山羊全基因组选择信号分析揭示环境适应与生产性状的新候选基因

《BMC Genomics》：A comprehensive genome-wide analysis for signatures of selection in goat (genus Capra) revealed new candidate genes for environmental adaptation and productive traits

　　本研究通过分析194个野生、半野生和家养山羊的全基因组测序数据，利用纯合性片段(ROH)和扩展单倍型纯合性(EHH)分析方法，系统鉴定了12个山羊群体中的选择信号(SOS)。研究发现CCSER1和ADAMTSL3等与体型发育相关的基因在多个群体中受到选择，PCDH15等环境适应相关基因在半野生和绒山羊中共同出现。研究揭示了自然选择在山羊基因组塑造中的主导作用，为气候变化背景下家畜育种提供了重要遗传靶点。

　　

在全球气候变化和新兴传染病威胁的背景下，山羊作为适应性强、分布广泛的家畜物种，其基因组中蕴藏着应对环境挑战的宝贵遗传资源。山羊(Capra hircus)拥有众多品种，表现出高度的表型和遗传变异，这些变异是环境适应和人类对肉、奶、纤维生产进行人工选择的结果。随着全球山羊数量的持续增长，研究不同环境条件和养殖系统如何塑造山羊基因组变得尤为重要。野生山羊种群为研究纯粹的自然选择提供了模型，而半野生种群则展示了人工和自然选择共同作用的复杂历程。

本研究由Stefano Pallotti等研究人员在《BMC Genomics》上发表，旨在通过对野生、半野生和家养山羊的全基因组分析，聚焦与适应性和生产性状相关的基因位点，为建立具有气候韧性的山羊育种系统提供理论基础。

研究人员采用了多项关键技术方法：对221个全基因组测序数据集进行质量控制后，最终使用194个样本的6,376,154个变异位点；通过主成分分析(PCA)和群体结构分析(ADMIXTURE)解析种群关系；利用运行纯合性(ROH)检测和基因组近交系数(F_ROH)评估近交水平；采用扩展单倍型纯合性(EHH)分析，包括整合单倍型评分(iHs)和跨群体XP-EHH分析；计算基因组固定指数(F_ST)和核苷酸多样性(θπ)进行跨群体比较；通过基因组交集方法鉴定选择信号，并对相关基因进行富集分析。

种群结构和F_ROH分析

PCA分析显示山羊种群形成三个主要簇：四个绒山羊品种聚集在一起，半野生和奶山羊品种形成一组，而安哥拉山羊、肉用山羊和野生山羊构成更大的集群。群体结构分析确定了三个主要基因簇，分别对应不同的生产用途(奶、肉、纤维)。绒山羊品种表现出最高水平的近期和古代近交(F_ROH值范围0.31-0.37)，表明这些种群受到了较高的选择压力。野生山羊也显示出高近交水平，特别是近期近交(F_ROH>8,000 kb)，可能是由于种群瓶颈所致。

选择信号的分布

研究在所有山羊群体中鉴定出5,347个基因存在选择信号，其中与环境适应、免疫反应和体型发育相关的基因数量最多。野生山羊中的选择信号主要位于环境适应(TRMT44、RUNDC3B、ENAH、CNGA4、CSMD3和RBM45)和免疫反应(RNF213)相关基因，表明自然选择是塑造野生环境下基因组的主要力量。

环境适应的选择信号

绒山羊品种中鉴定出最多与环境适应相关的选择信号(12个基因)，特别是三个内蒙古品种(阿拉善、二郎山和阿爾巴斯)。这些基因包括ANO2、TENM4、KLHL29和GRIK4等，已知与高海拔缺氧适应、紫外线辐射响应和热应激反应相关。PCDH15基因在阿爾巴斯、辽宁绒山羊和半野生山羊中均被发现受到选择，该基因在北极狼的视觉和听觉适应以及西伯利亚土著人群的当地适应中发挥重要作用。

免疫反应的选择信号

奶山羊品种中发现了最多的免疫相关基因选择信号(8个基因)，包括与副结核病抗性(PSD3)、小反刍兽疫病毒抗性(RPF2)和乳腺炎抗性(MGAT5)相关的基因。绒山羊品种中也鉴定出多种病原体免疫反应相关基因的选择信号，如沙门氏菌(BPI)和小反刍兽疫病毒(NEDD4L)抗性基因。

体型和生长性状的选择信号

辽宁绒山羊中发现了最多体型发育相关基因的选择信号，包括与体重和体型大小相关的CDH18和NALCN，以及与背膘厚度相关的RIMS1。肉用和奶用山羊品种中也检测到与胴体性状相关基因的选择信号，如布尔山羊中的TMEM132C和NR2E1，以及阿尔卑斯山羊中的DIAPH3。

跨群体选择信号分析

野生与家养山羊的比较显示出最显著的差异选择信号，涉及粘附连接通路、胆碱代谢通路和磷脂酶D信号通路等与病原体感染和乳汁分泌相关的通路。纤维生产(绒山羊和安哥拉山羊)与肉用山羊的比较揭示了与热耐受性(ABHD6、CLPB)、免疫反应(GBP5)和毛囊生物学(ADCY2、EPHA4、KIAA1217)相关的差异选择信号。

研究结论强调，尽管经历了长期驯化，环境和自然选择在塑造山羊基因组方面的作用超过了人工选择。特别是在恶劣环境下饲养的绒山羊品种，显示出最多与环境适应和疾病抗性相关的选择信号，而与生产力相关的基因选择较少。跨群体分析揭示了野生与家养山羊在驯化、行为、免疫反应和生产力相关基因上的最大差异。不同生产目的的家山羊之间主要在生产性状相关基因上表现出差异选择，而在环境适应方面差异较小，可能与其集约化管理和较少暴露于环境压力有关。

这项研究首次在山羊中报道了大多数这些基因位点的选择信号，为未来应对气候变化和新发疾病的育种策略提供了宝贵的遗传基础。研究鉴定的遗传位点与环境适应和疾病抗性相关，为针对性育种和保护策略奠定了基础，有助于增强山羊种群的抵抗力和可持续性。