PMC

Přibližně 11 000 let před současností (YBP) se v jihozápadní Asii vyvinuly první zemědělské systémy založené na pěstování obilovin, luštěnin a chovu domestikovaných hospodářských zvířat (1, 2). Do 6 000 YBP se agropastoralismus zavedený neolitickou zemědělskou revolucí stal hlavním systémem výroby potravin v celé pravěké Evropě, od Středomoří na sever až po Británii, Irsko a Skandinávii (3), na jih do severní Afriky (4) a na východ do západní a střední Asie (5).

Ovce a kozy byly prvními domestikovanými druhy hospodářských zvířat (6). Vícenásobné domestikační události, jak se usuzuje z více mitochondriálních linií, daly vzniknout domácím ovcím a podobně i dalším domácím druhům (7-10). Zpočátku byly ovce chovány hlavně pro maso, ale během pátého tisíciletí BP v jihozápadní Asii a čtvrtého tisíciletí BP v Evropě se projevila specializace na „druhotné“ produkty, jako je vlna. Zdá se, že ovce vybrané pro sekundární produkty nahradily primitivnější domácí populace. Otázka, zda ke specializaci na sekundární produkty došlo nejdříve v jihozápadní Asii, nebo zda k ní došlo v celé Evropě, není s jistotou známa vzhledem k nedostatku definitivních archeologických důkazů o počátku produkce vlny (6, 11, 12).

V této studii jsme použili rodinu endogenních retrovirů (ERV) jako genetické markery ke studiu historie ovce domácí. ERV vznikají stabilní integrací genomu retroviru („proviru“) do zárodečné linie hostitele (13) a přenášejí se vertikálně z generace na generaci mendelovským způsobem. Genom ovcí obsahuje nejméně 27 kopií endogenních retrovirů příbuzných exogennímu a patogennímu retroviru ovcí Jaagsiekte (enJSRV) (14-16). Většina lokusů enJSRVs je u domácích ovcí fixní, ale některé jsou mezi plemeny a jedinci různě rozloženy (tj, jsou inserčně polymorfní) (14). enJSRVs lze použít jako vysoce informativní genetické markery, protože přítomnost každého endogenního retroviru v genomu hostitele je výsledkem jediné integrační události u jediného zvířete a je nevratná, takže populace sdílející stejný provirus na stejném místě genomu jsou de facto fylogeneticky příbuzné.

Analyzovali jsme vzorky genomové DNA odebrané od 1362 zvířat patřících ke 133 plemenům ovce domácí (Ovis orientalis aries obvykle označované jako Ovis aries) a nejbližších volně žijících příbuzných (viz níže) rozdělených do 65 skupin tvořených jedním nebo více plemeny sdílejícími společnou zeměpisnou polohu a/nebo chovatelské vazby (tabulka S1) (17). Testované vzorky zahrnovaly také ovci urialskou (Ovis vignei) a muflony středomořské a asijské (Ovis orientalis musimon, Ovis orientalis ophion a Ovis orientalis orientalis). Převážná většina námi zkoumaných plemen je místních, historicky spjatých s určitými zeměpisnými oblastmi a nepodléhá intenzivním šlechtitelským programům komerčních chovů.

Vzorky byly testovány na přítomnost nebo nepřítomnost šesti nezávisle dědičných inserčně polymorfních enJSRV (enJSRV-18, enJSRV-7, enJSRV-8, enJSRV-15, enJSRV-16 , a enJS5F16) pomocí polymerázové řetězové reakce (PCR) s použitím dvou sad primerů, které amplifikují 5′ a 3′ dlouhé terminální repetice (LTR) každého proviru (včetně doprovodných sekvencí genomické DNA hostitele), jak bylo popsáno dříve (14, 17). Provirus enJSRV-18 měl v našem souboru dat zdaleka nejvyšší frekvenci (85 %), enJSRV-7 a enJS5F16 byly zjištěny u 27 %, resp. 30 % vzorků, zatímco enJSRV-15, enJSRV-16 a enJSRV-8 byly přítomny pouze u 3-5 % vzorků (obr. 1A).

Celosvětové rozšíření inserčně polymorfních enJSRV. Rozložení inserčně polymorfních lokusů enJSRV analyzovaných v této studii v 65 populacích ovcí reprezentujících místní plemena ze starého světa. (A) Frekvence jednotlivých enJSRV lokusů v každé populaci jsou znázorněny svislým pruhem a seřazeny sestupně. Inserční frekvence byly získány pomocí softwaru Arlequin 3.11 (27), který považuje nepřítomnost určitého enJSRV proviru za recesivní alelu. (B) Lokality populací ovcí, z nichž byly odebrány vzorky. (C-F). Interpolační mapy zobrazující prostorové rozložení odhadovaných frekvencí enJSRV. Geografická variabilita byla vizualizována pomocí „Spatial Analyst Extension“ softwaru ArcView GIS 3.2 (ESRI, Redlands, CA, USA; http://www.esri.com). Hodnoty interpolované mapy byly vypočteny s využitím inverzní vzdálenosti vážené 12 nejbližšími sousedy a mocninou dvou a interpolační plochy byly rozděleny do 13 tříd s vyššími frekvencemi inzerce označenými nejtmavším stínováním. Jako zeměpisné souřadnice pro každou populaci byl použit centrální bod oblasti odběru vzorků (tabulka S1).

Odvozovali jsme distribuci inserčně polymorfních lokusů enJSRV u nejstarších domestikovaných ovcí stanovením jejich výskytu u urialských ovcí a u středomořských/asijských muflonů a poté ověřením molekulárních znaků svědčících o stáří proviru. Odhadovaná divergence mezi urialem (jedním z nejbližších žijících příbuzných ovce domácí) a ovcí domácí je přibližně 800 000 YBP (18). Z toho vyplývá, že jakýkoli provirus sdílený mezi těmito dvěma druhy bude předcházet procesu domestikace. Totéž platí pro asijského muflona, který je považován za přímého předka ovce domácí (19-21), zatímco blízce příbuzný středomořský muflon je považován za pozůstatek první domestikované ovce readaptované na divoký život (19, 22, 23). Navzdory svému širokému rozšíření v testovaných vzorcích se enJSRV-18 nevyskytoval u urialské ovce (n=5), středomořského muflona (n=17) a asijského muflona (n=15). Naopak relativně vzácnější enJSRV-7 byl zjištěn u tří z pěti urialských ovcí, u většiny (86 %) asijských muflonů a u všech středomořských muflonů. Tyto údaje naznačují, že integrace enJSRV-7 do zárodečné linie hostitele předchází integraci enJSRV-18. Rozdíly mezi proximálními (5′) a distálními (3′) dlouhými terminálními repeticemi (LTR) enJSRV-7 potvrzují jeho antecedenci. Rozdíl mezi 5′ a 3′ LTR endogenního retroviru umožňuje odhadnout „stáří“ endogenního proviru, protože při infekci retroviry reverzně přepisují svůj genom z RNA do DNA a během tohoto procesu duplikují konce genomu, čímž vznikají dvě identické LTR. Proximální a distální LTR endogenního retroviru musí být při integraci identické, ale v průběhu času se mohou lišit stejnou rychlostí jako nekódující sekvence (~ 2,3-5 × 10-9 substitucí na místo za rok). Zdá se, že enJSRV-7 je nejstarším provirem v našich vzorcích, protože vykazuje pět nukleotidových substitucí mezi 5′ a 3′ LTR (délka 445nt), zatímco všechny ostatní inserčně polymorfní proviry (včetně enJSRV-18) mají identické LTR. Tyto údaje naznačují, že populace pocházející z nejstarších domestikovaných ovcí nenesly žádný z inserčně polymorfních enJSRV použitých v této studii nebo nesly enJSRV-7.

Geografická variabilita všech enJSRV lokusů byla znázorněna sestrojením interpolačních map z hodnot jejich inserční frekvence (obr. 1B-F). Nejvyšší frekvence enJSRV-7 byla zjištěna u středomořských muflonů a u ovcí plemene Soay, které nyní obývají ostrov Svatá Kilda u SZ Skotska (obr. 1C). enJSRV-18 byl rovnoměrně rozšířen s velmi vysokými frekvencemi v celém Starém světě. Nízké frekvence enJSRV-18 byly pozorovány na ostrovech obývaných středomořským muflonem a v okrajových oblastech SZ Evropy. Dva proviry enJSRV, enJS5F16 a enJSRV-8, vykazovaly podobný geografický vzorec s vysokou frekvencí na Britských ostrovech a ve Skandinávii (obr. 1E a F). Méně časté enJSRV-15 a enJSRV-16 měly méně zřejmý geografický vzorec (obr. S1).

Poté jsme analyzovali kombinaci inserčně polymorfních enJSRV (kterou nazýváme „retrotyp“) v každé z analyzovaných populací (obr. 2). Retrotyp R2 (představující přítomnost pouze enJSRV-18) byl převažujícím retrotypem ve většině testovaných populací. Zajímavé je, že retrotyp R4, označující přítomnost enJSRV-18 a enJSRV-7 dohromady (obr. 2), byl dalším běžným retrotypem v oblasti odpovídající historické Fénicii a v jižní Evropě, což naznačuje, že námořní obchod a kolonizace měly na pohyb ovcí ve Středomoří zásadní vliv, což potvrzují studie využívající variabilitu mitochondriální DNA ovcí (24, 25). Další inzerce enJSRV představovaly složitější retrotypy populací v severní Evropě (viz také doprovodný online text). Populace ovcí v Africe, Pákistánu a Číně vykazovaly podobně homogenní vzorec retrotypu R2 společný s populacemi v jihozápadní Asii, což naznačuje přímé migrační vazby domácích ovcí mezi těmito oblastmi. Většina populací ze Skandinávie vykazovala podobné retrotypy jako populace z Islandu a Faerských ostrovů, což podporuje historicky zaznamenané pohyby severských osadníků během pozdějšího prvního tisíciletí našeho letopočtu (26). Pro vizualizaci genetických vztahů testovaných populací jsme data analyzovali pomocí dvou různých přístupů: grafu vícerozměrného škálování (MDS) získaného z mezipopulační matice Neiových nezkreslených genetických vzdáleností a analýzy hlavních komponent (PCA) vypočtené z korelační matice mezi frekvencemi inzerce enJSRV.

Kombinace provirů (retrotypů) enJSRV u ovce domácí. Koláčové grafy na obrázku představují četnost jednotlivých retrotypů v 65 testovaných populacích. Každé testované ovci byl přiřazen retrotyp na základě kombinace inserčně polymorfních enJSRV provirů přítomných v jejich genomu. Retrotypy byly definovány R0 až R14 takto: RO = žádné inserčně polymorfní enJSRV; R1 = enJSRV-7; R2 = enJSRV-18; R3 = enJS5F16; R4 = enJSRV-7 + enJSRV-18; R5 = enJSRV-7 + enJS5F16; R6 = enJSRV-18 + enJS5F16; R7 = enJSRV-7 + enJSRV-18+ enJS5F16; R8 = enJSRV-8; R9 = enJS5F16 + enJSRV-8; R10 = enJSRV-7 + enJS5F16 + enJSRV-8; R11 = enJSRV-18 + enJSRV-8; R12 = enJSRV-18 + enJS5F16 + enJSRV-8; R13 = enJSRV-7 + enJSRV-18 + enJSRV-8; R14 = enJSRV-7 + enJSRV-18 + enJS5F16 + enJSRV-8. Každý retrotyp je znázorněn jinou barvou (a vzorem), jak je uvedeno na obrázku. Čísla vedle každého koláčového grafu označují každou z 65 testovaných populací, jak je uvedeno v tabulce S1. Všimněte si, že většina populací v jihozápadní Asii, střední Asii, jižní Evropě a Africe má jako převládající retrotyp R2 (tj. přítomnost pouze enJSRV-18, znázorněno zeleně). V okolí Středozemní pánve je také vysoký podíl R4 daný současnou přítomností enJSRV-7 a enJSRV-18 (znázorněno žlutě). Primitivní plemena se vyznačují vysokým podílem zvířat s R0 (bez inserčně polymorfních provirů, znázorněno bíle) nebo R1 (přítomnost pouze enJSRV-7, znázorněno červeně). „Severský“ retrotyp R3 (znázorněn modře) byl charakterizován nízkou frekvencí enJSRV-18 a vysokou frekvencí enJS5F16; severské populace měly také relativně vysokou frekvenci ovcí s žádným z testovaných inserčně polymorfních provirů.

Analýza MDS odhalila výrazné oddělení (patrné zejména v první dimenzi) mezi velkou většinou domácích plemen a vnější skupinou tvořenou mufloními, soayskými ovcemi, hebridskými, orknejskými, islandskými a severskými plemeny (obrázek 3A). Podobné výsledky přinesla i PCA (obrázek 3B). Souhrnně získané údaje naznačují, že relikty prvních migrací jsou stále přítomny u muflonů na Sardinii, Korsice a Kypru a u plemen v okrajových severoevropských oblastech. Na základě jejich retrotypů jsou tyto primitivní populace charakterizovány absencí enJSRV-18 (fixovaného u většiny moderních plemen) a buď přítomností enJSRV-7 ve vysoké frekvenci, nebo absencí inserčně polymorfních enJSRV (včetně enJSRV-7). Naproti tomu retrotypy velké většiny plemen ovcí se shlukují a vyznačují se vysokou frekvencí nebo fixací enJSRV-18.

Genetické vzdálenosti mezi populacemi ovcí na základě frekvencí inzerce enJSRV. (A) Graf vícerozměrného škálování (MDS) vypočtený z matice Neiových nezkreslených genetických vzdáleností (software TFPGA 1.3) (28). Ve všech analýzách byla zohledněna dominantní povaha enJSRV jako genetických markerů. Matice mezipopulačních vzdáleností byla shrnuta ve dvou dimenzích pomocí MDS analýzy implementované softwarovým balíkem STATISTICA ’99 (StatSoft Inc., Tulsa, OK, USA). Každý trojúhelník představuje jednu z 65 testovaných populací. Všimněte si, že v grafu byly pojmenovány pouze populace mimo hlavní shluk (ohraničený čtvercem s přerušovanou čarou a zahrnující velkou většinu plemen z Afriky, Asie a Evropy). (B) Trojrozměrný graf shrnující data získaná analýzou hlavních komponent (PCA) inserčně polymorfních enJSRV provirů v 65 testovaných populacích ovcí pomocí Proc Factor statistického balíku SAS/STAT® (SAS Institute Inc, Cary NC) podle doporučení Cavalli-Sforza et al (29). Byly identifikovány čtyři faktory, které představují 86,66 % variability, s vlastní hodnotou ≥ 1. Faktor 1 (na ose X) vysvětlil 30,09 % variability a lze jej interpretovat jako „faktor Severní moře“, který rozlišuje mezi skupinou populací vytvořenou z některých populací ovcí ze Spojeného království a kontinentální Evropy (včetně Dánska a Texelu) a ostatními populacemi. Faktor 2 (na ose Y), který vysvětluje 23,58 % variability a odděluje populace z Texelu od ostatních. Faktor 3 (na ose Z) vysvětluje 22,92 % variability a lze jej interpretovat jako „faktor primitivního plemene“, který odlišuje skupinu populací tvořenou mufloními a skandinávskými populacemi (včetně populací Hebrid, Orknejí a Soay) od ostatních. Všimněte si, že pro zvýšení přehlednosti obrázku nebyly populace tvořící hlavní shluk pojmenovány.

Homogenní retrotypy (R2, R2-R4), které jsme pozorovali u ovcí v dnešním Turecku, Íránu, Saúdské Arábii, Sýrii, Izraeli a Egyptě, v kombinaci s dostupnými archeologickými důkazy naznačují, že k selekci domácích ovcí s požadovanými sekundárními vlastnostmi společnými moderním plemenům došlo nejprve v jihozápadní Asii a poté se úspěšně rozšířily do Evropy a Afriky a zbytku Asie. To může poskytnout genetickou podporu teorii, že specializovaná produkce vlny vznikla v jihozápadní Asii a poté se rozšířila po celé Evropě (11). Primitivní plemena přežila druhou migraci vylepšených plemen z jihozápadní Asie tím, že se vrátila do divokého nebo polodivokého stavu na ostrovech bez predátorů nebo obsadila nepřístupné oblasti méně náchylné k obchodní výměně a související introgresi. Většina, ne-li všechna plemena, která jsme označili za starobylá, byla považována za primitivní již na základě morfologických znaků, jako je tmavší a hrubší srst (místo bělejšího vlněného rouna), línající srst a častá přítomnost rohů u samic i samců (obr. 4).

Morfologické znaky primitivních plemen. Plemena identifikovaná v této studii jako pozůstatky prvních migrací ovcí mají morfologické znaky (např. tmavší hrubší rouno, línající srst, častá přítomnost rohů u samic), podobné divokým ovcím a muflonům. (A) Urialská ovce; (B) Kyperský muflon; (C) Středomořský muflon; (D) Orknejská ovce; (E) Soayská ovce; (F) Gutská ovce; (G) Alandská ovce; (H) Islandská ovce; (I) Hebridská ovce.

Naše studie také poskytuje genetické důkazy podporující neoficiální původ některých méně běžných plemen ovcí. Například jedna z deseti analyzovaných populací z britských ostrovů, ovce jakubská, vykazovala homogenní retrotyp R2 velmi odlišný od ostatních britských populací a podobnější jihozápadním asijským a africkým plemenům. Původ plemene Jacob není znám. Toto plemeno vděčí za své jméno biblickému příběhu o Jákobovi, který si od svého tchána Lábana vzal jako mzdu „každou skvrnitou a strakatou ovci“ (Genesis 30:25-43; pravděpodobně první zaznamenané použití selektivního chovu hospodářských zvířat). Naše retrotypová analýza podporuje přímou souvislost mezi ovcí Jákobovou a plemeny v jihozápadní Asii nebo Africe spíše než s jinými britskými plemeny. Naše studie také pevně spojuje ovci Soay se středomořskými a asijskými muflony spíše než se severskými plemeny.

Závěrem lze říci, že polymorfní povaha enJSRV odhalila pozoruhodnou sekundární populační expanzi zdokonalených domácích ovcí, nejspíše z jihozápadní Asie, což poskytuje cenné poznatky o historii pasteveckých společností, jejichž hospodářství zahrnovalo chov ovcí. Tím, že naše studie poprvé odlišila geneticky primitivní plemena od moderních, nabízí zdůvodnění pro identifikaci a zachování vzácných genofondů. V neposlední řadě demonstrujeme užitečnost endogenních retrovirů jako nové třídy genetických markerů používaných k odhalení historie domestikovaného druhu.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.