国家肉牛牦牛产业技术体系岗位专家雷初朝教授与吕文发教授团队在《Science Bulletin》发表题为“Recent selection and introgression facilitated high-altitude adaptation in cattle”的研究论文，揭示了藏牛的高海拔适应遗传基础受到自然选择与牦牛基因渗入的协同调控。
摘要
本研究通过对32个牛品种/群体的258头牛进行全基因组重测序，其中包括分布在海拔3400米至4300米的地区的8个藏牛群体。群体结构分析提示藏牛遗传组分主要来源于东亚普通牛和南亚瘤牛的混合。研究发现，藏牛中近期选择的基因与体型和能量消耗相关。还鉴定了不同海拔藏牛中来自同域牦牛的基因渗入信号，并观察到渗入的牦牛等位基因主要为非编码调控功能变异。
结果
1、藏牛基因组测序与群体结构分析
本研究对89头藏牛（8个群体）进行全基因组测序（平均覆盖深度12X），并与169头低海拔牛群联合分析（图1a）。PCA显示，第一主成分由瘤牛与黄牛的差异主导（图1b）。藏牛遗传聚类可分出五个主要亚群，包括日喀则瘤牛、迪庆牛、玉树牛、Dingjie牛（樟木牛、Dingjie牛与日喀则黄牛混合）及囊谦牛与昌都牛混合群体（图1c），遗传聚类结构与地理分布高度吻合。通过线粒体分析，研究人员发现6头藏牛与牦牛聚类在一起，提示牦牛与藏牛间潜在的基因交流事件。
2、藏牛选择信号基因组扫描
与低海拔黄牛群体基因组对比，利用FST、θπ比值和XP-EHH三种方法共鉴定到160个被至少两种方法共同支持的潜在受选择区域（图1f）。富集分析显示，甲状腺激素合成、血管平滑肌收缩及脂肪消化吸收相关通路显著富集。通过候选基因功能分析筛选到15个高海拔适应基因、3个脂质代谢基因、2个能量代谢基因、2个免疫调控基因及2个体型发育基因（表1）。
3、藏牛特异性高频SNP鉴定
基于等位基因频率筛选，要求在藏牛群体中超0.35，在低海拔牛群体中低于0.1，鉴定到257个错义突变。功能富集分析揭示甲状腺激素合成、HIF-1信号通路、钙信号通路及免疫应答相关基因显著富集。这其中包括与体型、能量代谢、脂质代谢、低氧反应及DNA修复等相关的功能基因（图1g）。
4、藏牛体型相关候选基因筛选
在BTA6染色体强选择信号区域（37.20-37.60 Mb）（图1f），鉴定出NCAPG、DCAF16、FAM184B和LCORL四个体型相关基因。另一显著信号位于BTA5染色体（47.88-48.05 Mb），包含HMGA2基因（图1i）；该基因第二外显子中的一个错义突变（rs385670251，c.190G>C；p.Ala64Pro）编码了一个保守的AT-hook结构域。
5、藏牛能量代谢相关候选基因鉴定
对甲状腺发育相关通路的候选基因进行分析，在DUOXA2基因上鉴定到一个在藏牛和其它黄牛群体间频率分化最大的错义突变（BTA10: 65312598, c.59 A>G; p.Leu20Pro）(Fig. 1j)。值得注意的是，该突变也在适应西伯利亚极寒环境的雅库特牛群中存在。综合基因功能，趋同选择和蛋白质结构分析，提示该基因可能通过调控甲状腺激素合成和能量代谢，帮助藏牛适应高原极端寒冷环境。
6、牦牛向藏牛的适应性渗入
联合TreeMix、D统计和RFMix方法，对生活在不同海拔的藏牛基因组中可能的牦牛基因渗入进行了分析。结果显示，藏牛基因组中的牦牛遗传成分比例介于0.64%至3.26%之间（图2a-b）。渗入信号分析筛选出24个候选适应性渗入片段，包含81个基因（表2）。富集分析表明，这些渗入基因主要参与脂肪酸降解、饥饿响应、缺水响应及甲状腺激素代谢等生物学过程。例如，在BTA9染色体（86.60-87.45 Mb）上，检测到包含与心脏发育、氧化应激和甲状腺代谢等过程相关基因的渗入片段（图2c）。该区域的渗入信号进一步通过系统发育树、遗传分析及单倍型分析验证。另一渗入区域位于BTA28染色体（3.80-4.40 Mb），包含EGLN1（低氧适应）和GNPAT（紫外线防护）基因（图2d-e）。
7、整合多组学数据整合分析藏牛适应性渗入调控机制
为探究适应性渗入等位基因的潜在调控作用，研究人员整合了高低海拔牛关键组织RNA-seq和ATAC-seq数据。RNA-seq组织包括心脏、肝脏、脾脏、肺、肌肉、甲状腺和皮肤，共鉴定到4,165个差异表达基因（DEGs），进一步分析发现肌肉和甲状腺组织差异表达基因与受选择的基因重叠最多。接着，分析肺、肌肉、脾脏和甲状腺组织的ATAC-seq数据，分别鉴定到369、1045、1838和36,438个差异可及性（DA）峰。进一步分析显示，肺、肌肉、脾脏和甲状腺组织中分别有4、9、6和119个DA峰与候选区域重叠，其中2、27、101和2个DA峰位于渗入区域。
在低氧适应基因EGLN1和脂代谢基因LRP11的启动子区发现了渗入SNPs（图2f），这些变异在藏牛中呈现高频分布和强连锁特征（图2g）。与低海拔牛种相比，EGLN1和LRP11基因在高海拔藏牛中表达水平更低（图2h）。通过荧光素酶报告实验，发现牦牛型等位基因可显著抑制启动子活性（图2i）。这些结果表明，启动子区的牦牛等位基因渗入导致EGLN1和LRP11基因表达下调，可能是藏牛适应高原低氧寒冷环境的分子基础。
结论
本研究通过群体遗传学与多组学整合，系统解析了藏牛高海拔适应的分子机制。发现近期选择与牦牛基因渗入共同驱动体型、代谢和低氧响应的协同演化，为理解哺乳动物环境适应提供新视角。
