家蚕黑化代表型突变体的分子机制研究

Melanin synthesized in insects has multiple biological function, and its corresponding melanin metabolism study has already achieved model status. Research on the mechanism of melanism mutants of insects can not only elucidate their regulate mechanism of melanin metabolism and related biological reactions, but also provide important references for human pigmentation disease prevention. Many kinds of melanism mutants with different phenotypes have been found in the silkworm, which provide valuable materials for study. Based on detailed map of the silkworm genome,resequencing data of silkworm, molecular linkage map of silkworm, this project selected several types of representative melanism mutants, and obtain the candidate genes by positional cloning. Further functional verifications of candidate genes and their molecular regulation mechanism in melanin synthesize and pigmentation pattern are carried out by RNAi or gene knockout, transgene, expression profile analysis, enzymatic activity and its inhibitor analysis, metabolite investigation and biological rescue, and histomorphology. Silkworm is an important economical and experimental insect, and serves as a model for lepidoptera agricultural pests control. This project holds great significance for deeper understanding of melanism and molecular regulation mechanism of pigment metabolism in insects, and also has scientific and practical meaning for new pest control target establishment and human pigment abnormality disease investigation.

昆虫体内的黑色素具有许多生物学功能，其黑色素代谢研究具有重要模式地位。对昆虫黑化突变形成的分子机制的解析，不仅可以揭示昆虫黑色素代谢及相关生化反应的调控途径和调控机制，也能为人类色素代谢障碍性疾病的防治提供重要参考。在家蚕中发现了较多表型各异的黑化突变，具有重要研究价值。本项目基于家蚕全基因组精细图、重测序数据、分子连锁图等信息，精选多个黑化代表型突变体，通过定位克隆等策略分离获得其候选基因，采用基因干涉或敲出、转基因，并结合基因表达、酶活性分析及其抑制剂干扰、代谢产物分析及生化回复、组织形态学等手段，系统验证基因功能，探索其在家蚕黑色素合成与着色模式建立过程中的分子调控机制。家蚕是重要的经济昆虫和实验动物，是农林害虫主要类群鳞翅目的典型模式，本研究对于深入理解鳞翅目昆虫黑化及色素代谢的分子调控机制，以及建立新的害虫防治靶标及人类色素障碍疾病研究模式，也有重要科学和实践价值。

昆虫黑化具有重要的生理和生态学功能，对其分子机制的解析，有着重要生物学意义和实用价值。家蚕是重要的经济昆虫，也是鳞翅目昆虫的模式，保存有较多表型各异的黑化突变。我们精选家蚕幼虫、蛹、成虫时期多个黑化及相关突变体，通过定位克隆策略鉴定其功能基因，并阐明控制表型的机制。主要结果有：（1）完成体色及体形变异体竹蚕Bo的定位克隆，确定表皮蛋白基因BmorCPH24发生了无效突变，引起表皮细胞凋亡，导致体形和斑纹着色异常，在遗传学Top期刊Genetics发表，并入选“亮点文章”；（2）鉴定了幼虫期黑化突变“淡墨”的功能基因Bmbd，阐释了Bmbd通过影响黑色素生物合成而产生黑化表型，部分结果发表在Scientific Reports；（3）完成家蚕小斑点Spc突变体的定位研究，鉴定到Spc蚕基因组有约305kb的缺失，分析了基因与表型的关联性，在Insect Molecular Biology发表；（4）完成家蚕白化中国株alc突变分子机制研究，发现alc蚕中6-丙酮酰四氢蝶呤合成酶基因BmPTPS突变，黑色素合成受阻而导致幼虫表皮不能正常黑化，并论证alc蚕可以作为人类苯丙酮尿症的动物模式，或能用于治疗药物筛选；（5）完成家蚕黑蛹bp的分子机制解析，揭示bp蚕中天冬氨酸脱羧酶基因BmADC调控区插入转座子抑制其表达，使β丙氨酸含量不足，多巴胺过量累积而产生蛹黑化表型，在Scientific Reports发表；（6）完成家蚕成虫期黑化突变sml的分子机理研究，鉴定了sml变异位点和候选基因功能，并确定了sml位点区域是鳞翅目昆虫控制成虫体色模式的保守调控区域。本项目主要研究结果还能发表2-3篇高水平学术论文。项目所获得的创新发现对于深入理解鳞翅目昆虫黑化的分子调控机制以及害虫防控和人类色素障碍疾病研究，均有重要科学和实践价值。