牦牛驯化和适应：线粒体基因组证据

论文摘要

动物的驯化促使人类从狩猎生活模式向放牧生活模式转变。驯化的动物为人类提供稳定的动物蛋白来源和许多附属产品,促进了人类文明的发展。家养牦牛（Bos grunniens）是青藏高原地区最重要的家畜之一,它们为当地人民提供重要的生产生活资料,比如食物、皮毛、粪便做成的燃料以及运输工具等。家养牦牛的驯化起源于当地的野牦牛。目前青藏高原地区存在的野牦牛数量大约为15000头。这些野生个体为研究家养牦牛的驯化历史、驯化对牦牛所受选择压力的影响提供了一个良好的机会。此外,由于牦牛这一物种对青藏高原地区的高海拔环境有很好的适应,其适应的遗传学机制逐渐引起人们的关注。本文分析了405头家养牦牛以及47头野牦牛的线粒体D-loop序列,其中96个家养牦牛个体以及34个野牦牛个体的序列是测序得到的,其余序列来自Genbank,并进一步对48头家养牦牛和21头野牦牛进行线粒体全基因组测序,然后结合Genbank中的3条家养牦牛线粒体基因组序列进行谱系地理学分析。对序列的遗传多样性分析表明野牦牛的单倍型多样性以及核苷酸多样性都高于家养牦牛。在所有的D-loop序列中共发现123种单倍型。基于D-loop数据以及线粒体全基因组数据的系统发育分析都检测到三个高度分化的遗传分支,其中两大主要分支在家养牦牛和野牦牛中都有分布,第三个分支包含的个体数较少,只分布在野牦牛居群之中。在家养牦牛中,检测到6个单倍型组,这些单倍型组在牦牛的各个形态学类群、各个分布地区都有分布。此外,对牦牛居群D-loop序列的AMOVA分析（analysis of molecular variance）表明,家养牦牛中93.91%的变异分布在居群内部,5.46%的变异分布于居群之间,只有0.64%的变异分布于地区之间,这一结果表明家养牦牛中没有明显的谱系地理结构。基于线粒体基因组数据,对牦牛种内三大分支的分化时间作了估计,结果显示,三大分支的分化时间在420000年到580000年之间,这一结果与青藏高原地区的第四纪冰期事件发生的时间相吻合。冰期气候可能驱使野牦牛到不同的避难所,从而引起牦牛的异域分化,在冰期结束后,由于避难所环境的不适宜,野牦牛经过迁移又聚合在一起,形成一个大的基因库。在全新世阶段,人类对这一基因库中的部分野牦牛进行驯化,导致两大主要分支的遗传资源在家养牦牛中分布,而第三分支中的野生个体没有被驯化,在家养牦牛居群中没有分布。野牦牛生活在青藏高原的高海拔地区,为了寻找食物、配偶以及逃避天敌等活动的需要,其代谢效率要维持在一个高的水平,与之相反,驯化后家养牦牛的生活环境发生了大的变化,其运动能力下降,因此家养牦牛的代谢效率较低。由于线粒体变异对选择压力十分敏感,因此驯化可能会导致家养牦牛线粒体基因组所受选择压力减小。为了验证这一设想,分析了51头家养牦牛和21头野牦牛的线粒体蛋白编码序列,发现家养牦牛分支的非同义突变比率显著地高于野牦牛分支。这一结果表明尽管家养牦牛的驯化历史较短,但是驯化仍然导致了家养牦牛线粒体所受选择压力的减小。此外,驯化过程中的瓶颈效应也会促进非同义突变在家养牦牛中的增加。选择压力的变化以及瓶颈效应可能还会影响家养牦牛的核基因组,这就会导致家养牦牛基因组上非同义突变的快速积累,从而产生新的功能的遗传多样性。这些新的功能突变为人工选择提供了更多的素材,使得更多品种的培育成为可能。牦牛长期生活在高海拔的青藏高原,对当地的环境,比如低氧、低温、强紫外线等,有很好的适应,但是这种适应的遗传学证据并不是很充分。比较了17头野牦牛和32头北美野牛的线粒体基因组蛋白编码序列,发现在牦牛线粒体蛋白跨膜螺旋区域中存在苏氨酸残基的增加。苏氨酸残基在形成氢键从而增强螺旋一螺旋作用这一过程中起到至关重要的作用,因此苏氨酸残基的增加可能会增强线粒体蛋白的稳定性,从而提高氧的结合效率以及氧化呼吸效率,对高海拔环境是一种适应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 驯化
• 1.1.1 驯化的定义
• 1.1.2 驯化动物的研究价值
• 1.1.3 动物驯化研究的历史
• 1.2 线粒体的进化
• 1.2.1 线粒体简介
• 1.2.2 线粒体在进化生物学中应用的优势
• 1.2.3 选择对线粒体的作用
• 1.3 牦牛概况及其驯化研究进展
• 1.4 研究目的和意义
• 第二章 牦牛谱系地理学研究
• 2.1 前言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 样品采集
• 2.2.2 DNA提取、扩增以及测序
• 2.2.3 系统发育分析
• 2.2.4 遗传多样性分析
• 2.2.5 分化时间估算
• 2.3 结果
• 2.3.1 线粒体D-loop序列
• 2.3.2 线粒体全基因组序列
• 2.4 讨论
• 2.4.1 牦牛的谱系地理结构
• 2.4.2 牦牛中高度分化遗传分支的产生
• 第三章 驯化对家养牦牛线粒体基因组的影响
• 3.1 前言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 序列收集以及系统发育树构建
• N/d_S分析'>3.2.2 d_N/d_S分析
• N/d_S分析'>3.2.3 去除基因流后的d_N/d_S分析
• 3.2.4 祖先分支构建以及氨基酸变异分析
• 3.3 结果
• N/d_S值增加'>3.3.1 家养牦牛分支d_N/d_S值增加
• N/d_S重新分析'>3.3.2 d_N/d_S重新分析
• 3.3.3 氨基酸变异
• 3.4 讨论
• 第四章 牦牛线粒体基因组高海拔适应的证据
• 4.1 前言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 序列收集以及系统发育树构建
• N/d_S分析'>4.2.2 d_N/d_S分析
• 4.2.3 氨基酸变异分析
• 4.3 结果
• 4.3.1 系统发育分析
• N/d_S分析'>4.3.2 d_N/d_S分析
• 4.3.3 氨基酸变异分析
• 4.4 讨论
• 第五章 结语
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢