用飼料代替桑葉，吐絲結(jié)成綠色繭，結(jié)繭后不再“破繭而出”……蠶寶寶被成功“爆改”，這與重慶科學(xué)家團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的家蠶泛基因組“數(shù)字字典”密切相關(guān)。
日前，2024年度重慶市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)?wù)浇視?，由西南大學(xué)完成的“家蠶泛基因組與重要性狀遺傳基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目獲得重慶市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
歷時(shí)4年實(shí)施“千蠶基因組計(jì)劃”
西南大學(xué)擁有世界最大的家蠶基因資源庫，西南大學(xué)資源昆蟲高效養(yǎng)殖與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任代方銀帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從2018年起，歷時(shí)4年實(shí)施“千蠶基因組計(jì)劃”，對(duì)1078份蠶種質(zhì)資源進(jìn)行了二代、三代測序和分析。
“這些蠶種質(zhì)資源包括205份地方種、194份改良種、632份遺傳材料和47份野桑蠶，涵蓋世界‘絲綢之路’各主要蠶區(qū)、全世界家蠶代表性種質(zhì)資源的90%以上?！贝姐y說，在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)繪制出全球首張家蠶超級(jí)泛基因組圖譜，囊括目前最全面的家蠶及野桑蠶基因組信息。
研究過程中，團(tuán)隊(duì)還獲得關(guān)于家蠶起源地的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
“家蠶作為重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲，在我國有5000多年的馴養(yǎng)歷史?！贝姐y介紹，家蠶起源于中國野桑蠶的觀點(diǎn)在學(xué)界已達(dá)成共識(shí)，但具體起源于我國什么地方存在爭議，特別是缺乏有力的生物學(xué)證據(jù)。
通過構(gòu)建家蠶泛基因組進(jìn)化樹，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，來自黃河中下游地區(qū)的家蠶地方種分布在進(jìn)化樹上家蠶分支的基部，與野桑蠶的遺傳距離最近，由此證實(shí)，家蠶起源于黃河中下游地區(qū)。這與山西夏縣出土的半顆蠶繭、石雕蠶蛹等考古學(xué)證據(jù)互相佐證。至此，家蠶起源地的爭議有了結(jié)論。
創(chuàng)建“數(shù)字家蠶”基因庫
蠶桑產(chǎn)業(yè)在我國歷史悠久，擁有過輝煌，也經(jīng)歷過衰落。要讓傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)煥發(fā)新生機(jī)，培育新品種，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效是重要發(fā)展方向之一。這也成為家蠶遺傳學(xué)研究的重點(diǎn)。
“以前開展家蠶遺傳育種研究，參考基因組僅來自一個(gè)品系，存在顯著局限性?！蔽髂洗髮W(xué)資源昆蟲高效養(yǎng)殖與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授童曉玲說，單一參考基因組無法全面反映一個(gè)物種的遺傳多樣性，用于基因比對(duì)和分析，能提供的變異信息有限，不足以支撐優(yōu)良基因的發(fā)現(xiàn)和挖掘，從而影響家蠶育種工作的推進(jìn)。這好比一部漢語字典，收錄了很多漢字，但還有一些實(shí)際存在但未被收錄的漢字，我們查字典時(shí)就查不到。
泛基因組是一個(gè)物種所有基因組信息的總和，能彌補(bǔ)上述不足。
“我們實(shí)施‘千蠶基因組計(jì)劃’，繪制出家蠶超級(jí)泛基因組圖譜，參考基因組就來自上千個(gè)品系?！蓖瘯粤峤榻B，團(tuán)隊(duì)組裝了545個(gè)高質(zhì)量基因組，注釋獲得家蠶基因總數(shù)19411個(gè)，其中新發(fā)現(xiàn)7308個(gè)新基因(家族)，為深化功能基因組研究、種質(zhì)創(chuàng)新等奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
在繪制家蠶超級(jí)泛基因組圖譜的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了“數(shù)字家蠶”基因庫，實(shí)現(xiàn)家蠶遺傳信息的數(shù)字化。有了這部“數(shù)字字典”，研究人員就能快速、精準(zhǔn)獲取家蠶表型相關(guān)的基因組密碼。
開啟家蠶設(shè)計(jì)育種新紀(jì)元
家蠶超級(jí)泛基因組圖譜的繪制和“數(shù)字家蠶”基因庫的創(chuàng)建，讓研究人員可以根據(jù)育種目標(biāo)，結(jié)合基因組選擇、基因編輯、合成生物學(xué)等分子育種手段，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)育種，開啟家蠶育種新紀(jì)元。
項(xiàng)目實(shí)施以來，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用組學(xué)數(shù)據(jù)和技術(shù)，解析了30多種家蠶重要性狀的遺傳基礎(chǔ)，涵蓋發(fā)育、形態(tài)、產(chǎn)量、品質(zhì)、生態(tài)適應(yīng)性等，創(chuàng)制出高產(chǎn)絲、高繁殖力等突破性新種質(zhì)。
代方銀舉例說，如何讓家蠶的產(chǎn)絲量更高，這直接影響經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞周期調(diào)控因子BmE2F1是產(chǎn)絲量的一個(gè)主效基因。如果把它敲除，產(chǎn)絲量會(huì)減少22%；如果增加它的表達(dá)量，產(chǎn)絲量則增加16%。
再如，蠶在吐絲結(jié)繭后會(huì)變成蛹，繼而變成蛾后“破繭而出”。但是，“破繭而出”的過程會(huì)導(dǎo)致蠶絲斷裂，無法獲取完整的長絲，影響蠶絲品質(zhì)和后期加工。為此，繅絲廠通常是進(jìn)行烘干處理，讓蠶蛹死亡，不再“破繭而出”。
研究發(fā)現(xiàn)，溶解酶基因是家蠶“破繭而出”的唯一決定基因，如果把該基因敲除掉，家蠶就不再“破繭”，且其他性狀不受影響。由此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制出遺傳性“不破繭”種質(zhì)，為培育家蠶免烘繭品種提供了可能。
此外，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)制了攝食非桑食物和人工飼料的育種素材，培育了對(duì)人工飼料具有優(yōu)異適應(yīng)性的家蠶品系。
值得一提的是，團(tuán)隊(duì)對(duì)彩色繭育種展開深入研究，在家蠶體內(nèi)發(fā)現(xiàn)一簇糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因，能協(xié)同參與黃酮化合物的吸收，讓家蠶結(jié)出綠繭。相比其他彩色繭來說，它具有更加突出的開發(fā)利用價(jià)值。
“未來，我們希望揭示更多微妙且遺傳復(fù)雜的性狀，實(shí)現(xiàn)‘改造家蠶、多元利用’，為家蠶及其它昆蟲的研究開辟新領(lǐng)域?！贝姐y表示。
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