文 |爱叨叨的小胖

编辑 | 爱叨叨的小胖

背景

遗传多样性和种群结构的评估是一项基本的任务，不仅要了解品种起源的进化历史，还要为当地生物多样性的保护和管理提供重要的信息。

事实上，评估种群内和种群间的遗传多样性提供了一个重要的控制指标，以避免*亲近**繁殖衰退和外来和本地适应牛品种之间的杂交，这些可能产生有害后果并最终导致灭绝。

在家畜物种中，牛被认为是拥有最多的面临灭绝风险的品种，这导致逐渐枯竭它们的遗传多样性，事实上在过去的15年里，粮农组织已经报告了许多当地品种的灭绝，在欧洲20世纪初，有一半的品种已经灭绝，剩下的770个品种中， 有三分之一在未来20年会中有消失的危险。

非计划外的基因渐渗和杂交，在很大程度上导致了本地品种的损失，在此背景下，增加对这些品种的基因组结构的知识，对于维持和改进适当的选择策略，都是至关重要的，此外，考虑到不断变化的环境条件和市场需求，这个行动变得越来越必要。

历史上阿尔卑斯弧线，代表了牛的生物多样性的一个重要领域，它有大量的本地品种，这些品种，为整个地区经济提供了基本的收入来源，因为它们完全适应了神秘的山地环境， 并具有牲畜生产的重要特征。

在上个世纪，一些来自阿尔卑斯弧线的牛品种被用于基因改良，并已传播到世界上的不同地区这并非偶然。

此外高山本地品种是其产品必不可少的，而且因为它们完全适应传统的高山农业系统，有助于保护农村环境、景观和生态系统服务。

所有这些特征，再加上它们的古代历史，使它们成为高山文化的相关组成部分，在这种情况下，当考虑到全球变暖的高质量和可持续畜牧业策略相关的问题，以及适应寒冷气候的品种可能更脆弱时，这些品种的遗传特征具有突出的作用。

在此我们使用全基因组单核苷酸多态性（SNP）数据的可用性，将会对牛的遗传多样性和群体结构的详细描述成为可能，迄今为止已经在世界范围内、区域范围和国家范围内之间的遗传变异和关系进行了调查，但仍缺乏对高山弧形品种的全面研究。

利用中密度SNP阵列的基因型数据，我们对3个高山弧的23个牛群和3个世界性牛群 进行了全基因组比较研究 （图1）。

图1 本研究分析了23个当地牛品种的地理位置

我们特别强调这些当地品种，以更好地了解它们的起源和与世界性品种的关系，这些品种，已经在世界范围内传播，这种分析，对这些品种的影响以及更好地设计未来的保护策略也很重要。

方法：抽样

本研究对来自23个本地种群的711个个体和3个世界性品种的fve种群进行了检测。沿阿尔卑斯山脉的东/西轴取样的当地品种包括：来自斯洛文尼亚和克罗地亚的本地品种 Cika（CIKA）；意大利和奥地利平兹高尔（分别为PZIT和PZAU）等。

对于上述所有品种，用牛SNP50K BeadChip获得的SNP数据，均从以前的研究中收集， 将Tese数据与PLINK合并 ，并保留所有数据集所共有的常染色体snp。

合并后使用PLINK根据次要等位基因频率（MAF）和每个SNP，对SNP数据进行修剪，最，在基因分型数据集中保留了30,176个SNPs以供进一步分析。

遗传多样性和纯合子性的运行

PLINK也被用来估计观察到的（Ho）和预期的（He）杂合度和MAF。利用SNeP v1.1 程序估计了基于连锁不平衡（LD）数据的历史有效种群规模（Ne）的发展趋势，对于每一种动物，基于ROH（FROH）的近交繁殖计算， 为ROH中基因组占SNPs覆盖的基因组总长度（2541174kb）的比例。

利用由PLINK计算的全基因组逐状态身份（IBS）遗传距离矩阵估计成对遗传关系，并使用多维尺度（MDS）图绘制，为了检验种群结构，我们使用了最大似然聚类方法在软件混合中，我们进行了三次独立的运行，K的范围从2到28，使用默认参数和交叉验证到10倍（−cv=10）。

为了检查收敛性，我们通过评估迭代之间的对数来比较跨运行的参数，我们使用人工软件所有分析品种之间FST，来估计种群亲缘关系，基于雷诺遗传距离，研究居群间的系统发育关系，利用分裂软件根据估计的遗传距离构建邻网图。

为了在系统发育框架内，推断种群分裂和渐渗事件的存在模式，我们使用了树丛软件，它实现了一种，基于等位基因频率的最大似然方法，以来自布基纳法索的鲍勒牛的Te基因分型数据作为外组。

首先，我们生成了一个最大似然树以此来重建本研究中，包含的所有品种之间的关系而没有迁移事件。

随后我们通过考虑500个连续SNPs块之间的连锁不平衡，并合并范围从0到10的混合事件(E)来执行fve迭代， 使用R包OptM 中的optM函数 ，选择了迁移边缘数量的最佳预测器。现在我们将要展开本次研究结果与讨论。

结果：遗传多样性和基因组近交繁殖

所分析的28个居群的遗传多样性指数见表1。Ho范围从0.297±0.198到0.356±0.163，He范围从0.286±0.176到0.347±0.141；泽西品种和西卡品种分别得到了Ho和He的最小值和最大值。

表1 观察到的（Ho）和预期的（He）杂合度、平均次要等位基因频率（MAF）、有效群体大小（Ne）

意大利Brown（0.266±0.211）和意大利荷斯坦（0.305±0.209）的MAF平均值， 分别为最低和最高 ，与每个品种的第13代相关的te有效种群大小（Ne）估计数见上列表1，布朗瑞士和泽西的TeNe值（56），Eringer的最大值（130），在选定的三个棕色瑞士品种（BRIT、BRSW和BRDE）种群中，Ne比原始棕色品种（OBIT、OBDS和OBSW）要小（平均60.5个）（平均98.3个）。

利用ROH数据，评价个体基因组*亲近**繁殖，ROH近交后代报告见上文图2，Te最高平均值FROH在泽西（0.110），现代布朗（0.105）和进化（0.088）品种，而最低值发现原始棕色从意大利（OBIT）（0.014）和卡（0.017），在较小的程度上，辛塔尔组（SIIT，侧面，SIMM）（~0.023）的蒙特贝利亚德品种（0.045）。

总的来说，FROH在高度选择的世界性品种，如泽西和荷斯坦，高于大多数本地品种。

图 2 近交系后代（FROH）从每个品种的纯合度运行推断

种群结构与混合物

在多维尺度（MDS）分析中，frst二维度， 分别解释了总方差的3.2和2.3% ，Te frst维度（D1）显示选定的棕色品种（BRIT、BRSW和BRDE），与其他所有品种之间存在明显的分离，而第二维度（D2）明显分化西门坦尔品种（SIDE，SIIT，SISW，MONT）变得明显（图3）。

图3 采用多维尺度（MDS）方法研究牛品种的遗传亲缘关系

除了现代棕色品种、埃林格品种和进化品种外，这种模拟成分，在所有其他品种中都有不同的比例，而泽西品种和布利纳品种的比例最小，在K=16时几乎所有的品种组都有自己的身份，但在这个值上一些品种表现出中等水平的混合（BPUS，CIKA，PRDO，TARI，VOSG）。

最后在与本研究中，分析的种群数量相对应的K=28处，混合事件尤其出现在选定的Brown（BRSW，BRDE，BRIT）和模拟塔尔组（SIDE，SISW，SIIT）中。

所有种群之间的遗传分化估计的FST统计，和值符合MDS和混合分析的结果，即最高FST值获得两两比较，包括品种用作外群和现代棕色品种。例如，泽西岛和意大利棕色品种之间的FST为0.193， 而现代棕色品种之间的FST仅为0.001 （图4）。

图4 混合分析图呈环状。根据交叉验证参数，显示了K（遗传簇数）的最显著值

Te邻域网图，是根据雷诺的遗传距离构建的，显示了几个地理上一致的本地品种群（图5）： (1)包括东阿尔卑斯山脉的（CIKA，PZAU，PZIT和PUST）；(2)第二组包括主要来自中阿尔卑斯山的品种（BRIT，BRSW，BRDE OBIT，OBDS，OBSW，REND，MAWE，GRTY和VZOT）。

在这一组中，原始和现代棕色品种之间，检测到明显的分支长度分；（3）第三组具有西阿尔卑斯山脉的引力，包括所有辛塔尔衍生品种（侧、SIIT、SISW和MONT）、巴拉-普斯特塔尔、法国（ABON、VOSG和TARI）、罗萨和瑞士品种（ERIN和EVOL）。

图5 基于雷诺兹遗传距离的邻域网络图

与MDS图和邻域图一致，无迁移事件的树丛系统图，根据品种的地理来源显示出明显的聚类分布（图6a）。拓扑在迭代和迁移事件中保持相当稳定（图6b）， Te SiZer方法实现optM函数表明一个重大变化点对数 ，在四个迁移事件有可能性。

另外两个迁移事件，尽管混合信号较弱，一个是来自意大利的荷斯坦和平兹高尔（PZIT）之间（PZIT），另一个将布利纳和荷斯坦品种，与沃斯吉恩和巴拉-普斯特塔莱尔品种联系起来（图6b）。接下来我们将开始本研究讨论分析。

图6使用TreeMix推断的最大似然系统发育树

讨论：世界性品种和本地品种之间的关系

基于遗传多样性指数、多维尺度、ROH和混合分析的T e结果具有收敛性 ，表明大多数品种具有自己的遗传特征，此外我们检测了，一个根据当地品种的地理来源遗传结构，与纬度和纵向混合事件的案例。

尽管有这种地理一致性，现代布朗（BRSW，BRIT和BRDE）种群，是最分化的品种的一部分，多维尺度（MDS）和混合分析表明，它们与所有其他品种明显分离。现代棕色瑞士与其他高山品种的强烈遗传差异包括原始的棕色，以前报道过考虑到它们的阿尔卑斯起源和相对最近的分离，这是相当有趣的。

然而，遗传多样性当发生强遗传漂变时，指数和有效群体种群大小（Ne）与预期的一样低（详情请见上文表1），此外，根据ROH分析，现代布朗瑞士品种，具有较高的FROH（图2），对这种模式的一种可能的解释是，它们起源的狭窄的基因基础，与原始的和现代的棕色瑞士品种经历了不同的选择轨迹。

事实上，现代棕色瑞士品种起源于少数个体（约155），在19世纪末和20世纪初进口到美国，此外在现代棕色瑞士品种中观察到的同质性表明，有一些可能保持这些品种尽可能的纯净。

总的来说，我们发现与一些地方品种相比，世界性品种的遗传多样性指数和Ne指数较低，通常高选择压力和人工授精的使用， 是遗传多样性水平低的主要原因 ，事实上除了现代的棕色瑞士品种，在较小的程度上，荷斯坦岛的品种有最小的Ne。

MDS分析的结果，与K=3混合的遗传模式相似，将荷斯坦品种与其他品种分离，然而除了蒙特贝利尔德品种（Ne=60）外，辛坦尔衍生的双用途品种（SIDE、SISW和SIIT）的Ne较大。ROH分析表明，蒙贝利尔德品种，比辛坦塔尔衍生品种具有更高的值。蒙贝利亚德品种起源于瑞士辛米塔尔品种，在大约150年前。

在一项基于免疫遗传标记多态性的研究中，强调了蒙贝利亚德与一些法国东部品种，如沃斯吉安、塔林和阿邦丹斯之间的密切关系。

值得注意的是，意大利辛坦尔的一些个体， 从K=10开始就显示出蒙特贝利亚德渐渗的痕迹 ，Te辛塔尔品种的历史，可以追溯到中世纪，被认为是由于交叉大型德国牛和一个小瑞士本土品种，这也可以解释辛塔尔祖先组件K=4（绿色），我们发现大多数高山品种（详情请见上文图4）。

本地高山品种的遗传综述

遗传多样性，是影响种群适应能力和适应力的内在因素。在所有品种中，本地品种的遗传多样性指数和Ne均较高或中等。

在所有病例中，Ne都超过50，这是一个品种/种群被认为处于风险的阈值，在东阿尔卑斯山的当地品种中，除普斯特塔勒犬外，所有品种的Ne都较大，Ne最大的是奇卡和奥地利平兹高勒犬（分别为107和122）；这些值大于之前研究中同一品种计算的值，但SNP阵列却减少了。

自然服务在这些当地种群中仍然很频繁，这需要在每一代使用更多的父系，尽管这些都是封闭的群体，但这种做法增加了种群内的遗传多样性从而减少了基因组近交繁殖，来自东阿尔卑斯山的品种的遗传亲缘关系如共同的祖先成分（详情请见上文图4）， 可能与它们的地理邻近性有关。

此外自20世纪上半叶以来平兹高尔就一直在渗入到奇卡牛体内，以改善其毛色与白色条纹。

由于过度的*亲近**繁殖，会降低种群的长期繁殖密度，因此有必要保护该种群，防止*亲近**繁殖的进一步增加。Te混合分析，显示了一个重要的辛坦塔尔祖先成分，但也与平兹高尔和一些意大利品种（PRDO和BPUS）和法国西方品种（ABON，TARI和VOSG）有共同的祖先。

有学者报道了普斯特塔尔牛，与辛坦塔尔牛和平兹高尔牛之间的杂交，而该品种来自法国孚日品种，可以解释它与西方品种的亲缘关系。虽然据报道，布利纳与黑花衣牛群，有共同的起源，但我们没有发现任何这种渐渗入的痕迹。

相反，我们的混合分析支持了先前基于微卫星数据的结果，事实上布里纳品种起源于北海地区，荷斯坦也从该地区获得，这两个品种之间的杂交有被历史报道， 提洛尔灰色品种的Ne和FROH值也为中等，分别为93和0.043。

然而，布利纳表现出混合成分，特别是来自荷斯坦，泰洛尔灰色品种，表现出更同质的模式，这可能是由于许多种群内杂交，因为个体数量，在第一次世界大战后大大减少，来自西阿尔卑斯山的当地品种，也表现出中到大的Ne值，FROH值普遍较低，其中Eringer（130）和Evolene的Ne最大。

在西阿尔卑斯山的本地品种中，我们发现了两个主要的遗传类群，一个包括瑞士（EVOL和ERIN），另一个包括法国（ABON，MONT，TARI）、巴拉-普斯特塔勒、沃斯、罗萨和衍生品种（SISW、SIIT和侧），在西阿尔卑斯山有各种各样的品种具有外国起源，如辛塔尔和海伦斯品种（来自瑞士）。

这可能解释了佩扎塔品种与法国品种和西门塔尔品种之间更密切的关系，，因为它们具有相似的形态和红色的颜色。

我们的研究结果，为巴拉-普斯特塔莱尔品种的争论起源提供了新的线索。目前该品种饲养在皮埃蒙特地区（西阿尔卑斯山），有两个主要的假说来解释它的起源，一个认为瓦斯勒德国起源，可能与德国普斯特塔勒，另一个与法国沃斯吉安它有相同的表型特征。

我们的研究结果表明，与法国品种（VOSG）之间的遗传关系比 与普斯特塔勒犬之间的遗传关系更密切。

我们的系统发育重建，包括所有分析的种群，和没有迁移事件，在很大程度上符合混合分析，然而树结构中，推断的树拓扑使我们能够更好地阐明一些品种之间的关系。例如伦德纳牛，这是一种来自东阿尔卑斯山同名山谷的古老本土品种，更接近棕色品种而不是东部品种。

这可能与伦德纳山谷和南提罗尔之间不同的政治和文化管理有关，南提罗尔直到1919年才并入意大利。此外与混合分析，表明现代棕色瑞士品种在K=2的早期分离相反，系统发育树将现代棕色瑞士作为原始棕色的姐妹。

基于我们的研究结果，我们很难得出结论，观察到的荷斯坦基因渗入到平兹高尔品种是否反映了最近的杂交还是表明了一个共同的祖先成分。

然而应该注意的是，平兹高尔品种来自于中世纪是由日耳曼定居者从北方带来的牛，这表明 这两个品种的共同起源地区是合理的。

结语

我们的研究是迄今为止最全面的高山牛品种的遗传多样性分析之一，这样的数据集包括大多数本地品种使我们能够扩大对高山牛多样性的评价和地位的认识。事实上，保护遗传和遗传改良的一个重要特权，应该是维持当地动物的遗传多样性。

本地品种可能更容易灭绝这导致了整体适应遗传潜力的降低 ，而这对特定选择策略的恢复至关重要。因此，为了保护的目的，监测这些本地品种的遗传多样性，是满足未来育种需求的基础，特别是在全球气候变化的背景下。

有趣的是，我们发现来自同一地理区域的品种之间，存在显著的遗传关系，尽管有过去的混合事件，这些地方品种有一些独特的特征；它们可以被清楚地区分，这可能是由于遗传起源和地理位置的差异。