Секвенирован крупнейший в мире пангеном, позволяющий раскрыть генетические тайны более тонкого шёлка

Учёные компании BGI Genomics (крупнейшего мирового поставщика услуг геномного секвенирования и протеомных услуг) в сотрудничестве с Государственной ключевой лабораторией биологии генома тутового шелкопряда Юго-Западного университет (Чунцин, Китай) и другими партнерами создали набор данных пангенома с высоким разрешением, представляющий почти всё геномное содержимое тутового шелкопряда.

Раньше из-за нехватки диких тутовых шелкопрядов и технических ограничений прежних исследований многие генетические участки, связанные с признаками толщины нити, отсутствовали.

Это первое исследование, когда-либо оцифровавшее генофонд тутового шелкопряда и создавшее «цифрового шелкопряда», что значительно облегчило функциональные геномные исследования, способствуя будущему точному разведению и, таким образом, открытию дополнительных возможностей для использования шёлка.

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, сгенерировав 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 для растений и животных. В то же время были проведены углубленные исследования различных генетических вариаций, структуры популяции, искусственного отбора и экологической адаптации, а также экономических характеристик шелкопряда, что дало плодотворные результаты.

Происхождение домашнего шелкопряда

Домашний шелкопряд B. mori одомашнен от дикого тутового шелкопряда B. mandarina. Его история насчитывает более 5000 лет, но вопрос о его происхождении долгое время оставался открытым из-за отсутствия убедительных биологических доказательств.

Материал в этом исследовании представляет богатейшее генетическое разнообразие из всех основных регионов шелководства мира. Исследование показало, что эндемичные виды из нижнего и среднего китайского региона Желтой реки распространены у основания ветви домашнего шелкопряда на эволюционном дереве, что позволяет предположить, что домашний шелкопряд возник в этом регионе. Имеющиеся археологические свидетельства, в том числе половинка кокона, найденная в 1926 году в деревне Сийин, уезд Ся, провинция Шаньси, и вырезанная из камня куколка шелкопряда, найденная в 2019 году в Шикуне в том же уезде, являются важными основаниями для такого вывода.

Преодоление узкого места в разведении шелкопряда

Разведение шелкопрядов имеет долгую и уникальную историю, но с 1990-х годов по-прежнему остается узким местом. Систематический анализ генетической основы одомашнивания и селекции на улучшение имеет важное значение для решения проблем в разведении шелкопряда. Команда идентифицировала 468 генов, связанных с одомашниванием, и 198 генов, связанных с улучшением, из которых, соответственно, 264 и 185 идентифицированы недавно. Эти гены будут важными кандидатами-мишенями для молекулярного улучшения шелкопряда.

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

Экономические особенности разведения шелкопряда

Урожайность и качество шелка уже давно являются основными экономическими критериями для искусственного отбора тутового шелкопряда. Однако до настоящего времени мало что известно о том, как гены и локусы контролируют эти количественные признаки. Пангеном, возможно, является "ближайшим мостом" между фенотипами, особенно сложными признаками.

Показательным примером является регуляция выработки шелка фактором транскрипции BmE2F1, связанным с клеточным циклом, который был выявлен посредством передачи сигналов отбора и структурных изменений. Опосредованный CRISPR-cas9 нокаут BmE2F1 уменьшает 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 ?-GlcNAcase, гена, контролирующего тонкость шелка, который в значительной степени может быть обнаружен у тонких сортов, и CRISPR-cas9-, что приводящего к более грубой тонкости шелка, получаемого домашними шелкопрядами. Это говорит о том, что этот ген играет ключевую роль в определении тонкости шелка.

Адаптивные особенности разведения шелкопряда

Диапауза - распространенная экологическая адаптивная черта у насекомых, которая гарантирует, что насекомые могут выжить, несмотря на неблагоприятные условия окружающей среды. Хотя гормон диапаузы был впервые идентифицирован у шелкопряда в 1957 году, существовало мало мало информации о гене эмбриональной дипаузы. В этом исследовании, основанном на анализе штамма pnd и структурных вариаций генома у шелкопряда, а также функциональной валидации путем редактирования генов, BmTret1-подобный ген показал себя важным фактором, определяющим постэмбриональную остановку. Это первый случай, когда у насекомого был идентифицирован постэмбриональный детерминантный ген.

Данное исследование, раскрывшее полный пангеном шелкопряда, позволит реализовать идеи искусственного отбора и экологической адаптации. Шуайшуай Тай, соавтор и старший научный сотрудник BGI Genomics, прокомментировал: “Благодаря всестороннему отбору проб и набору данных в сочетании с различными экспериментами по выявлению генов для будущего потенциального изучения, мы надеемся ускорить процесс селекции шелкопряда молекулярным дизайном”.

Результаты исследований опубликованы в Nature Communications.

Источники:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33366-x

https://www.eurekalert.org/multimedia/960018

Источник: www.eurekalert.org

Комментарии: