馬是與人類關(guān)系密切的家畜資源,體高、毛色、步態(tài)、奔跑性能、繁殖能力等都是備受關(guān)注的重要性狀。
近日,中外科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功解析了中國(guó)家馬體高變異的主效基因,并發(fā)現(xiàn)該基因突變最早出現(xiàn)在距今2300年前的中亞古馬群體,隨后迅速擴(kuò)張至整個(gè)歐亞大陸所有現(xiàn)代馬群體。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《當(dāng)代生物學(xué)》。
西方矮馬體高基因在中國(guó)馬中不存在
馬主要分布在亞歐大陸地區(qū)。論文通訊作者、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所(以下簡(jiǎn)稱牧醫(yī)所)研究員蔣琳告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,全世界家馬大約有313個(gè)品種,中國(guó)有51個(gè)品種,占全世界馬品種的16%。
“我國(guó)有以耐力著稱的蒙古馬、矮小體格的西南馬、適應(yīng)藏區(qū)極端氣候的藏馬、善于走對(duì)側(cè)步的岔口驛馬,以及適應(yīng)極端寒冷天氣的鄂倫春馬等。中國(guó)馬的遺傳資源極其豐富,為世界家馬的體高、適應(yīng)性等一系列重要性狀的精準(zhǔn)鑒定提供了重要素材!笔Y琳說(shuō)。
“尤其是分布在我國(guó)西南山區(qū)的矮馬,體高不足100厘米,在相對(duì)閉鎖的環(huán)境下形成了獨(dú)特的性狀,是十分珍貴的資源!闭撐牡谝蛔髡、牧醫(yī)所博士劉雪雪告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,矮馬指成年體高在106厘米以下的馬。
20世紀(jì)70年代末,世界公認(rèn)的自然矮馬品種僅指英國(guó)的舍特蘭馬。
然而,我國(guó)自漢代起就有矮馬記載,古稱“果下馬”。20世紀(jì)80年代起,牧醫(yī)所王鐵權(quán)等人在我國(guó)西南馬群中率先發(fā)現(xiàn)矮馬資源群體。2005年,論文共同通訊作者、牧醫(yī)所研究員馬月輝進(jìn)行了品種資源的收集并妥善保存。之后,中國(guó)矮馬逐漸為世界所認(rèn)識(shí)。
前期研究發(fā)現(xiàn),在西方矮馬中,比如舍特蘭矮馬、法拉貝拉矮馬,其體高相關(guān)的突變位于HMGA2等候選基因上。
“然而,我們發(fā)現(xiàn),這個(gè)突變?cè)诨蚪M選擇中并沒有達(dá)到顯著的水平,而且在中國(guó)出土的古馬中也沒有檢測(cè)到HMGA2的突變存在!笔Y琳說(shuō),西方馬體高性狀的遺傳機(jī)制不能解釋中國(guó)馬的體高變異,并且體高性狀的主效位點(diǎn)一直未被鑒定。
尋找中國(guó)馬體高變異的分子機(jī)制
既然如此,那么必定存在另一種調(diào)控機(jī)制導(dǎo)致中國(guó)馬體高的差異化。
牧醫(yī)所畜禽種質(zhì)資源保護(hù)與利用科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心圖盧茲人類生物學(xué)和基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)室教授Ludovic Orlando團(tuán)隊(duì),對(duì)此開展了深入研究。
劉雪雪介紹,他們首先構(gòu)建了187份中國(guó)家馬種質(zhì)資源的基因組(包括75份矮馬和112份普通馬)及其體高數(shù)據(jù)記錄,進(jìn)行了全基因組選擇信號(hào)和全基因組關(guān)聯(lián)分析,成功定位到8號(hào)染色體上一段連鎖區(qū)域,并發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)TBX3基因增強(qiáng)子上的兩個(gè)突變可能是體高性狀變異的主效突變。
該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步進(jìn)行了763份中國(guó)家馬遺傳資源的大規(guī);蜩b定、國(guó)外數(shù)千份古馬基因組的衍生等位基因頻率軌跡重建、雙熒光素酶試驗(yàn)和基因編輯小鼠模型構(gòu)建,明確了上述兩個(gè)突變中的TBX3是主效突變。
劉雪雪說(shuō),TBX3基因?qū)儆赥-box基因家族,在胚胎、肌肉和骨骼發(fā)育等方面起著重要作用,尤其是調(diào)控肢體發(fā)育方面。在小鼠中,TBX3缺失會(huì)導(dǎo)致小鼠肢體發(fā)育遲緩和指頭缺失。TBX3還是肌肉及其附屬組織必需的調(diào)控因子,缺乏TBX3時(shí)會(huì)引起尺骨—乳腺綜合征。這種疾病的主要特征包括上肢缺陷,大汗腺、乳腺、毛發(fā)發(fā)育不全,以及各種生殖器異常。
“TBX3突變加速了中國(guó)家馬體高性狀的變異,并促進(jìn)了TBX3基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá),從而加速了動(dòng)物四肢遠(yuǎn)端骨骼的生長(zhǎng)。”馬月輝說(shuō),作為重要的數(shù)量性狀,體高會(huì)受到基因組多個(gè)水平多基因的調(diào)控,“我們發(fā)現(xiàn)的是一個(gè)關(guān)鍵突變,可以解釋25%的體高變異。但是,不能否認(rèn)還有其他的突變與體高相關(guān),需要進(jìn)一步的研究才能確認(rèn)”。
基因分型與史料記載吻合
“我們利用古馬的基因組信息,對(duì)發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵位點(diǎn)TBX3進(jìn)行了基因型分型!笔Y琳說(shuō)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),該位點(diǎn)上的A等位基因是野生型,G是在體高增加的群體中新衍生的等位基因,具有極強(qiáng)的功能效應(yīng),能解釋近10厘米的體高變異。
劉雪雪說(shuō),他們研究發(fā)現(xiàn),G等位基因的突變首次出現(xiàn)在距今2300年前阿勒泰地區(qū)巴澤雷克(Pazyryk)文化遺址的古馬遺骸中,彼時(shí)是鐵器時(shí)期,正值我國(guó)秦朝早期,對(duì)于戰(zhàn)馬的大量需求加速了大體形中國(guó)馬種的選育。隨后,大量古馬遺骸中都呈現(xiàn)了該基因型,其中包括一些歐洲出土的古馬。
史料記載,我國(guó)馬的體高是逐漸增高的過(guò)程。由于古代樣品有分化和降解,研究人員利用現(xiàn)有的分析模型推測(cè)了古馬的體高。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在陜西省淳化縣棗樹溝腦遺址出土的先秦時(shí)期的馬,體高預(yù)計(jì)121~122厘米;到漢朝時(shí),據(jù)《漢書》記載,“馬五尺九以上,齒未平不得出關(guān)”,漢武帝陵中發(fā)現(xiàn)的馬體高達(dá)到了135厘米,專家推測(cè)這是一匹汗血寶馬;再到唐太宗李世民的六駿圖,馬的體高進(jìn)一步增加,與現(xiàn)代馬相近。
“而我國(guó)西南馬的矮小性狀因能適應(yīng)西南崎嶇山路而未受到大體形馬種的影響,保留了野生型A等位基因,因此保持了矮小的體形!笔Y琳說(shuō)。
馬月輝認(rèn)為,這說(shuō)明該位點(diǎn)是逐漸選擇和進(jìn)化的。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證,他們對(duì)比了現(xiàn)代僅存的野馬品種——普氏野馬。普氏野馬平均體高130厘米,研究人員對(duì)資源庫(kù)中的野馬進(jìn)行基因分型,發(fā)現(xiàn)其攜帶的是和我國(guó)西南矮馬相同的基因型,即A等位基因。而現(xiàn)代的高馬中攜帶相反的基因型——G等位基因。
“這說(shuō)明我們發(fā)現(xiàn)的TBX3位點(diǎn)突變比較古老。”劉雪雪說(shuō)。
蔣琳指出,這項(xiàng)工作利用了國(guó)家家養(yǎng)動(dòng)物種質(zhì)資源庫(kù)收集保存的850份中國(guó)家馬遺傳資源。家馬體高關(guān)鍵位點(diǎn)的成功解析可以作為重要的遺傳標(biāo)記,為中國(guó)西南馬資源的保種和育種提供科學(xué)指導(dǎo),還將為畜禽遺傳資源的挖掘提供方法借鑒,對(duì)促進(jìn)畜牧業(yè)的發(fā)展和家馬種質(zhì)資源保存與開發(fā)利用等具有重要意義。