全面解析亚洲水牛的演化历史和选择信号！张毅教授团队在水牛基因组研究中取得进展

摘要：中国农业大学动物科技学院张毅教授联合崖州湾国家实验室首席科学家韩建林教授和中国科学院昆明动物研究所吴东东研究员，通过分析470头家养和野生亚洲水牛的全基因组，深入揭示了在自然和人工选择驱动下，水牛产奶性能和外貌形态的演化机制。

中国农业大学动物科技学院张毅教授联合崖州湾国家实验室首席科学家韩建林教授和中国科学院昆明动物研究所吴东东研究员，通过分析470头家养和野生亚洲水牛的全基因组，深入揭示了在自然和人工选择驱动下，水牛产奶性能和外貌形态的演化机制。12月4日，这项研究成果以《完整基因组景观揭示亚洲水牛隐藏的进化历史和选择信号》（Complete Genomic Landscape Reveals Hidden Evolutionary History and Selection Signature in Asian Water Buffaloes (Bubalus bubalis)）为题，在线发表在国际出版集团Wiley旗下知名学术期刊《前沿科学》（Advanced Science）上。

水牛是偶蹄目（Artiodactyla）、牛科（Bovidae）、牛亚科（Bovinae）、牛族（Bovini）、水牛亚族（Bubalina Rütimeyer, 1865）的哺乳动物，本族中包括非洲水牛（Syncerus Hodgson, 1847）和亚洲水牛2个属（Bubalus Hamilton-Smith, 1827），前者现仅存非洲野水牛（Syncerus caffer Sparrman, 1779)）1个种，而后者还现存包括野水牛（Bubalus arnee Kerr, 1792）、低地水牛（Bubalus depressicornis Smith, 1827）、民都洛水牛（Bubalus mindorensis Heude, 1888）和山地水牛（Bubalus quarlesi Ouwens, 1910）在内的4种野水牛和1种家养水牛（Bubalus bubalis Linnaeus, 1758）。家养水牛大约于公元前4000年、在中国西南地区与中南半岛北部和印度次大陆从野水牛独立驯化而来。全球现饲养水牛约2亿头，广泛分布于五个大洲的近70个国家（图1），其中在亚洲分布最为集中。家养水牛是重要的农业动物，为人类提供优质的奶制品、肉类和畜力等；特别在中国近五千年的农耕文明中，水牛是长江流域以南稻作区的主要役畜。家养水牛包括两个亚种：（1）沼泽型水牛（Bubalus bubalis carabanesis），起源并主要分布于中国南方和东南亚的越南、缅甸和印尼等国家，总数约4000万头；（2）河流型水牛（Bubalus bubalis bubalis），起源于南亚次大陆（覆盖印度、巴基斯坦、孟加拉和尼泊尔），也分布于伊朗、埃及、巴尔干半岛、希腊和意大利等国家，数量达1.6亿头。这两个亚种的独立物种演化是以若开山脉西部的恒河、布拉马普特拉河和贾木纳河为分界线，以东为沼泽型水牛，以西为河流型水牛；前者的二位体染色体数为48条，而后者为50条，但二者之间还没有形成生殖隔离，所以在孟加拉国和印度东北部（阿萨姆邦）存在人为界导的交叉分布（图2和3）。沼泽型水牛性格温顺、耐力强，是传统农业水稻耕种的主要劳动力；河流型水牛体格大、产奶量高，主要作为肉牛和牛乳等优质动物蛋白用途。图1亚洲水牛在全球67个国家的分布（1, 1–1000头; 2, 1001–10 000头; 3, 10 001–100 000头; 4, 100 001–1 000 000头; 5, 1 000 001–10 000 000头; 6, 10 000 001–100 000 000头; 7, >100 000 000头。引自：Zhang等，2020）图2河流（River buffalo）和沼泽（Swamp buffalo）型水牛的驯化地（*）及其扩散路线（引自：Zhang等，2020)该研究对覆盖全球主要地理分布区域的51个群体、共470头家养和野生亚洲水牛进行了全基因组测序和系统生物信息分析，构建了水牛全基因组变异图谱，揭示了全球水牛的群体历史、遗传结构和重要表型和生产性状的遗传基础。沼泽型水牛在形态上继承了野生水牛的特征，而河流型水牛虽然形态独特，但其基因组却与野生水牛有相似之处，这一发现为理解亚洲水牛的遗传多样性提供了重要线索。位于家养水牛分布区域两端的意大利河流型水牛和印度尼西亚沼泽型水牛的基因组多样性水平呈现出下降趋势，这符合家养动物从驯化中心向外扩散过程遗传多样性逐渐降低的规律；此外，净化选择机制在印度尼西亚水牛中发挥了重要作用，防止了有害功能缺失变异的积累；而与水牛繁殖过程密切相关的基因在河流型和沼泽型水牛中都经历了快速进化。图3公元前2223-2193年时美索不达米亚Akkad国王Shar-Kali-Sharri的Akkadian圆柱形密封中的2头沼泽型公水牛（引自：Alsaedy和Al-Fartosi，2017）

该研究首次发现与产奶性能相关的酪蛋白基因（CSN）和毛色性状相关的黑素皮质素受体1基因（MC1R）在奶水牛中经历了强烈选择。整合多组学分析发现，以CSN2为代表的酪蛋白家族基因在奶水牛中受到顺式调控的影响，且其优势等位基因在乳腺中具有更高的表达水平。奶水牛乳腺中的管腔细胞表现出更高的产奶基因表达水平和更强的细胞分化潜能，这可能是人工选择提高奶水牛产奶量的潜在细胞机制。此外，研究团队解析了奶水牛黑毛色的分子机制，发现MC1R的一个错义突变位于G蛋白偶联受体的跨膜区，该突变增强了MC1R介导的细胞内cAMP生成，从而促进黑色素的合成，是奶水牛纯黑毛色表型的因果突变（图4）。

图4 该研究包括的样本来源及发现的选择信号该研究是迄今全球范围规模最大的水牛群体基因组学研究，这不仅丰富了人们对全球水牛群体精细遗传结构的认识，更是加深了对自然和人工选择驱动下水牛重要性状遗传机制的理解，为奶水牛遗传资源的保护和遗传改良提供了重要依据（图5）。中国农业大学博士后司敬方、博士生代冬梅和尼泊尔农业研究委员会国家畜牧研究所N. A. Gorkhali研究员为论文的共同第一作者。本研究得到了“十四五”国家重点研发计划《主要农业反刍动物优异种质资源精准鉴定》项目、国家奶牛产业技术体系及国家自然科学基金资助。来自中国、澳大利亚、荷兰、意大利、丹麦、尼泊尔、越南、印度尼西亚、伊朗、孟加拉国、泰国、斯里兰卡、巴基斯坦、伊拉克和埃及等15个国家的学者联合完成了此项研究。图5 奶水牛（摄影：郑威）
图6 印度尼西亚苏拉威西岛上花水牛市场。（摄影：韩建林）
图7 印度尼西亚苏拉威西岛上的白水牛。（摄影：韩建林）