A Origem das Galinhas Domésticas

A Ancestralidade do Genoma da Espécie Selvagem de Galinhas Domésticas. Uma Imersão na Fascinante História da Evolução das Galinhas.

ESSE ARTIGO FOI COPIADO INTEGRALMENTE DO SEGUINTE SITE: bmcbiol.biomedcentral.com

Citação: Lawal, RA, Martin, SH, Vanmechelen, K. et al. A ancestralidade do genoma da espécie selvagem de galinhas domésticas. BMC Biol 18, 13 (2020). https://doi.org/10.1186/s12915-020-0738-1 

Acesso aberto 

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Resumo

A hibridização e a introgressão desempenham papéis importantes na história evolutiva das espécies animais. Eles são comumente observados dentro de várias ordens em pássaros selvagens. O frango doméstico Gallus gallus domesticus é a espécie pecuária mais comum. 

Mais de 65 bilhões de frangos são criados anualmente para produzir carne e 80 milhões de toneladas métricas de ovos para consumo humano global pelo setor comercial. Desvendar a origem de sua diversidade genética tem grande aplicação em programas de melhoramento reprodutivo sustentável.

Resultados

Neste estudo, relatamos análises de todo o genoma para assinaturas de introgressão entre galinhas de vilas domésticas indígenas e as quatro espécies selvagens de Gallus . Primeiro avaliamos a filogenia de todo o genoma e o tempo de divergência no gênero Gallus . 

A análise de divergência de sequência de todo o genoma apoia uma relação irmã entre Greyfowl G. sonneratii e Ceylon junglefowl G. lafayettii . Ambas as espécies formam um clado que é irmão da ave da selva vermelha G. gallus , com a ave da selva verde G. variusa linhagem mais antiga dentro do gênero. 

Revelamos extensa introgressão bidirecional entre as aves selvagens Grey e as galinhas domésticas e, em muito menor grau, as aves selvagens do Ceilão.

Identificamos um único caso de introgressão de aves selvagens verdes. Essas regiões introgressadas incluem genes com funções biológicas relacionadas ao desenvolvimento e ao sistema imunológico.

Conclusões

Nosso estudo mostra que, embora a ave silvestre vermelha seja a principal espécie ancestral, episódios de hibridização introgressiva impactaram o genoma e contribuíram para a diversidade da galinha doméstica, embora provavelmente em níveis diferentes em sua distribuição geográfica.

Fundo

O frango doméstico Gallus gallus domesticus desempenha um papel fundamental nas sociedades humanas. Mais de 65 bilhões de pássaros são criados anualmente para produzir carne pelo setor comercial, e mais de 80 milhões de toneladas de ovos são produzidos anualmente para consumo humano global. 

Apesar desta importância, a origem e a história da diversidade genética deste grande domesticado são apenas parcialmente conhecidas. A ave da selva vermelha é o ancestral materno reconhecido da galinha doméstica, com evidências de DNA mitocondrial (mtDNA) apoiando múltiplos centros de domesticação e a provável contribuição materna de várias de suas subespécies, com exceção de G. g . Bankiva(uma subespécie com distribuição geográfica restrita a Java, Bali e Sumatra).

No entanto, o gênero Gallus compreende três outras espécies silvestres, o que pode ter contribuído para a formação genética da galinha doméstica. No sul da Ásia, a ave selvagem G. sonneratii cinza é encontrada no sudoeste da Índia e a ave selvagem G. lafayettii do Ceilão no Sri Lanka. 

No sudeste da Ásia, o Green junglefowl G. varius é endêmico para Java e ilhas vizinhas. A hibridização entre as aves selvagens vermelhas e cinzas em suas zonas simpátricas no subcontinente indiano foi documentada. 

Em cativeiro, a hibridização entre diferentes espécies de Gallus também foi relatada, com Morejohn produzindo com sucesso híbridos F1 Red junglefowl × Gray junglefowl férteis em retrocruzamento subsequente com ambas as espécies.

O mtDNA da ave selvagem vermelha / galinha doméstica foi encontrado em aves selvagens Grey cativas, e o fenótipo de pele amarela é provavelmente o resultado da introgressão de um fragmento cromossômico da ave selvagem Grey na galinha doméstica. 

Híbridos F1 em cativeiro entre galinhas domésticas e galinhas verdes machos, apreciados por sua cor de plumagem e voz distinta, são comuns na Indonésia, onde são conhecidos como Bekisar.

De forma mais geral, a hibridização e introgressão interespécies são processos evolutivos que desempenham papéis importantes na história genética das espécies e sua adaptação. Pode ocorrer na natureza quando as espécies vivem em simpatria ou em cativeiro após intervenção humana. 

Desvendar como isso acontece e detectar suas assinaturas no nível do genoma são fundamentais para nossa compreensão do processo de especiação. Hibridizações interespécies são comumente praticadas em plantas agrícolas e pecuárias para melhorar a produtividade , com hibridização conhecida por ocorrer entre espécies domésticas e selvagens em vários taxa. Hibridização e introgressão também são relativamente comuns em aves selvagens, incluindo em Galliformes. 

Por exemplo, a integridade genética da perdiz rochosa Alectoris graeca está sendo ameaçada em seu habitat natural por meio da hibridização com a perdiz de patas vermelhas introduzida A. rufa , e a presença de alelos de codornas japonesas na codorna comum migratória selvagem Coturnix coturnix revela hibridização entre codornas domésticas e parentes selvagens. 

Além disso, análises de mtDNA e microssatélites nucleares indicam fluxo gênico entre Silver Pheasant Lophura nycthemera e Kalij Pheasant L. leucomelanos Híbridos F1 inférteis entre o faisão comum Phasianus colchicus e galinha doméstica também foram relatados em cativeiro .

Aqui, relatamos a análise do genoma completo de galinhas de vilas domésticas indígenas da Etiópia, Arábia Saudita e Sri Lanka, junto com raças domésticas da Indonésia e da China, galinhas de fantasia europeias e as quatro espécies de aves selvagens para inferir as contribuições genéticas de diferentes Gallus, espécies ao genoma da galinha doméstica. 

Primeiro avaliamos a filogenia do gênero. Ele suporta (i) uma relação irmã entre as aves selvagens Grey e as aves selvagens do Ceilão, com os clados de ambas as espécies sendo irmãos da ave selvagem vermelha, (ii) a ave selvagem verde como a linhagem mais antiga dentro do gênero, e (iii) que o a domesticação do frango da galinha silvestre vermelha ocorreu há cerca de 8.000 anos. 

Em seguida, mostramos a introgressão em galinhas domésticas das três espécies de aves selvagens não vermelhas (Grey, Ceylon e Green). Também observamos extensa introgressão da galinha doméstica / ave selvagem vermelha para a ave selvagem Grey e alguma introgressão da galinha doméstica para ave selvagem do Ceilão. 

Nossas descobertas indicam que a diversidade do genoma da galinha doméstica, embora originada da ave selvagem vermelha,Espécies de Gallus , embora com impactos diferentes de acordo com a história de cada população de galinhas domésticas.

Resultados

Amostragem, estrutura genética e diversidade

Analisamos 87 sequências do genoma completo de galinhas domésticas ( n  = 53), aves selvagens vermelhas (vermelho ( n  = 6) e vermelho javanês ( n  = 3)), aves selvagens cinzentas ( n  = 3), aves selvagens do Ceilão ( n  = 8) , e Aves selvagens verdes ( n  = 12) e Faisão comum ( n  = 2). 

Nosso conjunto de dados compreendeu genomas sequenciados recentemente a uma profundidade média de 30 ×, juntamente com dados de sequência publicamente disponíveis, que variaram de 8 × a 14 ×. Em todos os 87 genomas, 91.053.192 polimorfismos de nucleotídeo único autossômico (SNPs) foram chamados. As estatísticas resumidas para mapeamento de leitura e SNPs são fornecidas no arquivo adicional.

Para entender a estrutura genética e a diversidade das quatro espécies de Gallus , executamos análises de componente principal (PC) e de mistura com base nos SNPs autossômicos filtrados para controlar o desequilíbrio de ligação. PC1 separa claramente as aves selvagens verdes das outras espécies Gallus , enquanto PC2 separa as aves selvagens vermelhas, cinzas e do Ceilão, com as aves selvagens Cinzentas e Ceilão posicionadas mais próximas umas das outras em comparação com as aves selvagens vermelhas e verdes. 

PC2 também separa as subespécies de aves selvagens vermelhas javanesas das outras aves selvagens vermelhas. A análise de mistura recapitula essas descobertas, fornecendo algumas evidências de ancestralidade compartilhada entre as aves selvagens vermelhas e cinzas em K  = 3, mas no K ideal = 5, a ancestralidade de cada espécie de ave selvagem é distinta.

Detectando a verdadeira filogenia das espécies de Gallus

Construímos uma árvore de união de vizinhos e uma rede NeighbourNet usando sequências autossômicas de 860.377 SNPs separados por pelo menos 1 kb de um total de 91 milhões de SNPs e uma árvore de máxima verossimilhança em 1.849.580 SNPs de exon extraídos de todos os SNPs autossômicos de genoma completo. 

As árvores foram enraizadas com o faisão comum como grupo externo. Nossos resultados mostram que as aves selvagens Grey e Ceilão são espécies irmãs e formam um clado irmão do clado das aves selvagens vermelhas javanesas, das aves selvagens vermelhas e das galinhas domésticas, sendo as duas últimas parafiléticas. 

O Green junglefowl está fora deste clado, tornando-o a espécie mais divergente de junglefowl. Também observamos as mesmas relações para o cromossomo Z, bem como para o genoma mitocondrial (mt). No entanto, o último mostra que as aves selvagens Grey estudadas carregam um haplótipo mitocondrial doméstico / ave selvagem vermelha. 

Todas as árvores mostram a linhagem de aves selvagens vermelhas javanês na base das linhagens de aves selvagens domésticas / vermelhas.

Em seguida, investigamos até que ponto outras topologias são representadas no genoma autossômico usando a ponderação da topologia pela amostragem iterativa, com base em janelas de 50 SNPs, de subárvores ( Twisst ). 

Primeiro, estimamos a proporção de mistura para o genoma autossômico compartilhado entre galinhas domésticas e aves selvagens vermelhas. Obtemos 71% para a estimativa de Twisst com base na soma das topologias T1 – T3, que mostram uma relação monofilética entre a galinha doméstica e a ave selvagem vermelha.

A análise foi então realizada três vezes usando a galinha doméstica, a ave selvagem vermelha ou a ave selvagem vermelha javanesa junto com as aves selvagens Cinza, Ceilão e Verde e o faisão comum (grupo externo). Twisst estima a frequência relativa de ocorrência (ou seja, a ponderação) de cada uma das 15 topologias possíveis para esses 5 taxa para cada janela e ao longo do genoma.

A topologia de maior peso em todo o genoma (T12), responsável por ~ 20% do genoma, suporta a filogenia do genoma de espécies autossômicas: (((galinha doméstica ou ave da selva vermelha ou ave da selva vermelha javanesa), (ave da selva cinza, ave da selva do Ceilão) ), Aves selvagens verdes), Faisão comum), enquanto a segunda topologia mais alta, T9 (varia de 18 a 19%), em vez disso, coloca as aves selvagens verdes como espécies irmãs das aves selvagens cinzentas e do Ceilão: ((((aves selvagens cinzas, aves selvagens do Ceilão), aves selvagens verdes), domésticas ou Aves selvagens vermelhas ou aves selvagens vermelhas javanesas, faisão comum). 

Também existem ponderações para outras topologias. Em particular, as topologias 3 (~ 2,9%), 10 (~ 7,7%) e 15 (~ 4,2%) mostram relações irmãs entre as aves selvagens domésticas / vermelhas e as aves selvagens cinzentas; topologias 6 (~ 2,2%) e 11 (~ 6%) entre as aves selvagens do Ceilão e as aves domésticas / vermelhas; e topologias 1 (~ 3,2%), 4 (~ 3,1%) e 13 (~ 9,7%) entre as aves selvagens verdes e as aves selvagens domésticas / vermelhas.

O resultado de TreeMix mostra tendências semelhantes nas relações filogenéticas (como acima), mas indica várias histórias de mistura, nomeadamente das aves selvagens vermelhas às aves selvagens cinzentas, das aves selvagens do Ceilão às aves selvagens vermelhas e da raiz do monofilia cinzento e Ceylon junglefowls para Green junglefowl, com o último sendo consistente com a topologia 9.

Tempo de divergência de espécies

Usamos duas abordagens para estimar o tempo de divergência entre as linhagens. Primeiro medimos a divergência de sequência par a par absoluta média autossômica entre cada par de espécies. Esta medida representa a soma da divergência de sequência acumulada desde que a especiação e as diferenças de nucleotídeos par a par existiam na população ancestral. 

Para estimar o tempo dividido das espécies, ajustamos essa medida de divergência para baixo subtraindo uma diversidade ancestral estimada, que tomamos como a diversidade média entre dois taxa (ou seja, d a). Os tempos são relatados em anos.

Entre as aves selvagens, os tempos de divergência abrangem alguns milhões de anos, a saber, ~ 1,2 MYA (milhões de anos atrás) entre as aves silvestres vermelhas e javanesas, ~ 1,8 MYA entre as aves silvestres cinzentas e do Ceilão, ~ 2,6 a 2,9 MYA entre as vermelhas / Javaneses vermelhos e Grey / Ceylon junglefowls, e ~ 4 MYA entre os Green e as outras espécies de junglefowl, enquanto as espécies de junglefowl e as linhagens comuns de Faisão divergiram ~ 21 MYA. 

Esses tempos parciais estão de acordo com as relações entre as árvores autossômicas e de espécies do cromossomo Z. Usando a mesma abordagem, estimamos 8093 (CI 7014-8768) anos para o tempo de divergência acumulado (domesticação) entre a galinha doméstica e a ave selvagem vermelha.

Em seguida, comparamos o resultado da estimativa direta com ∂a∂i, que usa uma abordagem de inferência baseada em modelo no espectro de frequência do local conjunto (SFS) que leva em consideração os tamanhos populacionais efetivos e a migração entre as espécies. Estimamos o ∂a∂i do SFS usando todas as informações do genoma obtidas dos arquivos de mapa de alinhamento binário. 

Em média e entre as diferentes análises de pares, nossos resultados indicam que o ancestral do gênero Gallus tinha um tamanho populacional efetivo de pelo menos 1 milhão. Como ∂a∂i usa o SFS, os tempos de divergência entre pares com aves selvagens cinzentas, aves selvagens vermelhas javanesas e faisão comum não foram incluídos nesta análise devido ao pequeno tamanho das amostras. 

Os tempos de divergência foram estimados em ~ 5,7 MYA (CI 4,9–6,1 MYA) entre as aves selvagens vermelhas e verdes, ~ 3,0 MYA (CI 2,6–3,2 MYA) entre as aves selvagens vermelhas e do Ceilão, ~ 2,2 MYA (CI 1,9–2,4 MYA) entre o Ceilão e as aves selvagens verdes, e 81 KYA (70–89 KYA) entre as galinhas domésticas e as aves selvagens vermelhas. 

Testes de todo o genoma para introgressão entre aves selvagens e galinhas domésticas

Tendo estabelecido padrões gerais para a história evolutiva e as relações entre as espécies de aves selvagens, avaliamos a seguir a presença de alelos compartilhados entre as galinhas domésticas e as espécies de Gallus . 

Usamos estatísticas D para testar um excesso de alelos compartilhados em todo o genoma entre a galinha doméstica e cada uma das espécies de aves selvagens não vermelhas, em relação à ave selvagem vermelha. 

D é significativamente maior do que zero com pontuações Z fortes em todos os três casos, implicando uma possível introgressão entre as galinhas domésticas e as aves selvagens Grey, Ceylon e Green. 

No entanto, como as aves selvagens Grey e Ceylon são espécies irmãs, a introgressão de apenas uma dessas espécies em galinhas domésticas poderia produzir valores D significativamente positivos em ambos os testes. Consequentemente, as proporções de mistura estimadas ( f ) são semelhantes em ambos os casos, ~ 12% e ~ 14% para as aves selvagens Grey e Ceilão, respectivamente. 

As proporções de mistura estimadas são mais baixas para os cromossomos Z, ~ 6% com as aves selvagens Grey e ~ 10% com as aves selvagens do Ceilão. Entre as galinhas domésticas e as aves selvagens verdes, eles são ~ 9% para os autossomos e ~ 7% para o cromossomo Z.

Também estimamos a proporção de mistura ( f ) para o genoma autossômico entre a galinha doméstica e a ave selvagem vermelha. Obtivemos um valor de 79% entre as duas espécies, que está mais próximo dos 71% da estimativa de proporção de árvore Twisst.

Varreduras de genoma para regiões introgressadas

Para identificar loci específicos que abrigam o alelo introgressado, calculamos f d, que estima a proporção de mistura local dentro de um tamanho de janela definido de 100 kb. 

Este tamanho de janela foi escolhido porque é muito maior do que o tamanho esperado de tratos de ancestralidade compartilhada da classificação de linhagem incompleta (ILS) entre essas espécies. Dado seu tempo de divergência estimado e uma taxa de recombinação de 3 × 10 −8 , os tratos de variação compartilhada entre as espécies que resultaram de ILS seriam muito pequenos, na ordem de ~ 8 bp (95% CI 7–10 bp ) em média. 

Em seguida, separamos as galinhas domésticas em três grupos com base em sua origem geográfica e em relação à localização geográfica das espécies de aves selvagens: ( i ) galinhas domésticas da Etiópia e da Arábia Saudita (distribuição geográfica West of the Grey e selvagem Red wildfowl), ( ii ) Galinhas domésticas do Sri Lanka que habitam a mesma ilha que as aves selvagens do Ceilão, e ( iii ) galinhas domésticas do sudeste e leste da Ásia, que incluem duas raças (Kedu Hitam e Sumatra) das Ilhas Indonésias, uma área geográfica onde o Vermelho e o Verde junglefowls são encontrados, e Langshan, uma raça amostrada no Reino Unido, mas originalmente da China.

Os loci introgressados ​​candidatos revelados por f d são ainda suportados por estatísticas adicionais, incluindo a relação entre topologias e proporção de mistura no locus introgressado, divergência de nucleotídeos ( dxy ), diferenciação genética ( Fst ) e rede / árvore de haplótipos. Testamos essas abordagens primeiro no locus introgressado de pele amarela bem estabelecido em frango (chr24: 6,107,101-6,135,115 bp, com base na referência GRCg6a). Os resultados dessas estatísticas são consistentes com os resultados publicados anteriormente para pele amarela em galinhas domésticas, que são agrupadas com as aves selvagens Grey. Os portadores de pele não amarela são agrupados com as aves selvagens vermelhas.

Para a análise de introgressão entre a galinha doméstica e a ave selvagem Grey, a maioria dos picos são introgredidos da ave selvagem doméstica / vermelha para a ave selvagem Grey (ver tese de PhD de Raman Akinyanju Lawal). Selecionamos aqui os três picos f d mais extremos que são consistentes em todos os três grupos de galinhas domésticas para investigação adicional [...]. Tanto as árvores de haplótipos quanto as redes mostram o aninhamento de alguns haplótipos Greyfowl dentro da linhagem de frango doméstico, consistente com a introgressão do frango doméstico / Red junglefowl para o Gray junglefowl. Esses resultados são ainda apoiados por Twisst , que indica reduções localizadas na ponderação da topologia da espécie e aumentos nas ponderações para ambas as topologias (((Grey junglefowl, domestic), Red junglefowl), common Feasant) e (((Grey junglefowl) , Aves selvagens vermelhas), doméstico), Faisão comum). Além disso, na região de introgresso candidata, dxy e Fst são reduzidos entre frango doméstico e Greyfowl, mas não entre frango doméstico e Red junglefowl. Essas grandes regiões genômicas mostram todos os sinais esperados de introgressão recente da galinha doméstica / ave selvagem vermelha na ave selvagem Grey.

Em seguida, investigamos a introgressão candidata inconsistente nas três comparações de grupos geográficos de galinhas domésticas, ou seja, picos presentes apenas em uma ou duas comparações. Em seguida, selecionamos oito picos. O comprimento da sequência para essas regiões varia de 100 a 500 kb. Árvores e redes de haplótipos mostram que haplótipos de galinhas domésticas (referidos aqui como targetDom) estão aninhados dentro ou perto das aves selvagens Grey, suportando a introgressão de galinhas selvagens Grey em galinhas domésticas nessas regiões. Os primeiros resultados indicam aumentos localizados na ponderação da topologia (((Grey junglefowl, targetDom), Red Junglefowl), common Pheasant) com proporções que variam de 61 a 80%, muito mais altas do que a topologia da espécie (((Red junglefowl, targetDom) , Grey junglefowl), comum Faisão) variando de 14 a 28%, e a outra topologia alternativa (((Grey junglefowl, Red junglefowl), targetDom), comum Faisão) variando de 6 a 11%. Esses loci também são caracterizados por dxy e Fst reduzido os valores entre a ave selvagem Grey e a galinha doméstica e pelo aumento de dxy e Fst entre a ave selvagem vermelha e a galinha doméstica. Essas regiões com introgressão de aves selvagens Grey são encontradas principalmente nas galinhas etíopes ( n  = 8) do que nas galinhas da Arábia Saudita ( n = 3). Quatro regiões também são encontradas na galinha do Sri Lanka, duas na galinha de Sumatra, uma em cada galinha Kedu Hitam e uma na galinha selvagem vermelha. A introgressão encontrada no cromossomo 5 também estava presente na raça europeia de galinhas chiques (Mechelse Koekoek. Nenhuma introgressão Greyfowl é detectada na galinha Langshan. Entre essas oito regiões, um candidato de 100 kb para introgressão bidirecional é observado no cromossomo 12 com um único haplótipo Greyfowl aninhado dentro da linhagem domestic / Red junglefowl.

Um número menor de regiões candidatas é detectável em f d entre galinhas domésticas e aves selvagens do Ceilão. Na maioria das regiões candidatas investigadas, árvores e redes de haplótipos indicam relações não resolvidas, enquanto algumas mostram introgressão de Grey em vez de aves selvagens do Ceilão na galinha doméstica. Analisando ainda mais cada pico no gráfico, identificamos quatro regiões candidatas a introgresso de aves selvagens do Ceilão na galinha doméstica: três no cromossomo 1, medindo 6,52 Mb, 3,95 Mb e 1,38 Mb; e um no cromossomo 3, medindo 600 kb. As redes de haplótipos e outras estatísticas mostram a introgressão de aves selvagens do Ceilão em um único haplótipo de galinha doméstica do Sri Lanka para as três regiões candidatas no cromossomo 1 e em duas galinhas domésticas do Sri Lanka para a região do cromossomo 3. A região de 1,38 Mb no cromossomo 1 também mostra a introgressão de aves selvagens domésticas / vermelhas em aves selvagens cinzentas. Para as quatro regiões introgressadas, Twisstmostra a maior ponderação para uma topologia que agrupa as amostras de frango doméstico alvo com aves selvagens do Ceilão. Apenas uma região candidata, uma região de 100 kb, no cromossomo 5 mostra evidências de introgressão de aves selvagens domésticas / vermelhas nas aves selvagens do Ceilão. Esta introgressão é suportada pela rede de haplótipos e pelos pesos da topologia. 

Existem vários picos de elevada f d entre os grupos Green junglefowl e as galinhas domésticas. No entanto, tanto a árvore de haplótipos quanto a rede suportam introgressão apenas em um único caso, em uma região de 100 kb no cromossomo 5 na posição 9.538.700-9.638.700 bp. Aqui, a introgressão estava presente em 10 dos 16 haplótipos Langshan. Esta introgressão foi apoiada por alto peso para a topologia agrupando as amostras de frango doméstico introgresso com a ave da selva verde, bem como d XY e F ST reduzidosentre galinhas domésticas e aves selvagens verdes .

Discussão

A ave selvagem vermelha é conhecida há muito tempo como o ancestral da galinha doméstica. No entanto, um estudo molecular mostrou a presença de um fragmento de DNA autossômico da ave selvagem Grey no genoma de algumas galinhas domésticas, enquanto outros estudos revelaram a presença de DNA mitocondrial de ave selvagem vermelha / galinha doméstica na ave selvagem Grey. Além disso, o cruzamento F1 de aves domésticas com as aves selvagens verdes é comum e experimentos de reprodução em cativeiro relataram, embora, em uma taxa muito baixa, a eclosão de ovos e a sobrevivência de filhotes de aves selvagens F1 fêmeas Grey × Red retrocruzadas com os pais machos pássaros de cada espécie. Esses estudos sugerem que outras espécies do gênero Gallus podem ter contribuído para a diversidade do pool genético de galinhas domésticas. Aqui, relatamos pela primeira vez uma análise dos genomas completos das quatro espécies de aves selvagens selvagens para avaliar seu nível de contribuição para a diversidade dos genomas de galinhas domésticas.

Nós primeiro estabelecemos a filogenia das espécies usando a comparação da sequência do genoma do gênero Gallus. As filogenias construídas a partir dos autossomos e do cromossomo Z colocaram as aves selvagens vermelhas / javanesas igualmente próximas às aves silvestres Grey e Ceilão, que mostram uma relação de espécie-irmã. Ambos também indicam que a linhagem Green Forestfowl foi a primeira a se separar da ancestralidade comum do gênero. Curiosamente, a separação das aves selvagens vermelhas javanesas, em torno de 1,2 MYA, ocorre na raiz de outras amostras de aves selvagens vermelhas estudadas aqui, observando que as últimas não incluíam nenhum representante da subespécie de aves selvagens vermelhas G. gallus murghi do subcontinente indiano. The Gallus A filogenia apoia uma origem do sudeste asiático para o gênero, com um primeiro evento de divisão de linhagem separando as aves selvagens verdes nas atuais ilhas indonésias ~ 4-6 MYA, na época limite entre o Plioceno e o Pleistoceno inicial. Então, uma dispersão norte e noroeste da população ancestral de aves selvagens vermelhas levou à separação, possivelmente no subcontinente indiano, das linhagens que levaram às aves selvagens Cinza e Ceilão ~ 2,6 a 2,9 MYA. Foi seguido pela especiação de Grey e Ceylon junglefowls ~ 1.8 MYA. Usando a mesma abordagem, estimamos que a domesticação de galinhas de aves selvagens vermelhas provavelmente ocorreu ~ 8.000 anos atrás (IC de 95% 7014-8768 anos), cerca de 2.000 a 3.000 anos antes que as evidências arqueológicas no norte do subcontinente indiano e China, mas dentro do período Neolítico.

O tempo de divergência entre o Ceilão e as aves selvagens vermelhas, bem como entre as aves selvagens verdes e vermelhas, é semelhante para a estimativa de divergência de sequência par a par absoluta e a abordagem ∂a∂i baseada em modelo. No entanto, não é o caso do tempo de divergência entre o Ceilão e as aves selvagens verdes. Este resultado é surpreendente considerando as relações autossômicas, do cromossomo Z e da árvore mitocondrial do gênero. No entanto, a análise de ponderação de topologia mostra uma discordância considerável nas relações em todo o genoma, com ponderações para topologias agrupando Aves selvagens / galinhas domésticas com outras espécies de Gallus . Em particular, observamos uma ponderação surpreendentemente alta (~ 18–19%) para a topologia 9 (T9), quase tão alta quanto a topologia de espécies de árvore (T12, ~ 20%) Além disso, o resultado do Treemix também suporta a mistura ancestral entre a linhagem das aves selvagens Ceylon / Grey e a linhagem Green Forestfowl. Todos esses resultados são indicativos de uma classificação de linhagem incompleta e / ou introgressão durante a história do gênero. Embora as três aves selvagens não vermelhas (isto é, Grey, Ceylon e Green) sejam alopátricas, as mudanças climáticas flutuantes do Plioceno e da era geológica do Pleistoceno podem não apenas ter desencadeado eventos de especiação dentro do gênero, mas também podem ter levado a um contato geográfico subsequente entre espécies incipientes, proporcionando oportunidades de hibridação.

A estimativa de ∂a∂i do tempo de divergência entre o frango doméstico e o Red Junglefowl é 10 vezes mais velha do que a nossa estimativa direta com base na divergência de sequência absoluta entre pares. A história da domesticação do frango permanece discutível com a contribuição de uma ou várias subespécies de aves selvagens vermelhas. É possível que a principal população ancestral da subespécie de aves selvagens vermelhas não estivesse representada. As aves selvagens vermelhas neste estudo são todas do sudeste da Ásia e não incluem nenhum representante do subcontinente indiano. Para a abordagem de estimativa direta, consideramos o agregado da diversidade de nucleotídeos entre as subespécies que se acumularam ao longo de diferentes escalas de tempo evolutivas na estimativa do período de domesticação da galinha. No entanto, ∂a∂i está assumindo que as amostras de aves selvagens vermelhas representam uma população homogênea. Consequentemente, a estimativa de ~ 81 KYA por ∂a∂i pode incluir o tempo desde a domesticação da galinha e os tempos parciais anteriores entre as subespécies de aves selvagens vermelhas. Considerando o modo comensal de domesticação proposto para a espécie, o tempo da domesticação das galinhas seria improvável que fosse mais antigo do que o tempo que abrangeu o início da agricultura e dos assentamentos humanos, que começou no Neolítico (10.000-12.000 anos atrás). Portanto, ~ 8.000 anos atrás é a estimativa mais realista. Cálculo da estimativa do tempo de divergência entre galinhas domésticas e cada uma das quatro subespécies de aves selvagens vermelhas, particularmente G. g. murghi, do subcontinente indiano, não incluída neste estudo, pode esclarecer ainda mais a questão da época de domesticação da espécie.

As filogenias do gênero Gallus relatadas aqui diferem daquelas em outros estudos, que são baseados em fragmentos curtos do genoma. Em particular, mostramos aqui uma relação irmã entre as aves selvagens Grey e Ceilão, em vez de entre as aves selvagens cinzentas e vermelhas ou entre as aves selvagens verdes e vermelhas. Uma relação irmã entre as aves selvagens Grey e Ceylon concorda com a distribuição geográfica atual dessas duas espécies no sul da Índia e no Ceilão (Sri Lanka), respectivamente. Outros estudos também indicam tempos de divergência mais antigos entre os diferentes Gallus linhagens diferentes das relatadas aqui (ver TimeTree). Por exemplo, a separação entre Grey e Ceylon junglefowls ~ 1,8 MYA (CI 1,52–1,91 MYA) neste estudo é mais recente do que 8,05 MYA (CI 3,94–12,15 MYA) relatado por TimeTree. Várias razões para essa discrepância podem ser defendidas, por exemplo, o uso de informações completas do genoma em vez de informações fragmentárias, bem como diferentes taxas médias de mutação neutra em Galliforme entre os estudos.

Várias linhas de evidência apoiam a introgressão recente em galinhas domésticas de outras espécies Gallus : (i) Dentro de fragmentos introgressados ​​candidatos, observamos um excesso de sequências compartilhando variação entre as espécies doadoras e receptoras, baixo índice de divergência absoluta com as espécies doadoras e nidificação genealógica dos haplótipos introgressados ​​candidatos dentro ou perto da espécie doadora em ambas as análises de filogenias e redes; (ii) a comparação da estatística D para os autossomos e o cromossomo Z mostra níveis mais elevados de mistura no primeiro do que no último. Esta tendência não é incomum para a introgressão entre espécies, já que as barreiras das espécies à introgressão são frequentemente mais fortes nos cromossomos sexuais em comparação com os autossomos; (iii) relatamos grandes tratos genômicos de introgressão, maiores do que o esperado se resultar de classificação de linhagem incompleta. É consistente com eventos recentes de introgressão, onde os haplótipos introgressados ​​ainda não foram decompostos por recombinação. Juntas, todas essas evidências apoiam fortemente que a introgressão candidata relatada aqui representa regiões introgressadas verdadeiras das três espécies de aves selvagens não vermelhas na galinha doméstica.

Nossos resultados também mostram extensa introgressão de galinhas domésticas / aves selvagens vermelhas em aves selvagens cinzentas com tratos introgressados ​​de até 26 Mb de tamanho. Ele apóia eventos recentes de introgressão nas aves selvagens Grey examinadas aqui, que se originam de uma população criada em cativeiro. A estreita relação entre a galinha doméstica e a ave selvagem vermelha torna difícil identificar a origem (doméstica ou ave selvagem vermelha) desses alelos introgressados ​​na ave selvagem Grey. Especificamente, a introgressão na ave selvagem Grey pode ter se originado na natureza da ave selvagem vermelha ou pode ter seguido a domesticação e a dispersão da galinha doméstica, considerando a longa história de simpatria entre a galinha doméstica e a ave selvagem Grey em toda a Índia.G. g. murghi pode esclarecer melhor essas questões. Curiosamente, entre as regiões de haplótipos introgressed no junglefowl cinzento, encontramos vários genes frango domesticação anteriormente propostos (por exemplo, DACH1 , RAB28 ) que suportam introgressão doméstico de frango. Nossos resultados destacam a necessidade de mais estudos de populações de aves selvagens Grey para avaliar se sua integridade genética está sendo ameaçada pela introgressão de galinhas domésticas.

Identificamos a introgressão das aves selvagens Grey em todas as populações de galinhas domésticas, exceto Langshan. Considerando a distribuição geográfica do Grey junglefowl, isso sustenta que as galinhas domésticas foram inicialmente introgredidas com esta espécie no subcontinente indiano antes de sua dispersão em direção à África (Etiópia), Península Arábica (Arábia Saudita), Sri Lanka, Indonésia e Europa . Curiosamente, a Etiópia é a região com a maior proporção de haplótipos Greyfowl introgredidos em galinhas domésticas, possivelmente um legado de rotas comerciais diretas entre a parte sul do subcontinente indiano e a África Oriental. Surpreendentemente, também encontramos evidências da introgressão de Greyfowl em uma das selvagens Red junglefowl. Esta amostra de aves selvagens vermelhas originou-se da província de Yunnan na China, bem fora da distribuição geográfica das aves selvagens cinzentas confinadas à Índia. Essa assinatura de introgressão é provavelmente o resultado do cruzamento entre galinhas domésticas e aves silvestres vermelhas locais. A introgressão entre galinhas domésticas e aves silvestres vermelhas selvagens foi mostrada no passado usando loci microssatélites no Vietnã. Por extensão, esse resultado apóia um movimento de frango doméstico do centro de origem no subcontinente indiano em direção ao leste e sudeste da Ásia. Esta hipótese também é apoiada pela análise de mtDNA que indica a presença, em baixa frequência, de um haplogrupo de mtDNA no Leste Asiático provavelmente originado do subcontinente indiano.

Nossos resultados também destacam as limitações das abordagens atuais para análise de introgressão ao lidar com espécies intimamente relacionadas. Portanto, a necessidade de incluir todas as espécies doadoras candidatas para a interpretação correta dos padrões de introgressão e a importância de complementar a análise de introgressão em todo o genoma com estudos específicos de locus, incluindo análise filogenética de haplótipos. A filogenia das espécies Gallus indica que as aves selvagens Grey e Ceylon são espécies irmãs, que se especiaram antes da separação das linhagens de aves selvagens vermelhas / galinhas domésticas. A análise detalhada das regiões candidatas a introgresso revela que a maioria dos candidatos a aves selvagens do Ceilão f d correspondem a eventos de introgressão envolvendo as aves selvagens Grey. Ele destaca a limitação das estatísticas D de todo o genoma e das estimativas de proporção de mistura local quando há várias espécies doadoras intimamente relacionadas. Apenas uma avaliação detalhada de todos os candidatos f d significativos usando estatísticas múltiplas nos permitiu identificar regiões que mostram introgressão de aves selvagens do Ceilão no frango doméstico.

Na escala de regiões candidatas individuais, também observamos um padrão diferente de introgressão para as aves selvagens Grey e Ceilão. Embora identifiquemos vários casos fortes de introgressão de aves silvestres Grey na galinha doméstica, as evidências de introgressão de aves silvestres do Ceilão são limitadas a um ou dois haplótipos domésticos do Sri Lanka em cada região introgressada. Da mesma forma, revelamos apenas um caso de introgressão da galinha doméstica em aves selvagens selvagens do Ceilão, um resultado um tanto surpreendente considerando a relação irmã entre o Ceilão e as aves selvagens Grey. Embora não possamos excluir um artefato de amostragem, as descobertas sugerem que o impacto da introgressão de aves selvagens do Ceilão no frango doméstico pode ser restrito ao frango doméstico do Sri Lanka. Há também evidências anedóticas de cruzamentos mediados por humanos entre machos de galinha silvestre do Ceilão e galinhas domésticas no Sri Lanka para aumentar o vigor de galos na briga de galos (comunicação pessoal de Pradeepa Silva).

Cruzamentos entre aves selvagens verdes e galinhas domésticas são comuns na Indonésia, e as estimativas da proporção de mistura ( f ) entre as galinhas domésticas e aves selvagens verdes são ~ 9% e ~ 7% para os autossomos e o cromossomo Z, respectivamente. No entanto, nossos resultados suportam apenas um único exemplo convincente de introgressão da ave da selva verde na galinha doméstica. Este sinal é limitado ao Langshan, uma raça de galinha chinesa. Pode representar um legado do movimento de aves domésticas das ilhas indonésias para o continente asiático. No entanto, nenhuma região de introgressão candidata foi detectada nas galinhas domésticas da Indonésia (Kedu Hitam e Sumatra). Portanto, são necessárias análises de mais populações de galinhas domésticas da Indonésia.

Há evidências crescentes de introgressão "adaptativa" entre espécies entre mamíferos domesticados, bem como em humanos. Um estudo anterior relatou que o fenótipo de pele amarela do frango é a consequência de evento (s) de introgressão da ave selvagem Grey na galinha doméstica, um fenótipo favorecido por alguns criadores de galinhas e agora fixado em várias raças sofisticadas e comerciais. Aqui, além de algumas raças monomórficas tradicionais (por exemplo, Langshan, Kedu Hitam e Sumatra), analisamos as populações de galinhas de aldeia que são tipicamente caracterizadas por um alto nível de diversidade fenotípica (por exemplo, cor e padrão da plumagem, morfologia). Regiões introgressadas não foram encontradas fixas ou se aproximando da fixação em nenhuma das populações de galinhas das aldeias indígenas examinadas. Sem dúvida, essas regiões de introgressão candidatas contribuem para a diversidade do genoma da galinha doméstica, e embora não tenhamos evidências de seleção positiva nessas regiões de introgressão, outras pressões de seleção (por exemplo, vantagem do heterozigoto - seleção balanceadora) podem estar agindo. Quantas dessas introgressões influenciaram a diversidade fenotípica dessas galinhas de aldeia ainda não está claro.

Exemplos de genes em regiões introgressadas de Greyfowl no frango doméstico são NOX3 e GSC , que estão envolvidos no desenvolvimento da orelha e biogênese de otocônios, apoiando o equilíbrio e a detecção da gravidade; CPEB3 , que está associado com termocepção e melhoria da memória e pode desempenhar um papel central na adaptação a novos ambientes; MME , que desempenha um papel na estimulação da produção de citocinas; e RAP2B , que é principalmente expresso nos neutrófilos para ativação e agregação plaquetária. Outros genes de interesse incluem CDC5L e FOXP2 introgrados de aves selvagens do Ceilão. O primeiro é um regulador chave da progressão mitótica envolvido na resposta ao dano ao DNA, e o último é um gene envolvido no aprendizado do canto em pássaros. IPO7 , que é introgredido a partir do green junglefowl, desempenha um papel no sistema imunológico inato.

Conclusões

Nosso estudo revela uma origem polifilética da diversidade de galinhas domésticas com as aves selvagens vermelhas como o principal ancestral e subsequente introgressão das aves selvagens cinzentas, do Ceilão e verdes. Essas descobertas fornecem novos insights sobre a domesticação e a história evolutiva das espécies. Considerando as atuais distribuições geográficas das espécies de aves selvagens não vermelhas e a história de dispersão das galinhas domésticas, o nível de introgressão entre as populações domésticas deverá variar de uma região geográfica para outra. A análise das populações de galinhas domésticas em uma escala geográfica mais ampla pode nos fornecer um mapa detalhado da presença e frequência das regiões do genoma introgresso. Nossos resultados lançam novas luzes sobre a origem da diversidade de nossas espécies agrícolas mais importantes,

Materiais e Métodos

Amostragem e extração de DNA

As informações da amostra ( n  = 87), incluindo sua localização geográfica. Amostras de sangue foram coletadas da veia da asa de 27 galinhas domésticas de aldeias indígenas de 3 países (ou seja, Etiópia ( n  = 11), Arábia Saudita ( n  = 5) e Sri Lanka ( n  = 11)), 8 galinhas Langshan chinesas amostradas no Reino Unido e 11 espécies de galinhas selvagens não vermelhas (ou seja, Gray ( n  = 2), Ceilão ( n  = 7) e Green ( n = 2) aves selvagens). Amostras de sangue de cinco aves selvagens do Ceilão foram obtidas na natureza na província de Uva, no Sri Lanka, enquanto as outras duas aves selvagens do Ceilão foram coletadas da coleção de Koen Vanmechelen. Os dois faisões comuns, Phasianus colchicus , foram amostrados na natureza no Reino Unido. O DNA genômico foi extraído seguindo o método de extração de fenol-clorofórmio padrão. O sequenciamento do genoma foi realizado nas plataformas Illumina HiSeq 2000/2500 / X com uma profundidade média de cobertura de 30 ×.

Este conjunto de dados foi complementado com sequências de genoma de duas raças de galinhas domésticas sofisticadas (Poule de Bresse e Mechelse Koekoek), uma Mechelse Styrian, uma ave mestiça de 16ª geração do Cosmopolitan Chicken Research Project (CCRP), e uma Red, Grey, Sequências de Ceilão e aves selvagens verdes também da coleção Koen Vanmechelen. As sequências do genoma recuperadas publicamente de 15 galinhas indígenas indonésias (Sumatra, n  = 5 e Kedu Hitam, n  = 10), 3 aves selvagens vermelhas javanês G. g. bankiva e 9 green junglefowls, e 5 red junglefowls, amostrados nas províncias de Yunnan ou Hainan (República Popular da China), foram incluídos em nosso estudo. A profundidade da sequência do genoma para essas aves varia de 8 × a 14 ×.

No total, esses 87 genomas incluem 53 galinhas domésticas, 6 aves selvagens vermelhas, 3 aves selvagens vermelhas javanesas, 3 aves selvagens cinzas, 8 aves selvagens do Ceilão, 12 aves selvagens verdes e 2 faisões comuns.

Mapeamento de sequência e chamada de variantes

As leituras brutas foram eliminadas da contaminação do adaptador no centro de sequenciamento (ou seja, BGI / Edinburgh Genomics) e as leituras que continham mais de 50% de bases de baixa qualidade (valor de qualidade ≤ 5) foram removidas. Leituras de todos os genomas foram mapeadas independentemente para o genoma de referência Galgal 5.0 usando a opção Burrows-Wheeler Aligner bwa mem versão 0.7.15, e duplicatas foram marcadas usando ferramentas Picard versão 2.9.0. Seguindo as melhores práticas do kit de ferramentas de análise de genoma (GATK) versão 3.8.0, realizamos o realinhamento local em torno de INDELs para minimizar o número de bases incompatíveis em todas as leituras. Para aplicar uma etapa de recalibração de pontuação de qualidade básica para reduzir a significância de quaisquer erros de sequenciamento, usamos uma abordagem de bootstrapping em espécies selvagens não vermelhas de aves selvagens e faisão comum que não tem conjuntos conhecidos de SNPs de banco de dados de alta qualidade. Aplicamos a mesma abordagem às aves selvagens vermelhas para manter a consistência. Para fazer isso, executamos uma variante inicial chamando arquivos BAM individuais não calibrados e, em seguida, extraímos as variantes com a maior confiança com base nos seguintes critérios: --filterexpression “QD <2,0 || FS> 60,0 || MQ <40,0. ” Em seguida, usamos esse conjunto de SNPs de alta qualidade como entrada para o conjunto conhecido de SNPs do banco de dados. Finalmente, realizamos uma variante nos dados recalibrados.

Para melhorar as probabilidades do genótipo para todas as amostras usando parâmetros de filtragem rígida padrão, seguimos a abordagem de agregação multisample, que em conjunto genótipos variantes mesclando registros de todas as amostras usando o modo “-ERC GVCF” em “HaplotypeCaller”. Primeiro chamamos as variantes por amostra para gerar um arquivo genômico intermediário (gVCF). O genótipo conjunto foi realizado para cada espécie separadamente usando "GenotypeGVCFs" e, posteriormente, mesclado com BCFtools versão 1.4. As variantes foram chamadas usando a filtragem rígida --filterExpression “QD <2.0 || FS> 60,0 || MQ <40,0 || MQRankSum <-12,5 || ReadPosRankSum <-8.0. ” Todas as análises posteriores foram restritas aos autossomos, ao cromossomo Z e ao DNA mitocondrial. A porcentagem de leituras mapeadas e pares de leitura devidamente mapeados para o mesmo cromossomo foram calculados usando SAMtools “flagstat” versão 1.4, enquanto o número de SNPs por amostra foi identificado usando VCFtools “vcf-stats” versão 0.1.14.

Estrutura genética da população

A análise de componentes principais foi realizada nos SNPs identificados nos autossomos, filtrados com “--indep-pairwise 50 10 0.3,” para visualizar a estrutura genética das espécies de aves selvagens usando PLINK versão 1.9. A análise de mistura usando ADMIXTURE versão 1.3.0 foi realizada sem supervisão para validação cruzada de 5 vezes para 1 a 5 clusters ( K ).

Árvore de espécies

Para desvendar a árvore de espécies do gênero, construímos uma árvore filogenética autossômica de união de vizinhos usando Phyml versão 3.0 e rede usando a opção NeighbourNet de SplitsTree versão 4.14.6. Primeiro, o conjunto de dados foi filtrado para sites separados por pelo menos 1 kb e depois convertido para um arquivo de sequência PHYLIP usando scripts disponíveis publicamente. Também construímos uma árvore de máxima verossimilhança nas variantes do exon. Isso foi feito primeiro anotando todo o arquivo VCF do genoma inteiro com SnpEff e, em seguida, extraindo o efeito de diferentes variantes dentro dos exons usando SnpSift. Como no caso anterior, todas as árvores, incluindo o cromossomo Z, foram baseadas em sítios polimórficos, mas não para o mtDNA (ou seja, todas as sequências de consenso foram usadas). Todas as árvores foram plotadas usando o modelo General Time Reversible (GTR) de substituição de nucleotídeos seguindo sua predição pelo jModeltest 2.1.7 e então visualizadas no MEGA 7.0 .

Após fasear todos os SNPs autossômicos usando SHAPEIT, realizamos a seguir "Ponderação de Topologia por Amostragem Iterativa de Subárvores " ( Twisst ), que resumiu as relações entre várias amostras em uma árvore, fornecendo uma ponderação para cada uma das possíveis topologia de subárvore. Árvores de união de vizinhos foram geradas para janelas contendo exatamente 50 SNPs usando Phyml 3.0. As topologias foram plotadas em R usando o pacote “APE” versão 5.1. Executamos o TreeMix com um tamanho de bloco de 1000 SNPs por janela depois de filtrar o arquivo VCF com “maf 0,01” usando o PLINK versão 1.9 .

Tempo de divergência de espécies

Usamos duas abordagens para estimar o tempo de divergência entre as espécies. Primeiro medimos a divergência de sequência par a par absoluta média autossômica entre cada par de espécies usando a equação abaixo. Esta medida representa a soma da divergência acumulada desde a especiação e diferenças entre pares existiam na população ancestral.

T= K/ 2r

T=K/2r

onde K é a divergência de sequência média para espécies emparelhadas. Incluímos os locais variantes e não variantes dos autossomos na análise de K , que foi executada em cada região de 100 kb do genoma com tamanho de etapa de 20 kb. r é a taxa de substituição de nucleotídeos Galliformes por sítio por ano 1,3 (1,2 - 1,5) × 10 -9, e T é o tempo em anos.

Para estimar o tempo dividido das espécies, ajustamos essa medida de divergência para baixo subtraindo uma diversidade ancestral estimada, que tomamos como a diversidade média (π) das espécies das duas filhas (ou seja, d a) usando a equação abaixo. O tempo estimado de divergência é relatado em anos, assumindo uma geração por ano.

T= ( K- π ) / 2 r

T=(K−π)/2r

Usando a topologia de espécie mais comum, a média π = (π Faisão  + (π Verde  + ((π Cinza  + π Ceilão ) / 2 + (π Javanês Vermelho  + π Vermelho ) / 2) / 2) / 2.

Para a inferência baseada em modelo usando ∂a∂i, geramos o espectro de frequência de local 2D (dobrado) de entrada (SFS) usando ANGSD diretamente do arquivo BAM, produzindo um SFS que representa pelo menos 1,01 bilhão de sites. Em seguida, ajustamos um modelo que incluía parâmetros para o tamanho da população de cada espécie, o tempo dividido e as taxas de migração em cada direção. Repetimos o procedimento de otimização 50 vezes para garantir que os parâmetros de máxima verossimilhança fossem encontrados e também confirmamos que o uso de diferentes valores iniciais e limites superior e inferior para o processo de otimização não alterou as estimativas dos parâmetros finais. Para o Ceilão e as aves selvagens verdes, rodamos um modelo adicional que incluía o tamanho efetivo da população heterogênea (com duas classes de loci compartilhadas pelas duas populações para contabilizar a seleção em sítios vinculados que afetam N e local ).

Estimando comprimentos de trato para haplótipos compartilhados sob classificação de linhagem incompleta

Usando a abordagem de Huerta-Sánchez et al., estimamos o comprimento provável de haplótipos compartilhados em todo o genoma seguindo a classificação de linhagem ancestral incompleta. Isso foi feito com a equação:

L = 1 / ( r × t )

L=1/(r×t)

onde L é o comprimento esperado de uma sequência ancestral compartilhada, r é a taxa de recombinação por geração por bp (3 × 10 -8 para galinhas nos autossomos), e t é o tempo de divergência esperado entre as aves selvagens (~ 4 MYA), assumindo o tempo de geração de 1 ano.

Detectando introgressão

Primeiro, calculamos as estatísticas D para testar um excesso do genoma de alelo (s) derivado (s) compartilhado (s) entre dois grupos internos usando o grupo externo como representante do estado ancestral. Considerando-se os grupos em cada três, P 1 (junglefowl vermelho), P 2 (galinhas domésticas), e P 3 (cinza ou Ceilão ou junglefowl verde), e uma fora-grupo S (faisão comum), a filogenia esperado é (( ( P 1 , P 2 ), P 3 ), O ). ABBA denota locais onde o alelo derivado “B” é compartilhado entre o frango doméstico “P 2 ”e a ave selvagem cinza ou Ceilão ou verde“ P 3 ”, enquanto a ave selvagem vermelha“ P 1 ”compartilha o alelo ancestral“ A ​​”com o faisão comum“ O ”. BABA denota locais onde a ave selvagem vermelha " P 1 " compartilha o alelo derivado " B " com " P 3 ", enquanto a galinha doméstica " P 2 " compartilha o mesmo estado ancestral com o grupo externo " O ". A maioria dos padrões ABBA e BABA são devidos à classificação de linhagem incompleta, mas um excesso de um sobre o outro pode ser indicativo de introgressão. D é o excesso relativo calculado como a diferença no número de sites ABBA e BABA dividido pelo número total de sites ABBA e BABA. Sob a suposição de nenhum fluxo gênico e um modelo coalescente neutro, as contagens de ABBA e BABA devem ser semelhantes e D deve tender para zero. Usamos a abordagem de Durand et .al para calcular as contagens ABBA e BABA a partir de frequências de alelos, em que cada SNP contribui para as contagens mesmo que não seja fixo. Usamos a abordagem jackknife com um tamanho de bloco de 1 Mb para testar um desvio significativo de D de zero (ou seja, consistente com introgressão), usando um Z mínimo- pontuação de 4 como significativa. Em seguida, estimamos a proporção de mistura, f .

Identificar a introgressão em locais específicos e inferir a direção da introgressão

Para identificar regiões específicas que mostram introgressão entre o frango doméstico e as espécies de aves selvagens não vermelhas, usamos uma combinação de análises. Em primeiro lugar, estimamos f d, que é baseado nas estatísticas ABBA-BABA de quatro táxons e que foi projetado para detectar e quantificar a introgressão bidirecional em loci específicos. f d foi calculado em janelas de 100 kb com um tamanho de etapa de 20 kb. Cada janela deveria conter um mínimo de 100 SNPs. Nenhum valor limite foi usado para evitar a exclusão de picos que podem ter introgressado apenas algumas galinhas domésticas. Em vez disso, decidimos analisar cada um deles exaustivamente (ver tese de doutorado de Raman Akinyanju Lawal para mais detalhes). EssesAs regiões f d foram então extraídas e investigadas usando Twisst para testar um desvio nas ponderações de topologia nas regiões candidatas. Aqui, usamos apenas quatro táxons: galinha doméstica, ave da selva vermelha, faisão comum e ave da selva Cinza, Ceilão ou Verde.

Em seguida, construímos árvores gênicas baseadas em haplótipos e redes para fazer inferências sobre a direção do fluxo gênico. A expectativa é que as regiões introgressadas em galinhas domésticas de qualquer uma das aves selvagens não vermelhas sejam indicadas pela descoberta de haplótipos de galinhas aninhadas nas espécies doadoras, ou com os haplótipos das espécies doadoras na raiz dos introgressados. Para regiões em aves selvagens não vermelhas que são introgredidas de galinhas domésticas, a expectativa é que os haplótipos introgredidos sejam aninhados dentro do clado de galinhas domésticas. As sequências das regiões de introgressão candidatas foram faseadas usando SHAPEIT . Os haplótipos em fases foram convertidos em um arquivo VCF e posteriormente formatados no Plink 1.9 com a opção “beagle recode”, cuja saída foi fornecida como uma entrada para um script bash personalizado para gerar um arquivo FASTA. O modelo evolutivo molecular ideal foi inferido usando jModeltest 2.1.7 com base no critério de informação de Akaike (AIC). Phyml 3.0 foi usado para calcular a pontuação da razão de verossimilhança aproximada para cada ramo usando o melhor modelo previsto. Para a rede, usamos a opção NeighbourNet do SplitsTree versão 4.14.6. O arquivo de entrada para a rede foi uma matriz de distância criada usando “distMat.py”.

Finalmente, examinamos os níveis de divergência entre as espécies para validar ainda mais nossas regiões candidatas. A introgressão entre as galinhas domésticas e as aves selvagens Grey, Ceilão ou Green deve reduzir a divergência genética entre as duas espécies, independentemente da direção da introgressão. A introgressão na galinha doméstica também deve aumentar a divergência entre a galinha doméstica e a ave selvagem vermelha, enquanto a introgressão da galinha doméstica nas aves selvagens Grey, Ceilão ou Verde não deve afetar a divergência entre a galinha doméstica e a ave selvagem vermelha. Portanto, calculamos medidas relativas ( F ST ) e absolutas ( d XY ) de divergência entre pares usando o script “popgenWindows.py”.

Remapeamento de regiões de introgresso candidatas para GRCg6a

Após o lançamento recente de um novo genoma de referência (GRCg6a), todas as regiões de introgressão candidatas obtidas do Galgal 5.0 foram remapeadas usando a ferramenta de remapeamento NCBI. Todas as opções de remapeamento foram definidas para o limite padrão. Apenas as coordenadas GRCg6a para as regiões e genes candidatos a introgresso são relatadas aqui ao longo do manuscrito.

Disponibilidade de dados e materiais

Os dados de sequência gerados por este estudo estão disponíveis em https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/PRJNA432200 ou no NCBI com o número de acesso PRJNA432200. Também incluímos sequências de nosso estudo mais recente encontrado em https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/SRP142580 ou no NCBI com o número de acesso SRP142580. Dados de sequência adicionais disponíveis de outros estudos.