Diversidad fenotípica en gusanos de seda. Crédito:BGI Genomics
BGI Genomics, en colaboración con Southwest University, el State Key Laboratory of Silkworm Genome Biology y otros socios, ha construido un conjunto de datos de pangenoma de alta resolución que representa casi todo el contenido genómico de un gusano de seda.
Este artículo de investigación, que proporciona conocimientos genéticos sobre la selección artificial (domesticación y reproducción) y la adaptación ecológica, se publicó el 24 de septiembre en Nature Communications. .
Anteriormente, debido a la escasez de gusanos de seda salvajes y las limitaciones técnicas de los estudios anteriores, faltaban muchos sitios asociados a rasgos. Esta es la primera investigación que digitaliza el acervo genético del gusano de seda y crea un "gusano de seda digital", lo que facilita en gran medida la investigación genómica funcional, promueve la reproducción precisa y, por lo tanto, permite casos de uso de seda adicionales.
El equipo volvió a secuenciar en profundidad 1.078 gusanos de seda (B. mori, incluidas 205 cepas locales, 194 variedades mejoradas y 632 stocks genéticos y 47 gusanos de seda salvajes, B. mandarina) y ensamblar genomas de lectura larga en 545 de estas muestras, generando 55,57 T de datos genómicos.
Este conjunto de datos de pangenoma contiene la información más completa sobre los genomas del gusano de seda doméstico y salvaje, y es el pangenoma de lectura larga más grande del mundo para plantas y animales hasta la fecha. Al mismo tiempo, se han llevado a cabo estudios en profundidad sobre diversas variaciones genéticas, estructura de la población, selección artificial y adaptaciones ecológicas y características económicas del gusano de seda, con resultados fructíferos.
Caracterización de la variación estructural en 545 genomas de gusanos de seda. Crédito:BGI Genomics
Los orígenes del gusano de seda doméstico
El gusano de seda doméstico, B. mori, domesticado del gusano de seda de morera silvestre, B. mandarina. Tiene una historia de más de 5000 años, pero la ubicación del origen de su domesticación ha sido durante mucho tiempo una pregunta abierta debido a la falta de pruebas biológicas sólidas.
El material de este estudio representa la diversidad genética más rica de todas las principales regiones de sericultura del mundo. El estudio descubrió que las especies endémicas de la región baja y media del río Amarillo de China se distribuyen en la base de la rama del gusano de seda doméstico en el árbol evolutivo, lo que sugiere que el gusano de seda doméstico se originó en esta región. La evidencia arqueológica disponible, incluido un medio capullo excavado en 1926 en la aldea de Xiyin, condado de Xia, provincia de Shanxi, y una pupa de gusano de seda tallada en piedra excavada en 2019 en Shicun en el mismo condado, brindan un apoyo importante a esta conclusión.
Distribución geográfica y árbol filogenético del gusano de seda. Crédito:BGI Genomics
Romper el cuello de botella en la cría de gusanos de seda
La cría tradicional de gusanos de seda tiene una historia larga y única, pero desde la década de 1990 permaneció atrapada en un cuello de botella. El análisis sistemático de la base genética de la domesticación y la selección de mejoramiento es esencial para resolver los problemas no resueltos en la cría de gusanos de seda. El equipo ha identificado 468 genes asociados a la domesticación y 198 genes asociados a la mejora, de los cuales 264 y 185, respectivamente, se han identificado recientemente. Estos genes serán objetivos candidatos importantes para la mejora molecular del gusano de seda.
Al mismo tiempo, se descubrió que las especies de utilidad chinas y japonesas comparten menos del 3% de los loci de mejora. Esto no solo revela las historias de reproducción relativamente independientes del gusano de seda chino y japonés, sino que también explica por qué esta base genética compartida proporciona tales ventajas híbridas para ambas especies. Este resultado arroja nuevos conocimientos para la futura cría del gusano de seda.
Características económicas de la cría de gusanos de seda
El rendimiento y la calidad de la seda han sido durante mucho tiempo los principales criterios económicos para la selección artificial del gusano de seda. Sin embargo, hasta la fecha, se sabe poco sobre cómo los genes y los loci controlan estos rasgos cuantitativos. Podría decirse que el pangenoma es el "puente más cercano" entre los fenotipos, especialmente los rasgos complejos.
Domesticación y cría de gusanos de seda. Crédito:BGI Genomics
Un ejemplo de ello es la regulación de la producción de seda por el factor de transcripción relacionado con el ciclo celular BmE2F1, que se reveló a través de la señalización de selección y la variación estructural. La desactivación de BmE2F1 mediada por CRISPR-cas9 reduce la cantidad de células de glándulas de seda en un 7,68 % y el rendimiento de seda en un 22 %. Por el contrario, la sobreexpresión transgénica de BmE2F1 aumenta el número de células de glándulas de seda en un 23 % y el rendimiento de seda en un 16 %.
La seda fina tiene aplicaciones únicas y un mayor valor económico, pero la base genética de la finura de la fibra se desconocía anteriormente. El análisis de variantes raras en los genomas de variedades delgadas condujo a la identificación de BmChit β-GlcNAcase, un gen que controla la finura de la seda que se puede detectar significativamente en las variedades finas, y la desactivación mediada por CRISPR-cas9, lo que da como resultado una finura de seda más gruesa producida por gusanos de seda domésticos. . Esto sugiere que este gen juega un papel clave en la determinación de la finura de la seda.
Base genética de los rasgos económicos del gusano de seda. Crédito:BGI Genomics
Características adaptativas de la cría de gusanos de seda
La diapausa es un rasgo adaptativo ecológico común en los insectos que asegura que los insectos puedan sobrevivir a pesar de las condiciones ambientales desfavorables. Aunque la hormona diapausa se identificó por primera vez en el gusano de seda en 1957, se dispone de poca información sobre el gen embrionario de la diapausa. En este estudio, basado en el análisis de la cepa pnd y la variación estructural genómica en el gusano de seda, y la validación funcional mediante la edición de genes, el gen similar a BmTret1 se reveló como un determinante importante del estancamiento postembrionario. Esta es la primera vez que se identifica un gen determinante postembrionario en un insecto.
Este estudio revela el pan-genoma completo del gusano de seda para desbloquear la selección artificial y los conocimientos de adaptación ecológica. Shuaishuai Tai, coautor e investigador principal de BGI Genomics, comentó:"Con un muestreo y un conjunto de datos completos combinados con una variedad de experimentos para identificar genes para futuros estudios potenciales, esperamos acelerar el proceso de mejoramiento del diseño molecular del gusano de seda". El estudio genético del gusano de seda ayuda a desentrañar su larga historia de domesticación
