综述：驴基因组：从进化洞察到可持续育种策略
《Animals》：The Donkey Genome: From Evolutionary Insights to Sustainable Breeding Strategies
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时间：2025年12月30日
来源：Animals 2.7
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本综述系统梳理了驴基因组学最新进展，指出高精度参考基因组（PacBio/ONT）与多组学整合（GWAS/QTL）已揭示其非洲起源、环境适应及关键经济性状（如LCORL-NCAPG通路调控生长）的遗传基础。然而，小样本量、表型数据标准化不足及生物信息学流程差异仍是制约其向育种实践转化的主要瓶颈。未来需通过标准化表型、改进数据整合及合作研究框架，为全球驴种群的可持续基因组育种奠定基础。
1. 引言
驴（Equus asinus）作为最早被驯化的马科动物之一，数千年来一直支撑着人类社会。它们起源于非洲野生祖先，随后扩散至欧亚大陆，成为运输系统、农业生产和长途贸易网络不可或缺的一部分。如今，驴在许多发展中地区仍然是重要的役用动力和生计支持。与此同时，其在奶、肉和皮张生产中的经济重要性也在稳步提升。从生物学角度看，驴表现出对干旱环境的显著适应力、高效的代谢调节能力和灵活的繁殖性能，这使其成为研究马属动物适应和驯化的宝贵模型。
全球驴种群目前正经历深刻的人口和社会经济变化。机械化及对畜力依赖的减少导致许多中低收入国家驴群数量急剧下降。与此同时，阿胶产业的快速扩张导致对驴皮的需求激增，进一步加速了种群数量的减少和非规范屠宰。这些压力共同威胁着本土驴品种的遗传完整性，并损害了牧民和小农的生计。相比之下，中国和欧洲部分地区正兴起集约化和半集约化养殖系统，特别是针对驴奶生产。驴奶因其成分与人乳相似且具有低致敏性而备受推崇。这些截然不同的全球动态凸显了通过基因组学指导的可持续管理策略，在提高生产力的同时保护遗传多样性的紧迫性。
过去十年，技术创新从根本上重塑了驴基因组学研究。早期的基因组草图组装提供了对基因组组织的初步认识，但往往较为零碎且功能注释有限。近年来，长读长测序平台（如Oxford Nanopore Technologies和PacBio HiFi测序）的进步，结合Hi-C支架技术，使得染色体级别的组装成为可能。与此同时，群体重测序和古DNA分析阐明了驯化过程、地理扩散路线、遗传多样性模式以及环境适应的特征。因此，高质量的驴参考基因组已经可用，为研究复杂性状的遗传结构以及支持循证育种和保护计划创造了新的机遇。
尽管取得了显著进展，驴基因组学仍面临若干重要挑战。与主要家畜物种相比，关于适应性和生产相关性状遗传结构的基础性见解仍在不断涌现。对种群可持续性和育种效率至关重要的繁殖性状的基因组基础，直到最近才得到系统性的关注。基因组数据与标准化表型和环境信息的整合仍然有限，基因组发现向常规育种和保护策略的实际转化仍处于早期阶段。尽管如此，近期的研究已取得实质性进展，在进化史、性状生物学和候选基因鉴定方面提供了关键发现。基于这些进展，本综述旨在总结驴基因组学的主要发展，强调重要突破，指出尚存的知识空白，并为可持续育种、有效保护和负责任的产业发展规划未来方向。
2. 材料与方法
本综述采用结构化的文献综述方法，旨在总结驴基因组学、遗传多样性及性状相关生物学方面的进展。主要检索了2000年至2025年间发表的文献，首选Web of Science核心合集，以确保涵盖同行评审的SCI文献，并辅以PubMed、Scopus、Elsevier和Google Scholar的补充检索。检索词采用与驴（Equus asinus）、基因组学、遗传多样性、驯化、表型性状、适应性进化及多组学相关的关键词组合，并通过布尔运算符（AND/OR）连接。
通过标题、摘要和全文评估对文章进行筛选。纳入标准仅限于报告原始基因组或表型数据，或提供与育种、适应或保护相关的全面分析综述的同行评审研究。会议论文和书籍章节被排除在外。非SCI来源通常被排除以确保数据可靠性，但近期具有高影响力的预印本在符合同行评审证据的情况下被定性审查，以捕捉新兴趋势。总计初步筛选了420余篇文章，最终有161项研究被纳入本综述。这组最终的研究构成了本综述中呈现的综合与解释的基础。
3. 驴参考基因组的构建与优化
3.1. 驴基因组组装技术的演变
早期的驴基因组组装始于2015年左右，主要基于短读长测序平台构建，提供了必要但零碎的参考，限制了结构变异和基因组织的分辨率。尽管存在这些限制，这些早期努力为与其他马科动物的比较分析奠定了基础，并为驴的进化史提供了初步见解。通过邻近连接方法（如Chicago/HiRise系统）实现了重大改进，显著增强了支架的连续性，并能够检测染色体重排，为马属内核型分化提供了早期证据。随后的组装，包括德州驴基因组，进一步提高了组装的完整性和注释的准确性，为种群分化和驯化研究建立了稳定的基础。
最近，先进测序和支架技术的整合使得从参考质量草图向真正的染色体级别组装过渡成为可能。长读长测序平台（PacBio SMRT和Oxford Nanopore）与Hi-C染色质构象捕获和光学图谱的结合，使得单倍型定相和结构复杂基因组区域的重建成为可能。首次能够可靠地组装重复区域，如着丝粒和亚端粒序列，揭示了谱系特异性重排以及驴与马之间杂交不亲和性的潜在机制。这些累积的进展从根本上改变了驴基因组学可达到的分辨率，现已成为高分辨率比较分析以及探索生殖隔离、核型进化和物种适应基因组基础的基础。
3.2. 多组学整合用于功能基因组注释
基于这些稳健的组装，多组学数据的整合将焦点从基因组结构转向了功能。结合RNA-seq、Iso-Seq和ATAC-seq数据集，扩展了基因模型，解析了可变剪接，并绘制了跨组织的顺式调控图谱。这些努力揭示了蛋白质编码和非编码RNA的分布与调控，而长读长结构变异分析则精确定位了与驯化、适应和生产性状相关的基因组区域。这些发展共同代表了驴基因组学从构建基因组到解读其生物学意义的概念性转变，为连接基因型与表型以及指导未来育种和保护计划提供了框架。
4. 驴的群体基因组学与驯化史
近期的群体基因组学研究极大地扩展了我们对家驴（Equus asinus）进化起源和多样化的理解。对全球种群的高覆盖度重测序揭示了由多次扩散事件、反复基因流和区域特异性适应所塑造的复杂种群历史。非洲驴通常保留着最高的基因组多样性，反映了其与祖先野生种群的接近性，而许多亚洲和欧洲种群则表现出杂合度降低，这可能是奠基者效应、种群数量收缩和长期人工选择的结果。尽管取得了这些进展，由于采样不均（特别是非洲地区）以及基因组、考古学和历史证据之间的整合有限，驴的全球种群结构仍仅得到部分解析。
4.1. 适应与选择的基因组特征
驴的全基因组选择扫描已识别出与体温调节、渗透调节、代谢和骨骼形态相关的候选位点，为适应干旱和高温环境以及驯化过程中对运动效率和负重能力的选择提供了分子证据。古DNA分析进一步将驴的初始驯化时间定位于大约距今5000至7000年前的非洲东北部，这与考古记录基本一致。然而，考古学解释与分子钟估计之间的差异仍然存在，这可能反映了降解古DNA和有限样本量带来的挑战。重要的是，尽管许多选择信号在不同研究中被一致检测到，但其生物学效应在很大程度上仍是从基因组相关性中推断出来的。因此，未来的工作应优先利用体外系统和模式生物进行功能验证，以超越基于关联的证据，并确定关键适应性和生产相关性状背后的因果基因和机制。
4.2. 多起源驯化与遗传混合
古代和现代驴基因组的比较分析揭示了一个比先前假设更为动态的驯化历史。高覆盖度的非洲古DNA显示出与现存非洲野驴种群的连续性，而欧亚考古基因组则包含后期种群更替、反复基因渗入和种群替换的特征。这些模式表明，驴通过人类介导的跨大陆贸易网络（如红海和丝绸之路路线）被反复扩散和重塑。重要的是，近期基于时间校准的核基因组分析也揭示，驯化过程不仅涉及反复的扩散和混合事件，还包括一系列塑造了种群结构随时间变化的区域特异性种群动态，这些模式是早期的双支系驯化模型所未能捕捉到的。
单亲标记提供了补充视角，但也凸显了对全基因组分辨率的需求。线粒体单倍群（支系I和II）指向至少两次母系驯化事件，而极度降低的Y染色体多样性则反映了与早期繁育系统一致的强雄性介导的瓶颈效应。然而，这些标记在捕捉基因渗入和选择的功能后果方面能力有限。最近，结合单亲标记、高分辨率核基因组和校准古DNA的综合框架揭示了区域谱系间的定向基因流，并识别了受驯化相关压力塑造的功能区域。这一新兴证据使该领域超越了简单的系统发育重建，转向理解种群过程和选择如何共同塑造了现代驴的基因组结构。
5. 驴经济性状的基因组基础
近期的基因组研究日益阐明了驴生产、适应、繁殖和乳用相关性状的遗传结构。这些性状往往是相互关联而非独立的，重叠的遗传控制影响着生长、耐热性、代谢效率、繁殖性能和乳用性状。
5.1. 生产与适应性状
来自非洲、地中海和中国的驴种群在体型、肌肉发达程度和皮肤特征上表现出显著差异，反映了对多样化生态和饲养条件的适应。基因组研究反复强调LCORL–NCAPG和IGF1与生长和体型相关，其中LCORL通过生长相关通路的转录调控促进肢体和身体伸长，NCAPG调节细胞增殖和肌纤维肥大，IGF1则增强软骨细胞和成肌细胞分化以驱动骨骼和肌肉发育。色素沉着和皮肤结构基因，如MC1R、ASIP和TBX3，影响被毛颜色和皮肤性状，其中MC1R和ASIP调节真黑素-褐黑素的转换，TBX3则有助于毛囊模式和表皮发育。调节脂质代谢和肌纤维发育的基因也通过调节肌内脂肪沉积、氧化型与糖酵解型纤维比例以及宰后肌肉生化特性，对胴体组成和肉品质产生影响。驴种群中与渗透调节、耐热性和代谢效率相关的基因中出现的正选择信号表明，肾脏离子转运、热休克蛋白活性和线粒体能量通路是适应性进化的反复靶点，这表明适应能力和生产性状可能在自然和人工选择的共同压力下协同进化。尽管如此，大多数关联仍然是统计学上的而非功能验证的，并且不同研究间性状定义的差异限制了直接比较。
5.2. 繁殖与乳用性状
繁殖性状是驴经济价值的重要组成部分。候选基因如GDF9和BMP15及其下游信号通路在卵母细胞发育和卵泡发生中发挥关键作用，其中GDF9通过SMAD2/3介导的信号传导促进颗粒细胞增殖和卵丘扩展，BMP15通过调节颗粒细胞分化和FSH敏感性来调节卵泡生长、排卵率和卵母细胞成熟。虽然候选基因和转录组分析为繁殖性状的遗传改良提供了见解，但低遗传力和强环境效应限制了短期的遗传进展。有效提高繁殖性能需要将基因组预测与优化的管理策略相结合，包括同期发情、人工授精和靶向营养干预。
驴乳具有独特的成分特征，表现为低酪蛋白与乳清蛋白比例，以及高浓度的乳糖和乳铁蛋白，这使其生化特性和生物活性与人乳极为相似。影响乳成分的遗传决定因素，包括CSN基因家族的变异和LYZ的拷贝数变异，代表了潜在的选择靶点，其中CSN基因变异影响酪蛋白胶束形成、蛋白质稳定性和消化率，LYZ拷贝数则影响乳中溶菌酶的表达和抗菌活性。然而，跨品种的标准化泌乳表型测定和功能验证仍然有限。
5.3. 多组学整合与候选位点的功能验证
多组学整合对于将统计关联转化为候选基因的机制性见解至关重要。有效的流程结合了全基因组关联研究或全基因组选择扫描与组织特异性转录组学、表观基因组学、蛋白质组学和代谢组学。转录组和表观基因组数据揭示了组织或阶段特异性的基因调控，而蛋白质组和代谢组层面则捕捉了遗传变异的下游功能后果。整合这些层面能够识别因果等位基因、功能网络和感兴趣性状的生物标志物。尽管如此，大多数驴研究仍然依赖于地理受限、小种群的低覆盖度全基因组重测序，这降低了统计功效，增加了假阳性关联，并限制了重复性和功能验证。
为了克服这些限制，驴研究应采用严谨的实验设计，包括在可行的情况下增加样本量、标准化表型测定方案、记录环境协变量以及应用针对种群结构和亲缘关系的统计校正。多组学数据可以整合到一个统一的功能基因组学框架中：GWAS或选择扫描定义候选位点，转录组和表观基因组数据揭示组织和环境特异性表达，蛋白质组或代谢组层面提供下游功能效应的证据。因果推断方法，如基因调控网络重建或孟德尔随机化，进一步增强了机制性解释。在驴中应用这一整合框架，能够系统验证候选位点，阐明等位基因与性状的关系，并支持基于证据的基因组选择策略，在优化适应或生产性状的同时保护遗传多样性。
6. 基因组学在驴育种与保护中的应用
基因组技术正日益应用于驴的育种和保护管理。除了描述种群结构外，近期的基因组分析提供了可指导选择、维持多样性和增强适应潜力的可操作见解。GWAS和跨多个种群的全基因组重测序已识别出与体型、被毛颜色、代谢效率和繁殖性状相关的基因组区域。例如，中国的德州驴和阳原驴表现出与生长和色素沉着相关的显著SNP信号，而意大利的Martina Franca和Ragusano品种则显示出影响体型和繁殖的基因存在局部选择。这些发现为制定战略性育种和保护计划提供了基因组学基础。
为了将基因组学见解转化为实际管理，可以将种群水平指标（如纯合片段、基因组近交系数和核苷酸多样性）纳入基因组交配计划，以最小化亲缘关系、防止过度纯合并保护稀有单倍型。保护单元可以使用基于多样性的基因组排序来确定优先级，强调低近交的母系，并对高纯合片段谱系实施受控杂交。除了交配决策，基因组数据还可以指导营养以增强繁殖；例如，在Martina Franca公驴中，基于大麻的多不饱和脂肪酸补充剂改善了膜脂质和生育力。这一例子凸显了基因组知识向农场层面干预措施的实际转化，以优化育种性能。然而，全基因组测序或高密度SNP芯片的常规应用在许多驴对生计至关重要的低收入地区仍然面临经济挑战，因为每样本成本可能比当地可持续育种预算高出一个数量级。在此背景下，低密度SNP面板结合基因型填充或ddRAD-seq基因分型提供了具有成本效益的替代方案，能够以一小部分成本实现种群监测、营养指导和近交控制，同时保留足够的分辨率用于管理决策。将这些基因组指标与表型和系谱数据整合，进一步提高了育种值估计的准确性，并支持对经济重要性位点进行标记辅助管理。
比较基因组学研究揭示了驴种群间显著的地理分化，反映了不同的进化历史和管理实践。非洲驴，包括来自非洲之角和东非的阿比西尼亚、阿法尔及其他品种，拥有高基因组多样性和与耐热性、抗旱性和免疫功能相关的适应性等位基因，这与长期暴露于干旱和变化环境相一致。然而，非洲种群在当前基因组数据集中代表性不足，未来的采样工作应纳入更多本土谱系，以改善种群历史解析度并捕捉全部祖先多样性。地中海驴，特别是半野生或传统管理的品种，如Pantesco和Amiatina，表现出中等的遗传多样性和清晰的种群结构，这种结构是由对代谢、形态和局部环境适应的区域选择塑造的。相比之下，经过集约化选择的中国品种，如德州驴和凉州驴，显示出降低的基因组多样性、延长的纯合片段以及针对生长和繁殖相关通路的强选择清除，这反映了现代育种系统下近期的定向选择。近期整合全基因组重测序与基于RNA-seq功能注释的研究进一步表明，一些品种特异性清除是由调控而非编码变异驱动的，这强调了整合方法在区分适应性信号与种群效应方面的价值。这些模式共同突显，驴的遗传改良和保护策略应是种群特异性和环境敏感性的，而非全球统一的。
7. 挑战、局限性与伦理考量
7.1. 表型数据质量与标准化
驴基因组学的效用受到数据集零散、测序质量参差不齐以及不同研究间生物信息学流程不一致的限制。这种技术异质性限制了跨研究的可比性，并降低了基因组预测的准确性和可转移性。驴特有的特征进一步加剧了这些挑战，因为通常较小且地理隔离的种群加剧了遗传漂变和近交，从而降低了关联分析和基因组选择模型的统计功效。
与此同时，表型数据仍然是一个主要瓶颈。生长、繁殖和乳用性状的测量常常不完整或非标准化，不同地区、管理系统和品种间的测定方案差异很大。这种缺乏统一表型测定的情况严重限制了可靠的基因型-表型整合以及基因组工具的下游应用。建立共享的参考群体、标准化的表型测定指南和透明的数据管理框架，对于提高可重复性和分析稳健性至关重要。
7.2. 技术、资源与政策限制
驴基因组学的进展常常受到机构能力有限、资金不足以及测序和计算基础设施获取不均的限制。这些限制减缓了群体规模基因组学和多组学整合的扩展，特别是在驴具有最重要社会经济意义的地区。
尽管《名古屋议定书》等国际框架旨在促进遗传资源的道德和公平交换，但其执行可能会在资源匮乏的环境中为合作制造实际障碍。当当地基础设施和监管支持有限时，复杂的许可程序、延长的审批时间表和行政报告要求可能会延迟或限制材料转移和数据共享。对区域基因组设施、培训计划和可互操作的开放获取平台进行有针对性的投资，对于减少这些差距并实现全球在驴基因组研究和保护中的平衡参与至关重要。
7.3. 伦理与生物安全考量
新兴生物技术，包括基因组选择和基因组编辑，在理论上具有改善哺乳动物抗病性和繁殖性能的潜力。然而，它们在驴中的应用引发了物种特异性的伦理和生物安全问题。在濒危或地方适应性种群中，基因组编辑可能会无意中破坏种群结构、加速近交或损害由长期环境和文化选择塑造的适应性性状。
鉴于驴在运输、农业和生计中的多功能作用，必须仔细评估任何遗传干预可能带来的福利、行为或代谢后果。来自其他家畜物种的证据，例如猪MSTN敲除后的代谢失衡，说明了在小型或脆弱的驴种群中不可接受的风险。此外，经过编辑的驴与野生或半野生群体之间的基因流动可能威胁当地生态型的遗传完整性，特别是在家养和野生谱系共存的地区。
为了减轻这些风险，未来的研究应优先考虑驴特异性基因组资源、受控的体外功能验证以及以保护为导向的育种框架。任何先进生物技术的应用都应在透明的治理、严格的福利监督和长期的遗传监测下进行，以在创新与保护之间取得平衡。
8. 结论与展望
驴基因组学近年来取得了显著进展，产生了染色体级别的参考基因组、群体规模的重测序数据集以及多组学分析，为该物种的进化史、种群结构以及生长、繁殖、产奶和环境适应等重要性状的遗传基础提供了宝贵的见解。研究表明，适应性状（如耐热性和抗旱性）通常与生产性状协同进化，证明了适应性和性能两者之间相互关联的遗传基础。这些发现凸显了驴遗传学的复杂性，并强调了对育种和保护工作采取细致入微方法的必要性。
虽然基因组工具具有快速影响驴种群结构的潜力，但在维持遗传多样性与靶向增强关键性状之间取得平衡至关重要。研究表明，在选定位点调节基因表达，同时保持有效种群规模，可以在不造成显著多样性损失的情况下改善适应性和生产性状。然而，在小型或集约化管理种群中进行过度的定向选择，存在耗尽稀有单倍型和地方适应性等位基因的风险。为了推进育种和保护的实际应用，未来的研究应侧重于扩大跨多样化种群的基因组数据集、实施高分辨率表型测定、验证候选位点以及开发具有成本效益的基因组资源，以支持知情的育种计划和保护策略。这种方法将有助于弥合理论基因组学与应用实践之间的差距，以确保驴种群的可持续改良。
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