用飼料代替桑葉，吐絲結成綠色繭，結繭后不再“破繭而出”……蠶寶寶被成功“爆改”，這與重慶科學家團隊創(chuàng)建的家蠶泛基因組“數字字典”密切相關。
日前，2024年度重慶市科學技術獎正式揭曉，由西南大學完成的“家蠶泛基因組與重要性狀遺傳基礎研究”項目獲得重慶市自然科學獎一等獎。
歷時4年實施“千蠶基因組計劃”
西南大學擁有世界最大的家蠶基因資源庫，西南大學資源昆蟲高效養(yǎng)殖與利用全國重點實驗室主任代方銀帶領團隊從2018年起，歷時4年實施“千蠶基因組計劃”，對1078份蠶種質資源進行了二代、三代測序和分析。
“這些蠶種質資源包括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資源的90%以上。”代方銀說，在此基礎上，團隊繪制出全球首張家蠶超級泛基因組圖譜，囊括目前最全面的家蠶及野桑蠶基因組信息。
研究過程中，團隊還獲得關于家蠶起源地的重要科學發(fā)現。
“家蠶作為重要的經濟昆蟲，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在學界已達成共識，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證據。
通過構建家蠶泛基因組進化樹，團隊發(fā)現，來自黃河中下游地區(qū)的家蠶地方種分布在進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，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、石雕蠶蛹等考古學證據互相佐證。至此，家蠶起源地的爭議有了結論。
創(chuàng)建“數字家蠶”基因庫
蠶桑產業(yè)在我國歷史悠久，擁有過輝煌，也經歷過衰落。要讓傳統產業(yè)煥發(fā)新生機，培育新品種，推動產業(yè)提質增效是重要發(fā)展方向之一。這也成為家蠶遺傳學研究的重點。
“以前開展家蠶遺傳育種研究，參考基因組僅來自一個品系，存在顯著局限性?！蔽髂洗髮W資源昆蟲高效養(yǎng)殖與利用全國重點實驗室教授童曉玲說，單一參考基因組無法全面反映一個物種的遺傳多樣性，用于基因比對和分析，能提供的變異信息有限，不足以支撐優(yōu)良基因的發(fā)現和挖掘，從而影響家蠶育種工作的推進。這好比一部漢語字典，收錄了很多漢字，但還有一些實際存在但未被收錄的漢字，我們查字典時就查不到。
泛基因組是一個物種所有基因組信息的總和，能彌補上述不足。
“我們實施‘千蠶基因組計劃’，繪制出家蠶超級泛基因組圖譜，參考基因組就來自上千個品系?！蓖瘯粤峤榻B，團隊組裝了545個高質量基因組，注釋獲得家蠶基因總數19411個，其中新發(fā)現7308個新基因(家族)，為深化功能基因組研究、種質創(chuàng)新等奠定了堅實基礎。
在繪制家蠶超級泛基因組圖譜的基礎上，團隊還創(chuàng)建了“數字家蠶”基因庫，實現家蠶遺傳信息的數字化。有了這部“數字字典”，研究人員就能快速、精準獲取家蠶表型相關的基因組密碼。
開啟家蠶設計育種新紀元
家蠶超級泛基因組圖譜的繪制和“數字家蠶”基因庫的創(chuàng)建，讓研究人員可以根據育種目標，結合基因組選擇、基因編輯、合成生物學等分子育種手段，實現設計育種，開啟家蠶育種新紀元。
項目實施以來，團隊運用組學數據和技術，解析了30多種家蠶重要性狀的遺傳基礎，涵蓋發(fā)育、形態(tài)、產量、品質、生態(tài)適應性等，創(chuàng)制出高產絲、高繁殖力等突破性新種質。
代方銀舉例說，如何讓家蠶的產絲量更高，這直接影響經濟效益。對此，團隊研究發(fā)現，細胞周期調控因子BmE2F1是產絲量的一個主效基因。如果把它敲除，產絲量會減少22%；如果增加它的表達量，產絲量則增加16%。
再如，蠶在吐絲結繭后會變成蛹，繼而變成蛾后“破繭而出”。但是，“破繭而出”的過程會導致蠶絲斷裂，無法獲取完整的長絲，影響蠶絲品質和后期加工。為此，繅絲廠通常是進行烘干處理，讓蠶蛹死亡，不再“破繭而出”。
研究發(fā)現，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，團隊創(chuàng)制出遺傳性“不破繭”種質，為培育家蠶免烘繭品種提供了可能。
此外，團隊還創(chuàng)制了攝食非桑食物和人工飼料的育種素材，培育了對人工飼料具有優(yōu)異適應性的家蠶品系。
值得一提的是，團隊對彩色繭育種展開深入研究，在家蠶體內發(fā)現一簇糖轉運蛋白編碼基因，能協同參與黃酮化合物的吸收，讓家蠶結出綠繭。相比其他彩色繭來說，它具有更加突出的開發(fā)利用價值。
“未來，我們希望揭示更多微妙且遺傳復雜的性狀，實現‘改造家蠶、多元利用’，為家蠶及其它昆蟲的研究開辟新領域?！贝姐y表示。
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