绵羊尾型性状的全基因组选择信号解析：脂代谢关键基因与育种应用前景

《Frontiers in Genetics》：Genome-wide identification of selection signals in fat-tailed and thin-tailed sheep populations

本研究通过全基因组重测序技术（FST/π/XP-CLR/ROH）系统鉴定脂肪尾与薄尾绵羊群体的遗传选择信号，发现PDGFD、BMP2等32个候选基因通过间充质细胞分化、Wnt信号通路等机制调控尾脂沉积，为低脂绵羊育种提供分子靶点。

　　

引言

绵羊作为最早被驯化的家畜之一，在肉类、羊毛和奶制品生产中具有重要地位。中国作为绵羊养殖历史悠久的国家，拥有丰富的绵羊品种资源，根据尾脂沉积类型可分为短薄尾、长薄尾、短脂尾、长脂尾和肥臀羊等类型。在绵羊进化过程中，脂尾的形成是对食物资源波动的适应性生存机制——通过积累尾脂储存能量以应对饥荒期。这种能量储存功能在驯化绵羊中仍被保留，成为绵羊尾脂形成的关键进化原因。

脂尾性状使绵羊在恶劣环境中具备更强的生存适应性。表型分析与地理气候因素的研究表明，气候类型显著影响薄尾和脂尾绵羊的分布：短脂尾和肥臀羊主要分布于环境较严酷的北方地区，而南方地区则以短薄尾绵羊为主。尾脂中高比例的非末端支链脂肪酸及其独特的脂代谢过程提示，控制尾脂沉积的基因或调控通路可能不同于体内其他部位的脂肪沉积机制。尽管已有研究通过基因组关联分析（GWAS）筛选出与尾型相关的SNP位点（如X染色体上AR基因内含子区），并通过比较转录组发现脂代谢相关基因的差异表达，但对尾脂沉积的具体遗传机制仍缺乏系统认知。

本研究通过整合555只绵羊的全基因组数据（包含新测序的30个样本和已公开的525个样本），系统分析脂尾与薄尾绵羊群体的选择信号，旨在揭示尾脂沉积的遗传调控网络，为绵羊分子育种提供理论依据。

方法

样本采集与测序：实验选取10只哈萨克羊（脂尾）、10只多胎萨福克羊（薄尾）及10只杂交F2代个体，采集颈静脉血样并提取DNA。使用Illumina HiSeq 2500平台进行全基因组重测序，平均测序深度为13.21×，基因组覆盖度达98.06%以上。同时整合已发表的525个绵羊重测序数据集，统一比对至绵羊参考基因组（Oar_v4.0）。

SNP检测与注释：通过BWA软件进行序列比对，使用SAMtools进行SNP检测，并利用ANNOVAR对变异位点进行功能注释。经过严格质控（剔除Call率<90%、MAF<0.05、平均深度异常位点），最终获得11,852,938个高质量SNP用于后续分析。

群体遗传结构分析：采用邻接法（NJ）构建系统发育树，使用ADMIXTURE软件（K=2-6）进行群体结构聚类，并通过EIGENSOFT进行主成分分析（PCA）。利用PopLDdecay软件评估连锁不平衡（LD）衰减情况。

选择信号检测：将样本分为脂尾组（含脂尾、肥臀等）和薄尾组（含薄尾、短薄尾等），通过四种方法筛选选择信号：

1. 1.
   F_ST-π法：以50 kb窗口计算群体分化指数（F_ST）和核苷酸多样性（π），选取Z(F_ST)>1.58且log₂(π_脂尾/π_薄尾)<0.24的重叠区域；
2. 2.
   XP-CLR法：基于跨群体复合似然比分析，取全基因组前1%的得分区域；
3. 3.
   ROH法：通过PLINK识别纯合片段（ROH>0.5 Mb），将SNP出现频率>20%的连续区域定义为ROH岛。

GO富集分析：对三种方法共同筛选的基因进行Gene Ontology富集分析（DAVID 6.8），以P<0.05为显著性阈值。

结果

测序数据质量：30个样本共产生5,245.855 Gb原始数据，质控后有效数据量为5,236.338 Gb，Q30值均高于89.69%，基因组比对率达98.65%-99.32%。

群体遗传结构：PCA、NJ树和ADMIXTURE分析显示，555只绵羊按地理来源分为中东、中亚-东亚、南亚-东南亚、欧洲、美洲和非洲六大群体。亚洲群体间存在频繁基因交流（如中国美利奴羊与欧洲群体聚类），而美洲群体因高强度人工选择呈现高LD水平，非洲群体则因受人工选择影响较小而LD衰减最快。

选择信号鉴定：

1. 1.
   F_ST-π法筛选出411个候选基因；
2. 2.
   XP-CLR法识别169个基因；
3. 3.
   ROH法发现256个基因（染色体15上ROH片段富集最多）。
   三种方法共同鉴定出32个重叠基因，包括已知脂代谢调控基因PDGFD、BMP2、GLIS1、LIPE、MSRB3和TBX15等。其中PDGFD通过激活PDGFRβ通路抑制脂肪组织扩张，BMP2促进前脂肪细胞分化，TBX15参与棕色脂肪发育调控。

GO富集分析：32个基因显著富集于8个生物学过程，包括间充质细胞分化（涉及BMP2、NOTCH1、ALDH1A2）、生长因子响应（BMP2、PDGFD等）、组织形态发生（BMP2、MEGF8等）以及ERK1/2级联正调控、Wnt信号通路调控等。这些通路共同构成脂尾发育的分子网络：间充质细胞分化为脂肪细胞提供细胞来源，激素代谢通路调控能量平衡，组织形态发生基因则塑造尾脂沉积的空间结构。

讨论

群体遗传特征反映了人类活动对绵羊演化的影响。亚洲群体间的基因交流与历史贸易路线（如丝绸之路）密切相关，而美洲群体的高LD衰减速率则印证了其高强度人工选择历史。在脂尾性状的遗传机制方面，PDGFD和BMP2作为关键基因分别通过抑制和促进脂肪沉积的互补机制调控尾脂发育。GNAQ、SPAG17等基因则与脂代谢和细胞外基质重塑相关，共同构成多基因调控网络。GO富集结果进一步提示，尾脂沉积不仅受细胞分化和代谢通路调控，还涉及组织形态发生等结构性适应过程。

本研究首次通过多方法整合分析系统揭示脂尾性状的遗传基础，但部分基因（如GLIS1、MSRB3）的功能尚需通过基因敲除、过表达等实验验证。未来可结合单细胞测序技术深入解析尾脂组织中的细胞异质性，为精准育种提供新靶点。

结论

本研究通过全基因组选择信号分析，鉴定出32个与绵羊尾脂沉积相关的候选基因，并揭示其通过间充质细胞分化、激素代谢调控等通路共同作用机制。结果不仅深化了对脂尾性状遗传架构的理解，也为低脂绵羊品种选育提供了重要分子标记和理论支撑。