RR1型表皮蛋白BmCPst在家蚕幼虫体形构建中的作用研究

Body shape is one of the most important visible and heritable traits of insects. Appropriate body shape can significantly enhance the adaptive ability of insects to environment, thus is of great importance to their survival and reproduction. In the process of body shape formation in insects, the mechanism of cuticle proteins involving in establishing the external morphology outline is not well understood. In the silkworm, model insect of Lepidoptera, according to the results of positional cloning, the gene responsible for the representative body shape mutation stony, BmCPst has been proven to be a RR1-like chitin binding cuticle protein gene. Based on our previous work, this project uses the stony mutant as a model, investigates the function of BmCPst gene and the molecular mechanism of stony mutation by: analysis of ultrastructure of cuticle and localization of crucial factors; analysis of BmCPst expression pattern; exhibition of mutation phenotype by repression of BmCPst; rescue of stony phenotype; interaction of BmCPst with chitin and its influence on mechanical properties of the cuticle, adaptive abilities of silkworm larva and locomotion. This project can not only give us insights into the molecular regulation mechanism of body shape formation of Lepidoptera larva, but also can provide clues and references on the potential role BmCPst plays in Lepidoptera pest ecological control.

体形特征是昆虫最重要的可见遗传性状之一。合适的体形能够极大的增强昆虫对外界环境的适应性，对其生存和繁衍有着至关重要的意义。在昆虫体形构建过程中，关于表皮蛋白参与躯体外部形态轮廓建立的机制还不是很清楚。在鳞翅目模式昆虫家蚕中，定位克隆研究结果显示：体形代表性突变石蚕（stony）的候选基因BmCPst为RR1型几丁质结合表皮蛋白基因。本项目在前期研究工作的基础上，以石蚕为模式材料，将从表皮的超微结构与关键因子的组织定位、BmCPst的表达模式、表达沉默后的表型表现、突变表型回复、BmCPst蛋白与几丁质的关系及其对表皮力学性能和幼虫适应与活动能力的影响等多个方面详细研究其功能，解析石蚕突变的分子机理。这不仅有助于深入理解鳞翅目幼虫体形构建的分子调控机制，也为这类基因在鳞翅目害虫生态防治中的潜在利用提供线索和理论参考。

体形特征是昆虫最重要的可见遗传性状之一。合适的体形能够极大的增强昆虫对外界环境的适应性，对其生存和繁衍有着至关重要的意义。在昆虫体形构建过程中，表皮的发育与躯体外部形态轮廓的建立紧密相关。而作为表皮决定性组成元素的表皮蛋白在其中的角色还不清楚。在本课题研究中，我们以鳞翅目代表物种家蚕为模式，依托蚕丰富的体形突变资源和完善的基因组数据，通过对珍贵突变体形成机理的探究，来解析一些重要表皮蛋白在鳞翅目幼虫体形构建中的作用以及表皮中关键组分间相互作用对昆虫重要的生理特征和现象的影响。利用定位克隆手段，我们发现蚕幼虫食桑期富含几丁质的组织中高表达的RR1型表皮蛋白基因—BmorCPR2，是形成家蚕石蚕突变体（stony）的分子基础。相较于野生型，在石蚕突变中的BmorCPR2基因缺失58 bp的编码序列并伴随表达量剧烈下调。BmorCPR2的功能缺失无法保护与结合几丁质，导致石蚕突变表皮几丁质严重不足，这限制了表皮的延伸，表皮拉伸性能也削减，并且节间与节间褶的比例失调。这些异常特征共同叠加，促使突变体表皮对内部器官的容纳能力明显减弱，引起身体的紧绷僵硬，节间褶隆起，以及一系列的行为活动能力的丧失与适应能力的缺陷。这是首次报道昆虫RR1型表皮蛋白突变后的对应表型特征。此外，通过精细的遗传分析、表型与基因表达模式关联分析，我们证明了参与幼虫体形构建的关键表皮蛋白基因受到黑色素前体的正调控；并且，在黑化背景下，由于黑色素前体的驱动作用，能够通过上调同功表皮蛋白的含量，来弥补因某一成员功能缺失而带来的体形和适应性缺陷。本课题的研究成果不仅有助于深入理解表皮蛋白在维持昆虫体形特征方面的作用，为以表皮蛋白为靶标的鳞翅目害虫防治策略提供理论参考；而且加深对各表皮中成员间的相互作用的机制以及他们对稳定正常表皮结构特征重要性的理解。