家蠶基因組研究有了“數(shù)字字典”。10月9日，西南大學(xué)發(fā)布消息，家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)完成家蠶大規(guī)模種質(zhì)資源基因組解析，在全球首次繪就家蠶超級(jí)泛基因組圖譜，并率先創(chuàng)建“數(shù)字家蠶”基因庫，讓蠶學(xué)科邁入信息化時(shí)代，開啟了我國家蠶基因設(shè)計(jì)育種之門。這一成果已于近日在《自然·通訊》在線發(fā)表。

家蠶遺傳多樣性豐富。西南大學(xué)/供圖

歷時(shí)四年解析“千蠶基因組”

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(cè)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(duì)于分子育種具有顯著局限。因此家蠶種質(zhì)資源基因組數(shù)字化，構(gòu)建家蠶超級(jí)泛基因組圖譜尤為重要。

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(duì)歷時(shí)4年對(duì)1078份蠶種質(zhì)資源進(jìn)行了深度測(cè)序，在全球首次繪就家蠶超級(jí)泛基因組圖譜。

“這1078份蠶種質(zhì)資源覆蓋了世界‘絲綢之路’各主要蠶區(qū)，涵蓋全世界家蠶代表性種質(zhì)資源的90%以上，樣本規(guī)模大，覆蓋范圍廣?！贝姐y教授介紹，這個(gè)“千蠶基因組”中，包括47個(gè)野桑蠶、205個(gè)家蠶地方種、194個(gè)實(shí)用種和632個(gè)突變體。

基因組是生物體的所有遺傳物質(zhì)的總和，泛基因組是指一個(gè)物種內(nèi)所有基因組信息的總和，它比單一參考基因組涵蓋了更多的遺傳多樣性。2003年西南大學(xué)繪制完成家蠶基因組框架圖以來，科學(xué)界不斷在對(duì)家蠶基因組進(jìn)行測(cè)序研究，希望繪制出更全更有深度的“精細(xì)圖”。不過以前的家蠶群體基因組學(xué)研究樣本數(shù)目都只有幾十個(gè)或100多個(gè)，且都是基于二代測(cè)序技術(shù)，測(cè)序讀長(zhǎng)短，樣本少，獲得的信息有限。隨著三代測(cè)序技術(shù)成熟，泛基因組研究得以實(shí)現(xiàn)。

本項(xiàng)目的測(cè)序樣本數(shù)超過了1000份，對(duì)其中545份代表性資源進(jìn)行了三代測(cè)序，組裝了545個(gè)蠶的高質(zhì)量基因組，獲得了最廣泛的家蠶遺傳變異信息。該超級(jí)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(dòng)植物中最大的長(zhǎng)讀長(zhǎng)泛基因組，也是最高質(zhì)量的家蠶基因組圖譜。

家蠶超級(jí)泛基因組圖譜。西南大學(xué)/供圖

創(chuàng)建“數(shù)字家蠶”賦能設(shè)計(jì)育種

以前鑒定特定性狀的基因或其因果變異猶如“大海撈針”，現(xiàn)在可謂是“甕中捉鱉”，因?yàn)槌?jí)泛基因組為此提供了“精細(xì)網(wǎng)格化”的“坐標(biāo)”指導(dǎo)，對(duì)于行家里手來說像是“查字典”。中國工程院院士向仲懷這樣形容這一超級(jí)泛基因組的作用。

“沒有現(xiàn)在的‘泛基因組’之前，我們要完成一個(gè)性狀基因的研究可能需要3到5年，而現(xiàn)在可能在短短的幾天、幾個(gè)月以內(nèi)就能完成?！眹倚Q桑產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家、西南大學(xué)家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授童曉玲解釋，真核生物基因組由ATCG四種堿基組成，類似于計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制編碼，通過有機(jī)的排列組合存儲(chǔ)了物種的所有可遺傳的性狀或表型的遺傳信息。家蠶超級(jí)泛基因組圖譜是涵蓋了蠶的所有遺傳信息的一張圖，通過這張圖可以直接對(duì)接表型和基因組密碼。

傳統(tǒng)育種是通過對(duì)表型的選擇來實(shí)現(xiàn)優(yōu)良基因聚集，選擇效率較低，且周期較長(zhǎng)。隨著基因組時(shí)代的到來，分子育種技術(shù)成為破解這一瓶頸的鑰匙。泛基因組的完成可以極大提升育種優(yōu)良基因的挖掘效率，在此基礎(chǔ)上，就可根據(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。

“家蠶超級(jí)泛基因組的完成將突破家蠶育種瓶頸，開啟家蠶分子育種的新紀(jì)元?！毕蛑賾言菏恐赋觯@是百年來家蠶研究最大的成果，讓蠶學(xué)科跨入了信息化時(shí)代，開啟了家蠶功能基因組研究和分子育種研究的新篇章，是科學(xué)技術(shù)支持振興蠶絲業(yè)的新起點(diǎn)。

家蠶起源地等未解之謎迎刃而解

有了這本家蠶基因組的“數(shù)字字典”，團(tuán)隊(duì)對(duì)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，許多家蠶研究之謎也迎刃而解。

“我們通過研究揭示了家蠶起源于黃河中下游地區(qū)，考古學(xué)發(fā)現(xiàn)也可為此提供佐證?！贝姐y教授表示，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(zhǎng)期是懸而未決的問題，特別是缺乏有力的生物學(xué)證據(jù)?；诖笠?guī)模、廣覆蓋的蠶種質(zhì)資源，他們通過現(xiàn)代基因測(cè)序手段研究發(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)。

發(fā)布會(huì)上，研究團(tuán)隊(duì)合影。西南大學(xué)/供圖

在對(duì)家蠶現(xiàn)代育種上，研究團(tuán)隊(duì)鑒定到468個(gè)馴化相關(guān)基因和198個(gè)改良相關(guān)基因，其中新鑒定分別為264和185個(gè)。這些基因?qū)⑹羌倚Q分子改良的重要候選靶標(biāo)。同時(shí)，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(duì)獨(dú)立的家蠶育種歷史，而且揭示了中日兩個(gè)系統(tǒng)間產(chǎn)生強(qiáng)雜交優(yōu)勢(shì)的遺傳基礎(chǔ)奧秘。這一結(jié)果對(duì)家蠶的現(xiàn)代育種具有重要啟示。

培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗、具有特殊性能的高價(jià)值蠶品種是家蠶育種的重要方向。有了這一“數(shù)字字典”，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些調(diào)控家蠶蠶絲產(chǎn)量和蠶絲粗細(xì)的控制基因和位點(diǎn)。

代方銀教授表示，下一步，他們將盡快搭建泛基因組數(shù)據(jù)庫，促進(jìn)家蠶基礎(chǔ)研究；深度剖析基因組內(nèi)涵，助力遺傳進(jìn)化研究；系統(tǒng)挖掘家蠶的優(yōu)異基因，促進(jìn)家蠶品種選育和多元化利用，拓展其他新功能、新材料開發(fā)；推進(jìn)家蠶作為鱗翅目害蟲防治研究模式。總之，通過組織對(duì)家蠶泛基因組的系統(tǒng)挖掘和推進(jìn)相關(guān)拓展研究，為促進(jìn)我國蠶絲業(yè)發(fā)展提供更多的科技支撐。