中国及周边国家沼泽型水牛mtDNA和Y染色体单倍型多样性与起源进化研究

Buffaloes are always the important domestic animals in Southern China and have become an important source for beef and milk in recent years. mtDNA, Y-STR and Y-SNP are the most powerful markers for tracing the paternal and maternal origins of domestic animals. In order to solve the debate on when and where swamp buffaloes were domesticated, with river buffaloes as outgroup, more than 900 bulls of swamp buffalo from China, Vietnam, Thailand and Laos will be sampled and analyzed using PCR, fluorescent STR genotyping, sequencing and bioinformatics techniques. This project will screen the polymorphic Y-STR and Y-SNP makers, investigate the genetic diversity of mtDNA D-loop, Cytb and mtDNA genome as well as the Y-STR and Y-SNP markers, uncover the mtDNA and Y-haplotype diversity, characteristics of molecular phylogeography and molecular evolution, analyze their migration routes and eventually clarify the domestication history of swamp buffaloes. This project will also detect the level of river buffalo introgression into domestic swamp buffalo populations in these four countries, which has a great theoretical and practical significance in breed selection and improvement of swamp buffaloes for beef and milk production. The outcome of this study will support the preservation of Chinese native swamp buffalo resources.

水牛历来是我国南方的重要役畜，近年来也是牛肉和牛奶的重要来源。mtDNA、Y-STR与Y-SNP是研究动物起源最有效的母系与父系遗传标记。本项目针对国内外尚未解决沼泽型水牛在何时何地起源驯化这一科学难题，以河流型水牛为外群，从中国、越南、泰国与老挝选择沼泽型水牛群体为研究对象，利用PCR、国际先进的STR荧光分型、测序及生物信息技术，筛选水牛Y-STR与Y-SNP多态标记，全面分析900余份沼泽型公水牛的mtDNA D-loop、Cytb、mtDNA 基因组、Y-STR与Y-SNP多态性，揭示其mtDNA、Y染色体单倍型遗传多样性、分子系统地理与分子进化特征，解析沼泽型水牛的迁徙路线，以解决其起源进化的科学问题。本项目还将全面检测中国、越南、泰国、老挝沼泽型水牛群体中江河型水牛的渗入程度与范围，其结果对中国水牛进行肉用和奶用方向选育改良、保护中国水牛丰富的遗传资源具有重要理论与现实意义。

本项目以河流型水牛为外群，采集中国、越南、泰国与老挝共约700份沼泽型水牛样本，全面分析了沼泽型水牛mtDNA D-loop与Cytb基因、mtDNA 基因组、Y-STR、Y-SNP多态性，鉴定了一批水牛Y染色体单拷贝基因并对多拷贝基因进行了拷贝数变异分析。对mtDNA D-loop区分析发现沼泽型水牛有A1、A2、A3、B1、B2、B3、C、D和E共9个支系，A1为主要支系，占沼泽型水牛支系的63%，C、D、E和A3为稀有支系。沼泽型水牛各支系的分布具有极强的地理分化特征。分子系统地理分析发现，A1支系在中国长江流域中下游地区被驯化。Cytb基因存在2种终止密码子（AGA和AGG），AGG分布于B支系中，AGA分布于沼泽型水牛A支系、稀有支系（C、D、E）及江河型水牛支系中。通过对111个水牛mtDNA全基因组序列的分析，发现江河型水牛与沼泽型水牛的共同祖先在913±78 kya 分化为2个支系，江河型水牛R1与R2单倍型的分歧时间约为82±18 Kya，沼泽型水牛最早在232±35 kya 开始分化，其中A、B支系于189.6±27.2 kya开始逐渐分化形成。沼泽型水牛的群体扩张和支系分化集中在7-3 Kya，在这一阶段，沼泽型水牛被逐渐驯化。水牛的系统发育模式是受冰期影响而形成的，在冰期寒冷的气候和适宜栖息地减少的条件下，水牛被长期隔离而分化为不同的支系，而在冰期避难所得以幸存的个体在温暖的冰后期被驯化形成家养水牛。水牛Y-STR研究发现沼泽水牛存在4个父系起源，Y1支系是主要的父系起源，在沼泽型水牛群体中占82.6%，长江流域可能是Y1支系的驯化中心，西南边境和东南亚是沼泽型水牛父系起源的重要地点之一。通过对水牛10个Y染色体基因Y-SNP分析，发现USP9Y与SRY基因在同一个公水牛中测序出现双峰，表明这2个Y染色体连锁基因为多拷贝基因，对除UTY外的9个基因进行克隆测序，发现USP9Y、SRY、AMELY、DBY、OFD1Y、TSPY、ZFY、AMGY及RPS4Y1 9个基因为多拷贝基因，不能用于水牛Y-SNP与父系起源研究。拷贝数变异分析发现，水牛HSFY和ZNF280BY的拷贝数中值分别为48和257，属于多拷贝基因，DBY、SRY 和 OFD1Y基因为低拷贝基因，UTY为单拷贝基因。本研究为水牛遗传资源保护与利用提供了科学依据。