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家蚕是重要的经济昆虫。最近,家蚕基因组精细图的完成,极大促进了家蚕分子生物学和遗传学的研究。家蚕有至少5000年的人工驯养历史,一些重要生物学性状发生了很大变化。尽管有关家蚕驯化历史的研究有不少报道,但在基因层面,我们还不清楚是哪些基因的变化引起了这些生物学性状的改变。因此构建蚕遗传变异图谱对理解这些性状的变化具有重要的作用。同时,蚕类遗传变异图谱对其重要的基因功能的研究将提供非常宝贵的数据基础。这里,我们对41个蚕进行了全基因组重测序,其中1个日本野蚕仅用于线粒体基因组分析,另外40个蚕包括:29个家蚕和11个中国野蚕。通过大规模的重测序,鉴定了很多基因组多态性,并利用这些信息进行了群体遗传学研究:主要包括群体结构分析、群体历史追溯和家蚕中选择信号的鉴定等。获得的主要研究结果如下:
1.蚕类核基因组高精度遗传变异图谱的构建
我们对29个家蚕和11个野蚕品系进行了全基因组的重测序,通过与家蚕基因组精细图比对构建了蚕类遗传变异图谱。我们共获得632.5亿碱基(63.25Gb),测宁深度高达118层,比对结果显示覆盖了99.8％的家蚕基因组区域;平均每个蚕品系测序深度达到3层,基因组和基因区覆盖度分别为82.5％和93％。这一遗传变异图谱包含了大约16,000,000个SNP位点、311,000个indel位点和35,000个结构变异区域,家蚕不同品系以及野桑蚕不同系统之间的SNP突变率分别是1.08％和1.3％。这些基因组变异很可能直接导致了不同家蚕和野桑蚕系统表型的多样性。高密度的多态性位点为家蚕的功能基因组研究提供了新的思路,下一步我们可以利用定位克隆技术大规模的筛选功能基因。同时,蚕类遗传变异图谱也是全球范围内多细胞真核生物大规模重测序研究所取得的首次成功。
2.蚕类群体结构分析
家蚕如何起源是一个长期的科学研究题目,但由于先前生物化学和分子生物学技术的局限,目前为止尚缺乏可靠的家蚕起源学说。我们利用40个家蚕和中国野桑蚕品系大规模重测序所获得的SNP数据,结合系统进化树、主成分分析和群体结构等系统分析表明:家蚕由中国野桑蚕驯化而来,驯化过程有且仅有一次。除此之外,在全基因组水平上比较家蚕和野蚕的差异还发现:以往在研究中比较侧重的化性并不能完全反映家蚕的起源驯化特征,而应该综合气候条件等因素对家蚕进行分类。利用溯祖模型进行模拟,我们还发现家蚕的有效群体大小仅为野蚕有效群体大小的10％,且分析也表明没有群体扩张的迹象。这就表明了家蚕一直保持着一个稳定的有效群体大小,与野蚕的基因交流很少。我们认为,上述结论是家蚕起源研究中的一个重要进展,对家蚕人工驯化和起源研究具有重要价值。
3.家蚕中选择信号的鉴定及分析
长期的驯化选择使家蚕的性状发生了显著的变化,比如对高密度饲养的耐受性,蚕茧产量大幅度提高,生长变快,蚕蛾也基本丧失飞行能力等等。我们通过比较SNP在家蚕和野蚕群体中的分布以及频率变化情况,共得到了1041个因驯化而受到选择压力的基因组区域,共占了2.9％的基因组区域。在这些区域中,我们找到了354个蛋白编码基因,这些基因是受驯化和人工选择的候选靶标。它们中很大一部分在丝腺、中肠和精巢中富集表达,主要参与了蚕的丝蛋白合成、能量代谢、生殖和飞行能力等的调控;这也就与性状的改变相联系起来,为家蚕功能基因组研究提供了宝贵的信息。同时,这些基因的鉴定无疑为研究家蚕重要生物学性状形成的机理和分子机制提供了强有力的支撑。
4.蚕线粒体基因组的特性研究
把41个蚕的全基因组重测序数据比对到线粒体基因组上,我们共鉴定了347个SNP位点。通过多态性水平的比较我们发现:中国野蚕、日本野蚕和家蚕的多态性水平依次降低。这就提示了中国野蚕具有最大的有效群体大小,而家蚕经历驯化过程,其有效群体大小小于中国野蚕。又因为日本野蚕相对有限的地理分布,其有效群体大小介于家蚕与中国野蚕之间。这也与核基因组观测到的情况类似。但是与哺乳动物显著不同的是,昆虫的线粒体基因组多态性水平明显低于核基因组的多态性水平,这很可能与昆虫的核基因组连锁不平衡衰减速度较快有关,而蚕线粒体基因组历史上也没有重组事件发生。这是我们第一次大规模的分析蚕类线粒体基因组,并获得了蚕线粒体基因组突变率较低这一特性,同时也是与哺乳动物基因组明显不同的地方。暗示了核基因组与线粒体基因组不同的进化模式。
5.蚕线粒体进化分析
在上一章中,通过41个蚕线粒体基因组的比对分析,我们得到了线粒体基因组SNP数据。利用这些数据,我们构建了蚕类线粒体系统发育树。利用柞蚕和樟蚕作为外群,我们可以清晰的看出家蚕是中国野蚕驯化而来的,并且这两类蚕在超过5000年的进化进程中有效群体均未发生明显的变化,说明家蚕与野蚕的基因交流非常少。与核基因组分析类似的,通过比较各群体间的同义替换与非同义替换差异,我们鉴定了一个很可能与家蚕产丝量高有关的细胞色素b基因,此基因是呼吸链的重要组成部分,参与能量的代谢。这一部分的结论与核基因组比较分析得到的结论遥相呼应,印证了蚕有效群体的恒定性,驯化过程促使了一系列基因的改变来满足人类的需求。
最后,我们有理由认为,核基因组与线粒体基因组多态性数据为我们研究蚕类生物学性状打下了坚实的基础,破解基因的功能则是我们下一步的研究目标。