李 冉，常振華，徐 蘋，黃潔萍，陳 宏，雷初朝＊

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

黃牛Y染色體分子遺傳多樣性研究進(jìn)展

李 冉1，常振華2，徐 蘋1，黃潔萍1，陳 宏1，雷初朝＊1

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

Y染色體分子遺傳多樣性是追溯動(dòng)物起源、馴化歷史和遷徙路線的重要工具，也可以用來反映動(dòng)物的父系遺傳多樣性及用于研究群體間父系介導(dǎo)的雜交情況。Y染色體單倍型多樣性可以分別通過Y染色體單核苷酸多態(tài)性（Y－SNP）和Y染色體微衛(wèi)星多態(tài)性（YSTR）或這二者結(jié)合起來構(gòu)建精確的Y染色體單倍型。黃牛有3種父系起源（普通牛Y1、Y2和瘤牛Y3單倍型組），可以通過Y－SNP來區(qū)分，通過－STR標(biāo)記可以區(qū)分Y1、Y2和Y3所具有的豐富的精細(xì)單倍型。本文匯集了包括中國(guó)在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外黃牛Y染色體遺傳多樣性與起源進(jìn)化的研究進(jìn)展。

黃牛；Y染色體單倍型；父系起源

Y染色體是雄性動(dòng)物特有的性染色體，在控制動(dòng)物性別方面具有重要的作用。由于動(dòng)物Y染色體很小，載荷的基因不多，故Y染色體被認(rèn)為是基因的沙漠。哺乳動(dòng)物的Y染色體遵循父系遺傳，其絕大部分為非重組區(qū)，通過對(duì)Y染色體單核苷酸多態(tài)性（Y－SNP）和微衛(wèi)星（Y－STR）研究，對(duì)闡明動(dòng)物的父系起源和馴化歷史發(fā)揮了重要作用［1］。本文擬對(duì)國(guó)內(nèi)外黃牛Y染色體分子遺傳多樣性的研究進(jìn)展方面進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

1 黃牛Y染色體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Y染色體由雄性特異區(qū)（MSY，male specific region on the Y chromosome）和擬常染色體區(qū)（PAR，pseudoautosomal region）兩部分組成，其中MSY區(qū)約占Y染色體總長(zhǎng)的95%，在減數(shù)分裂中不與X染色體發(fā)生重組，PAR區(qū)位于Y染色體短臂的末端，在減數(shù)分裂中與X染色體進(jìn)行重組［2］。

黃牛的MSY區(qū)可分為X染色體轉(zhuǎn)座區(qū)（X－transposed）、X染色體退化區(qū)（X－degenerate）和重復(fù)區(qū)（ampliconic）三部分（圖1）。其中X染色體轉(zhuǎn)座區(qū)只有兩個(gè)基因PRAMEY和TSPY，X染色體退化區(qū)是由原常染色體演化成X和Y性染色體時(shí)的殘余部分，包含了Y染色體絕大多數(shù)的單拷貝基因，而重復(fù)區(qū)均為多拷貝的基因家族，其中很多基因在睪丸特異表達(dá)（如DAZ、TSPY等），與精子生成和雄性生殖力有關(guān)［3］。

2 Y染色體分子標(biāo)記的特點(diǎn)

位于MSY的Y－SNP在進(jìn)化歷程中幾乎不存在回復(fù)突變，能忠實(shí)記錄父系祖先的進(jìn)化歷史，且突變率很低（約1×10－9），可以組成Y染色體特異的單倍型組，而每個(gè)特異的單倍型組代表一個(gè)父系起源，這樣就可以分析各單倍型組的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系［4］。位于動(dòng)物Y染色體MSY區(qū)的Y－STR分子標(biāo)記具有豐富的多態(tài)性，可以產(chǎn)生不同大小的等位基因，組成不同的單倍型，因此依靠Y－STR標(biāo)記也可以分析動(dòng)物的Y染色體遺傳多態(tài)性與父系起源。使用YSNPs來確定動(dòng)物主要的Y染色體單倍型組，再根據(jù)Y－STRs來細(xì)化各個(gè)單倍型組內(nèi)的Y染色體單倍型，二者結(jié)合起來就可以完整地反映動(dòng)物Y染色體的起源歷史。

盡管Y染色體分子標(biāo)記已經(jīng)在闡明人類的起源和遷移路線上發(fā)揮了重要作用，但在動(dòng)物遺傳多樣性與起源進(jìn)化研究方面仍然較少。主要原因在于Y染色體結(jié)構(gòu)特殊，重復(fù)序列多，測(cè)序比較困難，迄今只有人類Y染色體完成了測(cè)序。另一方面，Y染色體為單倍體，有效群體大小只有常染色體的四分之一，易受選擇壓力的影響，遺傳變異程度低［5］。但是Y染色體單倍型仍有著不可替代的作用，作為單倍體，只需少量的Y染色體分子標(biāo)記就可以構(gòu)建Y染色體特異單倍型，闡明父系遺傳多樣性，因此關(guān)鍵在于如何篩選有效的Y染色體標(biāo)記。大量的研究表明［6］，有效的Y染色體分子標(biāo)記需要滿足以下條件：①Y染色體的特異性；② 單拷貝擴(kuò)增；③ 多態(tài)性豐富。近年來，隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步和生物信息學(xué)的發(fā)展，研究人員已經(jīng)獲得了越來越多的黃牛Y染色體序列，并發(fā)現(xiàn)了大量有效的Y染色體分子標(biāo)記，極大地促進(jìn)了世界范圍內(nèi)黃牛Y染色體遺傳多樣性與父系起源的研究。

圖1 黃牛Y染色體結(jié)構(gòu)和基因的分布

3 國(guó)外黃牛Y染色體遺傳多樣性與起源進(jìn)化研究進(jìn)展

3.1 Y－SNP 標(biāo)記

2003年Kikkawa等［7］發(fā)現(xiàn)黃牛SRY基因3個(gè)Y－SNPs，構(gòu)建了4種單倍型，可以區(qū)分普通牛、瘤牛、巴厘牛和牦牛，推測(cè)亞洲各地牛種（中國(guó)、蒙古、韓國(guó)、孟加拉和尼泊爾等國(guó)）在馴化過程中都有不同程度的雜交，通過雄性介導(dǎo)的基因滲入使現(xiàn)在的亞洲家牛品種為多父系起源。G?therstr?m等［8］使用5個(gè)Y－SNP 標(biāo) 記 （DBY1、DBY7、UTY19、ZFY4、ZFY5），首次命名了普通牛的2種單倍型組Y1與Y2，瘤牛的單倍型組Y3（表1），并通過對(duì)原牛古DNA單倍型分型，提出最初從近東引入歐洲的家牛為Y2單倍型組，而歐洲原牛的單倍型組以Y1為主，雄性原牛與雌性家牛的雜交將Y1單倍型組引入了歐洲家牛群體。但Bollongino等［9］通過分析更有代表性的歐洲原牛古DNA樣本，認(rèn)為Y1在歐洲原牛中并不占優(yōu)勢(shì)，因此推翻了G?therstr?m等的觀點(diǎn)，認(rèn)為歐洲家牛在馴化過程中沒有與當(dāng)?shù)卦ｋs交。最近，Bonfiglio等［10］發(fā)現(xiàn)通過USP9Y基因可以區(qū)分普通牛的Y1和Y2及瘤牛的Y3單倍型組（表1），通過該基因內(nèi)含子26上的一個(gè)81bp的插入和一個(gè)限制性酶切位點(diǎn)進(jìn)行瓊脂糖電泳能夠直接對(duì)這3種單倍型組進(jìn)行分型，不需要測(cè)序，這樣就大大降低了分型成本和工作量。

3.2 Y－STR 標(biāo) 記

由于Y染色體核苷酸多樣度較低，僅靠Y－SNP標(biāo)記只能定性地區(qū)分黃牛的Y1、Y2和Y3單倍型組，但3種Y染色體單倍型組內(nèi)部仍具有不同的單倍型和多態(tài)性，Y－SNP 標(biāo)記就不能反映這種多態(tài)性。而微衛(wèi)星標(biāo)記的突變率較高，多態(tài)性豐富，因此使用Y－STR標(biāo)記就可以反映黃牛3種單倍型組內(nèi)豐富的Y染色體單倍型與遺傳多樣性。

目前在黃牛Y染色體MSY區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)可以區(qū)分普通牛和瘤牛的Y－STR標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)了豐富的Y染色體特異單倍型。Edwards等［11］發(fā)現(xiàn)4個(gè)Y－STR 位點(diǎn)（INRA124，INRA126，INRA189 和BM861）均具有普通牛和瘤牛特異的等位基因，可以用來研究雜交牛群雄性介導(dǎo)的基因滲入情況。隨后，Liu等［12］研究了38個(gè)Y－STR 位點(diǎn)在17頭公牛中的多態(tài)性，其中發(fā)現(xiàn)14個(gè)Y－STR位點(diǎn)具有不同程度的多態(tài)性，為大規(guī)模使用Y－STR標(biāo)記用于家牛起源進(jìn)化研究開了先河。

由于微衛(wèi)星標(biāo)記具有較高的多態(tài)性，使用多個(gè)Y－STR標(biāo)記就可以構(gòu)建遠(yuǎn)比Y－SNP標(biāo)記豐富的單倍型，這樣就可以很好地從父系遺傳角度研究群體的Y染色體多樣性和群體結(jié)構(gòu)。Li等［13］選擇了5個(gè)Y－STR 標(biāo)記（INRA124，INRA126，INRA189、BM861和BYM－1）研究了埃塞俄比亞北部地區(qū)牛群的群體遺傳結(jié)構(gòu)，共構(gòu)建了16種Y染色體單倍型，但發(fā)現(xiàn)Y染色體單倍型多樣度較低，各群體內(nèi)多樣度也較低，群體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。Kantanen等［14］使用5個(gè)Y－STR標(biāo)記（INRA124、INRA189、BM861、DYZ1和BYM－1）研究了歐洲34個(gè)家牛品種的Y染色體遺傳多樣性，構(gòu)建了26種Y染色體單倍型，表明YSTR標(biāo)記是研究家牛起源和群體結(jié)構(gòu)的理想分子標(biāo)記。

表1 常用于區(qū)分黃牛Y1，Y2和Y3單倍型組的Y－SNP標(biāo)記

表2 國(guó)外主要肉牛和奶牛品種Y染色體單倍型

在黃牛Y－STR位點(diǎn)分析過程中，發(fā)現(xiàn)部分曾經(jīng)用于父系遺傳多樣性與起源的標(biāo)記并非Y染色體特異標(biāo)記。Pérez－Pardal等［15］重新分析了此前常用的Y－STR標(biāo)記INRA124和INRA126，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)標(biāo)記在公牛與母牛中均有擴(kuò)增產(chǎn)物，不是黃牛Y染色體特有的，因此不能作為黃牛Y染色體遺傳多樣性與父系起源研究的特異分子標(biāo)記。Pérez－Pardal 等［16，17］利 用 Y－STR 標(biāo) 記 UMN0103、UMN2405和UMN2303，發(fā)現(xiàn)黃牛具有豐富的遺傳多樣性，證明這些微衛(wèi)星標(biāo)記在研究黃牛起源與群體遺傳多樣度方面具有很大的潛力。

3.3 Y－SNP 與Y－STR 標(biāo)記的聯(lián)合使用

由于Y－SNP與Y－STR分子標(biāo)記各有特點(diǎn)，只有將兩者結(jié)合才能完整地反映黃牛群體的Y染色體單倍型多樣度與父系起源。近年來越來越多的研究已經(jīng)將二者結(jié)合起來分析牛群的Y染色體單倍型結(jié)構(gòu)和父系起源歷史。

黃牛Y－SNP 和Y－STR 結(jié)合可以產(chǎn)生豐富的Y染色體單倍型，僅選擇最經(jīng)典的2個(gè)Y－STR標(biāo)記BM861和INRA189，結(jié)合Y－SNP標(biāo)記就可以得到黃牛多種Y染色體單倍型，表2列出了依據(jù)上述2個(gè)Y－STR標(biāo)記和Y－SNP 標(biāo)記分析的部分國(guó)外著名肉牛和奶牛品種的Y染色體單倍型。Ginja等［18］使用Y－SNP和Y－STR標(biāo)記研究了13個(gè)葡萄牙牛品種Y染色體單倍型結(jié)構(gòu)，在普通牛中發(fā)現(xiàn)了12種Y染色體單倍型，并發(fā)現(xiàn)葡萄牙牛品種中滲有荷斯坦牛的血統(tǒng)。隨后，Ginja等［19］又使用類似的方法并結(jié)合線粒體DNA數(shù)據(jù)，分析了美洲克里奧爾牛的起源和遺傳多樣性，最終確定了24種Y染色體特異單倍型，檢測(cè)到了豐富的Y染色體單倍型多樣度，并發(fā)現(xiàn)美洲克里奧爾牛包含海福特牛、瘤牛等多種血統(tǒng)。Pérez－Pardal等［20］在非洲和歐洲本地牛品種中檢測(cè)到Y(jié)1和Y2兩種單倍型組，細(xì)分為38種Y染色體單倍型。最近，Edwards等［21］利用YSNP和Y－STR標(biāo)記分析了世界范圍內(nèi)138個(gè)品種的Y染色體單倍型，其中包括世界著名商品肉牛和奶牛品種的Y染色體單倍型與父系起源。

4 中國(guó)黃牛Y染色體分子標(biāo)記的研究概況

通過對(duì)中國(guó)黃牛Y染色體形態(tài)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)黃牛起源于普通牛和瘤牛，北方黃牛受普通牛的影響大，南方黃牛受瘤牛的影響大，中原黃牛同時(shí)受到普通牛和瘤牛的影響［22］。

國(guó)內(nèi)對(duì)黃牛Y染色體單倍型多樣性的研究仍比較少，且微衛(wèi)星主要使用的是聚丙烯酰胺凝膠電泳技術(shù)，分辨率低，不足以反映黃牛群體中豐富的Y染色體單倍型結(jié)構(gòu)。Cai等［23］使用UMN2404和UMN0103 Y－STR位點(diǎn)研究中國(guó)黃牛的Y染色體遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)這2個(gè)Y－STR標(biāo)記可以區(qū)分普通牛和瘤牛血統(tǒng)，并總結(jié)了中國(guó)地方黃牛中普通牛和瘤牛Y染色體的分布特征及Y染色體基因的流動(dòng)遷移模式。認(rèn)為北方牛群中普通牛Y染色體單倍型頻率最高，瘤牛Y染色體單倍型在南方種群中占有優(yōu)勢(shì)，中原黃牛同時(shí)具有普通牛和瘤牛Y染色體單倍型。瘤牛Y染色體單倍型頻率呈現(xiàn)自南而北、自東而西逐漸降低的趨勢(shì)，這種基因流動(dòng)模式的形成可能是由歷史事件、地理隔離以及氣候環(huán)境差異等造成的。Xin 等［24］使用6個(gè)Y－STR 位 點(diǎn)（UMN0929，UMN0108，UMN0920，INRA124，UMN2404和UMN0103）著重分析了秦川牛的Y染色體遺傳多樣性，確定了秦川牛的普通牛起源，進(jìn)一步研究［25］發(fā)現(xiàn)UMN0929的多態(tài)性與秦川牛胴體重、肉用指數(shù)等胴體性狀有很強(qiáng)的相關(guān)性。常振華等［26］利用Y－SNP 標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)中國(guó)黃牛存在2種主要的Y2（普通牛）和Y3（瘤牛）單倍型組，再次證明了中國(guó)黃牛的普通牛和瘤牛血統(tǒng)。

雖然我國(guó)黃牛存在普通牛和瘤牛2種主要的血統(tǒng)，但由于國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)黃牛Y－STR分型均使用的是聚丙烯酰胺凝膠電泳技術(shù)，該技術(shù)分辨率低，不能分出各單倍型組內(nèi)的精細(xì)單倍型，因此使用國(guó)際通用的熒光微衛(wèi)星技術(shù)，可以準(zhǔn)確分析中國(guó)黃牛豐富的Y染色體單倍型，從而揭示我國(guó)地方黃牛品種與國(guó)際著名商品肉牛品種的Y染色體單倍型的異同點(diǎn)，是下一步要開展的工作，將為中國(guó)特色肉牛品種的培育提供科學(xué)依據(jù)。

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Progress on Molecular Genetic Diversity of Cattle Y Chromosome

LI Ran1，CHANG Zhen－h(huán)ua2，XU Ping1，HUANG Jie－ping1，CHEN Hong1，LEI Chu－zhao＊1

（1.College of Animal Science and Technology，Northwest A ＆ F University，Yangling，Shaanxi 712100；2.Weinan Vocational and Technical College，Weinan，Shaanxi 714000）

Y chromosome molecular genetic diversity is an important tool for tracing animal origin，domestication history and migrating routines and it can also be used to analyze the paternal genetic diversity of a certain population or investigate the male－mediated introgression between populations.Y chromosome haplotype diversity can be revealed by Y chromosome single nucleotide polymorphism （Y－SNP）and Y chromosome microsatellite（Y－STR）respectively or by combination of these two kinds of markers together to obtain more specific Y chromosome haplotypes.Cattle have three paternal origins（Y1，Y2in Bos taurus and Y3in Bos indicus）which can be distinguished by Y－SNP markers，while the abundant specific haplotypes in Y1，Y2and Y3haplogroup respectively can be further identified by using Y－STR markers.This paper reviewed the research progress on cattle Y chromosome diversity and paternal origins in China and other foreign countries.

Cattle；Y chromosome haplotype；paternal origin

S823.2

A

1001－9111（2012）04－0043－05

2012－02－10

2012－04－07

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃（NCET－07－0699）和國(guó)家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS－38）資助

李 冉（1986－），男，河南南陽市人，博士研究生，主要從事動(dòng)物遺傳資源研究。

＊通訊作者：雷初朝（1968－），男，湖南常寧市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事動(dòng)物遺傳資源研究。