家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、國家蠶桑產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席科學(xué)家代方銀教授團(tuán)隊完成家蠶大規(guī)模種質(zhì)資源基因組解析（“千蠶基因組”），繪就家蠶超級泛基因組。該研究在世界上率先實(shí)現(xiàn)家蠶基因庫數(shù)字化，創(chuàng)建“數(shù)字家蠶”，對于深化功能基因組研究和推進(jìn)家蠶模式化，開啟家蠶設(shè)計育種，賦能“改造家蠶、多元利用”等，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
家蠶是重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲和新興模式生物，但之前僅有單一參考基因組及部分重測序，尚不足以支撐基因組變異和優(yōu)良基因的深度挖掘，尤其對于分子育種具有顯著局限。超級泛基因組是一個物種所有基因組信息的總和，對于深化功能基因組研究、種質(zhì)創(chuàng)新等意義重大。
研究團(tuán)隊對1078份蠶種質(zhì)資源（205份地方種，194份改良種，632份遺傳材料，47份野桑蠶）進(jìn)行了深度二代（短讀長）測序，對其中545份代表性資源進(jìn)行了三代（長讀長）測序，產(chǎn)生55.57T基因組數(shù)據(jù)，組裝了545個蠶的高質(zhì)量基因組，對100個基因組進(jìn)行了基因注釋，鑒定到4300余萬個SNP、930余萬個Indel、340余萬個結(jié)構(gòu)變異（SV）和7308個新基因（家族），繪制了一個高精度家蠶泛基因組圖譜。該超級泛基因組囊括了目前最全面的家蠶和野桑蠶基因組信息，是迄今全球動植物領(lǐng)域最大的長讀長泛基因組。同時，對蠶的各種遺傳變異、群體結(jié)構(gòu)、人工選擇和生態(tài)適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性狀開展了深入的研究，取得豐碩的創(chuàng)新結(jié)果。研究論文“High-resolution silkworm pan-genome provides genetic insights into artificial selection and ecological adaptation”于2022年9月24日在國際名刊Nature Communications在線發(fā)表。
圖1. 家蠶生命周期各階段豐富的表型多樣性
家蠶起源于我國，由中國古野桑蠶馴化而來，具有5000多年的馴養(yǎng)歷史，但其馴化起源地長期是懸而未決的問題，特別是缺乏有力的生物學(xué)證據(jù)。本研究的材料代表了來自全球各主要養(yǎng)蠶地區(qū)的最豐富的遺傳多樣性，研究發(fā)現(xiàn)黃河中下游地區(qū)的地方種分布在進(jìn)化樹上家蠶分支的基部，表明家蠶起源于黃河中下游地區(qū)?，F(xiàn)有的考古證據(jù)，包括1926年在山西夏縣西陰村出土的半顆蠶繭，2019年在該縣師村出土的石雕蠶蛹等都為此結(jié)論提供了重要的佐證。
圖2. 家蠶和野桑蠶材料的地理分布和系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系
圖3. 545個蠶基因組的結(jié)構(gòu)變異特征
蠶的傳統(tǒng)育種歷史悠久且成就卓著，但自上世紀(jì)90年代以來已遭遇瓶頸。系統(tǒng)解析馴化與改良選擇作用的遺傳基礎(chǔ)，對于突破家蠶育種瓶頸極為重要。研究團(tuán)隊鑒定到468個馴化相關(guān)基因和198個改良相關(guān)基因，其中新鑒定分別為264和185個。這些基因?qū)⑹羌倚Q分子改良的重要候選靶標(biāo)。同時，發(fā)現(xiàn)中國實(shí)用種和日本實(shí)用種只共享不到3%的改良作用位點(diǎn)，這不僅揭示了中國和日本相對獨(dú)立的家蠶育種歷史，而且解釋了中日兩個系統(tǒng)間產(chǎn)生強(qiáng)雜交優(yōu)勢的遺傳基礎(chǔ)奧秘。這一結(jié)果對家蠶的現(xiàn)代育種具有重要啟示。
圖4. 家蠶馴化和品種改良選擇的關(guān)鍵位點(diǎn)
長期以來家蠶育種選擇的主要目標(biāo)經(jīng)濟(jì)性狀是繭絲相關(guān)性狀，如繭絲產(chǎn)量和品質(zhì)性狀。然而，迄今為止對這類屬于數(shù)量遺傳性狀的控制基因和位點(diǎn)知之甚少。泛基因組可謂是連接表型特別是復(fù)雜性狀和序列之間“最近的橋”。在本研究中的一個案例，從選擇信號和結(jié)構(gòu)變異切入，揭示了與細(xì)胞周期相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子BmE2F1調(diào)控家蠶繭絲產(chǎn)量。通過CRISPR-cas9敲除BmE2F1后，蠶的絲腺細(xì)胞數(shù)減少了7.68%，產(chǎn)絲量減少22%；在絲腺中過表達(dá)BmE2F1后，絲腺細(xì)胞數(shù)增加了23%，產(chǎn)絲量增加16%。另一方面，繭絲纖度是蠶絲的重要品質(zhì)性狀，細(xì)纖度蠶絲具有獨(dú)特應(yīng)用和更高的經(jīng)濟(jì)價值，但之前對繭絲纖度的分子遺傳基礎(chǔ)毫無所知。本研究中的另一個案例，通過分析細(xì)纖度品種基因組中存在的稀有變異，鑒定到控制繭絲纖度的基因BmChit β-GlcNAcase，該基因在細(xì)纖度品種中表達(dá)量顯著提高，敲除該基因后家蠶的繭絲纖度變粗，表明該基因在繭絲纖度的決定中起關(guān)鍵作用。
圖5. 家蠶經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)基因（BmE2F1和BmChit β-GlcNAcase）和基因組變異
滯育是昆蟲中常見的一種生態(tài)適應(yīng)性性狀，它能確保昆蟲順利躲過不利于生存的環(huán)境條件。雖然滯育激素早在1957年于家蠶中首次被發(fā)現(xiàn)（Nature, 1957），但至今關(guān)于胚胎滯育基因的信息卻很少。本研究中，基于家蠶“著色非滯卵”突變體（pnd）和基因組結(jié)構(gòu)變異分析，并通過基因編輯進(jìn)行功能驗(yàn)證，揭示了BmTret1-like基因是重要的胚后滯育決定因子。這是昆蟲中首次鑒定出胚后滯育決定基因。
圖6 家蠶生態(tài)適應(yīng)性性狀相關(guān)基因（BmTret1-like和Wnt1）和基因組變異
警戒色是昆蟲另一種重要的生態(tài)適應(yīng)性性狀。家蠶中的褐圓斑（L）和菱紋茶斑（LC）突變體幼蟲具有相似的成對分布的特殊斑紋，這種模式的斑紋在昆蟲中通常用作恐嚇天敵的警戒色。此前有研究推測L表型可能是由4號染色體上Wnt1基因上游 19 kb內(nèi)的小片段變異（SNPs and/or InDels）引起的（Nat. Commun, 2013）。在本研究中，基于新組裝的大量品系的高質(zhì)量基因組，分析發(fā)現(xiàn)L突變體中特異存在兩個大片段結(jié)構(gòu)變異，其中，一個34 kb基因組重復(fù)包含了一個額外的Wnt1拷貝，在兩個Wnt1拷貝之間還插入了一個來源于14號染色體的109 kb大片段。對于等位突變LC，則在Wnt1的3’側(cè)翼區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個271 kb的特異性大片段缺失。這些在Wnt1基因鄰近區(qū)域檢測到的大片段的插入、缺失、重復(fù)等復(fù)雜變異，是之前的研究未能識別到的，顯示出泛基因組在復(fù)雜變異解析中具有獨(dú)特優(yōu)勢，特別是能提供更全面和準(zhǔn)確的基因組信息。
論文評審專家認(rèn)為：“該研究揭示了蠶完整泛基因組，會讓家蠶研究人員睜大眼睛、高興得跳起來?！?“這項研究的優(yōu)勢在于它的全面采樣，詳細(xì)描述的泛基因組特性，以及對家蠶重要生物學(xué)性狀的系統(tǒng)解析及功能研究；建立如此廣泛的數(shù)據(jù)集，并結(jié)合各種實(shí)驗(yàn)來研究蠶的馴化問題是值得稱贊的?！?“這些令人印象深刻的數(shù)據(jù)集必將促進(jìn)昆蟲生物學(xué)和進(jìn)化的研究，也必將提高家蠶育種的水平?！?“論文詳細(xì)描述了泛基因組的分析過程，對非家蠶研究人員也有很好的參考價值?！?/p>
西南大學(xué)家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室童曉玲教授、韓民錦副教授、陸昆鵬博士后，深圳華大基因科技有限公司高級工程師太帥帥、西南大學(xué)博士研究生梁書博和中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所博士后劉羽誠為論文共同第一作者，西南大學(xué)家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室代方銀教授為論文最后通訊作者，向仲懷院士、魯成教授、童曉玲教授，以及西北工業(yè)大學(xué)王文教授、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所田志喜研究員為論文共同通訊作者。主要合作單位還有重慶市蠶業(yè)科學(xué)研究院、江蘇科技大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)、安康學(xué)院、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所、新加坡國立大學(xué)、法國斯特拉斯堡大學(xué)。國內(nèi)多家有關(guān)蠶業(yè)科研院所為本研究的實(shí)驗(yàn)材料優(yōu)化構(gòu)成等提供了支持，已在論文中一并致謝。本研究受到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（31830094、U20A2058）、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（CARS-18-ZJ0102）、重慶市自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目（cstc2021jcyj-cxtt0005）等資助。
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