坦桑尼亚本土鸡跨农业生态区的全基因组选择信号与候选基因鉴定

《Poultry Science》：Genome-wide selection signatures and candidate genes in Tanzanian indigenous chickens across contrasting agro-ecological environments

　　

研究人员对来自4个对比农业生态区12个群体的196只坦桑尼亚本土鸡（Tanzanian indigenous chickens, TICs）进行测序，并以来自5个中国地方品种的40只鸡作为跨大陆参考。研究人员采用池化杂合度（pooled heterozygosity, H_p）、纯合片段（runs of homozygosity, ROH）以及三统计量方向性扫描（F_ST、XP-EHH和π比值）检测选择信号。TICs群体间分化弱（平均F_ST=0.021），但与中方品种明显分离（0.104）。近交水平低，几乎全部来自短ROH，各区带平均F_ROH为0.053–0.076（片段≥300 kb）。候选基因按共享广度分为两类。第一类在大多数分析组（包括中国群体）共享，可能代表祖先或驯化相关信号，包括GGA14上的LIPE、GGA8上的两个鸡α-淀粉酶旁系同源基因以及GGA2上的VSTM2A；VSTM2A也曾在博茨瓦纳、阿拉伯和中国本土鸡中报道。第二类为方向性扫描得到的区带特异性候选，其中4个对jackknife重采样稳健：中央高原的AGMO、沿海低地的SUGCT，以及东部高原的TSHR和同时包含PTAFR的EYA3区间。TSHR和LIPE近期均在尼日利亚扫描中作为热应激候选报道。GGA2上的ZFHX4由池化杂合度检出，在较暖池中给出最强的多窗口信号，其最高窗口包含一个与卢旺达本土鸡新城疫反应提示性相关的SNP（同一组装报道）。由于农业生态区用于构建抽样分层，并未作为环境变量检验，这些位点仅为功能验证候选，而非已证实的气候适应靶点。低近交和浅层结构仍支持这些群体的原位保护（in situ conservation）。

撒哈拉以南非洲本土鸡（Gallus gallus domesticus）长期在热带自由放养环境中受到选择，但其适应的基因组基础仍不清楚。坦桑尼亚生态多样且是鸡进入非洲的早期路线之一，既往研究多基于微卫星、线粒体DNA和低密度商业SNP芯片，难以解析全基因组选择信号；同时， indiscriminate crossbreeding 持续侵蚀这些群体的遗传多样性。因此，研究人员假设TICs在不同对比农业生态区携带不同的选择信号，且部分位点在热带其他本土鸡中重现，并对196只TIC（12个群体、4个农业生态区）和40只中国地方品种参考开展全基因组分析。结果显示，TIC构成单一浅层基因库，低近交且以短ROH为主；多数ROH岛广泛共享，可能为祖先或驯化相关；区带特异性稳健候选包括AGMO、SUGCT、TSHR和含EYA3的GGA23区间，ZFHX4具有最具体的外部佐证，但所有位点均不是已证实的气候适应靶点。该研究将坦桑尼亚加入非洲本土鸡选择扫描框架，为功能验证、原位保护和气候韧性育种提供候选资源。

关键技术方法：采用区带分层抽样获取坦桑尼亚12个群体196只本土鸡，并以5个中国地方品种40只鸡为跨大陆参考（中国参考数据来自NCBI SRA BioProject PRJNA1178335；坦桑数据BioProject PRJNA1465188）。开展全基因组重测序（whole-genome sequencing, WGS），以GRCg6a为参考进行比对和联合变异检测；用主成分分析（principal component analysis, PCA）、ADMIXTURE和固定指数（fixation index, F_ST）解析群体结构；用纯合片段（ROH）及基因组近交系数（F_ROH）评估近交；用池化杂合度（H_p）扫描低多样性窗口；用F_ST、跨群体扩展单倍型纯合度（cross-population extended haplotype homozygosity, XP-EHH）和π比值三统计量交集识别方向性选择；并以KOBAS-i进行基因本体（Gene Ontology, GO）/京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集，结合jackknife重采样和Singida回组等敏感性分析。

研究结果：（1）Environmental characterization of sampling sites（采样点环境特征）：基于WorldClim v2.1数据，多数区带年均温为20.4–26.2°C，南部高地较低（14.1–18.6°C）；年降水差异明显，南部高地最高（1,093–1,556 mm），东部高原最低（529–715 mm），提示区带间降水差异较温度更突出。（2）Population structure（群体结构）：PCA显示PC1（4.15%）和PC2（1.20%）将中国参考与坦桑群体分离，坦桑内部重叠；成对F_ST显示坦桑群体平均0.021，中国参考0.104；ADMIXTURE以K=2最优，坦桑群体以共享祖源为主，K=5时出现地理嵌套结构，Singida未随其所在区带聚类；结论为TIC群体分化浅。（3）Genomic inbreeding and ROH length composition（基因组近交与ROH长度组成）：共检测22,788个常染色体ROH；F_ROH（≥300 kb）区带均值0.053–0.076，中国参考0.074，四坦桑区带间无显著差异（P=0.23）；短于1 Mb的ROH占坦桑区带总ROH长度65.8–78.4%，≥1 Mb的F_ROH为0.012–0.026；GGA16无ROH，作者归因于组装不完整和标记密度低。（4）Runs of homozygosity islands shared across the five analysis groups（五分析组共享ROH岛）：87个候选区域中75个通过过滤，24个在至少3/5组共享；这些岛位于11条染色体，长度101.9 kb–2.77 Mb，21/24含至少一个命名基因；6个岛在五组均检出，9个在四坦桑区带均检出；岛内含LIPE、AMY2A、AMY1A、VSTM2A等，部分与博茨瓦纳ROH热点重叠。（5）Pooled heterozygosity analysis（池化杂合度分析）：将三个较暖区带合并为158只暖池、南部高地为38只凉池；在ZH_p≤?4阈值下，暖池得58个窗口、24个命名基因，凉池得114个窗口、54个命名基因；暖池中ZFHX4具最强多窗口支持，21/24暖池基因也见于凉池，LIPE上游窗口获跨方法支持。（6）Directional selection: Agreement of three between-population statistics（方向性选择：三统计量一致性）：六个坦桑区内比较中，三统计量交集保留73–98个区域/比较；AGMO在中央高原相对其他三区带显示最强信号（ZF_ST=18.043）；SUGCT在沿海低地稳定；TSHR在东部高原相对南部高地检出；EYA3/PTAFR区间区分中央高原与东部高原；jackknife后AGMO、SUGCT、TSHR、EYA3区间稳健，MTNR1B、SOX5、MEIS2为提示性。（7）Functional annotation of candidate genes（候选基因功能注释）：方向性候选富集谷氨酸能突触、黏附连接和钙离子结合；H_p候选亦富集谷氨酸能突触；ROH岛富集DNA结合转录激活活性；方向性和ROH候选无KEGG通路富集，H_p的5个通路中4个由同一少数基因驱动。（8）Comparison with previous selection scans（与既往选择扫描比较）：507个候选基因中65个（12.8%）在至少一项既往非洲本土鸡扫描中报道；LIPE和TSHR与尼日利亚热应激候选重叠；TSNARE1获两项既往扫描及本研究两种统计量支持；GGA1 ROH岛与尼日利亚峰重叠12/19个基因。

讨论部分总结：作者认为这是首个坦桑尼亚本土鸡全基因组测序研究；区带间降水差异大于温度差异，PCA、F_ST和ADMIXTURE均显示坦桑群体浅层结构，符合自由放养鸡持续交换。低近交且短ROH为主，提示古老背景亲缘关系而非近期近交；南部高地少数高F_ROH个体可能与改良品种杂交有关。三种框架共定位507个基因，23个由多于一种框架支持。作者按证据权重将候选分为四组：多框架且既往报道（FOXJ2、TSNARE1、VSTM2A）；两框架但未在既往非洲扫描报道（CDH12、SLC26A8、MAPK14）；单框架共享岛/池化杂合度信号（LIPE、AMY2A、AMY1A等，更可能祖先或驯化相关）；区内方向性候选（AGMO、SUGCT、TSHR、EYA3区间），其中仅此类可结合农业生态条件解释。作者强调AGMO信号虽最强，但群体基因组学不能区分脂质代谢适应、行为选择或渐渗；SUGCT在jackknife下最稳定；TSHR与尼日利亚扫描重叠且存在热带-温带频率差异的错义变异；EYA3/PTAFR区间不能归因于单基因；ZFHX4外部佐证来自单一提示性SNP。局限包括：群体非独立品种、区带仅为环境代理且未做基因型-环境关联、经验阈值无法指定假阳性率、中国参考测序深度较高影响ROH共享解释；所有候选均需功能与表达验证。

研究结论（翻译）：该研究筛选了来自4个农业生态区12个坦桑尼亚群体的196只乡村鸡，并以5个中国地方品种的40只鸡作为跨大陆参考，使用三种互补的全基因组框架。坦桑尼亚本土鸡构成单一浅层基因库，而非不同品种。近交低，主要由短纯合片段承载，表明古老背景亲缘关系而非近期近交；在保护管理使用的≥1 Mb指标上，区带平均F_ROH为0.012–0.026。这一大而多样且基本无结构的基因库值得为未来选择而保护，与改良品种杂交是主要报道威胁。多数ROH岛在分析组间共享，24个保留岛中14个也见于中国参考。这些广泛共享的岛（包括LIPE和两个鸡α-淀粉酶旁系同源基因）更可能是祖先或驯化相关，而非局部适应。仅区带特异性候选可结合农业生态条件解释。四个区带特异性位点经两种敏感性分析保留并应优先推进：AGMO、SUGCT、TSHR和含EYA3的GGA23区间，各需不同功能后续研究。第五个位点ZFHX4具有数据集中最具体的外部佐证。其最强窗口包含一个在卢旺达本土鸡中报道的、与新城疫反应提示性相关的SNP（同一组装），提供了可供基因分型的命名变异。总体而言，此处尚不能将任何位点称为正在进行的局部适应：农业生态区在本设计中是抽样分层，而非被检验的环境变量。该研究将坦桑尼亚加入埃塞俄比亚、尼日利亚、埃及和博茨瓦纳扫描，并识别出值得推进的候选。它们中是否有适应性直接关系到该多样性如何保护及用于小农系统育种。