2022年9月6日，中科院西北高原生物研究所联合中科院昆明动物所等单位，在Nature Communications 杂志发表了题为“Long read genome assemblies complemented by single cell RNA-sequencing reveal genetic and cellular mechanisms underlying the adaptive evolution of yak”的研究论文。该研究成功组装高质量牦牛基因组，为系统开展牦牛遗传资源保护与利用，建立全基因组选择育种技术体系，提供了重要的依据，对理解动物高海拔适应和人类缺氧相关疾病的发生具有重要意义。

该文章中的单细胞转录组测序服务由J9九游会提供。

研究背景

牦牛是生活在世界平均海拔最高地区的体型最大的反刍动物之一，生理上适应缺氧和寒冷的环境。家牦牛(Bos grunniens)一般生活在海拔3000-5000米，而家牦牛的祖先野牦牛(Bos mutus)生活在青藏高原海拔4000-6000米。尽管野牦牛和家牦牛之间存在明显形态差异，但这两个物种都具有高海拔适应的遗传特征，被认为是研究大型哺乳动物缺氧耐受性的优秀模型。目前已有的研究多集中在牦牛基因组单核苷酸多态性（SNP）分析上，较少涉及对大片段结构变异（SV）分布情况的描述和潜在功能的解析。由于参考基因组不完整等因素制约，我们对牦牛适应性相关分子遗传机制的了解依然十分有限。

家牦牛与野牦牛

研究路线

主要结果

野牦牛和家牦牛的染色体水平基因组组装、注释和结构变异鉴定

作者通过Nanopore测序获得野牦牛和家牦牛的全基因组序列并进行组装，通过序列一致性和完整性评估，组装得到的基因组序列具有很高质量，又对所得基因组进行了注释。

通过对比牦牛和黄牛基因组，鉴定得到野牦牛和家牦牛的SV分布，并圈定了可能参与高海拔适应的SV。

牦牛基因组组装核结构变异鉴定结果

牦牛和黄牛肺脏组织的单细胞转录组测序数据分析

单细胞测序结果在家牦牛和黄牛肺组织中都鉴定出四种主要细胞类型，包括上皮细胞、内皮细胞、间充质细胞和免疫细胞，这四种细胞类型同样存在于小鼠肺中，说明肺组织的主要细胞类型在物种间具有保守性。进一步分析发现一种家牦牛特有的内皮细胞簇yak16与黄牛细胞亚群相关性较弱，可能与高海拔适应相关功能基因的高表达相关。

单细胞测序鉴定肺部差异细胞亚群

整合基因组变异和单细胞测序数据以揭示家牦牛适应的遗传基础

通过将鉴定到的SVs对不同细胞亚群进行富集，作者发现在间充质细胞核上皮细胞中，牦牛比黄牛表达更多含有高FST的SV，而黄牛的内皮细胞比牦牛表达更多的DEGs。这些结果说明检测到的SV与不同肺细胞亚群中的差异基因表达相关，并且可能在牦牛的高原适应中起关键作用。

研究结论

作者通过组装得到了野牦牛和家牦牛两个高质量染色体水平基因组，提供了牦牛中SV的全基因组目录，以及牛肺组织的单细胞转录组谱。这些高质量的基因组和单细胞转录组测序数据为未来牛物种研究提供了重要依据。