蠶類基因組與線料體組高精度遺傳變異圖譜的構建及其研究.pdf

1、家蠶是重要的經(jīng)濟昆蟲。最近,家蠶基因組精細圖的完成,極大促進了家蠶分子生物學和遺傳學的研究。家蠶有至少5000年的人工馴養(yǎng)歷史,一些重要生物學性狀發(fā)生了很大變化。盡管有關家蠶馴化歷史的研究有不少報道,但在基因層面,我們還不清楚是哪些基因的變化引起了這些生物學性狀的改變。因此構建蠶遺傳變異圖譜對理解這些性狀的變化具有重要的作用。同時,蠶類遺傳變異圖譜對其重要的基因功能的研究將提供非常寶貴的數(shù)據(jù)基礎。這里,我們對41個蠶進行了全基因組重測序

2、,其中1個日本野蠶僅用于線粒體基因組分析,另外40個蠶包括:29個家蠶和11個中國野蠶。通過大規(guī)模的重測序,鑒定了很多基因組多態(tài)性,并利用這些信息進行了群體遺傳學研究:主要包括群體結構分析、群體歷史追溯和家蠶中選擇信號的鑒定等。獲得的主要研究結果如下:
　　 1.蠶類核基因組高精度遺傳變異圖譜的構建
　　 我們對29個家蠶和11個野蠶品系進行了全基因組的重測序,通過與家蠶基因組精細圖比對構建了蠶類遺傳變異圖譜。我們共獲得

3、632.5億堿基(63.25Gb),測寧深度高達118層,比對結果顯示覆蓋了99.8％的家蠶基因組區(qū)域;平均每個蠶品系測序深度達到3層,基因組和基因區(qū)覆蓋度分別為82.5％和93％。這一遺傳變異圖譜包含了大約16,000,000個SNP位點、311,000個indel位點和35,000個結構變異區(qū)域,家蠶不同品系以及野桑蠶不同系統(tǒng)之間的SNP突變率分別是1.08％和1.3％。這些基因組變異很可能直接導致了不同家蠶和野桑蠶系統(tǒng)表型的多樣性

4、。高密度的多態(tài)性位點為家蠶的功能基因組研究提供了新的思路,下一步我們可以利用定位克隆技術大規(guī)模的篩選功能基因。同時,蠶類遺傳變異圖譜也是全球范圍內(nèi)多細胞真核生物大規(guī)模重測序研究所取得的首次成功。
　　 2.蠶類群體結構分析
　　 家蠶如何起源是一個長期的科學研究題目,但由于先前生物化學和分子生物學技術的局限,目前為止尚缺乏可靠的家蠶起源學說。我們利用40個家蠶和中國野桑蠶品系大規(guī)模重測序所獲得的SNP數(shù)據(jù),結合系統(tǒng)進化樹

5、、主成分分析和群體結構等系統(tǒng)分析表明:家蠶由中國野桑蠶馴化而來,馴化過程有且僅有一次。除此之外,在全基因組水平上比較家蠶和野蠶的差異還發(fā)現(xiàn):以往在研究中比較側重的化性并不能完全反映家蠶的起源馴化特征,而應該綜合氣候條件等因素對家蠶進行分類。利用溯祖模型進行模擬,我們還發(fā)現(xiàn)家蠶的有效群體大小僅為野蠶有效群體大小的10％,且分析也表明沒有群體擴張的跡象。這就表明了家蠶一直保持著一個穩(wěn)定的有效群體大小,與野蠶的基因交流很少。我們認為,上述結論

6、是家蠶起源研究中的一個重要進展,對家蠶人工馴化和起源研究具有重要價值。
　　 3.家蠶中選擇信號的鑒定及分析
　　 長期的馴化選擇使家蠶的性狀發(fā)生了顯著的變化,比如對高密度飼養(yǎng)的耐受性,蠶繭產(chǎn)量大幅度提高,生長變快,蠶蛾也基本喪失飛行能力等等。我們通過比較SNP在家蠶和野蠶群體中的分布以及頻率變化情況,共得到了1041個因馴化而受到選擇壓力的基因組區(qū)域,共占了2.9％的基因組區(qū)域。在這些區(qū)域中,我們找到了354個蛋白編碼

7、基因,這些基因是受馴化和人工選擇的候選靶標。它們中很大一部分在絲腺、中腸和精巢中富集表達,主要參與了蠶的絲蛋白合成、能量代謝、生殖和飛行能力等的調(diào)控;這也就與性狀的改變相聯(lián)系起來,為家蠶功能基因組研究提供了寶貴的信息。同時,這些基因的鑒定無疑為研究家蠶重要生物學性狀形成的機理和分子機制提供了強有力的支撐。
　　 4.蠶線粒體基因組的特性研究
　　 把41個蠶的全基因組重測序數(shù)據(jù)比對到線粒體基因組上,我們共鑒定了347個S

8、NP位點。通過多態(tài)性水平的比較我們發(fā)現(xiàn):中國野蠶、日本野蠶和家蠶的多態(tài)性水平依次降低。這就提示了中國野蠶具有最大的有效群體大小,而家蠶經(jīng)歷馴化過程,其有效群體大小小于中國野蠶。又因為日本野蠶相對有限的地理分布,其有效群體大小介于家蠶與中國野蠶之間。這也與核基因組觀測到的情況類似。但是與哺乳動物顯著不同的是,昆蟲的線粒體基因組多態(tài)性水平明顯低于核基因組的多態(tài)性水平,這很可能與昆蟲的核基因組連鎖不平衡衰減速度較快有關,而蠶線粒體基因組歷史上

9、也沒有重組事件發(fā)生。這是我們第一次大規(guī)模的分析蠶類線粒體基因組,并獲得了蠶線粒體基因組突變率較低這一特性,同時也是與哺乳動物基因組明顯不同的地方。暗示了核基因組與線粒體基因組不同的進化模式。
　　 5.蠶線粒體進化分析
　　 在上一章中,通過41個蠶線粒體基因組的比對分析,我們得到了線粒體基因組SNP數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù),我們構建了蠶類線粒體系統(tǒng)發(fā)育樹。利用柞蠶和樟蠶作為外群,我們可以清晰的看出家蠶是中國野蠶馴化而來的,并

10、且這兩類蠶在超過5000年的進化進程中有效群體均未發(fā)生明顯的變化,說明家蠶與野蠶的基因交流非常少。與核基因組分析類似的,通過比較各群體間的同義替換與非同義替換差異,我們鑒定了一個很可能與家蠶產(chǎn)絲量高有關的細胞色素b基因,此基因是呼吸鏈的重要組成部分,參與能量的代謝。這一部分的結論與核基因組比較分析得到的結論遙相呼應,印證了蠶有效群體的恒定性,馴化過程促使了一系列基因的改變來滿足人類的需求。
　　 最后,我們有理由認為,核基因組與