解析喜马拉雅山脉主要山羊资源的群体结构和低氧适应性机制

Hypoxia is one of the most challenging problems for the improvement with lowland breeds in high-altitude areas and the identification of the molecular mechanism underlying the hypoxia adaptation in high-altitude animals is the key to solve this problem. The goat at Himalayas, living at altitudes higher than 4500 meters above the sea level, exhibits the inheritable phenotypic adaptation to the hypoxia conditions including higher hemoglobin concentration. These goats provide a perfect animal model for studying the hypoxia adaption. Here we will apply the techniques of population genomics, molecular genetics, phylogenetics, and functional genomics for Tibetan goat, Nepalese Chyangra goat, Sinhal goat and Kashmir goat at the Himalayan region to analyze: (1) the genetic differentiation and phylogenetic relationship to reveal the population structure and the selection history of these goats; (2) the genomic regions under strong natural selection in high-altitude goat breeds to identify the candidate genes for hypoxia adaptation by comparing with six corresponding low-altitude breeds. The functional significance of the candidate genes will be validated in extended populations and at the expression level in tissues and cells to illustrate the molecular mechanisms underlying the high-altitude hypoxia adaptation in goat at Himalayas. These results are of great importance to the protection, improvement and utilization of the high-altitude animals in Tibet and the regions that are covered by China’s “One Belt, One Road” strategy.

“低氧瓶颈”是高原畜牧业利用平原高产品种进行引种改良时面临的最大挑战，揭示高海拔畜禽低氧适应性机制是解决这一问题的关键。喜马拉雅山脉的山羊，长期处于海拔4500米以上的低氧环境中，表现出血红蛋白浓度增高等一系列可遗传的适应性表型特征，为本研究提供了理想的动物模型。项目拟对喜马拉雅山脉的四个主要山羊群体（藏山羊、尼泊尔Chyangra和Sinhal山羊、Kashmir山羊）与六个对应的低海拔群体，采用群体基因组学、分子遗传学、系统发生学和功能基因组学的技术与方法，重点研究：（1）山羊资源群体的遗传分化与进化关系，揭示高海拔山羊的群体结构特征与受选择程度；（2）高海拔山羊中受选择的基因组区域，定位低氧适应性状的关键基因，从种群、组织、细胞层面验证关键基因的功能效应，阐明山羊低氧适应性的分子机制，对我国藏区及一带一路地区的高原畜牧业克服“低氧瓶颈”进行引种改良提供理论依据与技术支持。

“低氧瓶颈”是高原畜牧业利用平原高产品种进行引种改良时面临的最大挑战，揭示高海拔畜禽低氧适应性机制是解决这一问题的关键。喜马拉雅山脉的山羊，长期处于海拔4500米以上的低氧环境中，表现出血红蛋白浓度增高等一系列可遗传的适应性表型特征，为本研究提供了理想的动物模型。项目对喜马拉雅山脉的主要山羊群体（西藏班戈山羊、西藏日土山羊、尼泊尔高海拔地区的山羊、巴基斯坦山羊等）与其对应的低海拔群体共15个品种117份样本，采用了群体基因组学、分子遗传学、系统发生学和功能基因组学等技术与方法，发现尼泊尔高海拔地区的山羊和西藏山羊之间存在基因交流，结合Fst和核苷酸多样性统计学方法共同检出1494个基因，并且显著富集与多能造血干细胞、味觉信号等信号通路，并发现低氧诱导因子EPAS1、DSG3/DSG4等是重点候选基因。通过高低海拔组的肺脏和心脏基因表达谱比较分析发现，差异表达的基因中与低氧诱导的信号通路相关，与选择信号结果一致。项目发表SCI论文8篇，JCR分区Q1区6篇，授权国家发明专利1项，培育研究生3名，1名获中国农业科学院优秀博士论文，1名获国家级项目资助。本项目从种群、组织层面验证了关键基因的功能效应，阐明山羊低氧适应性的分子机制，对我国藏区及一带一路地区的高原畜牧业克服“低氧瓶颈”进行引种改良提供了理论依据与技术支持。项目结题期间，项目负责人基于上述重要数据和成果，还获得了国自然国际(地区)合作与研究项目资助，将深入开展亚非山羊基因地理工程揭示优良适应与生产性状的遗传机制的研究。