不同于人或動(dòng)物，桑樹有兩套染色體基數(shù)。近日中國科技期刊《園藝研究》發(fā)表了西南大學(xué)家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)室)論文《川桑和白桑在進(jìn)化過程中的染色體重構(gòu)與數(shù)目的改變》，在世界上首次發(fā)現(xiàn)桑樹有14條和7條兩套染色體基數(shù)，并提出“桑樹染色體斷裂-融合循環(huán)”理論。這一研究成果為繪制桑樹親緣關(guān)系“家譜”奠定了基礎(chǔ)，也將為桑樹學(xué)科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更精準(zhǔn)的指導(dǎo)。

從發(fā)現(xiàn)到確認(rèn)、提出理論并證明，西南大學(xué)桑樹團(tuán)隊(duì)用了10年。為了實(shí)驗(yàn)不中斷，節(jié)假日工作也成為研究團(tuán)隊(duì)的習(xí)慣。

2月10日，科技日?qǐng)?bào)記者來到實(shí)驗(yàn)室探尋這一成果背后的故事。

歷時(shí)10年破解桑樹染色體之謎

桑樹，是我國傳統(tǒng)的鄉(xiāng)土樹種，也是重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)樹種。截至目前，全球共有30余種、7000余份桑樹種質(zhì)資源，我國占世界桑樹種質(zhì)資源超過50%。

“除了養(yǎng)蠶之用，桑樹還是良好的水土保持、生態(tài)修復(fù)的樹種。”團(tuán)隊(duì)成員梁九波副教授說起桑樹就滔滔不絕，他說西南大學(xué)家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)發(fā)布了世界上首張家蠶基因組框架圖，在蠶的研究上走在前列。作為實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)頭人，中國工程院院士向仲懷提出要研究好桑樹，讓桑樹發(fā)揮更大的作用。

“桑樹染色體倍性極為豐富，這讓它有快速適應(yīng)不同環(huán)境的能力。”梁九波解釋，桑樹中的染色體數(shù)目總計(jì)10種，如新疆藥桑染色體數(shù)目達(dá)到了308條，是已知植物之最。團(tuán)隊(duì)通過基因測(cè)序發(fā)現(xiàn)桑樹其實(shí)屬于薔薇目，單在過去的1億年中，桑樹基因的進(jìn)化速度大約是薔薇目其他物種的3—4倍。

為了厘清桑樹各類種質(zhì)資源及之間的“親緣”關(guān)系，在成千上萬的桑樹種質(zhì)中梳理出利于養(yǎng)蠶、藥用、生態(tài)修復(fù)等的核心優(yōu)勢(shì)桑樹種質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在何寧佳教授的帶領(lǐng)下將研究聚焦到基因的載體——染色體上。

在常規(guī)認(rèn)識(shí)中，一種生物只有一套染色體基數(shù)，比如人體細(xì)胞由一套46條的染色體構(gòu)成。以往的研究文獻(xiàn)將桑樹染色體基數(shù)定為14條，以此作為桑樹基因組測(cè)序的單倍體，不過在研究中何寧佳團(tuán)隊(duì)卻發(fā)現(xiàn)很多染色體數(shù)目不是14的倍數(shù)，在育種過程中也發(fā)現(xiàn)按照傳統(tǒng)的方式育種，有時(shí)候并不能得到優(yōu)質(zhì)的品種。

2012年，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)有的桑樹染色體基數(shù)是7條。不過，這與14條染色體之間是何種關(guān)系，為何會(huì)發(fā)生這樣的情況，團(tuán)隊(duì)歷時(shí)10年，搭建起分子細(xì)胞遺傳學(xué)平臺(tái)，解析了桑樹全基因組，并揭秘桑樹染色體演化規(guī)律，反復(fù)確證判明：14條和7條都是組成桑樹最小遺傳單位的染色體基數(shù)。

探針揭秘桑樹染色體的“分”與“合”

在實(shí)驗(yàn)室里，博士后軒亞輝在高倍顯微鏡前，熟練地操作機(jī)械臂移動(dòng)微米級(jí)別的距離來進(jìn)行桑樹染色體微分離實(shí)驗(yàn)。

“一條染色體只有幾微米長(zhǎng)，我們用的是特制的玻璃針，從細(xì)胞中分離出染色體。”軒亞輝說，每次分離不亞于一場(chǎng)高強(qiáng)度比賽，在顯微鏡下，必須全神貫注，通過機(jī)械臂移動(dòng)微米級(jí)別的距離來挑動(dòng)染色體，最終成功分離出染色體，單是分離一條染色體就需要幾分鐘。

而這是揭秘桑樹染色體之謎的必要準(zhǔn)備，這樣篩選出一些特殊的DNA序列，可以作為這條染色體結(jié)構(gòu)研究的探針、幫助解析這條染色體上的重要基因的功能和該染色體的進(jìn)化機(jī)制。

據(jù)了解，因?yàn)樯涞娜旧w大都是點(diǎn)狀的，長(zhǎng)度接近，難度很大，特別是多倍體桑樹而言，幾十到幾百條染色體，對(duì)其核型分析的難度很大，需要采用熒光原位雜交技術(shù)來進(jìn)行定位，但確定特有的基因序列也是難點(diǎn)。他們開發(fā)出每條染色體上特有的基因序列作為探針，這個(gè)探針就像人的指紋一樣具有唯一性，從而從眾多的染色體中，準(zhǔn)確地鑒定桑樹的每一條染色體。

基于這樣一套技術(shù)，何寧佳團(tuán)隊(duì)繪制出野生桑樹川桑的核型，14條染色體準(zhǔn)確地分為七對(duì)，為桑樹的染色體研究奠定了基礎(chǔ)并搭建了可靠的技術(shù)平臺(tái)。

梁九波介紹，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過無數(shù)次的比對(duì)、篩選，鑒定出桑樹的倍性水平、繪制出染色體核型圖;并發(fā)現(xiàn)14條和7條這兩套染色體之間，不是簡(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系，不能相互取代，他們是由于1條染色體斷裂形成多染色體或者多條染色體頭尾相連地融合造成的。

“通過這一研究，我們就能夠把桑樹種質(zhì)資源牢牢握在自己的手里。”實(shí)驗(yàn)室副主任何寧佳教授表示，下一步他們還將繼續(xù)研究，將其他多倍體桑種之間的關(guān)系厘清，更好地指導(dǎo)桑樹的基礎(chǔ)研究和育種。(雍 黎)

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