Учёные создали крупнейший в мире пангеном шелкопряда для раскрытия генетических тайн тонкого шёлка

BGI Genomics в сотрудничестве с Юго-Западным университетом, Государственной ключевой лабораторией биологии генома шелкопряда и другими партнёрами создала высокоразрешающий набор данных пангенома, представляющий почти всё геномное содержание шелкопряда.

Исследование, дающее генетическое представление об искусственном отборе (одомашнивании и селекции) и экологической адаптации, было опубликовано 24 сентября в Nature Communications.

Ранее из-за малочисленности диких шелкопрядов и технических ограничений многие сайты, ассоциированные с признаками, были неизвестны. Это первое исследование, оцифровавшее генофонд шелкопряда и создавшее «цифрового шелкопряда», что значительно облегчает функциональные геномные исследования, способствует точной селекции и открывает новые варианты использования шёлка.

Команда провела глубокое повторное секвенирование 1078 шелкопрядов (B. mori, включая 205 местных штаммов, 194 улучшенных сорта, 632 генетические линии и 47 диких шелкопрядов B. mandarina) и собрала геномы с длинными чтениями для 545 образцов, получив 55.57 Тб геномных данных.

Этот набор данных пангенома содержит наиболее полную информацию о геномах домашнего и дикого шелкопряда и является крупнейшим в мире пангеномом с длинными чтениями для растений и животных на сегодняшний день. Также были проведены углублённые исследования различных генетических вариаций, структуры популяции, искусственного отбора, экологических адаптаций и хозяйственных признаков шелкопряда, давшие плодотворные результаты.

Происхождение домашнего шелкопряда

Домашний шелкопряд B. mori был одомашнен из дикого тутового шелкопряда B. mandarina. Его история насчитывает более 5000 лет, но место одомашнивания долго оставалось открытым вопросом из-за отсутствия убедительных биологических доказательств.

Материал в этом исследовании представляет самое богатое генетическое разнообразие из всех основных регионов шелководства мира. Исследование показало, что эндемичные виды из нижнего и среднего течения реки Хуанхэ в Китае расположены у основания ветви домашнего шелкопряда на эволюционном дереве, что позволяет предположить, что домашний шелкопряд произошёл из этого региона. Имеющиеся археологические свидетельства, включая половинку кокона, раскопанную в 1926 году в деревне Сиинь, уезд Ся, провинция Шаньси, и каменную куколку шелкопряда, раскопанную в 2019 году в Шицуне того же уезда, служат важным подтверждением этого вывода.

Преодоление узкого места в селекции шелкопряда

Традиционная селекция шелкопрядов имеет долгую и уникальную историю, но с 1990-х годов застопорилась. Системный анализ генетической основы доместикации и улучшающего отбора необходим для решения нерешённых проблем в селекции. Команда идентифицировала 468 генов, ассоциированных с одомашниванием, и 198 генов, ассоциированных с улучшением, из которых 264 и 185 соответственно были выявлены впервые. Эти гены станут важными кандидатами для молекулярного улучшения шелкопряда.

Также было обнаружено, что китайские и японские хозяйственные виды имеют менее 3% общих локусов улучшения. Это не только раскрывает относительно независимые истории селекции китайского и японского шелкопряда, но и объясняет, почему эта общая генетическая основа обеспечивает такие гибридные преимущества для обоих видов. Этот результат открывает новые перспективы для будущей селекции.

Хозяйственные признаки в селекции шелкопряда

Урожайность и качество шёлка долгое время были основными экономическими критериями искусственного отбора. Однако до сих пор мало известно о том, как гены и локусы контролируют эти количественные признаки. Пангеном, возможно, является «ближайшим мостом» между фенотипами, особенно сложными признаками.

Яркий пример — регуляция производства шёлка транскрипционным фактором BmE2F1, связанным с клеточным циклом, что было выявлено через сигналы отбора и структурные вариации. Нокаут гена BmE2F1, опосредованный CRISPR-Cas9, снижает количество клеток шёлковой железы на 7.68% и выход шёлка на 22%. Напротив, трансгенная сверхэкспрессия BmE2F1 увеличивает количество клеток шёлковой железы на 23% и выход шёлка на 16%.

Тонкий шёлк имеет уникальное применение и более высокую экономическую ценность, но генетическая основа тонины волокна оставалась неизвестной. Анализ редких вариантов в геномах тонкопрядных сортов привёл к идентификации гена BmChit β-GlcNAcase, контролирующего тонину шёлка, который значительно чаще встречается в тонкопрядных сортах. CRISPR-Cas9-опосредованный нокаут этого гена приводит к более грубой тонине шёлка у домашних шелкопрядов, что указывает на ключевую роль этого гена в определении тонины.

Адаптивные признаки в селекции шелкопряда

Диапауза — распространённая экологическая адаптивная черта у насекомых, позволяющая переживать неблагоприятные условия. Хотя гормон диапаузы был впервые идентифицирован у шелкопряда в 1957 году, о гене эмбриональной диапаузы было мало информации. В этом исследовании на основе анализа штамма pnd и геномных структурных вариаций, а также функциональной валидации с помощью редактирования генов, ген BmTret1-like оказался важным детерминантом постэмбриональной остановки развития. Это первый случай идентификации гена-детерминанта постэмбриональной остановки у насекомых.

Это исследование раскрывает полный пангеном шелкопряда для понимания искусственного отбора и экологической адаптации. Шуайшуай Тай, соавтор и старший исследователь BGI Genomics, прокомментировал: «С комплексной выборкой и набором данных в сочетании с разнообразными экспериментами по идентификации генов для будущих потенциальных исследований мы надеемся ускорить процесс молекулярной селекции шелкопряда по дизайну».