農科芯動力 | 大型哺乳動物如何適應環境變化？中亞野豬西遷的基因密碼破譯

編者按：本欄目深耕“科技＋農業”交叉領域，連接創新鏈與産業鏈，多維視角解碼農業科技“新質生産力”，點亮鄉村振興未來引擎。

本文關鍵詞：家豬育種，天然基因庫，大型哺乳動物，環境變化

野豬（Sus scrofa）是家豬的祖先，其跨越歐亞大陸的遷徙歷程是研究物種適應環境變化的經典物種。起源於東南亞熱帶地區的野豬，歷經數百萬年向西、向北擴散至歐洲和中亞高緯度地區，面臨嚴寒、紫外線減弱等挑戰。然而，作為東西方關鍵通道的中亞地區野豬種群的遺傳歷史及適應機制，長期缺乏深入研究。

近日，中國農業科學院農業基因組研究所農業基因編輯技術創新團隊深入解析了中亞野豬種群在跨越歐亞大陸百萬年的遷徙歷程中適應環境的獨特遺傳密碼，為理解大型哺乳動物如何應對環境變化提供了全新視角。相關研究成果發表在《細胞·基因組學（Cell Genomics）》上。

描繪野豬跨歐亞大陸的遷徙路線圖

該研究整合了47個新測序和49個公開的高品質野豬全基因組數據（覆蓋東亞、中亞、歐洲等地區）。研究發現，亞洲野豬大約在360萬年前與東南亞近親物種分家，隨後分化出中國南部和中亞不同種群。其中中亞地區的野豬為了適應乾燥寒冷的環境，進化出獨特基因優勢。例如兩個控制脂肪代謝的基因變異，能幫助它們在食物短缺時儲存能量；另一個影響肉質的基因變化，可能解釋了野生種群強健的體格特徵。這些發現不僅還原了野豬橫跨歐亞大陸的遷徙歷程，也為家豬育種改良提供了天然基因庫參考。

該研究通過整合47個新測序和49個公開的高品質野豬全基因組數據（覆蓋東亞、中亞、歐洲等地區），系統描繪了野豬跨歐亞大陸的遷徙路線圖，並深入解析了中亞種群適應環境的獨特遺傳密碼，為理解大型哺乳動物如何應對環境變化提供了全新視角。

為家豬遺傳改良提供寶貴的“基因藍圖”

為了揭示中亞野豬如何適應高緯度環境，研究人員對比了中國南部野豬和中亞野豬的基因組，整合了三種常用的選擇信號檢測方法（群體分化指數FST、群體間核苷酸多樣性比值θπ ratio、跨群體複合似然比XP－CLR）。通過滑動窗口分析（窗口大小10kb），最終篩選出601個受到強烈自然選擇的基因組區域，這些區域共覆蓋了320個基因。對受選擇基因的功能分析（KEGG通路富集）顯示，它們顯著富集在代謝相關通路中。這非常符合生物學預期：在寒冷環境中，動物需要提高基礎代謝率來維持體溫和能量供應。研究人員發現了兩個關鍵的候選基因：（1）ADAMTS20基因：該基因在多個選擇指標上都位於最顯著的前列（FST ＝ 0．77， log2（θπ比值） ＝ 3．81， XP－CLR ＝ 4．22）。它參與調控黑色素細胞分化和體表色素沉著。研究人員推測，這種選擇壓力可能與不同緯度地區紫外線輻射強度的差異有關；（2）PDPK1基因：該基因是FST值排名前十的基因之一，參與促進黑色素細胞增殖。有趣的是，它在非洲人群適應不同紫外線環境導致膚色差異的研究中也曾被報道過，暗示這個基因在動物（野豬淺色體毛）和人類（膚色）適應光照環境方面可能有保守的功能。

進一步分析這些受選擇區域在基因組功能元件上的分佈發現，它們顯著富集在開放染色質區域（49％）和基因調控開關——增強子區域（24％）。這表明野豬對中亞環境的適應，很大程度上是由調控基因表達的非編碼區變異驅動的，而不是直接改變蛋白質編碼序列。對組織特異性增強子的分析則指出，腦、脾臟和腸道可能是適應性調控發生的核心器官。此外，將這些受選擇區域與已知的豬數量性狀位點（QTL）數據庫比對，發現它們與肋骨數量增多、體長增加、皮下脂肪增厚等性狀顯著相關。這些變化符合動物適應寒冷環境的普遍規律（如貝格曼法則：高緯度動物體型增大以減少散熱；皮下脂肪增厚則有助於保溫）。

通過另一種選擇信號檢測方法（XP－EHH），研究人員找到了18，582個可能因自然選擇而頻率快速升高的遺傳變異。通過交叉驗證（結合FST， θπ ratio， XP－CLR的結果），最終鎖定534個高置信度的受選擇變異。其中，位於LPIN1基因內含子區域的兩個緊密連鎖（遺傳上高度相關，R²＝0．93）的SNP（rs340542212和rs324682561）尤為引人注目。功能驗證實驗表明，這兩個SNP位於一個肌肉特異性的增強子內。祖先單倍型（CC型，在中國南部野豬中頻率高達85％）相比衍生單倍型（TT型，在東北亞、中亞和歐洲野豬中富集）顯著降低了該增強子的活性。利用大型豬基因表達數據庫（PigGTEx）的數據也證實，攜帶祖先等位基因（C）的個體，其LPIN1基因的表達水準較低。LPIN1基因編碼的蛋白是合成甘油三酯（脂肪的主要成分）的關鍵酶。因此，研究人員推測，TT單倍型通過增強LPIN1的表達，優化了脂肪代謝，幫助野豬在寒冷的中亞和更北地區積累必要的脂肪儲備以應對能量需求和保溫。

另一個重要發現在於ALPK2基因。研究人員在該基因中發現了5個錯義突變（改變蛋白質氨基酸序列的變異）。其中一個突變（rs327271406）在中亞野豬和歐洲野豬群體中已經達到100％的固定頻率！更重要的是，這個突變在歐洲家豬群體中也完全固定了。ALPK2基因在心臟和肌肉組織中高表達。通過大規模表型－基因關聯分析（利用PigBioBank數據庫），發現ALPK2基因與多個肉産量相關的性狀（如背膘厚、日增重等）存在顯著關聯。這很好地解釋了為什麼歐洲家豬品種通常在生長速度和産肉性能上具有優勢——這種優勢可能部分源於其野生祖先（中亞和歐洲野豬）在自然選擇過程中固定下來的有利遺傳變異。

綜上所述，該研究首次系統性重構了野豬跨越歐亞大陸百萬年的遷徙歷程，揭示了中亞作為東西方基因交流樞紐的角色。研究精準定位了野豬適應高緯度環境的“分子指紋”，特別是ALPK2和LPIN1等關鍵基因的適應性變異，為理解現代家豬重要經濟性狀（如生長速度、肉質）的演化根源提供了全新視角，也為家豬遺傳改良提供了寶貴的“基因藍圖”。

研究團隊

基因組所（大鵬灣實驗室）副研究員王子帥為本文第一作者。基因組所（大鵬灣實驗室）李奎研究員、白立景副研究員和香港科技大學（廣州）張延林助理教授為本文的共同通訊作者。文章的合作者還包括新疆石河子大學黃濤教授，揚州大學宋成義教授，黑龍江農業科學院劉娣研究員、張冬傑研究員，華中農業大學趙書紅教授，河南農業大學喬瑞敏教授，瓦赫寧根大學的Martien A． M． Groenen、 Ole Madsen。西華師範大學李明洲校長和中國農業大學李孟華教授為本研究提供了相關指導和幫助。

該研究得到深圳市傑出人才項目，國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支援。

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