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历时十年,西大团队“桑树基因组生物学研究”获重庆市科学技术奖自然科一等奖
发布时间:2020年9月30日
点击量:77
来源:上游新闻·重庆晨报

近日,2019年度重庆市科学技术奖正式揭晓,西南大学的“桑树基因组生物学研究”成果荣获自然科学奖一等奖。9月25日,西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室桑资源与功能基因组研究团队接受上游新闻·重庆晨报记者的采访,看看这“桑树基因”到底藏着什么秘密?


西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室副主任何宁佳 
  

在深山老林里寻到“研究对象”

  

“桑树基因组生物学研究”成果牵头人,西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室副主任何宁佳告诉上游新闻·重庆晨报记者,十年前,中国工程院院士向仲怀提出研究桑树基因组计划,于是她作为项目负责人带领团队开始了“桑树基因组”的探索。 

“做研究,首先要找到一个研究对象,而这个研究对象越‘单纯’越好。”西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室桑树团队副教授梁九波介绍,做基因组测序是一个繁琐的工程,测序的时候染色体越少越便于后期组装。而常规所接触的桑树都是经过人工杂交和培育获得的,它们的遗传背景过于复杂,在做基因组测序的时候,也为后期组装造成了难度。“就像做拼图,图画越简单,色彩越单纯,拼图块越少越好组装。”他说道。 

在当时,文献将桑树染色体基数定为14,这也是桑树染色体在当时所获悉的最小值,去哪儿找这份杂合度低、易组装的材料是桑树基因组计划能否实施的先决条件,这也是何宁佳那个时候所面对的“难点”。

这样“没有背景”的桑树研究对象,不可能出现在城市之中,要找这个研究对象,只能去深山老林里。通过查找历史文献,何宁佳发现,上世纪80年代中期,西南大学的向仲怀和余茂德二位教授在做桑树资源普查时,曾通过细胞学的观察,锁定了四川雅安荥经县原始森林中有14条染色体的桑树材料,但过去这么多年,是否还能找到这份14条染色体的桑树材料呢? 

何宁佳说,当初她带领团队来到四川雅安荥经县,发现自己所寻的研究对象位于海拔1400米左右的原始森林。数次冒着掉下悬崖的危险,在没有路的原始森林中攀爬4个小时终于到达取材点,幸运的是,在2010年9月,从原始森林里找到了这份宝贵的材料。 

而这棵选作测序用的川桑,是一棵树径达36厘米,枝繁叶茂的雄株。


西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室桑树团队副教授梁九波(中)


历时十年 建立起现代桑树学科


找到这颗作为测序对象的川桑,只是万丈高楼的第一步。 

上游新闻·重庆晨报记者了解到,林木类基础研究在国际上一直是一个难点,而林木基因的研究方式不同于其他动植物的基因研究。首先是研究周期较长,这是因为林木的生长周期长,所以从种子发育到开花结果,时间从2-3年到数十年都有可能,这也注定该研究是一个长期性的过程。 

另外,林木的生存环境比较复杂,多数的林木在实验室条件下,不容易模拟。这棵作为研究对象的川桑必须要留在四川雅安荥经县的原始森林当中,为了深入观察测序用川桑开花、结实等各项生物学性状,以及获得足够的用于基因组、转录组、蛋白质组、组织培养等的材料,何宁佳团队每年都要多次驱车上千公里过去,有时还需要冒着雨雪上山观察、取材。 

值得一提的是,原始森林里做野外考察时,何宁佳团队发现了川桑的一个小群落,对染色体快速进行鉴定发现它们都有14条染色体,有雄株和雌株之分,雌株能开花结果。

“这就提出了一个疑问,这样14条染色体的桑树难道是自然产生的单倍体?”何宁佳解释,此前的文献将桑树染色体基数定为14,川桑染色体数为14故定为单倍体,随后对染色体核型进行研究,发现川桑14条染色体能够完美地配为7对,包括1对长染色体、2对次长染色体,1对短染色体、3对点状染色体。 

看到这个结果,何宁佳对桑树染色体研究相关的文献进行了收集研读,找到将桑树染色体基数定为14最原始的文献,才发现是日本学者在1909年的研究结果被美国学者在1948年错误诠释后导致的。其实,日本学者只在他的论文表明桑树基因组中有一对较大的染色体。而在1954年用两种印度桑完成的细胞学实验表明28条染色体的桑树中存在4价体,桑树染色体基数有可能7,但该结果未能改变桑树染色体基数定为14的观点。

何宁佳团队采用FISH技术反复确证判明桑树的染色体基数为7,测序材料川桑为2倍体。这个发现首次破解了桑树的染色体基数,最新的研究成果表明桑树的染色体基数是7条,而非过去的14。

这一发现把桑树学从栽培生理、品种选育的研究尺度推进到现代分子水平,这也成为现代桑树学科建立的标志。


“研究对象”川桑


次完成桑树基因组 未来将创新品种
 

经过三年的大量研究及实验,何宁佳团队领先世界,首次完成了桑树基因组。并在此基础上,修正了桑树的分类地位,是“蔷薇目-桑科-桑属”,避免了今后桑树基础研究、育种、栽培、资源利用的研究人员走弯路。 

另外,还首次破解了桑树的染色体基数桑树的染色体基数由过去的14条变为7条,并且通过全方位了解桑树的基因规律,发现了多个与桑树重要性状相关的基因,“这对于我们以及其他同行后期研究桑树的种植栽培、综合利用、其他包括药用价值的开发等做了一个理论上的奠基。”梁九波说道。

何宁佳告诉上游新闻·重庆晨报记者,桑树遗传操作系统的建立,在已有研究成果的基础上,未来将根据现有的植物遗传转化技术方法,在桑树中系统地测试适合桑树的遗传转化体系,以求从根本上改变优良基因“获取易,利用难”的尴尬局面。 

何宁佳介绍,未来团队还会在桑树染色体研究成果的基础上,一方面建立基于染色体倍性的桑树种质资源索引,另一方面,建立基于次生代谢产物差异的桑树种质资源索引,建立桑树种质资源索引。并在已有成果的基础上,结合桑树抗胁迫和次生代谢产物丰富的优良性状,创制具有特殊优良性状的桑树新品种。
 

上游新闻·重庆晨报记者 付迪西 实习生 刘宁



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