家蚕关键品质性状分子解析及分子育种基础研究论文

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1、项目名称：家蚕关键品质性状分子解析及分子育种基础研究首席科学家：起止年限：依托部门：一、关键科学问题及研究内容1．拟解决的关键科学问题根据国家蚕丝产业发展重大需求和蚕业科学发展长远需要，以“十一·五”家蚕“973”项目研究为基础，“十二·五”期间紧紧围绕家蚕关键品质性状，重点解决如下两个关键科学问题：第一：家蚕关键品质性状形成的分子机理家蚕因食桑产丝，才可供人类利用，其关键品质性状主要有三：第一，丝蛋白合成与分泌机制。丝蛋白的组成和结构特征，决定了蚕丝关键品质性状。研究表明，家蚕丝的各种工艺性状，包括纤度（茧丝直径）、茧丝长度、净度（茧丝表面结构）、强伸力、抱合力以及解舒

2、性能（丝胶溶解性）等，均受丝腺合成与分泌机制所调控；第二，发育变态与调控。家蚕是典型的完全变态昆虫，现行蚕桑生产体系，无不是根据家蚕生长与变态发育特征来安排。特别重要的是，家蚕生长与发育特征（例如个体大小、蜕皮和化蛹时期、成虫孵化时期）决定了蚕丝蛋白合成时期与合成量，整体上决定了家蚕的蚕丝生产特性；第三，对疾病的抵抗性。家蚕经过数千年人工驯化，尽管获得了适合群居饲养和发育整齐等有利于生产的特性，同时也有大规模易受病原微生物感染的不利性状。尽管蚕桑生产过程中的疾病防控受到高度重视，但每年蚕农因蚕感病造成的损失仍然高达25％，并且高居不下。上述三个生理过程（或性状），是家蚕诸

3、多影响蚕丝产量和品质中最为关键且相互联系的因素，决定了蚕丝生产的整体水平与效益，是本项目将要解决的第一关键科学问题。在前一个项目中，家蚕性别决定、丝蛋白合成、发育和免疫等四大性状是作为其中的一个课题来布局的，并打开了关键的突破口。本期项目把性别决定之外的三个性状上升为三个课题，同时布局家蚕干细胞与不同组织器官变态发育过程中的分子基础研究，因为干细胞与组织器官再生与家蚕丝腺发育、变态发育和免疫防御有着重要的密切关系。根据已有基础，家蚕关键品质性状形成分子机理研究的具体科学问题分别如下：蚕丝蛋白合成机理研究将着重解决丝蛋白基因的分子调控问题。家蚕幼虫期共食下鲜桑叶约22g，丝

4、腺合成并分泌约0.5g丝蛋白。研究表明，家蚕丝蛋白合成调控有三大主要特点，一是蚕丝合成高效性：家蚕丝腺功能高度特异化，类似果蝇唾液腺，而丝蛋白质的合成主要由数目极其有限（140余个）的分泌细胞完成，这些细胞的细胞核内染色体高度多倍化，可达到50~100万单倍基因组。二是部位特异性：蚕丝由家蚕体腔内左右对称分布的一对丝腺所合成，每条丝腺分前部、中部和后部三个功能区域，后部和中部分别特异合成家蚕丝素蛋白和丝胶蛋白等茧丝纤维的主要结构成分；这种部位特异性决定了蚕丝各组分，尤其是有效组分丝纤维的所占比例和加工特性。三是时间特异性：家蚕丝腺细胞分化于胚胎发育时期，尽管早期幼虫的蜕皮

5、期能够合成少量蚕丝蛋白，但大量合成丝蛋白并形成丝纤维却是在末龄幼虫第3天开始，具有严格的时间调控。因此，阐明蚕丝品质性状机理，主要的科学内涵是回答上述三个特性的分子调控机制。前期研究表明，丝蛋白编码基因的转录和翻译机制是决定丝蛋白合成机制的关键因素。通过丝腺特异基因的大规模鉴定和功能研究，初步发现丝蛋白编码基因受两大信号通路的调控。一是激素信号通路，主要调控基因转录的时间特异性；二是受发育主控基因，即高度保守的同源异型盒（Homeobox）类转录调控因子所调控，主要决定丝蛋白基因表达的空间特异性。为此，本期项目将重点研究fib-H、fib-L、P25和Ser1～3等主要丝

6、蛋白编码基因受激素信号和发育主控基因的调节机制，以期系统阐明丝蛋白合成分子机理及其与蚕丝品质之间的相互关系。激素和营养信号传导与变态发育调控研究着重解决信号传导机制。与其它全变态昆虫一样，家蚕的变态发育主要受激素（神经肽激素、蜕皮激素、保幼激素和类胰岛素等）和营养（氨基酸、糖和脂肪酸等）的协同调控。目前知道，当家蚕从一个龄期幼虫向下一个龄期幼虫转变时，往往同时有高水平的蜕皮激素（20E）和保幼激素（JH）分泌，使得昆虫不会发育成蛹或成虫（蛾）。而在幼虫向蛹期发育时，体内有高水平的蜕皮激素，但保幼激素水平下降，使得幼虫向蛹期变态发育。因此认为，蜕皮激素控制着昆虫的蜕皮与变态

7、发育进程；而保幼激素则调控着昆虫发育的方向。所以，蜕皮激素和保幼激素信号传导系统及其相互作用是变态发育的核心问题。而家蚕生长与发育特征（例如个体大小、蜕皮和化蛹时期、成虫孵化时期）决定了蚕丝蛋白合成时期与合成量。因此，激素和营养信号传导对变态发育的调控将极大地影响着蚕丝产量和品质。本项目前期研究发现，家蚕共计有87种神经肽激素、激素受体和激素调节相关基因；鉴定出18种对20E敏感的受体和受体型转录因子。此外，神经肽激素基因，包括滞育激素（DH）、信息素生物合成激活神经肽（PBAN）、脂动激素（AKH）、羽化激素和家蚕素（4K-