基于全基因組重測序分析中國地方雞的群體結構和保護優先權

摘要" ［目的］旨在對中國本土雞品種群體結構和保護優先權進行分析，促進畜牧業的可持續健康發展。［方法］收集了8個品種、共96個個體的重測序數據。通過主成分PCA分析、構建系統進化樹及近交和遺傳距離分析來了解群體結構，計算去除每個品種后總體基因和等位基因多樣性的增減、模擬計算品種對具有最大基因多樣性和最大等位基因多樣性合成群體的貢獻占比，進而系統評估品種保護優先權。［結果］所研究的品種可分為4個集群，其中藏雞與其他品種分化最高，其自身分為2個亞群，其他品種則分為南北2個集群。藏雞對遺傳多樣性的貢獻最大；其次是文昌雞和瑤雞，此三者應考慮作為優先保護的品種。［結論］該研究結果將可為地方雞品種保護與開發利用提供參考。

關鍵詞" 全基因組重測序；群體結構；遺傳多樣性；保護優先權

中圖分類號" S831" 文獻標識碼" A" 文章編號" 0517-6611（2024）05-0091-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.05.022

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Population Structure and Conservation Priorities Analysis of Chinese Indigenous Chicken Using Whole-genome Re-sequencing

GAO Chao-qun1，2， CAI Zhao1， HU Xiao-yu1，2 et al

（1. College of Animal Science and Technology， Henan Agricultural University， Zhengzhou， Henan 450046;2. The Shennong Laboratory， Zhengzhou， Henan 450046）

Abstract" ［Objective］ This study aims to analyze the population structure and conservation priorities of local chicken breeds in China to promote sustainable and healthy development of animal husbandry. ［Method］ The study collected whole-genome re-sequencing data of 96 individuals from eight breeds. The population structure was analyzed by principal component analysis （PCA）， constructing a phylogenetic tree， and analyzing inbreeding and genetic distances. The increase or decrease in overall gene and allele diversity was calculated by removing each breed， and the contribution of each breed to the synthesis of a population with maximum gene and allele diversity was simulated to systematically evaluate breed conservation priorities. ［Result］ The results showed that the eight breeds were divided into four clusters， with the highest differentiation between the Tibetan chicken and other breeds， which was further divided into two subclusters. The other breeds were divided into two clusters， northern and southern. The contribution of Tibetan chicken to genetic diversity is the highest;followed by Wenchang chicken and Yao chicken， these three should be considered as the priority conservation breeds. ［Conclusion］ The results of this study will provide a reference for the protection， development and utilization of local chicken breeds.

Key words" Whole-genome re-sequencing;Population structure;Genetic diversity;Conservation priority

基金項目" 中國博士后科學基金第66批面上資助二等資助（2019M66-2497）；河南省博士后科研項目二等資助（201902030）。

作者簡介" 高超群（1998—），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向：家禽遺傳育種。

*通信作者，副教授，博士，從事動物遺傳育種與繁殖研究。

收稿日期" 2023-03-30

由于本土品種可以更好地適應其特定的環境條件，人們對保護當地品種的關注日益增加［1-2］。中國作為家雞馴化中心，是世界上雞遺傳資源最豐富的國家之一。截至2022年，收錄在《中國畜禽遺傳資源志·家禽志》中的地方雞品種達到115個，中國地方雞在經歷幾千年的自然和人工選擇下已形成了紛繁、各具特色的品種，清楚地研究和理解種群之間和種群內部的多樣性及種群結構對于有效管理遺傳資源至關重要［3］。然而，世界上每一個畜禽品種都得到保護顯然是不可能實現的。因此，確定保護優先權是保種策略有效實施的關鍵。此前已有多項不同畜牧品種保護優先權的研究報道，例如基于微衛星標記分析希臘綿羊品種［4］與中國家鴨品種的保護優先權［5］，基于SNP 芯片對牛品種進行保護優先權分析［6］。但尚未有研究對中國本土雞品種的保護優先權進行系統評估。因此，為有效保護本土遺傳資源，保障我國養雞產業的可持續發展，尤其是在保種資金有限的情況下，確定其保護優先權是十分必要的。

為了保持種群對于未來潛在選擇壓力的適應力，保持遺傳多樣性是保護優先權的首要事項［7］，遺傳多樣性通常利用基因和等位基因多樣性來估計，由于基因多樣性對選擇效應敏感［8-9］，等位基因多樣性對瓶頸效應敏感［10］。該研究通過全基因組重測序數據分析中國本土雞品種對遺傳多樣性的貢獻，評估保護優先權和群體結構，以期為設計和實施遺傳資源保護策略提供參考。

1" 材料與方法

1.1" 材料

該研究所有品種的全基因組重測序數據均收集于NCBI（Sequence Read Archive；https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/）測序公共數據庫，項目號為：PRJNA482210，PRJNA306389。收集的品種包括淮北麻雞（HM）、惠陽胡須雞（HY）、江漢雞（JH）、寧都三黃雞（ND）、藏雞（TC）、文昌雞（WC）、南丹瑤雞（YC）、正陽三黃雞（ZYS）8個品種，共96個個體（表1）。

1.2" 方法

1.2.1" 數據處理。

使用Fastp［11］默認參數對重測序數據進行過濾接頭信息、低質量堿基、未測出的堿基（10%N堿基）等一系列的質量控制得到的質控數據。隨后用BWA-MEN［12］將質控后的重測序數據比對到雞參考基因組上（GRCg6a），利用SAMtools v.1.14［13］建索引、去除重復讀長，利用 GATK v4.12［14］進行變異檢測。使用GATK 硬過濾（參數為 “QD lt; 2.0 || MQ lt; 40.0 || FS gt; 60.0 || SOR gt; 3.0 || MQRankSum lt; -12.5 || ReadPosRankSum lt; -8.0”）得到34 073 789個SNPs，PLINK v1.9［15］過濾位點缺失率和次等位基因頻率（參數為 --geno 0.2，--maf 0.01），獲得4 444 055個質量較高的SNPs，利用PLINK基于連鎖不平衡過濾冗余位點以降低分析偏差（參數為“indep-pairwise 50 5 0.2”），最終獲得409 145個獨立SNPs用于后續分析。

1.2.2" 數據分析。

首先利用PLINK對數據進行PCA 分析，使用ggplot2［16］進行PCA可視化。使用MEGA X［17］設置引導復制1 000次，使用鄰接法（Neighbor joining）構建系統發育樹，使用網絡服務器ITOL（https：//itol.embl.de/）對系統發育樹進行可視化及群體信息注釋。為了研究各品種的分化程度，使用Hierfstat［18］計算成對群體分化指數（Fst），使用PLINK計算品種之間的基因組近交系數FHOM（基于觀測和期望純合基因型數量之間的差異估計）。使用Metapop2［19］計算每個品種的Nei’s 最小遺傳距離，研究中評估遺傳多樣性的方法：將8個品種合成一個元種群（Meta-population），之后依次剔除品種，觀察元種群基因和等位基因多樣性的增減［9，19］，從而得到對應品種對元種群的總基因多樣性（HT）和總等位基因多樣性（AT）的貢獻，為了更全面地估計每個品種對總群體基因多樣性的貢獻，將總基因多樣性（HT）分為品種內平均基因多樣性（HS）和品種間平均基因多樣性（DG）。 HS等于1減去品種內共祖系數，DG通過品種間平均Nei’s最小遺傳距離估算?？偟任换蚨鄻有裕ˋT）也分為品種內（AS）和品種間（DA），AS由El Mousadik和Petit［20］根據該品種的平均等位基因豐富度減1進行估算，而DA則是通過品種的平均私有等位基因數量進行估算。

另外一項模擬計算：構建一個合成池（synthetic pool），通過迭代方式向合成池內抽樣，當合成池最大基因多樣性和等位基因多樣性最大時計算各品種個體占比，以此衡量其對遺傳多樣性貢獻［9，19］，兩項結果使用Z-score標準化得到其標準分數，Z-score的主要目的就是將不同量級的數據統一轉化為同一個量級，統一用計算出的Z-Score值衡量，以保證數據之間的可比性，Z-score標準化公式等于處理值減去組內平均數最后除以標準差［21］。

2" 結果與分析

2.1" 中國8個地方品種的群體結構分析

2.1.1" 系統進化樹與PCA分析。

PCA和系統進化樹對8個中國地方雞品種的分析結果見圖 1。PCA分析結果（圖 1A）顯示，每個品種的個體都相對集中地聚集在一起。來自8個地方雞品種的個體分為4個集群，在PC1主成分上藏雞與其他品種分開；在PC2主成分上藏雞（TC）又分為2個亞群，華中地區的3個品種（淮北麻雞，HM；江漢雞，JH；正陽三黃雞，ZYS）與華南地區的4個品種（惠陽胡須雞，HY；寧都黃雞，ND；文昌雞，WC；瑤雞，YC）分為2個集群。值得注意的是，在PC1和PC2主成分上藏雞分布均較散，表明該品種內個體間的遺傳距離較遠。系統進化樹可視化與注釋結果見圖1B，進化樹分析顯示不同品種分別聚類在不同的分支上，其中藏雞與其他品種處于不同的分支，華南地區雞群體與華中地區分別聚在不同的分支上，這與PCA分析結果相一致。

2.1.2" 近交系數與遺傳距離。

各品種的基因組近交系數見圖 2A（圖中數字為平均數±標準差）。由圖2A可見，各品種基因組近交系數平均FHOM 值范圍為從0.090（藏雞）到 0.192（江漢雞），藏雞近交系數標準差遠大于其他品種，表明個體間近交系數差異較大，這與PCA結果相一致。8個地方雞品種平均近交系數為0.137，華中地區品種平均近交系數（0.169）高于華南地區品種（0.126）。

品種之間和品種內部個體的Nei’s最小遺傳距離（圖2B）結果表明，群體的Nei’s最小遺傳距離在0.077～0.104之間，平均為0.093。地理分布較近的品種遺傳距離相對較近（圖 2B中顏色較淺的方格，WC、HY和YC）；其中正陽三黃雞與其他品種之間平均遺傳距離較遠（0.099）。

2.2" 中國8個地方品種遺傳多樣性評估

圖3A與圖3B分別展示了去除每個品種后基因多樣性與等位基因多樣性的損失（正貢獻）與增益（負貢獻）。從總基因多樣性（HT）的變化可知，當去除藏雞對HT正貢獻最大（2.35%），其后依次為瑤雞（0.125%）、文昌雞（0.12%）、寧都黃雞（0.11%）、惠陽胡須雞（0.011%）；對HT負貢獻最大的為正陽三黃雞（-0.28%），其次為淮北麻雞（-0.25%）、江漢雞（-0.19%），

三者對HT負貢獻源于群體內基因多樣性（HS）分別為

-0.63%、-0.50%、-0.53%，表明三者品種內的多樣性較低。

此外，藏雞對HT的貢獻主要來源于群體內的基因多樣性

（HS），群體間基因多樣性（DG）貢獻水平較低。

從總等位基因多樣性（AT）變化可知，藏雞對AT正貢獻最大（1.18%），其后依次為文昌雞（0.22%）、瑤雞（0.19%）、寧都黃雞（0.11%）、惠陽胡須雞（0.08%）。對AT負貢獻最大的依舊為正陽三黃雞（-0.22%），但其對群體間等位基因多樣性貢獻最大（0.41%），這是由于其與其他品種較遠的遺傳距離導致（圖 2B），其后為江漢雞（-0.16%）、淮北麻雞（-0.099%），三者對AT負貢獻均源于AS（分別為-0.63%，-0.56%、-0.38%）。值得注意的是藏雞對AT的貢獻主要來源于群體內等位基因多樣性（AS），其群體間基因多樣性（DG）貢獻水平為負，這表明藏雞遺傳多樣性主要來源于群體內。

最后，通過模擬計算群體合成池的基因多樣性（H）和等位基因多樣性（K）達到最大時每個品種個體的占比，以衡量其對多樣性的貢獻度。圖4A表明，對基因多樣性貢獻最大的為藏雞（50.0%），其后依次為寧都黃雞（13.4%）、瑤雞（12.9%）、文昌雞（12.6%）、惠陽胡須雞（7.3%）、江漢雞（2.6%）、淮北麻雞（1.2%）、正陽三黃雞（0%）。圖4B表明，對最大等位基因多樣性貢獻最大的是文昌雞（17.8%），其次是藏雞（14.2%），之后依次是正陽三黃雞（12.4%）、惠陽胡須雞（11.7%）、瑤雞（11.3%）、淮北麻雞（11.2%）、寧都黃雞（11.1%）和江漢雞（10.3%）。為了綜合2項模擬計算結果，對模擬計算結果進行Z-score 標準化，得到每個品種的標準分數（Z-Score），相加得到最終的排名。由表2可知，藏雞、文昌雞、瑤雞對遺傳多樣性貢獻排名靠前，江漢雞、淮北麻雞和正陽三黃雞對遺傳多樣性貢獻排名靠后，這與總基因和總等位基因多樣性分析結果相一致。

3" 討論

保種策略的主要目標是在一個種群中保持高水平的基因和等位基因多樣性［22］。為了保護畜禽的種質特性，評估群體遺傳多樣性和群體結構都是必要的［23-24］。在該研究中，分析了中國地方品種的群體結構和每個品種對遺傳多樣性的貢獻，以便為中國地方雞品種保護優先權的確定提供參考。

在該研究中，PCA分析結果表明，地方雞群體在PC1主成分上分為西藏和東部地區，東部地區的品種在PC2上又分為華中和華南2個集群，這體現了地方雞的群體分化現象，其中淮北麻雞和江漢雞與河南正陽三黃雞關系更密切，與Zhi Y H等［25］研究結果一致。藏雞在PC2上分為2個亞群，與Wang M S等［26］的報道結果相一致。系統進化樹分析中相同的品種聚在一個分支上，也進一步驗證了這些品種間的遺傳關系。群體分層會在基因和等位基因多樣性等遺傳特性上表現出差異，進一步期望研究不同品種對遺傳多樣性的貢獻［9］?；诙喾N方法研究發現，藏雞品種始終對遺傳多樣性貢獻較高。然而，其遺傳多樣性來源主要為群體內，這可以通過藏雞個體間遺傳距離較遠來解釋［22］，但其對群體間基因多樣性貢獻并不大，對群體間等位基因多樣性為負貢獻，因此后續研究需謹慎對待藏雞遺傳多樣性貢獻。其次，文昌雞和瑤雞對遺傳多樣性貢獻較大，模擬計算結果表明，當合成池等位基因多樣性最大時，文昌雞對合成池作出的貢獻最大；瑤雞對總基因和總等位基因多樣性貢獻排名在文昌雞之后。江漢雞、淮北麻雞和正陽三黃雞對遺傳多樣性貢獻較小，主要是由于三者群體內多樣性較低所致。

4" 結論

該研究發現，中國地方雞群體可以劃分為華中地區、華南地區、西藏地區3個大的集群，其中西藏的藏雞群體又可以細分為2個亞群，華中地區地方雞的平均近交系數高于華南地區。在這些群體中，藏雞、文昌雞和瑤雞對遺傳多樣性的貢獻最大，因此應該給予更高的保護優先權。該研究成果將為中國地方雞品種遺傳資源保護和保種策略優化奠定基礎。

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