猪（Sus scrofa）作为主要的全球农场动物，具有表型多样性和多种环境适应性，为人类提供了丰富的农业产品，还可以作为人类疾病的生物医学模型，并且可以作为异种移植的潜在器官捐赠者。因此，探索猪驯化和育种背后的遗传变化和选择机制在生物学、医学和经济层面上具有重要价值。

2024年12月，iMeta接连发表2篇利用猪泛基因组（图形泛基因）与结构变异等多组学揭示重要性状遗传基础的文章，今日小编带您先来了解第一篇-多组学分析揭示了与猪复杂性状相关的选择信号和位点，明日同一时间，我们继续解读第二篇-利用猪图形泛基因组与结构变异解析抗逆性和重要经济性状形成的遗传基础。

2024年12月15日，中国农业科学院深圳农业基因组学研究所农业农村部畜禽多组学重点实验室在国际期刊iMeta（IF：23.8）上发表题为“Multiomics analysis reveals signatures of selection and loci associated with complex traits in pigs”的研究文章。该工作建立了猪的泛基因组和遗传变异库，揭示了与重要经济性状相关的选择性清除信号，强调了异时基因和DNA甲基化变异对肌发生和肉质生产性状的影响，为东西方猪之间的遗传和表型分化提供了新的见解，并为未来的猪育种计划和人类生物医学研究提供了遗传基础。诺禾致源为本研究提供了部分二代、三代建库测序服务。

主要结论

基因组组装，泛基因组和遗传变异数据集的构建

对一个亚洲野猪（AW）、三个中国品种猪（BMA：巴马香猪，TT：藏猪，LT：蓝塘猪）和三个欧洲品种猪（LW：大白猪，BKS：巴克夏猪，PTR：皮特兰猪）进行了PacBio HiFi测序，测序深度平均约53X，结合Hi-C 数据组装生成了七个染色体级别基因组，基因组大小平均2.68Gb。7个新组装基因组与此前发表的陆川猪和杜洛克猪共计9个高质量基因组构建泛基因组，总共获得了134.24 Mb非冗余非参考序列，检测到1099个新蛋白编码基因，发现了187,927个结构变异（SVs），鉴定了7,667,617个插入和缺失（INDELs）。将1081个猪（东方家猪组（EAD）-665头，西方家猪组（WED）-315头，东方野猪组（EAW）-40头，西方野猪组（WEW）-46头，猪科外群（OGP）-15头）全基因组短序列重测序数据比对至泛基因组中，鉴定出30,143,962个单核苷酸多态性（SNPs）和5,496,594个INDELs。

图1 猪的泛基因组分析

种群结构和潜在的选择性标记

在EAD（东方家猪组）和WED(西方家猪组)群体中鉴定了大约227 Mb具有显著选择足迹的区域。选择信号在内含子、基因间区域和转座元件（TEs）中更为富集，与长末端重复序列（LTR）相比，选择信号在长散布核元件（LINE）和短散布核元件（SINE）中更为富集，这表明LINE和SINE对选择性驯化的贡献大于LTR。在EAD和WED中分别发现了925和700个候选基因，东西方猪之间共享的选择足迹和基因数量很少。GO富集分析显示， EAD组的选择性清除基因主要涉及肥度和繁殖特征，而WED组主要涉及生长、解剖和形态特征。

图2 东西方猪种群的种群结构和选择性清除

与选择性清除相关的编码变异的功能影响

在WED组中发现了两个具有显著高信号的选择性清除区域，发现BRCA1基因第10外显子中的编码突变c.G965A（chr12_19,812,845_G/A），在这个位点上，突变型A等位基因在EAD组中占主导地位，但在WED组中几乎不存在，AA基因型表现出比GG和GA基因型显著更低的屠宰重量（SW）和瘦肉比例（LMP），通过体外脂肪细胞增殖实验，G322D BRCA1的表达显示出脂肪细胞生长和发育的增强能力，这与肥胖EAD猪中更显著的脂肪沉积相对应。基因ABCA3在EAD和WED组之间具有高度不同的基因型分布，并且该基因具有肺特异性表达，第19外显子中的变异（chr3_39,723,445_C/T）显示野生型C等位基因与IL1B基因表达水平较低相关，表明该等位基因具有减轻的免疫反应和肺损伤。

图3 选择性清除驱动的编码变异的功能影响

选择清除基因调控东西方家猪骨骼肌发育的异时性

以东方肥胖型品种通城猪（TC）和西方瘦型品种长白猪（LDR）作为研究模型，比较了两个品种的骨骼肌在27个发育阶段的发育轨迹（RNA-seq实验）。功能富集分析发现LDR产前阶段加速基因在细胞周期和DNA复制中显著过度表达，TC加速基因主要贡献于细胞分化和成熟。在产后阶段，LDR基因在细胞发育和生物合成过程中富集，而TC加速基因与免疫反应相关。与猪基因组中的所有基因相比，每个品种的选择基因在所有阶段都显示出更高的表达水平，差异进展的基因和选择清除基因之间具有显著重叠性。

图4 通过选择清除基因调控的猪骨骼肌发育的异时性

选择性清除通过重塑DNA甲基化模式调节基因表达

DNA甲基化是真核生物中调节基因表达的主要表观遗传因子之一。本研究在TC和LDR的骨骼肌中进行了全基因组亚硫酸盐测序（WGBS），通过WGBS和RNA-seq数据之间的相关性分析，在自然和人工选择下的序列环境可以通过DNA甲基化变异重塑整个发育过程中的全局表达模式。具有持续变化的差异甲基化区域DMRs更可能在产前和产后阶段被选择性清除覆盖。

图5 猪在驯化和育种过程中DNA甲基化组的差异

骨骼肌发育和肉质表现候选基因的遗传基础

候选基因BDH1主要参与骨骼肌、肝脏和心脏组织中代谢过程的调节。在出生后阶段，BDH1基因在TC骨骼肌中的表达模式比在LDR中更为加速，在东方猪种中发现了位于该基因上游的272 bp的插入。这个插入被一个具有强烈信号的选择性清除所覆盖。推测这种突变通过潜在的染色质相互作用，在BDH1基因中发挥了正向调控作用。

图6 与骨骼肌发育相关的BDH1基因的综合分析

多项实验支持GHSR可以促进肌母细胞增殖，但抑制它们在体内外的分化和融合。在GHSR的内含子中检测到一个明显的选择信号，其中包含两个显著的低甲基化差异区域（Hypo-DMRs）。对该区域的进一步分析揭示了一个CpG-SNP（chr13_111,051,076_C/T），在EAD群体和TC品种中几乎完全固定为突变等位基因，由于从C到T等位基因的转变，完全去除了TC中的甲基化状态，这个SNP对240天时SW（体重）的等位基因替换效应估计为4.22公斤，携带一个或两个显性T等位基因的个体显示出显著较低的SW。

图7 与骨骼肌发育和肉质表现相关的GHSR基因的综合分析

文章亮点

1.结合九个高质量基因组和1081个全基因组重测序数据，构建了一个相对完整的猪泛基因组和遗传变异数据集，为分析猪的复杂性状奠定了基础。

2.发现了与猪脂肪沉积、肌肉生长和免疫性状相关的丰富选择性清除信号和基因，为未来的育种计划提供了关键的遗传标记。

3.整合了跨越27个骨骼肌发育阶段的转录组和甲基化组数据，揭示了东西方猪品种间骨骼肌生长差异的表观遗传和异时基因调控机制。

参考文献：

[1] Lei Liu, Guoqiang Yi, Yilong Yao, Yuwen Liu, Jiang Li, Yalan Yang, Mei Liu, et al. 2024. “Multiomics analysis reveals signatures of selection and loci associated with complex traits in pigs.” iMeta 3: e250. https://doi.org/10.1002/imt2.250.