家蠶基因組“框架圖”

我國(guó)科學(xué)家于2003年11月15日宣布：經(jīng)過(guò)四百多名科研人員五個(gè)多月的艱苦努力，我國(guó)已率先完成家蠶基因組“框架圖”繪制工作。計(jì)算機(jī)組裝和數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，基因組測(cè)序完成了6倍的覆蓋深度，所獲序列覆蓋了家蠶基因組的95．54％，精確度達(dá)99．95％，完全達(dá)到了高質(zhì)量工作“框架圖”的要求。

這是繼我國(guó)科學(xué)家完成人類(lèi)基因組1％測(cè)序工作、水稻基因組“框架圖”和“精密圖”之后，向人類(lèi)貢獻(xiàn)的第三大基因組研究成果。

建立21世紀(jì)“絲綢之路”的起點(diǎn)

中國(guó)家蠶基因組計(jì)劃項(xiàng)目主持人、中國(guó)工程院院士向仲懷在接受記者專(zhuān)訪時(shí)說(shuō)：“我國(guó)率先向世界公布第一個(gè)家蠶基因組‘框架圖’，標(biāo)志著我國(guó)在家蠶基因組研究方面已居世界領(lǐng)先地位，這也是建立21世紀(jì)‘絲綢之路’的起點(diǎn)和里程碑。”

中國(guó)是蠶絲業(yè)的起源地，聞名于世的古代“絲綢之路”為傳播世界文明發(fā)揮了重要作用。然而，隨著基因組時(shí)代的來(lái)臨，以商貿(mào)為核心、以駱駝和沙漠為背景的古代“絲綢之路”已經(jīng)成為美好的回憶。一個(gè)以現(xiàn)代科技為核心，以基因組研究為平臺(tái)，從家蠶入手，找到并構(gòu)筑一條蠶業(yè)技術(shù)的突破之路、人類(lèi)對(duì)鱗翅目類(lèi)農(nóng)林害蟲(chóng)的根治之路、開(kāi)發(fā)生物藥品和防控人類(lèi)疾病的醫(yī)學(xué)健康之路為主要內(nèi)容的“21世紀(jì)絲綢之路”，已成為各國(guó)蠶業(yè)科學(xué)家的共識(shí)。

西南農(nóng)業(yè)大學(xué)蠶桑學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，利用學(xué)校擁有世界規(guī)模最大的家蠶（鱗翅目昆蟲(chóng)）基因庫(kù)這個(gè)得天獨(dú)厚的條件，在長(zhǎng)期開(kāi)展家蠶遺傳學(xué)、分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究和基因工程、育種等應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，聯(lián)合中科院北京基因組研究所，于2003年5月緊急啟動(dòng)了我國(guó)家蠶基因組計(jì)劃項(xiàng)目。該項(xiàng)目由西南農(nóng)業(yè)大學(xué)承擔(dān)工作框架生物材料、總體技術(shù)目標(biāo)、生物分析、基因功能和應(yīng)用研究，中科院北京基因組研究所承擔(dān)測(cè)序、序列組裝及生物信息學(xué)分析工作。

科研人員采用目前國(guó)際先進(jìn)的全基因組霰彈法測(cè)序技術(shù)，將家蠶全基因組切斷為平均大小分別為2000和8000個(gè)堿基對(duì)的兩個(gè)隨機(jī)片段庫(kù)，利用全自動(dòng)ＤＮＡ測(cè)序儀分別進(jìn)行大規(guī)模測(cè)序，然后運(yùn)用超大規(guī)模計(jì)算機(jī)對(duì)隨機(jī)片段進(jìn)行組裝，重建家蠶全基因組序列圖譜。

家蠶全基因組有４.５億堿基對(duì)，約為人類(lèi)全基因組的1／7，略大于水稻基因組，但科研人員僅用五個(gè)多月的時(shí)間就完成了從ｃＤＮＡ文庫(kù)構(gòu)建到測(cè)序和組裝框架圖的所有工作，創(chuàng)下了基因組研究的最快紀(jì)錄，并且優(yōu)化了基因組測(cè)序技術(shù)，大幅降低了研究成本，提高了工作“框架圖”的質(zhì)量和準(zhǔn)確度。

據(jù)有關(guān)專(zhuān)家介紹，“框架圖”的完成只是家蠶基因組研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃的第一步，而其“精細(xì)圖”預(yù)計(jì)在2004年完成。科研人員將利用生物信息學(xué)的最新方法，對(duì)家蠶所擁有的所有基因進(jìn)行注釋?zhuān)_(kāi)展重要功能基因的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，并聯(lián)合國(guó)內(nèi)科研單位，組成攻關(guān)隊(duì)伍，開(kāi)展蠶絲產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和模式昆蟲(chóng)、醫(yī)學(xué)模式和生物工廠研究。

基因組研究為何選中家蠶為“代表生物”

家蠶基因組“框架圖”是繼我國(guó)科學(xué)家完成人類(lèi)基因組1％測(cè)序工作、水稻基因組“框架圖”和“精密圖”之后，向人類(lèi)貢獻(xiàn)的第三大基因組研究成果。但鱗翅目類(lèi)昆蟲(chóng)有很多，為何單單選中家蠶作為“代表生物”呢？

有關(guān)專(zhuān)家解釋說(shuō)，家蠶可視遺傳性狀豐富，作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物用于科研已經(jīng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)之久，因此遺傳背景清楚，這是家蠶被確立為鱗翅目類(lèi)昆蟲(chóng)基因組計(jì)劃“代表生物”的一個(gè)重要原因。

糧食作物和森林害蟲(chóng)絕大多數(shù)屬于鱗翅目類(lèi)（鱗翅目類(lèi)害蟲(chóng)占農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)的80％）。由于鱗翅目昆蟲(chóng)具有高度的相似性，以一個(gè)模式昆蟲(chóng)為代表，解明其基因和其特異的功能，就能從害蟲(chóng)的自身弱點(diǎn)下手，研究防蟲(chóng)、治蟲(chóng)的新理論和新技術(shù)。而家蠶是鱗翅目類(lèi)昆蟲(chóng)的典型代表和理想的生物學(xué)模型，關(guān)于它的基礎(chǔ)研究對(duì)整個(gè)鱗翅目昆蟲(chóng)的基礎(chǔ)研究成功貢獻(xiàn)率達(dá)80％以上。通過(guò)對(duì)家蠶生理、病理、發(fā)育、行為和遺傳致死基因的研究，從害蟲(chóng)自身入手開(kāi)發(fā)根治害蟲(chóng)基礎(chǔ)，從根本上消除蟲(chóng)害的威脅，在糧食作物和森林害蟲(chóng)防治上取得新突破。

家蠶在基礎(chǔ)生命體系、物質(zhì)代謝、能量代謝和遺傳方式上與人類(lèi)有很大的相似性。家蠶遺產(chǎn)資源存在大量疾病模型，如癌癥模型、糖尿病模型、發(fā)育畸形模型等，通過(guò)研究這些遺傳模型，將在克隆人類(lèi)疾病控制新基因、研究疾病機(jī)理和開(kāi)發(fā)新藥物上發(fā)揮重大作用，對(duì)解決人類(lèi)疾病、壽命等重大問(wèn)題具有重要參考價(jià)值。

家蠶是理想的生物反應(yīng)器，家蠶體內(nèi)的絲腺是一個(gè)高效率的蛋白質(zhì)工廠，通過(guò)基因組研究，徹底解明繭絲生產(chǎn)的調(diào)控機(jī)理，使家蠶生產(chǎn)對(duì)人類(lèi)有益的高純度藥用蛋白質(zhì)。比如韓國(guó)和日本合作，已在利用家蠶生產(chǎn)治療高血壓、糖尿病等疾病的藥物方面取得了十余項(xiàng)專(zhuān)利。

資源·技術(shù)·責(zé)任

當(dāng)前有關(guān)家蠶基因組方面的研究競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，日本、法國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等都投入了大量的資金和人力，而我國(guó)科學(xué)家僅用了五個(gè)月左右的時(shí)間就完成了“框架圖”的繪制工作。是什么因素讓我國(guó)在家蠶基因組研究領(lǐng)域搶先世界一步呢？

西南農(nóng)業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)王小佳說(shuō)，我國(guó)得天獨(dú)厚的家蠶基因資源，以及雄厚的研究力量是我國(guó)家蠶基因組研究比其他國(guó)家“快一步”的重要基礎(chǔ)。從資源優(yōu)勢(shì)來(lái)講，經(jīng)過(guò)四代科學(xué)家的積累，西南農(nóng)業(yè)大學(xué)已經(jīng)成為全世界最大的家蠶（鱗翅目昆蟲(chóng)）基因庫(kù)，保存家蠶突變基因、遺傳材料、地域品種七百多系，其突變基因數(shù)已占發(fā)現(xiàn)基因總量的95％以上。生物資源是生物產(chǎn)業(yè)及其科研可持續(xù)發(fā)展的必要支撐，國(guó)際間關(guān)于基因資源的爭(zhēng)奪至今仍處在白熱化狀態(tài)，即所謂“欲以種子控制世界”。因此，我國(guó)豐富家蠶基因資源既是“人無(wú)我有”的珍貴財(cái)富，也是我國(guó)領(lǐng)先世界的一個(gè)前提條件。

中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所副所長(zhǎng)于軍認(rèn)為，從研究力量來(lái)講，我國(guó)擁有龐大的研究隊(duì)伍和日益成熟的技術(shù)。西南農(nóng)業(yè)大學(xué)長(zhǎng)期開(kāi)展了蠶遺產(chǎn)學(xué)、分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究、育種等使用研究，在世界上具有重要影響。中科院北京基因組研究所的測(cè)序、序列組裝及生物信息學(xué)分析工作，為研究提供了可靠的平臺(tái)。同時(shí)，中科院、浙江大學(xué)等近十所院校長(zhǎng)期開(kāi)展家蠶基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。專(zhuān)家指出，我國(guó)科學(xué)家完成人類(lèi)基因組1％的測(cè)序工作，是我國(guó)跨入世界基因組研究領(lǐng)域的起點(diǎn)；水稻基因組“框架圖”和“精密圖”的完成，表明我國(guó)進(jìn)入了基因組研究領(lǐng)域的前沿；而家蠶基因組研究在前兩個(gè)的基礎(chǔ)上，有技術(shù)的創(chuàng)新，效率更高，成本低，表明我國(guó)在基因組這個(gè)領(lǐng)域的成熟。

中國(guó)家蠶基因組計(jì)劃項(xiàng)目主持人、中國(guó)工程院院士向仲懷認(rèn)為，除了我國(guó)擁有豐富的資源和雄厚的研究力量外，關(guān)鍵是科研人員強(qiáng)烈的責(zé)任感和使命感，使他們克服了困難，才能創(chuàng)造出五個(gè)月完成家蠶基因組“框架圖”的世界紀(jì)錄。

向仲懷說(shuō)，振興中國(guó)蠶絲事業(yè)是我國(guó)蠶絲科技工作者義不容辭的職責(zé)，它關(guān)系到我國(guó)在基因知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中能否占據(jù)主動(dòng)地位，關(guān)系到“21世紀(jì)絲綢之路”是從中國(guó)開(kāi)始，還是從別的地方開(kāi)始。科研人員靠著拼搏的精神，克服了資金、技術(shù)上的種種困難，夜以繼日地忘我工作，不少科學(xué)家吃了幾個(gè)月的盒飯，才在最短時(shí)間內(nèi)完成了“框架圖”的繪制，確立了我國(guó)在家蠶基因組研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位及在重要生物物種的基因組國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的整體優(yōu)勢(shì)。

21世紀(jì)中國(guó)能否重現(xiàn)“絲綢之路”的輝煌

綿延起伏的沙丘、聲聲悅耳的駝鈴、溝通東西的商旅……古代的“絲綢之路”對(duì)促進(jìn)世界文明的傳播與發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，也在人類(lèi)歷史上留下了一幅令人難忘的美麗畫(huà)卷。

但是，在20世紀(jì)的一百年中，我國(guó)所采取的養(yǎng)蠶技術(shù)體系，總體上是基于國(guó)外在20世紀(jì)三四十年代所建立的，蠶業(yè)科技在相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期內(nèi)沒(méi)有明顯的突破。因此，全世界都在關(guān)注：作為“絲綢之路”起源地的中國(guó)，能否在21世紀(jì)重現(xiàn)“絲綢之路”的輝煌？

在我國(guó)率先繪制完成家蠶基因組“框架圖”之后，科學(xué)家們終于可以自豪地說(shuō)，21世紀(jì)的“絲綢之路”將從中國(guó)開(kāi)始，我國(guó)優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)繭絲業(yè)的科技水平將大幅度提高，世界繭絲業(yè)也將迎來(lái)革命性的變化。

世界繭絲業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，尤其是產(chǎn)量和質(zhì)量的最近兩次大的飛躍，分別是20世紀(jì)40年代完成的雜交種推廣和20世紀(jì)80年代完成的三次品種更新。在此后20年間，雖然各國(guó)蠶業(yè)研究者竭盡全力，但傳統(tǒng)的家蠶育種和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)處于平臺(tái)期，無(wú)法實(shí)現(xiàn)新的突破。因此誰(shuí)先在家蠶基因組研究領(lǐng)域取得突破，就能打破當(dāng)前繭絲業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，成為世界蠶業(yè)科技強(qiáng)國(guó)，從而開(kāi)啟新的“絲綢之路”。

中國(guó)家蠶基因組計(jì)劃項(xiàng)目主持人、中國(guó)工程院院士向仲懷說(shuō)，家蠶基因組“框架圖”的繪制完成，使我國(guó)搶占了世界繭絲業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，確保了我國(guó)繭絲生產(chǎn)和出口大國(guó)的地位。栽桑養(yǎng)蠶起源于我國(guó)，至今已有五千多年的歷史。繭絲業(yè)一直是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，目前我國(guó)共有種桑養(yǎng)蠶農(nóng)戶(hù)二千萬(wàn)戶(hù)，每年的絲綢工業(yè)產(chǎn)值約七百億元，年創(chuàng)外匯40億美元，年蠶繭生絲產(chǎn)量和出口量分別占世界總額的70％和80％以上，是世界繭絲業(yè)的中心。

家蠶基因組“框架圖”的繪制完成，將有助于人們獲得家蠶基因結(jié)構(gòu)組織的詳細(xì)信息和全部基因、探討基因產(chǎn)物的功能，從分子水平上深刻闡明家蠶的生物學(xué)特性、吐絲機(jī)理以及與微生物的相互作用。可利用基因研究手段培育出新型高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蠶品種，解決蠶絲易皺脫色等先天缺陷，還可創(chuàng)造出新型蠶絲，使蠶絲這一“纖維皇后”徹底擺脫長(zhǎng)期占纖維消費(fèi)總量不到1％的尷尬局面，推動(dòng)世界蠶業(yè)技術(shù)的突破性進(jìn)步，同時(shí)保持我國(guó)繭絲業(yè)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。

向仲懷院士說(shuō)，我國(guó)家蠶基因組研究的重大突破將使世界繭絲業(yè)產(chǎn)生歷史性飛躍，使傳統(tǒng)的蠶絲綢業(yè)的改造在根本上看到了曙光，在21世紀(jì)，中國(guó)必將重現(xiàn)“絲綢之路”的輝煌。

新聞背景：家蠶基因組“框架圖”與“精細(xì)圖”的區(qū)別

據(jù)有關(guān)專(zhuān)家介紹，家蠶基因組“框架圖”的完成只是家蠶基因組研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃的第一步，而其“精細(xì)圖”預(yù)計(jì)在2004年完成。那么，家蠶基因組“框架圖”與“精細(xì)圖”有什么區(qū)別呢？

據(jù)中國(guó)家蠶基因組計(jì)劃項(xiàng)目主持人、中國(guó)工程院院士向仲懷介紹，“框架圖”是相對(duì)于“完成圖”或“終圖”而言，但實(shí)際上，真正的“完成圖”并不存在，因?yàn)樗倳?huì)存在一些空隙，而“精細(xì)圖”則比“框架圖”更進(jìn)一步，更為準(zhǔn)確、精細(xì)。

基因組“框架圖”的要點(diǎn)包括：測(cè)序工作量達(dá)到基因組的5倍；基因覆蓋率達(dá)到90％以上，即經(jīng)初步組裝的“一致性”序列占整個(gè)基因組的90％以上；經(jīng)初步組裝的“一致性”序列中堿基的準(zhǔn)確率達(dá)99％以上，即每一堿基出錯(cuò)的可能性（誤差率）應(yīng)低于1％。

家蠶基因組有4.5億堿基對(duì)，約為人類(lèi)全基因組的1／7，是果蠅基因組的3倍，略大于水稻基因組。我國(guó)科學(xué)家繪制完成的家蠶基因組“框架圖”，覆蓋度一次性從水稻的4．8倍提高到6倍，大大提高了“框架圖”的質(zhì)量和準(zhǔn)確度，進(jìn)一步展示了我國(guó)的高通量、低成本的基因測(cè)序技術(shù)，以及高性能計(jì)算的能力和軟件編寫(xiě)上的綜合實(shí)力。