九高质量绿头鸭属基因组：解锁鸭类演化与驯化的遗传密码

《Cell Reports》：Nine high-quality Anas genomes provide new insights into Anas evolution and domestication

推荐阅读：本文通过组装 8 个染色体水平的绿头鸭属（Anas）基因组并结合北京鸭基因组，深入探究了绿头鸭属的演化与驯化。研究发现 Z 染色体在演化中的独特作用，构建了泛基因组，揭示结构变异（SVs）和长末端重复反转录转座子（LTR）对驯化的影响，为理解动物演化提供了新视角。

　　### 研究背景
理解生物在自然和驯化环境中的进化过程意义重大，驯化生物是研究进化机制和遗传规律的重要模型，还为人类提供资源。然而，驯化生物因高强度选育遗传多样性受限，影响其性状改良和适应能力。鸭子作为绿头鸭属及其他鸭科物种的统称，分布广泛、表型多样、杂交能力强，是研究动物系统发育、进化和驯化的理想模型，但绿头鸭属物种的进化历史和驯化过程尚不明晰。

研究方法

1. 基因组测序与组装：对 8 种不同的绿头鸭属鸭子进行基因组测序，包括 1 种绍兴蛋鸭和 7 种野鸭（绿头鸭、中华斑嘴鸭、针尾鸭、绿翅鸭、罗纹鸭、琵嘴鸭、白眉鸭）。利用纳米孔或 PacBio 高保真（HiFi） reads、超长纳米孔 reads、二代测序（NGS）reads、BioNano 和 Hi-C 数据进行组装，得到 8 个高质量、高连续性且锚定在 40 - 41 条染色体上的基因组。
2. 基因注释：使用 EDTA 和 RepeatMasker 软件构建转座元件库并注释重复序列；通过整合 RNA - seq 数据、全长转录本和同源蛋白序列，利用 MAKER 等工具预测蛋白编码基因，并进行功能注释。
3. 比较基因组分析：构建 9 种绿头鸭属和 16 种非绿头鸭属物种的系统发育树，进行全基因组比对（WGA），分析基因组共线性、结构重排、保守元件（HCEs）和加速进化元件（ACCs），并计算物种分化时间。
4. 群体遗传学分析：进行 PSMC 和 SMC++ 分析推断群体历史，利用 fastsimcoal2 重塑鸭子驯化历史；通过 D - 统计量和拓扑加权分析研究基因流和不完全谱系分选（ILS）。
5. 结构变异（SVs）分析：构建绿头鸭属泛基因组，通过比对 NGS 数据识别 SVs，计算 F_ST值确定差异 SVs，并进行双荧光素酶报告实验验证其对基因表达的影响。
6. 长末端重复反转录转座子（LTR）分析：鉴定完整的 LTR，分析其插入时间、分布和进化，研究其对基因功能的影响。

研究结果

1. 高质量基因组组装和注释：8 个鸭基因组的 contig N50 范围为 11.9 - 32.8 Mb，scaffold N50 范围为 67.2 - 77.6 Mb，BUSCO 值高（95.5% - 96.3%），注释到 17,316 - 17,947 个编码基因和 82,383 - 101,261 个转录本，重复元件占比 13.61% - 20.90%。
2. 绿头鸭属基因组的保守性和分化：绿头鸭属基因组高度共线，染色体长度变异小。鉴定出不同类型的 HCEs 和 ACCs，且均在基因侧翼区域富集。检测到大量单核苷酸多态性（SNPs）、插入缺失（indels）和 SVs，这些变异在基因侧翼区域也有富集，表明基因调控区域在鸭类物种形成和驯化中起重要作用。
3. 绿头鸭属基因组广泛的系统发育不一致性：基于基因组 4 倍简并位点（4d 位点）构建的系统发育树显示，绿头鸭属物种约在 1800 万年前与雁亚科分化，约 386 万年前进一步分化。Z 染色体构建的系统发育树与常染色体树存在差异，且 ILS 和杂交导致了系统发育的不一致性，使绿头鸭属成为系统发育研究的有价值模型。
4. 绿头鸭（MA）和中华斑嘴鸭（SB）的物种形成及鸭子驯化历史推断：Z 染色体受基因流和 ILS 影响较小，通过比较常染色体和 Z 染色体的 SNP 构建的群体水平系统发育树，发现 MA 和 SB 存在不对称基因渗入。据此构建了鸭子驯化历史模型，推测 SB 与 MA 约在 14.2 万年前分离，家鸭祖先约在 1.9 万年前从 MA 分化，北京鸭约在 887 年前从地方品种分化。
5. 绿头鸭属泛基因组的构建和差异 SVs 的鉴定：构建的泛基因组包含 698,568 个节点，通过比对 200 个个体的 NGS 数据鉴定出大量 SVs，其中一些差异 SVs 位于与生长、视网膜发育、羽毛颜色和软骨形成等相关基因的附近，可能对鸭子驯化有贡献。
6. LTR - RT 爆发对鸭子驯化的潜在影响：在绿头鸭属进化过程中发现两次 LTR RT 爆发，近期爆发发生在家鸭及其近缘物种中。特定的完整 LTRs 与家鸭和野鸭的基因表达差异有关，可能通过调控与驯化相关的基因（如MITF、IGF2BP1等）促进鸭子驯化。

研究讨论

1. 进化过程的复杂性：研究揭示了绿头鸭属物种中广泛的系统发育不一致性，尤其是常染色体和 Z 染色体之间的冲突。MA - SB 的物种形成可能是伴随性选择介导的雌性偏向基因流的同域物种形成，Z 染色体因其较低的基因渗入水平，在推断系统发育关系上可能比常染色体更可靠。
2. 驯化研究的关键问题：本研究在绿头鸭属物种中对驯化的时空模式、驯化基因和少数野生物种被驯化的原因进行了探索。发现多次基因流重塑了鸭子的驯化历史，鉴定出可能的驯化基因相关的 SVs，以及 LTR RT 爆发在鸭子驯化中的作用，但仍需更多证据和实验验证。
3. 对农业和医学的意义：研究检测到大量绿头鸭属的跨物种遗传变异，可用于增加家鸭的遗传多样性，加速育种进程。同时，8 个染色体水平的基因组和参考基因集为研究宿主与流感病毒的相互作用提供了有价值的资源。
4. 研究的局限性：研究存在一些局限性，如小染色体组装信心不足，样本来源和数量有限可能导致偏差，需要更多自然群体数据来验证结论，进一步研究非绿头鸭属鸭类谱系与雁亚科以及某些物种间的冲突关系。