脊尾白虾突变体红色性状的成因机制研究

Carotenoids and their metabolites are considered to be the material basis for the brilliant body color of many animals in nature. Astaxanthin is the predominant carotenoid pigment in crustaceans, which is normally esterified and the key molecule in the color presentation of crustaceans. However, the mechanism of crustacean color formation is still unclear. Recently, we obtained an Exopalamon carincauda strain with mutant body color, which is red and rich in free astaxanthin. Preliminary analysis confirmed that the mutant phenotype is a quality trait controlled by the recessive gene(s). This provides a unique experimental material for studying the material basis and molecular mechanism of color formation in crustaceans. Based on previous studies, the project aims to compare the metabolic characteristics of exogenous carotenoids such as astaxanthin in wild and mutant E. carincauda, to reveal the material basis of body color formation of mutant E. carincauda. The project will study specific molecular markers and differentially expressed genes at the transcriptional level, identify key genes that control the red trait and perform functional verification and regulatory networks analysis of these genes to clarify the molecular mechanism of the formation of red trait in the mutant E. carinicauda. The data will not only lay a theoretical foundation for elucidating the mechanism of color formation in crustaceans, but also provide new idea for quality traits breeding in other economic crustaceans.

类胡萝卜素及其代谢产物被认为是自然界中许多动物呈现绚丽体色的物质基础。虾青素是甲壳动物中的主要类胡萝卜素色素成分，多以酯化形式存在，是甲壳动物体色呈现的关键分子。然而，目前对于甲壳动物体色形成的机理尚不清楚。近期，我们筛选获得一种体色突变的脊尾白虾品系，该品系呈红色、富含游离虾青素，初步分析证实该突变表型属于隐性基因控制的质量性状，这为我们研究甲壳动物体色形成的物质基础和分子机制提供了独特的实验材料。本项目拟在前期工作的基础上，比较分析野生型和突变型脊尾白虾对虾青素等类胡萝卜素的代谢特点，解析突变型体色形成的物质基础；研究转录水平的特异性分子标记和差异表达基因，鉴定控制红色性状的关键基因并进行功能验证和调控网络分析，阐明脊尾白虾突变体红色性状形成的分子机制。研究结果不但为解析甲壳动物体色形成机制奠定理论基础，而且为其他经济甲壳动物的品质性状选育提供新的思路。

脊尾白虾“科苏红1号”通体红色，组织内富含游离虾青素，是研究类胡萝卜素在甲壳动物中沉积的潜在模型生物。本项目通过比较分析野生型和突变型脊尾白虾对虾青素等类胡萝卜素的代谢特点，解析了突变型体色形成的物质和代谢基础；通过研究转录水平的特异性分子标记和差异表达基因，鉴定控制红色性状的关键基因并进行功能验证和调控网络分析，初步阐明了脊尾白虾突变体红色性状形成的分子机制。主要结论如下：在饲料中添加虾青素对突变型脊尾白虾的着色效果明显优于野生型脊尾白虾，随着虾青素添加浓度的逐渐升高，突变型脊尾白虾的外观颜色逐渐加深，且酯化虾青素组的添加效果更为明显，对虾青素的高效吸收和积累是突变型脊尾白虾红色性状产生的代谢基础；对突变型和野生型脊尾白虾的转录组进行了差异表达分析，筛选获得1863个差异表达基因，其中代谢过程相关的大部分通路在突变型中表现出相对下调的趋势，实时荧光定量PCR（qPCR）验证结果显示结合、转运相关基因包括甲壳蓝蛋白、载脂蛋白、羧酸酯酶、表皮蛋白等均在突变型红虾与野生型白虾中呈现差异表达；通过BSR技术挖掘了虾青素富集性状相关的SNPs，鉴定获得了与虾青素富集性状紧密连锁的SNP标记559个，并通过进一步验证获得3个候选基因Unigene0053862、Unigene0016297和Unigene0027594，进一步以3个回交家系和F2代5个家系DNA为材料对这三个基因进行验证，最终将Unigene0027594确定为脊尾白虾虾青素富集性状相关的候选基因；Unigene0027594在野生型白虾中自无节幼体期开始高表达，但在红虾各个发育时期始终呈现低表达，对Unigene0027594的亚细胞定位结果表明，该基因编码了一个膜蛋白，对该基因的启动子区序列分析显示突变型红虾中ATG起始密码子前约1 kb的位置处插入了一段约5 kb的大片段，且大片段的插入会导致启动子活性的大幅降低，这很可能是突变型红虾发生虾青素富集的关键因素。本研究结果不但为解析甲壳动物体色形成机制奠定理论基础，而且为其他经济甲壳动物的营养品质性状选育提供新的思路。