西藏牦牛群体遗传多样性及遗传结构分析.pdf

余道宁，王佟，马晓明，等.西藏牦牛群体遗传多样性及遗传结构分析J.中国草食动物科学，2024，44（2）：39-43收稿日期：2023-12-06基金项目：国家重点研发计划课题（2022YFD1302101）;西藏自治区区域科技协同创新项目（QYXTZX-NQ2022-04）；西藏自治区区域科技协同创新专项（QYXTZX-NQ2022-04）；现代肉牛牦牛产业技术体系（CARS-37）作者简介：余道宁（1999-），男，硕士研究生，研究方向为动物遗传育种与繁殖通信作者：洛桑顿珠（1989-），男，助理研究员，研究方向为牦牛繁育；梁春年（1973-)，男，研究员，研究方向为动物遗传育种与繁殖DOI：10.3969/j.issn.2095-3887.2024.00.019西藏牦牛群体遗传多样性及遗传结构分析余道宁1，2，3，王佟1，2，3，马晓明1，2，张德荣3，欧杰次仁4，洛桑顿珠5，梁春年1，2（1.中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所，甘肃省牦牛繁育重点实验室，兰州730050；2.农业农村部青藏高原畜禽遗传育种重点实验室，兰州730050；3.西北民族大学生命科学与工程学院，兰州730124；4.西藏娘亚牦牛养殖产业发展有限责任公司，嘉黎852400；5.西藏自治区农牧科学院畜牧兽医研究所，拉萨850004）摘要：采集西藏地区5个牦牛类群（西藏高山牦牛，类乌齐牦牛，帕里牦牛，斯布牦牛，娘亚牦牛）共49头牦牛的血样，利用全基因组重测序技术对其遗传多样性及遗传结构进行了分析，以期为西藏牦牛遗传资源的保护、开发和利用提供参考。SNP变异检测结果表明，经过滤后得到7 655 923个SNP位点；群体遗传多样性分析发现，西藏地区不同牦牛群体之间的基因杂合度差异并不显著，且均存在不同程度的杂合度下降现象，类乌齐牦牛的观测杂合度最高，为0.336 4；群体结构分析发现，5个牦牛类群之间存在基因交流现象。说明目前西藏牦牛各群体整体存在遗传多样性下降的潜在风险，需要进一步加强群体保种工作，以确保不同品种资源的多样性得到有效保护。关键词：西藏牦牛；遗传多样性；群体结构中图分类号：S823.2文献标志码：A文章编号：2095-3887（2024）02-0039-05Study on Genetic Diversity and Genetic Structure of Tibetan Yak PopulationsYU Daoning1,2,3,WANG Tong1,2,3,MA Xiaoming1,2,ZHANG Derong3,OUJIE Ciren4,LOBSANG Dondrub5,LIANG Chunnian1,2(1.Lanzhou Institute of Husbandry and Pharmaceutical Sciences of Chinese Academy of Agricultural Sciences,KeyLaboratory of Yak Breeding in Gansu Province,Lanzhou 730050,China;2.Key Laboratory of Animal Genetics andBreeding on Tibetan Plateau,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Lanzhou 730050,China;3.College of LifeScience and Engineering,Northwest Minzu University,Lanzhou 730124,China;4.Tibet Niangya Yak BreedingIndustry Development Limited Liability Company,Jiali 852400,China;5.Institute of Animal Husbandry andVeterinary,Tibet Academy of Agriculture and Animal Husbandry Science,Lhasa 850004,China)Abstract:The blood samples of 49 yaks from 5 yak taxa(Tibetan Gaoshan yak,Riwoq yak,Pali yak,Sibu yak,Niangya yak)in Tibet were collected and their genetic diversity and genetic stracture were analyzed by whole genomeresequencing,in order to provide a reference for the conservation,development and utilization of yak genetic resourcesin Tibet.The results of SNPs variation detection showed that 7 655 923 SNP loci were obtained after filtering.Population genetic diversity analysis found that the differences in genetic heterozygosity between different yak groups in Tibetwere not significant,and all of them had varying degrees of decreasing heterozygosity,and the highest heterozygositywas observed in the Riwoq yak,which was 0.336 4.The analysis of the population structure found that there wasgenetic exchange between five yak taxa.The analysis of population structure revealed that there was gene exchangeamong five yak taxa.The analysis of population structure showed that there was genetic exchange among five yakpopulations.This indicates that there is a potential risk of decreasing genetic diversity in all Tibetan yak populations,-39China Herbivore Science2024年第44卷第2期中国草食动物科学Vol.44 No.2 2024and it is necessary to further strengthen the work of population conservation to ensure the effective protection of thediversity for different breeds of yak resources.Keywords:Tibetan yak;genetic diversity;population structure牦牛是我国青藏高原及其周边地区的特有牛种，其主要生活区域有高海拔、严寒、昼夜温差大、牧草生长季短、辐射强和缺氧严重的特点。这些独特的自然生态条件塑造了牦牛出色的适应能力，表现为耐寒耐热、晚成且繁殖率低，并能在高寒缺氧的环境中生存1-2。我国牦牛遗传资源极为丰富，主要分布在西藏、青海、甘肃和四川等省份3。其中，西藏因其独特的地理和生态条件，拥有丰富多样的牦牛遗传资源。目前，我国已经公布了西藏地方类群的牦牛种类，其中包括斯布牦牛、娘亚牦牛、西藏高山牦牛、类乌齐牦牛和帕里牦牛4。除了上述提到的几个品种外，西藏还存在其他珍稀而受保护的牧区特有的优势生态类群。这些优秀牧区资源不仅具备适应恶劣生态环境条件的能力，还对当地的经济发展起到重要作用。整合西藏地区的牦牛品种，进行西藏牦牛遗传多样性和群体结构分析，对于深度开发利用该地区的牦牛具有重要意义。同时，通过对牦牛遗传多样性的研究还可以帮助人们更好地认识牦牛在人类社会中扮演的重要角色。此外，在现代生物技术快速发展的背景下，利用对牦牛遗传多样性研究成果进行基因改良也成为可能。而当前对于西藏地区牦牛的研究主要集中在种质资源调查、生物化学分析、营养调控、品种特性和繁殖能力、生长发育、肉品质等方面5-8。近年来，虽然有一些文献提到，西藏地区各种地域的牦牛群体已经通过使用微卫星的遗传标志来探索其遗传的多元性9-11，但全基因组重测序的SNP基因分型和群体结构研究相对较为有限。与微卫星定位相比，重测序具有更高的分辨能力和灵敏度，能够提供更多的基因组背景信息。基于此，本研究使用 Illumina测序平台对包括西藏高山牦牛、类乌齐牦牛、娘亚牦牛、斯布牦牛和帕里牦牛在内的5个牦牛类群进行全基因组重测序并进行了SNP基因分析，解析了西藏牦牛的群体结构，为探讨西藏牦牛各个群体的亲缘联系和遗传差异提供了依据。1材料与方法1.1样本采集与DNA提取本研究选择西藏高山牦牛、类乌齐牦牛、帕里牦牛、斯布牦牛和娘亚牦牛5个牦牛类群进行了全基因组重测序分析。分别在西藏自治区那曲市丁青县、昌都市类乌齐县、日喀则市亚东县、拉萨市墨竹工卡县和那曲市嘉黎县采集9、11、11、9和9头牦牛的血样。血样通过颈静脉采集于EDTA抗凝管中，运回实验室进一步检测。使用北京全式金生物技术有限公司生产的EAsyPure血液基因组DNA提取试剂盒，提取血样中的DNA，测定OD260/OD280值并进行1.2%琼脂糖凝胶电泳筛选，对提取的DNA进行质量和完整性检测，以便进行全基因组重测序。测序由湖南华智生物技术有限公司完成。1.2SNP变异检测对测序得到的含有高质量SNP的样本VCF文件，利用bcftools软件统计其信息。1.3西藏牦牛群体遗传多样性分析本研究采用Plink version 1.90软件12对样本的杂合度和近交系数进行计算，以评估不同西藏牦牛群体的遗传多样性。1.4西藏牦牛群体结构分析本研究采用Plink软件基于SNP信息进行主成分分析，并使用R软件绘制图表展示其输出结果。使用Plink软件计算遗传距离矩阵并进行相应分析，最后利用MEGA软件13输出结果，以探究不同西藏牦牛群体之间的进化关系；利用Admixture软件分析49头牦牛的群体遗传结构。首先为了确定准确合适的亚群数（K值），预先假定K值为110，计算各品种归于第K亚群后的交叉验证误差（Cross-validation error）进行祖先成分分析。2结果与分析2.15个牦牛群体SNP变异检测结果本研究对西藏高山牦牛、类乌齐牦牛、帕里牦牛、斯布牦牛和娘亚牦牛5个牦牛类群共49个样本进行了全基因组重测序。为了进行后续群体的遗传分析，对5 个群体同时进行了 SNP 变异检测，经过滤后得到7 655 923个SNP位点（表1）。2.2西藏牦牛群体遗传多样性分析表2结果表明，5个牦牛群体的期望杂合度接近，均在0.354 4左右。其中，类乌齐牦牛的观测杂合度最高，达0.336 4；而其近交系数则最低，仅为0.059 8。这可能与其种群数量丰富有关。高山牦牛和帕里牦牛在-40余道宁，王佟，马晓明，等.西藏牦牛群体遗传多样性及遗传结构分析J.中国草食动物科学，2024，44（2）：39-43遗传多样性方面相似，而斯布牦牛的近交系数最高，达0.081 8。所有牦牛群体的观测杂合度均低于期望值，表明西藏牦牛群体存在不同程度的杂合度下降现象。2.3西藏牦牛群体关系分析2.3.1西藏牦牛群体的主成分分析对西藏5个牦牛群体进行主成分分析，结果见图1。从图 1可以看出，PCA1能够解释 7.08%的遗传变异，帕里牦牛相对独立聚集，与其他4个牦牛类群有明显的区别；PCA2能解释6.38%的遗传变异，类乌齐牦牛和斯布牦牛之间存在较大距离，而高山牦牛和娘亚牦牛则相对较为接近。2.3.2西藏牦牛群体的系统进化树分析系统发育树结果显示（图2），除高山牦牛外，其余4个牦牛类群都相对独立聚类，而高山牦牛个体相对较散，说明种群间存在基因交流现象；娘亚牦牛和斯布牦牛的距离相对较近，这与PCA结果一致。2.3.3西藏牦牛群体的祖先成分分析对西藏5个牦牛群体进行祖先成分分析，结果见图3。根据图示，可能由于各群体间进行频繁杂交，导致5个牦牛群体未能找到最优K值。图15个牦牛群体的主成分分析表1牦牛群体SNP变异检测结果群体高山牦牛类乌齐牦牛娘亚牦牛帕里牦牛斯布牦牛样本数/头9111199SNPs/个7 346 0017 404 8707 437 3997 222 9537 247 131纯合/杂合（Hom/Het）0.650 90.624 80.646 90.651 90.649 3表2牦牛群体的杂合度与近交系数分析群体高山牦牛类乌齐牦牛娘亚牦牛帕里牦牛斯布牦牛期望杂合度（He）0.354 40.354 40.354 40.354 50.354 4观测杂合度（Ho）0.328 80.336 40.330 70.328 80.330 6近交系数（F）0.072 40.059 80.076 20.072 40.081 8图25个牦牛群体的系统进化树-41China Herbivore Science2024年第44卷第2期中国草食动物科学Vol.44 No.2 20243讨论近些年来，随着基因组测序技术的不断进步和成本的逐渐下降，家畜基因组测序已成为现代畜牧业中必不可少的技术之一。通过对家畜基因组进行深入研究，可以更好地了解其遗传特征、生长发育规律以及抗病能力等。常晨城等14利用全基因组重测序技术对内蒙古地区的2个肉羊品种进行了研究，发现蒙古羊群体保留了更高水平的遗传多样性，并且蒙古羊与巴美肉羊之间存在一定程度的基因交流；熊和丽等15采用全基因组重测序技术分析了藏猪的骨骼肌发育相关基因及其遗传变异，为更深入地解析藏猪骨骼肌发育的遗传机制提供了参考；李婧娜等16基于重测序技术发现了民猪在经典SLA I类基因ARSs上的变异，为猪抗病育种标记的筛选提供了参考。牦牛是青藏高原特有的物种，对其遗传多样性的研究可为进一步研究牦牛起源、驯化、品种划分提供重要的理论基础，同时也为遗传资源的合理保护、开发和利用提供重要依据17。通过对牦牛基因组进行深入研究，可以揭示不同地区和群体之间的遗传差异，从而更好地了解这一物种在适应高寒环境、耐受缺氧等方面所具备的独特生理机制18。本研究对西藏高山牦牛、类乌齐牦牛、娘亚牦牛、斯布牦牛和帕里牦牛等5个牦牛类群进行了SNP变异检测，经过滤后得到7 655 923个SNP位点；5个牦牛类群的遗传多样性分析表明，西藏地区不同牦牛群体之间的基因杂合度差异并不显著，但与甘肃境内6个牦牛群体相比较低19，这可能是因为西藏牦牛群体之间的频繁基因交流所导致的，有必要进一步深入研究，以探讨这种现象是否与牦牛的适应性和抗逆性相关。目前，我国青藏高原的牦牛养殖主要采用家庭农场和小规模集群的饲养方式，几乎没有经历人工选择的强烈过程。然而，在小群体内，只有少数优秀的雄性个体有与大多数雌性牛只交配的权利，这限制了遗传物质在种群内的传播。因此，群体逐渐偏离平衡，并加速了近亲繁殖现象的发生10。在本研究中，类乌齐牦牛在5个类别中表现出最低的近亲系数。这是由于该群体位于西藏东北部，海拔较高且人口稀少的昌都市，由于地理位置偏远受到外界人类活动的影响较小，拥有相对丰富的种群数量来维持和传承其固有的遗传多样性，这可能是导致该群体遗传多样性较高的原因之一。从遗传学的角度来看，不同的物种或群体之间存在遗传差异是常态，这是因为遗传物质在世代之间传递过程中会发生变异和演化。在物种的演化历程中，不同的地理环境和生态条件会导致物种形成不同的遗传特征和适应性。因此，各个群体作为独立的地方品种生态类群存在，是符合遗传学和生态学规律的。然而本次研究中发现高山牦牛类群已经出现了明显的基因渗入现象，这可能是因为当地的游牧养殖习惯，导致不同品种的牦牛在放牧和繁殖过程中发生了基因交流和混合。这种基因渗入可能会影响高山牦牛的遗传结构和适应性，进而影响其生物多样性和生态系统的稳定性。此外，部分高山牦牛个体的基因与娘亚牦牛的基因相似，这可能是因为这两个类群都位于西藏自治区那曲市，地理位置相近。在相同的生态环境和人类活动影响下，这些类群可能会发生基因交流和混合，从而产生相似的遗传特征。这种现象也提醒人们在保护和管理物种资源时，需要考虑到地理环境和生态条件的差异以及人类活动的影响。4结论本研究基于全基因组重测序对西藏地区5个牦牛类群进行了评估，经过滤后得到 7 655 923 个 SNP 位点，发现5种牦牛遗传多样性呈下降趋势，存在近交风图35个牦牛群体的祖先成分分析-42余道宁，王佟，马晓明，等.西藏牦牛群体遗传多样性及遗传结构分析J.中国草食动物科学，2024，44（2）：39-43险，其中类乌齐牦牛的遗传多样性水平最高，并且不同群体之间存在一定程度的遗传物质交流，而西藏高山牦牛受到这种影响最大。因此，在保护和管理西藏地区各类牦牛群体资源时，应加强保护力度，并更加注重维持和恢复其遗传多样性水平，为西藏遗传资源的开发利用提供坚实的基础。参考文献1 郭宪，杨博辉，李勇生，等.牦牛的生态生理特性 J.中国畜牧杂志，2006（1）：56-57.2 马志杰.牦牛父系遗传多样性及起源研究 D.杨凌：西北农林科技大学，2019.3 王可，祝超智，赵改名，等.中国牦牛的品种与分布 J.中国畜牧杂志，2019，55（10）：168-171.4 廖阳慈，李蕊蕊，索朗斯珠，等.西藏自治区牦牛生产现状和趋势分析 J.中国畜禽种业，2023，19（6）：72-79.5 信金伟.类乌齐牦牛种质特性研究 J.西藏农业科技，2020，42（S1）：8-10.6 张玉卿，郭兆斌，韩玲，等.西藏斯布牦牛脏器品质及活性物质分析 J.甘肃农业大学学报，2015，50（4）：115-120.7 杨小俊，张唐伟，次仁德吉，等.类乌齐牦牛肉矿质元素含量差异性分析 J.食品工业科技：1-18.https：/doi.org/10.13386/j.issn1002-0306.2023020293.8 廖阳慈，鲍宇红，陈少峰，等.粗饲料组合效应对斯布牦牛营养物质表观消化率的影响 J.动物营养学报，2018，30（11）：4453-4459.9 钟金城，赵素君，陈智华，等.牦牛品种的遗传多样性及其分类研究 J.中国农业科学，2006（2）：389-397.10平措占堆，洛桑顿珠，鲜莉莉，等.西藏阿里地区牦牛生态类群分子遗传多样性研究 J.中国草食动物科学，2021，41（5）：12-17.11李铎，柴志欣，姬秋梅，等.西藏牦牛微卫星DNA的遗传多样性 J.遗传，2013，35（2）：175-184.12Purcell S，Neale B，Todd-Brown K，et al.PLINK：a tool set forwhole-genome association and 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