家蚕资源生物学团队在家蚕体形体色分子机制研究中获得新的重要发现

家蚕资源生物学团队在家蚕体形体色分子机制研究中获得新的重要发现

2017年9月，家蚕基因组生物学国家重点实验室代方银教授指导的博士研究生熊高等在美国遗传学会出版的百年著名期刊Genetics(遗传学)上发表了题为“Body Shape and Coloration of Silkworm Larvae Are Influenced by a Novel Cuticular Protein”(家蚕幼虫体形和着色受到一个新的表皮蛋白影响)的原创研究论文，并被选为亮点文章(Highlighted Article)。Genetics期刊副主编、美国康奈尔大学遗传与分子生物学教授Mariana Wolfner高度称赞该研究论文是一个精彩的科学故事。审稿专家评价：该论文呈现了一项杰出的研究，阐述了一个低复杂度表皮蛋白在家蚕幼虫形态构建和着色方面的功能；研究工作周密，从多方面呈现了令人信服的实验证据(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)。

该项研究从定位克隆被命名为“竹蚕”(Bamboo,Bo)的突变基因出发。Bo蚕体节紧缩，节间部隆起，形似竹节，斑纹受到抑制，严重影响蜕皮和活动能力，显性遗传。研究小组将Bo突变基因导入其它显性遗传的斑纹突变体(褐园斑L、杲蚕U)，发现同样抑制其它斑纹的表现。用Bo与正常品系组配规模化的杂交分离群体，通过基因定位实验、生物信息学分析、基因表达分析、基因克隆测序等，发现Bo蚕中表皮蛋白基因BmorCPH24发生了无效突变，导致了遗传变异。进一步通过基因编辑技术(CRISPR/Cas9)在正常型(Dazao)蚕中敲除BmorCPH24基因，成功再现了与Bo一致的突变表型，证实了该基因的功能和定位克隆结果的可靠性。

BmorCPH24基因是如何影响到体形和体色的呢？课题组研究发现，该基因特异性在幼虫表皮中表达，负责细胞外基质——角质层内皮层的合成，其功能缺陷后诱导了表皮细胞凋亡，并影响到其它多个表皮蛋白基因和色素沉着基因的表达降低；BmorCPH24为一个新进化出的基因，获得了同时控制幼虫体形和色素沉着的新功能。这是在家蚕中第一个鉴定到的具有同时影响幼虫体形和体色的多效性功能分子，其发现对于理解昆虫生态学特征的形成具有重要启示。

昆虫体形和体色具有重要的生态学意义，是昆虫对环境适应性的直观体现。近年来，该课题组基于深厚的突变遗传研究积淀，致力于鉴定控制家蚕特殊体形和体色的遗传分子，取得了多项重要成果。课题组前期通过解析“石蚕”(stony, st)的形成机制，揭示了具有几丁质结合功能域的表皮蛋白基因BmorCPR2突变后导致表皮几丁质含量降低，引起蚕体僵硬，活动能力下降，在同一期刊发表(Qiao L, Xiong G, Wang RX, et al. Genetics, 2014, 196, 1103-1115)。这些研究说明了特定表皮蛋白基因在维持家蚕/鳞翅目昆虫正常体形及体色模式、适应能力等方面的重要性，也预示了以特定表皮蛋白基因作为分子靶标实现鳞翅目害虫控制的潜在可能性。