從親戚家“拿來”個基因，山羊成功登上青藏高原

　　青藏高原被譽為“地球第三極”，其寒冷、低氧、低壓和強紫外線的極端環境造就了獨特的生物多樣性。伴隨著人類遷徙與生產活動，一批家養動物也逐漸適應了青藏高原惡劣的生態條件，成為藏區居民不可或缺的生產和生活資料。

　　近日，西北農林科技大學教授王小龍和姜雨，以及中國農業科學院—國際家畜研究所研究員韓建林等多家單位合作，在西藏山羊基因組中發現了一個新的受選擇基因PAPSS2。該基因源于喜馬拉雅地區的一種山羊野生近緣物種的基因滲入，這一遠古時期的基因滲入事件幫助山羊快速適應了高原嚴酷的自然環境。相關研究成果發表于《分子生物學與進化》（Molecular Biology and Evolution）。

　　山羊快速適應青藏高原嚴酷環境

　　青藏高原平均海拔達4000 m以上，是世界上海拔最高的高原。盡管地理環境獨特，但生活在高原的早期人類在這里馴化和馴養了包括牦牛、藏黃牛藏綿羊、藏山羊、藏豬、藏雞、藏馬和藏獒等家養動物，這些畜禽資源為當地牧民提供了重要的生產和生活資料。

　　王小龍介紹，由于天然屏障的阻隔，山羊大約在3000-5000年前才由中亞地區一路向東抵達寒風凌冽的青藏高原，雖然這個時間要晚于山羊遷徙至歐洲和東亞的時間，但山羊卻在短時間內適應了高原嚴酷惡劣的自然環境，背后的原因成為科研工作者探究的方向。

　　韓建林告訴《中國科學報》，大約11000年前，山羊在新月沃地（即今天的西亞、北非地區兩河流域），被遠古人類成功馴化。作為古代兩河文明的起源地，這里土地肥沃，氣候宜人，具備了發展農牧業的先天條件，誕生了世界上最早的山羊、綿羊、豬及大麥和小麥等馴化的動植物。伴隨著人類遷徙，這些物種如今到達世界的各個角落，在這一過程中，動物需要嘗試適應各種差異化的環境，包括赤道地區的炎熱和高原的寒冷缺氧。

　　從低海拔地區遷徙至高原的山羊究竟如何適應“地球第三極”——青藏高原寒冷、低氧、低壓和強紫外線的惡劣環境？

　　“解析高原家畜對極端環境適應的遺傳機制，不僅能夠揭示高原環境與遺傳多樣性的互作機制，還有助于現有高原畜禽遺傳資源的挖掘與保護利用，為高原家畜的遺傳改良提供理論依據和技術支撐。”王小龍解釋道。

　　尋找山羊適應性的根本原因

　　為了找到山羊適應青藏高原惡劣環境的根本原因，王小龍在團隊負責人陳玉林教授的鼓勵和支持下，與西藏農牧科學院深入合作，帶領團隊4次進入藏區，收集到了西藏地區10多個山羊品種的遺傳材料和組織樣品。

　　“我們和姜雨團隊等多家單位合作，搜集了的全球各地多個山羊群體的基因組數據，特別是第三代長片段測序技術的應用幫助我們找到了過去的技術手段未曾發現的基因組信息”。王小龍補充道。

　　他們首先對全球不同海拔分布的家山羊、野生山羊和古代山羊的331個基因組和 104 個轉錄組的數據進行分析，并利用 PacBio HiFi數據組裝了一個染色體水平的藏山羊參考基因組。在定位到關鍵的受選擇基因PAPSS2后，項目組同時利用團隊成熟的CRISPR/Cas9方法在細胞中進一步驗證了PAPSS2基因的功能。

　　最終，項目組利用目前獲得的最大規模的山羊基因組數據，揭示出了PAPSS2基因不僅是山羊高海拔適應的最關鍵基因，也是基因漸滲分析中最為顯著的基因，這就從多個層面證明了西藏山羊適應高原的能力來源于基因的漸滲。

　　姜雨解釋說，基因交流是自然界較為常見的一種跨物種或種群間的遺傳現象，對于家養動物適應性進化具有重要作用。基因漸滲，特指兩物種或種群的雜交后代通過與親本的反復回交，能把一個親本的某些性狀轉移或嫁接到另一群體中，具體涉及到某一物種或種群的部分基因向另一物種或種群基因組中的轉移和整合。

　　基因漸滲能打破物種或群體間原有的生殖隔離，從而產生并維持群體內的遺傳多樣性，促進其快速適應化進化，進而形成新的種群乃至物種，促進物種的傳播，在生物進化過程中發揮著重要的作用。

　　通過進一步分析發現，西藏山羊PAPSS2基因的單倍型與主要分布于喜馬拉雅山脈及其周邊高海拔地區的捻角山羊的單倍型高度一致。捻角山羊是巴基斯坦的“國寶”動物，現存數量已不足3000只。

　　一系列分析表明，這一滲入是由捻角山羊的種間雜交引起，且該漸滲僅存在于高海拔山羊的基因組中，在來源于中國內地的近20多個山羊品種中均未檢測到。

　　挖掘高原家畜遺傳資源

　　“這項研究在全基因組水平上對西藏山羊遺傳資源進行了系統評估，揭示了西藏山羊高原適應的遺傳機制，進一步證實了野生近緣種間的基因漸滲對家畜快速適應極端環境具有十分重要的作用。同時，這項研究成果對高原家畜遺傳資源的挖掘、保護及遺傳改良都有著十分重要的指導意義。”王小龍說。

　　世界上不同的高原地帶均有人類和動植物定居，但他們對高原環境的適應性機制卻迥然不同，各地的高地族群在長期演化與適應過程中經歷了不同的適應性進變。

　　例如，安第斯山脈人群是以提升每個血紅細胞攜帶氧氣的能力進行適應，而我國藏族同胞則是通過增加呼吸次數來有效彌補空氣中較低的含氧量。

　　在動物中也存在類似的現象。一些動物通過漫長的演化，挖掘出了自身適應惡劣環境的遺傳潛力而占得一席之地；另一些物種則通過借助與近緣物種的基因交流來快速適應環境。

　　王小龍認為，相比之下，來源于“近親”中的基因漸滲是最直接、最快速的生存之道。在青藏高原，以基因漸滲的方式適應高原環境的方式由來已久研究表明，基因交流廣泛存在于古藏人與丹尼索瓦人、藏綿羊與盤羊、藏獒與藏狼、藏黃牛與牦牛間。基因交流的結果使得高原動物更好適應了當地的極端環境。

　　青藏高原是全球生物多樣性、物種多樣性和遺傳多樣性最集中的地區之一，是一座天然的寶庫，因此實現青藏高原資源保護和戰略性應用意義非常重大。

　　據王小龍介紹，由于各種條件的限制，眾多分布在高原溝壑、雪山、荒漠、密林深處的畜禽遺傳資源尚有待深入調查和挖掘。可以預期，正在開展的第三次全國畜禽遺傳資源普查工作，將充分利用現代基因組學和遺傳學的理論和手段，發掘出一批優異的畜禽新遺傳資源。通過進一步的種質創制和新品種培育，將對打好種業翻身仗和推進種業振興產生重大而長遠的意義。