呂雪峰,許艷麗,鄭文新,胡 昕,賽迪古麗·賽買提,王 樂*
(1.新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830000;2.新疆畜牧科學(xué)院畜牧業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所,新疆 烏魯木齊 830046)
【研究意義】新疆地處中國(guó)西北部,總面積占中國(guó)陸地面積六分之一,屬于溫帶大陸性氣候,降水量少,氣候干燥。天山作為天然屏障將新疆分為南疆和北疆,南疆屬暖溫帶,北疆屬中溫帶,年平均氣溫10~13 ℃,其中阿勒泰地區(qū)冬季氣溫最低達(dá)-50 ℃,吐魯番地區(qū)夏季氣溫最高達(dá)49 ℃,多樣的自然環(huán)境造就了物種的豐富性。根據(jù)《中國(guó)畜禽遺傳資源志羊志》[1],新疆共有13個(gè)地方綿羊品種,這些品種分布在天山南北,各大河流附近,在長(zhǎng)期的選育下,逐漸形成了適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻钠贩N,有著獨(dú)特的優(yōu)良性能。如阿勒泰羊、哈薩克羊、巴什拜羊是新疆主要的肉用羊品種,具有體格大、產(chǎn)肉多的特點(diǎn);多浪羊具有良好的多胎性能;策勒黑羊是我國(guó)優(yōu)良的裘皮用羊;塔什庫爾干羊是高海拔環(huán)境下良好的肉用品種;和田羊是以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)地毯毛而著稱的半粗毛羊等?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】地方品種是在特定的地區(qū)、特定的地理環(huán)境中培育出來的,是我國(guó)寶貴的遺傳資源。遺傳多樣性反映了物種所包含基因的豐富程度和它對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。已經(jīng)有學(xué)者通過微衛(wèi)星對(duì)新疆部分綿羊品種的遺傳多樣性進(jìn)行了分析[2-5]。由于線粒體 DNA(mtDNA)具有嚴(yán)格的母系遺傳、分子量小、突變率高、無組織特異性等優(yōu)點(diǎn),目前已成為研究物種進(jìn)化的重要的分子標(biāo)記,通過分析線粒體DNA的多態(tài)性可以探討種群的遺傳結(jié)構(gòu)、起源、地理分布、種群分歧、系統(tǒng)發(fā)育等[6-9]。寧禮群等[10]利用Cytb序列分析新疆10個(gè)綿羊品種,發(fā)現(xiàn)新疆地方綿羊品種的遺傳多樣性豐富,至少有3個(gè)獨(dú)立的母系起源。王世峰等通過mtDNA D-loop[11]和ND2[12]基因序列分析了新疆部分綿羊品種的親緣關(guān)系和起源,發(fā)現(xiàn)塔什庫爾干羊、巴什拜羊、哈薩克羊與東方盤羊關(guān)系較近,摩弗倫羊是家綿羊的野生祖先?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來,由于消費(fèi)市場(chǎng)的需求,新疆引進(jìn)肉羊品種與本地綿羊品種雜交,同時(shí),因?yàn)榻煌ū憷?,各地方品種交流也非常頻繁,導(dǎo)致這些地方品種資源的純度急劇下降,數(shù)量減少。為全面系統(tǒng)地揭示新疆地方綿羊品種資源遺傳現(xiàn)狀,本研究對(duì)新疆13個(gè)地方綿羊品種遺傳多樣性、親緣關(guān)系和系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)行了分析?!緮M解決的關(guān)鍵問題】為綿羊品種的分類提供合理依據(jù),對(duì)品種資源開發(fā)、利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
以新疆13個(gè)地方綿羊品種作為主要研究對(duì)象,分布地區(qū)見圖1,以內(nèi)蒙古烏珠穆沁羊和西藏綿羊做對(duì)照,共15個(gè)綿羊品種211個(gè)個(gè)體(表1)。頸靜脈采血,抗凝,置于-20 ℃冰箱保存。從NCBI上下載已發(fā)表綿羊線粒體胞色素b(cytochrome b,Cytb)基因序列:KF677303.1、KU899149、KU899141;東方盤羊(Ovisvignei)EU366052、東方盤羊?yàn)跗潉e克斯坦亞種(Ovisammonsevertzovi)EU366057、亞洲摩佛倫羊(Ovisorientalis)KF677307.1、和歐洲摩佛倫羊(Ovisariesmusimon)FR873152作為參照。
1.2.1 基因組DNA提取 采用上海生工生物工程股份有限公司的EZUP柱式動(dòng)物基因組DNA試劑盒提取。
1.2.2 引物設(shè)計(jì)與PCR擴(kuò)增參考 NCBI 綿羊Cytb基因(Gen Bank登錄號(hào):EU176819)序列,用Primer Premier 5.0 軟件設(shè)計(jì)能擴(kuò)增Cytb基因部分序列的引物(由上海生工股份有限公司合成)。上游引物:5′-ATATACACGCAAACGGGGCA-3′,下游引物:5′-AGGGGGAGTGTTAAGTGGGT-3′,PCR反應(yīng)體系25 μl:TaqPCR MasterMix試劑12.5 μl,雙蒸水H2O29.5 μl,DNA 樣品1 μl,上、下游引物各1 μl。PCR擴(kuò)增程序?yàn)?4 ℃預(yù)變性5 min,94 ℃變性30 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,30個(gè)循環(huán);72 ℃延伸5 min,4 ℃保存。PCR產(chǎn)物經(jīng)1 %瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后送上海生工股份有限公司測(cè)序。
1.2.3 數(shù)據(jù)分析測(cè)序結(jié)果 根據(jù)峰圖進(jìn)行人工校對(duì),利用 Clustal-X 軟件對(duì)序列進(jìn)行比對(duì)、剪切和拼接,得到Cytb基因部分序列。利用DnaSP v5.10.0.1軟件計(jì)算各堿基組成比例、單倍型多樣度(Hd)、核苷酸多樣性(Pi)、平均核苷酸差異數(shù)(k)、種群間核苷酸平均差異數(shù)(Kxy)、遺傳分化指數(shù)(Fst)、核苷酸歧義度(Dxy)、遺傳分化系數(shù)(Gst)和基因交流值(Nm),并進(jìn)行Tajima’s D 中性檢驗(yàn);利用Network 4.6.1.3軟件構(gòu)建單倍型網(wǎng)絡(luò)圖;利用Arlequin V3.5.1.3 軟件進(jìn)行分子變異分析和錯(cuò)配分析。運(yùn)用MEGA7.0軟件計(jì)算堿基轉(zhuǎn)換與顛換平均比率,構(gòu)建單倍型的系統(tǒng)進(jìn)化樹(neighbor-joining, NJ法,Bootstrap抽樣重復(fù)次數(shù)為1000次)。
以基因組DNA為模板對(duì)Cytb基因進(jìn)行擴(kuò)增,經(jīng)電泳檢測(cè),得到與預(yù)期目標(biāo)片段大小一致、整齊而清晰的條帶,送上海生工股份有限公司測(cè)序。
測(cè)序結(jié)果經(jīng)ChromasPro拼接后,獲得Cytb序列,長(zhǎng)度為1017 bp,共檢出24個(gè)變異位點(diǎn),其中單堿基變異位點(diǎn)6個(gè),簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)18個(gè)(圖2),堿基含量平均值A(chǔ) 30.1 %、T 27.3 %、C 29.1 %、G 13.5 %,沒有發(fā)現(xiàn)堿基缺失或插入現(xiàn)象。其中A+T含量(57.4 %)明顯高于C+G含量(42.6 %)。本研究顯示轉(zhuǎn)換率明顯高于顛換率,總的轉(zhuǎn)換顛換偏倚率R值為25.06,T 和 C 之間的轉(zhuǎn)換率最高,為62.5 %。
15個(gè)地方綿羊品種單倍型多樣度(Hd)在0.396~0.782,群體總Hd為0.684,其中,和田羊的單倍型多樣度最低,為0.396,羅布羊的單倍型多樣度最高,為0.782,各地方綿羊品種核苷酸多樣度Pi在0.00056~0.00593,總?cè)后w核苷酸多樣度為0.00407,其中,和田羊最低,為0.00056,巴爾楚克羊最高,為0.00593,各地方品種綿羊核苷酸平均差異數(shù)k在0.571~6.029,總?cè)后w核苷酸平均差異數(shù)為0.00407,其中和田羊最低,為0.571,巴爾楚克羊最高,為6.029。 Tajima’s D 中性檢測(cè)顯示,巴爾楚克羊、和田羊和塔什庫爾干羊檢驗(yàn)結(jié)果顯著(P<0.05,表1),因此這3個(gè)品種可能經(jīng)歷過種群擴(kuò)張。
表1 15個(gè)綿羊品種遺傳多樣性參數(shù)
表2 15個(gè)綿羊品種群體間遺傳距離
基于 Kimura 雙參數(shù)模型計(jì)算15個(gè)綿羊品種內(nèi)和品種間的遺傳距離(表2)。品種內(nèi)遺傳距離在0.0006~0.0060,最小是和田羊和烏珠穆沁羊,為0.0006,最大是巴爾楚克羊,為0.006。品種間遺傳距離在0.001~0.006,在新疆13個(gè)地方綿羊品種中,和田羊和策勒羊之間的遺傳距離最近,為0.0014,巴爾楚克羊和策勒黑羊的遺傳距離最遠(yuǎn),為0.0059,而且巴爾楚克羊與其它品種羊的遺傳距離均較大。各地理種群總遺傳分化系數(shù)Gst為 0.41938,總固定系數(shù)Fst為 0.69561,總基因流Nm為 4.5。各種群間核苷酸差異數(shù)Kxy在1.0857~5.9783,均值為4.0767;核苷酸歧義度Dxy在00014~0.0059,均值為0.0040,其中策勒羊和巴爾楚克羊的分歧度最大,達(dá)到0.0059;遺傳分化系數(shù)Gst在-0.0376~0.1017,均值為0.0268;固定系數(shù)Fst在-0.0893~0.3882,均值為0.0766。
在 211個(gè)個(gè)體中共發(fā)現(xiàn)19種單倍型,其中新疆13個(gè)地方綿羊品種有17種單倍型,西藏綿羊單獨(dú)享有2個(gè)單倍型。在19種單倍型中,有 12個(gè)共享單倍型(在2個(gè)及以上個(gè)體中出現(xiàn))和7個(gè)特殊單倍型(僅在1個(gè)個(gè)體中發(fā)現(xiàn)),其中共享單倍型1(Hap1)出現(xiàn)頻率最高,占個(gè)體的51.66 %(109/211),推測(cè)其可能為祖先單倍型,所有的種群均共享該單倍型;其次是單倍型2(Hap2),占個(gè)體的16.59 %(35/211,表3)。用19種單倍型構(gòu)建中介網(wǎng)絡(luò)圖(圖3),發(fā)現(xiàn)歸屬于3個(gè)不同的單倍型群(A,B和C),分別包括 8、6和5個(gè)單倍型。在15個(gè)地方綿羊品種中,哈薩克羊單倍型數(shù)量最多,有6個(gè)單倍型;烏珠穆沁羊單倍型數(shù)量最少,僅有2個(gè)單倍型。
表3 15個(gè)綿羊品種單倍型分布情況
續(xù)表3 Continued table 3
從表4可知,15個(gè)地方綿羊品種種群間的遺傳變異(8.68 %)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于種群內(nèi)的遺傳變異(91.33 %)。說明,這些地方綿羊品種變異主要來自種群內(nèi),種群間的遺傳變異較低,品種之間遺傳交流非常頻繁,品種分化不明顯。
品種間遺傳距離構(gòu)建N-J系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖4)顯示,巴爾楚克羊和塔什庫爾干羊單獨(dú)聚為一類,其它13個(gè)品種聚為一類。
以鄰接法Neighbour-Joining構(gòu)建19個(gè)單倍型和參照綿羊、盤羊群體的系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖5),19個(gè)單倍型聚為3支(A,B,C),單倍型A支包括除和田羊外的14個(gè)品種;單倍型B支包括所有的15個(gè)品種;單倍型C支包括12個(gè)品種,不包括和田羊、烏珠穆沁羊和策勒黑羊。歐洲摩佛倫羊與單倍型A支聚為一支,亞洲摩佛倫羊與單倍型C支聚為一支,這3支與東方盤羊聚在一起,最后再與東方盤羊?yàn)跗潉e克斯坦亞種聚在一起。
表4 15個(gè)綿羊品種的分子變異分析
Tajima's D 是對(duì)地理種群古老突變的檢測(cè),F(xiàn)u′s Fs是對(duì)近期發(fā)生的種群擴(kuò)張檢測(cè)。根據(jù)Tajima's D 中性檢測(cè)結(jié)果,巴爾楚克羊、和田羊和塔什庫爾干羊可能經(jīng)歷過種群擴(kuò)張。Fu′s Fs 檢驗(yàn)結(jié)果中負(fù)的Fs值和差異顯著的P值被認(rèn)為種群在歷史上有擴(kuò)張跡象,提示和田羊可能經(jīng)歷過種群擴(kuò)張。進(jìn)一步利用Arlequin軟件進(jìn)行核苷酸錯(cuò)配分析,如果期望值是一條平滑的曲線,而觀測(cè)值有1個(gè)單峰,并且中性檢驗(yàn)結(jié)果顯著,說明該種群可能在歷史進(jìn)化過程中經(jīng)歷過種群擴(kuò)張,如果觀察值呈現(xiàn)多峰,說明該群體大小保持相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)巴爾楚克羊、和田羊和塔什庫爾干羊錯(cuò)配分析(圖6)發(fā)現(xiàn),巴爾楚克羊和塔什庫爾干羊錯(cuò)配分布呈現(xiàn)多峰,且Fu′s Fs 檢驗(yàn)結(jié)果不顯著,說明該群體大小保持相對(duì)穩(wěn)定,未經(jīng)歷種群擴(kuò)張。和田羊錯(cuò)配分析有1個(gè)單峰,Tajima's D中性檢驗(yàn)顯著,F(xiàn)u′s Fs檢驗(yàn)為負(fù)值且差異顯著,因此,可認(rèn)為和田羊群體經(jīng)歷過種群擴(kuò)張。
遺傳多樣性是指生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)發(fā)生變化,可以遺傳給后代的變異程度。遺傳多樣性越高,遺傳變異程度越大,該種群適應(yīng)環(huán)境的能力就越強(qiáng)[13]。在新疆13個(gè)地方綿羊品種和其它2個(gè)品種(內(nèi)蒙古烏珠穆沁羊和西藏綿羊)mtDNACytb基因序列中共發(fā)現(xiàn)了24個(gè)變異位點(diǎn),定義了19個(gè)單倍型。這15個(gè)地方綿羊品種總的單倍型多樣度平均為0.684±0.029,核苷酸多樣性為0.00407,根據(jù)Grant等[14]將mtDNA序列遺傳變異分成的4個(gè)類型,羅布羊、葉城羊、塔什庫爾干羊和巴爾楚克羊?qū)儆诟叩膯伪缎投鄻佣?Hd>0.5)和高的核苷酸多樣性(Pi>0.005),說明這4個(gè)品種遺傳多樣性豐富,在進(jìn)化中產(chǎn)生了較多突變,積累了豐富的單倍型和核苷酸變異,也表明該物種對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境具有非常強(qiáng)的適應(yīng)能力。其中塔什庫爾干羊的遺傳多樣性與王世峰[12]的研究非常一致。阿勒泰羊、哈薩克羊、巴什拜羊、策勒黑羊、吐魯番黑羊、柯爾克孜羊、多浪羊、巴音布魯克羊、西藏羊和烏珠穆沁羊共10個(gè)品種屬于高的單倍型多樣度(Hd>0.5)和低的核苷酸多樣性(Pi<0.005),說明這些品種也具有豐富的遺傳多樣性,但是沒有足夠的時(shí)間積累核苷酸多樣性[15]。和田羊?qū)儆诘偷膯伪缎投鄻佣?Hd<0.5)和低的核苷酸多樣性(Pi<0.005),說明和田羊種群遺傳多樣性低,中性檢驗(yàn)表明和田羊經(jīng)歷過種群擴(kuò)張,種群擴(kuò)張可以快速增加單倍型多樣度,但沒有足夠的時(shí)間積累核苷酸的變異。雖然如此,和田羊的單倍型多樣度仍然比較低。目前,受市場(chǎng)和消費(fèi)的影響,我國(guó)許多地方綿羊品種的數(shù)量在下降[16],真正純種的和田羊數(shù)量也在下降,結(jié)合遺傳多樣性分析,該品種需要加強(qiáng)遺傳資源的保護(hù)。在15個(gè)地方綿羊品種中,單倍型多樣度最高的是羅布羊,這是一個(gè)生存在塔里木盆地中心的羅布泊地區(qū),極適宜荒漠草場(chǎng)、極端干旱氣候、耐粗飼、強(qiáng)抗逆的獨(dú)特地方羊種,羅布羊的生存地域環(huán)境相對(duì)封閉,與其它品種羊交流不多,但其遺傳多樣性豐富,說明其受自然和人工選擇壓力較小,這可能與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)放牧管理、自然交配方式有關(guān),鄭永富[17]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。
基因流是一個(gè)群體遷移到另一個(gè)群體時(shí),將某基因帶到新的群體從而產(chǎn)生的基因流動(dòng)。通常,Nm<1,說明群體可能由于遺傳漂變發(fā)生了分化[18],Nm>1,說明群體間基因流水平較高,遺傳分化較??;Nm>4說明種群間的基因交流更為充分,遺傳分化更小[19]。15個(gè)綿羊品種總基因流Nm為4.5,表明各品種之間的基因交流非常廣泛,這與品種內(nèi)遺傳分化程度較高的結(jié)論相對(duì)應(yīng)。分子變異分析也證實(shí)了這一點(diǎn),表明遺傳變異主要來自于品種內(nèi),而非品種間,也充分表明各品種之間基因交流頻繁,沒有明顯的地理遺傳結(jié)構(gòu)。固定系數(shù)Fst是一種種群間遺傳距離的測(cè)度參數(shù)[20],可反映種群之間基因的差異程度,根據(jù)Weight[21]報(bào)道,F(xiàn)st值在0~0.05表明群體間的遺傳分化程度很小,在0.05~0.15表明群體間遺傳分化程度中等,在0.15~0.25表明群體間的遺傳分化較大,15個(gè)綿羊品種平均遺傳分化指數(shù)Fst為0.0766,表明群體間的遺傳分化程度中等。其中和田羊與巴爾楚克羊的遺傳分化程度最大,達(dá)0.3882;這與兩者的遺傳距離相一致。
遺傳距離分析顯示,15個(gè)地方綿羊品種中,和田羊與策勒黑羊、烏珠穆沁羊遺傳距離最近,與巴爾楚克羊遺傳距離最遠(yuǎn);阿勒泰羊與和田羊、烏珠穆沁羊遺傳距離比較近,與巴爾楚克羊和塔什庫爾干羊遺傳距離比較遠(yuǎn);巴爾楚克羊和塔什庫爾干羊與其余13個(gè)地方綿羊品種遺傳距離都較遠(yuǎn)。從遺傳距離看,和田羊與烏珠穆沁羊的遺傳距離比與西藏羊的遺傳距離近,說明和田羊與蒙古羊系統(tǒng)有一定的親緣關(guān)系。和田羊主產(chǎn)區(qū)與策勒黑羊主產(chǎn)區(qū)有重疊,兩者之間的遺傳距離近,說明這2個(gè)品種存在非常近的親緣關(guān)系。策勒黑羊的育成歷史不詳,大概是19 世紀(jì)末,引入黑羔皮羊與當(dāng)?shù)鼐d羊雜交形成,推測(cè)是與和田羊雜交育成的。塔什庫爾干羊分布在新疆帕米爾高原上的塔什庫爾干縣,與巴基斯坦、阿富汗和蘇聯(lián)3個(gè)國(guó)家相鄰。因此,塔什庫爾干羊的育成很可能受周邊地區(qū)羊(如阿富汗肥尾羊和吉薩爾大尾羊)的影響,因此與其它地方品種遺傳距離較遠(yuǎn)。而巴爾楚克羊則是因巴爾楚克地名而來,據(jù)《新疆簡(jiǎn)史》記載,巴爾楚克命名是在1902年,已知巴爾楚克羊品種的歷史有200多年[22],它的育成史可能與塔什庫爾干羊或周邊國(guó)家的綿羊品種有關(guān),值得進(jìn)一步研究。羅布羊是15個(gè)地方綿羊品種中遺傳多樣性最高的品種,它與多浪羊、巴音布魯克羊存在系統(tǒng)上的進(jìn)化關(guān)系,與王慧華[23]、袁澤湖[24]的研究結(jié)果一致。新疆地方綿羊品種的親緣與地理分布有明顯的關(guān)系,從遺傳距離構(gòu)建的進(jìn)化樹可以看出,柯爾克孜羊、巴音布魯克羊、多浪羊、羅布羊、吐魯番黑羊、葉城羊親緣關(guān)系均較近,這6個(gè)品種,除吐魯番黑羊外都分布在天山以南,塔克拉瑪干沙漠邊緣,沿塔里木河流域,地域上的優(yōu)勢(shì)使得品種可能互相交流。而吐魯番黑羊則是以巴音布魯克羊?yàn)楦副?,哈薩克羊和卡拉庫爾羊?yàn)槟副具M(jìn)行雜交,長(zhǎng)期選育而成的[25],因此,與巴音布魯克羊有更近的親緣關(guān)系。
研究發(fā)現(xiàn),15個(gè)地方綿羊品種分為三大支系:支系 A 占所有單倍型42.1 %(8/19),包括歐洲摩佛倫羊和14個(gè)綿羊品種中(除和田羊);支系 B占所有單倍型的31.6 %(6/19),在15個(gè)地方綿羊品種中均有分布,支系 C占所有單倍型的26.3 %(5/19);包括亞洲摩佛倫羊和12個(gè)地方綿羊品種(除策勒黑羊、和田羊和烏珠穆沁羊)。表明新疆地方綿羊品種至少有三大母系起源。關(guān)于綿羊起源,一直存在雙起源說[26-28]和三起源說[29-31]。本研究結(jié)果與三起源說相符,除亞洲摩佛倫羊和歐洲摩佛倫羊兩大起源,還有1個(gè)不同的母系起源,這也與羅玉柱[32]、劉剛[33]等的研究一致。
對(duì)新疆13個(gè)地方綿羊品種遺傳多樣性的分析一定程度上可了解這些品種遺傳現(xiàn)狀、系統(tǒng)發(fā)育和親緣關(guān)系,可為后期地方品種資源保護(hù)、利用提供理論依據(jù)。
新疆地方綿羊品種除和田羊外,遺傳多樣性都比較高,和田羊的單倍型多樣度最低,為0.396±0.159;羅布羊的單倍型多樣度最高,為0.782±0.107。和田羊和策勒黑羊之間的遺傳距離最近,巴爾楚克羊和策勒黑羊的遺傳距離最遠(yuǎn)。單倍型網(wǎng)絡(luò)圖顯示新疆13個(gè)地方綿羊品種有3個(gè)不同的母系起源,育成史與地理分布基本一致。和田羊經(jīng)歷過種群擴(kuò)張,但單倍型多樣度仍比較低,提示和田羊需要加強(qiáng)品種的選育和保護(hù)。