BGI Genomics heeft in samenwerking met Southwest University, het State Key Laboratory of Silkworm Genome Biology en andere partners een pangenome-dataset met hoge resolutie geconstrueerd die bijna de volledige genomische inhoud in een zijderups vertegenwoordigt.

Dit onderzoeksartikel, dat genetische inzichten biedt in kunstmatige selectie (domesticatie en fokken) en ecologische aanpassing, werd op 24 september gepubliceerd in Nature Communications .

Vanwege de schaarste aan wilde zijderupsen en technische beperkingen van eerdere studies, ontbraken voorheen veel met eigenschappen geassocieerde sites. Dit is het eerste onderzoek dat ooit de genenpool van zijderupsen heeft gedigitaliseerd en een "digitale zijderups" heeft gecreëerd, waardoor functioneel genomisch onderzoek aanzienlijk wordt vergemakkelijkt, nauwkeurige veredeling wordt bevorderd en zo aanvullende toepassingen van zijde mogelijk worden gemaakt.

Het team re-sequent 1078 zijderupsen (B. mori, waaronder 205 lokale stammen, 194 verbeterde variëteiten en 632 genetische voorraden en 47 wilde zijderupsen, B. mandarina) en assembleerde langgelezen genomen op 545 van deze monsters, waarbij 55,57 T werd gegenereerd. van genomische gegevens.

Deze pangenome-dataset bevat de meest uitgebreide informatie over het genoom van gedomesticeerde en wilde zijderupsen, en is het grootste langgelezen pangenoom ter wereld voor planten en dieren tot nu toe. Tegelijkertijd zijn er diepgaande onderzoeken uitgevoerd naar verschillende genetische variatie, populatiestructuur, kunstmatige selectie en ecologische aanpassingen en economische eigenschappen van zijderups, met vruchtbare resultaten.

De oorsprong van de binnenlandse zijderups

De binnenlandse zijderups, B. mori, gedomesticeerd van de wilde moerbei-zijderups, B. mandarina. Het heeft een geschiedenis van meer dan 5.000 jaar, maar de locatie van de domesticatie-oorsprong is lang een open vraag geweest vanwege een gebrek aan sterk biologisch bewijs.

Het materiaal in deze studie vertegenwoordigt de rijkste genetische diversiteit van alle belangrijke zijdecultuurregio's van de wereld. De studie wees uit dat endemische soorten uit de lagere en middelste regio van de Gele Rivier in China worden verspreid aan de basis van de zijderupstak van de evolutionaire boom, wat suggereert dat de binnenlandse zijderups in deze regio is ontstaan. Het beschikbare archeologische bewijs, waaronder een halve cocon opgegraven in 1926 in Xiyin Village, Xia County, provincie Shanxi, en een in steen uitgehouwen pop van zijderupsen opgegraven in 2019 in Shicun in dezelfde provincie, bieden belangrijke ondersteuning voor deze conclusie.

Het knelpunt in de zijderupsenkweek doorbreken

De traditionele kweek van zijderupsen kent een lange en unieke geschiedenis, maar bleef sinds de jaren negentig in een knelpunt steken. Systematische analyse van de genetische basis van domesticatie en verbeteringsselectie is essentieel om de onopgeloste problemen in de zijderupsveredeling op te lossen. Het team heeft 468 met domesticatie geassocieerde genen en 198 met verbetering geassocieerde genen geïdentificeerd, waarvan respectievelijk 264 en 185 nieuw zijn geïdentificeerd. Deze genen zullen belangrijke kandidaat-targets zijn voor de moleculaire verbetering van zijderupsen.

Tegelijkertijd werd ontdekt dat de Chinese en Japanse gebruikssoorten minder dan 3% van de verbeteringsloci delen. Dit onthult niet alleen de relatief onafhankelijke kweekgeschiedenis van Chinese en Japanse zijderupsen, maar verklaart ook waarom deze gedeelde genetische basis zulke hybride voordelen biedt voor beide soorten. Dit resultaat werpt nieuwe inzichten op voor de toekomstige veredeling van de zijderups.

Economische kenmerken van het fokken van zijderupsen

Opbrengst en kwaliteit van zijde zijn al lang de belangrijkste economische criteria voor kunstmatige selectie van zijderupsen. Tot op heden is er echter weinig bekend over hoe genen en loci deze kwantitatieve eigenschappen controleren. Het pangenoom is misschien wel de 'dichtstbijzijnde brug' tussen fenotypen, vooral complexe eigenschappen.

Een voorbeeld hiervan is de regulatie van zijdeproductie door de celcyclusgerelateerde transcriptiefactor BmE2F1, die werd onthuld door selectiesignalering en structurele variatie. Door CRISPR-cas9 gemedieerde knock-out van BmE2F1 vermindert het aantal zijdekliercellen met 7,68% en de zijdeopbrengst met 22%. Omgekeerd verhoogt de transgene overexpressie van BmE2F1 het aantal zijdekliercellen met 23% en de zijdeopbrengst met 16%.

Fijne zijde heeft unieke toepassingen en een hogere economische waarde, maar de genetische basis van vezelfijnheid bleef voorheen onbekend. Analyse van zeldzame varianten in het genoom van slanke variëteiten leidde tot de identificatie van BmChit β-GlcNAcase, een gen dat de fijnheid van de zijde controleert en aanzienlijk kan worden gedetecteerd in fijne variëteiten, en door CRISPR-cas9 gemedieerde knock-out, wat resulteert in een grovere zijdefijnheid geproduceerd door binnenlandse zijderupsen . Dit suggereert dat dit gen een sleutelrol speelt bij het bepalen van de fijnheid van zijde.

Adaptieve eigenschappen van het fokken van zijderupsen

Diapauze is een veel voorkomende ecologische adaptieve eigenschap bij insecten die ervoor zorgt dat insecten kunnen overleven ondanks ongunstige omgevingscondities. Hoewel het diapauze-hormoon voor het eerst werd geïdentificeerd in de zijderups in 1957, is er weinig informatie beschikbaar over het embryonale dipauze-gen. In deze studie, gebaseerd op de analyse van de pnd-stam en genomische structurele variatie in de zijderups, en functionele validatie door genbewerking, bleek het BmTret1-achtige gen een belangrijke determinant te zijn van post-embryonale stalling. Dit is de eerste keer dat een post-embryonale determinant gen is geïdentificeerd in een insect.

Deze studie onthult het volledige pan-genoom van de zijderups om inzichten in kunstmatige selectie en ecologische aanpassing te ontsluiten. Shuaishuai Tai, co-auteur en senior onderzoeker van BGI Genomics:"Met uitgebreide bemonstering en dataset gecombineerd met een verscheidenheid aan experimenten om genen te identificeren voor toekomstig potentieel onderzoek, hopen we het proces van het kweken van moleculair ontwerp van zijderupsen te versnellen." + Verder verkennen

Genetische studie van zijderups helpt bij het ontrafelen van de lange geschiedenis van domesticatie