用古DNA和基因组完成“庖丁解原牛”

转自：中国科学报

步入国家肉牛牦牛产业技术体系岗位科学家雷初朝教授的办公室，墙上挂着一副醒目的《五牛图》。办公桌上，摆放着好几座各种造型的牛的摆件。作为西北农林科技大学动物科技学院的学科带头人之一，雷初朝教授在过去20余年来对全球不同种牛的遗传和基因开展研究，人称“牛专家”。

近期，雷初朝等在东亚原牛研究方面又取得了新成果。团队首次揭示已灭绝东亚原牛的演化历史及其对东亚家牛的遗传贡献，相关研究论文在线发表于《科学通报》并以封面论文正式刊出。

16个遗骸证明东亚原牛的基因贡献

我国东北松花江流域曾出土了数量巨大、种类丰富的人类和动物化石，其中包括广泛分布的东亚原牛。但由于缺乏考古学证据及可靠的年代测定数据的支持，关于该流域的动物和人类演化情况知之甚少。“说到东亚原牛，就不能不提到现在云南大学从事湖泊与气候变化、环境与动物群（包括人类）研究的张虎才教授”， 雷初朝教授说。“我与张虎才教授的交流与合作起始于2005年。当时他在修改我们一篇关于中国家牛稿件时敏感的指出DNA数据与温度与降水具有很高相关性，这使得我们把DNA数据与环境因子联系了起来。随后的研究证明了我们早期发现并提出的中国黄牛基因与地理环境因子之间可能存在某种基因关联的推断。该成果后来刊登在《动物遗传学》杂志。”雷初朝告诉《中国科学报》。

2013年，张虎才和雷初朝等与研究机构联合分析了在东北出土的、年代距今一万零六百多年前的一例原牛下颚骨，发现该例具有人类管理痕迹原牛的时代早于学术界公认的牛类被人类驯化时间。“当时我们从这例原牛的牙齿分析，中国的古人类对该类原牛应该施加过影响，或者至少和人类有过接触。”雷初朝说。

张虎才和雷初朝认为这是东亚特有的一种原牛，但当时并没有“东亚原牛”这个名称，只不过与其他地区的原牛相比差异比较大，所以将其暂时命名为原牛中的“C支系”，“C”代表中国。这篇论文于2013年发表在《自然-通讯》上，两次成功合作也为这次新成果的发现奠定了基础。

家牛分为普通牛和瘤牛，包括中国黄牛在内的家牛都属于普通牛，而原牛被认为是所有普通牛和瘤牛的祖先，但并不是所有地方的原牛都可以被驯化为家牛。原牛驯化的遗传机制是怎样的，一直是个谜。

随着基因组技术的快速发展，雷初朝团队的研究方向逐渐由较为普遍的线粒体DNA研究转向基因组研究。在这个阶段，张虎才教授也收集到了大量包括牛类在内的骨骼化石。二人继续合作开始了一项新的研究——用遗骸证明东亚原牛的基因贡献。

基于时间分布，合作团队选择了张虎才收集的中国东北地区59个具有碳-14测年的牛亚科动物化石，构建了东北地区牛属动物距今约4.3万年至3600年的时间序列。

“我们对其中18个松花江流域的牛亚科动物样本及一个至少可追溯到6400年前青藏高原的样本开展了遗传学分析。通过线粒体基因组和核基因组分析，鉴定出其中16个样本为东亚原牛，3个样本为草原野牛，并且首次揭示了东亚原牛与欧洲原牛、西亚原牛和非洲原牛基因组遗传分化明显，并把这16个东亚原牛命名为一个新的原牛亚种，称其为B. p. sinensis Zhang（张氏中华原牛）。” 张虎才告诉《中国科学报》。

团队同时利用全球古代、现代家牛的基因组数据进行联合分析，结果表明，东亚原牛从4000年前便对东亚早期家牛和现代家牛有持续性的基因组贡献。这也表明尽管东亚原牛已经灭绝，但其在东亚家牛基因组上留下了深深的印记。

二十多年干成了三件大事

雷初朝坦言，他对这次完成的东亚原牛的演化历史成果给业内带来的重要性是比较有自信的。“世界上其他区域也在做原牛的遗传演化，但是在东亚原牛方面，我们这次的成果可以说是目前做得最具系统性的，时间跨度和范围也是最大的。”雷初朝说。

团队除了张虎才这样发挥自己特长，凭着兴趣和热爱完成前期积累的“厚积薄发”，中国科学院昆明动物研究所张晓明研究员团队也在研究中成为了“专业的人做专业的事”的注解。“张晓明团队主要是做人类和动物的分子古DNA方面研究，他们拥有国内最专业的古DNA实验室。我们这次研究对实验室要求很高，在研究过程中不能有任何污染，他们的实验室在这次的研究中起了大作用。”雷初朝团队主要成员，西北农林科技大学动物科技学院陈宁博副教授介绍说。

尽管近年来已经做过很多大规模研究，但像这次的大范围分析对雷初朝团队来说也是第一次。由于原牛的古DNA序列都比较短，团队5个人花费了一年时间才完成了所有的数据拼接和分析。

在这个环节，雷初朝团队十余年来积累的海量的关于世界各地各种牛的基因组数据库体现出了重要作用。

“看起来好像只有十几个数据，但实际上要用到的其他牛的数据有很多。得益于团队这些年来的积累，在牛这个亚科中，我们拥有大量的基因组和线粒体DNA数据，包括黄牛、水牛、牦牛以及一些野牛。在这次的研究中，我们的庞大基因组数据库也起到了很大帮助。”雷初朝说。

除了数据库，雷初朝觉得，二十多年来团队还做成了三件“大事”。一个是带领团队研究清楚了中国黄牛的遗传多样性和起源演化情况，以及历史上的迁徙路线。另一个是研究清楚了中国瘤牛和印巴瘤牛的起源关系，中国瘤牛是印巴瘤牛迁徙到中国南方以后形成的，但同时中国瘤牛又有着自己复杂的遗传多样性。最后一点就是目前在牛的品种志上把中国所有的地方黄牛都归类为普通牛，而忽略了南方瘤牛这一重要独立分支，雷初朝认为这一点需要修订，团队的研究已经初步搞清了南方瘤牛的品种名录，为中国牛更精确的分类提供了科学依据。

一篇论文可以让三位博士毕业

雷初朝与牛结缘始于1997年，“当时我刚从西农硕士毕业留校，偶尔做一些牛的染色体核型分析工作。”

硕士毕业时，雷初朝机缘巧合留校任教，而且是动物科学系唯一教动物遗传学的老师。1998年读博以后，雷初朝跟随刚从德国回来的另一位研究动物遗传学的陈宏教授做论文，从此，雷初朝正式开始从事牛的遗传基因研究。雷初朝介绍，他跟随陈宏老师利用线粒体DNA测序的方法来研究黄牛的母系遗传在当时国内应该是最早的。

“当时流行的方法是把线粒体DNA提取出来后用限制性内切酶来‘切’，而且要有突变位点才能‘切’，实验精度很有限。”雷初朝当时觉得这个方法虽然比较省钱，但是精度不高。于是就改用PCR扩增的方法，将线粒体DNA的D-loop区扩增以后再测序，只要有一个多态位点都可以检测出来，精度也比之前的方法高了很多。

雷初朝在博士论文中用这种方法采样分析了黄牛、水牛、牦牛和驴的线粒体DNA，由于当时经费偏少，为了节约成本，实验的总体样本数偏少，每个品种只做了三个个体。但即便是这样，雷初朝的这篇博士毕业论文也获得了极高的评价，答辩时一位教授点评说：“你这篇论文的水平，可以同时让三位博士毕业！”

事实证明这位教授所言非虚，雷初朝回忆说，当时博士毕业论文只需要发表一篇西北农业大学学报就可以毕业，但雷初朝的这一系列成果却在《遗传学报》上发表了两篇，已经处于国内领先水平。

随着基因组技术的快速发展，2015年起雷初朝转向用基因组方法研究中国牛的遗传多样性与起源演化。

“2015年陈宁博加入我们团队读博士，从那年我们正式开始从线粒体DNA转向采用基因组研究中国牛的遗传多样性和进化机制。线粒体DNA和Y染色体SNP标记相对比较单一比较短，基因组测序虽然是未来的发展方向，但是当时做一个牛的基因组测序要三千多元。”雷初朝回忆说，即便成本高昂，也有一定风险，但雷初朝仍然坚持必须“转向”。

支撑雷初朝和团队走下去的，是一个更为宏大的“远景目标”。“其实中国地方黄牛从经济价值来说，有很好的‘风味’，比如秦川牛以及广大的地方黄牛品种，特别受广东及江浙一带的欢迎。但现在中国的牛肉处于‘优质不优价’的局面，老百姓饲养地方黄牛的也越来越少，很多养殖的都是国外引进品种，从种质资源安全角度来说有隐患。”雷初朝认为，如何通过研究把中国地方黄牛的品牌做起来，是他和团队今后的发展方向。

陈宁博告诉记者，团队目前的研究最终是为了保护中国优良的地方黄牛种质资源，挖掘中国地方黄牛优异的遗传性状，利用分子育种技术选育生长快、肉质好、抗病力强的肉牛新品种打好基础，这也是做遗传资源研究的意义所在。

“除此之外，中国地方黄牛也是我们中华传统农耕文化的代表和烙印之一，从这个角度来说我们也要保护好属于我们自己的中国黄牛品种。今后我们要做的工作还有很多。”雷初朝说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.09.016

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