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不同于人或動物，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)國家重點實驗室(以下簡稱實驗室)論文《川桑和白桑在進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)桑樹團隊用了10年。為了實驗不中斷，節(jié)假日工作也成為研究團隊的習(xí)慣。

2月10日，科技日報記者來到實驗室探尋這一成果背后的故事。

歷時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。”團隊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)國家重點實驗室曾經(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。作為實驗室領(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。團隊通過基因測序發(fā)現(xiàn)桑樹其實屬于薔薇目，單在過去的1億年中，桑樹基因的進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)勢桑樹種質(zhì)，實驗室團隊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。以往的研究文獻將桑樹染色體基數(shù)定為14條，以此作為桑樹基因組測序的單倍體，不過在研究中何寧佳團隊卻發(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，有時候并不能得到優(yōu)質(zhì)的品種。

2012年，團隊發(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，為何會發(fā)生這樣的情況，團隊歷時10年，搭建起分子細(xì)胞遺傳學(xué)平臺，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”

在實驗室里，博士后軒亞輝在高倍顯微鏡前，熟練地操作機械臂移動微米級別的距離來進行桑樹染色體微分離實驗。

“一條染色體只有幾微米長，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高強度比賽，在顯微鏡下，必須全神貫注，通過機械臂移動微米級別的距離來挑動染色體，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化機制。

據(jù)了解，因為桑樹的染色體大都是點狀的，長度接近，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)來進行定位，但確定特有的基因序列也是難點。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)，何寧佳團隊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，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。

梁九波介紹，團隊經(jīng)過無數(shù)次的比對、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。”實驗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。(科技日報記者 雍黎)