家牛祖先如何占据热带“江山”

作为世界上最重要的家养动物之一，现代家牛为人类提供了肉、奶和皮革等产品。现代家牛的两个亚种——普通牛和瘤牛，分别于约11000年前和9000年前驯化于西南亚和南亚地区。

在我国56个地方黄牛品种中，32个品种拥有瘤牛血统。11月28日，《自然—通讯》在线发表了西北农林科技大学教授雷初朝联合西北农林教授姜雨、崖州湾国家实验室首席科学家韩建林和国际家畜研究所教授Olivier Hanotte等共同完成的论文。

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典型的瘤牛——巴基斯坦Dhanni牛。Quratulain Hanif摄

该研究揭示了全球瘤牛基因组特有的遗传特征、谱系地理模式和迁移扩散路线，其中东亚瘤牛由于受到近缘野牛的基因渗入，适应了东亚热带极端湿热环境。该研究为了解瘤牛的起源进化和环境适应性提供了科学依据。

占据“半壁江山”的瘤牛

自驯化以来，家牛成功扩散到世界各地。据联合国粮农组织2019年数据统计，全世界目前有家牛14.8亿头，其中瘤牛占一半。

论文共同通讯作者雷初朝介绍，瘤牛和普通牛在体型外貌上差异明显。瘤牛最显著的外貌特征是有肩峰和垂皮，皮肤表面积大，汗腺多，毛短而光滑，耐热、耐粗饲，对蜱虫等寄生虫有明显的抗性。因此，瘤牛自驯化以来，从南亚地区扩散到其他热带—亚热带地区，广泛分布于南亚、东南亚、东亚、非洲和美洲等地，成为热带—亚热带最重要的家畜之一。

“瘤牛在中国也非常重要，56个地方黄牛品种中，32个品种拥有瘤牛血统。”雷初朝说，他的团队前期对中国地方黄牛品种进行了全基因组重测序研究，发现中国瘤牛具有独特的基因组遗传特征和独立的父系起源，其种质特性明显不同于南亚瘤牛。

“瘤牛在热带—亚热带地区农业生产系统中，无论是极端干旱地区还是极端湿热地区，均发挥着核心作用。瘤牛如此重要，但是目前还未见到关于全球瘤牛的基因组遗传多样性和适应性进化研究。”论文共同通讯作者韩建林告诉《中国科学报》。

瘤牛对环境的适应性基础

论文共同通讯作者姜雨介绍，该研究首次对全球主要瘤牛群体的全基因组最大数据集进行了系统分析。根据分析结果，全世界瘤牛分为三个主要的祖先群体，即南亚瘤牛、非洲瘤牛和东亚瘤牛。其中，东亚瘤牛的基因组遗传多样性最高。

在进化位置上，中国西南瘤牛和东南亚瘤牛位于南亚瘤牛和东亚瘤牛之间，东南亚瘤牛比中国西南瘤牛具有更多的南亚瘤牛血统，西藏瘤牛和尼泊尔瘤牛属于南亚瘤牛。

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2023年仍在役用的中国海南牛。韩建林摄

韩建林介绍，一般来说，在热带—亚热带地区，瘤牛比普通牛对高温、寄生虫和传染病有更强的适应性和抵抗力。那么，瘤牛适应环境的遗传基础是什么？

研究团队对此展开了深入研究。通过比较瘤牛和普通牛的基因组，他们检测到117个瘤牛和普通牛基因组中高度分化的候选基因，其中，位于7号、1号和19号染色体上与瘤牛的耐热、免疫、代谢调节等相关的基因受到了高度选择。

此外，他们还鉴定到与毛发生长、心脏发育、血液循环、DNA损伤和光反应有关的基因，这些基因有助于保护在炎热地区的瘤牛免受极端高温和太阳辐射的影响。

“这些分化基因可以解释瘤牛与普通牛的部分表型差异。它们在不同瘤牛群体中均表现出一致的受选择信号，表明整个瘤牛群体适应高温环境受遗传学控制。”姜雨说。

瘤牛的扩散和适应过程

该研究通过对全球瘤牛核基因组、线粒体基因组和Y染色体变异进行系统分析，绘制出了全球瘤牛的谱系地理模式和迁移路线。

分析表明，南亚为全世界瘤牛的唯一驯化中心，瘤牛西迁的后裔是非洲瘤牛，东迁的后裔是东亚瘤牛。瘤牛在距今3500年左右沿东南亚沿海地区扩散到东亚南部。

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分布于印度尼西亚的爪哇野牛。韩建林摄

不过，南亚和东亚的气候条件互不相同，这些地区的瘤牛祖先群体又是如何适应不同的气候条件呢？

雷初朝介绍，南亚瘤牛为瘤牛的祖先群体，分布在高温、强紫外辐射和低雨量为特征的半干旱环境，长期的自然选择让它们进化出适应当地独特环境的遗传机制。

该研究在南亚瘤牛中鉴定到其对半干旱环境的遗传适应相关的各种重要基因和信号通路。例如，与体液平衡、感官能力和毛色相关的受选择基因，以及花生四烯酸代谢和传染病相关代谢通路。

而我国南部农业生态的特点是湿度大，雨量多，热带病发病率高。瘤牛在向东迁移的过程中，要适应与南亚完全不同的气候条件。

他们发现，近期自然选择和近缘野牛的基因组渗入共同促进了中国瘤牛对极端湿热环境的适应性。例如，在中国瘤牛中检测到近期受选择基因和渗入基因来自于爪哇野牛和印度野牛，参与了环境适应、神经系统、内分泌系统、水运输、血液稳态、氧运输等生物学过程。

Olivier Hanotte强调，该项研究样本来源广泛，囊括了全世界主要瘤牛群体，并从基因组学角度系统分析比较了中国瘤牛、南亚瘤牛与非洲瘤牛的异同点，而瘤牛能很快适应各种湿热环境条件的主要原因，是由于近缘野牛基因渗入所致。

国际旱地农业研究中心动物基因组学团队首席Joram M. Mwacharo教授认为，该论文澄清了中国瘤牛的起源问题，并首次提出新的假说，即南亚瘤牛东迁中国发生在约3500年前，并沿东南亚沿海地区扩散到中国南部，这是一个很重要且新颖的观点。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43626-z