Nature | 原牛的驯化历史

2024-11-11 08:37 北京

现代牛的野生祖先的遗传遗产

对古DNA的分析揭示了早期人类如何驯化这些大型原牛，并与家牛进行杂交，以增强其力量和适应性。

Rossi, C., Sinding, MH.S., Mullin, V.E. et al. The genomic natural history of the aurochs. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08112-6

根据现代传说，推倒一头毫无防备、正在睡觉的牛被称为“牛推倒”，但你绝对不想在原牛（Bos primigenius）身上尝试这种行为。这些大型原牛身高在155到180厘米之间，体重超过1000千克。尽管原牛体型庞大，但人类成功驯化了这些动物，它们是现代家牛（Bos taurus）的前身。Rossi等人在《自然》杂志上报告了来自跨欧亚地区38头原牛骨骼遗骸的古代DNA分析，揭示了人类驯化这些动物的时间和方式。虽然原牛已经灭绝，但它们的后代——现代家牛，构成了地球哺乳动物生物量的很大一部分，其驯化标志着人类历史上的一个里程碑。

洞穴壁画中的原牛。

在17世纪灭绝之前，原牛遍布欧洲、亚洲和北非。数千年来，人类与这些动物共同生活，栖息于混合森林和草原等类似环境中。早期人类猎杀它们，并在艺术中描绘这些动物，包括来自约17000到11000年前的马格达林文化时期的洞穴艺术，以及在土耳其早期新石器时代考古遗址Göbekli Tepe发现的小雕像。驯化原牛是农业和定居社会发展的一个转折点，该物种的遗传遗产继续塑造现代牛的特性，影响它们的大小、力量和适应性。

Fig. 1: Temporal, geographical and genetic location of 72 ancient Bos genomes.

原牛大约在65万年前首次出现在欧洲，但与当时生活在欧洲的古代人类祖先：海德堡人（Homo heidelbergensis）不同，后者的遗传遗产在尼安德特人（Homo neanderthalensis）和现代人类（Homo sapiens）中可见，Rossi及其同事的研究表明，早期的原牛种群对今天牛的遗传组成几乎没有留下印记。相反，影响现代牛遗传组分的原牛存在于不到10万年前。这一发现突显了并非所有古代遗传信息都能在现代种群中追溯，证明了研究古代DNA对于理解遗传信息在历史中的丧失和获得的重要性。

Fig. 2: Plots of ancestral components in aurochs and domestic cattle genomes.

Rossi及其同事的遗传分析还表明，现代牛基因组中包含一个“幽灵谱系”——一个没有物理遗骸（如化石）的遗传种群，但其遗传信息在现代物种中仍然存在。有关这种幽灵种群的证据只能通过古代DNA分析获得，强调了遗传分析所能提供的宝贵见解，而这些见解通常无法从考古发现中获得。在这种尚未知晓的物种遗骸找到之前，这些相对稀少的信息就是科学家们所依赖的全部——但未来的努力，如发掘或检查现有收藏，可能有助于识别这个“幽灵”。

Fig. 3: Phylogenies of whole genomes and mtDNA.

自从达尔文利用动物育种作为人工选择的例子来解释自然选择的进化理论以来，科学家们一直在研究动物的驯化。追寻现代牛的祖先的古代DNA研究始于上世纪90年代末，这些分析为我们提供了关于原牛在家牛驯化中所扮演角色的详细理解。但家牛的原始来源是什么？驯化是否发生过多次？为了解答这些问题，Rossi及其同事对来自不同时间和地理区域的原牛基因组进行了全面分析，并追溯到四个不同的种群——欧洲、西南亚、北亚和南亚。每个种群的历史都受到气候变化和人类活动的影响。

Fig. 4: Estimation of the past demography of the aurochs.

原牛的驯化过程始于约11000年前，但即使在此之后，原牛与家牛仍共存了数千年。根据Rossi等人的说法，在欧亚地区和文化传播过程中，两者之间的交配可能相当普遍。这种来自原牛种群之间的基因流，可能有助于家牛适应新环境。作者还发现这种基因流动主要来自雄性原牛：遗传分析显示，古代家牛的常染色体中比X染色体中存在更多的原牛基因，这表明较少的雌性原牛对基因库作出了贡献。

Rossi等人分析了在原牛遗骸中发现的两种DNA：核DNA和线粒体DNA，线粒体是为细胞提供能量的细胞器。在一个几乎完全转向使用整个基因组的领域，看到线粒体DNA（其包含的遗传信息仅占一小部分，但比核DNA更丰富，因此更易处理）仍然可以用来理解某些史前事件，令人欣慰。通过重建线粒体DNA“树”，追踪母系谱系，研究人员能够评估他们研究动物个体之间的关系。他们发现原牛具有较高的遗传多样性，但在驯化过程中只有一小部分得以传递。这些母系谱系大约在11,000年前汇聚在一个或几个祖先身上，这一时期恰好与人类开始驯化牛的时期重合。考虑到原牛的体型和力量，捕捉和繁殖雌牛将非常困难。研究结果表明，驯化仅在特定的历史窗口内发生过几次，涉及数量不多的动物。这支持了驯化是一个人为选择和管理牛的过程，而不是缓慢被动的过程的观点。

作者还展示了西南亚发生的驯化事件可能在世界其他地方得以复制，例如现代巴基斯坦和印度北部的印度河流域。这支持了人类在时空上独立重现驯化事件的观点。

通过进一步分析原牛基因组，Rossi及其同事研究了原牛种群如何受到最后冰期最大期（即约23,000到19,000年前最后冰河时期的最寒冷时期）和冰川避难所（因冰盖而使种群隔离的地区）的影响。研究人员专注于欧洲，分析了末次冰期期间原牛种群的下降，以及这些种群与来自西南亚的原牛种群的混合，导致伊比利亚、意大利和巴尔干种群变得遗传上独特。之后，欧洲的大部分地区又由来自伊比利亚的牛重新混合。对过去50,000年欧洲原牛的研究可能会揭示更多关于这些种群动态的信息。除了原牛，当前的发现为研究人员提供了有用的见解，以帮助理解在冰河时期避难所对过去种群的影响。

古代DNA在理解动物驯化方面是一个改变游戏规则的因素，提供了来自早期驯化物种及其野生祖先的直接证据。通过分析这种遗传材料，科学家们可以重建驯化动物的进化历史，以及人类在驯化过程中施加的选择压力。这项研究为科学家提供了有关驯化事件何时、何地以及如何发生的见解，有助于理解人类历史和农业的发展。

Three genomic groups within European aurochs.

MSMC2 cross-population analysis.

Summary of analyses timing the divergence of Southwest Asian and European aurochs populations versus North Asian aurochs populations.

NGSadmix K = 4 composition, mitochondrial haplogroups and 14C dates of 16 Holocene Bos sampled from Asia.

Unequal Bovini allele sharing in Bos.

Sex bias in domestic introgression.

Maximum likelihood phylogeny constructed from Y chromosomal sequences of 206 ancient and modern Bos samples.

来源：古DNA演化小组

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