科技日報記者 雍黎
不同于人或動物，桑樹有兩套染色體基數。近日，中國科技期刊《園藝研究》發表了西南大學家蠶基因組生物學國家重點實驗室（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與數目的改變》，在世界上首次發現桑樹有14條和7條兩套染色體基數，并提出“桑樹染色體斷裂-融合循環”理論。 這一研究成果為繪制桑樹親緣關系“家譜”奠定了基礎，也將為桑樹學科和產業發展提供更精準的指導。
從發現到確認，提出理論并證明，西南大學桑樹團隊用了10年的時間。為了實驗不中斷，節假日工作也成為研究團隊的習慣。
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，是我國傳統的鄉土樹種，也是重要的生態、經濟樹種。截至目前，全球共有30余種、7000余份桑樹種質資源，我國桑樹種質資源占世界50%以上。
“除了養蠶之用，桑樹還是良好的水土保持、生態修復的樹種。”團隊成員梁九波副教授說起桑樹就滔滔不絕，他說西南大學家蠶基因組生物學國家重點實驗室曾經發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。同時，作為實驗室領頭人的中國工程院院士向仲懷給他們提出要求：也要研究好桑樹，讓它發揮更大的作用。
“桑樹染色體倍性極為豐富，這讓它有快速適應不同環境的能力。”梁九波解釋，桑樹中的染色體數目總計10種染色體數目，如新疆藥桑染色體數目達到了308條，是已知植物之最。團隊通過基因測序發現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資源及之間的“親緣”關系，在成千上萬的桑樹種質中梳理出利于養蠶、藥用、生態修復等的核心優勢桑樹種質，實驗室團隊在何寧佳教授的帶領下將研究聚焦到基因的載體——染色體上。
在常規認識中，一種生物只有一套染色體基數，比如人體細胞由一套46條的染色體構成。以往的研究文獻將桑樹染色體基數定為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現很多染色體數目不是14的倍數，在育種過程中也發現按照傳統的方式育種，有時候并不能得到優質的品種。
2012年，團隊發現有的桑樹染色體基數是7條。不過，這與14條染色體之間是何種關系，為何會發生這樣的情況，團隊歷時10年，搭建起分子細胞遺傳學平臺，解析了桑樹全基因組，并揭秘桑樹染色體演化規律，反復確證判明：14條和7條都是組成桑樹最小遺傳單位的染色體基數。
軒亞輝（左）和梁九波（右）在實驗室查看培育的桑樹苗。科技日報記者 雍黎/圖
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備，這樣篩選出一些特殊的DNA序列，可以作為這條染色體結構研究的探針，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來進行定位，但確定特有的基因序列也是難點。他們開發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，準確地鑒定桑樹的每一條染色體。
基于這樣一套技術，何寧佳團隊繪制出野生桑樹川桑（2n=2x=14）的核型，14條染色體準確地分為七對，為桑樹的染色體研究奠定了基礎并搭建了可靠的技術平臺。
梁九波介紹，團隊經過無數次的比對、篩選，鑒定出桑樹的倍性水平、繪制出染色體核型圖，并發現14條和7條這兩套染色體之間不是簡單的倍數關系，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研究，將其他多倍體桑種之間的關系厘清，更好地指導桑樹的基礎研究和育種。
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