家蠶黑化突變體分子機(jī)制研究進(jìn)展

張 彥 秦 鳳 石 涼 童曉琪 黃 浩 黃德輝

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑研究所，安徽合肥 230061)

家蠶黑化突變體分子機(jī)制研究進(jìn)展

張 彥 秦 鳳 石 涼 童曉琪 黃 浩 黃德輝

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑研究所，安徽合肥 230061)

黑化現(xiàn)象在昆蟲中時(shí)有發(fā)生，其分子機(jī)制和對(duì)昆蟲生理特性的影響一直是昆蟲學(xué)研究的熱點(diǎn)。家蠶作為重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲和鱗翅目的模式生物，擁有的20余種黑化突變品種是研究昆蟲黑化的重要實(shí)驗(yàn)材料?？偨Y(jié)了家蠶黑色素合成代謝途徑與相關(guān)功能基因，綜述了家蠶褐頭尾斑(bts)突變、第二褐頭尾斑(bts2)突變、黑蛹(bp)突變、煤色(so)突變、暗化型(mln)突變、頰尾斑(cts)突變等幾種主要家蠶黑化突變品種及產(chǎn)生機(jī)制的研究成果，并結(jié)合其他昆蟲黑化的相關(guān)研究成果進(jìn)行分析比較，對(duì)未來家蠶黑化突變的研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

家蠶；黑化突變；突變機(jī)制；基因調(diào)控；黑色素代謝

黑化是指某個(gè)物種內(nèi)出現(xiàn)體色較黑或完全黑化的個(gè)體，是生物體體色發(fā)生變異最為顯著的現(xiàn)象，廣泛發(fā)生于哺乳動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物中[1-3]。自19世紀(jì)英國的EDLESTON首次報(bào)道黑化樺尺蠖以來，在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的具有黑化現(xiàn)象的昆蟲種類已超過200種[4]。黑化突變的發(fā)生不僅使黑化個(gè)體體色發(fā)生改變，還引起了其求偶、體溫調(diào)節(jié)、免疫等重要生理功能發(fā)生改變[5]。鑒于此，黑化昆蟲的發(fā)生和分類、遺傳機(jī)制及黑化個(gè)體生物學(xué)特性變異等方面的研究，一直是研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。

家蠶(Bombyxmori)是一種重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲，也是研究鱗翅目昆蟲的模式生物，經(jīng)過5 000多年的人類馴化，在自然和誘發(fā)突變下積累了非常豐富的遺傳突變材料。僅中國各地區(qū)發(fā)現(xiàn)和保存的家蠶突變體就超過了600種[6]，其中黑化突變就有20多種，如幼蟲期黑化突變主要有淡墨、墨暗色斑、黑縞(PS)、褐頭尾斑(bts)、杲蠶、不潔蠶(Di)等品系，蛹期黑化突變有黑蛹(bp)、濃黑蛹、煤色蛹(so)等品系，蛾期黑化突變有黑蛾(Bm)、從性黑蛾(sml)、黑腹蛾等品系，以及在家蠶全齡期都有黑化表現(xiàn)的突變品系暗化型家蠶(mln)。探索家蠶黑化的遺傳機(jī)制，重點(diǎn)是研究突變基因，目前通過定位克隆等手段已經(jīng)鑒定了一些與黑化相關(guān)的基因。同時(shí)，以家蠶黑化突變體為突破口來解析家蠶的黑色素合成代謝途徑及其表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究也越來越受到重視，并取得了突破性進(jìn)展[7-9]。

雖然關(guān)于家蠶黑化突變和調(diào)控機(jī)制的研究已有許多發(fā)現(xiàn)，但仍有不少黑化突變的形成原因沒有完全解析清楚，部分已鑒定出的黑化相關(guān)基因突變，其機(jī)理也有許多不明之處。為此，本文系統(tǒng)闡述了近幾年來家蠶黑色素合成代謝途徑以及家蠶黑化突變體產(chǎn)生機(jī)制的研究成果，比較了幾種家蠶黑化突變模式及調(diào)控機(jī)制的異同，以期為家蠶黑化突變機(jī)制的研究及黑色素代謝功能基因的利用提供參考。

1 家蠶黑色素合成代謝途徑與相關(guān)功能基因

黑色素合成代謝途徑一直是科學(xué)家研究昆蟲進(jìn)化的熱門課題，該途徑的異常代謝是多種昆蟲發(fā)生黑化的主要原因。黑色素的生物合成以酪氨酸為底物，在酪氨酸羥化酶(TH)作用下生成多巴(dopa)，多巴再經(jīng)多巴脫羧酶(DDC)的作用生成多巴胺(dopamine)[10]。目前認(rèn)為昆蟲中多巴胺是合成黑色素的主要前體物質(zhì)，其在黑色素合成代謝途徑上主要有3個(gè)去向：一是在N-β-丙酰多巴胺合成酶(NBAD synthase)作用下與β-丙氨酸形成N-β-丙酰多巴胺(NBAD)，最后合成黃褐色的色素[11]；二是在芳香烷基胺N-乙?；D(zhuǎn)移酶(AANATs)的作用下轉(zhuǎn)化為N-乙?；喟桶?NADA)，NADA繼續(xù)合成無色或透明的色素[12]；三是在一系列酶的催化作用下生成深棕色的多巴胺黑色素。其中，多巴胺與NBAD之間的反應(yīng)是可逆的，NBAD在酶的水解作用下分解成多巴胺和β-丙氨酸(圖1)。

橙色矩形框標(biāo)示家蠶黑色素合成代謝關(guān)鍵酶編碼基因，黑色矩形框標(biāo)示家蠶黑化突變，灰色矩形框標(biāo)示家蠶非黑化突變；圖中資料源于文獻(xiàn)[9][13]。圖1 家蠶黑色素合成代謝途徑示意圖

家蠶科技工作者以各種家蠶黑化突變體為材料，結(jié)合基因克隆和定位技術(shù)，已經(jīng)解析了黑色素合成代謝途徑上的大部分基因。TH基因位于黑色素合成代謝途徑的上游，編碼的酪氨酸羥化酶是合成黑色素的限速酶，能催化酪氨酸形成多巴，在昆蟲表皮骨化和著色過程中起著重要的作用[14]。家蠶伴性赤蟻突變就是由于轉(zhuǎn)座子插入BmTH序列使其表達(dá)量降低導(dǎo)致黑色素合成效率降低而產(chǎn)生的。DDC編碼的多巴脫羧酶是一種芳香族L-氨基酸脫羧酶，能使多巴脫羧生成多巴胺[15-16]。目前在家蠶中還沒有發(fā)現(xiàn)因DDC變異形成的突變，而果蠅中卻有多種該基因的等位突變，且果蠅中突變品種大多都有表皮硬化不完全、軀體不著色、活動(dòng)力低下、記憶減退等表型[17-18]。

yellow基因和NBAD合成酶基因ebony空間上的相互作用和特異表達(dá)很大程度上決定了昆蟲表皮的著色和斑紋的形成[19]。XIA等[20]在家蠶中共鑒定出了7個(gè)編碼yellow蛋白的基因，但這7個(gè)不同類型的基因影響家蠶表型的分子機(jī)制還未得到明確闡明。研究表明yellow基因能促進(jìn)黑化[21]，F(xiàn)UTAHASHI等[7]在研究家蠶體色突變體赤蟻(ch)形成的分子機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，家蠶ch的yellow基因第4外顯子發(fā)生了14 bp的缺失，導(dǎo)致翻譯移碼和提前終止，yellow蛋白功能丟失，從而產(chǎn)生赤蟻的表型。ebony基因編碼的NBAD合成酶可以催化多巴胺與β-丙氨酸結(jié)合生成NBAD，抑制黑化的發(fā)生。果蠅ebony突變體由于該基因功能的缺失，多巴胺不能轉(zhuǎn)為NBAD而大量累積，產(chǎn)生過量的黑色素，使其成蟲全身黑化[22]。NBAD水解酶基因Tan的作用過程與ebony相反，其編碼的酶能以NBAD為底物生成多巴胺和β-丙氨酸。家蠶紅眼紋(ro)突變體就是由BmTan突變導(dǎo)致的[8]。

在黑色素合成代謝通道中，多巴胺的最后一條消耗途徑是在AANATs編碼的芳烷基乙酰轉(zhuǎn)移酶催化下進(jìn)行的，代謝產(chǎn)物NADA對(duì)表皮的鞣化起著重要的作用[23]。果蠅的AANATs可參與兒茶酚胺代謝，該基因突變后，并不會(huì)影響果蠅體色的改變，只是對(duì)果蠅的睡眠與蘇醒等生理行為造成影響。AANATs是一個(gè)基因家族的總稱，目前在家蠶中共鑒定出Bm-iAANAT和Bm-iAANAT2等2個(gè)AANATs基因，其中Bm-iAANAT與家蠶mln突變有關(guān)[9，24]。

2 幾種主要家蠶黑化突變品系的研究

2.1 家蠶bts與第二褐頭尾斑(bts2)突變體

家蠶bts和bts2突變體表現(xiàn)為幼蟲頭部和尾板呈深棕褐色，且bts2較bts的顏色更深，這2種突變均由位于家蠶第17染色體上的yellow-e基因變異造成。ITO等[25]研究發(fā)現(xiàn)，yellow-e基因包含8個(gè)外顯子和7個(gè)內(nèi)含子，編碼的yellow-e蛋白有完整的王漿主蛋白(MRJP)功能域，yellow-e基因在家蠶的蛹期有很高的表達(dá)量，并和yellow基因一起受蛻皮激素的調(diào)控，從而影響家蠶幼蟲的著色；bts中yellow-e基因第5外顯子缺失，并表現(xiàn)出移碼、提前終止翻譯等現(xiàn)象；bts2中yellow-e基因第6外顯子比野生型多出385 bp，但缺失包括第7、8外顯子在內(nèi)的近6 kb的片段。yellow-e基因在家蠶幼蟲的頭和尾板處表皮的表達(dá)量要遠(yuǎn)高于其他位置表皮的表達(dá)量，這也就是bts和bts2突變體中只有頭和尾板變成深棕色的原因。在bts突變體中yellow-e蛋白的MRJP功能域只有135個(gè)氨基酸序列，比bts2突變體中的MRJP功能域更短，這種差異可能是引起二者著色深淺不同的原因[25]。至于yellow-e蛋白在家蠶中的具體功能，以及正常型家蠶體色為白色而具有不完整yellow-e蛋白結(jié)構(gòu)的突變體家蠶體色卻是黑色的原因，尚需要進(jìn)一步的研究。

2.2 家蠶bp突變體

家蠶bp突變品系的黑化表型只發(fā)生在蛹期，相較于普通型家蠶蛹表皮的琥珀色，家蠶bp突變體蛹表皮為黑色并表現(xiàn)出著色深淺程度受溫度影響的特點(diǎn)。位于家蠶第11染色體上的天冬氨酸脫羧酶(BmADC)基因變異是引起bp突變的主要原因，BmADC基因包含4個(gè)外顯子，編碼511個(gè)氨基酸。DAI等[26]通過序列比對(duì)研究發(fā)現(xiàn)，bp突變個(gè)體中BmADC基因的ORF序列與正常型家蠶相比只有26個(gè)堿基不同，編碼的氨基酸僅有2個(gè)不同，而且通過分析發(fā)現(xiàn)這些差異并不會(huì)影響B(tài)mADC蛋白的功能，斷定造成家蠶bp突變的原因是，BmADC基因起始位點(diǎn)上游約2.2 kb處的調(diào)控序列插入了493 bp的轉(zhuǎn)座子，進(jìn)而顯著降低了BmADC基因的表達(dá)。

BmADC催化天冬氨酸生成的β-丙氨酸，能與多巴胺結(jié)合在酶促作用下合成NBAD。BmADC基因調(diào)控序列插入轉(zhuǎn)座子片段后，BmADC基因表達(dá)水平顯著下調(diào)，進(jìn)而影響多巴胺轉(zhuǎn)化為NBAD的效率，使家蠶體內(nèi)多巴胺過量累積最終導(dǎo)致黑蛹表型產(chǎn)生。在家蠶中存在2條合成β-丙氨酸的途徑：一條是由BmADC催化的天冬氨酸脫羧途徑；另一條是由二氫嘧啶脫氫酶(DPYD)基因介導(dǎo)的尿嘧啶水解途徑。后者在家蠶幼蟲期高水平表達(dá)，在蛹期低水平表達(dá)，而BmADC基因在幼蟲期表達(dá)水平較低，在蛹期表達(dá)水平很高，這就是bp突變體只在蛹期產(chǎn)生黑化表型的原因。此外，由于受到調(diào)控區(qū)域內(nèi)的11個(gè)熱休克因子結(jié)合位點(diǎn)的影響，BmADC基因的表達(dá)還對(duì)溫度比較敏感，高溫時(shí)表達(dá)水平高，蛹的顏色就淺一點(diǎn)[26]。

2.3 家蠶so突變體

家蠶so突變個(gè)體幼蟲期皮膚為污灰色，與正常型家蠶體色區(qū)分不明顯，蛹期為黑色。so突變由位于家蠶第26染色體末端的ebony基因突變引起。ebony基因包含17個(gè)外顯子和16個(gè)內(nèi)含子，編碼853個(gè)氨基酸。so突變體ebony基因缺失了從第14外顯子中段到第16內(nèi)含子前段約4.5 kb的片段，造成第14外顯子結(jié)構(gòu)變異并使對(duì)應(yīng)的mRNA形成異常的多聚腺苷酸尾(poly A)位點(diǎn)，進(jìn)而使編碼的蛋白質(zhì)C-末端出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，失去作為酶的催化功能[7]。

在昆蟲中ebony基因具有減輕黑化的功能，可催化多巴胺與β-丙氨酸結(jié)合生成NBAD。β-丙氨酸是參與昆蟲表皮鞣化的重要物質(zhì)，能增加昆蟲表皮的韌性，而NBAD是合成黃色和紅褐色等鮮亮色素的前體物質(zhì)[27]。家蠶so突變體因ebony基因功能的缺失，多巴胺不能與β-丙氨酸結(jié)合生成NBAD，累積的多巴胺生成過量黑色素，從而使突變體表現(xiàn)出黑化表型，即使在蛹鞘中也檢測(cè)不到β-丙氨酸[19]。

2.4 家蠶mln突變體

家蠶mln突變體是家蠶體色突變中少見的全齡期都表現(xiàn)黑化的體色突變：幼蟲期突變體頭部、胸足、肛板等骨化的部位均呈現(xiàn)黑化，蛹后期為灰黑色，成蟲期全身明顯黑化[28]。家蠶育種工作者利用暗化型家蠶成蟲體色灰黑的特點(diǎn)，培育黑白分明的雙親，把家蠶一代雜交種雜交率提高到99%以上[29-30]。家蠶mln突變由位于第18染色體上的Bm-iAANAT基因突變?cè)斐?，Bm-iAANAT基因包含5個(gè)外顯子和4個(gè)內(nèi)含子，編碼261個(gè)氨基酸，具有完整的乙?；D(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域[31]。在家蠶mln突變體中Bm-iAANAT基因有2種突變類型：突變類型1缺失幾乎整個(gè)第4外顯子，并導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯移碼和提前終止；突變類型2缺失了第4外顯子的后67 bp，另外在內(nèi)含子序列中插入了15 bp的序列。2種突變類型都導(dǎo)致了編碼的蛋白質(zhì)異常，乙酰轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域均被破壞[23-24]。

Bm-iAANAT基因編碼的芳烷基乙酰轉(zhuǎn)移酶可以催化多巴胺生成N-乙酰多巴胺，進(jìn)而氧化成醌類物質(zhì)參與昆蟲表皮的硬化[32]。由于mln突變體內(nèi)Bm-iAANAT突變基因編碼的蛋白質(zhì)失去了芳烷基乙酰轉(zhuǎn)移酶的功能，使mln突變體多巴胺過量累積，從而表現(xiàn)出黑化表型。和果蠅中含有2條AANAT基因一樣，LONG等[9]在家蠶中也鑒定出了另一條AANAT基因，并將其命名為Bm-iAANAT2，通過基因敲除技術(shù)，證實(shí)該基因也具有催化多巴胺的功能。這可能是mln突變體在Bm-iAANAT基因失去功能的情況下，表皮仍能鞣化的原因。

2.5 家蠶頰尾斑(cts)突變體

家蠶cts突變體個(gè)體幼蟲頭部兩側(cè)和尾腳外側(cè)有黑褐色斑紋。ITO等[33]通過研究發(fā)現(xiàn)，位于家蠶第16染色體上的家蠶主要協(xié)助轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(BmMFS)突變是形成cts突變的直接原因，該基因包含11個(gè)外顯子和10個(gè)內(nèi)含子，cDNA序列長度為2 596 bp，并編碼508個(gè)氨基酸；BmMFS基因在頭部和尾板處的表達(dá)量很高，蛻皮時(shí)其表達(dá)量進(jìn)一步調(diào)高；cts突變體內(nèi)的BmMFS基因缺失了包括第7外顯子在內(nèi)的約6 kb的片段，使其編碼的蛋白質(zhì)只有10個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域而比正常的蛋白質(zhì)少了1個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，運(yùn)輸能力有所減弱從而導(dǎo)致cts突變體表現(xiàn)出黑化表型。

BmMFS蛋白所在的主要協(xié)助轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族是一個(gè)很大的蛋白家族，具有多種轉(zhuǎn)運(yùn)功能且轉(zhuǎn)運(yùn)的底物眾多[34]。在印度跳蟻體內(nèi)與BmMFS高度同源的蛋白具有運(yùn)輸維生素C的能力，而維生素C可以分解O-多巴醌形成多巴進(jìn)而抑制黑色素的形成[35]。家蠶中BmMFS蛋白是否也具有運(yùn)輸維生素C的能力還不能確定，而且在家蠶中多巴胺形成的黑色素是引起黑化的主要物質(zhì)。這些問題都表明BmMFS基因突變形成cts突變體的分子機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

2.6 其他家蠶黑化突變品種的研究

除了上述幾種家蠶黑化突變，其他黑化突變的研究也一直在進(jìn)行著，并取得了一定的成果。CHIKUSHI[36]利用家蠶Bm突變與家蠶油蠶(ow)突變、bts突變的形態(tài)連鎖，把Bm突變基因定位到第17染色體0.0 cM處；DOIRA等[37]通過野蠶翅斑(Ws)突變和bts突變的連鎖交換，把Ws突變基因定位到第17染色體的14.7 cM處。目前，ITO等[38]通過定位克隆和熒光原位雜交技術(shù)把Bm和Ws突變基因精細(xì)定位到家蠶第17染色體上位于Bm_scaf33的序列長度分別為2 Mb和100 kb片段內(nèi)。代方銀等[39]采用家蠶連鎖群的形態(tài)標(biāo)記和簡單序列重復(fù)(SSR)分子標(biāo)記對(duì)家蠶sml突變基因(雄蛾體色為灰黑色，而雌蛾為白色)進(jìn)行連鎖分析，發(fā)現(xiàn)sml突變基因位于家蠶第17染色體上。劉麗麗等[40]用分子標(biāo)記和高分辨率熔解曲線(HRM)結(jié)合的基因型分析技術(shù)對(duì)家蠶PS基因進(jìn)行精細(xì)定位，通過轉(zhuǎn)錄組高通量測(cè)序(RNA-Seq)差異表達(dá)基因分析篩查與色素合成相關(guān)的基因，將PS基因精細(xì)定位于家蠶第2連鎖群nscaf2623：97 113～222 422之間，并發(fā)現(xiàn)黑縞斑紋形成主要是通過提高酪氨酸向多巴的轉(zhuǎn)化速度來實(shí)現(xiàn)黑色素合成量的增加。

3 家蠶黑化突變對(duì)家蠶生物特性的影響

目前解析的幾種家蠶黑化突變，都引起了突變個(gè)體體內(nèi)黑色素合成代謝途徑中各相關(guān)基因表達(dá)量和代謝中間產(chǎn)物含量的改變，最終使黑色素過量累積表現(xiàn)出黑化表型。而黑色素、合成黑色素過程中各中間產(chǎn)物以及一些代謝相關(guān)的基因和酶不僅與昆蟲表皮的著色相關(guān)，還在昆蟲擇偶、體溫調(diào)節(jié)及免疫等生物特性方面起著重要作用，如昆蟲的先天性免疫中的黑化免疫就是基于黑色素的合成代謝途徑形成的[41-42]。黑色素本身是昆蟲表皮的重要組成成分，具有抵抗紫外線、吸收熱量、適應(yīng)環(huán)境等多種生理功能，在傷口愈合和抵御病原物入侵方面也發(fā)揮著重要作用[43-44]。果蠅幼蟲被刺傷后，10 min左右就會(huì)有大量的黑色素在傷口處聚集并結(jié)疤堵住傷口，減少血淋巴的流失和防止傷口感染[45]。黑色素合成的本質(zhì)是一連串的氧化作用，有多個(gè)中間產(chǎn)物，研究發(fā)現(xiàn)其中一些由二酚衍生成的醌類物質(zhì)具有細(xì)胞毒性[46-47]。李黎等[48]通過家蠶黑化免疫的研究，發(fā)現(xiàn)BmTH、BmADC，BmDDC、Bmyellow等基因在大腸桿菌和枯草桿菌注射攻擊家蠶后，表達(dá)量均顯著調(diào)高；抑菌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多巴和多巴胺都能抑制大腸桿菌的生長，并且多巴和多巴胺抑菌試驗(yàn)的培養(yǎng)基也有明顯變黑的現(xiàn)象。

暗化型家蠶突變體因Bm-iAANAT基因功能的缺失，使得多巴胺過量累積，也使得多巴、NBAD的含量顯著提高，NADA的含量大幅減少。這些變化不僅改變了家蠶表皮的著色，一定程度上也影響了家蠶表皮和外骨骼的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。通過掃描電鏡和機(jī)械性能分析，QIAO等[49]研究了mln突變對(duì)家蠶成蟲背板和翅膀的影響，發(fā)現(xiàn)mln突變體的背板因NADA缺乏而出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，mln突變體成蟲的翅膀彈性模量顯著高于普通型家蠶，而阻尼性模量則明顯降低；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，mln突變體的行為也有一定的改變，特別是蛾期，mln突變體蠶蛾易受驚且在交配方面也比野生型困難，并推測(cè)可能與mln顏色更深并且交配器官更硬有關(guān)。HE等[50]發(fā)現(xiàn)sml中表現(xiàn)出黑化表型的雄蛾擁有更長的壽命，并推測(cè)由黑化引起的抗氧化防御系統(tǒng)能力增強(qiáng)和胰島素代謝效率降低是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

DAI等[26]在研究家蠶bp突變時(shí)，發(fā)現(xiàn)bp突變體在低溫時(shí)著色會(huì)更深一些，而在高溫時(shí)著色淺一些，他們認(rèn)為這種現(xiàn)象是家蠶對(duì)環(huán)境適應(yīng)的一種表現(xiàn)，即暗色表皮更容易吸收熱量從而適應(yīng)低溫，這也暗示了家蠶黑蛹品種可能具有更強(qiáng)的低溫適應(yīng)性。紫外線照射5齡黑色蠶(pB，幼蟲全身為黑色，純合體致死)不同時(shí)間后，調(diào)查其正常化蛹率的研究發(fā)現(xiàn)，pB突變體外角質(zhì)層的黑色素物質(zhì)可以抵御紫外線的輻射，而且血液中黑色素物質(zhì)具有防止氧化的功能，從而使化蛹率有所提高[43，51]。但這些關(guān)于黑化家蠶生物特性的研究還比較分散也不夠深入，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 討論和展望

家蠶豐富而多樣的體色突變，是其在長期馴化的過程中經(jīng)過自然突變和人工選擇產(chǎn)生的性狀表型多樣性結(jié)果之一，吸引了大批科學(xué)家為解析其形成機(jī)制和調(diào)控機(jī)理而努力。經(jīng)過不懈的研究，人們?cè)诩倚Q體色突變的分子機(jī)制方面取得了諸多成果。比如MENG等[52]以檸檬蠶(lem)為材料，研究其突變?cè)蚝图倚Q的蝶啶類色素合成代謝通路，并以此探究帕金森綜合癥的治療方法；也有許多以家蠶ow突變體為實(shí)驗(yàn)樣品來探索家蠶中尿酸的代謝模式和人類風(fēng)濕類疾病的研究[53]。作為家蠶體色突變中的一大類——黑化突變，目前發(fā)現(xiàn)的突變品種就超過了20種。通過對(duì)這些突變體的研究，可以為昆蟲特別是鱗翅目昆蟲的黑色素著色的研究提供重要的參考，也可以為昆蟲個(gè)體發(fā)育和群體進(jìn)化的研究提供借鑒，甚至可以為人類黑色素相關(guān)疾病的研究提供幫助。家蠶中與黑化突變相關(guān)的基因ebony和Bm-iAANTA等因?yàn)槟苄纬梢妆嬲J(rèn)的表型，已作為轉(zhuǎn)基因標(biāo)記用于瓢蟲、果蠅等昆蟲的研究中[13]。YU等[54]通過家蠶與野蠶黑色素合成代謝相關(guān)基因之間核酸多樣性的比較，分析了長期人工馴化對(duì)家蠶核酸多樣性的影響，發(fā)現(xiàn)TH基因內(nèi)含子上的一個(gè)增強(qiáng)子在馴化過程中的丟失是導(dǎo)致形成當(dāng)前家蠶表型的原因之一。人體中存在不少與黑色素合成代謝相關(guān)的疾病，如雀斑、白化病等，而這些疾病在家蠶中均有對(duì)應(yīng)的突變體。以這些突變體為模型，可以進(jìn)行疾病相關(guān)基因的解析和藥物的篩選[13，55]。

雖然關(guān)于黑化家蠶的研究已經(jīng)取得了不小進(jìn)展，但總體來說我們對(duì)于黑化家蠶的認(rèn)識(shí)還很膚淺。家蠶中有不少黑化突變品種的研究仍處于起始階段，如家蠶PS、Bm、sml等突變，目前均未定位到突變基因，其發(fā)生機(jī)制、調(diào)控模式等問題也需進(jìn)一步深入研究；還有一些黑化突變家蠶的研究依然處于空白狀態(tài)，如白帶黑翅(wb)、野蠶黑蛾(Wm)、Di等突變品種。這些突變體是研究黑化突變機(jī)制和完善家蠶黑色素合成代謝途徑的基石，對(duì)它們的詳細(xì)解析還需要做大量而艱苦的工作。

昆蟲體色發(fā)生黑化后，其生活特性、適應(yīng)性和抗性方面的改變一直是人們研究的重點(diǎn)。有研究表明黑化突變能提高昆蟲機(jī)體的免疫功能和適應(yīng)能力[56]，如海灰翅夜蛾的黑化幼蟲與其正常型相比，具有明顯的抗白僵菌特性[42]；東方粘蟲黑化幼蟲對(duì)核型多角體病毒和昆蟲病原真菌的抗性分別是其正常型的2倍和5倍[57]。另外，MA等[58]通過對(duì)黑化棉鈴蟲生活周期的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)黑化的棉鈴蟲存在生活周期長、質(zhì)量輕、配對(duì)率低和產(chǎn)卵數(shù)少等問題，并指出這些不良性狀的產(chǎn)生可能與機(jī)體平衡黑化帶來的免疫功能提高有關(guān)；DUBOVSKIY等[59]在對(duì)黑化大蠟螟的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的情況，黑化大蠟螟擁有更厚的角質(zhì)層，血細(xì)胞的數(shù)量和免疫相關(guān)基因表達(dá)量都有所提升，從而增強(qiáng)了對(duì)白僵菌的抵抗力；但付出的代價(jià)是壽命減少和繁殖力降低。探索黑化突變對(duì)昆蟲生理特性的影響，能加深對(duì)黑化昆蟲的認(rèn)識(shí)，為全面解析黑化突變的分子機(jī)制提供幫助，也能為更好地開發(fā)利用昆蟲黑化資源提供參考。然而，相比甜菜夜蛾、粘蟲、果蠅等昆蟲中黑化突變品種適應(yīng)度和抗性的研究，黑化家蠶在這方面的研究還少有報(bào)道。

家蠶是一種重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲，同時(shí)也作為模式昆蟲被越來越多地應(yīng)用于生物學(xué)各個(gè)方面的研究。對(duì)家蠶黑化品種的全面解析和深度研究，能從根本上揭示各種黑化品種的形成原因，完善家蠶的色素代謝模式，為家蠶的育種工作提供參考，并將有力地促進(jìn)昆蟲進(jìn)化、遺傳和種群多樣性等學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] WITTKOPP P J，BELDADE P.Development and evolution of insect pigmentation：genetic mechanisms and the potential consequences of pleiotropy[J].Semin Cell Dev Biol，2009，20(1)：65-71.

[2] WITTKOPP P J，CARROLL S B，KOPP A.Evolution in black and white：genetic control of pigment patterns in Drosophila[J].Trends Genet，2003，19(9)：495-504.

[3] EIZIRIK E，YUHKI N，JOHNSON W E，et al.Molecular genetics and evolution of melanism in the cat family[J].Curr Biol,2003，13(5)：448-453.

[4] COOK L M，SACCHERI I J.The peppered moth and industrial melanism：evolution of a natural selection case study[J].Heredity，2013，110(3)：207-212.

[5] BARNES A I，SIVAJOTHY M T. Density-dependent prophylaxis in the mealworm beetleTenebriomolitorL.(Coleoptera：Tenebrionidae)：cuticular melanization is an indicator of investment in immunity[J].P Roy Soc Lond B Bio，2000(267)：177-182.

[6] 魯成，代方銀，向仲懷.家蠶基因庫突變系統(tǒng)的研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003，36(8)：968-975.

[7] FUTAHASHI R，SATO J，MENG Y，et al.yellowandebonyare the responsible genes for the larval color mutants of the silkwormBombyxmori[J].Genetics，2008，180(4)：1 995-2 005.

[8] FUTAHASHI R，BANNO Y，F(xiàn)UJIWARA H.Caterpillar color patterns are determined by a two-phase melanin gene prepatterning process：new evidence from tan and laccase2[J].Evol Dev，2010，12(2)：157-167.

[9] LONG Y，LI J，ZHAO T，et al.A new arylalkylamine N-acetyltransferase in silkworm (Bombyxmori) affects integument pigmentation[J].Appl Biochem Biotechnol，2015，175(7)：3 447-3 457.

[10]GORMAN M J，AN C，KANOST M R.Characterization of tyrosine hydroxylase fromManducasexta[J].Insect Biochem Mol Biol，2007，37(12)：1 327-1 337.

[11]PE’REZ M M，SCHACHTER J，BERNI J，et al. The enzyme NBAD-synthase plays diverse roles during the life cycle ofDrosophilamelanogaster[J].J Insect Physiol，2010，56(1)：8-13.

[12]YATSU J，ASANO T.Cuticle laccase of the silkworm，Bombyxmori：Purification，gene identification and presence of its inactive precursor in the cuticle[J].Insect Biochem Mol Biol，2009，39(4)：254-262.

[13]彭晨星，吳松原，代方銀.家蠶著色模式相關(guān)的分子遺傳學(xué)研究[J].蠶業(yè)科學(xué)，2016，42(3)：373-385.

[14]ARAKANE M J，ARAKANE Y.Tyrosine hydroxylase is required for cuticle sclerotization and pigmentation inTriboliumcastaneum[J].Insect Biochem Mol Biol，2010，40(3)：267-273.

[15]HODGETTS R B，O'KEEFE S L.Dopa decarboxylase：a model gene-enzyme system for studying development，behavior，and systematics[J].Annu Rev Entomol，2006(51)：259-284.

[16]ARAKANE Y，LOMAKIN J，BEEMAN R W，et al.Molecular and functional analyses of amino acid decarboxylases involved in cuticle tanning inTriboliumcastaneum[J]. J Biol Chem，2009，284(24)：16 584-16 594.

[17]WRIGHT T R.Phenotypic analysis of the Dopa decarboxylase gene cluster mutants inDrosophilamelanogaster[J].J Hered，1996，87(3)：175-190.

[18]WRIGHT T R，BEWLEY G C，SHERALD A F. The genetics of dopa decarboxylase in Drosophila melanogaster.II.Isolation and characterization of dopa-decarboxylase-deficient mutants and their relationship to the a-methyl-dopa-hypersensitive mutants[J].Genetics，1976，84(2)：287-310.

[19]WITTKOPP P J，TRUE J R，CARROLL S B.Reciprocal functions of the Drosophila yellow and ebony proteins in the development and evolution of pigment patterns[J].Development，2002，129(8)：1 849-1 858.

[20]XIA A H，ZHOU Q X，YU L L，et al.Identification and analysis of yellow protein family genes in the silkworm，Bombyxmori[J].BMC Genomics，2006，7(1)：195.

[21]FUTAHASHI R，F(xiàn)UJIWARA H.Regulation of 20-hydroxyecdysone on the larval pigmentation and the expression of melanin synthesisenzymesandyellowgene of the swallowtail butterfly，Papilioxuthus[J].Insect Biochem Mol Biol，2007，37(8)：855-864.

[22]WRIGHT T R.The genetics of biogenic amine metabolism，sclerotization，and melanization inDrosophilamelanogaster[J].Adv Genet，1987(24)：127-222.

[23]ZHAN S，GUO Q，LI M，et al.Disruption of an N-acetyltransferase gene in the silkworm reveals a novel role in pigmentation[J].Development，2010，137(23)：4 083-4 090.

[24]DAI F Y，QIAO L，TONG X L，et al.Mutations of an arylalkylamine-N-acetyltransferase，Bm-iAANAT，are responsible for silkworm melanism mutant[J]. J Biol Chem，2010，285(25)：19 553-19 560.

[25]ITO K，KATSUMA S，YAMAMOTO K，et al.Yellow-e determines the color pattern of larval head and tail spots of the silkwormBombyxmori[J]. J Biol Chem，2010，285(8)：5 624-5 629.

[26]DAI F Y， QIAO L， CAO C，et al.Aspartate decarboxylase is required for a normal pupa pigmentation pattern in the silkworm，Bombyxmori[J]. Sci Rep，2015(5)：10 885.

[27]TAKAHASHI A，TAKAHASHI K，UEDA R，et al.Natural variation ofebonygene controlling thoracic pigmentation inDrosophilamelanogaster[J].Genetics，2007，177(2)：1 233-1 237.

[28]HARUO H.Genetika studo pri melanismo ce morusa silkraupo，Bombyxmori[J].J Insect Biotechnol Sericol，1961，30(5)：389-391.

[29]孫家羿，李圣，黃德輝.家蠶暗化型基因(mln)遺傳及利用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34(7)：1 378-1 379.

[30]黃德輝，李圣，孫家羿.應(yīng)用家蠶暗化型基因提高雜交率[J].中國蠶業(yè)，2003，24(3)：97.

[31]TSUGEHARA T，IWAI S，F(xiàn)UJIWARA Y，et al.Cloning and characterization of insect arylalkylamine N-acetyltransferase fromBombyxmori[J].Comp Biochem Physiol B，2007，147(3)：358-366.

[32]TSUGEHARA T，IMAI T，TAKEDA M.Characterization of arylalkylamine N-acetyltransferase from silkmoth (Antheraeapernyi) and pesticidal drug design based on the baculovirus-expressed enzyme[J].Comp Biochem Physiol，2013，157(1)：93-102.

[33]ITO K，KIDOKORO K，KATSUMA S，et al.Positional cloning of a gene responsible for the cts mutation of the silkworm，Bombyxmori[J].Genome，2012，55(7)：493-504.

[34]REDDY V S，SHLYKOV M A，CASTILLO R，et al.The major facilitator superfamily (MFS) revisited[J].J Mol Microbiol Biotechnol，1999，1(2)：2 022-2 035.

[35]SOLANO F，BRIGANTI S，PICARDO M，et al.Hypopigmenting agents：an updated review on biological，chemical and clinical aspects[J]. Pigment Cell Res， 2006，19(6)：550-571.

[36]CHIKUSHI H.A new linkage group of the silkworm，Bombyxmori[J].J Seric Sci Jpn,1960(29)：278.

[37]DIORA K，MASUDA S.Linkage analysis of the ‘Wild wing spot’gene in the silkworm[J].Proc Sericult Sci Kyushu，1981(12)：64-72.

[38]ITO K，KATSUMA S，KUWAZAKI S，et al.Mapping and recombination analysis of two moth colour mutations，black moth and wild wing spot，in the silkwormBombyxmori[J].Heredity，2016，116(1)：52-59.

[39]代方銀，胡海，何松真，等.結(jié)合形態(tài)標(biāo)記和分子標(biāo)記對(duì)家蠶從性黑蛾(sml) 的連鎖分析[J].蠶業(yè)科學(xué)，2013，39(3)：442-447.

[40]劉麗麗，劉曉曉，余俊杰，等.家蠶黑縞基因(PS)的精細(xì)定位及色素合成相關(guān)基因分析[J].蠶業(yè)科學(xué)，2014，40(5)：811-817.

[41]KRAMS I，BURGHARDT G M，KRAMS R，et al.A dark cuticle allows higher investment in immunity，longevity and fecundity in a beetle upon a simulated parasite attack[J].Oecologia，2016(1)：1-11.

[42]WILSON K，COTTER S C，REESON A F，et al.Melanism and disease resistance in insects[J]. Ecol Lett，2001，4(6)：637-649.

[43]HU Y G，SHEN Y H，ZHANG Z，et al.Melanin and urate act to prevent ultraviolet damage in the integument of the silkworm，Bombyxmori[J]. Arch Insect Biochem Physiol， 2013，83(1)：41-55.

[44]GALKO M J，KRASNOW M A.Cellular and genetic analysis of wound healing in Drosophila larvae[J].PLoS Biology，2004，2(8)：e239.

[45]TANG H.Regulation and function of the melanization reaction in Drosophila[J].Fly，2009，3(1)：105-111.

[46]FUJITA K，ITO S，INOUE S，et al.Selective toxicity of 5-S-cysteinyldopa，a melanin precursor，to tumor cells in vitro and in vivo[J].Cancer Res，1980，40(7)：2 543-2 546.

[47]GRAHAM D G，TIFFANY S M，VOGEL F S.The toxicity of melanin precursors[J].J Invest Dermatol，1978，70(2)：113-116.

[48]李黎，陳萍.家蠶黑化免疫初探[D].重慶：西南大學(xué)，2013.

[49]QIAO L，LI Y H，XIONG G，et al.Effects of altered catecholamine metabolism on pigmentation and physical properties of sclerotized regions in the silkworm melanism mutant[J].PLoS ONE，2012，7(8)：175-198.

[50]HE S Z，TONG X L，LU K P， et al.Comparative analysis of transcriptomes amongBombyxmoristrains and sexes reveals the genes regulating melanic morph and the related phenotypes[J].PLOS ONE，2016，11(5)：e0155061.

[51]蘇陶俊楓，夏川林，李艷君，等.家蠶表皮斑紋黑色素形成過程的解剖學(xué)觀察[J].蠶業(yè)科學(xué)，2014，40(3)：445-451.

[52]HU Y G，SHEN Y H，ZHANG Z，et al.Melanin and urate act to prevent ultraviolet damage in the integument of the silkworm，Bombyxmori[J]. Arch Insect Biochem Physiol，2013，83(1)：41-55.

[53]MENG Y，KATSUMA S S，TAKAAKI D，et al. The silkworm mutant lemon (lemon lethal) is a potential insect model for human sepiapterin reductase deficiency [J]. J Biol Chem，2009，284(17)：11 698-11 705.

[54]YU H S，SHEN Y H，YUAN G X，et al.Evidence of selection at melanin synthesis pathway loci during silkwormdomestication[J]. Mol Biol Evol， 2011，28(6)：1 785-1 799.

[55]TSUGURU F J，HIROAKI A，MUNETAKA K，et al.Albino (al) is a tetrahydrobiopterin (BH4)-de cient mutant of the silkwormBombyxmori[J]. Insect Biochem Mol Biol， 2013，43(7)：594-600.

[56]WITTKOPP P J，BELDADE P.Development and evolution of insect pigmentation：Genetic mechanisms and the potential consequences of pleiotropy[J].Semin Cell Dev Biol，2009(20)：65-71.

[57]KUNIMI Y，YAMADA E. Relationship of larval phase and susceptibility of the armyworm，PseudaletiaseparataWalker(Lepidoptera，Noctuidae) to a nuclear polyhedrosis-virus and a granulosis-virus [J].Appl Entomol Zool，1990，25(2)：289-297.

[58]MA W H，CHEN L，WANG M O，et al. Trade-offs between melanisation and life-history traits inHelicoverpaarmigera[J]. Ecol Entomol，2008，33(1)：37-44.

[59]DUBOVSKIY I M，WHITTEN M M A，KRYUKOV V Y，et al. More than a colour change：Insect melanism，disease resistance and fecundity[J].Proc Biol Sci，2013(280)：584-592.

10．16839 /j．cnki．zgcy．2017．01．014

2016-12-13;接受日期：2016-12-30

安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(編號(hào) 15B0629)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(編號(hào) CARS-22)；安徽省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系[編號(hào) 皖農(nóng)科(2016)84號(hào)]；安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(編號(hào) 12C0602)；安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(編號(hào) 16B0611)。

信息：張彥(1987—)，男，安徽阜陽，碩士，研究實(shí)習(xí)員。 Tel：0551-62826576，E-mail:526535833@qq.com

S881.2

B

1007-0982(2017)01-0058-08

ISSN 1007-0982; CN 32-1421 /S