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西南大学家蚕功能基因组研究创新团队
发布时间2013-05-15 17:53:16     作者:    浏览次数: 次

西南大学家蚕功能基因组研究创新团队是教育部“长江学者和创新团队”,是一支经三代科学家的不懈努力,半个多世纪的创新积淀而形成的研究队伍。其中,第一代学者以已故蒋同庆教授为首,于上世纪40年代开始研究家蚕突变资源和遗传学,开创我国家蚕遗学研究先河;第二代学者以向仲怀院士为首,于上世纪80年代完成经典遗传学向分子生物学和生物化学的转变;以夏庆友教授为代表的第三代年轻学者在向院士的领导下,于1990年以后开始家蚕基因组学和功能基因组学研究,传承至今。

家蚕是人类完全驯化并得以充分利用的唯一昆虫种类。目前我国蚕丝产业涉及2000万户农户,年GDP和出口创汇分别达1350亿人民币和50亿美元。随着人类基因组计划的启动以及基因组学在生物科学领域产生了越来越重要的影响,该团队于1995年开始着力推进家蚕分子遗传及家蚕基因组研究。2000年前后,夏庆友、周泽扬等先后完成国外博士后研究归国,并在向仲怀院士的领导下,于2001年启动家蚕大规模EST计划,并于2003年在激烈的国际竞争中率先完成世界第一张家蚕基因组框架图,2006年又完成家蚕基因组精细图(国际合作完成)和家蚕全基因组基因表达芯片。以此为标志,该团队所在研究室成为我国公认的蚕业科学研究重要机构和国际上有影响的家蚕及鳞翅目研究机构,先后获准国家“973”、“948”、“863”计划和自然科学基金重点项目等一批重大项目,并在国家和重庆市的大力支持下,建设完善了基础研究平台,全面启动了家蚕功能基因组和应用研究,与此同时,中青年学术骨干队伍逐步壮大。2006年,该团队获准教育部优秀创新团队建设计划,2008年获“长江学者和创新团队发展计划”等项目资助建设,团队进入了一个崭新的发展时期。

在长江学者创新团队计划的大力支持下,经过3年的发展,家蚕功能基因组研究创新团队已发展成为以家蚕基因组生物系统研究为基础, 引领蚕桑产业升级改造的核心力量, 团队立足我国蚕学研究的特色和优势,结合国家需求和国际相关学科前沿的发展态势,瞄准生物科学的前沿发展方向,全面和系统的对家蚕生长、变态发育、性别遗传、免疫抗性、化学感受和产丝形成等重要生物学过程和分子机制进行深入研究,为蚕丝产业的升级改造,昆虫学、农林害虫防治及生物产业的可持续发展提出了新的发展思路。

在基因组学研究领域,团队通过国际合作,整合现有的信息资源,拼接、组装和构建了一张高质量的9X家蚕全基因组精细图谱。整合的精细图谱中,基因组的片段长度显著增加,基因的覆盖度也有较大提高。并且将87%的基因组片段和94%的基因定位到家蚕染色体上,确定家蚕基因为14623个,鉴定了新的与家蚕特异生物学性状相关的重要信息,进一步奠定了家蚕基因组生物学研究的坚实基础。成果以特刊形式发表于Insect Biochemistry and Molecular Biology。在此基础之上,团队采用新一代Illumina-Solexa测序技术完成了40个蚕类基因组的重测序,绘制出“高精度遗传变异图谱”, 共发现1600万个SNP位点、31万个插入缺失突变(Indel)和3.5万个基因组结构变异(SV);基因组水平的群体遗传分析表明,家蚕由中国野桑蚕而来的驯化变异是单一的驯化事件造成,并且鉴定了1041个基因组区域和354个蛋白编码基因受到了驯化和人工选择压力的影响。该成果当年发表于Science杂志。Science等刊载评价,认为:“这是多细胞真核生物大规模重测序研究的首次报道,所获得的数据代表了鳞翅目昆虫中最多最完整的基因组序列”;“对家蚕的生物学提供了新的见解,而且是基因组资源扩展中的一个里程碑”;至此,家蚕成为走完基因组学“三部曲”的少数代表物种之一,成为开展基因组学研究的重要参照,至今已产生广泛的国际影响。

在家蚕功能基因组学研究领域,该团队建立了包括家蚕全基因组遗传分析数据库SilkDB、基因芯片与表达谱分析、蛋白质组、基因干涉(RNAi)和基于piggyBac的转基因等功能研究技术平台;其中数据库SilkDB包含了当前所有家蚕基因组数据和相关昆虫基因组数据,迄今国际登录和访问量已超过120万次,包括英国剑桥大学、美国哈佛大学、日本东京大学、瑞典皇家工学院等180多家国内外研究机构;自主设计的家蚕基因芯片为世界第一张覆盖家蚕全基因组的Oligo芯片,共设计探针25000余条,包含了绝大部分家蚕基因,成为了研究家蚕重要生物学问题强有力工具。利用转基因平台GAL4/UAS的双元表达系统,完成RNAi与转基因系统的整合,实现了外源基因在家蚕体内的时空特异表达。在以上平台的基础之上,团队围绕性别决定、蚕丝蛋白质合成、发育变态、分子免疫及微生物抵抗性等四大家蚕重要经济性状,深入开展其关键基因的分离鉴定、功能解析及分子机理研究,取得一系列重要突破和创新发现。例如,在家蚕性别决定分子机理研究方面,鉴定了22个性别决定同源基因,发现家蚕缺乏剂量补偿机制,揭示了选择性剪接在性别决定中复杂的调控方式。克隆并功能研究了tra2、ix、Sxl、rbp1、snf、ovo、otu、fru、dpn、fl(2)d等性别决定同源基因,为从上游更有效地人为改变家蚕性别提供了分子靶标。在家蚕丝蛋白合成与调控机理研究方面,利用家蚕丝腺EST数据,发现了1874个丝腺专一的基因。利用家蚕全基因组芯片的5龄3天丝腺基因表达谱研究发现,家蚕丝腺中至少有5178个基因表达,其中185个为丝腺特异表达基因,涉及激素代谢相关蛋白、信号传导相关蛋白、转录调控因子、转运蛋白、蛋白酶抑制剂、转座酶和反转座酶及许多功能未知基因。

在家蚕品质分子改良与素材创新领域,团队鉴定并克隆了一批家蚕及来源于其它物种的关键基因、重要组织器官和不同发育时期的启动子及调控元件。建立了基于piggyBac转座子和基于GAL4/UAS系统的外源基因在家蚕中定点、定时表达研究技术体系的家蚕转基因技术体系。成功将人胰岛素样生长因子1(hIGF1)、猪生长激素(pGH)、血凝素、RYBP(同源异型基因)等基因装入了GAL4/UAS系统,其中,人胰岛素样生长因子1(hIGF1)已成功在家蚕中部丝腺定点表达。利用转基因技术进行分子改良研究,创造各种实用型和研究型家蚕素材。目前已获得了pBac[IE1-dsGP64, 3xp3EGFP]等21个转基因抗病素材。攻毒试验的结果表明,获得的抗NPV转基因素材的抗病效果提高近千倍。针对彩色丝产品市场前景极其广阔,建立了生产黄、红、蓝等有色茧的转基因技术,目前已获得了7个有色茧和茧丝改性素材,并选育出一对色彩稳定的新型绿色茧实用蚕品种。

在家蚕病理、病虫害基础研究与防治领域,利用比较基因组学方法,从家蚕基因组鉴定了21个基因家族的218个免疫相关基因,其中约65%的基因具有EST表达证据,约90%的基因已经定位到相应的染色体上,这为将来的基因功能研究提供了重要信息。同时,对家蚕抗菌肽家族的功能鉴定和免疫诱导特征、病原菌的全基因组免疫应答、Gloverins族抗菌肽分子的结构功能研究等内容进行了深入详细的研究。在此基础之上,鉴定获得的家蚕候选靶标基因,如增量表达抗病毒蛋白BmLipase-1和BmSP-2,RNA干扰抑制病毒复制增殖相关基因ie1、gp64和helicase等,构建转基因载体,通过胚胎期显微注射,已获得5个具有不同程度的抗BmNPV病毒的转基因家蚕品系。病毒攻击实验显示,转基因品系在化蛹后的死亡率最高可降低50%。目前,基于转基因工程的家蚕抗病育种研究已进入农业部品种审定阶段。

在家蚕非绢丝应用拓展领域,通过转基因注射,成功获得了脂肪体组织特异或高量表达目标基因/蛋白的转基因蚕,表明利用该方法可实现外源蛋白在脂肪体中的有效表达。在此基础上,重点进行了动物疫苗和饲料添加剂的应用研究,目前已获得表达猪口蹄疫病毒、猪瘟病毒、鸡法氏囊病毒、狂犬病毒和植酸酶等外源蛋白的生物反应器素材10余个,初步完成了外源蛋白的分子检测,这些研究结果为研究利用家蚕(蛹)脂肪体生物反应器大规模生产动物疫苗和饲料添加剂奠定了基础。同时,为综合利用桑树在经济、生态、医疗保健中的功能,集合国内桑树研究领域的科研队伍,率先开展了单倍体川桑基因组、转录组测序工作,在此基础上充分利用我国丰富的种质资源,结合现代分子生物学技术全面、系统地开展桑树能基因组研究;通过转录因子、植物激素、抗逆基因、品质相关功能基因等的筛查,完成优势性状的分子机理及其网络调控的研究,建立相关的分子标记;优化桑树遗传再生体系,构建插入突变体库;选育适应不同生态环境不同用途的资源和素材;目前已经完成单倍体川桑基因组、转录组测序工作,完成了桑树优势性状基因的信息学析;成功建立具有丰富次生物质的新疆22倍体药桑的再生体系,初步实现大规模引种。

继2008年收到教育部“长江学者”创新团队资助之后, 近3年来发表论文200余篇,其中SCI 76篇,申请专利29项,专利授权10项,培养研究生超过150名,获省部级奖励13项。通过大力加强人才引进与培养,团队规模不断扩大,队伍结构进一步优化。目前固定人员达到30人,团队中有中国工程院院士1人,国务院学部委员1人,“长江学者”特聘教授1人,国家“百千万人才”和教育部“跨(新)世纪优秀人才”4人,国家和省部级有突出贡献中青年专家5人,国家级重大项目首席科学家和首席专家6人,重庆市学术带头人8人。在2012年教育部组织的专家验收会中,专家们一致认为家蚕功能基因组研究创新团队全面完成了总体目标和各项计划任务,综合评价优秀,一致同意通过验收,并建议作为高校科技创新团队的典范向教育部推荐。

在依托重点学科和科研基地的支撑下, 该研究团队依托的实验室已成为本学科在国际国内最具影响力的机构,是国际公认的蚕业科学基础研究重要中心、蚕业高新技术研发著名机构和高层次人才培养重要基地。2007年获准建设教育部和国家外专局联合资助的“家蚕系统生物学创新引智基地”(111计划),2008年成为国家“现代蚕桑产业技术研发中心”建设依托单位,同时也是商务部“西部蚕业科技中心”。团队依托的实验室还是重庆市首批重点实验室,并于2009年入选重庆市首批提升示范建设创新平台,2011年, 支撑团队发展的“家蚕基因组生物学国家重点实验室“获准立项建设。至此,家蚕基因组创新团队占据世界领先地位,并产生了巨大的国际影响。温家宝总理在2008年度的两院院士大会上对家蚕基因组研究成果给予高度肯定,称是“十一五”期间我国农业科学领域取得的重大创新成果。