近日，中国农业大学动物科学技术学院李孟华教授团队在国际知名期刊《基因组生物学》（Genome Biology）在线发表题为《全球绵羊和山羊全基因组结构变异分析揭示其趋同进化特征》（Structural variant landscapes reveal convergent signatures of evolution in sheep and goats）原创性研究成果。

结构变异（SVs）广泛分布于动物基因组中，是适应性进化和表型性状变异的重要功能突变。前期的动物遗传学研究主要基于单核苷酸变异（SNPs），虽然SVs涉及的碱基更多并具有更大的表型效应，但是其基本特征和分子机制尚未被完全解析。家畜经历了类似的驯化、地方适应、种间渗入、改良培育等进化过程，获得了温顺、高繁殖力、优良产肉性能等一系列相似的表型。然而，我们对于家畜趋同表型特征的遗传机制仍知之甚少。绵羊和山羊作为两种具有许多相似表型特征但分别来自于不同属（绵羊属和山羊属）的反刍家畜，为研究结构变异在不同属物种间趋同进化以及表型变异的遗传调控机制提供了重要基础。

本研究首次从头组装了绵羊野生祖先亚洲摩佛伦的高质量染色体水平参考基因组（CAU_Oori_1.0），并利用该参考基因组以及来自全球范围的532只野生和家养绵羊、281只野生和家养山羊及84只古山羊的全基因组重测序数据解析了迄今为止最全面的绵羊属和山羊属结构变异景观（图1），分别包含了72,883和86,283个SVs，其中约75%和87%是新发现的SVs，在此基础上，从SVs的染色体分布及其与基因、数量性状位点（QTL）和转座元件（TE）的关联性等方面对两种动物的结构变异景观进行了表征和对比。同时，通过种群遗传学、选择信号、全基因组关联（GWAS）、种间遗传渗入、环境适应性和调控元件等分析揭示了结构变异对绵羊和山羊趋同进化的遗传调控机制，是迄今哺乳动物中不同属间物种结构变异趋同进化研究中数据最大、分析最全的一项。

图1 绵羊和山羊在结构变异尺度上的趋同进化模式

研究人员通过驯化、改良及生产性状（如高繁殖力、产肉、产奶、绒毛品质）的选择信号分析发现，利用新找到的SVs检测到了与生产性状相关的重要基因（如BMPR1B，BMPR2，RALYL，COL21A1和LRP1B）；同时，获得在绵羊和山羊之间受到趋同选择的79个同源基因（图2），这些同源基因分别占绵羊和山羊所有趋同选择基因的5.07%和7.29%。对同源基因的深入分析发现，BMPR2和BMPR1B的缺失变异（deletions）在绵羊和山羊的驯化和改良过程中对于调控产羔数性状发挥了重要作用；而总体上看，趋同选择基因主要通过下丘脑-垂体-性腺轴相关的分子信号通路调控母羊的繁殖力（图2）。进一步对山羊的产羔数GWAS分析表明，BMPR1B的缺失变异DEL00067921能够解释约10.4%的山羊产羔数表型变异（图3）。本研究还发现了与绵羊和山羊环境适应性相关的SVs关联基因及45个共有的同源基因，以及野羊渗入到家羊的SVs关联基因。此外，结合所检测到的SVs和ATAC-seq数据，在绵羊基因组上预测了75,449个与SVs相关的增强子区域。

图2 绵羊和山羊趋同选择的结构变异基因及其对繁殖力性状的遗传调控机制

图3 BMPR1B基因的遗传多样性和GWAS分析结果

本研究通过整合分析绵羊属和山羊属的大规模基因组、表观组和表型数据揭示了绵羊和山羊的结构变异景观以及两种家畜趋同进化的遗传调控机制，不仅为绵羊和山羊的遗传改良和可持续发展提供了宝贵的遗传变异资源，也对SVs的特征和功能以及哺乳动物趋同进化的机制提供了全新的见解，为跨物种利用结构变异及其关联基因进行分子育种提供了重要资源。

中国农业大学为论文第一完成单位，动物科技学院李孟华教授为论文通讯作者，动物科技学院副研究员杨继、中国科学院动物研究所博士研究生王东峰、动物科技学院博士研究生黄家辉为论文共同第一作者。本研究获得了国家重点研发计划（2022YFE0113300，2021YFF1000703，2021YFD1200900），国家自然科学基金（31825024，31661143014，31972527，32061133010，32320103006，32272845），中国农业科学院北方农牧业技术创新中心项目（BFGJ2022002）和中国科学院战略重点研究计划（XDA24030205）等项目的资助。

文章链接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-024-03288-6