家蠶資源生物學(xué)團(tuán)隊(duì)在家蠶體形體色分子機(jī)制研究中獲得新的重要發(fā)現(xiàn)

2017年9月，家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室代方銀教授指導(dǎo)的博士研究生熊高等在美國遺傳學(xué)會(huì)出版的百年著名期刊Genetics(遺傳學(xué))上發(fā)表了題為“Body Shape and Coloration of Silkworm Larvae Are Influenced by a Novel Cuticular Protein”(家蠶幼蟲體形和著色受到一個(gè)新的表皮蛋白影響)的原創(chuàng)研究論文，并被選為亮點(diǎn)文章(Highlighted Article)。Genetics期刊副主編、美國康奈爾大學(xué)遺傳與分子生物學(xué)教授Mariana Wolfner高度稱贊該研究論文是一個(gè)精彩的科學(xué)故事。審稿專家評(píng)價(jià)：該論文呈現(xiàn)了一項(xiàng)杰出的研究，闡述了一個(gè)低復(fù)雜度表皮蛋白在家蠶幼蟲形態(tài)構(gòu)建和著色方面的功能；研究工作周密，從多方面呈現(xiàn)了令人信服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)(This manuscript presents an excellent study, describing the function of a cuticular protein of low sequence complexity in silkworm larval morphology and pigmentation. The work is thorough, with convincing data from many types of experiments)。

該項(xiàng)研究從定位克隆被命名為“竹蠶”(Bamboo,Bo)的突變基因出發(fā)。Bo蠶體節(jié)緊縮，節(jié)間部隆起，形似竹節(jié)，斑紋受到抑制，嚴(yán)重影響蛻皮和活動(dòng)能力，顯性遺傳。研究小組將Bo突變基因?qū)肫渌@性遺傳的斑紋突變體(褐園斑L、杲蠶U)，發(fā)現(xiàn)同樣抑制其它斑紋的表現(xiàn)。用Bo與正常品系組配規(guī)?；碾s交分離群體，通過基因定位實(shí)驗(yàn)、生物信息學(xué)分析、基因表達(dá)分析、基因克隆測(cè)序等，發(fā)現(xiàn)Bo蠶中表皮蛋白基因BmorCPH24發(fā)生了無效突變，導(dǎo)致了遺傳變異。進(jìn)一步通過基因編輯技術(shù)(CRISPR/Cas9)在正常型(Dazao)蠶中敲除BmorCPH24基因，成功再現(xiàn)了與Bo一致的突變表型，證實(shí)了該基因的功能和定位克隆結(jié)果的可靠性。

BmorCPH24基因是如何影響到體形和體色的呢？課題組研究發(fā)現(xiàn)，該基因特異性在幼蟲表皮中表達(dá)，負(fù)責(zé)細(xì)胞外基質(zhì)——角質(zhì)層內(nèi)皮層的合成，其功能缺陷后誘導(dǎo)了表皮細(xì)胞凋亡，并影響到其它多個(gè)表皮蛋白基因和色素沉著基因的表達(dá)降低；BmorCPH24為一個(gè)新進(jìn)化出的基因，獲得了同時(shí)控制幼蟲體形和色素沉著的新功能。這是在家蠶中第一個(gè)鑒定到的具有同時(shí)影響幼蟲體形和體色的多效性功能分子，其發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解昆蟲生態(tài)學(xué)特征的形成具有重要啟示。

昆蟲體形和體色具有重要的生態(tài)學(xué)意義，是昆蟲對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的直觀體現(xiàn)。近年來，該課題組基于深厚的突變遺傳研究積淀，致力于鑒定控制家蠶特殊體形和體色的遺傳分子，取得了多項(xiàng)重要成果。課題組前期通過解析“石蠶”(stony, st)的形成機(jī)制，揭示了具有幾丁質(zhì)結(jié)合功能域的表皮蛋白基因BmorCPR2突變后導(dǎo)致表皮幾丁質(zhì)含量降低，引起蠶體僵硬，活動(dòng)能力下降，在同一期刊發(fā)表(Qiao L, Xiong G, Wang RX, et al. Genetics, 2014, 196, 1103-1115)。這些研究說明了特定表皮蛋白基因在維持家蠶/鱗翅目昆蟲正常體形及體色模式、適應(yīng)能力等方面的重要性，也預(yù)示了以特定表皮蛋白基因作為分子靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)鱗翅目害蟲控制的潛在可能性。