首次揭示！黃牛如何快速適應(yīng)青藏高原的極端環(huán)境？

出品：科普中國

作者：

陳寧博、呂陽、雷初朝（西北農(nóng)林科技大學(xué)）

張正為、呂紅亮（四川大學(xué)）

陳順港（中國科學(xué)院青藏高原研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

青藏高原被稱為“世界屋脊”，其平均海拔超過4000米，也被認為是世界第三極。盡管青藏高原具有低溫、低氧和強紫外線的嚴苛環(huán)境，但還是有很多生命在這片土地上繁衍生息。

青藏高原上生活的藏族同胞以放牧為主，長期飼養(yǎng)牦牛、馬、山羊和家牛等大型家養(yǎng)動物。家牛包括普通牛 (Bos taurus taurus)和瘤牛 (B. t. indicus) 兩個亞種。家牛在中國被稱為黃牛，是指除牦牛和水牛之外的家牛的總稱。

在我國，黃牛品種資源十分豐富，在《國家畜禽遺傳資源志—牛志》上，目前已有57個地方黃牛品種。青藏高原地區(qū)的黃牛品種眾多，包括西藏自治區(qū)的阿沛甲砸牛、西藏牛、日喀則駝峰牛和樟木牛；云南省的迪慶牛、四川省的甘孜牛和青海省的柴達木牛等。由于青藏高原地形復(fù)雜，遷移到高原腹地的黃牛未曾大規(guī)模遷移到其他地方，從而保留了其原始的特征。

考古學(xué)和古DNA證據(jù)表明，黃牛是最早進入青藏高原的家養(yǎng)動物之一，青藏高原黃牛也是目前中國乃至全世界最原始的黃牛種質(zhì)資源。經(jīng)過幾千年的自然選擇和人工選擇，青藏高原黃牛具有體型較小、成熟較晚和適應(yīng)高原氣候等獨特的特點。

在如此極端的環(huán)境下，黃牛何時何地進入青藏高原？又如何快速適應(yīng)高原環(huán)境？這些問題引起了科研工作者的極大興趣。

青藏高原的黃牛

（圖片來源：西北農(nóng)林科技大學(xué)陳寧博拍攝）

黃牛起源

古DNA證據(jù)表明，至少在距今3900年前，于西亞新月沃地馴化的家牛就已經(jīng)進入東亞。進入東亞之后，其血統(tǒng)也發(fā)生了改變，我們稱之為東亞普通牛，以距今3900年的陜北石峁遺址出土的黃牛為代表。

基因組學(xué)證據(jù)也支持石峁黃牛為現(xiàn)代青藏高原黃牛和東北亞家牛的祖先，例如中國東北的延邊牛、日本和牛和韓國韓牛等。

以石峁黃牛為代表的家牛群體在進入中國之后繼續(xù)擴散，它們向東擴散至中國東北地區(qū)，隨后進入朝鮮半島和日本；向西則進入青藏高原邊緣地帶，在隨后的幾千年之間逐步擴散到整個青藏高原地區(qū)，考古學(xué)和遺傳學(xué)證據(jù)進一步支持，黃牛至少在2500年前就擴散到青藏高原南部腹地的邦嘎地區(qū)。

青藏高原牧民飼養(yǎng)的黃牛

（圖片來源：西北農(nóng)林科技大學(xué)陳寧博拍攝)

黃牛如何適應(yīng)高原氣候？

與家牛一萬年的馴化歷史相比，青藏高原黃?？赡苤挥腥甑剿那甑臍v史，在如此短的時間內(nèi)，黃牛究竟是如何快速適應(yīng)高原的環(huán)境？為了解決這一問題，我們收集了青藏高原8個黃牛種群共89頭黃牛的樣品，進行基因組測序并分析。

收集的黃牛樣品來自青藏高原東北部、中部和南部地區(qū)的主要放牧區(qū)，海拔在3400~4300 米之間，隨后我們通過和全世界其他家牛的基因組信息進行分析，發(fā)現(xiàn)青藏高原黃牛擁有豐富的遺傳多樣性。

與8個青藏高原黃牛種群的地理分布位置一致，其祖先血統(tǒng)成分也表現(xiàn)出東亞普通牛到南亞瘤牛的連續(xù)性變化。

在隨后三千多年的繁衍過程中，通過生存環(huán)境對一代代黃牛的自然選擇作用，通過優(yōu)勝劣汰機制保留下來的有利黃牛個體都非常適應(yīng)青藏高原環(huán)境，這些個體在基因組序列上發(fā)生了一些微變化，那么這些變化是怎樣發(fā)生的呢？

我們通過和低海拔地區(qū)的黃?；蚪M序列比較，在青藏高原黃?；蚪M上發(fā)現(xiàn)了影響體型大小的HMGA2和NCAPG基因。青藏高原黃牛在這兩個基因上存在頻率非常高的兩個基因突變，且這兩個突變在低海拔地區(qū)的黃牛中幾乎沒有，這可能是導(dǎo)致青藏高原黃牛體型較小的原因。

我們還發(fā)現(xiàn)參與能量代謝的DUOXA2基因也存在一個高頻的突變，這個變異與高原黃牛的機體能量代謝相關(guān)，通過調(diào)節(jié)能量代謝使其更好地適應(yīng)了高原極端環(huán)境。于是我們推測，這些變異可能就是青藏高原黃牛通過自然選擇適應(yīng)高原環(huán)境的“關(guān)鍵密碼”。

但是短短的三千多年，僅僅通過自然選擇來適應(yīng)這種極端環(huán)境是遠遠不夠的。為了更好地適應(yīng)青藏高原的極端環(huán)境，青藏高原黃牛選擇了與牦牛進行“通婚”。

通婚

牦牛被人們譽為“高原之舟”，自古至今是青藏高原牧區(qū)的優(yōu)勢家畜，牦牛能充分利用高寒草地牧草資源，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件具有極強適應(yīng)性，耐粗飼，在空氣稀薄、寒冷、牧草生長期短等惡劣環(huán)境條件下能生活自如。

牦牛和黃?？梢园l(fā)生雜交，并且其雜交后代——犏牛對人類定居高海拔極端環(huán)境也意義重大。牦牛、黃牛和犏牛，它們不僅是高原農(nóng)業(yè)犁耕和運輸?shù)闹髁?，而且全身是寶，牛肉，酥油和酸奶等農(nóng)產(chǎn)品是重要的食物資源，牦牛毛編織的帳篷能抵御風(fēng)雪酷寒，牛糞更是每家必不可少的主要燃料。

那么牦牛和黃牛的“通婚”最早是什么時候開始的呢？青藏高原南部地區(qū)邦嘎遺址的考古發(fā)現(xiàn)為我們提供了重要線索。邦嘎遺址海拔3750米，早期遺存距今2000至3000年，是西藏為數(shù)不多的經(jīng)系統(tǒng)考古發(fā)掘的高海拔史前遺址。邦嘎遺址的動物考古研究發(fā)現(xiàn)，邦嘎先民同時利用了牦牛與黃牛，并且大部分牛的死亡年齡都大于四歲，這與青藏高原現(xiàn)代牧民的家牛利用與管理模式相似。

通過對邦嘎遺址的5塊牛骨進行年代學(xué)和古DNA分析，我們發(fā)現(xiàn)，早在距今2500年前，黃牛已經(jīng)伴隨先民的遷徙活動到達邦嘎。邦嘎先民在那時已經(jīng)開始進行牦牛和黃牛的“通婚”實驗。到目前為止，這種有意的“通婚”事件至少持續(xù)了2500年，甚至更長，這就需要未來更多的考古證據(jù)來證明。

那么青藏高原的黃牛究竟通過“通婚”從牦牛那里獲得了哪些“優(yōu)秀基因”呢？我們進一步研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原不同海拔地區(qū)的黃牛擁有很多牦牛的“優(yōu)秀基因”。例如：與缺氧反應(yīng)(EGLN1)、冷適應(yīng)(LPR11)、DNA損傷修復(fù)(LATS1)和抗紫外線(GNPAT)相關(guān)的功能基因。這些有利基因通過“通婚”的方式或多或少地影響了遷徙至青藏高原的黃牛。再加上祖輩的“言傳身教”，它們后代的適應(yīng)能力越來越強。

我們還發(fā)現(xiàn)，有牦牛血統(tǒng)來源的非編碼區(qū)變異可以改變原有的“基因表達平衡”，一旦改變了這種基因表達平衡，影響高海拔適應(yīng)的基因就會“積極表現(xiàn)”，所以“通婚”后的黃牛后代適應(yīng)能力更強。牦牛和黃牛之間的“通婚”，也是另一個增強青藏高原黃牛應(yīng)對高原環(huán)境能力的“關(guān)鍵密碼”。

邦嘎遺址考古現(xiàn)場

（圖片來源：四川大學(xué)考古科學(xué)中心呂紅亮教授團隊提供）

黃牛和牦牛的雜交后代——犏牛

（圖片來源：西北農(nóng)林科技大學(xué)陳寧博拍攝）

牛屬的各類“?！痹谥袊加蟹植?，那么除了現(xiàn)今依舊生活在青藏高原的黃牛、牦牛以及它們雜交的后代——犏牛以外，在歷史的長河中會不會還有其它“?！币苍?jīng)生活在這片廣闊的高原上？它們和黃牛以及牦牛之間又會有怎樣的故事？

在好奇心的驅(qū)使下，我們從青藏高原東北部的一處叫塔溫搭里哈的考古遺址中采集到了3個古老的牛骨遺存，希望從中尋找線索和答案。由于這些牛骨經(jīng)歷了近三千年的時光洗禮，我們已無法從其形態(tài)上判斷它們究竟來自于哪種牛。

因此，我們再次借助古DNA技術(shù)，希望從這些牛骨中提取殘存的古DNA片段，用一種類似“親子鑒定”的方法破解它們的身份之謎。

我們通過提取古DNA并進行擴增和基因組測序等一系列工作后，成功獲得了這三個古代牛骨中的遺傳信息。通過對這些古老遺傳信息的解析，我們發(fā)現(xiàn)它們的母親分別為黃牛和東亞原牛。

原牛，顧名思義是一種原始的、沒有被馴化的牛，它們的足跡曾遍布整個歐亞大陸和非洲北部?，F(xiàn)代家牛的祖先來自于西亞的普通原牛和南亞的瘤原牛。非常可惜的是，原牛已于1627年滅絕。

東亞原牛是指分布在東亞地區(qū)的一種原牛，目前還未在青藏高原上發(fā)現(xiàn)它們生存過的痕跡。我們在塔溫搭里哈遺址發(fā)現(xiàn)的這個東亞原牛樣品，距今已有3400年的歷史，證明了在家養(yǎng)黃牛到來后的數(shù)百年時間里，青藏高原上可能還自由地生活著原牛。

動物骨骼遺存的形態(tài)學(xué)鑒定

（圖片來源：中國科學(xué)院青藏高原研究所陳順港拍攝）

既然黃牛與東亞原牛曾在3000多年前的青藏高原相遇，那么它們之間是否也會像黃牛與牦牛有過“親密接觸”呢？帶著這個疑問，我們進一步開展了核基因組分析。

令人驚喜的是，我們發(fā)現(xiàn)一例樣本的線粒體屬于東亞原牛，但核基因組卻與黃牛相似。深入解析其祖先血統(tǒng)后，我們發(fā)現(xiàn)這一個體同時擁有84%的黃牛血統(tǒng)和16%的東亞原牛血統(tǒng)，印證了其“混血兒”的獨特身份。

至此，遺傳學(xué)和古DNA研究幫助我們認識到，不僅黃牛與牦牛有過“通婚”，黃牛與東亞原牛也有過“通婚”。更加令人印象深刻的是，我們在邦嘎黃牛中也檢測到了牦牛和東亞原牛的血統(tǒng)，這也成為了原?！S?！笈！盎旌想s交”的最佳例證。

在超凈實驗室提取樣本中的古DNA

（圖片來源：中國科學(xué)院青藏高原研究所韓旭提供）

我們通過與中國科學(xué)院青藏高原研究所、四川大學(xué)考古科學(xué)中心、美國圣路易斯華盛頓大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、崖州灣國家實驗室、蘭州大學(xué)、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院昆明動物所等多家單位合作，將這些關(guān)于青藏高原黃牛、牦牛、犏牛和東亞原牛的系列研究工作發(fā)表在了《Nature Communications》《Science Advances》和《Science Bulletin》雜志上。這一系列的研究豐富了我們對于青藏高原史前牛屬動物資源的了解，也認識了牛屬動物之間的“通婚”方式。

如果在未來想要進一步探索青藏高原牛屬動物演化的奧秘，可以通過進一步對現(xiàn)代和古代樣品的基因組進行深入研究，來揭開青藏高原牛屬家養(yǎng)動物的神秘面紗。

（注：文中拉丁文部分應(yīng)為斜體）

參考文獻：

[1] Ningbo Chen, Xiaoting Xia, Quratulain Hanif, et al. Global genetic diversity, introgression and evolutionary adaptation of indicine cattle revealed by whole genome sequencing. Nature Communications. 2023, 14, 7803.

[2] Ningbo Chen, Zhengwei Zhang, Jiawen Ho, et al. Evidence for early domestic yak, taurine cattle, and their hybrids on the Tibetan Plateau. Science Advances. 2023, 9, eadi6857.

[3] Ningbo Chen, Yudong, Qiuming Chen, et al. Whole-genome resequencing reveals world-wide ancestry and adaptive introgression events of domesticated cattle in East Asia. Nature Communications. 2018, 9, 2337.

[4] Shungang Chen, Lele Ren, Yu Gao, et al. Evidence of hybridization of cattle and aurochs on the Tibetan Plateau ~3750 years ago. Science Bulletin, 2024.

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