多组学整合解析家蚕杂种优势分子基础

Heterosis is a prevalent biological phenomenon in agricultural production and has greatly promoted the yield and quality of innovation of flora and fauna. Although heterosis has been largely applied in modern breeding programs, such as in rice, maize and silkworm, the molecular mechanisms underlying heterosis remain unclear. With the development of genome sequencing technology and the sharp decline of cost, it is possible to solve the puzzle of heterosis from the omics level. Therefore, this research program takes silkworm as the object and employs resequencing, transcriptomic and proteomic approaches to conduct an overall investigation on the differentially expressed patterns of genes and proteins between F1 hybrids and their parents from gene and protein level. This study explores the genetic and molecular mechanism of silkworm heterosis from a new angle, providing molecular basis and theoretical guidance for silkworm breeding in the future. Meanwhile, this study also provides a reference for heterosis research and utilization in other species.

杂种优势是生物界中普遍存在的一种现象，农业生产中杂种优势的发现极大地推动了动植物产量和品质的革新。虽然杂种优势在水稻、玉米和家蚕等动植物的现代育种得以广泛应用，但是杂种优势的机制仍然是科学之谜。随着基因组测序技术的发展和成本的大幅度下降，从组学水平上破解杂种优势之谜已成为可能。因此，本项目拟利用模式生物家蚕作为研究对象，在近两年研究基础上，首次提出采用重测序技术，从基因水平和蛋白质水平整体上研究杂交F1代与亲本间基因重排和蛋白差异表达的规律，有望揭示家蚕杂种优势的分子机理并获得新的突破，可以为今后家蚕育种提供分子基础和理论指导，同时为其它物种杂种优势的研究和利用提供借鉴。

杂种优势现象在生物界中普遍存在，但机制仍不清楚。本项目以不同品系的家蚕组配杂交种，调查亲本以及F1代体重、丝腺重、茧重、抗病性等性状特征，通过多组学测序，从基因和蛋白水平整体研究杂交F1代与亲本间基因重排与性状差异的规律，揭示家蚕杂种优势的分子机制。采用5个中系和5个日系组培25个杂交种，依据性状调查，选择极端高、中、低产丝量4个纯种和6个正反交组合进行转录组和蛋白组测序，开展联合性状关联分析结果，筛选到3个超显性表达的基因/蛋白、21个非加性表达的基因/蛋白，其中SS3、M1Pi、ACBP、CKS、CLP、CalS蛋白参与蚕丝蛋白生物合成和运输，包括蚕丝蛋白内膜分裂、染色体结构、细胞骨架重构、内质网折叠能力和高尔基体运输，可能是产生杂种优势的关键蛋白。此外，通过多组学关联分析了杂种优势家蚕正反交组合丝腺差异的机制，初步研究表明蜕皮激素氧化酶和丝氨酸蛋白酶抑制酶的表达下调，导致丝腺合成过程中能量利用降低，增加丝氨酸的水解，从而影响丝蛋白的合成和转运，造成正反交丝腺性状差异。我们还对杂种家蚕的茧色差异进行初步研究，结果发现CBP和Cameo2蛋白能够影响能量生产和代谢途径，继而造成茧色差异。同时还开展了家蚕黄血抑制基因的筛选和小RNA介导的调控网络分析，初步结果表明有2个关键基因的沉默与表达，是造成黄白血差异的关键基因。并用3个纯种家蚕品系和18个不同产高品质蚕丝杂种家蚕品系的丝腺组织进行转录和蛋白组联合分析，结果发现5个关键基因与丝腺发育密切相关，并且这些基因能够提升丝腺组织中的核糖体、转运活性或者生物合成活性，促进丝腺发育增加蚕丝产量。.项目期间共发表了SCI论文35篇，其中第一标注5篇，第二标注14篇。受Annual Reivew Entomology邀请，提交一篇综述文章，已完成修改定稿。培养博士后3人，博士后获得国家青年基金2人，省青年基金1人，江苏省卓越博士后基金1人，培养博士7人，硕士12人，引进海外学者2人，完成专著3部并获得省、市级各类奖项。