近日，西北农林科技大学动物科技学院雷初朝教授团队在《Advanced Science》期刊在线发表题为 “Structural Variations Associated with Adaptation and Coat Color in Qinghai-Tibetan Plateau Cattle” 的研究论文。

图1  本研究中青藏高原黄牛的地理分布、系统发育关系及基因组组装

青藏高原作为“世界第三极”，其极端高海拔环境（低氧、低温、强紫外线）塑造了独特的生物适应机制。青藏高原黄牛主要分布在海拔3000-4600米的地区，具有体型小、被毛厚、代谢率低等特点。高海拔适应性是一个复杂性状，基于单核苷酸多态性（SNP）的研究仅能部分解释黄牛对高原缺氧环境的系统性适应表型，受测序和研究手段的限制，对大片段结构变异（SV）仍缺乏系统研究。

利用HiFi和Hi-C测序技术，该研究组装了目前最完整的西藏牛染色体水平参考基因组；结合二代测序数据，揭示了群体特异性参考基因组在检测罕见低频和多等位基因变异方面的重要作用。通过分析36头高海拔黄牛和48头低海拔黄牛的三代Nanopore测序数据，共鉴定出222,528个SV。高海拔黄牛中受选择的SVs主要富集在能量代谢（SORD、ADIPOQ、NDUFB6和SARDH）、红细胞和血管生成（VGLL4、SND1、PLCB1、PRDM6、HPSE2、HPSE、GIGYF2和CTNNB1）以及过氧化物酶体代谢（GNPAT）相关通路。进一步分析显示，青藏高原黄牛GNPAT基因中102 bp内含子缺失可能会上调该基因表达；GNPAT基因参与氧化应激通路的调节，其变异可能增强了细胞对氧化应激的抵抗力，从而促进黄牛对高海拔环境的适应。此外，该研究鉴定出青藏高原黄牛特有的来自于牦牛基因组渗入的7293个SVs，其中包括缺氧诱导基因EGLN1上游的SVs。

图2 青藏高原黄牛环境适应和毛色相关的结构变异

在青藏高原黄牛中存在一种特殊的毛色表型，其被毛呈浅青灰色，俗称“青牛”。据该团队前期调研发现，青牛仅分布于青海与西藏等高海拔地区的黄牛群体中。利用三代和二代青牛基因组数据，在6号染色体上鉴定到一个包括KIT基因的2 Mb倒位杂合子以及两个高度关联的染色体易位SVs。通过皮肤样品的H&E染色和免疫组化分析，观察到黑牛的毛囊周围比青牛有更强烈的黑色素和更明显的KIT蛋白信号。通过对黄牛皮肤染色质三维结构分析，发现2 Mb倒位的断点位于拓扑相关域（TAD）边界，并对TAD内部和周边的三维互作进行了重布线。同时，伴随倒位发生的一个易位发生于KIT和KDR之间的TAD边界，可能通过破坏该TAD序列导致牛浅毛色的发生。因此，KIT基因的倒位和易位事件可能通过破坏TAD边界的三维结构，改变KIT基因的表达水平，进而导致青藏高原黄牛的青牛表型。

综上，该研究组装了一个西藏牛高质量参考基因组，系统揭示了SVs在青藏高原黄牛高海拔适应中的重要作用及青牛毛色表型的分子调控机制，为黄牛适应高海拔环境的遗传改良提供了理论支撑。该研究是雷初朝教授团队继2024年在《Science Bulletin》发表黄牛适应青藏高原环境的多基因协同效应后，又一解析青藏高原黄牛高海拔适应和毛色性状遗传特征方面的重要成果。

西北农林科技大学动物科技学院陈宁博副教授和雷初朝教授、云南省草地科学院黄必志研究员和吉林农业大学吕文发教授为共同通讯作者。西北农林科技大学博士后夏小婷、博士生汪富文、罗小雨、李双及吉林农业大学吕阳副教授为共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、西藏自治区重点研发计划、云南省雷初朝专家工作站及国家肉牛牦牛产业技术体系等项目的资助，西北农林科技大学超算中心为该研究提供了计算资源。

转载自公众号 ： 中国禽畜种业