家蚕茧丝相关性状的研究进展

刘 娜 李 娟 秦 笙，2 李木旺，2

(1江苏科技大学生物技术学院，江苏镇江 212018; 2中国农业科学院蚕业研究所，江苏镇江 212018)

家蚕茧丝相关性状的研究进展

刘 娜1李 娟1秦 笙1，2李木旺1，2

(1江苏科技大学生物技术学院，江苏镇江 212018;2中国农业科学院蚕业研究所，江苏镇江 212018)

家蚕是具有经济价值的鳞翅目昆虫。作为饲养家蚕主要的效益产品，茧丝是蚕桑行业产量和质量效益的主要决定因素，因此选育茧丝性状良好的家蚕品种，可以使得蚕丝产量和质量都得到提高，从而提高生产效益。主要介绍了家蚕茧丝性状的特征，以及传统的家蚕育种中茧丝性状的研究进展和分子育种水平上茧丝性状的研究进展和应用，概述了蚕业研究者们利用各种分子标记以及分子技术和蛋白技术对影响茧丝量性状的关键功能基因的研究进展，同时总结了家蚕主要经济性状的重要功能基因的研究进展，并对未来家蚕茧丝性状的研究发展方向进行了展望。

家蚕;茧丝性状;杂交育种;分子标记技术;转录组测序

蚕桑产业在我国已有5 000多年的悠久历史，是我国的传统产业之一。中国的生丝生产总量占世界生丝生产总量的70%，生丝出口量占世界生丝总出口量的80%，是世界上最大的生丝生产国和输出国。家蚕是由野蚕驯化而来的泌丝类经济昆虫，其重要的经济价值主要表现为茧丝的价值。茧丝的产量是蚕业生产中一个非常重要的经济性状，也是该行业产量和质量效益的一个主要决定因素，因此，家蚕品种选育的一个重要目标就是选育出全茧量大并且茧层率高、丝质优的实用家蚕品种。现在蚕桑生产中1头多丝量实用品种的家蚕大约可生产0.5 g的丝蛋白，然而在种质资源库中很多低丝量蚕品种的泌丝量不足0.1 g［1］。本文就家蚕茧丝产量性状的遗传机制、功能基因等多方面的研究发展进行概述，以期为同仁提供参考。

1 家蚕茧丝性状概述

对经济昆虫——家蚕的吐丝机制以及茧丝量的研究一直是蚕业科学和家蚕育种的研究热点。家蚕的全茧量、茧层量、茧层率、茧丝长以及茧丝纤度等重要的经济性状是由微效多基因控制的，属于数量性状遗传(quantitative trait loci，QTL)［1］。数量性状的变异具有连续性，茧丝量的广义遗传率较高，而狭义遗传率比较低;茧丝长的广义遗传率和狭义遗传率都比较高，其基因的加性效应占主导作用，显性效应和上位效应作用较小［2－3］。茧丝量不仅受到饲育环境、性别、变态发育以及先天因素的影响，在不同品系家蚕的研究中发现，一些基因也与茧丝生产和家蚕生长有关，在家蚕的生物学性状形成过程中，一些功能基因起到了很重要的作用［4］。随着分子生物学的发展，DNA分子标记等新型遗传标记技术的开发，为开展家蚕基因定位、育种以及功能基因研究等工作提供了技术保障。

2 茧丝性状在家蚕传统育种方面的研究与应用

家蚕育种历程基本上可以分为2个大的阶段:第1个阶段是经过几千年将野蚕驯化为家蚕，并对其进行选种，使得茧层率从原来的8%提高到15%左右;第2个阶段则是随着遗传学的发展和杂交育种技术的进步，并将其应用于家蚕繁殖育种中，从而育成高茧层率的蚕品种，目前我国蚕业生产中推广应用的春用蚕品种的茧层率大部分达到了20%，有的多丝量蚕品种的茧层率甚至超过30%。长期以来，家蚕品种的选育方法都是根据家蚕的表型性状为标准来进行特定性状的选择。采用传统的育种技术来育成1对优良的蚕品种杂交组合，不仅要在常规育种中饲养大量的蛾区来进行系统选择，需要花费很长的时间，而且由于家蚕茧丝量性状与生命力性状之间存在一定的生物学负相关，这也给育种工作带来了一定的困难。因此，选育经济性状良好，尤其是茧丝量多的蚕品种还需要不断地探索新的育种方法。

在1928年，沈敦辉以青熟和轮月为材料进行试验，研究结果表明茧丝量、茧丝纤度、茧丝长等数量性状具有部分伴性遗传的特点，并提出了4对基因控制的理论假说，他认为这4对基因中，有1对基因位于性染色体上，另外3对基因位于常染色体上，并且位于常染色体上的3对基因具有累加作用［4］。随后许多研究者们广泛地开展了家蚕数量性状的遗传效应、遗传规律、狭义遗传率和广义遗传率以及其基因位点数等多方面的研究。蒲生卓磨等［5］发现家蚕的发育速度、茧丝纤度以及茧丝长等呈现出不完全显性的遗传规律，茧层量则表现为完全显性，化蛹率和全茧量属于超显性;化蛹率、全茧量、茧丝纤度和解舒率都受上位效应所支配，并且化蛹率和茧丝纤度具有细胞质效应，而控制茧丝长的有效基因有4群。何克荣等［6］以雄蚕品种的结茧率、全茧量、茧层量、茧层率、万蚕收茧量等5个蚕茧质量性状为研究对象，应用不完全双列杂交试验进行了配合力分析，得到了这些蚕茧质量性状的遗传方差、广义遗传率和狭义遗传率以及供试家蚕品种的配合力效应等。

近二十年来，家蚕育种工作者应用杂交育种的技术育成了多个多丝量蚕品种［7－8］，尤其是在已经育成的菁松、皓月的基础上成功育成了“新·莹 ×玉·泉”等多个多丝量蚕品种［9］。钟伯雄等［10］以D7、C8420、秋丰、白玉和龙限等5个家蚕品种为材料，对茧质性状进行了广义遗传分析以及性连锁遗传分析，研究了家蚕全茧量、茧层量、茧层率和蛹体质量等数量性状的性别效应的强度，估算出家蚕全茧量和蛹体质量的性别效应强度高达50%，茧层量的性连锁强度约为5%，茧层率的性连锁强度大约为30%。祝新荣等［11］育成了雄蚕杂交组合华菁×平72，其一代杂交种的雄蚕率达100%，是1对综合经济性状优良的多丝量雄蚕新品种。

3 分子生物学技术在茧丝性状研究中的应用

家蚕的茧丝性状属于数量性状，遗传基础复杂，表现为连续变异，性状不易观测和检测，且容易受到环境的影响，性状表现并不稳定，因此传统的数量遗传学研究难以分组进行研究，只能借助统计学的方法将多基因系统划为一个整体的系统进行分析，无法鉴别出单个数量性状基因以及与其相关的染色体片段，因而无法确定数量性状的基因座在染色体上的位置［12］。近年来，随着分子生物学的迅速发展，很多研究可以在基因组水平上对生物进行基因分析，产生了许多分子标记技术［13］，研究者们也纷纷将分子遗传学以及分子生物学的方法和技术应用于数量性状遗传的研究中。分子数量遗传学的发展使得研究家蚕数量性状更为清晰，它能够将影响数量性状的多个基因分别定位在染色体上，从而确定相应的DNA序列，并借助家蚕分子遗传图谱的分子标记，可以在杂交后代的选育中准确地确定影响经济性状的QTL位点及其遗传效应，在一定程度上提高了育种效率以及品种经济性状。

3.1 分子标记技术在家蚕茧丝性状研究中的应用

近20多年来，随着分子遗传学和基因组学等方面研究的不断深入，家蚕分子生物学和基因组学的研究与应用也得到了非常快速的发展。1991年，GOLDSMITH［14］提出了国际家蚕分子育种计划，主要包括构建蚕的分子基因图谱和QTL分析。

家蚕遗传连锁图谱是家蚕遗传育种基础理论研究以及实际蚕业生产应用的中间桥梁，是家蚕种质资源、遗传育种及分子克隆等多方面应用研究的理论依据和基础。蚕业研究人员先后构建了以杂交为基础的分子标记限制性酶切长度多态性(RFLP)［15］、以PCR技术为基础的随机扩增多态性DNA(RAPD)［16］、扩增片段长度多态性(AFLP)［17］、简单重复序列(SSR)［18］和单核苷酸多态性(SNP)［19］等多个分子标记的家蚕分子遗传连锁图，利用分子标记技术直接在分子水平上对家蚕进行了重要经济性状的定位，并利用分子标记进行选择和固定，即利用分子标记技术辅助选择优良个体。分子标记辅助选择就是在DNA水平上利用表型值或育种值的选择，直接对基因型的选择进行分子育种，该育种选择方法不受环境的影响，并且无性别限制，因此该育种选种方法可以应用于早期选种。

3.2 家蚕数量性状QTL定位研究

对控制数量性状的主效基因进行的定位即QTL定位［20］。可用于QTL定位的遗传标记主要有形态标记、同工酶标记、DNA分子标记等，其中分子标记具有极大的致密性和丰富性，从而提高了QTL定位的可靠性、实用性和重复性。谭远德［21］、何克荣等［22］用形态标记初步定位了家蚕茧丝性状的相关基因。鲁成等［23］采用AELP技术分析了影响家蚕全茧量、茧层量、茧层率以及蛹体质量等4个重要经济性状的QTL。李冰［24］对全茧量、茧层量、茧丝长等多个茧丝数量性状进行了定位分析。利用家蚕分子连锁图对茧丝性状进行QTL定位研究，为进一步利用QTL分子标记辅助技术选育优质、高产的蚕品种奠定了基础。

4 家蚕茧丝性状相关功能基因的研究

4.1 家蚕茧丝性状在基因组学和蛋白质组学水平上的研究

家蚕基因组研究为茧丝性状的功能基因组学的研究奠定了基础。近些年来，国内外生物研究者先后利用家蚕基因组精细图定位克隆了20多个突变基因［25－26］。另外，家蚕已经公布了数十万条表达序列标签(expressed sequence tag，EST)序列，这些EST序列为家蚕功能基因的全长克隆提供了部分序列基础［27］。通过分析比较茧丝量多和茧丝量少的家蚕品种以及其近等基因系的转录组测序信息，结合基因组精细图、EST序列以及QTL定位区域的信息，可以实现影响茧丝性状的关键功能基因的发掘并分析鉴定其基因功能和作用机制。

蛋白质组学是后基因组学研究的重要内容，也是研究功能基因组学的重要组成部分。沈飞英等［28］研究发现，5龄期家蚕的中部丝腺不同区段的蛋白质存在差异，并推测在不同丝腺区段特异表达的蛋白质可能和这些区段丝胶蛋白的合成和分泌有关;HOU等［29］对家蚕的中部丝腺和后部丝腺进行了蛋白质组学的相关分析比较，并对在家蚕后部丝腺中差异表达的98种蛋白质进行了探究鉴定，得到了40多条新的蛋白质序列;余芳等［30］以茧层量差异明显的家蚕品种的后部丝腺进行了蛋白质组学比较分析，发现不同品系的家蚕后部丝腺细胞中存在一些差异蛋白质，推测这些蛋白质很有可能与丝蛋白的合成有关;张利平等［31］应用蛋白质组学的研究方法，对茧丝量有较大差异的不同家蚕品系的5龄期第5天的幼虫后部丝腺表达的差异蛋白进行了分析鉴定，发现差异表达的蛋白种类主要为应激反应相关蛋白、能量相关蛋白、蛋白质合成相关蛋白和一些酶类等。

4.2 家蚕茧丝性状在转录组学水平上的研究

MA等［32－33］利用 piggyBac介导的 GAL4/UAS系统将原癌基因Ras 1CA在丝腺中过表达，发现家蚕茧丝量提高，并利用转录组测序分析，比较转录本中野生型家蚕后部丝腺和Ras 1CA过表达转基因家蚕后部丝腺中的基因的差异，认为Ras 1CA能够在转录水平上对一些细胞周期通路中的基因进行调控，从而调控茧丝蛋白的合成。FANG等［34］分析了家蚕和野蚕中部丝腺和后部丝腺的转录组差异，为研究家蚕和野蚕茧丝量差异的分子机制奠定了基础。LI等［35］以菁松和兰10为材料，通过对丝腺转录组测序，得到上千个与丝腺发育和茧丝量表达有关的差异基因，通过KEGG分析发现，这些差异基因主要富集在与蛋白质生物合成有关的3个通路上，并对有代表性的10个基因进行了实时荧光定量PCR (qRT－PCR)验证，通过分析这2个茧丝量差异大的家蚕品种在丝腺中的差异基因，从而找出与茧丝量相关的功能基因，进一步探究决定茧丝量的分子机制。

5 展望

家蚕茧丝量是由多基因支配的实用性状，其遗传机制的研究及其相关功能基因的克隆与分析不仅对蚕业生产具有非常重要的意义，而且对家蚕丝腺生物反应器的表达调控也有重要的价值，一直受到科研人员的高度重视。在现代分子技术的研究和发展的基础上，进一步对家蚕多丝量性状的QTL定位分析、功能基因的克隆分析，研究茧丝量的决定机制，将为利用基因组辅助育种技术选育高产、优质的家蚕品种打下基础。随着分子生物学技术的发展，大规模基因组测序技术得到了广泛的使用，从而使得对家蚕茧丝性状的研究更加深入，同时结合分子育种以及基因组育种技术，有望高效选育出高产、优质的家蚕新品种。而利用基因组编辑技术的定点插入和定点敲除技术，结合各类复杂性状的形成机制的解析、家蚕与病原相互作用的深入研究等成果，有望实现人工培育新型家蚕品种。

［1］陈涛.中国蚕桑产业可持续发展研究［D］.重庆:西南大学，2012.

［2］向仲怀.家蚕遗传育种学［M］.北京:农业出版社，1991.

［3］杨明观.家蚕数量性状配合力与杂种优势研究［J］.蚕业科学，1982，8(4):193－198.

［4］李琼艳，荀利杰，廖鹏飞.影响家蚕茧丝产量的主要因素［J］.山东农业科学，2016(4):154－158.

［5］蒲生卓磨，平林隆.家蚕的发育速度、化蛹率及茧质性状双列杂交的遗传分析［J］.育种学杂志，1983，33(2):178－l90.

［6］何克荣，柳新菊，祝新荣，等.多环境条件下家蚕主要经济性状杂种优势表现［J］.蚕桑通报，2011，42(1):7－10.

［7］冯家新.近年家蚕新品种性状［J］.蚕桑通报，2008，39(4): 40－45.

［8］肖金树，张友洪，周安莲，等.春用家蚕新品种“春·兰×玉·帛”的育成［J］.蚕业科学，2008，34(3):439－446.

［9］黄君霆，费美华，朱洪顺，等.春用多丝量家蚕品种“新·莹×玉·泉”的育成［J］.蚕业科学，2007，33(4):654－658.

［10］钟伯雄，吴玉澄.家蚕茧质性状广义遗传分析［J］.浙江农业大学学报，1997，23(4):31－37.

［11］祝新荣，何克荣，柳新菊，等.多丝量雄蚕新品种华菁×平72的育成［J］.蚕业科学，2014，40(2):248－253.

［12］ZHAN S，HUANG J，GUO Q.et al.An integrated genetic linkage map for silkworms with three parental combinations and its application to the mapping of single genes and QTL［J］.BMC Genomics，2009(10):389－404.

［13］段雪梅.家蚕多种分子标记连锁图谱的构建及分析［D］.苏州:苏州大学，2008.

［14］GOLDSMITH M R.The Bombyx mori genome-mapping project［J］.Sericologia，1991，31(Sl):24－25.

［15］SHI J，HECKEL D G，GOLDSMITH M R.A genetic linkage map for the domesticated silkworm，Bombyx mori，based on restriction fragment length polymorphisms［J］.GenetRes，1995(66):109－126.

［16］YASUKOCHI Y.A dense genetic map of the silkworm，Bombyx mori，covering all chromosomes based on 1018 molecular markers［J］.Genetics，1998，150(4):1 513－1 525.

［17］TAN Y D，WAN C L，ZHU Y F，et al.An amplified fragment length polymorphism map of the silkworm［J］.Genetics，2001，157(3): 1 277－1 284.

［18］MIAO X X，XU S J，LI M H，et al.Simple sequence repeat-based consensus linkage map of the silkworm genome［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences USA，2005，102(45):16 303－16 308.

［19］YAMAMOTO K，NARUKAWA J，KADONO O K，et al.Construction of a single nucleotide polymorphism linkage map for the silkworm，Bombyx mori，based on bacterial artificial chromosome end sequences［J］.Genetics，2006，173(1):151－161.

［20］LI B，WANG X Y，HOU C X，et al.Genetic analysis of quantitative trait loci for cocoon and silk production quantity in Bombyx mori (Lepidoptera:Bombycidae)，European［J］.Journal of Entomology，2013，110(2):205－213.

［21］谭远德.家蚕QTL定位与分子标记(RAPD)连锁图谱的构建［D］.重庆:西南农业大学，1996.

［22］何克荣，夏建国，叶爱红，等.家蚕标记基因位点与数量性状基因位点重组参数的最大似然估计法［J］.蚕业科学，1996，22 (1):31－35.

［23］鲁成，李斌，赵爱春，等.家蚕重要经济性状的QTL定位研究［J］.中国科学(C辑:生命科学)，2004，34(3):236－242.

［24］李冰.家蚕茧质相关性状的QTL分析［D］.镇江:江苏科技大学，2012.

［25］ZHAN S，GUO Q H，LI M H，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.

［26］WANG L Y，TAKASHI K，TSUGURU F，et al.Reduced expression of the dysbindin-like gene in the Bombyx mori ov mutant exhibiting mottled translucency of the larval skin［J］.Genome，2013，56(2): 101－108.

［27］程道军.家蚕大规模EST测序及脂肪体基因表达谱分析［D］.重庆:西南农业大学，2003.

［28］沈飞英，钟伯雄，楼程富，等.家蚕五龄幼虫中部丝腺细胞的蛋白质组成比较［J］.中国农业科学，2005，38(5):1 052－1 058.

［29］HOU Y，XIA Q Y，ZHAO P，et al.Studies on middle silk gland and posterior silk gland of silkworm(Bombyx mori)using two-dimensional electrophoresis and mass spectrometry［J］.Insect Biochem Mol Biol，2007，37(5):486－496.

［30］余芳，兰天云，李建营，等.茧层量差异家蚕品种后部丝腺细胞和血液组织的蛋白质表达谱分析［J］.蚕业科学，2008，34(2): 197－204.

［31］张利平，钟晓武，聂红毅，等.不同产丝量家蚕品系后部丝腺的蛋白质组学分析［J］.蚕业科学，2012，38(3):468－474.

［32］MA L，XU H F，ZHU J Q，et al.Ras1CAoverexpression in the posterior silk gland improves silk yield［J］.Cell Research，2011(21): 934－943.

［33］MA L，MA Q，LI X，et al.Transcriptomic analysis of differentially expressed genes in the Ras1(CA)overexpressed and wildtype posterior silk glands［J］.BMC Genomics，2014(15):182.

［34］FANG S M，HU B L，ZHOU Q Z，et al.Comparative analysis of the silk gland transcriptomes between the domestic and wild silkworms［J］.BMC Genomics，2015(16):60.

［35］LI J，QIN S，YU H，et al.Comparative transcriptome analysis reveals different silk yields of two silkworm strains［J］.PLoS ONE，2016，11 (5):http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.e0155329.

S881.2

B

1007－0982(2016)04－0006－04

10.16839/j.cnki.zgcy.2016.04.002

2016－07－11;接受日期:2016－09－18

国家自然科学基金项目(编号31372375);江苏省自然科学基金项目(编号BK20131240)。

第1作者信息:刘娜(1992—)，女，陕西延安，硕士研究生。Tel:18852893792，E-mail:zhihan150969@163.com

信息:李木旺(1972—)，男，博士，研究员。Tel:0511－85605663，E-mail:muwangli@163.com