近日,西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心夏庆友教授团队先后在国际学术期刊《Acta Biomaterialia》和《Insects》上在线发表了题为“Combined CRISPR toolkits reveal the domestication landscape and function of the ultra-long and highly repetitive silk genes”和“FibH gene complete sequences (FibHome) revealed silkworm pedigree”的研究论文,首次揭示了家蚕丝素重链(FibH,fibroin heavy chain)基因的驯化方向、变异规律及其与蚕丝机械性能的关系。
家蚕是一种重要的经济昆虫,在我国已有5000多年的驯化历史。家蚕因其丝而出名,蚕丝主要是由丝胶和丝素两种蛋白构成,它们分别约占茧丝的25%和75%。丝胶是一种胶状蛋白,以涂层形式包裹丝素,在茧丝中起着黏贴作用;丝素是蚕丝的核心成分,具有半结晶结构,为蚕丝提供强度和硬度。丝素包含丝素重链(FibH,fibroin heavy chain)、丝素轻链(FibL,fibroin light chain)和P25三种蛋白,其中FibH的含量最高,分子量最大,是蚕丝优异机械性能的关键组分,其编码基因——FibH的序列长,GC含量高,重复序列多,难以扩增和测序,这严重阻碍了人们对家蚕和野桑蚕FibH基因的认识。
多年来,该团队一直致力于家蚕FibH基因序列解析和改造,建立了基于CRISPR/Cas9、Gibson组装和PacBio测序的FibH基因克隆测序(CACS)方法,利用该方法获得了7个野桑蚕、8个家蚕本地品种和9个实用品种的FibH基因全长序列。从野桑蚕到家蚕,FibH基因逐渐变短,差异变小,蚕丝的机械性能(强度)变差。利用CRISPR/Cas9技术编辑FibH基因的重复核心序列,获得了性能不同的FibH基因编辑蚕丝,进一步揭示了FibH基因序列与蚕丝性能的关系。随后,该团队从高分辨率的家蚕泛基因组中提取了20个野桑蚕、138本地品种和106实用品种的FibH基因全长序列(FibHome)。从野桑蚕到家蚕的驯化过程中,FibH基因变短且以重复序列GGTGCT为核心基序进行变异。在家蚕育种过程中,四种形式的FibH基因被选择并得以传播。具有这四种形式的家蚕被划分为四个家族,其中家族I有62个家蚕品系,它们的FibH基因被称为最优FibH基因(15960 bp)。该研究获得的丝蛋白基因是包括蜘蛛在内的所有物种中最完整、最全面的,这不仅可以加深人们对丝蛋白基因的了解,同时也为丝蛋白基因的设计、改造、利用以及家蚕育种提供参考。
在前一项研究中,该中心博士后陆卫、马三垣教授、博士研究生孙乐为共同第一作者,夏庆友教授和马三垣教授为通讯作者;在后一项研究中,本中心博士后陆卫为第一作者,夏庆友教授和马三垣教授为通讯作者。该两项研究得到了国家自然科学基金、西南大学博士创业基金和重庆市自然科学基金等项目的支持。论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1742706122008741;https://doi.org/10.3390/insects14030244。