黃牛Y染色體分子遺傳多樣性研究進展

李 冉，常振華，徐 蘋，黃潔萍，陳 宏，雷初朝＊

（1.西北農林科技大學動物科技學院，陜西 楊凌 712100；2.渭南職業技術學院，陜西 渭南 714000）

黃牛Y染色體分子遺傳多樣性研究進展

李 冉1，常振華2，徐 蘋1，黃潔萍1，陳 宏1，雷初朝＊1

（1.西北農林科技大學動物科技學院，陜西 楊凌 712100；2.渭南職業技術學院，陜西 渭南 714000）

Y染色體分子遺傳多樣性是追溯動物起源、馴化歷史和遷徙路線的重要工具，也可以用來反映動物的父系遺傳多樣性及用于研究群體間父系介導的雜交情況。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性（Y－SNP）和Y染色體微衛星多態性（YSTR）或這二者結合起來構建精確的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來區分，通過－STR標記可以區分Y1、Y2和Y3所具有的豐富的精細單倍型。本文匯集了包括中國在內的國內外黃牛Y染色體遺傳多樣性與起源進化的研究進展。

黃牛；Y染色體單倍型；父系起源

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

1 黃牛Y染色體的結構特點

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

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

2 Y染色體分子標記的特點

位于MSY的Y－SNP在進化歷程中幾乎不存在回復突變，能忠實記錄父系祖先的進化歷史，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，而每個特異的單倍型組代表一個父系起源，這樣就可以分析各單倍型組的系統發育關系［4］。位于動物Y染色體MSY區的Y－STR分子標記具有豐富的多態性，可以產生不同大小的等位基因，組成不同的單倍型，因此依靠Y－STR標記也可以分析動物的Y染色體遺傳多態性與父系起源。使用YSNPs來確定動物主要的Y染色體單倍型組，再根據Y－STRs來細化各個單倍型組內的Y染色體單倍型，二者結合起來就可以完整地反映動物Y染色體的起源歷史。

盡管Y染色體分子標記已經在闡明人類的起源和遷移路線上發揮了重要作用，但在動物遺傳多樣性與起源進化研究方面仍然較少。主要原因在于Y染色體結構特殊，重復序列多，測序比較困難，迄今只有人類Y染色體完成了測序。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染色體分子標記就可以構建Y染色體特異單倍型，闡明父系遺傳多樣性，因此關鍵在于如何篩選有效的Y染色體標記。大量的研究表明［6］，有效的Y染色體分子標記需要滿足以下條件：①Y染色體的特異性；② 單拷貝擴增；③ 多態性豐富。近年來，隨著測序技術的進步和生物信息學的發展，研究人員已經獲得了越來越多的黃牛Y染色體序列，并發現了大量有效的Y染色體分子標記，極大地促進了世界范圍內黃牛Y染色體遺傳多樣性與父系起源的研究。

圖1 黃牛Y染色體結構和基因的分布

3 國外黃牛Y染色體遺傳多樣性與起源進化研究進展

3.1 Y－SNP 標記

2003年Kikkawa等［7］發現黃牛SRY基因3個Y－SNPs，構建了4種單倍型，可以區分普通牛、瘤牛、巴厘牛和牦牛，推測亞洲各地牛種（中國、蒙古、韓國、孟加拉和尼泊爾等國）在馴化過程中都有不同程度的雜交，通過雄性介導的基因滲入使現在的亞洲家牛品種為多父系起源。G?therstr?m等［8］使用5個Y－SNP 標 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，認為Y1在歐洲原牛中并不占優勢，因此推翻了G?therstr?m等的觀點，認為歐洲家牛在馴化過程中沒有與當地原牛雜交。最近，Bonfiglio等［10］發現通過USP9Y基因可以區分普通牛的Y1和Y2及瘤牛的Y3單倍型組（表1），通過該基因內含子26上的一個81bp的插入和一個限制性酶切位點進行瓊脂糖電泳能夠直接對這3種單倍型組進行分型，不需要測序，這樣就大大降低了分型成本和工作量。

3.2 Y－STR 標 記

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

目前在黃牛Y染色體MSY區已經發現了多個可以區分普通牛和瘤牛的Y－STR標記，發現了豐富的Y染色體特異單倍型。Edwards等［11］發現4個Y－STR 位點（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的基因滲入情況。隨后，Liu等［12］研究了38個Y－STR 位點在17頭公牛中的多態性，其中發現14個Y－STR位點具有不同程度的多態性，為大規模使用Y－STR標記用于家牛起源進化研究開了先河。

由于微衛星標記具有較高的多態性，使用多個Y－STR標記就可以構建遠比Y－SNP標記豐富的單倍型，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構。Li等［13］選擇了5個Y－STR 標記（INRA124，INRA126，INRA189、BM861和BYM－1）研究了埃塞俄比亞北部地區牛群的群體遺傳結構，共構建了16種Y染色體單倍型，但發現Y染色體單倍型多樣度較低，各群體內多樣度也較低，群體結構簡單。Kantanen等［14］使用5個Y－STR標記（INRA124、INRA189、BM861、DYZ1和BYM－1）研究了歐洲34個家牛品種的Y染色體遺傳多樣性，構建了26種Y染色體單倍型，表明YSTR標記是研究家牛起源和群體結構的理想分子標記。

表1 常用于區分黃牛Y1，Y2和Y3單倍型組的Y－SNP標記

表2 國外主要肉牛和奶牛品種Y染色體單倍型

在黃牛Y－STR位點分析過程中，發現部分曾經用于父系遺傳多樣性與起源的標記并非Y染色體特異標記。Pérez－Pardal等［15］重新分析了此前常用的Y－STR標記INRA124和INRA126，發現這兩個標記在公牛與母牛中均有擴增產物，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記。Pérez－Pardal 等［16，17］利 用 Y－STR 標 記 UMN0103、UMN2405和UMN2303，發現黃牛具有豐富的遺傳多樣性，證明這些微衛星標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 標記的聯合使用

由于Y－SNP與Y－STR分子標記各有特點，只有將兩者結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將二者結合起來分析牛群的Y染色體單倍型結構和父系起源歷史。

黃牛Y－SNP 和Y－STR 結合可以產生豐富的Y染色體單倍型，僅選擇最經典的2個Y－STR標記BM861和INRA189，結合Y－SNP標記就可以得到黃牛多種Y染色體單倍型，表2列出了依據上述2個Y－STR標記和Y－SNP 標記分析的部分國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標記研究了13個葡萄牙牛品種Y染色體單倍型結構，在普通牛中發現了12種Y染色體單倍型，并發現葡萄牙牛品種中滲有荷斯坦牛的血統。隨后，Ginja等［19］又使用類似的方法并結合線粒體DNA數據，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，檢測到了豐富的Y染色體單倍型多樣度，并發現美洲克里奧爾牛包含海福特牛、瘤牛等多種血統。Pérez－Pardal等［20］在非洲和歐洲本地牛品種中檢測到Y1和Y2兩種單倍型組，細分為38種Y染色體單倍型。最近，Edwards等［21］利用YSNP和Y－STR標記分析了世界范圍內138個品種的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 中國黃牛Y染色體分子標記的研究概況

通過對中國黃牛Y染色體形態學分析，發現中國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，中原黃牛同時受到普通牛和瘤牛的影響［22］。

國內對黃牛Y染色體單倍型多樣性的研究仍比較少，且微衛星主要使用的是聚丙烯酰胺凝膠電泳技術，分辨率低，不足以反映黃牛群體中豐富的Y染色體單倍型結構。Cai等［23］使用UMN2404和UMN0103 Y－STR位點研究中國黃牛的Y染色體遺傳多樣性，發現這2個Y－STR標記可以區分普通牛和瘤牛血統，并總結了中國地方黃牛中普通牛和瘤牛Y染色體的分布特征及Y染色體基因的流動遷移模式。認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勢，中原黃牛同時具有普通牛和瘤牛Y染色體單倍型。瘤牛Y染色體單倍型頻率呈現自南而北、自東而西逐漸降低的趨勢，這種基因流動模式的形成可能是由歷史事件、地理隔離以及氣候環境差異等造成的。Xin 等［24］使用6個Y－STR 位 點（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，進一步研究［25］發現UMN0929的多態性與秦川牛胴體重、肉用指數等胴體性狀有很強的相關性。常振華等［26］利用Y－SNP 標記，發現中國黃牛存在2種主要的Y2（普通牛）和Y3（瘤牛）單倍型組，再次證明了中國黃牛的普通牛和瘤牛血統。

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

［1］Su B，Xiao J，Underhill P，et al.Y－Chromosome evidence for a northward migration of modern humans into Eastern Asia during the last Ice Age［J］.Am.J.Hum.Genet.，1999，65：1718－1724.

［2］Liu W－S，Mariani P，Beattie C W，et al.A radiation hybrid map for the bovine Y Chromosome［J］.Mamm.Genome，2002，13：320－326.

［3］Jobling M A，Tyler－Smith C.The human Y chromosome：an evolutionary marker comes of age［J］.Nat.Rev.Genet.，2003，4：598－612.

［4］Ramakrishnan U，Mountain J L.Precision and accuracy of divergence time estimates from STR and SNP variation［J］.Mol.Biol.Evol.，2004，21：1960－1971.

［5］Hellborg L，Ellegren H.Low levels of nucleotide diversity in mammalian Y chromosomes［J］.Mol.Biol.Evol.，2004，21：158－163.

［6］Greminger M P，Krützen M，Schelling C，et al.The quest for Y－chromosomal markers－methodological strategies for mammalian non－model organisms［J］.Mol.Ecol.Resour.2010，10：409－420.

［7］G?therstr?m A，Anderung C，Hellborg L，et al.Cattle domestication in the Near East was followed by hybridization with aurochs bulls in Europe［J］.Proc.R.Soc.B：Biol.Sci.，2005，272：2345－2351.

［8］Kikkawa Y，Takada T，Nomura K，et al.Phylogenies using mtDNA and SRY provide evidence for male－mediated introgression in Asian domestic cattle［J］.Anim.Genet.，2003，34：96－101.

［9］Bollongino R，Elsner J，Vigne J D，et al.Y－SNPs do not indicate hybridisation between European aurochs and domestic cattle［J］.PLoS One，2008，3：e3418.

［10］Bonfiglio S，De Gaetano A，Tesfaye K，et al.A novel USP9Y polymorphism allowing a rapid and unambiguous classification of Bos taurus Y chromosomes into haplogroups［J］.Anim.Genet.，2012.

［11］Edwards C，Gaillard C，Bradley D，et al.Y－specific microsatellite polymorphisms in a range of bovid species［J］.Anim.Genet.，2000，31：127－130.

［12］Liu W S，Beattie C W，Ponce de León FA.Bovine Y chromosome microsatellite polymorphisms［J］.Cytogenet.Genome Res.，2003，102：53－58.

［13］Li M H，Zerabruk M，Vangen O，et al.Reduced genetic structure of north Ethiopian cattle revealed by Y－chromosome analysis［J］.Heredity，2007，98：214－221.

［14］Kantanen J，Edwards C，Bradley D，et al.Maternal and paternal genealogy of Eurasian taurine cattle（Bos taurus）［J］.Heredity，2009，103：404－415.

［15］Pérez－Pardal L，Royo LJ，álvarez I，et al.Female segregation patterns of the putative Y－chromosome－specific microsatellite markers INRA124and INRA126do not support their use for cattle population studies［J］.Anim.Genet.2009，40：560－564.

［16］Pérez－Pardal L，Ginja C，Royo L J，et al.Genetic structure of the bovine Y－specific microsatellite UMN0103reflects the genetic history of the species［J］.Anim.Genet.2011，42：566－567.

［17］Perez－Pardal L，Royo L J，Beja－Pereira A，et al.Multiple paternal origins of domestic cattle revealed by Y－specific interspersed multilocus microsatellites［J］.Heredity，2010，105：511－519.

［18］Ginja C，Telo da Gama L，Penedo MCT.Y Chromosome Haplotype Analysis in Portuguese Cattle Breeds Using SNPs and STRs［J］.J.Hered.，2009，100：148－157.

［19］Ginja C，Penedo MCT，Melucci L，et al.Origins and genetic diversity of New World Creole cattle：inferences from mitochondrial and Y chromosome polymorphisms［J］.Anim.Genet.，2010，41：128－141.

［20］Pérez－Pardal L，Royo L，Beja－Pereira A，et al.Y specific microsatellites reveal an African subfamily in taurine（Bos taurus）cattle［J］.Anim.Genet.，2010，41：232－241.

［21］Edwards C J，Ginja C，Kantanen J，et al.Dual origins of dairy cattle farming－Evidence from a comprehensive survey of European Y－chromosomal variation［J］.PLoS One，2011，6：e15922.

［22］張潤鋒，李曉峰，陳 宏.中國地方黃牛的Y染色體遺傳多樣性及其進化起源［J］.基因組學與應用生物學2009，28（5）：1032－1038.

［23］Cai X，Chen H，Wang S，et al.Polymorphisms of two Y chromosome microsatellites in Chinese cattle［J］.Genet.Sel.Evol.，2006，38：1－10.

［24］Xin Y，Zan L，Liu Y，et al.Population genetic analysis of 6 YSTRloci in Chinese northwestern Qinchuan yellow cattle breed［J］.Mol.Biol.Rep.，2010，37：3043－3049.

［25］Xin Y，Zan L，Wang Y，et al.Polymorphism of bovine Y－STR UMN0929and its correlation with carcass traits in five Chinese beef cattle populations［J］.Mol.Biol.Rep.，2011，38：411－416.

［26］常振華，衛利選，張潤鋒，等.中國黃牛Y－SNPs遺傳多樣性與起源研究［J］.畜牧獸醫學報，2011，42：1537－1542.

Progress on Molecular Genetic Diversity of Cattle Y Chromosome

LI Ran1，CHANG Zhen－hua2，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

教育部新世紀優秀人才計劃（NCET－07－0699）和國家肉牛牦牛產業技術體系（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，博士生導師，主要從事動物遺傳資源研究。