家蚕基因组“框架图”

我国科学家于2003年11月15日宣布：经过四百多名科研人员五个多月的艰苦努力,我国已率先完成家蚕基因组“框架图”绘制工作.计算机组装和数据分析结果表明,基因组测序完成了6倍的覆盖深度,所获序列覆盖了家蚕基因组的95．54％,精确度达99．95％,完全达到了高质量工作“框架图”的要求.

这是继我国科学家完成人类基因组1％测序工作、水稻基因组“框架图”和“精密图”之后,向人类贡献的第三大基因组研究成果.

建立21世纪“丝绸之路”的起点

中国家蚕基因组计划项目主持人、中国工程院院士向仲怀在接受记者专访时说：“我国率先向世界公布第一个家蚕基因组‘框架图’,标志着我国在家蚕基因组研究方面已居世界领先地位,这也是建立21世纪‘丝绸之路’的起点和里程碑.”

中国是蚕丝业的起源地,闻名于世的古代“丝绸之路”为传播世界文明发挥了重要作用.然而,随着基因组时代的来临,以商贸为核心、以骆驼和沙漠为背景的古代“丝绸之路”已经成为美好的回忆.一个以现代科技为核心,以基因组研究为平台,从家蚕入手,找到并构筑一条蚕业技术的突破之路、人类对鳞翅目类农林害虫的根治之路、开发生物药品和防控人类疾病的医学健康之路为主要内容的“21世纪丝绸之路”,已成为各国蚕业科学家的共识.

西南农业大学蚕桑学重点实验室的研究人员,利用学校拥有世界规模最大的家蚕（鳞翅目昆虫）基因库这个得天独厚的条件,在长期开展家蚕遗传学、分子生物学基础研究和基因工程、育种等应用研究的基础上,联合中科院北京基因组研究所,于2003年5月紧急启动了我国家蚕基因组计划项目.该项目由西南农业大学承担工作框架生物材料、总体技术目标、生物分析、基因功能和应用研究,中科院北京基因组研究所承担测序、序列组装及生物信息学分析工作.

科研人员采用目前国际先进的全基因组霰弹法测序技术,将家蚕全基因组切断为平均大小分别为2000和8000个碱基对的两个随机片段库,利用全自动ＤＮＡ测序仪分别进行大规模测序,然后运用超大规模计算机对随机片段进行组装,重建家蚕全基因组序列图谱.

家蚕全基因组有４.５亿碱基对,约为人类全基因组的1／7,略大于水稻基因组,但科研人员仅用五个多月的时间就完成了从ｃＤＮＡ文库构建到测序和组装框架图的所有工作,创下了基因组研究的最快纪录,并且优化了基因组测序技术,大幅降低了研究成本,提高了工作“框架图”的质量和准确度.

据有关专家介绍,“框架图”的完成只是家蚕基因组研究和开发计划的第一步,而其“精细图”预计在2004年完成.科研人员将利用生物信息学的最新方法,对家蚕所拥有的所有基因进行注释,开展重要功能基因的基础和应用研究,并联合国内科研单位,组成攻关队伍,开展蚕丝产业化应用和模式昆虫、医学模式和生物工厂研究.

基因组研究为何选中家蚕为“代表生物”

家蚕基因组“框架图”是继我国科学家完成人类基因组1％测序工作、水稻基因组“框架图”和“精密图”之后,向人类贡献的第三大基因组研究成果.但鳞翅目类昆虫有很多,为何单单选中家蚕作为“代表生物”呢?

有关专家解释说,家蚕可视遗传性状丰富,作为实验动物用于科研已经达一个世纪之久,因此遗传背景清楚,这是家蚕被确立为鳞翅目类昆虫基因组计划“代表生物”的一个重要原因.

粮食作物和森林害虫绝大多数属于鳞翅目类（鳞翅目类害虫占农业害虫的80％）.由于鳞翅目昆虫具有高度的相似性,以一个模式昆虫为代表,解明其基因和其特异的功能,就能从害虫的自身弱点下手,研究防虫、治虫的新理论和新技术.而家蚕是鳞翅目类昆虫的典型代表和理想的生物学模型,关于它的基础研究对整个鳞翅目昆虫的基础研究成功贡献率达80％以上.通过对家蚕生理、病理、发育、行为和遗传致死基因的研究,从害虫自身入手开发根治害虫基础,从根本上消除虫害的威胁,在粮食作物和森林害虫防治上取得新突破.

家蚕在基础生命体系、物质代谢、能量代谢和遗传方式上与人类有很大的相似性.家蚕遗产资源存在大量疾病模型,如癌症模型、糖尿病模型、发育畸形模型等,通过研究这些遗传模型,将在克隆人类疾病控制新基因、研究疾病机理和开发新药物上发挥重大作用,对解决人类疾病、寿命等重大问题具有重要参考价值.

家蚕是理想的生物反应器,家蚕体内的丝腺是一个高效率的蛋白质工厂,通过基因组研究,彻底解明茧丝生产的调控机理,使家蚕生产对人类有益的高纯度药用蛋白质.比如韩国和日本合作,已在利用家蚕生产治疗高血压、糖尿病等疾病的药物方面取得了十余项专利.

资源技术责任

当前有关家蚕基因组方面的研究竞争十分激烈,日本、法国、美国、英国等都投入了大量的资金和人力,而我国科学家仅用了五个月左右的时间就完成了“框架图”的绘制工作.是什么因素让我国在家蚕基因组研究领域抢先世界一步呢?

西南农业大学校长王小佳说,我国得天独厚的家蚕基因资源,以及雄厚的研究力量是我国家蚕基因组研究比其他国家“快一步”的重要基础.从资源优势来讲,经过四代科学家的积累,西南农业大学已经成为全世界最大的家蚕（鳞翅目昆虫）基因库,保存家蚕突变基因、遗传材料、地域品种七百多系,其突变基因数已占发现基因总量的95％以上.生物资源是生物产业及其科研可持续发展的必要支撑,国际间关于基因资源的争夺至今仍处在白热化状态,即所谓“欲以种子控制世界”.因此,我国丰富家蚕基因资源既是“人无我有”的珍贵财富,也是我国领先世界的一个前提条件.

中国科学院北京基因组研究所副所长于军认为,从研究力量来讲,我国拥有庞大的研究队伍和日益成熟的技术.西南农业大学长期开展了蚕遗产学、分子生物学基础研究、育种等使用研究,在世界上具有重要影响.中科院北京基因组研究所的测序、序列组装及生物信息学分析工作,为研究提供了可靠的平台.同时,中科院、浙江大学等近十所院校长期开展家蚕基础和应用研究.专家指出,我国科学家完成人类基因组1％的测序工作,是我国跨入世界基因组研究领域的起点；水稻基因组“框架图”和“精密图”的完成,表明我国进入了基因组研究领域的前沿；而家蚕基因组研究在前两个的基础上,有技术的创新,效率更高,成本低,表明我国在基因组这个领域的成熟.

中国家蚕基因组计划项目主持人、中国工程院院士向仲怀认为,除了我国拥有丰富的资源和雄厚的研究力量外,关键是科研人员强烈的责任感和使命感,使他们克服了困难,才能创造出五个月完成家蚕基因组“框架图”的世界纪录.

向仲怀说,振兴中国蚕丝事业是我国蚕丝科技工作者义不容辞的职责,它关系到我国在基因知识产权的国际竞争中能否占据主动地位,关系到“21世纪丝绸之路”是从中国开始,还是从别的地方开始.科研人员靠着拼搏的精神,克服了资金、技术上的种种困难,夜以继日地忘我工作,不少科学家吃了几个月的盒饭,才在最短时间内完成了“框架图”的绘制,确立了我国在家蚕基因组研究领域的领先地位及在重要生物物种的基因组国际竞争中的整体优势.

21世纪中国能否重现“丝绸之路”的辉煌

绵延起伏的沙丘、声声悦耳的驼铃、沟通东西的商旅等古代的“丝绸之路”对促进世界文明的传播与发展做出了不可磨灭的贡献,也在人类历史上留下了一幅令人难忘的美丽画卷.

但是,在20世纪的一百年中,我国所采取的养蚕技术体系,总体上是基于国外在20世纪三四十年代所建立的,蚕业科技在相当长的一个时期内没有明显的突破.因此,全世界都在关注：作为“丝绸之路”起源地的中国,能否在21世纪重现“丝绸之路”的辉煌?

在我国率先绘制完成家蚕基因组“框架图”之后,科学家们终于可以自豪地说,21世纪的“丝绸之路”将从中国开始,我国优势传统产业茧丝业的科技水平将大幅度提高,世界茧丝业也将迎来革命性的变化.

世界茧丝业的技术进步,尤其是产量和质量的最近两次大的飞跃,分别是20世纪40年代完成的杂交种推广和20世纪80年代完成的三次品种更新.在此后20年间,虽然各国蚕业研究者竭尽全力,但传统的家蚕育种和相关技术的进步,已经处于平台期,无法实现新的突破.因此谁先在家蚕基因组研究领域取得突破,就能打破当前茧丝业发展的技术瓶颈,成为世界蚕业科技强国,从而开启新的“丝绸之路”.

中国家蚕基因组计划项目主持人、中国工程院院士向仲怀说,家蚕基因组“框架图”的绘制完成,使我国抢占了世界茧丝业发展的制高点,确保了我国茧丝生产和出口大国的地位.栽桑养蚕起源于我国,至今已有五千多年的历史.茧丝业一直是我国的优势传统产业,目前我国共有种桑养蚕农户二千万户,每年的丝绸工业产值约七百亿元,年创外汇40亿美元,年蚕茧生丝产量和出口量分别占世界总额的70％和80％以上,是世界茧丝业的中心.

家蚕基因组“框架图”的绘制完成,将有助于人们获得家蚕基因结构组织的详细信息和全部基因、探讨基因产物的功能,从分子水平上深刻阐明家蚕的生物学特性、吐丝机理以及与微生物的相互作用.可利用基因研究手段培育出新型高产优质蚕品种,解决蚕丝易皱脱色等先天缺陷,还可创造出新型蚕丝,使蚕丝这一“纤维皇后”彻底摆脱长期占纤维消费总量不到1％的尴尬局面,推动世界蚕业技术的突破性进步,同时保持我国茧丝业的产业优势.

向仲怀院士说,我国家蚕基因组研究的重大突破将使世界茧丝业产生历史性飞跃,使传统的蚕丝绸业的改造在根本上看到了曙光,在21世纪,中国必将重现“丝绸之路”的辉煌.

新闻背景：家蚕基因组“框架图”与“精细图”的区别

据有关专家介绍,家蚕基因组“框架图”的完成只是家蚕基因组研究和开发计划的第一步,而其“精细图”预计在2004年完成.那么,家蚕基因组“框架图”与“精细图”有什么区别呢?

据中国家蚕基因组计划项目主持人、中国工程院院士向仲怀介绍,“框架图”是相对于“完成图”或“终图”而言,但实际上,真正的“完成图”并不存在,因为它总会存在一些空隙,而“精细图”则比“框架图”更进一步,更为准确、精细.

基因组“框架图”的要点包括：测序工作量达到基因组的5倍；基因覆盖率达到90％以上,即经初步组装的“一致性”序列占整个基因组的90％以上；经初步组装的“一致性”序列中碱基的准确率达99％以上,即每一碱基出错的可能性（误差率）应低于1％.

家蚕基因组有4.5亿碱基对,约为人类全基因组的1／7,是果蝇基因组的3倍,略大于水稻基因组.我国科学家绘制完成的家蚕基因组“框架图”,覆盖度一次性从水稻的4．8倍提高到6倍,大大提高了“框架图”的质量和准确度,进一步展示了我国的高通量、低成本的基因测序技术,以及高性能计算的能力和软件编写上的综合实力.