初公開！牛はどのようにして青海・チベット高原の過酷な環境に素早く適応するのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者：

陳寧波、呂楊、雷初超（西北農林大学）

張正偉、呂宏良（四川大学）

陳俊剛（中国科学院チベット高原研究所）

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

青海・チベット高原は「世界の屋根」として知られています。平均標高は4,000メートルを超えており、世界第三の極とも考えられています。青海チベット高原は、気温が低く、酸素が少なく、紫外線が強いという厳しい環境ですが、それでもこの土地には多くの生物が生息しています。

青海チベット高原に居住するチベット同胞は主に放牧業に従事しており、古くからヤク、馬、山羊、牛などの大型家畜を飼育してきた。家畜牛には、普通牛 (Bos taurus taurus) とコブ牛 (B. t. indicus) の 2 つの亜種があります。中国では家畜牛は黄牛と呼ばれ、ヤクと水牛を除いた家畜牛の総称です。

私の国では、牛の品種資源が非常に豊富です。 「国家家畜家禽遺伝資源 - 牛」によると、現在、57種の在来牛品種が存在する。青海チベット高原には、アパイギャツォ牛、チベット牛、シガツェザトウ牛、チベット自治区のチャンム牛など、多くの種類の牛が生息しています。雲南省のデチン牛、四川省のカンズィー牛、青海省のツァイダム牛。青海チベット高原の複雑な地形のため、高原の中心部に移住した牛は他の場所に大規模に移住したことがなく、本来の特徴を保っています。

考古学および古代DNAの証拠は、牛が青海チベット高原に侵入した最も初期の家畜の一つであり、青海チベット高原の牛が中国、さらには世界でも最も原始的な牛の遺伝資源でもあることを示しています。何千年にもわたる自然淘汰と人為淘汰を経て、青海チベット高原の牛は、小型、成熟が遅​​い、高原の気候に適応しているなど、独特の特徴を持っています。

このような過酷な環境の中、牛たちはいつ、どこから青海チベット高原に入ってきたのでしょうか？高原環境に素早く適応するにはどうすればいいでしょうか?これらの問題は科学研究者の間で大きな関心を集めています。

青海チベット高原の黄色い牛

（写真提供：西北農林大学の陳寧波氏撮影）

ダフ屋の起源

古代DNAの証拠は、西アジアの肥沃な三日月地帯の家畜牛が少なくとも3,900年前に東アジアに入ってきたことを示唆している。東アジアに入ってからは血統も変化しました。これを東アジア普通牛と呼んでいますが、これは3,900年前に陝西省北部の世茂遺跡から発掘された黄色い牛に代表されます。

ゲノム上の証拠はまた、シマオ牛が現代のチベット高原牛や、中国東北部の延辺牛、日本の和牛、韓国の韓服など北東アジアの家畜牛の祖先であることを裏付けている。

世茂黄牛に代表される家畜牛群は中国に入ってからも広がり続けた。彼らは東に中国東北地方まで広がり、その後朝鮮半島と日本に侵入しました。その後数千年かけて青海チベット高原の端まで西に広がり、徐々に青海チベット高原全域に広がりました。さらに考古学的および遺伝学的証拠は、黄牛が少なくとも2,500年前に青海・チベット高原の南奥地にあるバンガ地域に広がったことを裏付けている。

青海チベット高原の遊牧民が飼育する黄色い牛

（写真提供：西北農林大学の陳寧波氏撮影）

牛は高原の気候にどのように適応するのでしょうか?

家畜牛の1万年の飼育の歴史と比較すると、青海・チベット高原の牛の歴史は3000～4000年程度に過ぎないかもしれない。牛はどのようにしてこれほど短期間で高原の環境に急速に適応したのでしょうか?この問題に対処するため、私たちは青海・チベット高原の牛89頭からサンプルを収集し、ゲノム配列の解析を行いました。

採取された牛のサンプルは、標高3,400メートルから4,300メートルの青海チベット高原の北東部、中央部、南部地域の主な放牧地から採取されたものである。その後、世界中の他の家畜牛のゲノム情報を分析したところ、青海チベット高原の牛は遺伝的多様性に富んでいることがわかりました。

チベット高原の8つの牛の集団の地理的分布と一致して、それらの祖先の系統構成も、東アジアの普通牛から南アジアのコブ牛への継続的な変化を示しました。

その後の3000年間の繁殖において、牛の世代における生活環境の自然淘汰を通じて、適者生存のメカニズムによって生き残った好ましい牛の個体は、青海・チベット高原の環境に高度に適応しました。これらの個体はゲノム配列に若干の変化が見られました。では、これらの変化はどのようにして起こったのでしょうか?

標高の低い地域の牛のゲノム配列と比較したところ、青海・チベット高原の牛のゲノム中に、体の大きさに影響を与えるHMGA2遺伝子とNCAPG遺伝子を発見しました。青海チベット高原の牛では、これら 2 つの遺伝子に非常に高頻度の遺伝子変異が見られますが、低標高地域の牛ではこれら 2 つの変異はほとんど見られません。青海・チベット高原の牛が小さいのは、このためかもしれません。

また、エネルギー代謝に関わるDUOXA2遺伝子にも高頻度の変異があることも分かりました。この突然変異は高原牛のエネルギー代謝に関係しており、エネルギー代謝を調節することで高原の過酷な環境に適応できるようになります。したがって、これらの突然変異は、青海・チベット高原の牛が自然選択を通じて高原環境に適応するための「キーコード」である可能性があると推測しています。

しかし、わずか 3000 年では、自然選択だけでこの極端な環境に適応するには到底不十分です。青海チベット高原の厳しい環境に適応するために、青海チベット高原の牛はヤクとの「交配」を選択しました。

異人種間の結婚

ヤクは「高原の船」として知られ、古代から青海・チベット高原の牧畜地帯で主要な家畜となってきました。ヤクは高山草原の飼料資源を十分に活用でき、現地の生態や環境条件への適応力が強く、粗飼料にも耐性があり、空気が薄い、気候が寒い、草の生育期間が短いなどの厳しい環境条件でも自由に生きることができます。

ヤクと牛は交雑することができ、その交雑種の子孫であるヤクは、極度の高高度環境における人間の定住にとっても大きな意義を持っています。ヤク、牛、雄牛は高原農業における耕作や運搬の主力であるだけでなく、その全身に宝が詰まっています。牛肉、ギー、ヨーグルトなどの農産物は重要な食料資源です。ヤクの毛で編んだテントは風や雪、極寒にも耐えられます。牛糞はどの家庭にとっても欠かせない主燃料です。

では、ヤクと牛の混血はいつ始まったのでしょうか?青海・チベット高原南部のバンガ遺跡での考古学的発見は、私たちに重要な手がかりを与えてくれます。バンガ遺跡は標高3,750メートルに位置します。初期の遺跡は2,000年から3,000年前に遡ります。チベットでは考古学的発掘調査によって体系的に発掘された数少ない高地の先史時代の遺跡のひとつです。バンガ遺跡での動物考古学的調査により、バンガ族の祖先はヤクと牛の両方を使用していたが、牛のほとんどは4歳以上で死んでいたことが判明した。これは、青海・チベット高原の現代の遊牧民の牛の利用と管理モデルに似ている。

バンガ遺跡から発見された5頭の牛の骨の年代順および古代DNA分析により、牛は祖先の移住とともに2,500年前にはすでにバンガに到着していたことが判明しました。当時、バンガ族の祖先はすでにヤクと牛の「混血」の実験を始めていました。これまでのところ、この意図的な「異人種間結婚」は少なくとも 2,500 年、あるいはそれ以上続いており、これを証明するには将来さらに考古学的証拠が必要となる。

では、青海・チベット高原の牛は「混血」によってヤクからどのような「優れた遺伝子」を得たのだろうか？さらに調査を進めたところ、青海・チベット高原のさまざまな高度で育った牛は、ヤクの「優れた遺伝子」を多く持っていることが判明した。たとえば、低酸素応答 (EGLN1)、寒冷適応 (LPR11)、DNA 損傷修復 (LATS1)、紫外線耐性 (GNPAT) に関連する機能遺伝子などです。これらの好ましい遺伝子は、「混血」を通じて青海・チベット高原に移住した牛に多かれ少なかれ影響を与えた。先祖の「教えと模範」と相まって、子孫はますます順応性を高めています。

また、ヤク由来の非コード領域の変異が、本来の「遺伝子発現バランス」を変化させる可能性があることも発見しました。この遺伝子発現バランスが変化すると、高地適応に影響する遺伝子が「活発に発現」するため、「混血」した牛の子孫はより強い適応力を持つようになります。ヤクと牛の「交配」は、青海・チベット高原の牛が高原環境に適応する能力を高めるためのもう一つの「キーコード」である。

バンガ遺跡

（写真提供：四川大学考古科学センター呂洪良教授チーム提供）

牛とヤクの交雑種 - ヤク

（写真提供：西北農林大学の陳寧波氏撮影）

中国にはウシ属のあらゆる種類の牛が分布している。では、今日でも青海チベット高原に生息する牛、ヤク、およびその交雑種のヤクに加えて、長い歴史の流れの中でこの広大な高原に生息してきた他の種類の牛はいるのでしょうか?彼らと牛やヤクの間にはどんな物語が生まれるのでしょうか？

好奇心に駆られて、私たちは青海チベット高原の北東にあるタウィンダリハという遺跡から古代の牛の骨の残骸3点を収集し、そこから手がかりと答えを見つけたいと考えました。これらの牛の骨は3000年近くも前から存在しているため、その外見からはどの種類の牛のものかはもはやわかりません。

そこで私たちは、再び古代DNA技術を活用し、これらの牛の骨から残っている古代DNA断片を抽出し、「親子鑑定」に似た方法を使ってその身元の謎を解こうと考えたのです。

私たちは、古代DNAの抽出、増幅、ゲノム配列の解析などの一連の作業を通じて、これら3つの古代牛の骨から遺伝情報を取得することに成功しました。これらの古代の遺伝情報を分析した結果、それぞれの母親は牛と東アジアのオーロックスであることがわかりました。

名前が示すように、オーロックスはかつてユーラシア大陸と北アフリカ全域に生息していた原始的で家畜化されていない牛です。現代の家畜牛の祖先は、西アジアのオーロックスと南アジアのチューメファクトから来ています。残念なことに、オーロックスは 1627 年に絶滅しました。

東アジアオーロックスとは、東アジアに分布するオーロックスの一種を指します。これまでのところ、青海・チベット高原では彼らの生存の痕跡は発見されていない。タウィンタルカ遺跡で発見された3,400年前のオーロックス標本は、家畜化された牛の到来後、オーロックスが何百年もの間青海・チベット高原で自由に暮らしていた可能性があることを証明しています。

動物の骨格の形態学的識別

（写真提供：中国科学院チベット高原研究所の陳順剛氏撮影）

牛と東アジアのオーロックス（野生の牛の一種）は3,000年以上前に青海・チベット高原で出会っているが、牛とヤクのように、彼らも互いに「親密な接触」を持っていたのだろうか？この疑問を念頭に置き、私たちはさらに核ゲノム解析を実施しました。

驚いたことに、あるサンプルのミトコンドリアは東アジアのオーロックスのものだったが、核ゲノムは牛のものと類似していたことがわかった。祖先の血統を詳細に分析した結果、この個体は牛の祖先が 84%、東アジアのオーロックス祖先が 16% であることが判明し、「混血」としての独自のアイデンティティが確認されました。

現時点では、遺伝学と古代 DNA の研究により、牛とヤクが「混血」していただけでなく、牛が東アジアのオーロックスとも「混血」していたことが明らかになっています。さらに印象的なのは、バンガ牛の中にヤクと東アジアのオーロックスの血統も検出されたことです。これはオーロックス、牛、ヤクの「混合雑種化」の最も優れた例です。

超クリーンな実験室でサンプルから古代DNAを抽出する

（写真提供：中国科学院チベット高原研究所のハン・シュー氏）

私たちは、中国科学院チベット高原研究所、四川大学考古学科学センター、セントルイス・ワシントン大学、中国地質大学（武漢）、蘭州大学崖州湾国家実験室、吉林農業大学、中国科学院昆明動物研究所などの研究機関と協力し、チベット高原の牛、ヤク、ヤク、東アジアのオーロックスに関する一連の研究論文をNature Communications、Science Advances、Science Bulletinなどの雑誌に掲載しています。この一連の研究により、青海・チベット高原の先史時代の牛資源に関する理解が深まり、牛間の「混血」パターンについての理解も深まりました。

今後、青海チベット高原の牛の進化の謎をさらに探究したいのであれば、現代と古代のサンプルのゲノムをさらに深く研究することで、青海チベット高原の家畜牛の謎を解明できるだろう。

（注：本文中のラテン語部分は斜体で表記してください）

参考文献:

[1] Ningbo Chen、Xiaoting Xia、Quratulain Hanif、他。全ゲノム配列解析により明らかになったインド牛の世界的な遺伝的多様性、遺伝子移入および進化的適応。ネイチャーコミュニケーションズ。 2023年14月7803日。

[2] Ningbo Chen、Zhengwei Zhang、Jiawen Ho、他。チベット高原における初期の家畜ヤク、タウリン牛、およびそれらの雑種の存在の証拠。科学の進歩。 2023年9月、eadi6857。

[3] Ningbo Chen、Yudong、Qiuming Chen、他。全ゲノム再配列により、東アジアの家畜牛の世界的な祖先と適応的遺伝子移入イベントが明らかになりました。ネイチャーコミュニケーションズ。 2018年9月2337日。

[4] Shungang Chen、Lele Ren、Yu Gao 他。約 3750 年前のチベット高原における牛とオーロックスの交雑の証拠。サイエンス速報、2024年。

[5] Yang Lyu、Fuwen Wang、Haijian Cheng、他。最近の選択と遺伝子移入により、牛の高地適応が促進されました。サイエンス速報、2024年。