梅山猪重测序揭示基因组变异及受选择区域

  摘要

  梅山猪是中国的一种本土品种，因其高繁殖力而闻名世界。梅山猪的性状和它的进化和驯化历史具有明显的强相关性，但是表明梅山猪的驯化和独特的性状相关的基因组证据一直都很欠缺。本文利用高通量测序对与梅山猪表型性状相关的基因组标签和进化证据进行分析。研究发现太湖流域（马家浜和梁祝文化之间）的梅山猪具有独特的驯化历史，其中300个编码蛋白的基因受到正向选择。尤其是FoxO信号通路显著富集，IGF1R可能与梅山猪的高繁殖力想关。

  NFKB1（积极参与透明质酸的合成）也检测到强烈的受选择信号，是NF-kB信号通路的关键基因（可能是梅山猪面部和皮肤褶皱的原因）。PYROXD1，MC1R，FAM83G在三个群体中具有特殊的同义突变SNP，MC1R中的一个非同义突变能够解释梅山猪黑色皮肤。此外，梅山猪和杜洛克猪之间共有的单倍型证实了之前来自亚洲猪的渐渗以及梅山猪的特殊贡献。

  材料方法

  测序材料：32头梅山猪，31头杜洛克猪（无亲缘关系）；

  测序方案：Illumina HiSeq 2000，PE125，平均测序8X，参考基因组：Sus scrofa10.2；

  收集其他猪的基因组信息：总共118头（10头驯化猪、13头野猪、5头Sus品种、和其他不同地域野猪）；

  NJ树构建：MEGA v6，展示：FigTree (v1.4.0)；PCA：GCTA software (v1.24.2)；

  群体结构：ADMIXTURE v1.3，LD衰减：PLINK，人口统计学：MSMC (v0.1.0)。

  选择性清除分析：Fst（in-house PERL script），CLR（复合似然比）（SweepFinder2 (v1.0)），ΔAF（等位基因频率）；

  IBD（同源遗传关系）：IBDLD (v3.37)；

  研究结果

  1、梅山猪遗传变异位点识别

  A.梅山猪群体鉴定到9,789,671 SNV，其中18,366 SNVs是数据库中没有发现的；B.不同等位基因频率下，已知SNV（红色）和新SNV（蓝色）所占比例。新的SNV集中在低等位基因频率（可能是梅山猪特异的）C.梅山猪群体中变异位点的注释（55.6%在基因间区），编码蛋白的基因（PCGs）内含子区域SNV多于LncRNA，而LncRNA外显子区SNV多于PCGs，表明PCGs外显子的选择压力高于其他功能区。

  2、区域代表性群体多样性和人口统计学历史

  D.28头代表性非梅山猪（9驯化、13野猪、5Sus species、外群：1疣猪）地域分布（欧美：粉色，非洲：黑色，亚洲：红色，南亚：蓝色）；E.29头猪系统进化树构建（表明猪起源于相近的地域相似环境驯化）

  A.29头猪之间的遗传关系热图（成对之间的遗传距离），表明地域相同的猪之间的具有更近的遗传距离；B.梅山猪—非梅山猪之间地理距离和遗传距离的相关性（cor = 0.41, P = 0.028），表明群体遗传距离不仅取决于地理位置，物种形成时间和人为干涉也同样起到作用。同时由于人工选育，基因流由亚洲品种流向欧洲品种最终也导致了梅山猪和欧洲猪之间较强的遗传关系；C.群体遗传结构分析（K=4，可以明显分为疣猪—Sus species，欧洲野生-驯化猪，亚洲驯化-野藏猪，亚洲-苏门答腊野猪）D.群体PCA分析；E.梅山猪和其他中国野生和驯化猪的人口统计学分析，有效群体数量在7.2-4k年前出现下降（温度升高，人类进入现代社会，出现短暂的瓶颈期），梅山猪（红色）和其他品种相比瓶颈期出现的较晚（5-4k年前）表明梅山猪可能经历了特殊的驯化过程。

  3、群体结构和选择性清除分析

  A.梅山猪，野藏猪（亚洲野猪），杜洛克猪（欧洲驯化品种）三个群体的NJ树；B.三个群体遗传距离的频率分布；驯化品种遗传距离小于野猪（杜洛克<梅山<野猪）；C.三个群体的LD距离分布（红：梅山，粉：杜洛克，蓝：野藏猪），人工选择能显著增加LD距离；D.三个群体的PCA分析（与NJ树结果一致）。

  A.梅山猪受选择清除的区域（红色区域：横坐标di值，纵坐标CLR）；B.三种猪的CLR值，以及梅山猪和也藏猪相比受选择的区间（204个PCG，171个lncRNA）；C.梅山猪和另外两种猪之间的SNV数量统计热图（SNV 频率step=0.05，0-1）受选择区间：ΔAF SNVs (> 0.8)；D.高ΔAF SNVs区域统计，以及和di、CLR分析结果重叠的区域。

  4、欧洲猪基因组中来自梅山猪的渐渗区域

  A.梅山猪渐渗到欧洲猪基因组（1-18染色体）的区域（红色）；B.两个最长的亚洲猪渐渗区域（黑色：梅山猪，红色：亚洲猪），9染色体190k受选择区间（AHR：与女性繁殖力有关）；C.渐渗区域的IBD值（灰色线：GNRH1、GNRHR）促性腺激素释放激素受体。另外还发现和肉质相关的基因SAL1、ME1在亚洲驯化猪中共有单倍型比欧洲野猪要多，表明梅山猪对欧洲猪的驯化过程中渐渗的亚洲猪的单倍型具有贡献作用。

  5、梅山猪品种特征的候选基因

  AFMeishan > 95%，AFnon-Meishan < 5%（外显子区：280个候选SNV），对应244个PCG，其中52有功能注释的基因在梅山猪中表现出较高的进化速率。其中3个SNV（ΔAF = 1）对应PYROXD1，MC1R，FAM83G（在人中分别和骨骼肌、皮肤、骨骼发育有关）

  300个PCG在梅山猪中是受到正向选择的，KEGG分析将其中有功能注释的204个PCG归类到34个通路中，发现FoxO信号通路显著富集（ATM，CSNK1E，CCNB1，GABARAP，IGF1R）参与调控卵巢前列腺素，是生殖的关键。

  A. MC1R（黑皮质素1受体）1号外显子的一个非同义突变（亮氨酸—脯氨酸），可能与梅山猪的黑皮性状有关；B.梅山猪IGF1R（决定女性繁殖力）区域发现强烈的选择清除信号(di value = 1.80; CLR > 965)，17个high-ΔAF SNVs（ΔAF > 0.8，3个同义SNVs，14个内含子 SNVs）；表明梅山猪在驯化过程中多产性状受到强烈的正向选择。C.面部和皮肤褶皱性状；D. NFKB1基因区域发现强烈的选择清除信号(di value = 1.77; CLR > 89)，17个high-ΔAF SNVs（ΔAF > 0.8，1个同义SNVs，40个内含子 SNVs，1个3’UTR，1个下游），是NF-kB信号通路的关键基因，与透明质酸生物合成正调控相关。表明梅山猪在驯化过程中褶皱型皮肤也状受到强烈的正向选择。

  参考文献

  Evidence of Evolutionary History and Selective Sweeps in the Genome of Meishan Pig Reveals its Genetic and Phenotypic Characterization[J].GigaScience.2018.IF=6.871