破譯基因“密碼” 實(shí)驗(yàn)室里不一樣的生物世界

五月六日，西南大學(xué)桑樹育種中心，一名科研人員正在測(cè)量長穗桑果實(shí)的長度。

　　實(shí)驗(yàn)室名片

　　家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　歷史基因

　　依托西南大學(xué)建設(shè)的家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，于2011年10月由科技部批準(zhǔn)建設(shè)。現(xiàn)有科研用房1.7萬余平方米，在四川、廣西、云南、新疆、廣東等地區(qū)建有多個(gè)工作站和20余個(gè)實(shí)驗(yàn)基地。擁有各類儀器設(shè)備4000余臺(tái)/套，設(shè)備總價(jià)值約1.2億元。

　　研究方向

　　實(shí)驗(yàn)室以基因組生物學(xué)系統(tǒng)研究為核心，主要開展家蠶基因組和功能基因組、蠶桑資源與實(shí)驗(yàn)生物系統(tǒng)、生物技術(shù)與遺傳改良三個(gè)方向的研究。擁有一支以中國工程院院士、教育部特聘教授、國家級(jí)領(lǐng)軍人才、國家級(jí)“青年專家”、重大科技計(jì)劃“首席科學(xué)家”等為主要陣容的研究隊(duì)伍。

　　光榮業(yè)績

　　實(shí)驗(yàn)室近年來承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、973計(jì)劃、863計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及國際科技合作項(xiàng)目等科研項(xiàng)目600余項(xiàng)。先后在國內(nèi)外學(xué)術(shù)雜志發(fā)表論文1200余篇，出版著作10余部，授權(quán)專利100余項(xiàng)，獲國家、省部級(jí)和國際科技成果獎(jiǎng)30余項(xiàng)。

　　實(shí)驗(yàn)室曾牽頭繪制世界上第一張家蠶基因組框架圖及精細(xì)圖，完成蠶類基因組重測(cè)序、桑樹全基因組測(cè)序和家蠶微孢子蟲全基因組測(cè)序，引領(lǐng)家蠶模式生物化和蠶桑產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)，讓我國蠶桑學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新處于世界領(lǐng)先地位。

　　重慶日?qǐng)?bào)消息，2003年，牽頭繪制世界上第一張家蠶基因組框架圖；

　　2008年，成功繪制完成世界上第一張家蠶基因組精細(xì)圖譜；

　　2009年，繪制世界第一張蠶類基因組遺傳變異圖譜；

　　2013年，完成家蠶病原性微孢子蟲的全基因組圖譜；牽頭完成桑樹全基因組圖譜。

　　……

　　這一項(xiàng)項(xiàng)震驚世界的研究成果，都出自家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

　　在西南大學(xué)，有一群由院士領(lǐng)銜的基因“密碼”破譯專家。他們通過實(shí)施家蠶基因組、桑樹基因組和家蠶微孢子蟲基因組研究計(jì)劃，向世人展示出基因組時(shí)代不一樣的生物世界。5月6日，重慶日?qǐng)?bào)記者走進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探訪。

　　蠶寶寶住“宮殿”，一日三餐專人照顧

　　這里有世界最大的家蠶基因資源庫

　　走進(jìn)西南大學(xué)2號(hào)門，沿大路右拐，一座歐式風(fēng)格的建筑便出現(xiàn)在記者面前，這就是實(shí)驗(yàn)室所在地。

　　站在大門口，門頭上方的“蠶學(xué)宮”楠木牌匾頗顯古韻，而旁邊掛的“家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”金屬牌匾則充滿現(xiàn)代感。

　　“走，我們先去看蠶�！睂�(shí)驗(yàn)室主任代方銀帶著記者徑直往蠶學(xué)宮對(duì)面的家蠶基因資源庫走去。

5月6日，西南大學(xué)家蠶基因資源庫，科研人員正在檢查蠶寶寶健康狀況。

　　家蠶基因資源庫所在的建筑被稱作“蠶宮殿”，有3000平方米。負(fù)一樓放置桑葉，其他四層樓基本上都是蠶房。

　　記者聞著一股桑葉的清香往里走，進(jìn)入一樓的一間蠶房，眼前的一切猶如進(jìn)入神奇的昆蟲世界——左右兩側(cè)的鋼架上，綠色的蠶缽從下往上一排排整齊擺放，這就是蠶寶寶的“床”，每張“床”上都有密密麻麻的蠶寶寶。

　　“不同品種的蠶寶寶可以共處一房，但不可以共用一‘床’�！贝�方銀說，家蠶基因資源庫始于上世紀(jì)40年代，致力于家蠶遺傳資源收集、創(chuàng)制、保存和整理。在國際知名蠶桑遺傳育種專家、中國工程院院士向仲懷的帶領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)室建立了世界最大的家蠶基因資源庫，目前已擁有1000份以上家蠶基因資源，覆蓋家蠶突變型的90%以上。

　　家蠶基因資源采用活體保存，有效期僅有一年，所以每年春天實(shí)驗(yàn)室都會(huì)大規(guī)模養(yǎng)蠶，安排專人照顧蠶寶寶，每天早上、下午和晚上喂食。

　　記者發(fā)現(xiàn)，這里的蠶寶寶有的身上布滿黑色條紋，有的則是純白色，有的甚至是透明色。更神奇的是，蠶寶寶的血液竟有不同的顏色。保種研究人員胡海說，這影響它們結(jié)出來的繭不都是最常見的白色，而是五顏六色。

　　“蠶繭的顏色跟血液的顏色性狀具有必然聯(lián)系�！焙�海舉例說，如果蠶寶寶的血液是黃色，就會(huì)結(jié)黃色、稻草色或粉紅色的繭；如果是無色，則會(huì)結(jié)綠色或白色的繭。這些色素物質(zhì)都來自桑葉。

　　在“蠶宮殿”二樓的一個(gè)房間里，還有一個(gè)年代久遠(yuǎn)的老書柜，里面存放的竟然是蠶寶寶的“家譜”。

　　“家譜”一本本整齊碼放，總共三排，第一本是從上世紀(jì)40年代開始記錄的。翻開早已泛黃且有些破損的“家譜”，可以了解到蠶寶寶的每個(gè)世代是怎么來的，發(fā)生了哪些變化。

　　“這些資料太珍貴了，凝聚了幾代科研人員的心血，所記錄的蠶寶寶是蠶業(yè)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展雄厚的生物資源基礎(chǔ)�！贝�方銀表示。

　　用玻璃針挑染色體，比“繡花功”更精細(xì)

　　破譯3萬多個(gè)基因“密碼”讓桑樹有了多用途

5月6日，西南大學(xué)桑樹組織培養(yǎng)室，科研人員正在觀察培養(yǎng)基中的桑樹樣本。

　　長久以來，人們只知道種桑養(yǎng)蠶、繅絲織綢，一切圍著蠶絲轉(zhuǎn)，桑樹很多的潛在價(jià)值沒有被挖掘出來，沒有形成獨(dú)立的學(xué)科，更像是蠶學(xué)的“附屬品”。

　　十多年前，向仲懷院士提出桑樹基因組計(jì)劃。隨后，實(shí)驗(yàn)室副主任何寧佳作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開始探索桑樹基因組的奧秘。

　　各種野生桑樹資源有多少條染色體？每條染色體承載了哪些遺傳“密碼”？……要解答這些問題，就要先獲取染色體。在國家桑樹品種改良中心重慶分中心的精密儀器分析室，何寧佳向記者展示了他們是如何獲取染色體的。

　　走進(jìn)分析室，一名科研人員正在用顯微操作儀挑染色體，把一條條染色體從細(xì)胞中挑出來，實(shí)現(xiàn)染色體微分離。而執(zhí)行這項(xiàng)重要任務(wù)的，就是顯微操作儀上的玻璃針。

　　“玻璃針的針頭很細(xì)，能達(dá)到微米級(jí)�！焙螌幖迅嬖V記者，當(dāng)玻璃針進(jìn)入桑樹的細(xì)胞核后，染色體可以掛在針尖上，然后被挑出來。

　　然而，這可是比“繡花功”更精細(xì)的活兒，就算是熟練工也要3分鐘才挑得出一條染色體。做實(shí)驗(yàn)所需的染色體動(dòng)輒幾十上百條，光是挑染色體就要七八個(gè)小時(shí)。

　　不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰�不同的染色體，如何準(zhǔn)確找到所需？“染色體自身并不發(fā)熒光，我們利用熒光探針進(jìn)行標(biāo)記，讓要研究的染色體顯示出顏色，便于追蹤�！焙螌幖呀榻B。

　　在顯微操作儀旁邊的顯示屏上，可以清楚地觀察到被標(biāo)記成不同顏色的染色體，很容易把它們進(jìn)行區(qū)分，個(gè)個(gè)都無處藏身。

　　“桑樹有3萬多個(gè)基因，分布在各條染色體上。但它們究竟是怎么分布的，哪些地方是富集區(qū)域，哪些基因控制果實(shí)長短、果色、酸甜度等，都可以從細(xì)胞學(xué)上進(jìn)行評(píng)判。”何寧佳表示，目前，他們已建立了完善的桑樹基因組數(shù)據(jù)庫，并構(gòu)建了桑樹功能基因組研究平臺(tái)。

　　桑樹基因組的解析帶動(dòng)了傳統(tǒng)桑樹學(xué)科的重建和產(chǎn)業(yè)重構(gòu)，為桑樹多用途綜合利用與開發(fā)、蠶桑產(chǎn)業(yè)鏈的延伸提供了數(shù)據(jù)支撐。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)造新的桑樹種質(zhì)資源，選育出果桑、飼料桑、藥用桑等優(yōu)良品種，這就是研究成果的應(yīng)用之一。

　　在西南大學(xué)校園內(nèi)地勢(shì)最高處，有實(shí)驗(yàn)室建的150畝桑樹育種中心，加上校外還有50多畝，總共200多畝。桑園內(nèi)有1000多種桑樹，來自天南海北。

　　走進(jìn)桑樹育種中心，記者發(fā)現(xiàn)很多特別的桑樹，其中一種桑樹上掛滿了果實(shí)，但果實(shí)是長條形，最長有20多厘米，顏色呈黃綠色而非常見的紫色，吃起來甜度高，口感好。

　　“這種長穗桑就是品種選育的成果，通過改變桑樹的性狀，就可以產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。”何寧佳說。

　　僅有幾微米長的孢子會(huì)上演“變形記”

　　實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出萬能試紙條可用于檢測(cè)多種疾病

　　蠶寶寶會(huì)生病，家蠶微孢子蟲病就是最嚴(yán)重的災(zāi)害性蠶病。

　　微孢子蟲是一種單細(xì)胞真核生物，體積極小，昆蟲、牲畜和魚類等感染后會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。它甚至能感染人類，引起腸炎、呼吸道感染、腦炎等，對(duì)艾滋病患者、器官移植者等免疫系統(tǒng)有缺陷的人群，更是有致命性危害。

　　在該實(shí)驗(yàn)室，就有一支研究團(tuán)隊(duì)專門對(duì)付這個(gè)肉眼看不見、但殺傷力巨大的“敵人”。

　　在蠶桑微生物顯微鏡室，有一臺(tái)激光掃描共聚焦顯微鏡，它可以幫助科研人員了解“敵人”。

　　記者看到，在激光掃描共聚焦顯微鏡下，微孢子蟲的孢子就會(huì)現(xiàn)形。

　　正在做實(shí)驗(yàn)的博士呂青告訴記者，微孢子蟲侵染宿主細(xì)胞的機(jī)制在自然界中十分獨(dú)特。圓圓的孢子，直徑僅幾微米，其內(nèi)部有一根長長的極管，像彈簧一樣盤繞著。如果受到刺激，極管就會(huì)在極短的時(shí)間彈出，并將孢子內(nèi)的細(xì)胞核向外運(yùn)送，進(jìn)入宿主細(xì)胞生長發(fā)育，并反復(fù)分裂增殖。

　　可是，由各種蛋白構(gòu)成的極管直徑只有100納米，細(xì)胞核的直徑卻有700納米，是極管的7倍，極管究竟是如何把細(xì)胞核運(yùn)送出去的？

　　神奇之處就在于，細(xì)胞核可以上演一出“變形記”，把圓圓的身材“變”成瘦長的身材，在通過極管末端之后，再立馬恢復(fù)原形。這一套高難度的動(dòng)作，細(xì)胞核完成起來游刃有余。

　　“微孢子蟲真是非常神奇，當(dāng)年我第一次看到微孢子蟲切片時(shí)，就決定要用一生去研究它！”實(shí)驗(yàn)室副主任潘國慶說。

　　2017年，實(shí)驗(yàn)室通過與美國阿爾伯特·愛因斯坦醫(yī)學(xué)院合作，在全球首次發(fā)現(xiàn)了微孢子蟲侵染過程中的相關(guān)蛋白，這一發(fā)現(xiàn)為防治相關(guān)病害提供了依據(jù)和方法。

　　“我們研發(fā)出一種單克隆抗體，在此基礎(chǔ)上做出來一種萬能試紙條。目前，通過添加有關(guān)微孢子蟲的擴(kuò)增引物，已經(jīng)可以對(duì)家蠶、對(duì)蝦微孢子蟲病進(jìn)行檢測(cè)�！迸藝鴳c表示，之所以稱作萬能試紙條，是因?yàn)橥ㄟ^更換不同的擴(kuò)增引物，它還可以檢測(cè)其他疾病，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

　　對(duì)話

　　立桑為業(yè)多元發(fā)展 實(shí)現(xiàn)學(xué)科重建和產(chǎn)業(yè)重構(gòu)

　　家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是在幾代人的努力下建起來的，家蠶基因研究成果不僅貢獻(xiàn)于蠶業(yè)進(jìn)步，也對(duì)認(rèn)識(shí)人類健康具有積極價(jià)值。5月6日，重慶日?qǐng)?bào)記者專訪了實(shí)驗(yàn)室向仲懷院士、主任代方銀。

　　重慶日?qǐng)?bào)：實(shí)驗(yàn)室為何會(huì)依托西南大學(xué)來建設(shè)？

　　向仲懷：西南大學(xué)的蠶學(xué)研究歷史悠久，家蠶遺傳學(xué)研究始于上世紀(jì)40年代，從我國家蠶遺傳學(xué)的奠基人蔣同慶先生開始，幾代科研人員付出巨大心血，積淀深厚。我們建立博士點(diǎn)、部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家重點(diǎn)學(xué)科打基礎(chǔ)，進(jìn)入本世紀(jì)以來，我們?cè)诩倚Q基因組學(xué)領(lǐng)域一直占據(jù)世界領(lǐng)先地位，率先取得一系列原創(chuàng)性重大成果，使家蠶成為基因組學(xué)研究的重要參照。

　　重慶日?qǐng)?bào)：實(shí)驗(yàn)室建設(shè)發(fā)展過程中遇到過什么困難？

　　向仲懷：2003年，我們牽頭繪制完成世界上第一張家蠶基因組框架圖，實(shí)現(xiàn)了蠶業(yè)科學(xué)技術(shù)研究的破局。做家蠶基因組測(cè)序有三個(gè)目的，一是支撐產(chǎn)業(yè)振興，二是鱗翅目害蟲防治，三是生產(chǎn)有用蛋白。但后來發(fā)現(xiàn)，都很難實(shí)現(xiàn)。

　　盡管未盡人意，但通過做家蠶基因組測(cè)序，我們把學(xué)科和隊(duì)伍建立起來了。僅做蠶研究還不足以支撐產(chǎn)業(yè)突破的路子，回過頭又做桑研究。通過做桑樹基因組測(cè)序，最終找到蠶桑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新途徑，確立了“立桑為業(yè)、多元發(fā)展”的根本方針，實(shí)現(xiàn)學(xué)科重建和產(chǎn)業(yè)重構(gòu)，形成適應(yīng)21世紀(jì)發(fā)展的嶄新學(xué)科和產(chǎn)業(yè)。

　　重慶日?qǐng)?bào)：未來實(shí)驗(yàn)室將如何發(fā)展？

　　代方銀：隨著國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化重組的加快推進(jìn)，我們將優(yōu)化整合科技資源和優(yōu)勢(shì)研究力量，擬以桑蠶、蜜蜂等特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物為先鋒物種，瞄準(zhǔn)生物種業(yè)、鄉(xiāng)村振興、健康中國、生態(tài)建設(shè)、糧食安全、區(qū)域發(fā)展等國家重大戰(zhàn)略需求，圍繞種質(zhì)保護(hù)與創(chuàng)新、高效安全養(yǎng)殖、資源高效利用關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物展開研究，為引領(lǐng)和支撐我國特種養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、高效益、可持續(xù)健康發(fā)展，發(fā)揮更大的作用。