桑樹有兩套染色體基數？西南大學十年研究首次揭秘

桑樹有兩套染色體基數？ 西南大學十年研究首次揭秘

不同於人或動物，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，並提出“桑樹染色體斷裂-融合迴圈”理論。 這一研究成果為繪製桑樹親緣關係“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、提出理論並證明，西南大學桑樹團隊用了10年。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後的故事。

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餘種、7000餘份桑樹種質資源，我國佔世界桑樹種質資源超過50%。

“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。作為實驗室領頭人，中國工程院院士向仲懷提出要研究好桑樹，讓桑樹發揮更大的作用。

“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，如新疆藥桑染色體數目達到了308條，是已知植物之最。團隊透過基因測序發現桑樹其實屬於薔薇目，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。

為了釐清桑樹各類種質資源及之間的“親緣”關係，在成千上萬的桑樹種質中梳理出利於養蠶、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，有時候並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係，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，並揭秘桑樹染色體演化規律，反覆確證判明：14條和7條都是組成桑樹最小遺傳單位的染色體基數。

探針揭秘桑樹染色體的“分”與“合”

在實驗室裡，博士後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，我們用的是特製的玻璃針，從細胞中分離出染色體。”軒亞輝說，每次分離不亞於一場高強度比賽，在顯微鏡下，必須全神貫注，透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。

據瞭解，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，需要採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，準確地鑑定桑樹的每一條染色體。

基於這樣一套技術，何寧佳團隊繪製出野生桑樹川桑的核型，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並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，鑑定出桑樹的倍性水平、繪製出染色體核型圖；並發現14條和7條這兩套染色體之間，不是簡單的倍數關係，不能相互取代，他們是由於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。

“透過這一研究，我們就能夠把桑樹種質資源牢牢握在自己的手裡。”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係釐清，更好地指導桑樹的基礎研究和育種。 （科技日報）