中国西南马种资源群体结构和体高性状遗传机制

Debao pony is one of the most famous pony breeds in the world and has experienced a long history of selective breeding in the isolated environment of the Southwestern China. However, the population size is decreasing quickly because it is lack of scientific conservation. Due to the challenging situation of the Chinese indigenous horses, the unclear mechanism of the body size variation, and inadequate discovery of gene resources, our project is going to take the advantages of the horse breeds in the Southwestern China, which have been selected through a long history independently and possess a small and agile body size. The methodology of population genomics, phylogenetics, and functional genomics will be applied for Debao pony, Jianchang horse, Guizhou horse, Dali horse, Ningqiang horse, Baise horse, Yunnan pony and Wenshan horse, as well as five control horse breeds. Three major aspects will be analyzed: (1) the genetic structure and differentiation of these horse breeds to reveal the genetic relationship and domestication history of these Southwestern horses; (2) the gene loci under strong selective pressure to identify the candidate genes for body size variation in these horse breeds; (2) the comparative transcriptome analysis of the placenta tissues between ponies and control horses to further validate the key genes responsible to the body size. These results are of great importance to the systematic evaluation and creative usage of the Southwestern horse breeds, to the scientific conservation of horse germplasm resources and to the fast development of horse breeding.

作为世界上著名的矮马源流之一的中国矮马，品种资源丰富，是经过长期的闭锁繁育形成的宝贵品种，为家马体高性状遗传机制的解析提供了理想的模型。然而，由于近年保种力度不够，马匹数量呈下降趋势、优良性状发生丢失现象。针对中国马种资源保种形势严峻、体高性状遗传机制不明、基因发掘利用不足的现状，本研究拟利用经历了长期封闭式选育、具有独特小巧体型的西南马种（德保矮马、建昌马、贵州马、大理马、宁强马、百色马、云南矮马及文山马）与五个对照群体，采用群体基因组学、系统发生学、功能基因组学的方法，主要研究：（1）马种资源的群体遗传结构与分化，揭示西南马的遗传进化关系与驯化历史；（2）西南马基因组上受高强度选择的基因位点，定位体高性状的关键基因；（3）西南马胎盘组织的比较转录组分析，进一步阐明体高性状的遗传机制，实现较为全面的西南马种资源的评价与创新利用，促进其科学保种进程，加快中国现代马种的改良速度。

西南矮马是我国珍贵的遗传资源，山区长期封闭式选育方式造就了其独特小巧的体型和干净的遗传背景，但是由于机械化的进步，马匹的需求量降低，部分品种处于濒临灭绝的边缘，其体高性状遗传机制的阐明对于加快科学保种和品种改良具有重要的意义。本研究完成了我国15个地方马种、朴氏野马和纯血马全基因组重测序分析，其中包括西南马种德保矮马、建昌马、宁强马和晋江马。群体结构和系统发育学分析表明西南矮马单独聚成一支，遗传进化和群体动力学研究首次推演出距今约3,700年前中国马祖先发生了一次重要分化事件，形成北方马、西南马和藏马这三大类群，结论支持了中国马驯化起源远早于殷商时期的观点。还发现藏马与西南马之间存在不对称的基因交流，与连通滇藏的“茶马古道”时间一致。此后基于选择信号和全基因组关联分析对不同体高的马匹进行分析后成功定位到8号染色体上一段连锁区域，发现该区域内TBX3基因增强子上的两个突变（ECA8:20644525和ECA8:20644555）可能是体高性状变异的主效突变。进一步对763份中国家马遗传资源的大规模基因鉴定、国外数千份古马基因组的衍生等位基因频率轨迹重建、双荧光素酶试验和基因编辑小鼠模型构建，明确了TBX3 (20644555, A/G, p = 2.34e−39）是主效突变，该突变加速了中国家马体高性状的变异，并促进了TBX3基因的转录表达，从而加速了动物四肢远端骨骼的生长。同时，揭示了A等位基因是野生型，G是在体高增加的群体中新衍生的等位基因，具有极强的功能效应，能解释近10cm的体高变异。该突变首次出现在距今2300年前阿勒泰地区的古马遗骸中，属于铁石器时期，正值我国秦朝早期，彼时对于战马的大量需求加速了大体型中国马种的选育。而我国西南马的矮小性状因能适应西南崎岖山路而未受到大体型马种的影响，保留了野生型等位基因A，因此保持了矮小的体型。本项目从群体进化、候选基因挖掘、功能学验证以及突变溯源等多角度，对家马身高的遗传机制进行了全方位解析，发现的突变为马的高效育种和种业翻身仗提供了重要的素材。