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。

转座子显示技术及其在家蚕遗传进化研究中的应用展望

转座子显示技术是研究基因组中转座子遗传进化的有力工具。家蚕基因组测序结果发现,基因组中含有大量的转座子。本文综述了转座子显示技术和家蚕基因组中转座子特点,展望转座子显示技术在家蚕遗传进化研究中的应用。

适合改善桑叶发酵饲料主要营养物质含量的菌剂筛选

筛选优良发酵菌剂对桑叶饲料进行人工发酵,增加桑叶饲料中的营养物质含量,可提高桑叶作为畜禽水产饲料的饲用价值。以分属于芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、霉菌的18个菌株分别对桑叶进行发酵处理,测定发酵桑叶饲料中粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维等营养成分的含量变化,结果显示:有6个菌株发酵后的桑叶饲料中,粗蛋白质含量极显著增加(P<0.001),且以康宁木霉(Trichoderma koningii)、产脘假丝酵母(Candida utilis)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)发酵桑叶饲料的增幅较大;有16个菌株发酵后的桑叶饲料中,粗纤维含量极显著降低(P<0.001),且以蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)、地衣芽孢杆菌、热带假丝酵母(Candida tropicalis)发酵桑叶饲料的降幅较大;有10个菌株发酵后的桑叶饲料中,粗脂肪含量极显著增加(P<0.001),且以产脘假丝酵母、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、布氏乳杆菌(Lactobacillus buchneri)发酵桑叶饲料的增幅较大。生产上可选用不同的发酵菌剂对桑叶进行发酵处理,提高桑叶饲料中的粗蛋白质、粗脂肪含量和降低粗纤维的含量,以满足对不同畜禽水产动物饲养的需求。

真核生物转座子鉴定和分类计算方法

重复序列是真核生物基因组的重要组成成分,根据其序列特征及在基因组中的存在形式,可以进一步分为串联重复、片段重复和散在重复。其中,散在重复大多起源于转座子。根据转座介质的不同,转座子又可分为DNA和逆转录转座子。转座子的转座和扩增对基因的进化和基因组的稳定具有显著的影响;同时与其他类型的重复序列相比,转座子的结构和分类更为复杂多样,使得对转座子的鉴定和分类更为复杂和困难。鉴于此,文章简要概括了转座子的功能及分类,总结了真核生物转座子鉴定、分类和注释的3个步骤:(1)重复序列库的构建;(2)重复序列的校正和分类;(3)基因组注释。着重介绍了每一步骤所采用的不同计算方法,比较了不同方法的优缺点。只有把多种方法结合起来使用才能实现全基因组转座子的精确鉴定、分类和注释,这将为转座子的全基因组鉴定和分类提供借鉴意义。

家蚕LTR逆转录转座子的鉴定、分类及系统发育分析

转座子是真核生物基因组的重要组成成分。为了研究家蚕Bombyx mori长末端重复序列(long terminal repeat,LTR)逆转录转座子的分类及进化,本研究采用denovo预测和同源性搜索相结合的方法,在家蚕基因组中共鉴定出了38个LTR逆转录转座子家族,序列长度占整个基因组的0.64%,远小于先前预测的11.8%,其中有6个家族为本研究的新发现。38个家族中,26个家族有表达序列标签(expression sequencetag,EST)证据,表明这些家族具有潜在的活性。对有EST证据的6个家族和没有EST证据的5个家族用RT-PCR进行了组织表达谱实验,结果表明这11个家族在一些组织中有表达,这进一步证实了这些家族具有转录活性,基于此我们推测家蚕中大部分的LTR逆转录转座子家族很可能具有潜在活性。对转座子的插入时间进行估计,结果表明绝大部分元件都是最近1百万年内插入到家蚕基因组中的。我们还比较了黑腹果蝇Drosophila melanogaster、冈比亚按蚊Anopheles gambiae和家蚕B.mori中Ty3/Gypsy超家族分支的差异,结果表明不同枝在不同昆虫中有着不同的扩张。家蚕中LTR逆转录转座子的鉴定和系统分析有助于我们理解逆转录转座子在昆虫进化中的作用。

昆虫转座子在转基因技术中的应用

转座子是基因组中一段可移动的DNA重复片段。越来越多的研究表明,转座子是真核生物基因组的主要组成成分,是基因组和表型进化的主要动力之一,并且对基因表达调控网络的进化具有重要的贡献。由于转座子在基因组内具有可移动性,使其在生物技术和分子生物学领域备受重视,尤其在转基因技术上得到了广泛应用。本文综述了转座子在昆虫中的分布、类型及功能,重点阐述不同昆虫转座子在转基因技术中的应用,并对转基因安全性和转座子稳定性进行了讨论。

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。

33种鱼类微型反向重复转座元件鉴定

微型反向重复转座元件(MITEs)是一类短的非自主DNA转座子,其分布的位置会对宿主产生影响。文章使用生物信息学的方法对无颌类、软骨鱼纲、肉鳍鱼纲和辐鳍鱼纲鱼类基因组进行了MITEs预测,最终在33种鱼类基因组中鉴定出2433个M I T E s家族。文章发现鱼类基因组中M I T E s含量存在较大差异(0.11%—21.18%),并且MITEs含量与鱼类基因组大小呈正相关关系。根据末端重复序列(TIRs)和靶位点重复序列(TSDs)的特征将MITEs分为10个超家族,其中TC1-Mariner超家族的含量最高。MITEs在鱼类基因组中的插入事件主要发生在4百万年前至今,大多数物种的MITEs在2百万—0.5百万年前发生了爆发式扩增。鱼类基因组中的MITEs多数插入到基因内部或附近,这些转座子可能在基因的表达调控方面存在重要作用。

家蚕金属羧肽酶基因家族的鉴定与表达分析

金属羧肽酶是昆虫消化管中参与食物消化吸收的重要酶类,并可能在昆虫变态、发育、抗病免疫等多种生命过程中发挥重要作用。利用家蚕全基因组数据库,基于同源搜索和隐马尔可夫模型搜索相结合的方法,对家蚕金属羧肽酶基因家族进行鉴定。全基因组预测家蚕的金属羧肽酶基因家族包括22个成员,推导的氨基酸序列均具有锌离子结合位点和金属羧肽酶M14的保守特征。根据其保守氨基酸序列不同,家蚕的金属羧肽酶分属于M14A、M14B和M14D 3个亚家族。通过RTPCR方法检测显示22个家蚕金属羧肽酶基因中有18个基因在家蚕不同组织和发育时期中表达,其中7个基因在家蚕5龄第3天幼虫中肠组织特异高量表达,提示金属羧肽酶在家蚕对营养物质的消化吸收中有重要作用;家蚕5龄幼虫添食感染Bm NPV后24 h内,中肠中有5个金属羧肽酶基因上调表达,表现出对病原微生物侵染的应答反应。研究结果有助于解析家蚕金属羧肽酶在蚕体对营养物质的消化和对病原物入侵应答中的功能作用。