家蚕和野桑蚕蚕茧丰度差异蛋白的功能和分子调控机制研究

The domestic silkworm (Bombyx mori) is an economically important insect. It was domesticated from its progenitor wild silkworm (B. mandarina) about 5000 years ago. The silk is raw material of silk cloth. Silk yield of cocoon of the domestic silkworm increased 3-5 times compared with that of wild silkworm during domestication. However, our comparative analysis of proteomes of cocoon between the domestic and wild silkworms suggested that abundances of most protein components of sericin of cocoon in the domestic silkworm are significantly less than those in wild silkworm. Of 10 top less abundance proteins, 3 belong to protease inhibitors. In this project, we intend to investigate the molecular regulatory mechanisms of down-regulated proteins of cocoon during silkworm domestication by exploiting proteomics, functional genomics and population genomics approaches. Also, we will investigate the functions of three the most up-regulated protease inhibitors in wild silkworm cocoon and the effects of these protease inhibitors on microorganisms. The research will not only provide valuable information for understanding genetics of silkworm domestication but also improve the silkworm breeding and use of gene resource in wild silkworm.

家蚕是重要的经济昆虫，约5000年前从野桑蚕驯化而来。蚕丝是纺织丝绸的原料。在长期驯化和育种选择作用下家蚕的茧丝产量比野桑蚕的提高了3-5倍。然而，我们对家蚕与野桑蚕蚕茧蛋白质组的比较分析却发现：家蚕蚕茧中许多丝胶组分蛋白的丰度是显著低于野桑蚕蚕茧的。家蚕蚕茧中3个功能未知的蛋白酶抑制剂排在10个下调最大蛋白之列。本项目拟从蛋白质组入手，利用功能基因组学、群体基因组学等多组学方法研究驯化过程中家蚕蚕茧蛋白丰度下调的分子进化机理和调控机制；研究在家蚕蚕茧中丰度下调而在野桑蚕蚕茧中丰度上调最大的3个功能未知蛋白酶抑制剂的功能和其在抵抗外源微生物方面的作用。该研究不仅对揭示家蚕驯化遗传学机理有重要理论意义，而且对家蚕遗传育种和野生基因资源开发利用有重要实用价值。

蚕茧是家蚕蛹期的重要保护屏障。在经历了长期的高强度人工选择后，相比于其野生祖先，家蚕蚕茧发生了巨大的改变。最明显的就是茧丝产量得以数倍的提升。然而，这其中的机制还不是很清楚。另外，相比人类饲养技术及环境，野桑蚕必须面多来自野外的更多威胁，蚕茧作为重要的保护结构可能拥有更强的防御功能。但是，这个方面的研究还不是很清楚。本项目发现家蚕丝腺发育的早期和中期，家蚕上调的基因主要和细胞的分裂和生长有关。这导致家蚕的后部丝腺(PSG)比野桑蚕有更多的细胞，为家蚕拥有更强的丝蛋白合成能力提供了基础。在丝腺发育后期，家蚕上调的基因富集于蛋白质加工和核糖体途径，说明家蚕在驯化过程中蛋白质合成效率大大提高。另外，我们发现和丝蛋白合成相关的基因表现出了较强的人工选择信号。以上的结果说明了后部丝腺细胞数量的增多以及受到人工选择的丝蛋白合成相关基因的差异表达可能对家蚕茧丝产量的提高有重要作用。野桑蚕生活在野外，比生活在人工环境中的家蚕面临更多的微生物压力。因此，野桑蚕茧可能具有较强的保护内部蛹的能力。在本研究中，我们发现和家蚕蚕茧相比野桑蚕蚕茧拥有更高的丝胶含量。通过蛋白质组学分析，我们发现野桑蚕蚕茧中富集了相当多的氧化还原酶和蛋白酶抑制剂。更进一步的体外的蛋白酶抑制试验验证了野蚕蚕茧的蛋白酶抑制剂活性要高于家蚕蚕茧。这说明野桑蚕蚕茧中高丰度的蛋白酶抑制剂可能发挥了对微生物的抵御作用。丝腺是合成茧丝的主要场所，利用比较家蚕和野桑蚕丝腺的染色质开放区可以更好的解释家蚕和野桑蚕茧丝产量和丝胶蛋白合成的差异。通过ATAC-seq 技术，我们筛选了一个候选的转录因子（gsb-n），其调控的大部分候选靶基因在野桑蚕丝腺中有较高的表达水平。重要的是，这些候选靶基因中还包括了一个丝蛋白合成的重要转录因子POU-M2（SGF3）。该结果暗示着gsb-n可能是造成家蚕和野桑蚕茧丝蛋白差异的重要转录因子。本课题实施4年来已发表SCI论文3篇。已培养硕士3人、博士生2人。