理区域在过去几千年中遭受了长期干旱。例如，古环境重建表明，该地区的东部在全新世中期结束时逐渐转向干燥和温暖的环境，这与早期农业发展相吻合。新月沃土受干旱影响最严重的地区位于伊拉克和伊朗，它们也是亚非沙漠带热干旱地区的一部分 。结果，当地的驯养动物很好地适应了当地的热沙漠环境。

群体之间的基因流允许适应性等位基因的传播。对人类和其他物种的研究表明，祖先和渗入的异质性可以提供对进化过程的见解。此外，对农场动物的古代渐渗的研究表明，适应性渐渗是自然种群遗传变异的重要资源，并且可能有助于驯化期间的适应。例如，基因组证据支持在Bos属中发生渗入，在东亚的蒙古牦牛中出现牛渗入，在中国海南牛中出现班腾 (Bos javanicus) 渗入。

作为最早的驯养动物之一，考古年代表明，山羊 (Capra hircus) 早在1万年前就已经在伊朗西部、安纳托利亚东南部地区和伊拉克北部 (扎格罗斯山脉）被驯化。野生祖先 (伊朗野山羊bezoars) 驯化后，山羊跟随农业的传播，在距今~ 8 000和~ 7 000年到达地中海和北非。目前，全球山羊的数量已经增长到超过10亿只，在许多国家，特别是在中东和地中海，山羊养殖是一个常见的动物生产部门。

最近的研究提供了国内山羊遗传多样性和线粒体DNA (mtDNA) 和核DNA变体的地理分布模式的快照。尽管mtDNA序列提示当今山羊种群中的地理分化较弱，但全基因组单核苷酸多态性 (SNP) 研究提示相反。最近对SWA的古代基因组进行的古基因组研究揭示了三个不同的新石器时代山羊群体，这些群体来自新月沃土的不同部分，对欧洲，非洲和亚洲的当今种群有不同的贡献。此外，来自扎格罗斯山脉的少数早期驯化山羊对bezoars表现出相对强的遗传亲和力。这表明驯化和驯化后的分离并不排除野山羊和家养山羊之间或不同地理区域的山羊群体之间的后续接触。

在这项研究中，我们对山羊种群进行了大规模的基因组分析，包括50个古代，211个驯化和72个野生山羊基因组，重建历史迁移和渗入过程，这些过程塑造了SWA家养山羊的当前遗传结构，并确定了该地区沙漠气候适应变化的遗传基础。

结果

1、遗传多样性、种群结构和系统发育关系

图1 基于全基因组测序数据的有根ML系统发育树 (图S3) 显示地理集群EUR-WAFR-EAFR; IRQ-IRN; PKS-BNG和CHN。此外，现代欧洲山羊与新石器时代新月沃土西部的种群聚集，而新石器时代的东部山羊则聚集在中国和南亚的现代样本之间。基于现代家养山羊的PCA，PC1显示了从东端中国样本到西端欧洲山羊的遗传基因 (图1B)，与ADMIXTURE结果一致 (图1C; 图S4)。相比之下，PC2对应于非洲和欧洲北部之间的差异。和Daly等人一致，投影在同一地块上的古代样本位于来自同一地区的当代个体附近。与大多数其他亚洲山羊种群的SWA (IRN和IRQ) 样品中低水平的单倍型共享 (补充图S5)。 图片S3-5.png

线粒体系统发育树显示，所有之前定义的6个母体单倍群，即A、B、C、D、F和G，都在我们的数据集中存在（图S6A，B）。单倍群A在所有国内类群中均占主导地位。PKS样本最多样化，有4个单倍群，而EUR（欧洲）、IRQ（伊拉克）和非洲个体只有2个单倍群。y染色体单倍型多样性分析表明，单倍群Y2A在非洲和伊朗山羊个体中均占优势，在伊拉克山羊样本中出现频率较高。单倍群Y2B只在中国家养山羊和牛黄中发现（图S6C）。根据SMC++分析，所有现代山羊种群之间的分化时间都早于考古证据显示的预期驯化时间（~11 000年前）（补充图S7）。

图S6-7

2、SWA和东非现代山羊种群之间的高遗传亲和力

为了确定目前驯化群体中可能存在的全基因组渐渗入，我们使用Dsuite v3计算了D和fb统计数据。结果显示，在IRQ-IRN（fb=0.61，Z=35.21）、EAFR-IRQ（fb=0.419，Z=14.32）和EAFR-IRN（fb=0.374，Z=11.98）群体中存在较强的渐渗入信号（图2A）。在非洲和IRQ（fb=0.58，Z=12.32）和IRN（fb=0.51，Z=9.58）群体中也检测到额外的交叉渐渗，但在WAFR和SWA群体之间未检测到基因流动的证据。这些值高于EAFR-IRQ和EAFR-IRN，表明后者可能反映了EAFR（非洲东部）和WAFR（非洲西部）的共同祖先在黎凡特地区的渐渗。fb结果还强调了CHN/BNG、PKS/IRN和EUR/WAFR群体之间过度的等位基因共享（图2A）。这些结果得到了TreeMix分析的支持，该分析显示了EAFR山羊基因组渗入IRQ（=1）和IRN（=2）的信号，分别解释了99.7%和99.9%的方差（图2B）。

图2

利用Loter对EAFR山羊到IRQ和IRN群体的基因流进行了定量分析，结果显示，不同SWA地区的现代山羊的渐渗比例并不一致。随着与EAFR的距离的增加，基因流动的频率逐渐减少（图2C，D）。在位于IRQ和IRN南部的样本中，平均频率分别最高（_{65%）和最低（}36%）。利用fd，我们进一步定位了从EAFR山羊渗入IRQ和IRN群体的显著概率的基因组区域。渐渗区域的长度从几百个到超过200万个碱基对不等。选择前1%的区域，我们分别获得了2 456（2 218个基因）和974（966个基因）常染色体区域作为IRQ（伊拉克）和IRN（伊朗）组的高可信渐渗片段。

3、基因从黎凡特流向SWA的历史证据

接下来，我们计算了D统计量，以探索所有现代家养山羊的新石器时代起源。值得注意的是，在来自新月沃土的所有新石器时代山羊群中，来自黎凡特地区的样本与现代非洲山羊表现出更高的遗传亲和性（图3A），这与之前的研究一致。此外，在亚洲现代山羊群体中，IRQ和IRN样本显示出与新石器时代黎凡特山羊的高等位基因共享。然而，来自南亚的山羊样本（BNG和PKS）与来自新石器时代东部群体的古代样本具有较高的遗传亲和力。为了估计从黎凡特到SWA的基因流动的可能时间，我们进行了外群f3-统计（古IRN，古黎凡特；外群）。结果表明，在所有来自IRN的古代样本中，来自铜石时代（公元前~4 200 年）的样本与不同的古黎凡特种群的遗传亲和关系最接近（图3B），从而确定了混合事件的年代。这些结果被D统计证实为（古IRN，新石器时代-东；EAFR，外群），再次说明了具有EAFR的伊朗山羊与铜石时代时期不同的黎凡特种群之间存在的高度遗传连续性。

图3

4、选择信号分析检测适应性基因

SWA地区本地牲畜物种对炎热和干旱沙漠生态系统的适应可能影响毛发和皮肤特征，这与散热能力直接相关。例如，大多数SWA本土绵羊品种都有粗羊毛外皮，而亚洲北部寒冷气候下的大多数本地山羊品种都生产羊绒。为了深入了解对沙漠气候的适应，我们利用FST和π ln-ratio比较了SWA和东北亚地区的本地山羊。在合并具有高值的连续窗口后，我们发现46个窗口的FST和π ln-ratio值的前1%，跨越72个候选基因（图4A）。FST最高异常值窗口包含与5号染色体上KITLG基因（18 075-18 160 kb）相关的基因渗入信号，该信号与毛囊性状相关。较低的π和Tajima’sD值和较高的复合似然比（CLR）表明，SWA山羊的该位点具有较强的阳性选择（图4B）。既往研究表明，KITLG是动物皮肤色素沉着的重要调节因子，在成人皮肤卵泡存活和黑素细胞谱系的发育中起着重要作用。黑色素色素在抵御紫外线（UV）辐射和温度调节方面发挥直接作用，可多热带影响哺乳动物的各种行为和生理特征。我们在编码区内没有发现非同义突变，这表明了调控突变的作用。

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5、KITLG选择的区域可能从努比亚野山羊渗入到家养山羊中

在EAFR山羊SWA群体的渐渗片段中，KITLG位点（18 116-18 161 kb）的最强选择信号。我们构建了KITLG选择区域的单倍型图谱，以探索所有种群之间的关系。有趣的是，研究结果显示，该基因组区域的两个不同的单倍型在不同的野山羊物种之间存在差异，这支持了与适应的潜在相关性（图4C）。在非洲、西南亚和南亚出现高频率的单倍型（以下简称AFR-ASA）与野山羊的相似性最高，特别是努比亚野山羊（C. nubiana），而在欧洲和中国山羊中的伊朗野山羊单倍型接近KITLG区域。这些基因渗入位点的频率在EAFR（90%）、IRQ（88%）、WAFR（79%）、IRN（77%）和PKS（72%）中较高，但在欧洲（2%）和中国（5%）山羊中的频率要低得多（图4D），表明从非洲到SWA和南亚逐渐下降。此外，KITLG 所选择区域的单倍型网络在世界各地的家养山羊中显示出两个高度分化的单倍群（图4E）。在SWA个体中，<有75%属于AFR-ASA单倍群。为了进一步评估KITLG等位基因在家养山羊中的起源和传播，我们对来自新月沃土地区的古代遗骸进行了深入的遗传调查。我们在黎凡特的青铜时代发现了一种具有KITLG选择区域的古代动物（可追溯到~3500 YBP）。此外，一个来自中世纪的伊朗山羊样本也携带了这个基因组区域。这些发现与从黎凡特山羊群进入SWA地区的基因流动发生在中世纪之前的假设相一致。