BGI Genomics в сотрудничестве с Юго-Западным университетом, Государственной ключевой лабораторией биологии генома тутового шелкопряда и другими партнерами создала набор данных пангенома с высоким разрешением, представляющий почти все геномное содержимое тутового шелкопряда.

Этот исследовательский документ, дающий генетический анализ искусственного отбора (одомашнивания и разведения) и экологической адаптации, был опубликован 24 сентября в Nature Communications .

Раньше из-за нехватки диких тутовых шелкопрядов и технических ограничений прежних исследований многие участки, связанные с признаками, отсутствовали. Это первое исследование, когда-либо оцифровавшее генофонд тутового шелкопряда и создавшее «цифрового шелкопряда», что значительно облегчило функциональные геномные исследования, способствовало точному разведению и, таким образом, открыло дополнительные возможности для использования шелка.

Команда провела глубокое повторное секвенирование 1078 тутовых шелкопрядов ( B. mori , включая 205 местных штаммов, 194 улучшенных сорта, 632 генетических штамма и 47 диких тутовых шелкопрядов, B. mandarina ) и собрала геномы длительного считывания на 545 из этих образцов, получив 55,57 T геномных данных.

Этот набор данных пангенома содержит наиболее полную информацию о геномах домашнего и дикого тутового шелкопряда и на сегодняшний день является крупнейшим в мире пангеномом растений и животных с длительным чтением. В то же время были проведены глубокие исследования различной генетической изменчивости, структуры популяции, искусственного отбора и экологической адаптации, а также экономических признаков тутового шелкопряда, давшие плодотворные результаты.

Происхождение домашнего шелкопряда

Домашний шелкопряд, B. mori , одомашненный из дикого тутового шелкопряда, B. mandarina . Его история насчитывает более 5000 лет, но место его одомашнивания долгое время оставалось открытым вопросом из-за отсутствия убедительных биологических доказательств.

Материал в этом исследовании представляет собой самое богатое генетическое разнообразие из всех основных шелководческих регионов мира. Исследование показало, что эндемичные виды из нижнего и среднего региона Хуанхэ в Китае распространены в основании ветви домашнего шелкопряда на эволюционном дереве, что позволяет предположить, что домашний шелкопряд произошел в этом регионе. Имеющиеся археологические свидетельства, в том числе половинка кокона, раскопанная в 1926 году в деревне Сиинь, уезд Ся, провинция Шаньси, и вырезанная из камня куколка тутового шелкопряда, раскопанная в 2019 году в Шицуне в том же округе, подтверждают этот вывод.

Преодоление узкого места в разведении тутового шелкопряда

Традиционное разведение тутового шелкопряда имеет долгую и уникальную историю, но с 1990-х годов оно застряло в узком месте. Системный анализ генетических основ доместикации и селекции на улучшение необходим для решения нерешенных вопросов шелководства. Команда идентифицировала 468 генов, связанных с одомашниванием, и 198 генов, связанных с улучшением, из которых 264 и 185 соответственно были идентифицированы заново. Эти гены будут важными мишенями-кандидатами для молекулярного улучшения тутового шелкопряда.

В то же время было установлено, что китайские и японские полезные виды разделяют менее 3% локусов улучшения. Это не только раскрывает относительно независимые истории размножения китайского и японского тутового шелкопряда, но также объясняет, почему эта общая генетическая основа обеспечивает такие гибридные преимущества для обоих видов. Этот результат дает новые идеи для будущего разведения тутового шелкопряда.

Хозяйственные признаки шелководства

Выход и качество шелка долгое время считались основными экономическими критериями искусственной селекции тутового шелкопряда. Однако на сегодняшний день мало известно о том, как гены и локусы контролируют эти количественные признаки. Пангеном, возможно, является «ближайшим мостом» между фенотипами, особенно со сложными признаками.

В качестве примера можно привести регуляцию продукции шелка с помощью фактора транскрипции BmE2F1 , связанного с клеточным циклом, который был обнаружен посредством передачи сигналов селекции и структурных вариаций. Нокаут BmE2F1 , опосредованный CRISPR- cas9, снижает количество клеток шелковой железы на 7,68% и выход шелка на 22%. И наоборот, трансгенная сверхэкспрессия BmE2F1 увеличивает количество клеток шелковой железы на 23% и выход шелка на 16%.

Тонкий шелк имеет уникальное применение и более высокую экономическую ценность, но генетическая основа тонкости волокна оставалась ранее неизвестной. Анализ редких вариантов в геномах тонких сортов привел к идентификации BmChit β-GlcNAcase , гена, контролирующего тонкость шелка, который может быть значительно обнаружен в тонких сортах, и нокаута, опосредованного CRISPR-cas9, что приводит к более грубой тонкости шелка, производимой домашними тутовыми шелкопрядами. . Это говорит о том, что этот ген играет ключевую роль в определении тонкости шелка.

Адаптивные признаки шелководства

Диапауза — распространенный экологический адаптивный признак насекомых, обеспечивающий выживание насекомых, несмотря на неблагоприятные условия окружающей среды. Хотя гормон диапаузы был впервые идентифицирован у тутового шелкопряда в 1957 г., имеется мало информации о гене эмбриональной дипаузы. В этом исследовании, основанном на анализе штамма pnd и геномных структурных вариаций у тутового шелкопряда, а также функциональной проверке путем редактирования генов, BmTret1 — подобный ген показал себя важной детерминантой постэмбриональной остановки развития. Это первый случай, когда постэмбриональный детерминантный ген был идентифицирован у насекомого.

Это исследование раскрывает полный пангеном тутового шелкопряда, чтобы раскрыть информацию об искусственном отборе и экологической адаптации. Шуайшуай Тай, соавтор и старший научный сотрудник BGI Genomics, прокомментировал: «Благодаря всеобъемлющей выборке и набору данных в сочетании с различными экспериментами по идентификации генов для будущих потенциальных исследований мы надеемся ускорить процесс разведения молекулярного дизайна тутового шелкопряда».