西西里本土鸡品种基因组选择信号的全基因组扫描研究

《Poultry Science》：A genome-wide scan for signatures of selection in two indigenous Sicilian chicken breeds

摘要 自然选择和人工选择可留下独特的基因组印记，为揭示群体的进化历史提供重要见解。本研究利用高密度SNP芯片，对两个西西里本土鸡品种——西西利亚纳鸡（Siciliana，又称Coronata，缩写SIC）和近期获认可的卡尔塔尼塞塔角冠鸡（Cornuta di Caltanissetta，又称西西里角冠鸡，缩写COR）——的基因组选择信号进行了调查。研究人员将两种基于扩展单倍型纯合性（extended haplotype homozygosity，EHH）的方法，即iHS和Rsb，与一种基于位点频谱（site frequency spectrum，SFS）的互补分析（使用SweeD软件）相结合，以识别可能受选择影响的基因组区域。在COR品种中鉴定出多个候选区域，分别位于鸡染色体（chicken chromosomes，GGA）1、8和21上。在GGA1上，强烈的iHS信号与SweeD检测到的高复合似然比（composite likelihood ratio，CLR）值相吻合，而GGA8和GGA21上的区域则显示出重叠的iHS和Rsb信号，并得到来自SweeD的额外探索性证据支持。这些区域包含多个与神经系统发育和功能相关的基因，包括GGA1上的PCDH9；GGA8上的ASTN1、TNR和BRINP2；以及GGA21上的CLSTN1、NMNAT1、UBE4B和KIF1B。在GGA3上显示差异选择信号的区域中鉴定出的其他候选基因，包括TTBK1、SLC8A1、TTL和VSX1，也据报道在神经过程中发挥作用。总的来说，这些基因突显了已鉴定的基因组信号与神经过程之间的潜在联系，这些神经过程可能有助于两个品种间的表型分化，尽管它们与品种特异性性状的关联仍有待确定。除这些候选基因外，研究人员还鉴定了包含与基因调控（包括转录协同调控和选择性剪接）相关基因的选择印记。几个高度显著的变异也位于长链非编码RNA（lncRNA）区域内，表明调控变异可能对观察到的基因组模式有所贡献。总体而言，本研究的结果鉴定了含有参与神经功能和基因调控过程基因的候选基因组区域，为未来研究这些西西里本土鸡品种的进化历史和表型分化奠定了基础。

《西西里本土鸡品种基因组选择信号扫描：揭示神经功能与基因调控相关候选区域》

一、研究背景与科学问题

家禽是全球动物生产的重要组成部分，近几十年来产量增长显著。现有证据表明，家鸡主要起源于红原鸡亚种Gallus gallus spadiceus，其现今分布集中在东南亚及中国西南部。随着人类迁徙和贸易，鸡传播至多样环境，演化出众多具有独特遗传适应性的品种。然而，集约化养殖的快速推进导致许多传统地方品种面临高灭绝风险。欧洲地方品种，尤其在粗放系统下由小农户饲养的品种，保留了由数百年自然和人为选择塑造的独特适应性、形态和文化遗产。在此背景下，意大利自21世纪初起推动地方家禽遗传资源保护。西西里岛拥有三个传统本土鸡种群：西西利亚纳鸡（SIC，又称Coronata，以毛茛冠为特征）、Val Platani和卡尔塔尼塞塔角冠鸡（COR，又称西西里角冠鸡，以独特的V形双冠为特征）。COR于2025年获意大利农业部正式认可。这两个品种长期处于当地农业生态条件下，具有独特表型特征，是研究选择基因组印记及其潜在生物学意义的理想模型。然而，其基因组选择信号尚未得到系统解析，特定性状相关的候选基因亦不明确。因此，本研究旨在通过全基因组扫描鉴定COR和SIC品种中的选择印记和候选基因，探索其与品种特异性进化历史（包括局部适应和形态分化相关性状）的潜在生物学关联。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用高密度SNP芯片数据，结合多种群体遗传学统计方法，对两个西西里本土鸡品种（COR和SIC）及作为外部对照的瑞士品种阿彭策尔尖冠鸡（APP，同样具有V形冠）进行了全基因组选择信号扫描。研究发现，COR品种在GGA1、GGA8和GGA21上存在多个候选选择区域，这些区域包含多个与神经系统发育和功能相关的基因，如PCDH9、ASTN1、TNR、BRINP2、CLSTN1、NMNAT1、UBE4B和KIF1B等。此外，在GGA3上检测到差异选择信号，涉及TTBK1、SLC8A1、TTL和VSX1等神经相关基因。研究还发现多个选择信号位于长链非编码RNA（lncRNA）区域及参与转录调控和选择性剪接的基因内，提示调控变异可能对观察到的基因组模式有贡献。值得注意的是，在已知控制鸡冠形态的EOMES基因座（Duplex-comb表型）未检测到显著选择信号，这可能归因于V形冠和毛茛冠等位基因共享相同的单倍型背景，Rsb检验对此类共享选择单倍型检测效能有限。本研究的意义在于为理解这些本土品种的进化历史、表型分化及遗传资源保护提供了基因组学基础。

三、主要关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：1）样本来源：COR样本（N=56）来自两项既往研究（Cendron et al., 2020，N=22；Tolone et al., 2023，N=34），SIC（N=20）和APP（N=44）样本来自Malomane et al. (2019)公开数据；2）基因分型：所有个体使用Affymetrix Axiom? 600K鸡基因分型芯片，数据比对至GRCg6a参考基因组，经质量控制后最终数据集包含120个个体、418,927个SNP；3）群体结构分析：基于连锁不平衡修剪后的SNP进行主成分分析（PCA）；4）选择信号扫描：结合iHS（检测群体内正在进行或不完全的选择性扫荡）和Rsb（比较群体间单倍型纯合性差异）两种EHH-based方法，以及基于位点频谱（SFS）的SweeD软件（计算复合似然比CLR）进行互补验证；5）功能注释：使用Ensembl变异效应预测器（VEP）对显著变异进行功能注释。

四、研究结果

4.1 群体结构

主成分分析（PCA）显示三个鸡品种（COR、SIC和APP）之间存在遗传分化，前两个主成分（PC1和PC2）分别解释9.15%和5.97%的总遗传变异。COR个体在PCA图中表现出相对广泛的分散分布，表明该种群内部存在遗传变异。

4.2 候选基因组区域

iHS分析在SIC、COR和APP品种中分别鉴定出250、110和249个推定受选择的SNP，定义了SIC中25个、COR中10个、APP中18个候选区域。SIC品种中三个主要异常区域位于GGA1（91.82-92.02 Mb）和GGA3（23.29-23.77 Mb和23.85-24.30 Mb），这些区域也位列各自染色体CLR值前1%。COR品种中，GGA1上两个相邻区域（160.97-161.16 Mb和161.47-161.77 Mb）显示高比例异常SNP并与SweeD最强信号重叠；GGA1上约1 Mb区间（113.87-114.93 Mb）内BCOR和C1HXORF59基因及一个lncRNA中存在五个高度显著SNP；GGA21（3.17-3.71 Mb）上33个异常SNP跨越约540 kb。APP品种中，GGA5上多个候选区域（52.38-56.30 Mb）共跨越3.92 Mb，包含187个显著SNP。比较分析显示两个西西里品种间无共享候选区域，但SIC和APP间存在四个重叠区域。Rsb分析（COR vs SIC）鉴定出366个显著SNP，定义17个候选区域，其中GGA3上两个显著信号（15.74-16.60 Mb和82.48-82.85 Mb）超过25%的SNP超过显著性阈值。值得注意的是，GGA8（7.09-7.45 Mb）和GGA21（3.45-3.73 Mb）上的两个Rsb区域与COR中iHS信号重叠，SweeD分析也在这些区域附近显示升高的CLR值。

4.3 变异注释与效应预测

VEP注释显示，SIC和COR品种中分别鉴定出13个和17个蛋白编码基因。大多数变异被预测为修饰效应，反映其位于非编码或调控区域。COR品种中多个基因（SPSB1、TMEM201、PIK3CD、CLSTN1、NMNAT1、UBE4B和KIF1B）含有低影响同义变异，SLC25A33中鉴定出一个中等效应错义突变，ENO1中检测到一个低影响剪接区变异。SIC品种中，MTA3、ARL6IP1和SMG1等基因存在同义变异，HAAO中存在错义突变。两个品种中相当比例的显著SNP位于lncRNA基因内。SIC品种中GGA14（8.45-8.82 Mb）上10个高度显著SNP簇涵盖多个lncRNA和四个蛋白编码基因（XYLT1、RPS15A、ARL6IP1和SMG1）。Rsb分析鉴定出22个蛋白编码基因中的41个同义变异，以及四个基因（APMAP、POLR1B、ENSGALG00000015959和ENSGALG00000015969）中的五个错义变异。GGA21上九个基因和GGA8上两个基因位于iHS和Rsb信号重叠区域。

五、讨论与结论

讨论部分指出，iHS和Rsb两种EHH-based方法对选择扫荡的不同阶段和模式敏感，两者重叠有限符合其互补特性。GGA21候选区域与牛16号染色体上先前报道的欧洲牛品种古老选择扫荡区域同源，提示不同家养物种可能经历相似进化压力。SweeD结果受SNP芯片 ascertainment bias影响，不应视为独立验证。与APP品种共享的四个候选区域可能反映趋同选择或人口统计因素。功能注释揭示多个神经发育相关候选基因，如BRINP2（小鼠中敲除与多动表型相关）和PCDH9（编码原钙黏蛋白-9，在中枢神经系统中高表达，敲除小鼠表现出社交和物体识别受损、多动等表型）。PCDH9此前在COR品种的纯合性岛（ROH）研究中被报道，并在绵羊和山羊中被鉴定为选择候选基因。此外，多个最强选择信号位于lncRNA区域，以及参与转录调控（如MTA3、RBFOX1、SMG1）、选择性剪接和RNA监视（如SMG1、EIF4A3）的基因内，提示调控机制可能在品种分化中发挥作用。在已知鸡冠形态基因座EOMES未检测到选择信号，归因于Duplex-comb等位基因共享相同的祖先单倍型背景，Rsb对此类共享选择单倍型检测效能有限。研究局限性包括：COR有效种群规模小可能增加遗传漂变和近交效应，模拟选择信号；SIC样本量有限可能降低统计功效；SNP芯片数据对SFS-based分析存在ascertainment bias；缺乏表型和功能验证。

研究结论指出，通过互补的单倍型和位点频谱方法，研究人员在两个西西里本土鸡品种中鉴定出显示选择印记的候选基因组区域。其中多个区域包含据报道在神经发育、神经元功能和基因调控过程中发挥作用的基因，部分区域显示两个品种间的单倍型分化信号。包含lncRNA和参与转录及转录后调控基因的候选区域鉴定提示调控机制值得在品种分化背景下进一步研究。尽管互补分析方法的吻合为部分候选区域提供了额外支持，其解释仍受上述人口统计学和方法学限制影响。总体而言，这些发现为未来研究这些西西里本土鸡品种的进化历史和表型分化的功能研究提供了基因组基础，同时有助于其遗传资源的表征和保护。