BGI Genomics, i samarbete med Southwest University, State Key Laboratory of Silkworm Genome Biology och andra partners, har konstruerat en högupplöst pangenomdatauppsättning som representerar nästan hela genominnehållet i en silkesmask.

Den här forskningsartikeln, som ger genetiska insikter om artificiellt urval (domesticering och avel) och ekologisk anpassning, publicerades den 24 september i Nature Communications .

Tidigare, på grund av bristen på vilda silkesmaskar och tekniska begränsningar i tidigare studier, saknades många egenskaper associerade platser. Detta är den första forskningen någonsin att digitalisera genpoolen för silkesmaskar och skapa en "digital silkesmask", vilket i hög grad underlättar funktionell genomforskning, främjar exakt avel och därmed möjliggör ytterligare användningsfall för silke.

Teamet sekvenserar djupt 1 078 silkesmaskar (B. mori, inklusive 205 lokala stammar, 194 förbättrade sorter och 632 genetiska stammar och 47 vilda silkesmaskar, B. mandarina) och sätter ihop långlästa genomer på 545 av dessa prover, vilket genererar 55,57 T-genom. av genomiska data.

Denna pangenomdatauppsättning innehåller den mest omfattande informationen om genomen av tama och vilda silkesmaskar, och är det hittills största långlästa pangenomet i världen för växter och djur. Samtidigt har djupgående studier av olika genetiska variationer, populationsstruktur, artificiellt urval och ekologiska anpassningar och ekonomiska egenskaper hos silkesmask genomförts, vilket gett fruktbara resultat.

Ursprunget till den inhemska silkesmasken

Den tama silkesmasken, B. mori, domesticerad från den vilda mullbärssilkesmasken, B. mandarina. Den har en historia på över 5 000 år, men dess domesticeringsort har länge varit en öppen fråga, på grund av brist på starka biologiska bevis.

Materialet i denna studie representerar den rikaste genetiska mångfalden från alla större serikulturregioner i världen. Studien fann att endemiska arter från Kinas nedre och mellersta Yellow River-regionen finns vid basen av den inhemska silkesmasken på det evolutionära trädet, vilket tyder på att den inhemska silkesmasken har sitt ursprung i denna region. De tillgängliga arkeologiska bevisen, inklusive en halv kokong som grävdes ut 1926 i Xiyin Village, Xia County, Shanxi-provinsen, och en stenhuggen silkesmaskspuppa som grävdes ut 2019 i Shicun i samma län, ger viktigt stöd för denna slutsats.

Att bryta flaskhalsen i silkesmaskuppfödning

Den traditionella uppfödningen av silkesmaskar har en lång och unik historia, men har sedan 1990-talet varit fast i en flaskhals. Systematisk analys av den genetiska grunden för domesticering och förbättringsurval är avgörande för att lösa de olösta problemen inom silkesmaskuppfödning. Teamet har identifierat 468 domesticeringsassocierade gener och 198 förbättringsassocierade gener, varav 264 respektive 185 är nyligen identifierade. Dessa gener kommer att vara viktiga kandidatmål för molekylär förbättring av silkesmask.

Samtidigt upptäcktes att de kinesiska och japanska nyttoarterna delar mindre än 3 % av förbättringsställena. Detta avslöjar inte bara den relativt oberoende avelshistorien för kinesiska och japanska silkesmaskar, utan förklarar också varför denna delade genetiska grund ger sådana hybridfördelar för båda arterna. Detta resultat kastar nya insikter för framtida uppfödning av silkesmasken.

Ekonomiska egenskaper hos silkesmaskuppfödning

Utbyte och kvalitet på siden har länge varit mål som de viktigaste ekonomiska kriterierna för artificiellt urval av silkesmask. Men fram till detta datum är lite känt om hur gener och loci styr dessa kvantitativa egenskaper. Pangenomet är utan tvekan den "närmaste bron" mellan fenotyper, särskilt komplexa egenskaper.

Ett exempel på detta är regleringen av silkesproduktion av den cellcykelrelaterade transkriptionsfaktorn BmE2F1, som avslöjades genom selektionssignalering och strukturell variation. CRISPR-cas9-medierad knockout av BmE2F1 minskar antalet silkeskörtelceller med 7,68 % och silkesutbytet med 22 %. Omvänt ökar det transgena överuttrycket av BmE2F1 antalet silkeskörtelceller med 23 % och silkesutbytet med 16 %.

Fint silke har unika tillämpningar och högre ekonomiskt värde, men den genetiska grunden för fiberfinhet förblev tidigare okänd. Analys av sällsynta varianter i genomet av smala sorter ledde till identifieringen av BmChit β-GlcNAcase, en gen som kontrollerar silkesfinheten som avsevärt kan detekteras i fina sorter, och CRISPR-cas9-medierad knockout, vilket resulterade i grövre silkesfinhet producerad av inhemska silkesmaskar . Detta tyder på att denna gen spelar en nyckelroll för att bestämma silkesfinhet.

Adaptiva egenskaper hos silkesmaskuppfödning

Diapause är en vanlig ekologisk adaptiv egenskap hos insekter som säkerställer att insekter kan överleva trots ogynnsamma miljöförhållanden. Även om diapaushormonet först identifierades i silkesmasken 1957, finns lite information tillgänglig om den embryonala dipausegenen. I denna studie, baserat på analysen av pnd-stammen och genomisk strukturell variation i silkesmasken, och funktionell validering genom genredigering, visade den BmTret1-liknande genen sig vara en viktig determinant för post-embryonal stalling. Detta är första gången som en post-embryonal determinantgen har identifierats i en insekt.

Denna studie avslöjar silkesmaskens fullständiga pan-genom för att låsa upp artificiellt urval och ekologiska anpassningsinsikter. Shuaishuai Tai, medförfattare och seniorforskare från BGI Genomics kommenterade:"Med omfattande provtagning och datauppsättning kombinerat med en mängd olika experiment för att identifiera gener för framtida potentiella studier, hoppas vi kunna påskynda processen med silkesmaskens molekylära designförädling." + Utforska vidare

Genetisk studie av silkesmask hjälper till att reda ut dess långa historia av domesticering