IF=14.1 | 华南农业大学整合Hi-C+ATAC-seq+RNA-seq等多组学技术构建首个鸡泛三维基因组图谱

2026年2月15日，华南农业大学家禽遗传育种研究团队联合江苏省家禽科学研究所等多家单位在Advanced Science (Q1/14.1) 上发表了题为Pan-3D Genome Analysis Reveals the Roles of Structural Variation in Chicken Chromatin Architectures, Domestication and Production Traits的文章。该研究整合了全球28个家鸡的高质量基因组和1,735份重测序数据，并联合Hi-C、ATAC-seq和RNA-seq等多组学技术，构建了首个家鸡泛三维基因组图谱，系统解析了SVs如何影响染色质高级结构，进而调控驯化与生产性状，为鸡的分子育种提供了全新资源和策略。

1. 样本与测序：选取15个中国地方鸡种，进行PacBio HiFi长读长（~30×）、Hi-C（~300×）、ATAC-seq和RNA-seq测序，获得高质量de novo基因组。

2. 泛基因组构建：整合13个已发表的鸡染色体水平基因组（含1个T2T基因组），构建包含28个基因组的泛基因组，并进行基因家族聚类与进化分析。

3. SV检测与分类：采用assembly+long-read双策略，识别缺失、插入、倒位、重复和易位五类SVs，并分析其形成机制（转座子插入、可变数目串联重复等）。

4. Pan-3D基因组构建：基于15个Hi-C数据，整合ATAC-seq和RNA-seq测序数据，构建鸡泛三维基因组图谱。

5. 群体与GWAS分析：利用图泛基因组对858个全球个体和877个F2个体进行SV基因分型，开展选择信号分析和SV-GWAS分析，识别关键SV。

6. 功能验证：采用双荧光素酶报告实验、Capture Hi-C、qPCR等手段验证关键SVs的增强子活性及染色质环调控功能。

技术路线图

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1. 高质量基因组组装

研究团队从头组装了15个中国主要地方鸡种的染色体水平基因组，新基因组质量优异（contig N50达10–17 Mb，BUSCO完整性>96%），且成功组装出与T2T参考基因组（GGswu1）一致的染色体类型（10条大染色体、19条小染色体和10条点状染色体）。

图1 15个地方鸡种基因组从头组装与注释

2. 鸡泛基因组的基因家族与结构变异（SVs）特征

通过整合新组装的15个鸡基因组与已发表的13个高质量鸡基因组，研究人员构建了28个全球鸡品系（包括野生红原鸡、商用蛋鸡/肉鸡、地方鸡种）的泛基因组。进一步识别出28,443个泛基因家族，其中核心基因家族约占30.51%，且私有基因家族丰富（约27.59%），体现了鸡种间高度遗传多样性。

图2 鸡泛基因组的基因家族与结构变异（SVs）特征

与T2T基因组相比，泛基因组新增200.04 Mb新序列，富含串联重复和转座子元件，且新序列中的基因富集于骨骼肌发育通路（与育种选择的生产性状密切相关）。研究共鉴定出81,636个SVs，其中转座子插入是SV形成的主要机制（61.22%），SV热点富集于端粒附近，并与转录活性和染色质可及性降低相关。与泛基因家族模式不同，鸡的SV表现出极高的谱系特异性，其私有SV占主导（富集于嗅觉传导、昼夜节律等适应性通路），核心SV占比<3%（参与基础生命过程）。

3. 泛3D基因组揭示染色质架构的保守性与可变性

为探索SV如何影响三维基因组，研究整合了Hi-C、ATAC-seq和RNA-seq数据，首次构建了鸡泛3D基因组图谱，涵盖A/B区室、TAD边界、染色质环及远距离调控元件。相比单参考基因组，泛3D图谱显著增加了环和调控元件的数量，并校正了SV引起的映射偏差。约30%的区室在不同品系间可变，私有TAD边界呈现较低的染色质可及性和转录活性。此外，还发现高度保守的TAD边界和核心环（core loop）中SV显著缺失，说明选择压力保护了关键调控结构；而私有边界和低保守loop中SV富集，可能源于近期演化。

图3 鸡泛三维基因组的动态景观

4. SV在驯化中的作用：TSHR-DIO2轴是驯化的核心靶点

基于图的泛基因组，研究对858个全球鸡个体进行了SV分型分析。与SNP相比，SV在驯化过程中表现出更显著的遗传分化（Fst）和选择性清除信号。5号染色体上2.29–4.22 Mb和39.09–45.78 Mb区域出现强烈选择信号，覆盖TSHR（促甲状腺刺激激素受体）与DIO2（脱碘酶2型）等基因。

已有研究证实，TSHR-DIO2轴是光周期调控季节性繁殖的中枢。本研究发现，TSHR 基因中240 bp 的插入变异和DIO2基因中81 bp 的缺失变异是区分野生与家养群体的标志性变异。两个SV均位于核心型染色质环内，这些环介导了两基因间、两基因与附近CEP128基因和远端NRXN3基因的互作。由此推测，驯化是通过人工选择变异类型，重塑该核心环路的互作网络，抑制了家鸡的季节性繁殖特性，使其能够全年稳定产蛋。

图4 TSHR -DIO2轴是鸡驯化过程中的关键调控轴

5. SV通过染色质环远程调控胴体性状

接下来，团队在877个F2群体中对49个生产性状开展了SV-GWAS分析，发现KLF3上游266 bp缺失与五项胴体性状显著负相关，且与附近SNP低连锁，是传统SNP检测无法捕获的隐藏遗传位点。

利用Capture Hi-C、及双荧光素酶、qPCR实验证实，该缺失通过重构染色质环互作网络改变远程调控关系（增强近端环的互作强度，同时完全丢失远距离互作），导致KLF3及远端鸡生产性状相关基因Tbc1d1和PGM2表达下调，最终降低肉鸡的胴体性状。

图5 KLF3基因的上游结构变异（SV）通过染色质环调控远端基因，从而影响胴体性能性状

PS：该结构变异在商品肉鸡中完全缺失（胴体性能相对较高），在杂交肉鸡中以杂合子形式存在（胴体性能中等），而在地方肉鸡中基因型频率最高（胴体性能相对较低），进一步证实其对鸡胴体性能的负向调控作用。

6. SV显著提升基因组选择的预测精度

比较六种基因组选择模型发现，联合使用SNP、InDel和SV三种标记的预测精度显著高于单独使用SNP或InDel。在49个生产性状中，多数性状的SV模型表现优于SNP模型。这证实将SV作为新型分子标记可有效加速遗传改良，为家禽的精准育种提供了新策略。

图6 不同遗传变异在基因组选择（GS）模型中的预测准确性

1. 鉴定出81,636个SV，揭示转座子插入是SV形成的主要驱动机制，私有SV富集于嗅觉传导、昼夜节律等适应性通路；

2. 锁定驯化关键轴TSHR-DIO2，从三维基因组角度揭示了光周期调控季节性繁殖的驯化机制；

3. 发现KLF3上游SV“重写”染色质环的新模式（远程互作丢失、近端互作增强），从而降低鸡的胴体性状；

4. 将SV纳入基因组选择模型可显著提高预测精度，为鸡的分子育种提供了新策略。

研究整合28个高质量基因组及Hi-C、ATAC-seq、RNA-seq数据，构建了首个高分辨率的家鸡Pan-3D基因组图谱，系统揭示了结构变异（SV）通过调控染色质三维结构影响鸡驯化及重要生产性状的分子机制，为其他畜禽乃至植物的泛三维基因组研究提供了可借鉴的分析框架。

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