应用基因捕获高通量测序精准鉴定影响水牛产奶性状的关键基因研究

Buffalo is an important livestock for milk, meat and tillage in south of China, the milk production traits improvement is the primary direction of buffalo breeding. Here we propose to de novo sequencing the genome of China swamp type and river type buffalo by integrated splicing the data of the next generation sequencing HiSeq X Ten, the third generation PacBio and Hi-C techniques. By genome synteny analysis, establish the chromosome collinear relational of swamp buffalo, river buffalo and dairy cow, and combining analysis the dairy cow QTL data and the genome variation data such as buffalo SNPs, finally obtain the candidate genes that influence the milk production traits of buffalo. Then excavate the candidate SNPs and variation in the genome by multiple PCR targeting capture genome sequencing technology, and association analyze the relation of it with the milk yield, protein content, protein rate, fat content, fat rate, somatic cell count in the milk of buffalo and accurately screening the cause gene or main genetic effect gene that influence the milk production traits of buffalo. This study will do great help to establish the breeding technology of water buffalo in whole genome level, which can accelerate the cultivation of the new breed of high-quality milk buffalo in our country.

水牛是我国南方重要的乳、肉和役兼用大家畜，水牛产奶性状的培育是水牛品改和育种的关键。本课题拟综合二代HiSeq X Ten、三代PacBio和Hi-C测序技术，绘制中国沼泽型水牛与河流型水牛基因组精细图谱。通过比较基因组共线性分析，阐明沼泽型水牛、河流型水牛与奶牛染色体共线性关系，并结合奶牛QTL数据，水牛SNPs等基因组变异数据，候选影响水牛产奶性状的基因和变异。将候选基因变异位点和区域，通过应用超多重PCR靶向捕获基因组测序技术，对产奶水牛进行群体遗传分析，综合与奶水牛产奶量、蛋白量、乳脂量、乳蛋白率、乳脂率及体细胞数遗传效应关联分析，精确筛选确定真正的影响水牛产奶性状的致因基因或是遗传效应较大的基因。奶水牛基因组育种技术将会缩短奶水牛培育的世代间隔，对促进中国奶水牛的品种培育具有重要的科研价值和经济前景。

水牛是我国南方重要的乳肉役兼用型大家畜。2021年全世界存养水牛约2.3亿头，生产水牛奶约1.27亿吨，67个国家20亿人依靠水牛所提供的奶肉和役力而生活，被誉为养活世界人口最多的大家畜。水牛奶蛋白含量高，只存在β-酪蛋白变体A2，适合乳糖不耐症人群食用，乳中脂肪酸含量丰富，特别是有利于人体健康的不饱和脂肪酸如亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等含量较高，是我国具有巨大发展潜力的优质特色奶。项目实施前因参考基因组的缺乏大大的制约了水牛重要经济性状关键调控基因研究和基因组设计育种研究。项目实施中团队综合应用三代PacBio数据、二代测序数据和Hi-C数据和光学图谱数据，在国际上首次组装获得中国沼泽型水牛和印度河流型摩拉水牛的高质量染色体级别参考基因组（2.631Gb和2.646Gb），Scaffolds N50达到117.3Mb和116.1Mb。并对中国、印度、巴基斯坦、越南和意大利等15个国家30个地方种群共230头水牛，其中沼泽型水牛共132头，河流型水牛98头，进行了全基因组重测序分析，获得迄今全世界最丰富的水牛遗传多样性数据集。在河流型水牛受选择基因中16个基因定位在牛的产奶性状QTLs上（CACNG2, CNTN5, GPC6, ASIC2, GRB10, HIF1A, KCNK9, NFIB, NRXN3, PPARGC1A, SELP, SLC9A9, TCF7L2, TG, UBR5和ZBTB16），为水牛产奶性状QTL的候选位点和泌乳性状基因育种重点关注基因。结果发表在National Science Review（2020, 7(3): 686-701. IF:17.25）上，并授权相关专利《一种基于全基因组SNP 信息追溯水牛血统来源以及进行基因组选配的方法》（202010198365.5）。成果为亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室2020年标志性成果之一。法国索邦大学Hassanin A教授肯定了我们水牛基因组研究工作奠定了水牛基因组育种的基础，中国农大张毅教授应用本研究水牛基因组信息构建了牛科ASIP基因的重复序列共线性关系，解析了白化水牛形成的分子机理。该成果对水牛重要经济性状的功能基因挖掘提供了蓝图，为水牛全基因组精准设计育种提供了遗传多样性数据集。为最终建立基于基因组的奶水牛精准设计育种技术，加速奶水牛品种选育奠定了基础。