Forskere sekvenserer verdens største pangenom for at hjælpe med at låse op for genetiske mysterier bag finere silke

BGI Genomics har i samarbejde med Southwest University, State Key Laboratory of Silkworm Genome Biology og andre partnere konstrueret et højopløseligt pangenom-datasæt, der repræsenterer næsten hele det genomiske indhold i en silkeorm.

Dette forskningspapir, der giver genetisk indsigt i kunstig selektion (domesticering og avl) og økologisk tilpasning, blev offentliggjort den 24. september i Nature Communications .

Tidligere, på grund af mangel på vilde silkeorme og tekniske begrænsninger i tidligere undersøgelser, manglede mange egenskabsrelaterede steder. Dette er den første forskning nogensinde til at digitalisere silkeorm-genpuljen og skabe en "digital silkeorm", hvilket i høj grad letter funktionel genomforskning, fremmer præcis avl og muliggør dermed yderligere silkebrug.

Holdet sekvenserer dybt 1.078 silkeorme (B. mori, inklusive 205 lokale stammer, 194 forbedrede sorter og 632 genetiske bestande og 47 vilde silkeorme, B. mandarina) og samler langlæste genomer på 545 af disse prøver, hvilket genererer 55,57 T-genomer. af genomiske data.

Dette pangenom-datasæt indeholder den mest omfattende information om genomerne af tamme og vilde silkeorm, og er det hidtil største langlæste pangenom i verden for planter og dyr. Samtidig er der udført dybdegående undersøgelser af forskellige genetiske variationer, befolkningsstruktur, kunstig selektion og økologiske tilpasninger og økonomiske træk ved silkeorm, hvilket har givet frugtbare resultater.

Oprindelsen af ​​den hjemlige silkeorm

Den tamme silkeorm, B. mori, tæmmet fra den vilde morbærsilkeorm, B. mandarina. Den har en historie på over 5.000 år, men dens hjemstedsplacering har længe været et åbent spørgsmål på grund af mangel på stærke biologiske beviser.

Materialet i denne undersøgelse repræsenterer den rigeste genetiske mangfoldighed fra alle større serikulturregioner i verden. Undersøgelsen fandt ud af, at endemiske arter fra Kinas nedre og midterste Yellow River-region er fordelt ved bunden af ​​den indenlandske silkeormsgren på det evolutionære træ, hvilket tyder på, at den tamme silkeorm stammer fra denne region. De tilgængelige arkæologiske beviser, herunder en halv kokon udgravet i 1926 i Xiyin Village, Xia County, Shanxi-provinsen, og en stenudskåret silkeormspuppe udgravet i 2019 i Shicun i samme amt, giver vigtig støtte til denne konklusion.

At bryde flaskehalsen i silkeormeavl

Den traditionelle opdræt af silkeorme har en lang og unik historie, men siden 1990'erne forblevet fast i en flaskehals. Systematisk analyse af det genetiske grundlag for domesticering og forbedringsudvælgelse er afgørende for at løse de uløste problemer i silkeormeavl. Holdet har identificeret 468 domesticeringsassocierede gener og 198 forbedringsassocierede gener, hvoraf henholdsvis 264 og 185 er nyligt identificeret. Disse gener vil være vigtige kandidatmål for molekylær forbedring af silkeorm.

Samtidig blev det fundet ud af, at de kinesiske og japanske nyttearter deler mindre end 3 % af forbedringslocierne. Dette afslører ikke kun de relativt uafhængige avlshistorier for kinesisk og japansk silkeorm, men forklarer også, hvorfor dette fælles genetiske grundlag giver sådanne hybride fordele for begge arter. Dette resultat afgiver ny indsigt for fremtidig avl af silkeormen.

Økonomiske træk ved silkeormeavl

Udbytte og kvalitet af silke har længe været målrettet som de vigtigste økonomiske kriterier for kunstig udvælgelse af silkeorm. Indtil denne dato er der dog lidt kendt om, hvordan gener og loci styrer disse kvantitative egenskaber. Pangenomet er uden tvivl den 'nærmeste bro' mellem fænotyper, især komplekse træk.

Et eksempel på dette er reguleringen af ​​silkeproduktion af den cellecyklus-relaterede transkriptionsfaktor BmE2F1, som blev afsløret gennem selektionssignalering og strukturel variation. CRISPR-cas9-medieret knockout af BmE2F1 reducerer antallet af silkekirtelceller med 7,68 % og silkeudbyttet med 22 %. Omvendt øger den transgene overekspression af BmE2F1 antallet af silkekirtelceller med 23 % og silkeudbyttet med 16 %.

Fin silke har unikke anvendelser og højere økonomisk værdi, men det genetiske grundlag for fiberfinhed forblev hidtil ukendt. Analyse af sjældne varianter i genomerne af slanke sorter førte til identifikation af BmChit β-GlcNAcase, et gen, der kontrollerer silkefinhed, der signifikant kan påvises i fine varianter, og CRISPR-cas9-medieret knockout, hvilket resulterer i grovere silkefinhed produceret af tamme silkeorme . Dette tyder på, at dette gen spiller en nøglerolle i bestemmelsen af ​​silkefinhed.

Tilpasning af silkeormeavl

Diapause er et almindeligt økologisk adaptivt træk hos insekter, der sikrer, at insekter kan overleve på trods af ugunstige miljøforhold. Selvom diapausehormonet først blev identificeret i silkeormen i 1957, er der kun få oplysninger om det embryonale dipause-gen. I denne undersøgelse, baseret på analysen af ​​pnd-stammen og genomisk strukturel variation i silkeormen, og funktionel validering ved genredigering, viste det BmTret1-lignende gen sig at være en vigtig determinant for post-embryonal stalling. Det er første gang, at et post-embryonalt determinant gen er blevet identificeret i et insekt.

Denne undersøgelse afslører silkeormens komplette pan-genom for at låse op for kunstig selektion og økologisk tilpasningsindsigt. Shuaishuai Tai, medforfatter og BGI Genomics seniorforsker kommenterede:"Med omfattende prøveudtagning og datasæt kombineret med en række eksperimenter for at identificere gener til fremtidig potentiel undersøgelse, håber vi at fremskynde processen med silkeorms molekylært designopdræt." + Udforsk yderligere

Genetisk undersøgelse af silkeorm hjælper med at optrevle dens lange historie med domesticering