大额牛全基因组De novo测序及其起源进化和环境适应性研究

In China, Gayal (Bos frontalis) is a very rare, semi-wild and semi-domestic bovine species and has been listed in the National Livestock and Poultry Genetic Resources Conservation List. Compared to Bos taurus (2n=60) and Bos gaurus (2n=56), the diploid chromosome number of Bos frontalis are 2n=58, which is bound to be controversial in its taxonomic classification of bovine. Whole genome sequencing reveals the complete DNA make-up of an organism, enabling us to better understand variations both within and between species, to elucidate structure and function of genes, and to accelerate livestock genetic improvement and new variety cultivation. Based on de novo assembly strategies of whole-genome sequencing, we will first construct a genome-wide, fine-scale map of Bos frontalis and establish a basic research platform for gayal in the study of evolution, meat-quality improvement and environmental adaptation. Comparative genomics analyses will be carried out to search the genome synteny and gene family expansion/contraction between the gayal and its closely related species. In addition, constructions of gene family and phylogenetic tree help to confirm the taxonomic position of gayal along the evolution history. Furthermore, the molecular mechanisms of germplasm characterization will be investigated by the discovery of the functional genes related to growth, meat-quality and environmental adaptability, which will provide genetic resource in breeding new cultivars of cattle.

大额牛（Bos frontalis）是我国唯一的半野生半家养的珍稀牛种，已被列为国家级畜禽遗传资源保护名录。其染色体数目2n=58，而普通黄牛与野牛依次为2n=60/56，目前在大额牛系统分类上存在较大分歧。生物基因组全序列的测定对于科学家从整个基因组规模深刻认识、研究物种，阐明基因的结构与功能，利用有利基因加速定向改良和培育生物新品种等发挥巨大作用。本研究通过全基因组de novo测序，首次绘制高质量的大额牛全基因组精细图谱，建立大额牛物种进化、肉质改良、环境适应机制等基础研究新平台；开展与近缘种属的全基因组共线性分析、基因家族扩张/收缩等比较基因组学分析，构建大额牛系统发育树，鉴定大额牛的种属进化地位及系统分类；挖掘与生长发育、肉质、环境适应性等相关核心功能基因，初步阐明大额牛亚热带高原环境适应性和肉质、体型等种质特异性的分子机制，为进一步通过分子育种手段培育肉牛新品种奠定基础。

大额牛(Bos frontalis)，又称为独龙牛，是我国唯一的半野生半家养的珍稀牛种，具有发达的心肺和消化功能等优良特性，能够适应高原高山的地理环境，但在系统分类、种质特性和环境适应性的分子机制尚未研究清楚。因此，本研究利用二代、三代和10×Genomic技术对大额牛基因组进行了De-novo组装，结果表明大额牛基因组大小为2.74Gb，Contig N50=157Kb，Scaffold N50=4.1Mb。然后利用比较基因组学构建了大额牛10个近缘物种的系统进化树，揭示了大额牛的系统进化地位，它属于牛亚科中一个独立的种；同时在基因组水平揭示了大额牛1号染色体来源于普通牛1和29号染色体罗伯逊染易位，并发现了牛亚科物种卫星序列保守的motif (YTCCAGWYRARGCAGGR)。结合基因组学、转录组学和表观遗传学等组学手段，提出了一个与大额牛环境适应性相关的生物调控通；筛选到MYH家族、CLD家族、WNT家族和UQCRC家族与大额牛心血管系统发育、血细胞生成和能量代谢相关；ACTC1、RYR2、TNNI3、NPPA、NPPB、TPA、NRAC、KCNE1等基因参与心肌收缩和Ca2+运输；CSF2、HTR4和IL-6基因参与增加肺部的耐受性及免疫反应通路；鉴定到OXR1和FABP5基因与牛胴体性状相关。此外，筛选到50个多态性SNP标记，可作为牛群体亲子鉴定的SNP标记组合。最后，对检测到炎症因子白细胞介素6（IL-6）候选基因进行了功能验证，发现IL-6基因对毛囊干细胞的增殖活力和迁移能力有抑制作用。本研究组装了大额牛基因组序列并绘制了高质量的基因组图谱，明确了大额牛的种属进化地位及系统分类，并采用多组学鉴定到一系列与大额牛和普通牛体型、肉质和环境适应性显著相关的候选基因和通路，完成了候选基因验证并开发了亲缘关系鉴定的分子标记，为进一步通过分子育种手段培育肉牛新品种奠定基础。