白水牛為什么是白的？

白水牛 梁正文攝

　　貴州白水牛，這個“萌物”全身被毛白色而有光澤，角和蹄亦為白色，皮膚呈粉紅色，但眼睛為黑色。作為地方水牛品種，看到白水牛的第一眼就讓人不禁贊嘆它的可愛。

　　白水牛為什么這么白？11月3日，中國農業大學動物科技學院張毅課題組聯合國際家畜研究所—中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所畜禽牧草遺傳資源聯合實驗室韓建林團隊，在《分子生物學與進化》在線發表研究論文。他們利用多種組學手段，對水牛白毛色性狀的致因突變和分子調控機制進行了深入探討。

　　水牛的基因組研究

　　2018年全世界水牛存欄2.07億頭，在五大洲約67個國家為人們提供優質的奶、肉和畜產品，被聯合國糧農組織譽為養活世界人口最多的大家畜。

　　“家豬和奶牛的基因組研究進展較快，已經建立的基因組育種技術顯著提升了育種速度，加快了遺傳進展，而水牛的基因組研究相對滯后。”廣西大學教授劉慶友向《中國科學報》介紹。

　　為系統解析水牛重要性狀形成的遺傳基礎，我國科學家在水牛基因組研究中做了大量工作。

　　廣西大學聯合中國農科院深圳基因組研究所、中國科學院北京基因組研究所和中國農業大學等單位，通過最新的基因組測序技術，分別成功組裝出沼澤型和河流型水牛染色體水平的高質量參考基因組，鑒定出一系列性狀相關基因和分子標記，為開展水牛基因組學研究奠定了基礎。

　　西北農林科技大學從全基因組角度研究了水牛的種群歷史和遺傳多樣性，篩選出與免疫、耐熱、泌乳、神經、繁殖等相關的基因，將有助于今后水牛的遺傳改良工作。

　　這次，在張毅等的組織協調下，國內外多家高校和科研機構合作，系統解析了水牛白毛色形成的分子機制。

　　“毛色是家畜的主要外形特征之一，表現為質量性狀，受環境因素的影響極小。沼澤型水牛的毛色主要有灰色和白色，而河流型水牛的毛色主要為黑色；這兩種水牛的雜交后代或個別背景不明的水牛群體中還會出現棕褐色和花斑等毛色。”韓建林接受《中國科學報》采訪時說。

　　分布于我國貴州黔北地區的白水牛，是全世界唯一經過長期選育所形成的白毛色水牛遺傳資源，又稱“鳳岡白水牛”或“亮毛牛”，已經被認定為特有的地方水牛品種，被《中國畜禽遺傳資源志》收錄，屬于沼澤型水牛。

　　值得注意的是，這個沼澤型的白水牛不是白化水牛。韓建林說：“白水牛是顯性遺傳，白化水牛是隱性遺傳。白水牛是黑眼睛，不怕光；而白化水牛的眼睛是粉紅的，怕光。”

　　白毛色分子機制獲解析

　　沼澤型水牛白毛色性狀的遺傳特征早在上世紀60年代就有報道，遵循受單一基因控制的孟德爾遺傳規律，呈完全顯性，但其分子機制卻一直未被解析。

　　在張毅看來，從基因組結構和功能層面上揭示其白毛色性狀的分子機制，對深入理解動物白毛色的形成和演化等基礎生物學問題具有十分重要的意義。

　　該研究整合全基因組重測序、轉錄組測序、Nanopore單分子測序等新技術，結合基因功能實驗發現，在白水牛Agouti信號蛋白（ASIP）基因上游存在一個LINE-1轉座子的插入。該LINE-1行使強啟動子功能，使白水牛皮膚ASIP基因的表達量提高了近10倍，且LINE-1轉錄序列與ASIP基因編碼外顯子形成白水牛特有的融合轉錄本。ASIP基因的高表達阻礙了黑色素細胞的發育，導致白水牛皮膚缺乏成熟黑色素細胞及色素顆粒。

　　“該研究在家養動物上呈現了一個由轉座子作為基因調控元件，影響附近基因表達進而改變性狀表型的分子調控機制，這也豐富了人們對轉座子功能的認識。”張毅說。

　　張毅介紹，這項研究還通過多物種的基因組進化分析，證明普通牛與水牛兩個物種的ASIP基因存在類似的LINE-1轉座子插入，均導致表型性狀改變，揭示了一種在分子水平的趨同進化現象。

　　這項研究歷時3年，闡明了水牛白毛色性狀的致因突變和分子調控機制，使白毛色成為水牛物種上第一個解析分子遺傳機制的表型性狀，為白水牛遺傳資源保護和選育提供了科學依據。

　　“這項研究設計嚴謹，創新性地從多學科、多角度、多層次解析了水牛被毛白色表型變異的分子機制，同時揭示了動物毛色變異的一種新的機制，也為解析家畜其他重要和特色表型性狀變異的遺傳基礎提供了新的思路和方法，對家畜的遺傳改良和特色畜禽資源的遺傳保護也具有重要意義。”中國農業大學教授李孟華評價道。

　　劉慶友表示，該研究還能為白鴨、白雞、白豬等動物白色羽（被）毛產生的分子機制提供參考，也能為理解人類白化病的發生機制和治療方向提供新的靶點。

　　“此外，研究結果有助于提高人們對地方特色畜禽重要性的認識，對中國南方水牛養殖和產業發展也有著積極的推動作用，助力脫貧攻堅。”李孟華補充道。

　　為保護和利用提供支撐

　　如果水牛產奶、繁殖、抗病等性狀的基礎研究比較滯后，將會制約水牛遺傳改良工作的進程。

　　“我們知道ASIP基因參與普通牛的脂肪酸合成，LINE-1轉座子的插入同樣也誘導了ASIP基因在法國諾曼底牛品種的高表達，而這一品種的乳脂含量在所有法國牛品種中是最高的。國外團隊一直聚焦于高表達的ASIP基因對諾曼底牛乳脂含量的影響。”張毅關注著水牛基因研究的進展。

　　接下來，其團隊將深入調查貴州白水牛的生產性能、適應性和抗病性等，加深對白水牛整體遺傳特性的了解；同時開發白毛色基因的快速檢測技術，為我國白水牛特色遺傳資源的有效保護和科學選育提供技術支撐。

　　“在我國綿延5000年的農耕文明中，水牛在長江流域和珠江流域的稻作區一直扮演著農耕動力提供者的主要角色。各省份均有本地的水牛品種。”劉慶友介紹。

　　除貴州白水牛外，比較有特色的還有體形較大的廣西富鐘水牛、江蘇海子水牛、云南德宏水牛和產奶性能突出的檳榔江水牛等。

　　然而，近年來，由于農業機械化程度不斷提高，水牛的役用性正隨社會發展逐步退出歷史舞臺，而向肉用或乳肉兼用方向發展，加之長期缺乏科學選育和保種技術，導致白水牛等一些地方水牛的遺傳品質嚴重退化、數量減少。

　　“要將品種資源保護與開發利用相結合，探索特色資源的產業化發展道路。”劉慶友表示。

　　專家建議，政策方面，各級政府管理部門需更加重視家畜特色品種資源保護，從財政經費上給予支持。技術方面，制定統一的白水牛品種標準，保持本品種的優良特性；開發白毛色基因的分子檢測技術，提高白水牛育種效率；從品種、飼養、加工等多個方面，通過技術推廣示范，全面提升飼養效益，促進產業持續健康發展。