滇藏线4个海拔马群体低氧适应的群体基因组学研究

Tibetan horse, indigenous to the plateau, is an important animal resource and an excellent material for hypoxia adaptation studies. Populations distributed at continuous altitudes suffer from different intensities of hypoxia selection, so microevolution happened in population structure to adapt hypoxia. Total four groups (10 each), including Pu'er native horse (800m), Tengchong horse (1500m), Lijiang horse (2500m) and Tibetan horse (3000m), are as research materials. On one hand, resequencing 40 horses (5×) to explore hypoxia adaptation of positive selection genes and loci by population genetics analysis. On the other hand, perform targeted sequencing in selected genes regions for screening SNP, and in advance to find TagSNP by haplotype analysis. Finally, type TagSNP by MassArray with large scale and flux. Combined with physiological indicators which have been previously determined, molecular genetic analysis of SNP effects and gene annotation and protein structure and function prediction will further reveal the genetic mechanisms of hypoxic adaptation in Tibetan horse. Exploring hypoxia positive selection genes and functional sites can provide information on molecular basis of adaptation to high altitude and hypoxia-related disease; it can also greatly promote the value of rare breed resource along the Yunnan-Tibet Road.

藏马既是高原重要畜种，也是低氧适应研究的绝好材料。连续海拔种群受到不同强度的低氧选择，群体结构发生微进化以趋适应。本研究拟选择茶马古道滇藏线连续海拔分布的普洱本地马（800米左右）、腾冲马（1500米左右）、丽江马（2500米左右）和藏马（3000米以上）共4个群体各10匹为材料，一方面进行40匹马的基因组重测序（5层），通过群体遗传学分析挖掘低氧正选择基因；另一方面，通过受选择基因区域的靶向捕获测序，全面筛选SNP，进行单倍型分析寻找标签SNP（TagSNP）；最后，通过MassArray进行大样本中通量TagSNP分型，结合已经测定的生理指标，剖析SNP分子遗传效应，并对基因和蛋白结构进行注释和功能预测，深入揭示藏马低氧适应的遗传机制。发掘低氧正选择基因和功能位点，可以为高原低氧适应研究、低氧相关疾病研究提供分子基础资料，同时可大力提升滇藏线珍稀畜种资源价值。

项目完成500-1500-2500-3500-4500米5个海拔群体100匹马全基因组重测序，测序深度10层。首先通过主成分分析（PCA）、群体混合分析（ADMIXTURE）和系统进化分析等不同的方法对马群体结构进行研究，发现藏马具有独立的遗传背景。进而应用 、XPCLR、MEMEA （环境适应性混合模型，筛选海拔趋势位点）三种方法对基因组中受选择的基因位点进行鉴定。KOBAS功能富集分析表明，基因组水平上显著的受选择基因集中在氧运输、心血管相关、能量代谢相关、昼夜节律、环境应激等相关通路。其中，CAT基因在全基因组水平的自然选择信号最强，HBB-HBE1基因区段和EPAS1同样十分显著。这三个基因的SNP位点等位基因频率在高海拔群体和低海拔群体之间存在明显差异，同时发生了多个非同义突变。这些证据表明，基因 CAT、HBB-HBE1 和 EPAS1 是马高原适应过程的关键基因。同时，通过功能验证实验，解析了藏马低氧正选择基因EPAS1和CAT氨基酸突变位点的血液生理效应和酶活性，前者具有钝化低氧造血的效应，后者能降低低氧活性氧（H2O2）的水平。最后，项目通过本地和易地饲养的藏马和云南矮马骨髓转录组测序（各6匹），筛选到藏马低氧适应性表达基因34个，其中12个基因得到低氧正选择证据支持。发掘藏马低氧适应功能基因，筛选低氧正选择基因位点，可以为高原民族低氧适应性研究、高原疾病研究和癌症及烧伤等低氧相关疾病研究提供生理和分子基础资料。