桑树有两套染色体基数？西南大学十年研究首次揭秘

科技日报记者 雍黎

不同于人或动物，桑树有两套染色体基数。近日中国科技期刊《园艺研究》发表了西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室（以下简称实验室）论文《川桑和白桑在进化过程中的染色体重构与数目的改变》，在世界上首次发现桑树有14条和7条两套染色体基数，并提出“桑树染色体断裂-融合循环”理论。 这一研究成果为绘制桑树亲缘关系“家谱”奠定了基础，也将为桑树学科和产业发展提供更精准的指导。

从发现到确认、提出理论并证明，西南大学桑树团队用了10年。为了实验不中断，节假日工作也成为研究团队的习惯。

2月10日，科技日报记者来到实验室探寻这一成果背后的故事。

历时10年破解桑树染色体之谜

桑树，是我国传统的乡土树种，也是重要的生态、经济树种。截至目前，全球共有30余种、7000余份桑树种质资源，我国占世界桑树种质资源超过50%。

“除了养蚕之用，桑树还是良好的水土保持、生态修复的树种。”团队成员梁九波副教授说起桑树就滔滔不绝，他说西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室曾经发布了世界上首张家蚕基因组框架图，在蚕的研究上走在前列。作为实验室领头人，中国工程院院士向仲怀提出要研究好桑树，让桑树发挥更大的作用。

“桑树染色体倍性极为丰富，这让它有快速适应不同环境的能力。”梁九波解释，桑树中的染色体数目总计10种，如新疆药桑染色体数目达到了308条，是已知植物之最。团队通过基因测序发现桑树其实属于蔷薇目，单在过去的1亿年中，桑树基因的进化速度大约是蔷薇目其他物种的3—4倍。

为了厘清桑树各类种质资源及之间的“亲缘”关系，在成千上万的桑树种质中梳理出利于养蚕、药用、生态修复等的核心优势桑树种质，实验室团队在何宁佳教授的带领下将研究聚焦到基因的载体——染色体上。

在常规认识中，一种生物只有一套染色体基数，比如人体细胞由一套46条的染色体构成。以往的研究文献将桑树染色体基数定为14条，以此作为桑树基因组测序的单倍体，不过在研究中何宁佳团队却发现很多染色体数目不是14的倍数，在育种过程中也发现按照传统的方式育种，有时候并不能得到优质的品种。

2012年，团队发现有的桑树染色体基数是7条。不过，这与14条染色体之间是何种关系，为何会发生这样的情况，团队历时10年，搭建起分子细胞遗传学平台，解析了桑树全基因组，并揭秘桑树染色体演化规律，反复确证判明：14条和7条都是组成桑树最小遗传单位的染色体基数。

探针揭秘桑树染色体的“分”与“合”

在实验室里，博士后轩亚辉在高倍显微镜前，熟练地操作机械臂移动微米级别的距离来进行桑树染色体微分离实验。

“一条染色体只有几微米长，我们用的是特制的玻璃针，从细胞中分离出染色体。”轩亚辉说，每次分离不亚于一场高强度比赛，在显微镜下，必须全神贯注，通过机械臂移动微米级别的距离来挑动染色体，最终成功分离出染色体，单是分离一条染色体就需要几分钟。

而这是揭秘桑树染色体之谜的必要准备，这样筛选出一些特殊的DNA序列，可以作为这条染色体结构研究的探针、帮助解析这条染色体上的重要基因的功能和该染色体的进化机制。

据了解，因为桑树的染色体大都是点状的，长度接近，难度很大，特别是多倍体桑树而言，几十到几百条染色体，对其核型分析的难度很大，需要采用荧光原位杂交技术来进行定位，但确定特有的基因序列也是难点。他们开发出每条染色体上特有的基因序列作为探针，这个探针就像人的指纹一样具有唯一性，从而从众多的染色体中，准确地鉴定桑树的每一条染色体。

基于这样一套技术，何宁佳团队绘制出野生桑树川桑的核型，14条染色体准确地分为七对，为桑树的染色体研究奠定了基础并搭建了可靠的技术平台。

梁九波介绍，团队经过无数次的比对、筛选，鉴定出桑树的倍性水平、绘制出染色体核型图；并发现14条和7条这两套染色体之间，不是简单的倍数关系，不能相互取代，他们是由于1条染色体断裂形成多染色体或者多条染色体头尾相连地融合造成的。

“通过这一研究，我们就能够把桑树种质资源牢牢握在自己的手里。”实验室副主任何宁佳教授表示，下一步他们还将继续研究，将其他多倍体桑种之间的关系厘清，更好地指导桑树的基础研究和育种。

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