人才强校 | 李孟华教授团队在探索绵羊驯化及尾脂形态等表型性状的遗传机制方面取得重要进展
本网讯 6月4日，我校动物科学技术学院李孟华教授课题组在国际知名学术期刊《Nature Communications》在线发表题为“Whole-genome resequencing of wild and domestic sheep identifies genes associated with morphological and agronomic traits”的研究论文（https://www.nature.com/articles/s41467-020-16485-1）。该研究通过对16个野羊（亚洲摩弗伦）和来自世界各地的232个家羊个体进行高深度全基因组测序，全面深入地揭示了绵羊在驯化和遗传改良过程中受到人工选择的外形以及重要生产性状的遗传机制。
绵羊作为最早被驯化的动物之一，经过长期的自然选择以及人工选择，已经被培育成为一种具有能提供毛、肉、奶、皮等产品的重要家畜。利用高深度全基因组重测序数据，鉴定表型性状相关功能变异对指导其基因组辅助育种有着重要意义。近期已有研究从基因组层面分析了绵羊的驯化和育种，然而依然存在样本量较少、测序深度低和表型数据不够充足等局限。本研究利用平均测序深度为25.7×的16个野羊、172个地方品种个体和60个培育品种个体的重测序数据，通过全基因组选择分析和基因组关联分析（GWAS），利用单核苷酸多态性（SNP）和拷贝数变异（CNV）分子标记，挖掘了一系列与驯化、重要外形和农业性状相关的候选基因，并检测到一些已经发生了明显的等位基因频率差异分化的重要候选基因区域；另外，通过转录组数据分析，反转录PCR（RT-PCR）,实时荧光定量PCR（qPCR）和免疫印迹（Western blot）等实验验证，发现PDGFD基因是影响绵羊尾部脂肪沉积的重要因果基因。
绵羊驯化和改良过程中受到选择的功能基因
通过比较野羊和五个古老的家羊品种(来自非洲、中东、欧洲，亚洲)全基因组数据，基于四种选择分析方法，鉴定出261个可靠的候选基因，并进一步挖掘了36个在绵羊及其它物种中发现的且具有功能注释的驯化基因(与免疫, 繁殖, 生长, 行为等相关)，针对这些基因，发现了6个在野生和家养绵羊间等位基因频率分布差异极显著的非同义突变位点。通过对所有家羊进行global FST分析，也筛选了一系列与毛细度、奶产量、窝平均产羔数和尾型等性状相关的候选基因。
绵羊不同尾型性状
绵羊的尾型是一种重要的表型性状，尾脂羊为满足人类早期的脂类需求提供了大量脂肪，而且也为绵羊抵御极端寒冷的环境储存了能量，但是随着人们生活水平不断提高以及对高脂类羊肉需求的减少，过度尾脂沉积反而会增加饲养成本，因此，研究绵羊尾部脂肪沉积的分子调控机制对培育瘦尾以及低脂肉用绵羊具有重要意义。本研究对绵羊尾型性状进行了深入探究，针对四种不同尾型（长脂尾、肥臀、短脂尾和短瘦尾）性状的绵羊进行两两比较的全基因组选择分析，挖掘出PDGFD这个被共同选择的基因，进一步解析基因结构，发现该基因启动子区域的基因型分布，以及位于该基因的一个非同义突变位点（半胱氨酸/酪氨酸）的等位基因频率在肥尾/肥臀羊和瘦尾羊中差异显著。
绵羊尾型性状的全基因组注释及PDGFD基因在不同绵羊尾脂中转录组表达
通过后续的转录组分析以及RT-PCR、qPCR和Western blot等实验验证发现该基因在瘦尾羊中的表达显著高于肥尾羊。通过解析脂肪生成通路，发现PDGFD基因表达的蛋白通过形成二聚体来激活PDGFRβ通路，而该通路在脂肪扩增的过程中起着抑制作用，也进一步证实了PDGFD基因在尾脂形成中起着负调控作用。
PDGFD基因表达验证及其在尾脂沉积中的分子调控机制
除了解析尾型性状，针对三种不同的角型（四角、二角、无角），结合SNP和CNV分子标记进行全基因组关联分析和选择分析。
绵羊不同角型性状
研究人员发现调控无角的候选基因RXFP2和多角的候选基因HOXD的基因家族受到显著选择，并进一步发现其等位基因频率分布和基因型分布也存在显著差异。本研究也鉴定了与窝平均产羔数（BMPR1B）、毛细度(KRT基因家族)、耳面积大小（MSRB3、LEMD3）、奶产量（ARHGEF4）、乳头数（SYNDIG1L）、毛色（MITF、KIT）等性状的相关的候选功能基因，为绵羊基因组学研究和分子育种提供了宝贵的资源。
我校动物科技学院李孟华教授和新疆农垦科学院王新华研究员为论文共同通讯作者，李孟华教授课题组博士研究生李心、杨继副研究员、博士研究生谢兴龙，新疆农垦科学院沈敏研究员，以及刘广建博士为论文共同第一作者；联合国粮农组织、国际原子能机构、国际家畜研究所、国际旱地农业研究中心等国际组织以及英国、荷兰、芬兰、加拿大、澳大利亚、伊朗、捷克、德国、埃塞俄比亚等国家研究机构参与研究；本研究获得了国家自然科学基金（31825024、31661143014、31972527）和绵羊遗传改良与健康生产国家重点实验室专项基金（2017CA001、2018CA001、2019CA009）等项目的资助。