Mol Biol Evol | 代方银团队揭示家蚕绿茧形成及茧色演化的遗传机理

——在生物着色机理研究方面取得新发现

2023年1月31日，进化生物学领域国际Top期刊Molecular Biology and Evolution（《分子生物学与进化》）在线发表了西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室代方银教授团队题为“Deciphering the genetic basis of silkworm cocoon colors provides new insights into biological coloration and phenotypic diversification”（破解家蚕茧色遗传基础为生物着色和表型多样化提供了新见解）的研究论文。该研究揭示了一簇糖转运蛋白编码基因（Str）通过“剂量共享”协同参与家蚕体内黄酮类化合物的吸收而决定绿茧形成，并基于泛基因组系统分析了茧色多样化的形成机制，提出了从野桑蚕到家蚕的茧色演化模式。这是首次在蚕体中鉴定到参与黄酮吸收的膜转运蛋白基因（簇），也是关于生物着色遗传机理的一项新发现。

生物多样化的外观色彩是自然界的绚丽奇观。昆虫外观色彩与其隐蔽、伪装、求偶、信号传递等众多生物学行为密切相关，对生存繁衍至关重要，其生物学研究对遗传、发育和进化理论的构建发挥了重要作用。家蚕（Bombyx mori）由野桑蚕（Bombyx mandarina）驯化而来，野桑蚕的茧一般是均一的棕黄色，而家蚕的茧色丰富多样。家蚕茧色可分为三大类：不含或含有微量色素的白茧；由类胡萝卜素沉积形成的黄红茧，如金黄茧、肉色茧、粉色茧、锈色茧等；由黄酮类化合物沉积形成的绿茧。先前的研究已基本揭示黄红茧系形成的分子基础，细胞内和细胞膜上负责运输类胡萝卜素的蛋白是黄红茧形成的关键因素。然而，绿茧的遗传基础尚未被完全揭示，特别是关于表型更为鲜艳的“独立遗传绿茧”的分子基础还无一得到解析。另一方面，伴随着从野桑蚕到家蚕的驯化，蚕茧颜色从单一到多样化的演化令人着迷，但其遗传机制仍不为所知。

此外，天然彩色茧丝除因色彩艳丽柔和受到青睐之外，还具有更强的抗菌、抗氧化、防紫外线等众多优越性能，具有重要的开发利用价值。而且绿色茧的色素沉着与黄红茧还不同，其色素不仅在丝胶中积累，也在丝素中积累，在脱胶后蚕丝仍能呈现天然绿色，因而更加受到重视。解析绿茧形成的机理对于选育和创制具有高品质、高附加值的新型蚕品种具有重要现实意义。再一方面，黄酮类化合物对人体健康状态的维持不可或缺，且对多种疾病有治疗作用，关于家蚕绿茧形成机理的研究结果，对于黄酮类化合物在动物及人体内的吸收利用研究也具有参考价值。

野桑蚕茧（左）和家蚕茧（右）

团队基于长期的家蚕经典遗传学和遗传资源研究积淀、新近构建的家蚕高质量泛基因组图谱，在本研究中，批量化采用绿茧品系进行了全基因组关联分析，对关联信号最强的“新绿茧”（New green cocoon, Gn）进行了精细定位和鉴定；通过基因表达和序列分析，将Gn的候选基因锁定为一簇糖转运蛋白基因（Str）；利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术对候选基因的功能进行研究，发现这一簇Str功能缺陷会导致家蚕丝腺和蚕茧中黄酮类化合物的含量降低，蚕茧颜色随之变淡。

家蚕Str基因簇的功能研究

关于Str类蛋白的分子功能，此前最知名的是其参与营养物质如葡萄糖的转运（故被命名“糖转运蛋白”）。本研究发现Str参与黄酮类化合物吸收的新功能令人兴奋。为了揭示Gn位点Str基因簇的起源和功能演化的分子机制，本研究构建了多个鳞翅目昆虫基因组中Str的系统发生树，并对Gn位点Str簇成员的基因结构及表达模式的分化特点进行了分析，发现参与绿茧形成的Str成员为蚕蛾科特有，表明这些基因在家蚕中经历了新功能化。进一步研究发现，这些Str蔟成员都具有参与黄酮类化合物吸收的功能，但它们并不是冗余的，而是通过“剂量共享”（dosage-sharing）方式得以在基因组中稳定存在，它们之间表现出时序上的互补表达模式：当一个Str下调时，另一个就会升高，反之亦然。研究结果表明，该Str基因蔟在蚕蛾科中特异复制产生，并经历了亚/新功能化的命运，它们通过参与黄酮类化合物的吸收贡献于绿茧性状。

新绿茧（Gn）位点Str基因簇的演化分析

家蚕绿茧形成机理的模式图

本研究还就从野桑蚕到家蚕茧色多样化的演化机制给出了解答。利用本团队完成的高质量泛基因组，对不同茧色（各种黄红茧、不同色度绿茧、白茧）的家蚕和野桑蚕群体中茧色相关位点的基因型进行了系统调查和关联分析，对茧色高度相关位点进行了系统发生分析，从而提出了茧色的演化模式。研究结果表明，黄红茧应是一类更古老的性状，并对绿茧具有上位作用；目前在家蚕中已确知的茧色基因均在野桑蚕中被发现，在驯化过程中这些基因座的遗传分离、重组和变异塑造了丰富多彩的家蚕茧色。

从野桑蚕到家蚕的茧色演化模式

审稿专家评价：“作者对茧色的探讨给人留下深刻印象，这可以用于教科书，以展示在运用现代遗传学和基因组工具情况下揭示人工选择对表型性状演化的重要作用。”“该手稿报道了一项重要的发现，即蚕茧的颜色是如何在DNA水平上通过大量的基因复制而被人为选择的。作者利用丰富的基因组数据进行了性状关联分析，并开展了全面而扎实的遗传分析和功能研究，工作令人信服。”“在蚕的众多形态表型中，蚕茧的色彩特征是最吸引人且被长期关注的话题之一，本研究报道了这一性状的新的遗传机制，具有潜在的普适意义和重要的社会贡献”。

杂志编辑表示：“作者进行了一项有趣的、开创性的研究，为昆虫着色的一个重要领域提供了新的启示，值得祝贺。”

西南大学为该论文的唯一署名和通讯单位。家蚕基因组生物学国家重点实验室代方银教授为论文最后通讯作者，童晓玲教授为共同通讯作者。博士研究生鹿亚如、博士后罗江文为论文共同第一作者。该研究受到国家自然科学基金重点项目（31830094、U20A2058）、国家现代农业产业技术体系项目（CARS-18-ZJ0102）、重庆市自然科学基金创新群体项目（cstc2021jcyj-cxtt0005）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/molbev/msad017

                           （供稿：鹿亚如、罗江文   审核：代方银）