鳞翅目昆虫家蚕无鳞片翅突变体成因的研究

The wing disc is one of the larval primordial of holometabolous insects and will develop to the wing of the adult insect at last. The wing scales of the lepidopteran insect have a homologous structure to the bristles of fruitfly (Drosophila melanogaster). It has been also proposed that development of fruitfly's bristles and lepidopteran wing scales occur in a similar manner. In the previous funding program, our results proved that the extension of the tracheal system in the wing disc was blocked, which resulted in the wing disc cells excess apoptosis in the wing scaleless mutant of silkworm(Bombyx mori). There was a cis-acting element deletion within the promoter of achaete-scute homologs Bm-ASH2, resulting in the weakness of Bm-ASH2 expression and the scaleless-wings phenotype. In this program, comparative protemics, comparative transcriptomics, cell biology and other techniques will be used to study the genes which are affected by the expression of Bm-ASH2 and involved in the development and extension of tracheal system in wing disc of wing scaleless mutant. Moreover, how can we establish a relationship between the excessive apoptosis of mutant wing surface cells and Bm-ASH2 expression? According to all of above, we hope to explore the regulatory mechanism of the key genes in the pathway of tracheal development on the wing surface and/or wing surface cell apoptosis, and verify the molecular mechanism of wing scales formation in lepidopteran.

翅原基是完全变态昆虫的主要成虫盘之一，最终发育成为成虫的翅膀。鳞翅目昆虫的鳞片与果蝇的刚毛具有相同的起源和相似的基因组织与调控方式。通过先期的资助项目，以我们发现和保存的家蚕翅无鳞片突变体scaleless 为材料，初步证明突变体的形成是由翅原基中气管的延伸受阻进而引起了翅面细胞过度凋亡而导致的，家蚕中achaete-scute复合体的同源基因ASH-2在突变体的启动子上游的一个顺式元件缺失，导致该基因的不正常表达引起了翅无鳞毛表型产生。在此基础上，本申请拟以差异蛋白质组学、差异转录组学、细胞生物学等技术重点研究Bm-ASH2基因的表达是通过哪些基因影响了突变体翅面气管末端细胞的发育和延伸？突变体翅面细胞过度凋亡又是如何与Bm-ASH2的表达相联系的？希冀通过上述研究，阐明翅面气管发育和/或翅面细胞凋亡的调控通路中关键基因的调控机理，进一步探明翅面鳞片形成的分子机理和翅面细胞定型模式。

家蚕scaleless突变体成虫的前后翅上均无鳞毛或鳞毛极少且鳞片比野生型的小且分叉少。先期研究表明：scaleless的突变表型由翅原基内部的调控因子决定，并且与翅中的气管发育受阻、蛹翅面细胞的过度凋亡有关。依此，我们对scaleless突变体成虫的前后翅上均无鳞毛或鳞毛极少的分子机理从比较蛋白质组学、比较转录组学、突变体表型的恢复等进行了综合探讨。.通过差异蛋白质学分析，探明了两者在翅原基的主要发育阶段的蛋白质表达位点差异，经质谱分析，鉴定出主要差异蛋白质和基因，并进行了验证，发现TPx在scaleless中的高表达造成其细胞凋亡推迟，翅原基表面细胞的凋亡途径可能是通过细胞色素C这一途径实现的。.通过对野生型WT、少鳞片翅SL 的翅原基进行数字基因表达谱分析后结果显示,与WT相比, Csw和Aop在SL中的下调影响了MAPK信号通路及其下游基因的表达, 导致气管初级分支和次级分支受阻, 同时还发现Fau编码的蛋白为Protein anoxia up-regulated, 该蛋白在组织处于缺氧状况下时会起重要的调控作用。还发现与WT相比, Fau在SL中的转录丰度上调, 推测其可能是由于SL中翅面气管的延伸受阻导致缺氧引起的。因此突变体SL中气管发育的受阻造成了突变表型；.家蚕无鳞片翅突变是一个条件突变，在适当低温处理条件下，表型能够条件回复。我们分析了低温处理前后翅原基中基因表达的变化情况, 结果显示, 低温处理后, 上述在WT与SL之间的271个差异基因中约有70%的基因表达量都恢复至WT的表达模式, 可见低温处理可以使SL翅原基中多数基因的表达模式趋于WT, 将SL的表型大大的挽回到野生表型。发现SL与WT相比, Csw在SL中下调, 参与MAPK信号通路的Aop也同时下调, 推测它们的共同作用抑制了气管分支的形成, 造成了突变表型。然而在SL经过低温处理之后（SLC）, 与SL相比, Csw和Aop在SLC中的转录丰度都上调, 与此同时, Ser在SLC中出现下调影响了Notch信号通路, 其相互作用促进了气管的次级分支过程, 它们的共同作用可能促进了低温处理的SL翅面气管的延伸, 使得鳞片数目有所增加, 突变表型部分挽回至野生型。