家蚕泛基因组研究成果及影响

泛基因组是动植物基因组研究的前沿,其特点是全面揭示物种的基因组多样性及其演化特征,包括前期技术不能很好识别的大片段结构变异等。泛基因组研究为系统解析表型多样性的形成和现代育种提供最全面的基因组信息,意义重大。2022年,本研究团队在世界上率先完成了家蚕泛基因组构建,一次性完成545个样本的三代长读长测序和1 078个样本的深度二代测序,取得一系列重要新发现。家蚕泛基因组为规模化高效解析家蚕重要性状遗传基础和有效开展分子育种奠定了坚实基础,推动蚕学研究进入新的历史阶段,进一步巩固了我国在本领域的引领地位,对蚕业科学的发展具有深远影响。近2年来,在泛基因组的有力支撑下,我们在家蚕的多组学数据库构建、W染色体完整序列解析、重要性状遗传基础解析等方面取得多项突破性进展,并大力推动泛基因组在基因组选择、分子设计育种等方面的应用。在家蚕泛基因组论文发表2周年之际,特撰文对该计划的研究成果、影响和相关后续工作进行了梳理及展望。

家蚕分子遗传操作技术研究进展

家蚕的分子遗传操作是鉴定基因功能、开展分子育种和种质材料创新等研究的重要平台技术,对于推动家蚕实验动物模式化,推进蚕业科学深度融入生命科学和促进传统蚕丝业高质量发展具有重要支撑作用。近年来,家蚕分子遗传操作技术取得了显著进展,包括转基因技术、基因组靶向编辑技术、时空特异性表达技术及其他辅助分子遗传操作技术均得到了广泛地应用,使得家蚕在农业、纺织业以及医学与材料科学等学科领域的基础和应用研究取得了一系列重要成果。本文综述了家蚕分子遗传操作技术的建立、发展现状和面临的问题,旨在为家蚕分子遗传操作技术在现代分子育种及生物材料开发等研究中的应用提供参考和指导。

家蚕及鳞翅目W染色体基因组及其起源

家蚕作为重要经济昆虫,基因组学研究已取得了一系列重要成果,最近家蚕W染色体基因组研究也获得了突破。昆虫中W染色体为鳞翅目特有,其起源长期是进化生物学研究的热点问题,随着近年基因组学研究的高速发展,关于鳞翅目W染色体起源问题也有了较为明晰的认识。本文重点介绍家蚕W染色体的研究历程和具体特征,并详细描述鳞翅目W染色体起源的研究进展,以期为家蚕性别调控和基于W染色体的分子育种研究,以及其他物种性染色体起源研究提供理论参考。

家蚕驯化起源研究概述

家蚕(Bombyx mori)的驯化是农业史上的重大事件之一,由之形成的养蚕业对中华文明和世界农业历史产生了深远的影响。关于家蚕的驯化起源,除了远古的神话传说外,研究人员从历史学、考古学和生物学角度进行了溯源,尤其是近20年获得了大量的分子生物学证据。本文对家蚕驯化起源的2个核心科学问题——野生祖先来源和起源地(驯化事件发生地)的相关生物学研究进展进行概述。分子生物学和基因组学证据表明,家蚕的野生祖先是中国野桑蚕(Chinese Bombyx mandarina),而不是日本野桑蚕(Japanese B.mandarina),所有的家蚕品种都来自于一个起源中心。最新的泛基因组分析结果表明,家蚕的驯化起源于黄河中下游地区。

家蚕茧丝数量性状的分子遗传基础研究进展

家蚕品种选育的目标经济性状多属于典型的数量性状,其遗传基础研究是家蚕育种发展的重要基础。由于茧丝产量与品质直接关系到养蚕业和丝绸工业的效益,故近百年来茧质相关性状是家蚕数量遗传研究的重点。21世纪以来,随着基因组学的发展和功能基因研究体系的日臻完善,家蚕数量性状遗传研究进入一个新的阶段。近年来,家蚕茧丝产量和茧丝纤度主效基因的鉴定先后获突破,家蚕泛基因组计划研究成果为该领域的发展奠定了更加坚实的基础。本文着重对家蚕茧丝数量性状的分子遗传基础研究最新进展进行综述,以期为针对家蚕茧丝性状的分子改良提供参考。

蚕丝基柔性压力传感器的制备及其性能研究

蚕丝具有优异的生物相容性、可降解性和易加工性等,是应用于柔性电子领域的理想柔性基底材料。本文通过气液界面聚合法,在蚕丝织物、平板丝和静电纺丝素膜三种蚕丝材料表面实现聚苯胺的原位生长,成功制备出以聚苯胺为活性导电介质的柔性基材,并将其组装成柔性压阻式压力传感器,这为开发高性能、安全可靠和轻质便携的可穿戴电子产品提供新的方法和途径。结果表明:三种蚕丝基柔性压力传感器中,蚕丝织物聚苯胺传感器具有最大的压力检测范围(16.27~504.79 kPa),拉伸变形可达20%,灵敏度仅为0.00129 kPa^(-1);静电纺丝素膜聚苯胺传感器灵敏度最高(0.01376 kPa^(-1)),但拉伸变形能力差,仅可拉伸2.3%;平板丝聚苯胺传感器压力检测灵敏度略高于蚕丝织物聚苯胺传感器,达到0.00134 kPa^(-1),线性检测范围为9.8~87.6 kPa。本文研究开发的蚕丝基柔性压力传感器在运动检测领域具有较好的应用前景。

基于家蚕平板丝结构的柔性压力传感器制备及其传感性能

为获得基于天然平板丝结构的柔性压力传感器,以家蚕平板丝为柔性基底,在家蚕吐丝过程中循环喷洒过渡金属碳化物/氮化物和银纳米线作为导电材料,制备出具有天然多层结构的导电传感层复合材料。借助扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱仪对制备的平板丝传感层进行形貌观察和结构分析,并通过优化传感层的层数开发出性能更优异的传感器。结果表明:具有2层传感层的传感器的灵敏度最高,在42.03~60.00 kPa的高压范围内灵敏度可达0.20 kPa^(-1),比仅有1层传感层的传感器灵敏度提高了20倍;该传感器响应/恢复时间均在1 s以内,且在施加不同压缩速率时仍能保持电流值稳定,可准确响应动态变化的压力,在超过1500次压力加载/卸载循环后传感性能依旧保持稳定;该传感器可很好地贴附到人体关节表面用于监测人体运动状态,通过按压时间长短来模拟摩斯密码,可用于信息加密传输和困境救援;将传感器制成传感阵列,可应用于压力位置轨迹追踪。

家蚕泛基因组及多组学数据库SilkMeta

家蚕是重要的经济昆虫,也是研究鳞翅目的模式物种。本团队2022年公布的家蚕泛基因组数据集是育种和规模化高效解析家蚕基因型-表型关系的重要组学信息资源。本文介绍了以该数据集为主体,整合其他多组学数据构建而成的一个家蚕泛基因组和多组学数据库——SilkMeta(http://silkmeta.org.cn)。该数据库主要包括546个高质量基因组、1 082个样本的超过5 000万个基因组变异(SNP、InDel、SV)、1 168个转录组、非编码RNA、全长转录本、人工选择信号、遗传连锁图谱、群体结构、表型及常用生物信息分析工具等,为开展家蚕功能基因组学研究提供了一个可交互式访问、用户友好的组学数据共享分析平台。该平台在家蚕种质资源遗传评价、性状基因解析、精准分子改良和基因组选择育种及昆虫发育、适应性进化等研究方面将发挥重要的支撑作用。

家蚕突变基因的分子解析研究进展

家蚕属于完全驯化的昆虫,不仅是有超过5 000年养殖历史的重要经济动物,而且是遗传学等领域研究的优良材料。突变体是遗传研究的重要资源,在揭示遗传规律、基因功能、代谢通路、调控网络、分子机制等方面具有重要作用。家蚕突变类型丰富,已有超过600个孟德尔突变被描述。至今,已在分子水平鉴定了90余个突变基因,主要涉及卵色、体色、斑纹、体形、附肢、茧色及有关生理变异等。这些研究不乏具有独特而重要的科学发现,为蚕学、昆虫学及生命科学的发展作出了积极贡献。本文综述了家蚕突变基因的分子解析研究进展,以飨读者。

蚕丝基葡萄糖传感器研究进展

葡萄糖传感器是糖尿病人监控血糖浓度的必备工具。基于柔性基底开发可用于实时监测的柔性葡萄糖传感器是近年来研究的热点,也是未来应用发展的重要方向。蚕丝具有优异的力学性能、生物相容性及生物可降解性,以蚕丝及蚕丝蛋白与导电活性物质复合开发的柔性葡萄糖传感器展现出优异的传感性能及出色的长期稳定性。本文通过对基于丝蛋白、丝纤维、蚕丝织物开发的蚕丝基葡萄糖传感器的研究进展进行综述,对比所开发的蚕丝基葡萄糖传感器的传感性能,分析其特点及作用机制,并展望蚕丝基葡萄糖传感器在柔性可穿戴传感器领域的发展前景。

改版话语

新版《蚕学通讯》正式发刊了。这是蚕学界的一大喜讯,我作为长期工作在蚕桑一线的老人也倍感欣慰。回顾当年,在改革开放的大潮中,先师蒋同庆教授奔波劳碌,于1982年创刊发行《蚕学通讯》季刊,在促进我国蚕业的国际交流合作,尤其在专业人才培养、推进产业发展中发挥了重要作用。当今乃百年不遇的大变局时代,科学技术突飞猛进,新兴产业群星璀璨,蚕业科学和蚕桑产业也紧跟历史步伐,奋进在光辉的丝绸之路上。

多学科交叉融合“蚕桑+”创新人才培养模式探索

基于多学科交叉融合的创新型人才培养是当前我国高等教育教学改革的重要发展方向。现代蚕桑产业链贯穿种植、养殖、加工及贸易,涵盖多个领域,涉及多个学科,其可持续、多元化的发展离不开多个学科的交叉融合和协同创新。本文结合西南大学的学科资源优势,积极探索提出“蚕桑+生物”“蚕桑+农学”“蚕桑+食品”“蚕桑+医学”“蚕桑+纺织”等多学科融合的“蚕桑+”创新型人才培养思路和改革实施方案,为构建多学科交叉融合的“蚕桑+”创新型人才培养的新模式提供借鉴参考。

“数字家蚕”共享分析平台上线

2023年11月,国家蚕桑产业技术体系岗位科学家代方银教授团队正式上线“数字家蚕”共享分析平台(SilkMeta)。作为迄今涵盖数据类型最全、数据量最大的家蚕组学数据库,面向全球科学家开放。

羊毛角蛋白融合型丝素蛋白膜材料的性能分析

羊毛角蛋白关联蛋白(KAPs)是一类富含半胱氨酸的纤维蛋白,可以氧化形成二硫键,与疏水相互作用和范德华力一起赋予角蛋白高的机械强度和结构稳定性。为了扩展天然蚕丝蛋白质材料的研究,本文以通过转基因法得到的KAP融入型蚕丝为材料,制备丝素蛋白膜,检测分析了膜的结构和性能。发现转KAP基因丝素膜含有更多的β-折叠结构,KAP的融入可以显著提高膜的机械性能和疏水性,融入不同种类的KAP可以获得性能不同的融合蛋白材料。通过转基因法制取蚕丝/羊毛角蛋白混合蛋白膜具有方法简便、无污染等特点,可为天然蚕丝材料的研究和应用提供新的思路。

家蚕中肠特异表达基因BmMSEG的进化和功能研究

中肠是家蚕消化管的最主要部分,对家蚕生长、发育以及免疫等具有重要影响。先前基于转录组分析发现,BmMSEG(midgut-specific expressed gene)基因在家蚕中肠特异表达,但是其功能仍然未知。本研究应用qRT-PCR进一步证明BmMSEG在家蚕中肠特异表达。通过CRISPR/Cas9敲除BmMSEG基因,发现敲除个体的中肠出现损伤,并且在5龄幼虫期死亡。最后通过同源搜索和共线性分析,发现BmMSEG的直系同源基因广泛且特异性分布于鳞翅目昆虫基因组中。本研究结果不仅为进一步研究BmMSEG基因导致中肠损伤的作用机制提供了理论基础,而且深入研究可为鳞翅目害虫防控提供新的分子靶标。

家蚕白卵突变新系BT924的遗传学研究

新的家蚕白色卵突变系BT924是由蓖麻蚕DNA导入家蚕品种苏学5诱导获得。性状特征 :滞育卵当年白色 ,越年后呈浅黄褐色 ;蛾区内及区间卵色略有变异 ,幼虫皮肤低度透明 ,成虫复眼黑色。采用家蚕卵色正常型 (黑卵 )和突变型红色卵 (re)、桃红眼白卵 (pe)、第2白卵 (w -2)、第3白卵 (w-3)及BH863油蚕白卵 (w -3bh)与之杂交 ,进行遗传分析 ,结果表明 ,BT924白卵及其油蚕性状由隐性单基因控制 ,普通遗传 ,基因座与w-3相同 ,即 :10 -19.6。命名为 :whiteeggBT924 ,基因符号 :w -3bt。w -3bt对re表现上位作用。同时发现家蚕基因库保存的桃红眼白卵 (pe)标记基因系pe000同时持有红色卵 (re)基因 ,其卵色基因型为repe/repe。

家蚕广食性系统GS01对甘蓝摄食性的遗传

GS0 1是用甘蓝检测获得的家蚕广食性自然突变系统之一 ,对人工饲料也具有优良的摄食性。用对甘蓝叶无摄食性的系统与GS0 1杂交 ,对F1、F2 及BC1世代 5龄起蚕用甘蓝叶检测 ,分析GS0 1对甘蓝摄食性的遗传规律 ,结果 :GS0 1对甘蓝的摄食性由显性主效基因控制 ,推测同时存在修饰基因的作用 ;在其它系统中发现了GS0 1对甘蓝摄食性的显性抑制基因。

家蚕^(60)Co-γ射线诱发油蚕的遗传学研究

用60 Co -γ射线照射家蚕羽化前 2～ 3日雌蛹 ,羽化后与未经照射的雄蛾交配制种 ,于F3 群体中发现了一种双亲没有的新性状个体———高度油蚕。其幼虫皮肤透明度高 ,但没有其他高度油蚕的致死性 ,经多代饲养 ,体质强健 ,生殖力也正常。对其进行遗传分析和连锁检索 ,结果 :该油蚕为常染色体上的隐性基因突变 ;与红色卵 (re)连锁 ,属于第 5连锁群 ;其油蚕性比中国油 (oc)高 ,与oc杂交后代均为油蚕 ,确定其基因座位是 :5 - 4 0 .8。基因符号命名为 :occo。

含有母性影响遗传基因的连锁定位系的构建

母性影响遗传基因由于其杂交后代的表型受母本基因型的影响,而不能直接反映当代个体的基因型,这给连锁定位测交亲本(三隐性或双隐性系统)的培育带来困难,从而影响这类基因的定位研究。设计了一套杂交培育方案,其核心是使母性影响遗传基因先纯合,再使非母性影响遗传基因纯合。采用所设计的方案,成功培育了家蚕第13连锁群的赤蚁(ch)、无鳞毛翅(nlw,新突变)和褐色卵t(b-t,母性影响遗传)的三隐性系统,并培育了第19连锁群的狭胸(nb)和第二肾形卵(ki-2,母性影响遗传,待定位突变基因)的双隐性系统。

不同遗传群体在数量性状基因定位分析中的应用概述

在农业动植物中,许多重要的经济性状都是数量性状或具有明显的数量性状特征。因此,解析数量性状的遗传基础,对基于现代生物技术的农业育种及遗传改良具有十分重要的意义。数量性状的遗传效应主要由单基因效应(包括加性效应和显性效应)、上位性、杂种优势及环境效应等共同组成。为了解析这些遗传效应的分子基础,研究人员构建了大量的遗传定位群体,并开发了相应的分析模型。特定的定位分析群体是解析数量性状遗传方式的基础,其应用推动了该研究领域的发展。本文针对数量性状遗传定位群体的发展进行综述,并讨论今后的研究重点,以期能为该领域的研究及应用提供参考。