印度巴达瓦里水牛线粒体基因组揭秘：与埃及水牛的亲缘演化关系

《BMC Veterinary Research》：De-novo assembled mitochondrial genome of Bhadawari buffalo (Bubalus bubalis) reveals close divergence to Egyptian buffalo

为探究巴达瓦里水牛线粒体基因组及亲缘关系，研究人员测序、组装并分析，发现其与埃及水牛近期分化，对品种保护意义重大。

　　

巴达瓦里水牛线粒体基因组研究解读

在奇妙的生物世界里，每一种动物都有着独特的演化历程，而隐藏在细胞中的线粒体基因组，就像是一本记录着物种进化故事的 “密码本”。水牛作为重要的家畜，在亚洲、非洲等地广泛分布，不同地区的水牛品种在形态、习性和生产性能上都存在差异。然而，对于许多本土水牛品种，尤其是像巴达瓦里水牛这样具有独特特征的品种，科学界对它们的遗传背景和演化关系了解并不充分。巴达瓦里水牛产于印度的中央邦和北方邦，以产奶脂肪含量高、铜色身体和颈部白色环带而闻名，但目前其种群数量呈下降趋势，急需保护。此前，关于水牛的分子进化研究大多基于线粒体 D - loop 和常染色体微卫星，利用全基因组测序数据进行线粒体基因组从头组装并开展比较研究的情况较为罕见。在这样的背景下，印度农业研究委员会国家乳业研究所（ICAR - NDRI）和国家动物遗传资源局（ICAR - NBAGR）的研究人员开展了一项重要研究，相关成果发表在《BMC Veterinary Research》上，为我们揭开了巴达瓦里水牛线粒体基因组的神秘面纱。

研究人员为了深入了解巴达瓦里水牛的遗传信息以及它与其他水牛品种的亲缘关系，采取了一系列关键技术方法。首先，从印度北方邦埃塔瓦地区的一头雌性巴达瓦里水牛身上采集血液样本（该地区是巴达瓦里水牛的养殖区），并按照标准流程分离出基因组 DNA。接着，使用 Illumina HighSeq 技术对 DNA 进行测序，测序深度达到 54X，获得了大量的测序数据。随后，利用 NORGAL（de Novo ORGAneLe extractor）从全基因组测序（WGS）数据中挖掘线粒体基因组信息，生成初始种子，再通过 NOVOPLASTY 软件进行种子延伸和线粒体基因组组装。最后，运用 GE - Seq 工具对组装好的线粒体基因组进行注释，并借助多种生物信息学软件进行系统发育分析。

下面来详细看看研究结果：

1. 数据与线粒体基因组组装：经过 Illumina 短读测序后，研究人员获得了约 175Gb 的原始数据，包含 4.88 亿条读段。去除接头序列并进行质量控制后，156Gb 数据用于后续分析，NORGAL 软件生成了 146 个种子。最终，巴达瓦里水牛线粒体基因组成功组装，长度为 16,358bp，碱基组成中 A 占 35%、T 占 26.4%、G 占 13.8%、C 占 26.5%，GC 含量为 40.5%。
2. 线粒体基因组注释：注释发现该基因组编码 37 个基因，其中包括 13 个蛋白质编码基因、22 个转运 RNA（tRNA）基因和 2 个核糖体 RNA（rRNA）基因。蛋白质编码基因中，有 7 个是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD） + 氢（NADH）脱氢酶亚基，2 个 ATP 酶亚基，3 个细胞色素氧化酶亚基和 1 个细胞色素 B。不同基因的编码长度有所差异，例如 NADH5 基因长度为 1821bp，而 ATPase 编码基因最短，仅 201bp。tRNA 编码长度在 60bp（tRNA - Ser）到 75bp（tRNA Leu）之间，16S rRNA 基因长度为 1569bp，12S rRNA 基因长度为 957bp。通过 BLAST 搜索发现，巴达瓦里水牛线粒体基因组与其他主要水牛品种线粒体序列具有较高的相似性，与穆拉水牛（Murrah breed）相似度为 97.52%，与尼里 - 拉维水牛（Nili - Ravi breed）相似度高达 99.94% 。
3. 巴达瓦里水牛线粒体基因组的系统发育分析：基于最大似然法构建的系统发育树显示，所选品种分为两个主要分支，一个是牛亚科（Bovinae family，包括牛、野牛和水牛），另一个是羊亚科（Ovinae）。牛亚科又进一步细分为牛属（Bos）、野牛属（Bison）和水牛属（Bubalis）。水牛属的分支又被分为不同的亚分支，其中印度和埃及水牛被归为一个亚分支，而中国、伊拉克水牛以及部分印尼水牛则在另一个亚分支。

在讨论部分，研究人员指出，尽管线粒体基因组组装存在母系遗传、替代率和基因组重排等方面的局限性，但该研究结果仍具有重要意义。巴达瓦里水牛线粒体基因组大小与其他研究中的水牛线粒体基因组大小相近，这在大型反刍动物中具有一定的保守性。系统发育分析表明，印度本土水牛品种可能在不同地理区域经历了独立的选择和改良。通过估算分歧时间发现，水牛属（Bubalis）与牛属（Bos）大约在 640 万年前分歧，非洲水牛（Syncerus caffer）在 417 万年前分化，地中海水牛与其他水牛品种的分歧时间为 184 万年前，印度、印尼和埃及水牛与其他亚洲水牛品种（如中国和伊拉克的水牛）大约在 72 万年前分歧。这些时间节点与之前一些研究中关于水牛进化的时间范围相符，且大致与水牛的驯化时间相契合，表明水牛在全球范围内分化、扩散，经过逐渐的选择和发展形成了如今不同的品种。而巴达瓦里水牛和埃及水牛在系统发育树上位于同一分支，说明它们的分化时间相对较近。

综上所述，该研究首次成功完成了巴达瓦里水牛线粒体基因组的从头组装，通过系统发育分析揭示了不同水牛品种之间的分歧时间。研究结果不仅为巴达瓦里水牛的保护和未来育种计划提供了重要的遗传依据，也进一步加深了我们对水牛进化历程的理解，为整个水牛遗传多样性研究领域做出了重要贡献。