Heute vor 20 Jahren erstellten chinesische Wissenschaftler die weltweit erste Rahmenkarte des Seidenraupengenoms

Am 15. November 2003 erstellten chinesische Wissenschaftler mittels Shotgun-Sequenzierung die weltweit erste Rahmenkarte des Seidenraupengenoms. Dies ist der dritte große Beitrag chinesischer Wissenschaftler zur Menschheit in der Genomforschung, nachdem bereits ein Teil des menschlichen Genoms sequenziert und die Rahmenkarte sowie die detaillierte Karte des Reisgenoms erstellt worden waren.

Die weltweit erste Rahmenkarte des Seidenraupengenoms

Mehr als 200 vergilbte Handbücher dokumentieren die Forschung seit den 1940er Jahren, und bis heute gibt es mehr als 700 genetische Systeme für Seidenraupen ... Am National Key Laboratory of Silkworm Genome Biology der Southwest University leiteten der Seidenraupenzuchtexperte und Akademiker der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften Xiang Zhonghuai und sein Mentor Professor Jiang Tongqing ein Team, das die weltweit größte Genressourcenbank für Seidenraupen aufbaute. Auf dieser Grundlage hat das Team eine Reihe hochwertiger und ertragreicher Seidenraupenarten gezüchtet, von denen einige noch heute weit verbreitet sind.

Außerdem gibt es im Labor einen besonderen „Schatz“ – eine mehrere Meter lange Schriftrolle, auf der mehrere Gruppen unterschiedlich langer Barcodes in abwechselnden Rot- und Blautönen angeordnet sind. Dies ist die weltweit erste hochwertige Rahmenkarte des Seidenraupengenoms.

„Die Geheimnisse aller Lebensformen liegen in der Basensequenz der Gene verborgen.“ Angesichts dieses Rahmendiagramms sagte Xiang Zhonghuai mit tiefer Emotion, dass der Seidenspinner in seinem grundlegenden Lebenssystem, seinem Energiestoffwechsel und seiner Vererbungsart große Ähnlichkeiten mit dem Menschen aufweist. Darüber hinaus handelt es sich um ein international anerkanntes Modellinsekt der Schmetterlinge, und 70 % der land- und forstwirtschaftlichen Schädlinge gehören ebenfalls zu den Schmetterlingen. Daher hat die Erforschung des Seidenraupengenoms weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Seidenindustrien, Biopharmazeutika, die Schädlingsbekämpfung in der Land- und Forstwirtschaft sowie die medizinische Biologie.

Der internationale Wettbewerb in der Seidenraupengenomforschung hat eigentlich schon vor langer Zeit begonnen. Japan, das im 20. Jahrhundert weltweit führend in der Seidenraupenzucht war, kündigte im März 2003 einseitig das ursprüngliche Kooperationsabkommen zwischen China und Japan und begann eigenständig mit der Sequenzierung des Seidenraupengenoms. Angesichts dieser harten internationalen Konkurrenz beschloss Xiang Zhonghuai, auf Leben und Tod zu kämpfen. „Die Genomforschung ist die Grundlage für die Verbesserung des akademischen Niveaus und der industriellen Entwicklung. Wer die Führungsposition einnimmt, wird in allen Bereichen die Nase vorn haben.“

Anfang Juni 2003 zog das Team in das Beijing Genomics Institute um und beide Parteien starteten dringend das Projekt zur Sequenzierung des Seidenraupengenoms. „Jeder arbeitete im Durchschnitt mehr als zehn Stunden am Tag, aß Lunchpakete, schlief auf dem Boden und arbeitete ununterbrochen. Später wurden viele Menschen vor Erschöpfung krank.“ Xiang Zhonghuais Augen wurden feucht, als er sich an die damalige Situation erinnerte.

Am 25. August schloss das Team 5,5 Millionen Sequenzierungsreaktionen ab, fünf Tage früher als geplant. Am 7. Oktober waren Zusammenbau und Spleißen abgeschlossen. Nachdem über 400 Wissenschaftler mehr als 150 Tage lang Tag und Nacht gearbeitet hatten, hielt die Stadtregierung von Chongqing am 15. November eine Pressekonferenz ab, um bekannt zu geben, dass chinesische Wissenschaftler die weltweit erste Rahmenkarte des Seidenraupengenoms fertiggestellt hätten.

Ausgangspunkt und Meilensteine ​​der „Seidenstraße des 21. Jahrhunderts“

Laut bioinformatischer Analyse verfügt der Seidenspinner über etwa 20.000 Gene. Chinesische Wissenschaftler verwendeten Shotgun-Sequenzierung, um insgesamt 16.948 vollständige Gene und 7.285 Genfragmente zu annotieren, von denen etwa 6.000 Gene neu entdeckt wurden. Das Forschungsteam hat außerdem eine Reihe äußerst wertvoller theoretischer Ergebnisse zu den strukturellen Merkmalen des Seidenraupengenoms, der Genorganisation, der Evolution und der vergleichenden Genomik erzielt. Die Ergebnisse der Computerassemblierung und Datenanalyse zeigten, dass die Genomsequenzierung eine sechsfache Abdeckungstiefe erreichte und die erhaltene Sequenz 95,54 % des Seidenraupengenoms mit einer Genauigkeit von 99,95 % abdeckte und damit die Anforderungen an eine hochwertige Arbeitsrahmenkarte voll erfüllte.

China ist der Geburtsort der weltweiten Seidenindustrie. Mit moderner Technologie als Kern, Genomforschung als Plattform und ausgehend vom Seidenspinner ist es heute unter Seidenraupenzüchtern aus verschiedenen Ländern Konsens, eine „Seidenstraße des 21. Jahrhunderts“ zu finden und aufzubauen. Die wichtigsten Inhalte sind bahnbrechende Neuerungen in der Seidenraupenzuchttechnologie, die Ausrottung land- und forstwirtschaftlicher Schmetterlingsschädlinge sowie die Entwicklung biologischer Medikamente. Zu diesem Zweck ist ein erbitterter internationaler Wettbewerb ausgebrochen.

Xiang Zhonghuai sagte: „Mein Land war das erste Land, das der Welt die erste Rahmenkarte des Seidenraupengenoms veröffentlicht hat. Das bedeutet, dass mein Land weltweit führend in der Seidenraupengenomforschung ist und auch der Ausgangspunkt und Meilenstein für die Errichtung der ‚Seidenstraße des 21. Jahrhunderts‘ ist.“

Das Genom des Seidenspinners umfasst 450 Millionen Basenpaare, was etwa einem Siebtel des menschlichen Genoms entspricht und etwas größer ist als das Reisgenom. Dennoch schlossen die Forscher die gesamte Arbeit, vom Aufbau der cDNA-Bibliothek bis hin zur Sequenzierung und Zusammenstellung der Framework-Karten, in etwas mehr als fünf Monaten ab und stellten damit einen Rekord für die schnellste Genomforschung auf. Darüber hinaus wurde die Genomsequenzierungstechnologie optimiert, die Forschungskosten erheblich gesenkt und die Qualität und Genauigkeit der Rahmenkarten verbessert.

Die Analyse des „Tausend Seidenraupengenoms“ dauerte mehrere Jahre.

Der Seidenspinner Bombyx mori ist ein wichtiges Nutzinsekt und ein aufstrebender Modellorganismus. Bisher gab es jedoch nur ein einziges Referenzgenom und eine teilweise Neusequenzierung, was für eine eingehende Erforschung der genomischen Variation und exzellenter Gene nicht ausreichte und insbesondere für die molekulare Züchtung erhebliche Einschränkungen mit sich brachte. Daher ist es besonders wichtig, das Genom der Keimplasmaressourcen der Seidenraupe zu digitalisieren und eine Super-Pangenomkarte der Seidenraupe zu erstellen.

Seit der Fertigstellung der Rahmenkarte des Seidenraupengenoms im Jahr 2003 führt die wissenschaftliche Gemeinschaft kontinuierlich Sequenzierungsforschungen zum Seidenraupengenom durch, in der Hoffnung, eine vollständigere und detailliertere Karte zu erstellen. Bisherige Studien zur Genomik von Seidenraupenpopulationen umfassten jedoch lediglich Dutzende oder über 100 Proben und basierten alle auf der Sequenzierungstechnologie der zweiten Generation mit kurzen Sequenzierungsleselängen, kleinen Proben und nur begrenzten gewonnenen Informationen. Mit der Reife der Sequenzierungstechnologie der dritten Generation ist die pangenomische Forschung möglich geworden.

Professor Dai Fangyin, Direktor des National Key Laboratory of Silkworm Genome Biology und Chefwissenschaftler des National Sericulture Industry Technology System, und sein Team verbrachten vier Jahre damit, 1.078 Keimplasmaressourcen von Seidenraupen einer Tiefensequenzierung zu unterziehen und erstellten die weltweit erste Super-Pangenomkarte des Seidenspinners.

„Diese 1.078 Seidenraupen-Keimplasma-Ressourcen decken die wichtigsten Seidenraupengebiete entlang der ‚Seidenstraße‘ und mehr als 90 % der repräsentativen Seidenraupen-Keimplasma-Ressourcen der Welt ab. Die Stichprobengröße ist groß und die Abdeckung breit.“ Dai Fangyin stellte vor, dass dieses „Tausend Seidenraupengenom“ 47 wilde Seidenraupen, 205 lokale Seidenraupenarten, 194 praktische Arten und 632 Mutanten umfasst.

Im Rahmen des Projekts wurden mehr als 1.000 Proben sequenziert, von denen 545 repräsentative Ressourcen einer Sequenzierung der dritten Generation unterzogen wurden. Außerdem wurden hochwertige Genome von 545 Seidenraupen zusammengestellt und die umfassendsten Informationen zur genetischen Variation von Seidenraupen gewonnen. Dieses Super-Pangenom enthält die umfassendsten Genominformationen zu Seidenraupen und wilden Seidenraupen. Es handelt sich um das bislang größte Langlese-Pangenom der weltweiten Tiere und Pflanzen und zugleich um die Genomkarte des Seidenspinners mit der höchsten Qualität.

„Die Fertigstellung des Super-Pan-Genoms der Seidenraupe wird den Engpass in der Seidenraupenzucht durchbrechen und eine neue Ära der molekularen Seidenraupenzucht einläuten.“ Xiang Zhonghuai betonte, dass dies die größte Errungenschaft der Seidenraupenforschung im vergangenen Jahrhundert sei. Es hat der Seidenraupenzucht den Eintritt in das Informationszeitalter ermöglicht, ein neues Kapitel in der funktionellen Genomik und molekularen Züchtungsforschung der Seidenraupe aufgeschlagen und ist ein neuer Ausgangspunkt für wissenschaftliche und technologische Unterstützung zur Wiederbelebung der Seidenindustrie.

Mit diesem „digitalen Wörterbuch“ des Seidenraupengenoms führte das Team eingehende Untersuchungen zu verschiedenen genetischen Variationen, der Populationsstruktur, der künstlichen Selektion, der ökologischen Anpassungsfähigkeit und den wirtschaftlichen Merkmalen der Seidenraupe durch und löste viele Geheimnisse der Seidenraupenforschung.