基于系谱与基因组整合分析的Cornigliese羊遗传多样性及选择信号研究

《Italian Journal of Animal Science》：Genetic diversity and selection signatures in the Cornigliese sheep breed

　　

摘要 Cornigliese羊是意大利地方品种，其种群规模正经历缩减。本研究旨在通过整合系谱和基因组数据的综合方法，探究Cornigliese羊的遗传多样性与选择模式。研究使用了来自5,784只动物的系谱信息，以及293只个体经Ovine 50K SNP芯片基因分型获得的基因组数据。鉴于Bergamasca品种遗传成分向Cornigliese品种历史渗入的记载，42只Bergamasca羊以相同SNP芯片完成基因分型，并作为参考群体纳入分析。系谱完整性较低（CGE = 2.23），限制了基于系谱估算的可靠性，而基因组近交系数（FROH = 8%–11%）与其他意大利地方品种的报道值一致。群体结构分析凸显了Cornigliese羊与Bergamasca羊之间的紧密聚类，反映了二者间的历史交流。选择信号分析揭示多个纯合片段（ROH）岛屿，其中包含与生长、肉用、产奶及适应性状相关的基因和数量性状位点（QTL）。研究鉴定出与体型和生长相关的候选基因，包括NCAPG、PLAG1和FAM184B。此外，LAP3、LOXL2和MEPE等基因此前已被证实与产奶性能和乳成分性状相关，而DNAJB5、PEBP4、HERC2和MLANA等基因则提示可能存在针对环境适应、免疫应答、寄生虫抗性和色素沉着性状的选择。研究结果鉴定了可能受历史和持续选择压力共同塑造的基因组区域，为这一濒危品种的保护措施和未来基因组选择策略提供了见解。

一、研究背景与意义

全球范围内，绵羊是地中海地区分布最广的物种之一，在传统农业系统中扮演核心角色。意大利官方认可的绵羊品种超过五十个，主要用于肉、奶和羊毛生产。然而，根据联合国粮农组织（FAO）的数据，意大利绵羊品种的生物多样性状况尤为严峻：超过60%的品种风险状态未知，约28%被认定为濒危。遗传多样性的持续丧失与现代育种体系的变化密切相关——现代育种日益偏向少数高产品种，往往以牺牲生产性能较低但具有宝贵适应性状的地方群体为代价。

Cornigliese羊是原产于意大利北部帕尔马省的地方品种，目前被FAO列为濒危品种。该品种历史悠久，可追溯至十八世纪，因兼具产奶和产肉的双重用途而被称为“羊-牛”。历史上，为改善肉用性能和羊毛品质，该品种曾与Bergamasca和Merino品种进行杂交。如今，Cornigliese羊主要用于肉用生产，少量羊毛仍用于传统手工艺品制作。该品种体型较大、寿命长，特征为白色被毛，头面部和腿部具有标志性黑色斑点。尽管适应性突出，但该品种种群规模极小，现存约1,779只，且因种用公羊数量有限，近交水平持续上升。此外，国家为提升痒病抗性而推行的育种政策进一步加剧了挑战——由于法规仅允许使用携带抗性基因型的公羊繁殖，过去10年间实际用于繁殖的公羊仅57只，可用种畜池极度受限。

该品种面临的核心问题在于：种群规模小、系谱信息有限，使得控制近交和管理遗传多样性极为困难。传统上，家畜近交系数和遗传变异主要依赖系谱记录估算，但在粗放或半粗放养殖系统中，系谱深度和完整性往往不足以准确描述群体遗传结构。自2009年50K绵羊SNP芯片开发以来，基因组工具为克服这些挑战提供了新机遇：SNP基因分型能够精确表征群体遗传结构，提供遗传多样性和近交模式的实际图景；与系谱分析不同，基因组数据可通过纯合片段（ROH）及其长度分布揭示近交是近期还是古老事件；选择信号检测还能识别与目标性状相关的基因组区域，为更明智的配种策略和选择计划提供实践指导。

基于上述背景，本研究旨在通过整合系谱和基因组数据，并与商业品种Bergamasca进行比较，系统表征Cornigliese羊的遗传多样性、群体结构和选择模式。具体目标包括：（i）评估品种内遗传结构和潜在的牧场层面分化；（ii）探究Cornigliese羊与作为参考群体的Bergamasca羊之间的遗传关系；（iii）同时使用系谱和基因组指标评估遗传多样性与近交，比较二者的信息量；（iv）通过ROH分析识别选择信号。最终目标是为理解该品种的遗传背景提供基础，并支持制定有效的长期保护与遗传管理策略。

二、研究设计与技术方法

研究人员共使用两大核心数据集：系谱数据涵盖1977至2025年间出生的5,784只Cornigliese羊（661只公羊和5,123只母羊），用于计算系谱近交系数（Fped）、平均亲缘关系、等效完全世代数（CGE）、有效奠基者数和有效祖先数；基因组数据来自帕尔马省七个牧场的293只Cornigliese羊和42只Bergamasca羊，采用Illumina OvineSNP50v2 BeadChip芯片（含54,693个SNP）进行基因分型。样本选择策略包括：采集所有可用种用公羊、覆盖所有注册牧场、在场内选择无亲缘关系个体。Bergamasca羊因历史上用于改良Cornigliese羊生产性能而被纳入参考群体。

质量控制使用PLINK v1.9完成，过滤标准包括：个体检出率≥0.90、SNP检出率≥0.95、最小等位基因频率≥0.05、哈迪-温伯格平衡检验p值≥1×10^-6，并剔除可能重复的个体（PI_HAT > 0.95）。质控后保留54,249个SNP、289只Cornigliese羊和42只Bergamasca羊，平均标记间距为49.43 kb。群体结构分析采用PLINK中的主成分分析（PCA），分析前先进行连锁不平衡（LD）剪枝（–indep-pairwise 50 5 0.5），最终使用46,325个SNP。品种间遗传分化用Weir和Hill的成对F_ST统计量估算。ROH检测使用R包detectRUNS v0.9.6的滑动窗口方法，参数设置为：ROH最少包含15个SNP、窗口内不允许缺失或相反基因型、相邻SNP最大间距1 Mb、最小ROH长度为0.5 Mb、最终ROH片段允许最多一个相反和一个缺失基因型、最小密度为每1 Mb一个SNP。ROH按长度分为六个类别（0.5–1、1–2、2–4、4–8、8–16和>16 Mb）。基因组近交系数F_ROH计算为个体ROH长度总和除以SNP覆盖的自体染色体总长度（约2.4 Gb）。Fped与F_ROH的一致性通过Pearson和Spearman相关评估，分析限于2024年前出生的248只Cornigliese羊。ROH岛屿鉴定采用SNP-wise ROH发生率，经z-score标准化并转换为上尾概率，保留上尾概率>0.999且出现在至少30%个体中的SNP，将同一染色体上间距≤1 Mb的相邻标记合并为ROH岛屿。基因注释使用绵羊基因组组装UI_Ramb_v3的Ensembl数据库，QTL信息来自绵羊QTLdb，并按生产、繁殖和适应三大表型类别进行归类。

三、研究结果

系谱分析

系谱数据显示，1,693只母羊作为母亲使用，后代数1至10只不等；126只公羊作为父亲，后代数1至251只不等。系谱完整性以CGE衡量，群体平均值为2.23，仅考虑种用动物时降至2.19。平均可追溯完整世代数为0.76，最大记录深度为七个完整世代。有效奠基者数为71，有效祖先数为53，其中仅23个祖先贡献了观察到的50%遗传多样性。平均系谱近交系数为0.0279，个别动物高达0.6589，群体平均亲缘关系为0.74%。

群体结构与遗传分化

PCA分析中，前两个主成分分别解释了16.85%和13.66%的总遗传变异。Bergamasca（COMM）群体呈现紧密聚类，体现品种同一性，但整体上仍与Cornigliese群体保持接近，而Cornigliese各牧场间未观察到清晰聚类。F_ST分析显示Cornigliese与Bergamasca之间的平均成对F_ST为0.046，牧场层面平均F_ST为0.060，表明品种间和牧场间的遗传分化均处于低至中等水平，进一步证实两个群体间的紧密遗传关系及Cornigliese牧场间有限的遗传分层。

纯合片段与遗传多样性

ROH长度和频率在品种间存在差异。Bergamasca羊平均ROH总数少于Cornigliese羊，基因组被ROH覆盖的平均总长度分别为154.49 Mb和253.22 Mb。两品种均以短ROH贡献最大，但Cornigliese群体在几乎所有长度类别中均表现出更高的ROH覆盖率。在六个长度类别中，COMM动物的平均覆盖值分别为44.71、36.70、26.81、22.22、18.00和6.05 Mb，而Cornigliese在较长类别中显著更高，4–8 Mb类别达41.94 Mb，8–16 Mb类别达46.45 Mb，>16 Mb类别达50.28 Mb。携带至少一个>16 Mb ROH的个体比例在品种间差异显著：COMM为24.39%，Cornigliese为62.07%。除1–2 Mb类别外（p = 0.995），其余五个类别均存在显著品种差异（Wilcoxon秩和检验，p < 0.001）。

基因组近交系数F_ROH按牧场计算，最高近交水平出现在牧场3（11.5%），且个体间变异最大；牧场4和牧场2均为10%，显示各牧场存在中等但一致水平的近交。系谱近交（Fped）与基因组近交（F_ROH）之间仅观察到弱相关（Pearson r = 0.03；Spearman ρ = 0.04），反映系谱深度有限。

选择信号

在Cornigliese品种中共鉴定出九个ROH岛屿，分布于六条染色体（OAR1、OAR2、OAR3、OAR6、OAR9和OAR10），涵盖107个蛋白编码基因。其中位于OAR2和OAR9的两个热点区域在至少50%的个体中被识别。在这些候选区域内共鉴定出148个绵羊QTL。OAR1、OAR2、OAR6和OAR10上的基因组区域富含与生长和肉用性状相关的QTL和候选基因，反映历史上旨在改善生产性能的育种策略；OAR2、OAR3和OAR6上的区域包含与产奶和繁殖效率相关的基因和QTL，支持该品种双重用途的选择历史；OAR2上检测到的部分区域还与适应相关性状有关，提示自然选择在半粗放管理系统下塑造了该品种的基因组背景。

四、讨论与结论

讨论部分指出，系谱信息在小品种中仍是最广泛使用的数据来源，但系谱深度是评估数据库质量的关键因素。Cornigliese羊的系谱完整性显著偏低（CGE = 2.19），远低于其他品种通常高于5的水平。这源于绵羊在半粗放管理系统中父系追踪的固有困难，也是全球许多绵羊品种共有的问题。尽管如此，仅关注种用动物时CGE略有提高，表明育种者正逐步选择具有良好记录祖先的个体。

系谱结构揭示了奠基者和祖先贡献的不平衡：有效奠基者数为71，有效祖先数为53，其中23个祖先贡献了50%的遗传多样性。这一模式提示遗传瓶颈的存在，即原始群体中的变异通过有限数量的祖先传递。这种现象在小规模管理群体中常见，通常与历史性种群缩减和有限种用公羊的密集使用相关。在Cornigliese品种中，这一趋势可能因痒病根除计划而进一步加剧——该计划依赖携带抗性基因型的公羊进行选择性繁殖，虽对疾病控制至关重要，但也缩小了种用公羊的可用池。

系谱近交系数显著偏低（2%），但鉴于有限的系谱深度，该值应谨慎解读。基因组近交范围为8%至11%，与意大利其他地方品种相当，但显著高于国际品种。Bergamasca羊的基因组近交水平较低（6%）且分布更窄，与其约128,000只的较大种群规模一致。ROH的规模和分布提供了进一步见解：短片段占优势是过去近交发生的典型模式，但Cornigliese羊相比Bergamasca羊具有显著更多的ROH和更高比例的长ROH，提示近期近交增加，可能源于种用公羊数量过少。牧场间F_ST分析未显示遗传分化，支持基因流动和共享遗传背景的假说。

选择信号分析中鉴定的候选基因具有明确功能意义。NCAPG是牛体型和体格最广为人知的位点之一，此前已在Merino羊的选择信号中被报道，考虑到Merino羊在杂交改良中的历史使用，这一发现尤为有趣。CHCHD7和PLAG1均与绵羊体型和生长性状相关，FAM184B反复与体重、胴体组成和肉用性状相关联，NPR2被提出为影响骨骼形态和体型的候选基因。在繁殖相关基因中，FAM184B还与产羔数相关，LAP3与反刍动物产奶性状相关（主要影响乳脂和乳蛋白产量），LOXL2与Merino型绵羊产奶性能相关，MEPE与乳脂和乳蛋白百分比相关，STC1在绵羊卵巢组织中高表达并参与繁殖功能，FSIP2在精子尾部和功能中发挥重要作用，RAD51AP2与减数分裂过程和雄性生育力相关。在适应相关基因中，DNAJB5在免疫细胞的热应激耐受中发挥重要作用，PEBP4附近的SNP与绵羊耐热性相关，HERC2与线虫感染抗性和先天免疫应答相关，MLANA是绵羊色素沉着的关键调控因子。值得注意的是，HERC2与OCA2的相互作用已被报道调控人和动物的色素沉着，而Cornigliese羊头面部和腿部的标志性黑色斑块正是该品种最易识别的表型特征之一。

研究结论指出，本研究首次对Cornigliese羊的遗传多样性和群体结构进行了全面表征。低系谱完整性反映了半粗放育种系统中维持准确亲缘记录的挑战，凸显了改进记录实践的必要性。分析表明Cornigliese羊与Bergamasca羊之间存在紧密遗传关系，与其历史联系一致。多个ROH岛屿与肉用、产奶和适应性状相关的基因和QTL重叠，显示历史渗入和持续选择可能共同塑造了Cornigliese羊的基因组。保护该品种需要整合保护与选择的综合策略，关键行动应包括促进牧场间种用公羊交换以降低近交、制定结构化配种计划以及改进系谱和生产性能记录。同时，未来选择计划可聚焦于生产性能较高的个体，改善对经济可持续性重要的性状。总体而言，本研究为支持保护计划和设计未来基因组选择策略提供了信息，旨在维护生物多样性和Cornigliese羊的长期生存。