利用全基因组变异鉴定地方绵羊环境适应性的遗传印记

The mechanism responsible for environmental adaption is a major goal in evolutionary biology. Understanding the genetic basis and modles of adaptation to current climatic conditions is essential to accurately cope with future environmental change. In the past around 10,000 years, sheep (Ovis aries) have distributed the world through adaptation to a diverse range of environments from domestication center. Yet, the genetic bases of environmental adaption in sheep is still unkown. In this study, we will perform a genome-wide analysis to identify genetic imprinting to environmental variables mediated selective pressures using Chinese native sheep breeds. We will construct different models of environmental adaption based on the theory of population genetics. By comparing empirical evidences with the results of simulation, we will examine whether the genetic model responding to environmental selective pressures is classic selective sweeps model, in which a new and strongly beneficial mutation increases in frequency to fixation in the population, or is a soft selective sweep model, in which adaptation is occur by subtle allele frequencies shifts at many loci. We further validate the genetic model using independently populations and SNPs chip, which is designed by including SNPs associated with environmental variables and neutral SNPs. Our research will identifiy functional genes for each environmental factor, and uncovers variation pattern of genomic responses to environment-mediated selective pressures.

自然选择作用下的物种（种群）环境适应性机制一直是进化生物学领域研究的核心问题。理解环境适应性的遗传机制是应对未来环境变化的基础。绵羊在过去约一万年，从驯化中心扩散至世界各地，生存于异质性的环境中，然而对其快速适应性的遗传机制缺乏深入的理解。本研究中，我们利用中国丰富的地方绵羊品种，通过全基因组水平解析与环境因子关联的遗传印记。同时结合群体遗传学理论构建不同的环境适应性模型，通过比较模拟结果与观察数据，验证绵羊快速适应性的遗传机制：符合经典选择消除模型-有益突变-固定？还是软选择消除模型-微效多基因作用？进一步，定制基因芯片，其包括与环境因子关联的SNPs位点与中性位点，并使用独立群体对上述遗传机制进行验证。本研究将鉴别出不同环境因子选择压力下功能基因变化，系统地探讨绵羊在环境选择压力下基因组的变异规律。

人类在青藏高原的生活足迹可以追溯到至少20,000年前，西藏绵羊作为高原牧区重要的家畜，与人类的关系极为密切，随着人类的迁徙而扩散，为史前以游牧经济为主的藏族人提供了肉、奶等生活所必需的资源；因此，西藏绵羊可作为模式动物来研究史前人类迁徙走上青藏高原的历史进程和家养动物的高原适应性机制。通过收集遍布青藏高原的986只西藏绵羊和4只野生盘羊样本，利用全基因组序列、绵羊全基因组基因芯片分型、线粒体和Y染色体遗传变异，从西藏绵羊的父系、母系起源和分化以及基因组的群体遗传结构、群体历史动态变化和遗传选择效应等方面对西藏绵羊的进化历史进行了全面的解析。考古遗迹统计分析和基于近似贝叶斯计算的群体历史动态模拟结果发现在~3,100年前，绵羊同耐寒的麦类作物一起被史前人类带上青藏高原，形成西藏绵羊青海亚群；与此同时，由于气候的变化，农牧经济的出现，以及史前人口的增加，史前人类在青藏高原的生活方式由粟作农业向农牧结合转变。随后在~1,300年前，随着史前人类通过“唐蕃古道”持续稳定的迁徙并定居在青藏高原的腹地西藏地区，西藏绵羊青海亚群也扩散到西藏并分化形成西藏亚群。 全基因组水平检测结果表明，盘羊的基因组成分渗入到西藏绵羊中，覆盖了其基因组的5.23%-5.79%。进一步对渗入区域分析发现西藏绵羊继承了盘羊的优势基因HBB，并且该基因在西藏绵羊中受到了强烈的正向选择；渗入的HBB基因在红细胞中O2/CO2交换通路中发挥重要调节作用，从而帮助西藏绵羊快速适应青藏高原的高海拔低氧环境。这与早期尼安德特人基因流渗入到藏人中并且帮助藏人快速适应高原环境的结果相一致。在渗入区域，我们还发现盘羊与西藏绵羊在RXFP2基因片段内具有相似的基因型模式，该基因与绵羊角形态相关。这可能与藏族人由于宗教（祭祀）和社会因素从而对野生盘羊的螺旋型大角的偏好相关， 也可能与西藏绵羊的长期野外开放式放牧方式，螺旋型大角有利于其生存竞争相关，从而该基因片段逐代在西藏绵羊中被固定下来。此外，本研究还检测到由于区域适应性和人工选择产生的不同生态类型的西藏绵羊，在基因组上留下的强烈选择信号和显著遗传印记。本研究以西藏绵羊的基因组数据和考古遗迹统计为基础，有助于我们深入理解西藏绵羊的进化历史和高原适应性机制。