胡 丹,鐘金城*,柴志欣
(1.青藏高原動(dòng)物遺傳資源保護(hù)與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西南民族大學(xué) 成都 610041;2.西南民族大學(xué) 青藏高原研究院,成都610041)
細(xì)胞色素b基因(Cytb)是哺乳動(dòng)物線粒體DNA(mtDNA)上一個(gè)重要的功能基因,編碼線粒體氧化磷酸化復(fù)合體III蛋白質(zhì),該蛋白質(zhì)由379個(gè)氨基酸組成[1],因其基因功能限制,具有較強(qiáng)的保守性,插入和缺失的變異很少出現(xiàn)在Cytb基因中,大多數(shù)堿基置換集中在轉(zhuǎn)換和顛換兩種情況,因而Cytb基因經(jīng)常被作為分析物種間遺傳進(jìn)化關(guān)系的重要標(biāo)記[2],是最為理想的線粒體DNA遺傳標(biāo)記之一[3-5]。近年來基于mtDNA的基因研究被廣泛應(yīng)用于牦牛這一特殊物種上,姬秋梅等[6]通過對(duì)西藏牦牛Cytb基因的測(cè)序研究,系統(tǒng)闡述了西藏眾多牦牛類群的進(jìn)化地位和種內(nèi)遺傳多樣性;Cytb基因還被用于種間起源的研究當(dāng)中,李齊發(fā)等[7]通過對(duì)野牦牛和家牦牛這兩個(gè)親緣關(guān)系較近的物種的線粒體基因研究,證實(shí)了家牦牛與野牦牛在遺傳進(jìn)化關(guān)系上是由同一祖先進(jìn)化而來的觀點(diǎn);涂世英等[8]對(duì)中甸牦牛Cytb基因進(jìn)行了測(cè)序,進(jìn)一步證實(shí)了牦牛不同類群間存在巨大的基因多態(tài)性差異。而mtDNA中的D-loop區(qū)與Cytb不同,其進(jìn)化速度快,變異較大,適用于對(duì)亞科內(nèi)屬、種間的系統(tǒng)學(xué)研究,郭松長(zhǎng)等[9]通過D-loop區(qū)部分序列的變異,對(duì)我國(guó)10個(gè)家牦牛品種間的遺傳多樣性、聚類關(guān)系進(jìn)行了分析;張成福等[10]對(duì)西藏牦牛的D-loop區(qū)序列進(jìn)行了測(cè)序,對(duì)其眾多類群的進(jìn)化分類進(jìn)行了不同角度的論證;汪琦等[11]測(cè)定了三江黃牛D-loop區(qū)部分序列對(duì)三江黃牛這一重要經(jīng)濟(jì)品種的系統(tǒng)進(jìn)化地位進(jìn)行了闡述。
塔什庫(kù)爾干牦牛主要分布于我國(guó)新疆塔里木盆地西部、帕米爾高原東部、青藏高原北部邊緣及塔吉克斯坦東北部海拔2 900~4 700 m的高寒草原草場(chǎng)及高寒草甸草場(chǎng),屬役、肉、乳、毛皮兼用型的原始地方牦牛類群[12-15],體格粗壯結(jié)實(shí),毛色以黑、灰居多,對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗逆性好,是新疆帕米爾高原高寒地區(qū)農(nóng)牧民賴以生存的重要畜種[5]。本研究測(cè)定了10個(gè)塔什庫(kù)爾干牦牛個(gè)體的Cytb基因和D-loop區(qū)序列,通過克隆測(cè)序探討了新疆西部高海拔地區(qū)這一新的牦牛類群的遺傳多樣性和mtDNA分子進(jìn)化關(guān)系,為塔什庫(kù)爾干牦牛這一獨(dú)特遺傳資源的進(jìn)一步保護(hù)與開發(fā)利用提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。
在新疆自治區(qū)塔什庫(kù)爾干自治縣塔合曼鄉(xiāng)采集健康成年牦牛耳組織樣品10個(gè)(75°54'12"E,32°0′36′′N,數(shù)據(jù)來源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心,http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。耳樣于75%乙醇溶液中保存帶回實(shí)驗(yàn)室-20 ℃低溫保存?zhèn)溆谩?/p>
使用動(dòng)物組織基因組DNA提取試劑盒(TianGen),提取牦牛耳樣DNA后產(chǎn)物分別進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳和紫外分光光度計(jì)檢測(cè) DNA濃度和質(zhì)量。
參考涂世英等[8]、楊萬遠(yuǎn)等[16]對(duì)中甸牦牛和野牦牛Cytb基因設(shè)計(jì)的引物,其中F:5'-GTTCCGTAGCCATAGCCG-3',R:5'-TTGAGTCTTAGGGAGGTT-3',對(duì)塔什庫(kù)爾干牦牛細(xì)胞色素b基因進(jìn)行擴(kuò)增;參考郭松長(zhǎng)等[9]對(duì)家牦牛D-loop區(qū)序列設(shè)計(jì)的引物,其中F:5'-CTGCAGTCTCACCATCAACC-3',R:5'-GGGGTGTAGATGCTTGC-3',對(duì)D-loop區(qū)序列進(jìn)行擴(kuò)增??侾CR反應(yīng)體系為25 μL,其中,上下游引物均為1 μL,模板DNA為1 μL,2×long Taq DNA預(yù)混酶12.5 μL,滅菌ddH2O 9.5 μL。PCR反應(yīng)條件為:94 ℃預(yù)變性3.5 min;94 ℃變性45s;54 ℃退火50 s;72 ℃延伸1 min,35個(gè)循環(huán);最后72 ℃延伸8 min,4 ℃保存。
PCR產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)目的片段大小后進(jìn)行膠回收,用DNA純化試劑盒分離純化后連接在PMD19-T載體上,將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到高敏感度感受態(tài)細(xì)胞DH5中,再涂于LB平板(20g/L X-Gal,10g/L IPTG,10g/L Amp)上培養(yǎng)12 h后,挑取單一白色菌落接種在LB(10g/L Amp)液體培養(yǎng)基上震蕩培養(yǎng)8 h,重組質(zhì)粒進(jìn)行菌液PCR后由英濰捷基(上海)生物技術(shù)有限公司測(cè)序[11]。
從Genebank獲得的牛亞科代表物種以及綿羊作為外群體的序列來源見表1。
表1 牛亞科代表性牛種及外類群序列來源Table 1 The source of sequences in part of Bovinae varieties and outgroup
使用DNAMAN軟件對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行編輯整理;再使用clustalX1.83軟件對(duì)同源序列進(jìn)行比較;使用DNAsp5.0軟件統(tǒng)計(jì)塔什庫(kù)爾干牦牛核苷酸多樣性(Nucleotide diversity)、單倍型多樣度(Haplotype diversity)和核苷酸單倍型數(shù)(Number of Haplotypes),之后對(duì)突變位點(diǎn)進(jìn)行Tajima's D中性檢驗(yàn);使用MEGA5.0軟件,自舉分析(Bootstrap)采用1000次重復(fù)抽樣,按照Kimura-Two-Parameter模型計(jì)算遺傳距離,NJ(Neighbor Joining Method)法構(gòu)建進(jìn)化樹。
在普通牛mtDNA序列(Genebank Accession No.V00654)中,細(xì)胞色素b長(zhǎng)度為1 140 bp,塔什庫(kù)爾干牦牛PCR擴(kuò)增結(jié)果長(zhǎng)度為1 650 bp左右(圖1),與參考序列比對(duì)后,完全比對(duì)上的序列長(zhǎng)度為1 140 bp,擴(kuò)增出Cytb基因。參考普通牛mtDNA全序列得知D-loop區(qū)序列長(zhǎng)度為898 bp,塔什庫(kù)爾干牦牛PCR擴(kuò)增結(jié)果長(zhǎng)度為 920 bp,將測(cè)序得到的序列與參考序列比對(duì),完全比對(duì)上的長(zhǎng)度在 890~910 bp之間,擴(kuò)增出D-loop區(qū)序列。
2.2.1 堿基序列組成 塔什庫(kù)爾干牦牛Cytb基因的全序列長(zhǎng)度為1 140 bp,個(gè)體間序列長(zhǎng)度無差異;T、A、G、C的含量分別為27.72%、33.21%、12.92%、26.15%;A+T含量為60.93%;G+C含量為39.07%,具有明顯的堿基偏好性。D-loop區(qū)序列全長(zhǎng)在890~910 bp之間,不同個(gè)體間存在序列長(zhǎng)度差異;4種核苷酸T、A、G、C的平均比例分別為26.12%、34.22%、25.27%、14.39%,;A+T含量為60.34%;G+C含量為39.66%,同樣存在明顯的堿基偏好性。
2.2.2Cytb基因和D-loop區(qū)序列的多態(tài)性 使用 DNAsp軟件計(jì)算塔什庫(kù)爾干牦牛Cytb基因序列的核苷酸多樣性(Nucleotide diversity)和單倍型多樣性(Hd),發(fā)現(xiàn)3個(gè)SNP位點(diǎn),全部為轉(zhuǎn)換,符合Cytb基因保守的特征;核苷酸多樣性(Pi)為0.00205,單倍型數(shù)(H)為3,其中Ta3~Ta10號(hào)樣本為一個(gè)單倍型, Ta2、Ta11號(hào)樣本各自為一個(gè)單倍型 (表2),單倍型多樣性(Hd)為0.378;塔什庫(kù)爾干牦牛Cytb基因在581~1 026 bp之間有1個(gè)保守區(qū)域,在該保守區(qū)域內(nèi),A、T含量為58.1%;Tajima為-0.21 206,中性檢驗(yàn)結(jié)果不顯著(P>0.10)。D-Loop區(qū)共統(tǒng)計(jì)出36個(gè)SNP位點(diǎn),其中轉(zhuǎn)換11個(gè),顛換21個(gè),缺失3個(gè),其核苷酸多樣性(Pi)為0.00 839,分析得到的單倍型數(shù)(H)為6,單倍型多樣性(Hd)為0.778,Tajima為-1.66 098,中性檢驗(yàn)結(jié)果不顯著(P>0.05)。
選取美洲野牛、西藏牦牛等牛亞科代表性牛種及測(cè)序得到的塔什庫(kù)爾干牦牛,共15個(gè)牛種,以綿羊作為外類群用鄰接法(NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖2)。結(jié)果顯示塔什庫(kù)爾干牦牛首先與青海牦牛、巴州牦牛聚為一類,接著和西藏牦牛、野牦牛聚在一起,緊接著與美洲野牛聚在一起,普通牛、歐洲野牛和大額牛聚在一起后與牦牛一支聚在一起,而印度野牛與爪哇牛介于這兩支之間,牛亞科最外側(cè)為非洲水牛和亞洲水牛,犀牛、白犀牛、綿羊獨(dú)立于牛亞科物種之外?;贑ytb基因的牛亞種間遺傳距離見表3。由表3知,塔什庫(kù)爾干牦牛和巴州牦牛的遺傳距離最近為0.00115,其次是青海牦牛、西藏牦牛和野牦牛,分別為0.00345、0.00692和0.00808,最遠(yuǎn)的是犀牛0.23185,牛種間距離最遠(yuǎn)的是白犀牛和瓜哇牛,為0.24078。
選取麥洼牦牛、大通牦牛等牛亞科代表性牛種及測(cè)序得到的塔什庫(kù)爾干牦牛共14個(gè)牛種,同樣以綿羊作為外群體,NJ法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖3)。在進(jìn)化樹中,塔什庫(kù)爾干牦牛首先與麥洼牦牛和大通牦牛聚在一起,并與青海牦牛、巴州牦牛聚為一類,之后再與西藏牦牛和野牦牛聚為一類,之后和美洲野牛、歐洲野牛聚在一起,牛亞種群體中最外側(cè)為亞洲水牛,最后與綿羊聚在一起。基于D-loop區(qū)的牛亞種間遺傳距離見表4。由表4知,塔什庫(kù)爾干牦牛和麥洼牦牛的遺傳距離最近為0.00 148,其次是大通牦牛、巴州牦牛和青海牦牛,分別為0.00 471、0.00 994和0.00 808,最遠(yuǎn)的是亞洲水牛0.15 199,牛種間距離最遠(yuǎn)的是亞洲水牛和普通牛,為0.16 466。
表4 牛亞科不同物種間Kimura雙參數(shù)遺傳距離(D-loop)Table 4 Kimura 2-parameter genetic distance among species in Bovinae(D-loop)
本研究首次以塔什庫(kù)爾干牦牛線粒體基因?yàn)檠芯繉?duì)象,測(cè)定了塔什庫(kù)爾干牦牛10個(gè)個(gè)體的Cytb基因與D-loop區(qū)全序列,對(duì)塔什庫(kù)爾干牦牛的遺傳多樣性與系統(tǒng)進(jìn)化地位做出了進(jìn)一步分析。經(jīng)測(cè)定,Cytb基因序列總長(zhǎng)度為1 140 bp,發(fā)現(xiàn)3個(gè)多態(tài)位點(diǎn)且變異類型全部為轉(zhuǎn)換,符合Cytb基因保守的特點(diǎn); A、T、G、C四種堿基的含量百分比分別為27.72%、33.21%、12.92%、26.15%,表現(xiàn)出一定堿基偏好性;單倍型的多樣性為0.2 571,核苷酸多樣性為0.00 035。 D-loop區(qū)序列長(zhǎng)度在不同個(gè)體間存在差異,長(zhǎng)度在890~910 bp之間,4種核苷酸T、A、G、C的平均比例分別為26.12%、34.22%、25.27%、14.39%,同樣表現(xiàn)出一定的堿基偏好性。與Cytb基因不同的是,D-loop區(qū)進(jìn)化速度快,變異較大的特性在本研究中也有所體現(xiàn):本研究共統(tǒng)計(jì)出D-loop區(qū)序列中存在36個(gè)SNP位點(diǎn),其中轉(zhuǎn)換11個(gè),顛換21個(gè),缺失3個(gè),符合D-loop區(qū)序列的特征,也與汪琦等[11]對(duì)中甸牦牛D-loop區(qū)的研究結(jié)果相似;其單倍型多樣性(Hd)為0.778,核苷酸多樣性(Pi)為0.00 839,高于汪琦等[11]報(bào)道的中甸牦牛結(jié)果,表明塔什庫(kù)爾干牦牛種內(nèi)具有豐富的遺傳多樣性,其群體變異也在中國(guó)地方牦牛類群中處于較高水平,同時(shí),較高的單倍性多樣性及不均勻的核酸變異類型,說明塔什庫(kù)爾干牦牛群體內(nèi)存在兩種母系起源的可能性較大,這也與家牦牛具有兩種母系起源的研究結(jié)果吻合[11,17]。
圖2 NJ法構(gòu)建牛亞科系統(tǒng)發(fā)育樹(Cytb)Fig. 2 Neighborjoining tree reconstructed in Bovinae(Cytb)
圖3 NJ法構(gòu)建牛亞科系統(tǒng)發(fā)育樹(D-loop)Fig. 3 Neighborjoining tree reconstructed in Bovinae(D-loop)
本研究基于Cytb基因的牛亞科系統(tǒng)聚類分析得出,塔什庫(kù)爾干牦牛與巴州牦牛、青海牦牛聚為一類,接著與西藏牦牛和野牦牛聚為一類,表明塔什庫(kù)爾干牦牛與巴州牦牛和青海牦牛親緣關(guān)系近,原因可能與塔什庫(kù)爾干牦牛和巴州牦牛在地理位置上較近,使得其基因交流的機(jī)會(huì)大大增加,也與其生存環(huán)境相似有關(guān),而大部分巴州牦牛、青海牦牛與野牦牛親緣關(guān)系較近,與近年來人為育種改良存在必然聯(lián)系。在基于D-loop區(qū)序列的牛亞科系統(tǒng)聚類分析中,塔什庫(kù)爾干牦牛首先與麥洼牦牛和大通牦牛聚在一起,并與青海牦牛、巴州牦牛聚為一類,之后再與西藏牦牛和野牦牛聚為一類,與Cytb基因中與青海牦牛和巴州牦牛親緣關(guān)系近的推論不同的是,雖屬于同一分支,但塔什庫(kù)爾干牦牛與麥洼牦牛和青海大通牦牛的遺傳距離更近,之后才與巴州牦牛和青海牦牛聚在一起,這一結(jié)果也與D-loop區(qū)序列變異速度較快,樣本數(shù)量少有關(guān),但也進(jìn)一步說明了塔什庫(kù)爾干牦牛種內(nèi)遺傳多樣性的豐富性。Cytb基因與D-loop區(qū)的聚類分析同時(shí)表明西藏牦牛與野牦牛單獨(dú)聚為一類,和其他牦牛類群分開,也符合現(xiàn)有的家牦牛與野牦牛是同一祖先原始牦牛后代的起源觀點(diǎn)[18-24],塔什庫(kù)爾干牦牛在與巴州牦牛、青海牦牛和西藏牦牛的系統(tǒng)進(jìn)化分析中表現(xiàn)出豐富的遺傳多樣性,進(jìn)一步說明了這一新的牦牛類群在家畜遺傳資源的發(fā)掘過程中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本研究首次對(duì)塔什庫(kù)爾干牦牛10個(gè)個(gè)體的Cytb基因與D-loop區(qū)序列進(jìn)行了完整的克隆測(cè)序分析,對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)化地位做出了闡述。塔什庫(kù)爾干牦牛具有作為我國(guó)地方優(yōu)良地方牦牛品種的遺傳資源潛質(zhì),是寶貴的牦牛遺傳資源,其群體變異程度高,遺傳多樣性較為豐富,該結(jié)果可為塔什庫(kù)爾干牦牛遺傳資源的進(jìn)一步保護(hù)與利用提供理論基礎(chǔ)。