蠶類基因組與線料體組高精度遺傳變異圖譜的構(gòu)建及其研究.pdf

1、家蠶是重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲(chóng)。最近,家蠶基因組精細(xì)圖的完成,極大促進(jìn)了家蠶分子生物學(xué)和遺傳學(xué)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(xué)性狀發(fā)生了很大變化。盡管有關(guān)家蠶馴化歷史的研究有不少報(bào)道,但在基因?qū)用?我們還不清楚是哪些基因的變化引起了這些生物學(xué)性狀的改變。因此構(gòu)建蠶遺傳變異圖譜對(duì)理解這些性狀的變化具有重要的作用。同時(shí),蠶類遺傳變異圖譜對(duì)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(chǔ)。這里,我們對(duì)41個(gè)蠶進(jìn)行了全基因組重測(cè)序

2、,其中1個(gè)日本野蠶僅用于線粒體基因組分析,另外40個(gè)蠶包括:29個(gè)家蠶和11個(gè)中國(guó)野蠶。通過(guò)大規(guī)模的重測(cè)序,鑒定了很多基因組多態(tài)性,并利用這些信息進(jìn)行了群體遺傳學(xué)研究:主要包括群體結(jié)構(gòu)分析、群體歷史追溯和家蠶中選擇信號(hào)的鑒定等。獲得的主要研究結(jié)果如下:
　　 1.蠶類核基因組高精度遺傳變異圖譜的構(gòu)建
　　 我們對(duì)29個(gè)家蠶和11個(gè)野蠶品系進(jìn)行了全基因組的重測(cè)序,通過(guò)與家蠶基因組精細(xì)圖比對(duì)構(gòu)建了蠶類遺傳變異圖譜。我們共獲得

3、632.5億堿基(63.25Gb),測(cè)寧深度高達(dá)118層,比對(duì)結(jié)果顯示覆蓋了99.8％的家蠶基因組區(qū)域;平均每個(gè)蠶品系測(cè)序深度達(dá)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(gè)SNP位點(diǎn)、311,000個(gè)indel位點(diǎn)和35,000個(gè)結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(diǎn)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(shù)大規(guī)模的篩選功能基因。同時(shí),蠶類遺傳變異圖譜也是全球范圍內(nèi)多細(xì)胞真核生物大規(guī)模重測(cè)序研究所取得的首次成功。
　　 2.蠶類群體結(jié)構(gòu)分析
　　 家蠶如何起源是一個(gè)長(zhǎng)期的科學(xué)研究題目,但由于先前生物化學(xué)和分子生物學(xué)技術(shù)的局限,目前為止尚缺乏可靠的家蠶起源學(xué)說(shuō)。我們利用40個(gè)家蠶和中國(guó)野桑蠶品系大規(guī)模重測(cè)序所獲得的SNP數(shù)據(jù),結(jié)合系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)

5、、主成分分析和群體結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)分析表明:家蠶由中國(guó)野桑蠶馴化而來(lái),馴化過(guò)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(cè)重的化性并不能完全反映家蠶的起源馴化特征,而應(yīng)該綜合氣候條件等因素對(duì)家蠶進(jìn)行分類。利用溯祖模型進(jìn)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(méi)有群體擴(kuò)張的跡象。這就表明了家蠶一直保持著一個(gè)穩(wěn)定的有效群體大小,與野蠶的基因交流很少。我們認(rèn)為,上述結(jié)論

6、是家蠶起源研究中的一個(gè)重要進(jìn)展,對(duì)家蠶人工馴化和起源研究具有重要價(jià)值。
　　 3.家蠶中選擇信號(hào)的鑒定及分析
　　 長(zhǎng)期的馴化選擇使家蠶的性狀發(fā)生了顯著的變化,比如對(duì)高密度飼養(yǎng)的耐受性,蠶繭產(chǎn)量大幅度提高,生長(zhǎng)變快,蠶蛾也基本喪失飛行能力等等。我們通過(guò)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(gè)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(gè)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(biāo)。它們中很大一部分在絲腺、中腸和精巢中富集表達(dá),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(lái),為家蠶功能基因組研究提供了寶貴的信息。同時(shí),這些基因的鑒定無(wú)疑為研究家蠶重要生物學(xué)性狀形成的機(jī)理和分子機(jī)制提供了強(qiáng)有力的支撐。
　　 4.蠶線粒體基因組的特性研究
　　 把41個(gè)蠶的全基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)比對(duì)到線粒體基因組上,我們共鑒定了347個(gè)S

8、NP位點(diǎn)。通過(guò)多態(tài)性水平的比較我們發(fā)現(xiàn):中國(guó)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(guó)野蠶具有最大的有效群體大小,而家蠶經(jīng)歷馴化過(guò)程,其有效群體大小小于中國(guó)野蠶。又因?yàn)槿毡疽靶Q相對(duì)有限的地理分布,其有效群體大小介于家蠶與中國(guó)野蠶之間。這也與核基因組觀測(cè)到的情況類似。但是與哺乳動(dòng)物顯著不同的是,昆蟲(chóng)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(chóng)的核基因組連鎖不平衡衰減速度較快有關(guān),而蠶線粒體基因組歷史上

9、也沒(méi)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(shí)也是與哺乳動(dòng)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(jìn)化模式。
　　 5.蠶線粒體進(jìn)化分析
　　 在上一章中,通過(guò)41個(gè)蠶線粒體基因組的比對(duì)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(gòu)建了蠶類線粒體系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。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(guó)野蠶馴化而來(lái)的,并

10、且這兩類蠶在超過(guò)5000年的進(jìn)化進(jìn)程中有效群體均未發(fā)生明顯的變化,說(shuō)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(guò)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(gè)很可能與家蠶產(chǎn)絲量高有關(guān)的細(xì)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(jié)論與核基因組比較分析得到的結(jié)論遙相呼應(yīng),印證了蠶有效群體的恒定性,馴化過(guò)程促使了一系列基因的改變來(lái)滿足人類的需求。
　　 最后,我們有理由認(rèn)為,核基因組與