动物群体研究高分文章怎么发？经典思路解析来啦

随着测序成本的不断下降，越来越多的研究者开始着手于大规模群体研究。基于对遗传多样性丰富的自然群体中的个体进行全基因组重测序/简化测序，研究物种遗传进化多样性，结合准确的目标性状的表型数据及统计方法进行全基因组关联分析，可对动植物复杂农艺性状进行定位，快速获得影响目标性状表型变异的遗传标记或候选基因。

下面小编以“羊了个羊”主人公发表一区TOP高水平文章为例，来看看动物群体都研究了哪些内容。

背景

驯化以来，绵羊（Ovis aries）一直为人类提供肉类、羊毛、皮肤、牛奶和其他产品。它们对于生活在一些亚洲、非洲和南美国家农业社区的数亿人的福祉至关重要。自从大约 10,000 年前在中东从亚洲摩弗伦驯化以来，绵羊扩张到亚洲其他地区和欧洲，非洲和新世界边缘。一个早期的重大事件是hair型绵羊驯化后向wool型绵羊的转变。此外，绵羊属发生了从野生近缘种向家养羊种群的基因渗入的情况。因此，绵羊通过对不同环境的适应和不同生产系统下的遗传改良，分布到了全球范围的不同地域, 发展成为许多独特的品种。因此，地方品种和改良品种的广泛变异是家羊基因组变异、适应性特征和重要农艺性状的基础。

该研究通过来自于非洲、南亚、东南亚、中亚、东亚、南美、欧洲和中东的738个家羊个体(158个种群)和所有7个野羊近缘种的72个野羊个体(包括盘羊argali, 亚洲摩弗伦Asiatic mouflon, 欧洲摩弗伦European mouflon, 乌里亚尔羊urial, 雪羊snow sheep, 大角羊bighorn, 扁角羊thinhorn), 表征了全球绵羊的遗传多样性、基因渗入和农业生物重要性状相关变异。

• 原文标题：Whole-genome resequencing of worldwide wild and domestic sheep elucidates genetic diversity, introgression and agronomically important loci
• 译名：全球野生和家养绵羊的全基因组重测序阐明了遗传多样性、基因渗入和农艺学上重要的基因座
• 期刊：Molecular Biology and Evolution
• IF=8.800（Q1）
• 作者单位：中国农业大学
• 文章链接：https://doi.org/10.1093/molbev/msab353

测序数据集由本研究中生成并先前发表的 WGS 组成，共有来自全球 7个野羊近缘种（72个野羊个体）和 158 个家养绵羊种群（738个家羊个体）共 810 个个体。

公开的数据集包括 644 只个体的 WGS（572 只家羊、32 只亚洲摩弗伦、6 只大角羊、6 只扁角羊、9 只乌里亚尔羊、8 只盘羊、8 只雪羊和 3 只欧洲摩弗伦）。

技术流程

收集血液样本，耳朵或皮肤组织

• 测序平台：Illumina HiSeq X Ten平台，PE150，测序深度：20×
• 参考基因组版本：Oar_rambouillet_v1.0

结果

01全基因组测序与变异检测

对1只亚洲摩弗伦和来自全球82个家养绵羊品种的165个个体进行重测序，比对Oar_rambouillet_v1.0参考基因组，平均深度为16.7×，平均基因组覆盖率为96.40%。结合已发表的644个可用基因组共810个样本进行后续分析。全基因组遗传变异分析，共鉴定了∼1.377亿个全基因组遗传变异，包括∼1.212亿个SNP（∼1210万/个体），∼1640万个INDEL（INDEL<50 bp，∼1550万个/个体）和74，173个结构变异（SVs，51–886,322 bp，9,190 个/个体；58,256 个缺失，10,890 个易位，3,501 个重复和 1,524 个倒位）。每个个体的 SNP 数量显示出物种之间的显着差异 (Mann-Whitney, P < 0.001) 。总共有 1,042,367 个 SNPs 位于蛋白质编码外显子中，导致 492,609 个非同义突变和 549,128 个同义突变，其中 45,679 个起始密码子和 8,803 个终止密码子变化，显示它们对相关基因功能的潜在影响很大。

图1.野生羊和家羊的地理分布和遗传变异

表1.野生和家养绵羊的全基因组变异总结

02遗传多样性分析

评估8种绵羊物种的核苷酸多样性（π）。亚洲摩弗伦和乌里亚尔羊具有最高的核苷酸多样性, 而在大角羊中观察到的最低。亚洲摩弗伦和乌里亚尔羊在遗传上没有完全分离, 表明它们是扩大家养绵羊改良遗传资源的潜在资源。家养绵羊的多样性差异很大, π 值范围从 3.1×10-3（中国新疆的巴什拜羊）到1.7×10-3(Svärdsjö品种)。来自不同地理区域的种群之间没有太大差异。SMC++分析显示，所有家羊种群数在约8,000-10,000 年间持续下降, 这可能反映了驯化的瓶颈效应，随后的种群扩张显示了社会中农业的扩张。

图2.野生羊和家羊的遗传变异。

(A)7种野生和家养绵羊的平均核苷酸多样性(π)。(B)全球158个家羊种群的核苷酸多样性(π)。

(C) 6个地理区域家羊群体的平均核苷酸多样性(π)。

(D) 7种野生和家养绵羊连锁不平衡（LD）衰减。(E)SMC++推断6个地理区域的家羊种群的有效种群大小(Ne)。

03群体结构分层分析

家养绵羊分为6个地理结构的进化枝（中亚&东亚、南亚&东南亚、中东、非洲、欧洲和美洲种群），并有明显例外的现象出现：例如，瘦尾藏羊和中国西南羊（红色）接近印度品种（黄色）；中东绵羊集群里的阿塞拜疆绵羊（红色）；亚洲细毛品种（红色）集群接近欧洲美利奴羊。PCA在很大程度上将6个地理群体分开, 近亲繁殖的韦桑羊(Ouessant)和哥特兰羊(Gotland)处于极端位置。欧洲和非洲种群在很大程度上与亚洲种群分开, 也具有重叠（例如美利奴羊衍生个体）。

遗传聚类分析概括了在系统发育树（图3A）和PCA（图3B）中观察到的相同模式。在最佳 K = 11时，7种野生绵羊存在于5个遗传簇（亚洲摩弗伦和乌里亚尔羊在同一遗传簇；大角羊和扁角羊在同一遗传簇）。家养绵羊含有6个地理分布的基因组成分。sNMF分析揭示了家羊品种有来自于野羊的遗传成分。欧洲、非洲和亚洲种群中遗传杂合性的明确证据, 表明在当地品种的培育过程中，来自不同大陆的优良遗传种群之间历史上存在强烈的基因流动。

图3.野生羊和家羊群体遗传结构及进化分析。

(A)野生羊和家养羊的邻接树(NJ)。

(B) PCA分析。

(C)野生羊和家羊的群体遗传结构分析。

(D)家羊的种群历史重建。

【本研究的一个目标是通过纳入迄今为止被忽视的南亚和东南亚，非洲和南美绵羊品种的样本，填补种群规模WGS数据的全球基因组覆盖率的空白。南亚和东南亚品种与巴基斯坦和印度的品种聚集在一起，支持了南亚和东南亚以及中亚和东亚种群之间的密切遗传关系。】

04家羊基因组中野羊基因的保留或渗入

混合分析表明，野羊和家羊的祖先共享可能是两种情况的结果。首先，由第一只家羊直接继承的亚洲和欧洲摩弗伦的序列可能在特定品种中保留了下来，而基因组的其他部分适应了家养状态和育种目标，例如在从 hair型到wool 型羊的过渡期间。其次，在后来的野羊和家养绵羊的接触中可能发生了基因渗入。本研究使用D和fd统计的组合研究了保留或引入序列（RIS）的模式和后果。野生渗入的比例从0.05%到27.3%不等，具体取决于家畜的数量和相关野生亲缘种。这些渗入的变异和片段位于具有环境适应（例如，对缺氧的反应）、先天免疫、嗅觉相关性和形态特征（例如毛色、不同形状的角）等功能的基因中。这可能是由于在各种环境和不同的生产系统中存在差异化的自然和人工选择力量。

长坦吉羊的渗入和选择信号。

（A）曼哈顿图显示了从亚洲摩弗伦到长坦吉绵羊的渗入信号。

（B）PBS检测到的长坦吉绵羊的选择信号。

（C）基于从野生物种到长坦吉绵羊的重要渗入区域的基因的GO和KEGG途径富集分析。

05适应性和农艺性状的分子基础

为了识别新的性状相关基因和变异，本研究对选择标记的全基因组搜索进行了不同替代方法。PBS、FST和CLR在统一的背景上给出了清晰的信号，这与相当嘈杂的fd和ROD扫描形成鲜明对比。其中HBB和邻近基因（适应缺氧），EVC（发育），RXFP2（角发育），TMEM154（抗病性），GDF6（生长），PDGFD（尾部配置）和MC1R（毛色），这些都是家羊最相关表型的关键基因。

对于不同羊毛纤维变异（羊毛性状划分为hair型（hair）, 粗毛型（coarse-wool）, 中等细度型（medium-wool）, 细毛型（fine-wool）这四个表型），通过XP-CLR、 π ratio、等位基因频率分布、单倍型模式、不同物种序列的比较, 共同揭示了IRF2BP2基因的3'-UTR中的一个新SNP突变（chr25: T7,068,586C）作为羊毛纤维直径的合理因果变异。对于羊毛进化过程(hair型→粗毛型→中等细度型→细毛型), 本研究发现一系列具有与纤维和羊毛发育有关的功能基因，包括新基因（例如 HR、ASTN2、TWIST2、IRF4、INHBA 和 FGF7）和先前报道的（例如 MCIR、FOXQ1、TP63、VEGFA 和 PTCH1） 基因。

结果表明，历史上的野生近缘遗传渗入在家羊遗传多样性和农艺性状的形成中发挥了重要作用，并引入了适应性变异。

图7. hair型/粗毛型/中等细度型/细毛型的基因组进化。

(A) 家羊hair型和细毛型之间的XP-CLR测试

(B) π比值的6个比较（πhair型/π粗毛型、πhair型/π中等细度型、πhair型/π细毛型、π粗毛型/π中等细度型、π粗毛型/π细毛型和π中等细度型/π细毛型）在IRF2BP2基因中显示出强选择性信号

(C) IRF2BP2 (chr25: T7,068,586C) 3'UTR中突变位点的等位基因频率和CC、TT和CT基因型频率，并测试基因型差异的显著性 (D)IRF2BP2的单倍型模式

(E)突变chr25: 7,068,586和chr25: 7,070,630在不同物种间的序列比较

（F）GO和KEGG通路富集分析，显示了显著GO和通路以及相关基因。

06IRF2BP2变异的功能验证分析

从公共数据库中检索了来自八个细羊毛和中等细度羊毛种群和七个粗羊毛种群的RNA-seq和小RNA原始数据分析。粗毛型和细毛型绵羊在不同产前阶段的皮肤组织中IRF2BP2 FPKM显示存在显著差异（P < 0.05)，粗毛羊的IRF2BP2未见表达。在IRF2BP2的3′UTR中鉴定了高度保守的miRNAs的结合位点oar-miR-496-3p、oar-miR-379-3p、oar-miR-411a-3p和oar-miR-20a-3p，这表明IRF2BP2是这四种miRNA的靶点。粗毛型湖羊和细毛型敖汉细毛羊的皮肤样本中的miRNA表达谱显示粗毛羊中仅oar-miR-20a-3p存在表达。

在HEK293T细胞中通过荧光素酶测定证实oar-miR-20a-3p与野生型(WT) IRF2BP2的3′-UTR结合(图8C)。将WT IRF2BP2的3'-UTR引入荧光素酶表达载体，发现与阴性对照模拟物相比，oar-miR-20a-3p的表达降低了报告基因活性，但突变型IRF2BP2的3'-UTR消除了该进程(oar-miR-20a-3p介导的荧光素酶的减少)。证明了WT IRF2BP2的3'-UTR是oar-miR-20a-3p的直接功能靶点，oar-miR-20a-3p可以直接结合IRF2BP2并可能调节粗毛羊皮肤组织中IRF2BP2的表达。

在组织学分析中，H&E染色显示，在羊毛毛囊的重要发育阶段，与中国美利奴羊（细羊毛）相比，洼地绵羊（粗羊毛）的毛囊直径比例（DS/DP）更大，但次级毛囊和初级毛囊的数量比例（NS/NP）更小，表明细毛羊中均匀小直径纤维的产量更高，羊毛更细。因此，oar-miR-20a-3p可能通过其对IRF2BP2的作用作用于粗羊毛绵羊羊毛卵泡的发育，从而可能抑制羊毛卵泡中的VEGFA信号表达（图8F）。

图8. 家羊羊毛纤维变异相关基因IRF2BP2和oar-miR-20a-3p的组织学分析、转录组和小RNA表达和遗传机制。

（A）IRF2BP2转录组表达。

（B） miRNA表达

（C）oar-miR-20a-3p与IRF2BP2的3′-UTR的推定结合位点。

（D）双荧光素酶报告基因检测。

（E）提出了IRF2BP2和oar-miR-20a-3p参与家养绵羊羊纤维变异的遗传机制。

（F）中国美利奴羊（细羊毛）与洼地绵羊（粗羊毛）皮肤的组织学观察。

总结

本研究分析了迄今为止最全面的全球绵羊种群遗传结构数据集（810只野生绵羊物种，地方品种和改良品种家羊），使用的个体和WGS数量是以前研究的约2倍。野生和家养物种之间显示出显着差异（P < 0.001），探索了家养基因组中野生物种序列的渗入，表明渗入区段所调节的基因功能。进一步鉴定了有用的非同义SNP突变和SVs涉及局部适应和农艺性状（如身材、角、尾巴和羊毛细度）。发现了新的选择信号, 尤其是对于绵羊矮小性状筛选到的信号和基因。并发现位于IRF2BP2基因 3'-UTR 中的一个新突变（chr25：T7,068,586C）作为羊毛纤维直径的合理因果变异，并表明oar-miR-20a-3p→IRF2BP2→VEGFA是抑制粗毛羊中IRF2BP2基因表达而抑制次级毛囊发育的潜在调控通路。重建了从近东驯化中心到南亚和东南亚的史前迁徙，并发现了青铜时代早期和晚期跨越欧亚草原和伊朗高原的两次主要迁徙浪潮。

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集思慧远深耕于基因组、群体遗传等研究领域，在基因组组装、BSA、遗传图谱、GWAS分析、群体遗传进化、指纹图谱构建等方面积累了丰富的项目经验，涵盖作物、林木花卉、家畜家禽、水产等逾百余个物种，定位性状上万个。助力于物种的起源进化研究以及重要性状的调控基因的挖掘。如果您手里也有类似的群体样本材料，如果您也想发一篇高分文章，集思慧远可提供从测序到功能基因验证一“站”到底服务！！快快联系我们吧！