影響家蠶繭絲產(chǎn)量的主要因素

李瓊艷　荀利杰　廖鵬飛

摘要：家蠶是一種重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲，因其能吐絲結(jié)繭而被人類馴養(yǎng)。在蠶業(yè)生產(chǎn)中繭絲產(chǎn)量是飼養(yǎng)者最為關(guān)注的問題，而影響家蠶產(chǎn)絲量的因素多種多樣，不同品種、不同飼養(yǎng)環(huán)境的家蠶繭絲分泌量存在差異但機(jī)制尚不清楚。本文對影響家蠶絲腺發(fā)育和絲蛋白合成分泌的各種因素進(jìn)行綜述，包括絲腺細(xì)胞的分裂及細(xì)胞核復(fù)制、絲蛋白的種類及調(diào)控、激素、營養(yǎng)條件等的研究結(jié)果。

關(guān)鍵詞：家蠶；繭絲產(chǎn)量；絲腺；絲蛋白；激素

中圖分類號：S881.2⁺1 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2016）04-0154-05

蠶絲是一種天然蛋白纖維，主要成分是絲素和絲膠。蠶絲制品具有親膚無刺激、吸汗吸濕等優(yōu)良特性。隨著對蠶絲結(jié)構(gòu)及理化特性的深入研究，蠶絲已不僅僅是一種紡織原料，也被作為一種新興的生物材料，在環(huán)保、醫(yī)藥、工程等方面得到廣泛應(yīng)用。我國是家蠶繭絲業(yè)發(fā)祥地，繭絲業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位，家蠶產(chǎn)絲量是蠶業(yè)生產(chǎn)上最為關(guān)注的問題。絲腺是家蠶唯一能產(chǎn)絲的器官，能夠高效合成分泌絲蛋白。然而從家蠶絲腺發(fā)生到取食桑葉轉(zhuǎn)化為絲蛋白，再到絲蛋白分泌出體外的整個過程不僅受環(huán)境、營養(yǎng)和氣候等外部條件的影響，同時也受到絲蛋白編碼基因及相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控及激素的影響，還與絲腺細(xì)胞數(shù)目和染色體復(fù)制次數(shù)差異等因素相關(guān)。本文就影響家蠶繭絲產(chǎn)量的主要因素進(jìn)行分析，以期能為家蠶繭絲的生產(chǎn)及遺傳育種提供參考。

1 絲腺的發(fā)生與發(fā)育

1.1 絲腺的發(fā)生

家蠶絲腺在胚子近反轉(zhuǎn)期由外胚層發(fā)生，由下顎腺特化而成。絲腺發(fā)生后6h達(dá)到分化的最旺盛時期，反轉(zhuǎn)后經(jīng)28h反復(fù)的細(xì)胞分裂，細(xì)胞開始增大，絲物質(zhì)開始分泌。分裂停止后，吐絲部以及絲腺的前、中、后三個部分就能明顯識別，再經(jīng)過24h，形體與機(jī)能已大體上具備。在胚子期絲腺的內(nèi)容物即真正的液態(tài)絲物質(zhì)在反轉(zhuǎn)96h（孵化前24h）已能看見。絲腺在胚胎期的發(fā)生發(fā)育過程受到如Deformed、Scr、Antp、Ubx、eve、SGF-1、Trh等眾多基因的調(diào)控。

1.2 絲腺細(xì)胞的數(shù)目及核分裂

不同品系家蠶其絲腺細(xì)胞數(shù)目、細(xì)胞核復(fù)制次數(shù)及絲腺發(fā)育狀態(tài)存在差異，這些差異可能會引起家蠶繭絲產(chǎn)量的差異。絲腺細(xì)胞只在胚胎期進(jìn)行10次分裂，進(jìn)入幼蟲期，絲腺細(xì)胞便不再發(fā)生分裂，細(xì)胞數(shù)不再增加，只發(fā)生細(xì)胞的肥大生長，細(xì)胞核在細(xì)胞中只發(fā)生核的復(fù)制和分裂。五齡后期的一個家蠶絲腺細(xì)胞，細(xì)胞核內(nèi)的DNA可以達(dá)到29～30次復(fù)制（低絲量蠶品種復(fù)制次數(shù)約為29次，高絲量蠶品種復(fù)制次數(shù)約為30次），細(xì)胞核內(nèi)的DNA分別增加107μg和214μg，相當(dāng)于54萬倍體和107萬倍體。由于染色體不伴隨細(xì)胞分裂，大約要進(jìn)行30次復(fù)制，染色體數(shù)目龐大，而每個細(xì)胞的基因數(shù)也相應(yīng)增加，這樣基因轉(zhuǎn)錄的mRNA就非常多，因此翻譯得到的蛋白也可能相應(yīng)增多。

后部絲腺是家蠶產(chǎn)生絲素蛋白的器官，鐘伯雄等對25個家蠶雜交系的后部絲腺進(jìn)行細(xì)胞計數(shù)，結(jié)果表明不同品種問后部絲腺細(xì)胞數(shù)存在極為明顯的差異，從后部絲腺細(xì)胞數(shù)與繭質(zhì)性狀的相關(guān)結(jié)果看，高繭層量品種的細(xì)胞數(shù)相應(yīng)較多，低繭層量品種細(xì)胞數(shù)相應(yīng)較少，這說明兩者有相關(guān)性。劉春等對裸蛹（Nd）、絲膠蛹（Nd-s）及大造絲腺細(xì)胞數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果表明，3個品種的中部絲腺和后部絲腺在細(xì)胞數(shù)目上并無顯著性差異，這又說明兩者之間關(guān)系不密切。這就表明較多的細(xì)胞數(shù)是絲素蛋白高量合成的條件，但絲素蛋白的產(chǎn)量并不完全由細(xì)胞數(shù)來決定，其產(chǎn)量還與絲腺細(xì)胞合成、分泌絲素蛋白的其他生理生化反應(yīng)有關(guān)。

2 家蠶絲蛋白的種類及表達(dá)調(diào)控

2.1 絲蛋白種類

構(gòu)成絹絲的基本物質(zhì)是液態(tài)絲蛋白，主要由絲素蛋白和絲膠蛋白構(gòu)成。絲素蛋白主要由后部絲腺合成，一般占繭絲成分的70%～75%。絲膠蛋白主要由中部絲腺合成，占繭絲成分的20%～25%。絲素蛋白包含了絲素重鏈（fib-H，350kD）、絲素輕鏈（fib-L，26kD）和P25（fibrohexam-erin，27/30kD）3種蛋白。絲素重鏈和輕鏈以二硫鍵相連，再與P25以非共價鍵一疏水作用以6：6：1的比例結(jié)合形成復(fù)合體。絲膠蛋白則主要以Ser1、Ser2和Ser3的形式存在。

家蠶絲腺可以高效率合成絲蛋白，為了研究這一機(jī)理，很多學(xué)者對家蠶絲腺進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析。顏新培等發(fā)現(xiàn)同一品種家蠶的不同個體，或同一個體后部絲腺的不同部位蛋白質(zhì)構(gòu)成基本一致。這表明家蠶同一品種不同個體其后部絲腺細(xì)胞的新陳代謝水平基本一致，個體問繭層量差異可能是由于個體生長發(fā)育以及后部絲腺細(xì)胞數(shù)目不同等原因引起。吳衛(wèi)成等對5個品種從5齡第1天到第4天的后部絲腺細(xì)胞蛋白質(zhì)進(jìn)行了雙向電泳圖譜比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)組成變化各不相同，不僅在不同繭層量的品種問，在繭層量相近的品種之間其變化也呈現(xiàn)出明顯不同的趨勢。余芳等也對家蠶正常繭、薄皮繭、裸蛹3個品種的絲腺細(xì)胞蛋白質(zhì)做了雙向電泳圖譜比較，發(fā)現(xiàn)3個品種后部絲腺細(xì)胞特異蛋白斑點、匹配蛋白斑點按等電點劃分的分布規(guī)律具有明顯差異。魯華云等發(fā)現(xiàn)家蠶5齡第4天，不同品種家蠶后部絲腺細(xì)胞的蛋白質(zhì)組成存在明顯差異，并且蠶繭高產(chǎn)品種與蠶繭中、低產(chǎn)量品種之間所涉及的差異蛋白質(zhì)斑點各不相同，暗示絲素基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯可能涉及了一個非常復(fù)雜的多點控制的調(diào)控系統(tǒng)，即不同品種的產(chǎn)繭量可能涉及不同的調(diào)控位點或調(diào)控因子。說明不同品種家蠶參與調(diào)控的蛋白不盡相同或同種蛋白在調(diào)控中所起作用存在差異，從而導(dǎo)致不同家蠶品種后部絲腺細(xì)胞分泌絲素的能力存在差異。

2.2 絲蛋白編碼基因的表達(dá)調(diào)控

家蠶絲蛋白編碼基因高度專一地在絲腺中表達(dá)，其表達(dá)的時間和空間都受到嚴(yán)格調(diào)控。家蠶絲蛋白合成過程的轉(zhuǎn)錄水平受到眾多轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的調(diào)控，轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子可以通過與靶位點結(jié)合直接或間接影響絲蛋白合成。絲素重鏈基因5側(cè)翼區(qū)域是主要的轉(zhuǎn)錄控制區(qū)，包含了核心啟動子元件、上游元件、增強(qiáng)子元件等順式作用元件。另外家蠶后部絲腺細(xì)胞核中存在許多蛋白因子，如泛在因子FBF-A1及絲腺因子SGF1、SGF-2、SGF-3、SGF4等，這些因子可以和5側(cè)翼區(qū)上的基序特異性結(jié)合形成DNA一蛋白質(zhì)復(fù)合體調(diào)控絲素重鏈基因的表達(dá)。fib-L基因與fib-H基因的5側(cè)翼具有很強(qiáng)的同源性，某些區(qū)域的同源性可以達(dá)到80%。通過用果蠅的同源結(jié)構(gòu)域蛋白與絲素輕鏈上游進(jìn)行結(jié)合試驗，獲得了7處與同源結(jié)構(gòu)域蛋白的結(jié)合位點，分析發(fā)現(xiàn)他們是SGF-1、SGF-2、SGF-3、SGF-4的特異結(jié)合位點。P25基因的有效啟動子序列為-437～+76區(qū)，在-254～-164區(qū)存在有順式作用元件，與其表達(dá)調(diào)控的結(jié)合蛋白有BMFA、Ub2a、Ub2b、SGFB、PSGF等。

Ser1、Ser2和Ser3是三種主要的絲膠蛋白編碼基因，他們的表達(dá)部位和時間存在很大差異。Ser1基因主要是在中部絲腺的中后部表達(dá)，Ser3在中部絲腺的前部表達(dá)，兩個基因的表達(dá)時期均在家蠶5齡中期開始高量表達(dá)。而Ser2則是在中部絲腺中部表達(dá)，時期上與Ser1和Ser3差異較大，在幼蟲期高量表達(dá)，進(jìn)入5齡后表達(dá)量逐漸減少直至消失。家蠶絲膠基因中只有Ser1的轉(zhuǎn)錄調(diào)控被很好地研究，Ser1基因中至少存在三個轉(zhuǎn)錄調(diào)控位點：SA、SB和SC，調(diào)控蛋白結(jié)合在這些轉(zhuǎn)錄調(diào)控位點上從而影響Ser1基因的表達(dá)。調(diào)控Ser1基因的蛋白主要有SGF-1和SGF-3兩種，其中SGF-1與SA位點相互作用，SGF-3主要與SC位點結(jié)合，而與SB位點的結(jié)合較弱。SGF-1與SA位點結(jié)合對Set1基因轉(zhuǎn)錄起著上調(diào)作用。SGF-3屬于泛在蛋白，會提高Ser1基因的轉(zhuǎn)錄水平，但在較高濃度下則起抑制作用，原因未明。

3 激素

家蠶是一種完全變態(tài)昆蟲，變態(tài)發(fā)育過程主要受咽側(cè)體分泌的保幼激素（Juvenile hormone，JH）和前胸腺分泌的蛻皮激素（Molting hormone，MH）調(diào)控，兩者協(xié)同作用于家蠶的生長與發(fā)育，并且對絲腺發(fā)育和絲蛋白合成也具有調(diào)控作用。關(guān)于激素對家蠶絲腺發(fā)育及絲蛋白合成的影響，很多研究者進(jìn)行了研究。有研究表明，當(dāng)保幼激素在5齡開始時使用，絲腺生長以及RNA合成首先被抑制，然后恢復(fù)并開始擴(kuò)增，最后絲產(chǎn)量和對照相比增加50%。陳娥英等用JHA-Ⅲ處理5齡第3天家蠶發(fā)現(xiàn)處理后的家蠶和對照組相比推遲1～2天上簇，而且絲腺重量和蛋白質(zhì)含量都明顯增加，表明JHA-Ⅲ具有促進(jìn)絲蛋白合成的作用。牟志美等證明在5齡前期使用MH后，再于5齡中期使用JHA，不僅能促進(jìn)絲腺細(xì)胞成熟生長，而且還可延遲細(xì)胞解體，從而使后部絲腺在長時間內(nèi)保持高速合成絲素蛋白的狀態(tài)。有研究者將3齡起蠶絲腺移植到5齡幼蟲體內(nèi)，3天后發(fā)現(xiàn)有大量絲膠mRNA合成，摘除5齡幼蟲咽側(cè)體2d后，絲膠基因被活化。表明家蠶體液內(nèi)高滴度JH抑制絲膠基因表達(dá)，只有在JH滴度降到一定水平時，絲膠基因才能轉(zhuǎn)錄。同樣將已在5齡體內(nèi)開始轉(zhuǎn)錄的3齡起蠶絲腺再次移植進(jìn)4齡幼蟲，則不能繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，而如果移植入5齡幼蟲，則能繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，表明絲膠基因合成與否受到幼蟲體液中激素調(diào)節(jié)。這暗示了家蠶4齡和5齡期轉(zhuǎn)錄不同種類的mRNA，可能也是受到激素的影響。吳秋雁等對5齡第3天家蠶幼蟲噴灑保幼激素類似物3號（J003），結(jié)果發(fā)現(xiàn)保幼激素類似物3號對后部絲腺細(xì)胞中RNA的合成有促進(jìn)作用，而對DNA的合成具有強(qiáng)烈的抑制作用，且激素劑量愈高，抑制程度愈大。因此推測保幼激素類似物3號增產(chǎn)繭絲的作用是通過調(diào)節(jié)絲蛋白合成的轉(zhuǎn)錄過程而達(dá)到的。趙小明等研究推測，家蠶保幼激素通過早期反應(yīng)基因Kr-hl的延長表達(dá)使轉(zhuǎn)錄因子Bmdimm基因的表達(dá)得到延長，Bmdimm通過結(jié)合fib-H基因調(diào)控區(qū)的E-box位點，從而調(diào)控fib-H基因的延時表達(dá)進(jìn)而達(dá)到增加絲蛋白的合成作用。

4 影響家蠶繭絲產(chǎn)量的其他因素

4.1 營養(yǎng)條件

家蠶在幼蟲期通過取食桑葉來提供營養(yǎng)，桑葉為家蠶提供生長發(fā)育及絲蛋白合成所需的營養(yǎng)物質(zhì)，特別是到了5齡中后期，家蠶能以極高的效率將桑葉轉(zhuǎn)化為絲蛋白。因此，作為家蠶的主要營養(yǎng)物質(zhì)，桑葉的質(zhì)量以及食下量對家蠶生長和絲蛋白合成的影響很大。有研究表明，營養(yǎng)及胰島素信號在絲腺生長和發(fā)育過程中起重要的調(diào)控作用。

桑葉含有蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、維生素、無機(jī)鹽等營養(yǎng)成分，而桑葉的這些營養(yǎng)成分也會因桑樹的品種、栽培條件、成熟度、收獲方式、氣候等條件而出現(xiàn)差異。對于絲腺的生長來說，大量合成絲蛋白的5齡期營養(yǎng)是最重要的，這個時期桑葉的營養(yǎng)價值對絲蛋白合成有顯著影響。對于蠶繭生產(chǎn)來說，除了桑葉的營養(yǎng)價值外，與桑葉的攝入量也有密切關(guān)系。若減少5齡期的給桑量，繭絲產(chǎn)量也會顯著下降。平均一頭家蠶在幼蟲期食下22g桑葉，其中90%是在5齡期食下的。平冢研究了桑葉在蠶體內(nèi)利用率，發(fā)現(xiàn)蠶食下的桑葉蛋白質(zhì)約有63%被消化吸收，而吸收的50%用來合成絲蛋白。福田研究表明在5齡蠶中，桑葉蛋白在絲腺以外的蠶體組織留存率從64%逐漸減少到4%，在絲腺中，包括蠶體其他組織器官轉(zhuǎn)移過來的蛋白質(zhì)從9%逐漸增加到96%。

4.2 飼養(yǎng)環(huán)境

家蠶的飼養(yǎng)環(huán)境與家蠶的生長及絲蛋白合成有很大關(guān)系，何克榮等副利用在不同年份季節(jié)條件下飼養(yǎng)的5次試驗，分析家蠶的15個經(jīng)濟(jì)性狀，發(fā)現(xiàn)在不同試驗中，家蠶經(jīng)濟(jì)性狀不僅存在明顯的數(shù)值差異，其均方也存在明顯差異。食下和消化量不僅因品種而異，飼育環(huán)境也有很大影響，如溫度、濕度等。研究表明一定范圍內(nèi)的高溫使蠶食?；顫姡瑔挝粫r間內(nèi)食下量隨溫度上升而增加。幼蟲期飼育溫度在一定范圍內(nèi)越高，絲腺越肥大，對絲蛋白的利用率越高。而一般在恒定溫度下，蠶食下量和消化率隨濕度的增加而增大，但其影響不如溫度。適宜的濕度能保持桑葉的新鮮從而增加家蠶的食下量及消化率，從而提高家蠶的絲蛋白合成量。

4.3 家蠶抗病性

家蠶抗病性是遺傳育種上的一個重要指標(biāo)，是由基因型決定的，但是基因表達(dá)需要一定生理條件和外界環(huán)境條件來調(diào)節(jié)。朱水芬等。對在常規(guī)飼育條件下飼育的15個家蠶品種的經(jīng)濟(jì)性狀和抗病性進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明，各個經(jīng)濟(jì)性狀之間呈正相關(guān)關(guān)系，而抗病性與各個經(jīng)濟(jì)性狀均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。也有研究表明，經(jīng)濟(jì)性狀與家蠶對cpv病抵抗性和繭層率呈負(fù)相關(guān)。在家蠶品種的選育過程中應(yīng)當(dāng)兼顧經(jīng)濟(jì)性狀與抗病性。

5 討論

家蠶能分泌大量的絲蛋白，飼養(yǎng)家蠶的主要目的是獲得其繭絲，培育產(chǎn)絲量較高的家蠶品種一直是育種專家們的奮斗目標(biāo)，利用傳統(tǒng)的雜交育種技術(shù)已很難再培養(yǎng)出比現(xiàn)行生產(chǎn)用種絲量更多絲質(zhì)更好的品種。很多研究者對絲腺發(fā)育和絲蛋白合成分泌進(jìn)行研究，主要目的就是為了增加絲產(chǎn)量。然而影響家蠶繭絲產(chǎn)量的因素多種多樣，除飼養(yǎng)過程中的各種因素外，在細(xì)胞和分子水平上也受多種因素制約，所以想要通過改變單一因素來提高繭絲產(chǎn)量很難實現(xiàn)。有研究者提出可以通過增加絲腺發(fā)育、延長吐絲過程以及提高絲蛋白基因的表達(dá)等方面來提高繭絲產(chǎn)量。因此，在家蠶飼養(yǎng)過程中可以通過改善飼養(yǎng)環(huán)境和營養(yǎng)條件來促進(jìn)絲腺生長發(fā)育，在育種方面可以利用品種優(yōu)勢進(jìn)行雜交育種，同時也可適當(dāng)對基因進(jìn)行編輯來提高絲蛋白基因表達(dá)。另外家蠶的某些經(jīng)濟(jì)性狀之間是本身就存在矛盾，如高絲量品種的抗病性較繭絲少的品種差。因而在追求高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)繭絲的同時也應(yīng)兼顧家蠶的抗病、抗逆等性狀，培育優(yōu)質(zhì)好養(yǎng)的家蠶品種。