全基因組重測序研究狗的馴化起源

人類飼養的家畜，如狗、豬、羊、牛、馬、雞等，都是有野生動物馴化而來。那麼，它們的祖先是誰？從哪裡馴化起源的？起源之後又是按照何種路線遷徙並分布到世界各地的？這些故事早已湮沒在歷史的長河。

這些動物經過了漫長的馴化和文明交流過程，它們的樣子跟其祖先相比，發生了太多的變化，早已無從分辨。然而，我們依然可以從它們的基因組DNA中找到其馴化遷徙的痕迹，探究物種群體的命運和奮鬥歷程。

在生物體的世代交替過程中，基因組DNA一代一代地傳遞下來，它保存了調控生物體生長發育的幾乎所有信息。然而，基因組DNA又不是一成不變地傳遞，每一代甚至每一個個體都會發生突變。

因而，隨著時間的推移，後代的個體中DNA會累積其歷代祖先的各種變異。這些變異包括物種某個群體自身發生的變異，也包括通過與外來群體雜交獲得的變異，這樣我們就可以通過研究目前該種的樣本DNA，推斷其群體進化的歷史。

本文我們就以家犬為例，探索它是從哪裡起源，又是怎樣在全世界擴散的。

目前世界上有400多種性情不同、形態各異的品種犬，具有豐富的多樣性。狗狗們既可以勝任萌萌可愛的寵物犬角色，也可以勝任獵犬、導盲犬、緝毒犬、搜救犬等種種特殊的角色，在人類生活中起著非常重要的作用。儘管相互之間差異巨大，它們卻有一個共同的祖先——灰狼。

灰狼是一種攻擊性非常強的危險捕食者，它是如何被馴化為人類身邊忠心耿耿的守衛者，而這樣的轉變是在何時、何地發生的，馴化後又是怎樣遷徙到世界各地的呢？這些問題一直是家犬研究中的熱點問題。

研究材料

歐亞大陸的12隻灰狼、亞洲和非洲的27隻土狗（未經歷品種化的家犬）和19隻世界各地的品種犬。27隻土狗中，11隻來自東南亞，12隻來自東北亞，4隻來自非洲。

測序策略

利用二代測序進行全基因組測序，每個個體平均15X。

圖1. 58隻家犬和灰狼的取樣地理分布

研究內容

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家犬馴化起源地

眾所周知，一個物種的起源中心具有最高的遺傳多樣性，比如人類，非洲人群具有最高的遺傳多樣性，現代人類的祖先來自於非洲，因此才有「走出非洲」一說。

家犬也一樣，通過比較來自不同地區的家犬群體的遺傳多樣性，發現來自東亞南部地區的家犬群體具有最高的多樣性，據此推斷家犬的起源地為東亞南部地區。如圖2所示，東亞南部的中國土狗在所有家犬中具有最高的遺傳多樣性，僅次於其祖先灰狼。

圖2. 58隻家犬和灰狼的遺傳多樣性

考慮到單個個體的遺傳多樣性會受到近期的群體瓶頸事件等因素限制，因此整合某個區域中整個群體的多樣性數據來計算比較遺傳多樣性會更可靠。

該數據跟個體樣本的遺傳多樣性數據一致，說明東亞南部的中國土狗具有最高的遺傳多樣性，家犬的起源地為東亞南部地區（圖3）。這裡有一個比較有意思的現象，歐洲的家犬比非洲土狗的遺傳多樣性高，說明到達歐洲的古老家犬數量比非洲的多。

圖3. 家犬群體和灰狼群體間的遺傳多樣性

AF：非洲土狗，EB：歐洲品種犬，SI：東亞南部的中國土狗，W：灰狼

連鎖不平衡（Linkage disequilibrium）現象也能在一定程度上說明群體遺傳多樣性和物種馴化起源的趨勢。連鎖不平衡是指在某一群體中，不同座位上某兩個基因同時遺傳的頻率明顯高於預期的隨機頻率的現象。

簡單地說，只要兩個基因不是完全獨立地遺傳，就會表現出某種程度的連鎖。遺傳多樣性越高的群體，其LD下降的越快，LD值就越小。如圖4所示，東亞南部的中國土狗在所有家犬中LD值下降最快，僅次於其祖先灰狼。

圖4. 家犬群體和灰狼群體間的連鎖不平衡

AF：非洲土狗，EB：歐洲品種犬，SI：東亞南部的中國土狗，W：灰狼

除了區域群體的遺傳多樣性，系統進化樹的結構也支持家犬在東亞南部馴化起源的結論。系統進化樹是利用遺傳差異數據反映不同群體間的進化關係。在系統發育樹上，古老的群體，會在樹的根部首先分化出來。

如圖5所示，家犬從灰狼分化出來以後，分為兩個分支，其中位於系統進化樹基部位置的分支為東亞南部的家犬，其它所有家犬都被列於另外一個分支。這說明東亞南部的家犬是最早從灰狼中分化出來的。

圖5. 58個家犬和灰狼的系統進化樹

2

家犬起源後擴散路線

東亞南部的家犬從灰狼中分化出來以後，就逐漸向全世界遷徙。那麼，它們是什麼時候從灰狼中分化出來的，又是合適擴散到世界其他地區的呢？

系統進化樹能夠確定來自不同地區的家犬群體間的相互關係，再通過比較不同群體間DNA序列的差異來估算其分歧發生的時間，我們就可以大致了解家犬的起源遷徙歷史。

研究發現，3.3萬年前，東亞南部地區的一些灰狼開始靠近人類，逐漸與原來的灰狼群體分離。1.5萬年前，分化後的家犬經中亞向西擴散，在1萬年前到達歐洲。前往歐洲的一隻家犬支系向東遷徙，在1.05萬年前在中國北部與當地家犬群體雜交形成了混合群體。

圖6. 家犬遷徙歷史

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家犬和灰狼有效群體數量變化

在家犬形成過程中，由於生存環境的變化，其群體構成必然發生巨大的改變，評估群體結構變化的重要指標是有效群體大小（Effective population size）。有效群體大小是指與實際群體有相同基因頻率方差或相同雜合度衰減率的理想群體含量，通常小於絕對的群體大小，它反應了群體遺傳結構中基因的平均純合速度。

PSMC（pairwise sequentially Markovian coalescent)能通過單個個體計算物種在歷史上的群體波動，其原理是通過全基因組的雜合位點在不同區域密度的變化對於「最近共同祖先」影響關係的研究，推測歷史上該物種的種群大小波動。

狼的祖先有效群體從2百萬年前開始一直下降，到30-40萬年前開始適當增長，而從20萬年前再次下降。狼與狗在2-10萬年前開始逐漸分開，然後狗的有效群體繼續下降，而狼的有效群體則有輕微增長。

圖7. 家犬與灰狼有效群體數量變化

總 結

這一工作採用58個來自世界各地的家犬基因組測序數據，通過群體遺傳多樣性、連鎖不平衡和系統進化樹等方法說明了家犬起源於東亞南部地區。

利用家犬群體間的相互關係及其分歧時間，推算家犬與灰狼在3.3萬年前分開，家犬的一個支系經中亞向歐洲遷徙，途中有一分支遷徙回到中國北部，揭示了家犬馴化後擴散到世界各地的遷徙路線。

另外，灰狼與家犬分離後，灰狼的有效群體大小略有增長，而家犬則下降。這些結果對於家犬的馴化和遷徙研究具有重要意義，也為了解人類歷史上的社會活動和遷徙歷史提供了參考材料。

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參考文獻

[1]Wang G D, Zhai W, Yang H C, et al. Out of southern East Asia: thenatural history of domestic dogs across the world[J]. Cell Research, 2016,26(1):21-33.

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