家蠶資源生物學團隊在家蠶體形體色分子機制研究中獲得新的重要發(fā)現(xiàn)

家蠶資源生物學團隊在家蠶體形體色分子機制研究中獲得新的重要發(fā)現(xiàn)

2017年9月，家蠶基因組生物學國家重點實驗室代方銀教授指導的博士研究生熊高等在美國遺傳學會出版的百年著名期刊Genetics(遺傳學)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新的表皮蛋白影響)的原創(chuàng)研究論文，并被選為亮點文章(Highlighted Article)。Genetics期刊副主編、美國康奈爾大學遺傳與分子生物學教授Mariana Wolfner高度稱贊該研究論文是一個精彩的科學故事。審稿專家評價：該論文呈現(xiàn)了一項杰出的研究，闡述了一個低復雜度表皮蛋白在家蠶幼蟲形態(tài)構建和著色方面的功能；研究工作周密，從多方面呈現(xiàn)了令人信服的實驗證據(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，嚴重影響蛻皮和活動能力，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，通過基因定位實驗、生物信息學分析、基因表達分析、基因克隆測序等，發(fā)現(xiàn)Bo蠶中表皮蛋白基因BmorCPH24發(fā)生了無效突變，導致了遺傳變異。進一步通過基因編輯技術(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，負責細胞外基質(zhì)——角質(zhì)層內(nèi)皮層的合成，其功能缺陷后誘導了表皮細胞凋亡，并影響到其它多個表皮蛋白基因和色素沉著基因的表達降低；BmorCPH24為一個新進化出的基因，獲得了同時控制幼蟲體形和色素沉著的新功能。這是在家蠶中第一個鑒定到的具有同時影響幼蟲體形和體色的多效性功能分子，其發(fā)現(xiàn)對于理解昆蟲生態(tài)學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)學意義，是昆蟲對環(huán)境適應性的直觀體現(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，取得了多項重要成果。課題組前期通過解析“石蠶”(stony, st)的形成機制，揭示了具有幾丁質(zhì)結(jié)合功能域的表皮蛋白基因BmorCPR2突變后導致表皮幾丁質(zhì)含量降低，引起蠶體僵硬，活動能力下降，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、適應能力等方面的重要性，也預示了以特定表皮蛋白基因作為分子靶標實現(xiàn)鱗翅目害蟲控制的潛在可能性。