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Research Progress on Environment Adaptation of Plateau Domestic Animals

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2024-09-30 04:01

Abstract: The environment of the Qinghai-Tibet Plateau is mainly manifested in low oxygen and low pressure, cold and dry, strong ultraviolet rays and food shortage. The plateau domestic animals can live in this environment after long-term selection and cultivation, and their organisms have formed unique adaptive characteristics to the plateau. Due to complicated characteristics of plateau domestic animals adaptive evolutionary system, the comprehensive and systematic analysis of adaptive molecular mechanism has not been completed. With the development of molecular biology and bioinformatics, the genome assembly and functional annotation of the plateau domestic animals have been accomplished, and then the work of genome, transcriptome and proteome has been gradually carried out. Since then, a series of key candidate genes for plateau animals environmental adaptability have been identified. These provided further support for the analysis of the molecular mechanisms in the environment adaptation of plateau domestic animals. This review takes Tibetan chicken (Gallus gallus), Tibetan pig(Sus scrofa), yak(Bos grunniens), Tibetan goat(Capra hircus), Tibetan sheep(Ovis aries), Tibetan horse(Equus caballus) and Tibetan mastiff(Canis lupus familiaris) as the classification unit, their anatomical structure of tissues and organs, blood physiological and biochemical indexes and molecular genetic mechanism are discussed, respectively, and the future research of plateau adaptive evolution are envisaged, which will lay a theoretical foundation for the new variety breeding in the plateau high-cold and hypoxic regions.

Key words: high altitude adaptability tissues and organs blood physiological index molecular mechanism

青藏高原位于亚洲内陆，平均海拔在4 000 m以上，是世界上海拔最高的高原。低氧低压是高原环境典型的特征，随着海拔的升高，大气压逐渐下降，其氧含量和氧分压也随之降低。研究表明，当海拔高度达到4 000 m时，氧含量仅为海平面氧含量的60%[1]。在气候特征上，青藏高原日照时间长，紫外线强；气温昼夜变化大，年变化小，平均温度为3.74 ℃；降水量少，地域差异大，自东南向西北递减，年平均降水量达到444 mm[2]。但作为雅鲁藏布江和澜沧江等众多河流的发源地，充足的水源和阳光孕育了青藏高原的生物多样性，其中哺乳动物206种、鸟类678种、爬行类83种、两栖类80种，分别占全国种数的41.3%、57.2%、22.0%和28.7%。

随着人类文明的发展，众多野生动物逐步被驯化和驯养，主要包括藏鸡、藏猪、牦牛、藏山羊、藏绵羊、藏马和藏獒等动物，这些畜禽为当地牧民提供了重要的生活和生产资料。高原畜禽为了适应高原地区高寒、低氧、紫外线强等极端生态环境，其外貌特征、组织器官和血液生理指标发生了明显变化。与低海拔生活环境的动物相比，高原土著动物的皮毛较长且浓密，多为黑色或褐色。组织器官解剖结构方面，高原土著动物的肺泡发育时期早，单位面积内的肺泡数目多，但是单个的肺泡面积小且不明显，肺泡隔厚，肺泡隔内毛细血管含量丰富[3-5]；其心脏组织具有较厚的心室壁，心肌纤维粗大且排列紧密，肌间血管丰富[4, 6]。在血液生理指标上，红细胞、血红蛋白和红细胞压积容量是反映其呼吸、氧气运输等机体性能的重要参数，高原动物血液中红细胞数目和血红蛋白含量处于较高水平，但是红细胞比容和平均红细胞体积较低[6-7]。此外，随着分子生物学和生物信息学的发展，分子生物技术和测序技术的运用，高原家养动物的基因组序列相继测定完成。依据不同海拔、多群体、大样本的试验设计，分别从基因组，转录组和蛋白质组等层面去研究高原家养动物环境适应性的机制逐渐成为了热点，并鉴定到一系列高原土著动物环境适应的候选基因(表 1)，初步解析了与高原适应性和优良种质特性相关的分子遗传机制(表 2)，为下一步培育高原高寒低氧地区新品种奠定了基础。因此，本文以高原土著畜禽生物为分类单元，从组织器官的形态结构、血液的生理生化指标和分子遗传机制3个方面对高原家养动物的环境适应性进行总结和论述。

表 1 高原适应性基因功能研究 Table 1 Studies on functions of plateau adaptive genes

表 2 主要高原家养动物分子遗传机制解析 Table 2 Analysis of molecular genetic mechanism for main plateau domestic animals

1 藏鸡环境适应性研究进展

藏鸡(Gallus gallus)又名“藏原鸡”，是分布在青藏高原海拔高度为2 200~4 100 m的地方品种，驯养已有1 000多年[26]。藏鸡的体型较小，胸腿肌发达，极耐粗饲，觅食能力和抗逆性强，并且在低氧条件下的相对孵化率高，能够很好的适应高原地区高寒低氧的恶劣环境[27-28]。对藏鸡机体高原环境适应性的研究不仅有助于了解藏鸡的逆境适应性机理，而且能够为高原家禽的引种、选育和杂交育种提供指导。

1.1 组织形态结构和生理生化特征

在组织器官中，与生活在低海拔的鸡相比，藏鸡的肺脏器官中肺泡体积小，总肺泡面积大，单位面积内肺泡数目和毛细血管多，并且肺泡隔厚。在血液生理生化指标上，藏鸡的红细胞数较多，但是红细胞体积小，总表面积大，从而使红细胞平均血红蛋白浓度处于高水平，增加了氧气的结合效率。同时，藏鸡有较低的动脉氧分压和静脉血pH，较高的静脉CO2分压能够有效地促进血红蛋白中氧气卸载[29-31]。此外，在藏鸡内脏器官系数上，心脏、肺脏和肝脏系数稍高但不显著，而在脾脏系数中，显著低于地方鸡种[19]。这些结果表明，藏鸡的高原适应性不是通过增加心肺器官的相对重量来实现的，而是可能通过增加红细胞数目和血红蛋白浓度，增强脾的造血功能实现的。

1.2 高原适应性分子机制研究

随着对藏鸡高原适应性研究的深入，在分子遗传机制方面的研究逐渐成为关注热点。Wang等[20]组装了藏鸡的基因组序列，并重测序了藏鸡、红原鸡、云南本地鸡、西双版纳斗鸡、云南本地鸡共5个品种32只鸡样本，研究发现，藏鸡可分为两个群体，群体之间有潜在的独立选择特征。在群体Ⅰ中，检测到203个候选基因，参与活性氧(ROS)代谢和钙离子信号转导过程。而在群体Ⅱ中，鉴定到唯一的高原适应性候选基因-RYR2(表 2)。Zhang等[19]利用重测序技术对4个高海拔和4个低海拔鸡群体进行重测序，检测到藏鸡正选择基因主要参与心血管和呼吸系统发育、DNA修复、辐射反应、炎症和免疫反应等生物过程。此外，还发现藏鸡的基因组中有来自低海拔鸡基因组渗入的现象。

在转录组层面上，Zhang等[19]通过对高、低海拔鸡的转录组测序，检测到差异基因主要参与心肺系统发育、免疫反应、DNA修复和应对辐射等生物过程。在蛋白质组层面，Zhang等[32]采用同位素标记相对和绝对定量(isobaric tags for relative and absolute quantitation, iTRAQ)技术对藏鸡和茶花鸡胚胎期心组织蛋白质含量进行比较，鉴定到藏鸡高海拔适应相关的6个关键蛋白的编码基因(EGLN1、MAP2K2、MYLK、QARS、NOTCH2和MYH7)和3条重要的候选途径(谷胱甘肽代谢、PPAR信号通路和血管平滑肌收缩)。Liu等[33]对高、低海拔鸡蛋黄进行蛋白质组比较分析，鉴定到135个蛋白，其中19个在两个群体之间差异显著，主要与氧化应激、防御、能量代谢和组织发育途径相关。此外，通过基因验证发现，高、低海拔鸡的蛋黄和蛋白均具有抗氧化活性，且PIT54和谷胱甘肽过氧化物酶3为抗氧化候选蛋白。在表观层面，Zhang等[34]用全基因组亚硫酸氢盐测序(whole genome bisulfite sequencing，WGBS)对藏鸡进行DNA甲基化检测，发现藏鸡基因组整体甲基化程度低，其中启动子和基因编码区域明显。另外，基因转录起始位点上游区域和基因编码区的DNA甲基化水平与基因表达水平呈负相关。

2 藏猪环境适应性研究进展

藏猪(Sus scrofa)属于高原型地方猪种，主要分布在中国西南部青藏高原的高山区(平均海拔3 000 m)，半山区(平均海拔2 000~3 000 m)和河谷区(平均海拔2 000 m以下)。藏猪具有体型小，被毛多为黑色的外貌特征和耐粗饲、抗病能力强、生长发育缓慢的特点[35]。此外，藏猪常年在高原高寒、低氧和强紫外线的环境生活，这使得该物种成为研究高原恶劣环境适应性分子机制的良好模型。

2.1 组织形态结构和生理生化特征

藏猪拥有黑色皮肤和浓密毛发，可以减少强紫外线的辐射和低温带来的伤害。在藏猪的呼吸系统中，发现较厚的鼻黏膜，气管和支气管纤毛排列紧密、粗而长；肺泡壁和肺间质毛细血管较丰富，并呈现扩张状态[4]。在藏猪心组织的解剖结构中，显微镜下观察到心脏壁和心外膜厚，心内膜附近浦肯野纤维粗，组织中束细胞明显；同时，心肌纤维排列规则且粗大，肌间血管丰富[4]。通过与发育期的长白猪血液生理生化指标相比，藏猪的白细胞、红细胞和血小板计数多，平均红细胞血红蛋白含量和红细胞浓度高，血液中的γ-谷氨酰基转移酶、血糖和肌苷等生化指标显著高于低海拔猪[36-37]。

2.2 高原适应性分子机制研究

藏猪是高原重要的地方畜禽遗传资源，与其他高原本土动物一样，能够很好的适应高海拔的恶劣环境。同时，藏猪也是人类高原性疾病研究的重要模型。因此，对于藏猪高原适应性分子机制的解析逐渐成为了关注的热点。Ai等[38]用18个品种共304个个体的芯片数据探索猪的遗传多样性、连锁不平衡和选择特征，检测到ADAMTS12、SIM1和NOS1共3个基因受到强烈选择，可能对藏猪高海拔的遗传适应有重要作用。Li等[21]组装了1头西藏野猪的基因组并重测序了30头西藏野猪和18头地方猪，分析发现，藏野猪特异性基因主要富集在血液循环系统、DNA复制和聚合酶活性上，正选择基因主要参与缺氧应对、心和血管发育、血管平滑肌收缩等生物过程。而在基因复制事件上，藏野猪的铁蛋白基因家族明显扩张，铁蛋白在缺氧条件下可以介导细胞保护反应[39]。此外，也检测到与藏野猪繁殖性能提高、DNA修复和能量代谢相关的进化基因。群体遗传学研究发现，共检测到268个与藏野猪高原适应性相关的基因，例如ALB、ECE1、GNG2和PIK3C2G基因与低氧强相关；ALB、SPTLC2和GLDC与能量代谢相关[39]。Ai等[40]对5个西藏地理种群和34个低海拔品种共678个个体进行测序，探索藏猪种群的群体历史动态和适应性进化位点，发现藏猪拥有3个独立的群体，并且检测到参与血管生成、防御反应和红细胞生成过程的基因，如：PLA2G12A、RGCC、C9ORF3、GRIN2B、GRID1和EPAS1。

藏猪在高原高寒低氧环境条件下，其血管的发育和形成过程发挥着重要的作用。Zhang等[41]分别对高海拔地区藏猪和约克夏猪与低海拔地区约克夏猪的心、肝和肾器官中VEGF基因的表达量进行检测，发现藏猪3个器官中VEGF基因的mRNA和蛋白质表达量均高于后两者。Zhang等[42]分别对饲养在高、低海拔地区藏猪和约克夏猪的心脏组织进行转录组和蛋白质组测序，比较分析发现，差异基因和蛋白质主要涉及HIF-1信号通路(NPPA、ERK2、ENO3和EGLN3)，VEGF信号通路(ERK2、A2M、FGF1、CTGF和DPP4)和缺氧相关过程(CRYAB、EGLN3、TGFB2、DPP4和ACE)，这些通路中的基因可能参与到西藏猪高海拔适应的分子机制中。同样，Jia等[43]分别对饲养在高、低海拔地区藏猪和杜洛克猪的肺脏组织进行转录组差异分析和基因共表达网络构建，鉴定到3 066个差异基因(DEGs)，主要参与代谢通路、PI3K-Akt信号通路和HIF信号通路。同时，新发现了潜在的缺氧适应调节因子(IKBKG、KLF6、RBPJ(RIF1)、SF3B1、EFEMP1、HOXB6和ATF6(RIF2))。

3 牦牛环境适应性研究进展

牦牛(Bos grunniens)主要分布在海拔高度3 000 m以上的青藏高原地区，是当地宝贵的畜禽资源之一，具有“高原之舟”的美誉。牦牛头大、角粗、躯体和四肢强健、被毛浓密。在生产性能和高原适应性上，牦牛具有食性广、耐粗放、心肺功能发达、抗病性与抗逆性强的优良性能。对牦牛高原适应性研究的开展，以及对组织结构、血液生理生化指标和分子机制等方面的综合分析，为家养动物高原适应性和遗传育种探索提供了理论依据。

3.1 组织形态结构和生理生化特征

牦牛的被毛多为黑褐色，除了抵御寒冷外，还能够减少强紫外线带来的伤害。在组织形态上，牦牛的肺结构发达，肺动脉内皮细胞和肺小叶结构明显，小叶间隔、肺泡隔和各级支气管管壁等结构内含有丰富的弹性纤维，可维持肺良好的伸缩状态[44]。另外，肺毛细血管末端的气-血屏障的平均厚度较薄，有利于气体交换[5]。在牦牛血液生理生化指标中，Ding等[45]通过对比生活在不同海拔高度牦牛的血液学参数，发现生活在高海拔地区牦牛的平均红细胞计数、红细胞压积、平均细胞体积和平均红细胞血红蛋白浓度显著高于生活在低海拔地区的牦牛。此外，在血容量和酶活性上，高海拔地区牦牛的血容量大，乳酸和乳酸脱氢酶活性强。这些结果表明，不同海拔地区的牦牛血液学参数、血容量和酶活性存在一定差异，高海拔地区牦牛的高原适应性能力更强。

3.2 高原适应性分子机制研究进展

牦牛具有肺活量大、觅食能力强和代谢能高等一系列适应高海拔地区的解剖学和生理学特点。在后基因组时代，解析牦牛的高原适应性分子机制逐渐成为热点。Qiu等[46]组装了1头牦牛的基因组，与普通牛基因组进行比较分析，发现牦牛基因组中与感官知觉、能量代谢和缺氧胁迫蛋白相关的基因家族发生了扩张；与缺氧反应和营养代谢相关的基因受到了正选择(Adam17、Arg2、Mmp3；Camk2b、Gcnt3、Hsd17b12、Whsc1和Glul)。Qiu等[22]通过对野牦牛和家养牛群体共72个个体进行基因组重测序，研究发现，209个蛋白编码基因成为驯养牦牛高原适应性的候选基因，主要参与恐惧反应、威胁刺激等相关的行为和大脑发育、神经系统相关过程，如：PLXNB1基因可能有助于牦牛变得更温顺。Chen等[47]通过对49个现代牛品种和8个古代牛品种的基因组进行分析，发现在世界范围内牛群主要被分为5个类。基因渐渗分析发现，牦牛基因组信息有往西藏牛群体渐渗的现象，同时鉴定到2 395个渐渗区间，区间内基因功能主要参与嗅觉感觉、抗病性和鸟氨酸跨膜运输等过程。此外，渐渗区间的错义突变基因，如IL-37、COPS5、IL1A、IL1B、MMP3、EGLN1、RYR2和SDHD，主要参与免疫反应和低氧适应性过程。Wu等[48]通过对牛属内9个不同牛种的基因组进行重测序，发现不同牛种之间广泛存在基因渐渗现象，如与毛色相关的MITF基因，从家养牛向牦牛发生渐渗；缺氧应答基因EGLN1、EGLN2和HIF3α(表 1)，从牦牛向藏牛发生渗透，这些渐渗现象可能促进了它们对高海拔的适应性。Zhang等[49]对16头野牦牛和65头家养牦牛拷贝数进行分析，鉴定到了121个受到潜在选择的拷贝数变异区域(CNVRs)，这些区域主要与神经元发育、繁殖、营养和能量代谢相关。另外，也鉴定到85个与家养牦牛高原适应性相关的CNVRs，其中DEXI、DCC和MRP43这3个基因与缺氧反应有关，ULBP17、CIITA、CATHL1、BoLA-DQA2、BoLA-DQA3和BoLA-DQB这6个基因与免疫防御有关。

除了发生在全基因组水平上的适应性变化外，基因的转录表达也为揭示高原适应性机制提供了重要信息。Qi等[50]分别收集位于3个不同海拔高度共18头牦牛和4头普通牛的心、肝、脾、肺、肾、睾丸、肌肉和大脑共8个器官组织进行转录组测序分析，发现在器官水平，肺和心是表现适应性转录变化的两个关键器官。此外，检测到的高原适应性基因主要参与PI3K-Akt、HIF-1、焦点粘连和ECM-受体互作通路。Xin等[51]分别对三江牛、荷斯坦牛、藏牛和牦牛的肺和肌肉组织进行比较转录组分析，发现藏牛和牦牛基因组中与免疫相关的基因更活跃，牦牛的高原适应性可能是通过调节红细胞增殖、提高花生四烯酸和卵巢类固醇水平等相关过程来实现的。Guan等[52]通过比较牦牛和普通牛心和肺组织中miRNA的差异，共鉴定到808个差异miRNAs，其主要参与到HIF-1α信号通路、胰岛素信号通路、PI3K-Akt信号通路和核苷酸切除修复等与低氧适应相关的过程。Xiong等[53]重点关注与低氧相关的诱导因子(HIF-1α和HIF-2α)，通过对牦牛和普通牛组织中mRNA定量和启动子区域DNA甲基化分析，发现HIF-1α在牦牛体内广泛表达，而HIF-2α表达仅限于内皮组织(肾、心、肺、脾和肝)和血液；与普通牛相比，牦牛体内HIF-1α的表达水平高且表达模式单一，HIF-2α表达模式多样。

4 藏山羊环境适应性研究进展

藏山羊(Capra hircus)主要分布在高寒、低氧、强紫外线的青海和西藏地区，是重要的畜禽遗传资源组成部分。藏山羊体型较小，由于牧草资源随季节变化明显，使藏山羊膘情出现“夏肥、秋壮、冬瘦、春乏”的变化。除了产肉性能和繁殖性能外，藏山羊具有优良的产绒性能。另外，藏山羊能够在崎岖山谷之间行走自如，攀岩能力、抗病性和抗逆性强。因此，开展藏山羊的解剖学、血液生理生化指标和高原适应性分子机制等方面的研究，是探讨藏山羊优质种质特性的重要组成部分。

4.1 组织形态结构和生理生化特征

藏山羊在高原适应过程中，其组织结构和血液生理生化指标与其它高原土著动物类似，受到了选择的变化。藏山羊的心脏解剖学观测显示，心室内条束小而多，且各条束间浦肯野纤维丰富[6]。在组织器官系数上，与低海拔的山羊相比，藏山羊具有较高的心脏和肺脏系数。在血液学上，高海拔山羊的血液总量、血红蛋白含量、红细胞数目均高于较低海拔的山羊[54]。在春秋季节比较上，藏山羊的红细胞和白细胞数目在春季明显高于秋季，且差异显著，可能与牧草资源随季节变化有关[55]。

4.2 高原适应性分子机制研究进展

藏山羊作为被驯化的家畜物种之一，受到了长期的自然和人工选择，对青藏高原高寒缺氧条件表现出表型适应性，其分子机制的探索也在逐步加深。在2013年，Dong等[56]将二代测序和全基因组酶切光学图谱技术相结合，获得了大小约为2.66 Gb的家养山羊基因组序列，并对基因组序列进行注释，得到22 175个蛋白编码基因，为山羊的后续功能基因组研究提供了条件。2015年，Dong等[57]组装了1头野生山羊参考基因组，与家养山羊进行比较基因组研究，并结合7个山羊品种的CNV分析，鉴定到与山羊皮毛颜色(ASIP、ATRN、GNAQ、HELLS、MUTED、OSTM1、TRPM7、VPS33A、Adamts20、MITF、OCA2和SLC7A11)、行为性状(CACNA1C、HTR3A)、免疫应答(BCC4、PRAME、CD163L1、KIR3DL1、CFH和TRIM5)和生产性状(MYADM、BTN1A1、PRAME和BTN1A1)等相关的基因，这些基因是山羊驯化的重要候选基因。2016年，Song等[6]通过收集2个高海拔和4个低海拔共330头山羊的耳组织并进行外显子测序，检测到基因组含有118 700个SNPs。在对高、低海拔山羊比较中，鉴定到339个高原适应性候选基因，主要参与心血管系统发育；其中，EPAS1基因发生错义突变，该基因也在高原土著狼[58]、狗[25]、马[24]和人类[59]中也被报道了，主要与低氧反应过程有关。Wang等[60]对8个地方山羊品种进行基因组重测序，鉴定到22个基因组区域受到选择，基因组区域内基因与山羊的表型和适应性相关，如毛色(ASIP、KITLG、HTT、GNA11和OSTM1)、体型大小(TBX15、DGCR8、CDC25A和RDH16)、产绒性状(LHX2、FGF9和WNT2)和低氧适应(CDK2、SOCS2、NOXA1和ENPEP)。2018年，Guo等[61]通过对6个中国地方山羊品种共计120头进行重测序，同样找到与山羊的毛色(IRF4、EXOC2、RALY、EIF2S2和KITLG)、繁殖(KHDRBS2)、生长(LDB2)和高海拔适应(EPAS1)性状有关的候选基因。

同样，在藏山羊的线粒体基因组上，Deng等[62]分析了10个高原藏山羊种群的线粒体D-loop序列，并揭示了遗传结构和系统发育状况、单倍型和核苷酸多样性指数，结果表明，种群间存在明显的遗传分化。此外，86种单倍体被确定，其中群体特异性单倍体占主要部分，达到97.7%。在转录层面上，Li等[63]关注脂肪因子的合成，克隆并鉴定了西藏山羊的4种脂肪因子基因，包括FGF21、RETN、APLN和NAMPT，描述了这4种脂肪因子在山羊脂肪细胞分化过程中有不同的表达谱，罗格列酮试剂刺激可以提高FGF21和RETN基因的表达，但是APLN和NAMPT基因的表达降低。

5 藏绵羊环境适应性研究进展

藏绵羊(Ovis aries)是我国特有而珍稀的畜禽遗传资源，主要分布在西藏北部海拔高度为4 500 m以上的牧区和雅鲁藏布江中游的河谷地区，分为高原型藏绵羊和河谷型藏绵羊。藏绵羊拥有与藏山羊一样的抗病性、抗逆性、耐干旱和攀爬能力强的优良特性。另外，藏绵羊被毛较长，耐高寒性能明显。因此，开展藏绵羊的资源特征和高原适应性研究，不仅有利于高原相关疾病诊断，生产性能提高，而且有助于新品种的培育。

5.1 组织形态结构和生理生化特征

藏绵羊能够很好的适应空气稀薄、气候寒冷的干旱和半干旱高原环境，其组织器官形态和血液生理生化指标也发生了适应性变化。卢晓丽等[7]采集了高原型和河谷型藏绵羊的全血并测定其血液常规生理指标，发现高原型藏绵羊的白细胞总数、淋巴细胞百分比、淋巴细胞数、中性单核细胞数、嗜酸细胞数、红细胞总数、血红蛋白、红细胞压积显著高于河谷型藏绵羊。其中，白细胞总数和血红蛋白浓度随海拔升高而升高；而中性单核细胞百分比、平均红细胞血红蛋白浓度和血小板总数前者低于后者，也说明了藏绵羊是通过增加血液中的白细胞数和血红蛋白含量来适应高原极端环境的。此外，藏绵羊与藏山羊的肺组织结构相比，肺泡面积、肺细支气管黏膜壁厚度以及肺被膜厚度无显著差异，但是藏绵羊肺泡隔宽度和肺泡隔中的毛细血管数量显著低于藏山羊。因此，藏绵羊的血液生理生化指标研究为该品种的种质特性、饲养管理以及疾病防疫提供了指导。

5.2 高原适应性分子机制研究进展

藏绵羊作为高原土著动物的代表之一，虽然在器官组织和生理生化指标上与其它高原动物类似，但是受到长期驯化、人工选择和品种培育等因素的影响，其高原高寒地区的适应性机制可能存在差异。Wei等[64]依据形态特征和地理分布把绵羊分为蒙古羊组、哈萨克羊组和藏羊组，对10个地方品种共计140个个体进行全基因组分析，提出了中国地方绵羊可以分为细尾型(藏绵羊)和肥尾型(蒙古绵羊和哈萨克绵羊)。选择信号分析共检测到16个选择信号区域，其中3个选择区域受到强烈选择，功能基因主要有RXFP2、PPP1CC和PDGFD。此外，还鉴定到一些与生长发育(NPR2、SPAG8和HINT2)、羊奶产量(PKD2、SPP1、MEPE和IBSP)、产羔率(BMPR1B)、耳朵大小(MSRB3)和皮毛颜色(KIT、MC1R和FRY)等相关的基因。同时，Wei等[23]对收集到的3个高原和4个平原绵羊品种共122头个体进行重测序，鉴定到236个基因受到正选择，主要与血管再生、能量代谢和红细胞再生相关。此外，还鉴定到一些与高原低氧适应相关的候选基因，主要包括EPAS1、CRYAA、LONP1、NF1、DPP4、SOD1、PPARG和SOCS2。Yang等[65]在探讨极端环境对绵羊进化影响的研究中，对77头中国地方绵羊个体和3个野生绵羊品种进行群体基因组分析，鉴定到一些与低氧反应(HIF-1信号通路)、血管生成、血氧输送(VEGF信号通路，血管平滑肌收缩)和能量代谢(糖酵解/糖异生)等生物过程相关通路的候选基因。此外，还鉴定到与骨骼、肌肉、颅面、肢体、皮肤和胚胎发育等体型相关的目标基因，这些发现表明，藏绵羊的体型形态特性在高原适应过程中也发挥着重要作用。Hu等[66]研究了绵羊的群体基因组学，对中国北方20个绵羊群体、云贵高原4个绵羊群体、青藏高原41个绵羊群体共计1 083头个体进行重测序，同时对青藏高原986头绵羊个体进行单核苷酸多态性阵列、线粒体DNA和Y染色体变异分析，检测到主要参与低氧反应(HIF-1信号通路)、紫外线信号通路(HBB和MITF)以及形态特征(RXFP2)相关的基因；并发现了原羊向西藏绵羊渗透的信号，渗入区域富含与氧转运系统、感官感知和形态表型相关的基因，特别是HBB和RXFP2基因，具有很强的适应性基因导入迹象。Wang等[67]对中国5个地方绵羊品种进行了基因组深度测序，检测到与驯化绵羊的骨形态发生、生长调节、胚胎和神经发育等相关的选择区域，这些区域含有与藏绵羊耐缺氧和耐高温(CYP17和DNAJB5)、有无角(RXFP2)、椎体数目变异(HoxA基因簇)和产仔数(BMPR-IB)相关的基因。此外，还确定了几个功能突变的相关基因，如视觉基因(PDE6B、PANK2和FOXC1)。

6 藏马环境适应性研究进展

藏马(Equus caballus)主要分布在海拔高度为4 000 m以上的青藏高原地区，是我国特有的马种。在体型外貌上，藏马体型较小，前驱和后驱发达，蹄质结实，四肢有力，适于奔跑和高强度劳动。藏马受到长期驯化的影响，具有优良的品种性能，主要用于交通不便地区的骑乘和挽车。与低海拔地区的马种相比，藏马对高原高寒地区极端环境表现出良好的适应性。因此，对藏马高原环境适应性的研究，除了有助于解析其驯化机制和适应机理外，还有助于提高对藏马在农业生产、交通运输和运动娱乐等方面的认识。

6.1 组织形态结构和生理生化特征

藏马在高原低氧的环境下能够表现出行动敏捷、奔跑自如、耐力强的优良适应性。通过比较不同海拔高度藏马的血液生理指标发现，高海拔地区马的血红蛋白质量浓度、红细胞压积和体积、平均红细胞血红蛋白含量和质量浓度都极显著高于低海拔地区马，与其它高原土著动物的血液生理指标类似[68]。血液黏稠度虽然随海拔高度的增加而增加，但是血液阻力并无明显变化，可能是血液中的细胞通过一定的形态物理变化来适应高原低氧环境。

6.2 高原适应性分子机制研究进展

对藏马高原适应性分子机制的研究始于分子生物学和功能基因组学的发展。线粒体作为遗传物质重要的组成部分可为动物适应高海拔环境的遗传机制研究提供指导意义。Xu等[69]对3匹处于不同海拔高度藏马的线粒体基因组进行了测序，发现NADH6基因在3匹藏马中都有较高的非同义突变率，推测该基因可能在藏马的高海拔适应中发挥重要作用。Liu等[24]对我国65匹地方马、61匹高海拔地区马、7匹纯种马和5匹普氏野马共计138个个体进行全基因组测序，明确了藏马是独立的种，鉴定到EPAS1基因受到正选择，并发现EPAS1基因发生错义突变，同时功能上主要与血液循环以及缺氧条件下的氧气运输和消耗有关。另外，在藏马的起源研究中，Yang等[70]分析了西藏地区5个群体、云南地区5个群体和北方5个地区共计2 050匹马的线粒体基因组信息，发现藏马群体由外来迁移的马和驯化的野马组成，其中迁移路线主要从中亚迁移到蒙古，然后向南迁移到西藏东部。

7 藏獒环境适应性研究进展

藏獒(Canis lupus familiaris)又名“西藏獒犬”，分布在青藏高原的高寒地带，是人类生活中重要的护卫犬。藏獒的体型高大、骨骼粗壮、动作敏捷、性格忠诚和彪悍。此外，藏獒起源于中国低海拔的土著犬，其适应高原高寒环境的时间较其它高原土著动物短。因此，开展藏獒的高原高寒适应性研究有利于了解较短时期内机体发生的变化，有助于解析与野生动物遗传机制的异同，丰富家养动物高原适应性理论内容。

7.1 组织形态结构和生理生化特征

藏獒能够适应高原高寒地区环境，除了其特有的外貌特征和品种性格外，机体内的器官组织和血液生理生化指标也发生着变化。解剖学研究发现，藏獒的肺胸膜较厚，胶原纤维和弹性纤维含量丰富；肺呼吸部肺泡管宽大且数量多，形成许多高低不平的皱褶，相邻肺泡间的肺泡隔内有着丰富的毛细血管和大量的红细胞[71]。

7.2 高原适应性分子机制研究进展

在藏獒高原适应性分子机制研究上，Li等[72]选择了3个群体，包括中国土著狗、灰狼和藏獒共66个个体，鉴定到26个正选择基因，其中12个基因(EPAS1、SIRT7、PLXNA4、MAFG、ENO3、DNAH9、KIF1C、KIF16B、MR、SLC38A10、ESYT3和RYR3)与高原适应性有关。Gou等[25]通过对生活在不同海拔高度的5个中国犬品种和1个外国犬品种进行重测序，发现EPAS1基因与高原低氧环境显著相关，并且发现该基因发生了4个突变，这些突变位点可能有助于提高机体的氧气运输和心血管功能。Miao等[73]从基因渗入方面探索了藏獒高原适应性的机制，发现藏獒的高原适应性遗传信息可能来自灰狼的基因组，并验证了EPAS1和HBB两个基因位点的渗入，该位点有助于藏獒快速适应高原高寒环境。Wu等[74]在性染色体对缺氧适应分子机制进行了研究，收集到藏獒和5个犬群体的X染色体，鉴定到5个候选基因，其中AMOT基因与血管生成过程有关，经过单倍型频率与海拔高度之间关系的验证，发现该基因可能是高原低氧适应的重要候选基因。

8 展望

高原家养动物作为世居在极端环境中的畜禽遗传资源，既是重要的经济动物，也是典型的高原模式动物，对高原高寒低氧环境具有良好的适应性。在家养动物对高原高寒低氧环境适应性的研究上，因测序技术和功能基因组学的发展，逐步从早期观察组织形态、生理生化指标过渡到挖掘候选基因、解析分子遗传机制。

但是由于测序技术、试验设计和检测方法的不同，仍然在鉴定候选基因和揭示遗传机制等方面存在挑战。在测序技术发展历程中，从Sanger测序、高通量测序到单分子测序技术，新一代测序技术的出现除了测序通量得到提高和测序成本下降之外，单条测序序列长度和碱基识别的准确性都得到了提高[75]。因此，先进的测序技术有助于研究者更多、更精确地鉴定高原适应性候选基因。目前，研究者多以物种的形态特征、地理分布、品种类别和群体数量为分类依据设计试验，不同的试验方案最终得到的结果会有差异，合理而理想的群体设计有利于准确的定位到目标基因的位置，加快对高原高寒环境适应分子机理的解析。遗传信息依据DNA-RNA-蛋白质-代谢-表型依次流动，而在不同水平上选择准确有效的研究方法是检测和验证候选基因重要的技术策略。同时，系统地掌握适应性遗传信息从基因组、转录组、蛋白组、代谢组到表型的整个过程，更有利于准确、全面的解析高原家养动物适应性的分子机制。

高原家养动物的极端环境适应性研究的开展，不仅为治疗肺水肿、高原呼吸困难等高原相关疾病的研究提供了基础资料，而且研究中鉴定到的适应高原环境的分子遗传标记为优良的畜禽新品种培育提供了理论依据，有利于保存和利用高原家养动物遗传资源，丰富生物多样性。