鸡纤维黑素沉着（FM）位点复杂结构变异的群体基因组解析

为解析鸡 FM 位点结构变异，研究人员分析 517 只鸡基因组，确定 FM-2 构型，助力理解表型变异遗传基础。

　　鸡，作为人类生活中常见的家禽，不仅为我们提供了丰富的食物来源，还因其多样的表型特征成为生物学研究的重要对象。在鸡的众多独特表型里，纤维黑素沉着（Fibromelanosis，FM）格外引人注目。它以皮肤和组织的过度色素沉着为典型特征，广泛存在于亚洲的一些鸡品种中，比如中国的丝羽乌骨鸡和印度尼西亚的艾雅曼鸡。从文化层面看，这些鸡深受人们喜爱，丝羽乌骨鸡因其独特外貌在观赏育种领域备受珍视，艾雅曼鸡则承载着特殊的文化意义；从商业角度而言，FM 鸡的深黑色素沉积使其在食品和传统医药领域都有重要价值，像中国的乌骨鸡常用于制作黑骨汤，还在传统中医药中发挥着一定作用。

然而，在 FM 这一有趣表型的背后，隐藏着复杂的遗传学谜团。此前的研究虽然发现 FM 性状由涉及两个大的复制（分别为 127.4kb 和 170.5kb）以及倒位的复杂结构变异引起，且与内皮素 3（Endothelin 3，EDN3）基因的上调表达有关，但对于该复杂结构变异的详细组织形式，科学界一直未能达成共识。早期受限于短读长全基因组测序数据和现有结构变异检测工具，无法清晰解析其结构；后续基于长读长测序的研究结果也相互矛盾，不同研究分别支持不同的构型，这一争议持续了十余年，严重阻碍了对 FM 性状遗传机制的深入理解。

为了攻克这一难题，来自瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）和美国德克萨斯 A&M 大学（Texas A&M University）的研究人员程马（Cheng Ma）和 Leif Andersson 牵头开展了一项深入研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为解开 FM 位点的遗传密码提供了关键线索。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们收集了来自全球 44 个鸡品种的 517 只 FM 鸡以及 300 只野生型鸡的样本（样本来源广泛，涵盖多个地区和品种）。接着，对这些样本进行全基因组测序，测序数据经过严格的质量控制流程，包括使用 FastQC 评估读段质量，用 Btrim 去除低质量读段和接头序列，再通过 BWA - MEM 将清洁后的读段比对到红原鸡（GRCg6a）参考基因组上。之后，利用多种工具进行数据处理和分析，如用 SAMtools 计算测序深度、排序 Bam 文件，Picard 去除 PCR 重复，GATK 进行 SNP 和小 INDEL 的联合检测与过滤等。此外，通过相对序列深度分析来鉴定结构变异（Structural Variations，SVs），运用 VCFtools 计算核苷酸多样性（π）和遗传分化（FST?），借助 RapidNJ 软件构建系统发育树，使用 LDBlockShow 分析连锁不平衡（Linkage Disequilibrium，LD）。

下面来看具体的研究结果：

• FM 位点的综合基因组调查：对 517 只 FM 鸡的全基因组测序数据进行分析，发现所有品种在 FM 位点都存在相同的结构变异，涉及 20 号染色体上两个区域（DUP1：chr20:10,766,772–10,894,151bp；DUP2：chr20:11,306,686–11,477,501bp）的复制，这与先前研究结果一致。
• FM 等位基因的遗传特征：通过分析两个复制区域的序列深度，确定 DUP1 和 DUP2 在 FM 等位基因中以两个拷贝的形式存在，并据此识别出 FM 纯合子用于后续分析。FST?分析表明，野生型和 FM 纯合鸡在两个 SV 区域，尤其是 DUP1 及其侧翼存在显著遗传差异，且 DUP1 区域前段遗传分化明显降低。核苷酸多样性分析显示，FM 纯合子中仅 DUP1 区域及其侧翼杂合性显著降低。进一步分析 SNP 参考等位基因频率发现，FM 纯合子的 DUP1 区域出现明显 “气泡” 现象，而 DUP2 区域仅部分位点有类似趋势，非复制区域则与野生型鸡的等位基因频率分布相似，这表明 FM 和野生型染色体之间在 DUP1 区域存在强烈的重组抑制。
• FM 等位基因结构排列的特征：上述结果排除了 FM - 1 作为 FM 等位基因可能构型的可能性，因为 FM - 1 构型对应的 “气泡” 应跨越整个相关区域，但实际并非如此。综合考虑之前报道的重组事件以及近期基于 PacBio 长读长测序的研究结果，研究人员得出 FM - 2 构型是正确的结论。系统发育树分析也显示 DUP1 和 DUP2 区域分支长度存在差异，支持 DUP1 附近存在倒位的假设，与 FM - 2 构型相符。此外，DUP1 区域大量 SNP 等位基因频率为 50%，意味着 FM 等位基因的复杂重排涉及染色体间事件，形成了固定杂合性。
• 追溯 FM 等位基因的形成：FM 等位基因中 DUP1 区域固定杂合性存在明显中断，可能是与野生型染色体发生重组或形成 FM 重复的两个供体单倍型序列差异变化所致。DUP2 区域的两个参考一致区域可能是其中一个拷贝与基因组参考相同，导致 FM 纯合子中该区域参考等位基因频率较高。LD 分析也显示 DUP1 区域存在明显的 LD 块边界，与固定杂合性中断一致，进一步支持了 FM - 2 构型以及重组抑制的结论。

在研究结论和讨论部分，研究人员成功确定了 FM 等位基因的结构为 FM - 2 构型，明确了其由复杂的染色体间交换导致，该交换在 DUP1 区域产生固定杂合性，且 DUP2 的倒位插入使得 DUP1 区域重组受到强烈抑制，从而形成了独特的等位基因频率 “气泡” 现象。同时，研究发现所有 44 个 FM 鸡品种在 FM 位点的结构重排完全相同，未发现遗传异质性，推测 FM 等位基因的形成可能先经历从 DUP1 到 DUP2 区域的复制，再发生 DUP2 及中间序列的倒位，但具体是在一次减数分裂中完成还是分多代逐步发生仍有待研究。此外，研究还指出对于像 FM 位点这样的复杂结构变异，长读长测序存在局限性，而群体基因组学数据可用于验证复杂结构变异区域的组装，体现了群体规模测序在解析复杂基因组重排中的重要价值。FM 位点的研究也再次证明了结构变异在驱动家养动物表型多样性方面的重要作用，为理解动物进化和人工选择提供了重要依据。

总之，这项研究为鸡纤维黑素沉着性状的遗传机制提供了深入见解，解决了长期以来关于 FM 位点结构变异的争议，为后续相关研究奠定了坚实基础，在动物遗传学领域具有重要的理论和实践意义。