PMC

Pierwsze systemy rolnicze, oparte na uprawie zbóż, roślin strączkowych i hodowli udomowionych zwierząt gospodarskich, rozwinęły się w Azji Południowo-Zachodniej około 11 000 lat przed naszą erą (YBP) (1, 2). Przez 6.000 YBP, agro-pasterstwo wprowadzone przez rewolucję rolniczą neolitu stał się głównym systemem produkcji żywności w całej prehistorycznej Europie, z Morza Śródziemnego na północ do Wielkiej Brytanii, Irlandii i Skandynawii (3), na południe do Afryki Północnej (4) i na wschód do Azji Zachodniej i Środkowej (5).

Owce i kozy były pierwszymi gatunkami zwierząt gospodarskich, które zostały udomowione (6). Wielokrotne przypadki udomowienia, jak wnioskuje się na podstawie wielu linii mitochondrialnych, dały początek owcom domowym i podobnie innym gatunkom domowym (7-10). Początkowo owce były hodowane głównie na mięso, ale w piątym tysiącleciu BP w Azji Południowo-Zachodniej i w czwartym tysiącleciu BP w Europie widoczna stała się specjalizacja w zakresie produktów „drugorzędnych”, takich jak wełna. Wydaje się, że owce wyselekcjonowane dla produktów drugorzędnych zastąpiły prymitywniejsze populacje domowe. Kwestia, czy specjalizacja w zakresie produktów drugorzędowych wystąpiła najpierw w Azji Południowo-Zachodniej, czy też pojawiła się w całej Europie, nie jest znana z całą pewnością, ze względu na brak ostatecznych dowodów archeologicznych na początek produkcji wełny (6, 11, 12).

W tym badaniu wykorzystaliśmy rodzinę endogennych retrowirusów (ERVs) jako markerów genetycznych do badania historii owiec domowych. ERV wynikają ze stabilnej integracji genomu retrowirusa („prowirusa”) w linii zarodkowej gospodarza (13) i są przekazywane pionowo z pokolenia na pokolenie w sposób mendlowski. Genom owcy zawiera co najmniej 27 kopii endogennych retrowirusów związanych z egzogennym i patogennym retrowirusem Jaagsiekte sheep retrovirus (enJSRVs) (14-16). Większość loci enJSRVs jest stała u owiec domowych, ale niektóre są różnie rozmieszczone między rasami i osobnikami (tzn, Są one insercyjnie polimorficzne) (14). enJSRVs mogą być wykorzystywane jako wysoce informacyjne markery genetyczne, ponieważ obecność każdego endogennego retrowirusa w genomie gospodarza jest wynikiem pojedynczego zdarzenia integracyjnego u jednego zwierzęcia i jest nieodwracalna, więc populacje posiadające ten sam prowirus w tej samej lokalizacji genomowej są de facto spokrewnione filogenetycznie.

Przeanalizowaliśmy próbki genomowego DNA pobrane od 1362 zwierząt należących do 133 ras owiec domowych (Ovis orientalis aries zwykle określanych jako Ovis aries) i najbliższych dzikich krewnych (patrz poniżej) podzielonych na 65 grup utworzonych przez jedną lub więcej ras dzielących wspólną lokalizację geograficzną i / lub powiązania hodowlane (Tabela S1) (17). Badane próbki obejmowały również owcę urial (Ovis vignei) oraz muflona śródziemnomorskiego i azjatyckiego (Ovis orientalis musimon, Ovis orientalis ophion i Ovis orientalis orientalis). Przeważająca większość badanych przez nas ras to rasy lokalne, historycznie związane z określonymi obszarami geograficznymi i nie poddawane intensywnym programom hodowlanym w stadach komercyjnych.

Próbki były testowane na obecność lub brak sześciu niezależnie dziedziczonych insercyjnie polimorficznych enJSRV (enJSRV-18, enJSRV-7, enJSRV-8, enJSRV-15, enJSRV-16, i enJS5F16) za pomocą łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR) z zastosowaniem dwóch zestawów starterów amplifikujących odpowiednio 5′ i 3′ długokońcowe powtórzenia (LTR) każdego z prowirusów (łącznie z sekwencjami flankującymi genomowe DNA gospodarza), jak opisano wcześniej (14, 17). Prowirus enJSRV-18 miał zdecydowanie najwyższą częstotliwość w naszym zestawie danych (85%), enJSRV-7 i enJS5F16 wykryto odpowiednio w 27% i 30% próbek, podczas gdy enJSRV-15, enJSRV-16 i enJSRV-8 były obecne tylko w 3-5% próbek (ryc. 1A).

Światowa dystrybucja insercyjnie polimorficznych enJSRV. Rozmieszczenie insertywnie polimorficznych loci enJSRV analizowanych w tych badaniach w 65 populacjach owiec reprezentujących lokalne rasy ze starego świata. (A) Częstości występowania każdego locus enJSRV w każdej populacji są przedstawione za pomocą pionowego paska i ułożone w porządku malejącym. Częstości insercji uzyskano przy użyciu oprogramowania Arlequin 3.11 (27), traktując brak określonego prowirusa enJSRV jako allel recesywny. (B) Lokalizacje populacji owiec, od których pobrano próbki. (C-F). Mapy interpolacyjne przedstawiające rozkład przestrzenny oszacowanych częstotliwości enJSRVs. Zmienność geograficzna została zwizualizowana przy użyciu „Spatial Analyst Extension” oprogramowania ArcView GIS 3.2 (ESRI, Redlands, CA, USA; http://www.esri.com). Interpolowane wartości map obliczono stosując metodę odwrotnej odległości ważonej z 12 najbliższymi sąsiadami i potęgą dwójki, a powierzchnie interpolacji podzielono na 13 klas, w których wyższe częstotliwości wstawek oznaczono najciemniejszym cieniowaniem. Centralny punkt obszaru pobierania próbek został wykorzystany jako współrzędne geograficzne dla każdej populacji (Tabela S1).

Wnioskowaliśmy o rozmieszczeniu polimorficznych insertowo loci enJSRV u najwcześniej udomowionych owiec poprzez określenie ich występowania u owiec urialskich i muflonów śródziemnomorskich/azjatyckich, a następnie poprzez weryfikację sygnatur molekularnych wskazujących na wiek prowirusa. Szacowana dywergencja między owcą Urial (jednym z najbliższych żyjących krewnych owcy domowej) a owcą domową wynosi około 800 000 YBP (18). W konsekwencji, każdy prowirus, który jest wspólny dla tych dwóch gatunków będzie poprzedzał proces udomowienia. To samo dotyczy muflona azjatyckiego, który jest uważany za bezpośredniego przodka owcy domowej (19-21), podczas gdy blisko spokrewniony muflon śródziemnomorski jest uważany za pozostałość pierwszej udomowionej owcy, która przystosowała się do życia na wolności (19, 22, 23). Pomimo szerokiego rozpowszechnienia w badanych próbkach, enJSRV-18 nie występował u owcy urialskiej (n=5), muflona śródziemnomorskiego (n=17) i muflona azjatyckiego (n=15). Dla kontrastu, stosunkowo rzadszy enJSRV-7 został wykryty u trzech z pięciu owiec urialskich, u większości (86%) muflonów azjatyckich i u wszystkich muflonów śródziemnomorskich. Dane te sugerują, że integracja enJSRV-7 w linii zarodkowej gospodarza wyprzedza integrację enJSRV-18. Różnice pomiędzy proksymalnymi (5′) i dystalnymi (3′) długimi terminalnymi powtórzeniami (LTR) enJSRV-7 potwierdzają jego wcześniejsze pochodzenie. Rozbieżność między 5′ i 3′ LTR endogennego retrowirusa pozwala oszacować „wiek” endogennego prowirusa, ponieważ po zakażeniu retrowirusy odwrotnie transkrybują swój genom z RNA do DNA i podczas tego procesu duplikują końce genomowe dając początek dwóm identycznym LTR. Proksymalny i dystalny LTR endogennego retrowirusa muszą być identyczne w momencie integracji, ale z czasem mogą się rozchodzić w takim samym tempie jak sekwencje niekodujące (~ 2,3-5 × 10-9 substytucji na miejsce na rok). enJSRV-7 wydaje się być najstarszym prowirusem w naszych próbkach, ponieważ wykazuje pięć substytucji nukleotydów pomiędzy 5′ i 3′ LTR (445nt długości), podczas gdy wszystkie inne wstawione polimorficzne prowirusy (w tym enJSRV-18) posiadają identyczne LTR. Dane te sugerują, że populacje pochodzące od najwcześniej udomowionych owiec nie były nosicielami żadnego z polimorficznych insercyjnie enJSRV użytych w tym badaniu lub nosiły enJSRVs-7.

Zróżnicowanie geograficzne wszystkich loci enJSRV zostało zobrazowane przez skonstruowanie map interpolacyjnych z ich wartości częstotliwości insercyjnych (Fig. 1B-F). Najwyższą częstotliwość enJSRV-7 stwierdzono u muflona śródziemnomorskiego i u owiec Soay zamieszkujących obecnie wyspę St. Kilda w północno-zachodniej Szkocji (Ryc. 1C). enJSRV-18 był równomiernie rozmieszczony z bardzo wysoką częstotliwością w całym Starym Świecie. Niskie częstotliwości enJSRV-18 zaobserwowano na wyspach zamieszkałych przez muflona śródziemnomorskiego oraz w peryferyjnych regionach północno-zachodniej Europy. Dwa prowirusy enJSRV, enJS5F16 i enJSRV-8, wykazywały podobny wzór geograficzny z wysoką częstotliwością na Wyspach Brytyjskich i w Skandynawii (ryc. 1E i F). Mniej powszechne enJSRV-15 i enJSRV-16 miały mniej oczywiste wzorce geograficzne (ryc. S1).

Następnie przeanalizowaliśmy kombinację wstawek polimorficznych enJSRV (które nazywamy „retrotypem”) w każdej z analizowanych populacji (ryc. 2). Retrotyp R2 (reprezentujący obecność wyłącznie enJSRV-18) był dominującym retrotypem w większości badanych populacji. Co ciekawe, retrotyp R4, wskazujący na obecność enJSRV-18 i enJSRV-7 łącznie (ryc. 2), był kolejnym powszechnie występującym retrotypem na obszarze odpowiadającym historycznej Fenicji oraz w Europie Południowej, co sugeruje, że handel morski i kolonizacja miały istotny wpływ na przemieszczanie się owiec w basenie Morza Śródziemnego, co potwierdzają badania z wykorzystaniem zmienności mitochondrialnego DNA owiec (24, 25). Dodatkowe insercje enJSRV odpowiadały za bardziej złożone retrotypy populacji w Europie Północnej (patrz także uzupełniający tekst online). Populacje owiec w Afryce, Pakistanie i Chinach wykazywały podobnie jednorodny wzór retrotypii R2 wspólny z populacjami w Azji Południowo-Zachodniej, co sugeruje bezpośrednie powiązania migracyjne owiec domowych między tymi obszarami. Większość populacji ze Skandynawii wykazywała podobne retrotypy do populacji islandzkich i z Wysp Owczych, wspierając historycznie zarejestrowane przemieszczenia norweskich osadników w późniejszym okresie pierwszego tysiąclecia naszej ery (26). Aby zwizualizować genetyczne powiązania badanych populacji, przeanalizowaliśmy dane przy użyciu dwóch różnych podejść: wykresu skalowania wielowymiarowego (MDS) uzyskanego z macierzy międzypopulacyjnej bezstronnych odległości genetycznych Nei oraz analizy składowych głównych (PCA) obliczonej z macierzy korelacji między częstotliwościami insercji enJSRV.

Kombinacja prowirusów (retrotypów) enJSRV u owiec domowych. Wykresy kołowe na rysunku przedstawiają częstotliwość występowania każdego retrotypu w 65 badanych populacjach. Każdej badanej owcy przypisano retrotyp na podstawie kombinacji polimorficznych insercyjnie prowirusów enJSRV obecnych w jej genomie. Retrotypy zostały zdefiniowane od R0 do R14 w następujący sposób: RO = brak insercyjnie polimorficznych 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. Każdy retrotyp jest przedstawiony za pomocą innego koloru (i wzoru), jak wskazano na rysunku. Numery obok każdego wykresu kołowego wskazują każdą z 65 badanych populacji, jak wskazano w Tabeli S1. Należy zauważyć, że większość populacji w Azji Południowo-Zachodniej, Azji Środkowej, Europie Południowej i Afryce posiada R2 (tj. Obecność tylko enJSRV-18, pokazana na zielono) jako dominujący retrotyp. W basenie Morza Śródziemnego występuje również wysoki udział R4, co wynika ze współczesnej obecności enJSRV-7 i enJSRV-18 (zaznaczone na żółto). Rasy prymitywne charakteryzują się wysokim odsetkiem zwierząt z R0 (brak insertywnie polimorficznych prowirusów, zaznaczony na biało) lub R1 (obecność tylko enJSRV-7, zaznaczona na czerwono). Nordycki” retrotyp R3 (przedstawiony na niebiesko) charakteryzował się niską częstotliwością enJSRV-18 i wysoką częstotliwością enJS5F16; populacje nordyckie miały również stosunkowo wysoką częstotliwość owiec z żadnym z badanych polimorficznych prowirusów insercyjnych.

Analiza MDS ujawniła wyraźną separację (szczególnie widoczną w pierwszym wymiarze) pomiędzy zdecydowaną większością ras krajowych a grupą zewnętrzną utworzoną przez rasy muflon, owce Soay, Hebrideans, owce Orkney, rasy islandzkie i nordyckie (Rysunek 3A). Podobne wyniki uzyskano metodą PCA (rys. 3B). Łącznie uzyskane dane wskazują, że relikty pierwszych migracji są nadal obecne u muflonów z Sardynii, Korsyki i Cypru oraz u ras z peryferyjnych obszarów Europy Północnej. Na podstawie retrotypów te prymitywne populacje charakteryzują się brakiem enJSRV-18 (utrwalonego u większości współczesnych ras) i albo obecnością enJSRV-7 w wysokiej frekwencji, albo brakiem insertywnie polimorficznych enJSRV (w tym enJSRV-7). Natomiast retrotypy zdecydowanej większości ras owiec skupiają się razem i charakteryzują się wysoką częstotliwością lub fiksacją enJSRV-18.

Dystanse genetyczne między populacjami owiec na podstawie częstotliwości insercji enJSRVs. (A) Wykres skalowania wielowymiarowego (MDS) obliczony z macierzy nieobiektywnych odległości genetycznych Nei’a (oprogramowanie TFPGA 1.3) (28). We wszystkich analizach uwzględniono dominujący charakter enJSRV jako markerów genetycznych. Macierz odległości międzypopulacyjnych podsumowano w dwóch wymiarach za pomocą analizy MDS zaimplementowanej w pakiecie STATISTICA ’99 (StatSoft Inc., Tulsa, OK, USA). Każdy trójkąt reprezentuje jedną z 65 badanych populacji. Należy zauważyć, że na wykresie wymieniono tylko te populacje, które znajdują się poza głównym skupiskiem (zamkniętym w kwadracie z linią przerywaną i obejmującym zdecydowaną większość ras z Afryki, Azji i Europy). (B) Trójwymiarowy wykres podsumowujący dane uzyskane w wyniku analizy głównych składowych (PCA) polimorficznych insercyjnie prowirusów enJSRV w 65 badanych populacjach owiec przy użyciu Proc Factor pakietu statystycznego SAS/STAT® (SAS Institute Inc, Cary NC) zgodnie z zaleceniami Cavalli-Sforza i wsp. (29). Zidentyfikowano cztery czynniki, odpowiadające za 86,66% zmienności, o wartości własnej ≥ 1. Czynnik 1 (na osi X) wyjaśnia 30,09% zmienności i może być interpretowany jako „czynnik Morza Północnego”, odróżniający grupę populacji utworzoną z niektórych brytyjskich i kontynentalnych europejskich (w tym duńskich i tekselskich) populacji owiec od pozostałych. Czynnik 2 (na osi Y), wyjaśniający 23,58% zmienności, oddzielający populację Texel od pozostałych. Czynnik 3 (na osi Z), wyjaśniający 22,92% zmienności i może być interpretowany jako „czynnik rasy prymitywnej”, odróżniający grupę populacji utworzoną przez populacje muflonów i skandynawskie (w tym populacje Hebridean, Orkney i Soay) od pozostałych. Zauważ, że dla zwiększenia przejrzystości rysunku, populacje tworzące główne skupisko nie zostały nazwane.

Jednolite retrotypy (R2, R2-R4), które zaobserwowaliśmy u owiec współczesnej Turcji, Iranu, Arabii Saudyjskiej, Syrii, Izraela i Egiptu, w połączeniu z dostępnymi dowodami archeologicznymi, sugerują, że selekcja owiec domowych o pożądanych cechach drugorzędnych wspólnych dla nowoczesnych ras nastąpiła najpierw w południowo-zachodniej Azji, a następnie z powodzeniem rozprzestrzeniła się na Europę i Afrykę oraz resztę Azji. Może to stanowić genetyczne wsparcie dla teorii, że wyspecjalizowana produkcja wełny powstała w południowo-zachodniej Azji, a następnie rozprzestrzeniła się w całej Europie (11). Rasy prymitywne przetrwały drugie migracje ras ulepszonych z Azji Południowo-Zachodniej, powracając do stanu zdziczałego lub półzdziczałego na wyspach pozbawionych drapieżników lub zajmując niedostępne obszary mniej podatne na wymianę handlową i związaną z nią introgresję. Większość, jeśli nie wszystkie, zidentyfikowane przez nas rasy starożytnego pochodzenia były już wcześniej uznawane za prymitywne na podstawie cech morfologicznych, takich jak ciemniejsza i bardziej szorstka sierść (zamiast bielszego wełnistego runa), pierzasty płaszcz i częsta obecność rogów zarówno u samic, jak i u samców (ryc. 4).

Charakterystyka morfologiczna ras prymitywnych. Rasy zidentyfikowane w niniejszej pracy jako pozostałości po pierwszych migracjach owiec posiadają cechy morfologiczne (m.in. ciemniejsze, grubsze runo, pierzaste umaszczenie, częsta obecność rogów u samic), podobne do dzikich owiec i muflona. (A) Owca Urial; (B) Muflon cypryjski; (C) Muflon śródziemnomorski; (D) Owca Orkney; (E) Owca Soay; (F) Owca Gute; (G) Owca Åland; (H) Owca islandzka; (I) Owca Hebridean.

Nasze badania dostarczają również dowodów genetycznych potwierdzających niepotwierdzone pochodzenie niektórych mniej popularnych ras owiec. Na przykład, jedna z 10 analizowanych populacji z Wysp Brytyjskich, owca Jacob, wykazywała jednorodny retrotyp R2, bardzo różny od innych populacji brytyjskich i bardziej podobny do południowo-zachodnich ras azjatyckich i afrykańskich. Pochodzenie rasy Jacob nie jest znane. Rasa ta zawdzięcza swoją nazwę biblijnej historii Jakuba, który wziął „każdą owcę w plamki i cętki” jako zapłatę od swojego ojca prawnego Labana (Księga Rodzaju 30:25-43; prawdopodobnie pierwsze odnotowane zastosowanie hodowli selektywnej u zwierząt gospodarskich). Nasza analiza retrotypii wspiera bezpośredni związek między owcami Jakuba a rasami z południowo-zachodniej Azji lub Afryki, a nie innymi rasami brytyjskimi. Nasze badanie również mocno łączy owcę Soay z muflonem śródziemnomorskim i azjatyckim, a nie z rasami nordyckimi.

W podsumowaniu, polimorficzny charakter enJSRVs ujawnił niezwykłą wtórną ekspansję populacji ulepszonych owiec domowych, najprawdopodobniej z południowo-zachodniej Azji, zapewniając cenny wgląd w historię społeczeństw pasterskich, których gospodarka obejmowała hodowlę owiec. Poprzez rozróżnienie po raz pierwszy genetycznie prymitywnych ras od nowoczesnych, nasze badania oferują przesłanki do identyfikacji i ochrony rzadkich puli genowych. Wreszcie, wykazujemy przydatność endogennych retrowirusów jako nowej klasy markerów genetycznych wykorzystywanych do odkrywania historii udomowionych gatunków.

.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.