家蚕天然彩色茧遗传学研究进展＊

鹿亚如 谭端 代方银

（西南大学生物技术学院，重庆 400716）

家蚕是重要的经济昆虫，在5 000多年漫长的驯化及养殖历史中，积累了大量的突变体，这其中包含了大量的茧色突变体，可将这些茧色性状分为白茧和彩色茧两大类。市场上的蚕丝制品大多由白色茧丝经过染色等工艺制成，而家蚕天然彩色蚕丝色彩艳丽柔和，若其可以大量投入生产，则可避免染色剂的使用，符合新世纪人们对绿色环保产品的追求。因此，天然彩色茧是科学家们研究的热点，而且目前取得了一系列的成果，例如日本科学家Takashi Sakudoh等先后对家蚕黄血基因Y（Proc Natl Acad Sci U S A．2007）、黄茧基因C（J Biol Chem，2010）、肉色茧基因F（J Lipid Res，2013）完成了定位克隆，并且揭示了黄红茧形成的基本机制；Takaaki Daimon等对绿茧基因Gb（PNAS，2010）进行了深入的研究，在前人的基础上进一步揭示了家蚕天然绿茧形成的分子机制。

1 家蚕天然彩色茧—黄红茧系遗传学研究进展

1．1 类胡萝卜素与家蚕黄红茧

类胡萝卜素是胡萝卜素和叶黄素的总称。胡萝卜素是C40的碳氢化合物，例如α－胡萝卜素、β－胡萝卜素、γ－胡萝卜素、番茄红素都属于胡萝卜素；叶黄素是胡萝卜素的氧化衍生物，包括玉米黄素、隐黄素等［11］。不同类胡萝卜素在晶体或溶液状态下呈现红色、黄色、橙色等艳丽的色彩，是重要的着色剂。除栀子黄外，大部分的类胡萝卜素为脂溶性。家蚕黄红茧的主要色素就是类胡萝卜素。桑叶中的类胡萝卜素被家蚕的中肠吸收，再通过血液运输到丝腺，最终在茧丝的丝胶中积累，形成了黄红茧［9－10］。不同种类的黄红茧所含的类胡萝卜素种类有所不同，例如肉色茧所含的色素主要是β－胡萝卜素，黄茧所含的色素主要是叶黄素。

1．2 家蚕黄红茧相关基因的研究进展

控制家蚕黄红茧系茧色的基因众多，其中黄血基因（Y：2－25．6）被认为是茧色的决定性因子［2］，其它的茧色基因控制的对应表型的出现均以Y基因的存在为前提，这其中包括黄茧基因（C：12－7．2）、肉色茧基因（F：6－34．7）、红色茧基因（Pk：2－？）、锈色茧基因（Rc：2－31．8）等［9－10］。另外，存在一个黄血抑制基因（I：9－16．2），I基因可以使类胡萝卜素氧化分解，最终导致无色的血液和白色的茧［10］。因此，只有在＋I、Y、某茧色基因（C、F、Pk或Rc等）同时存在时才能产生黄红茧。迄今为止，经过科学家们多年的努力，对该茧系基因的研究取得了一系列的成果，如日本科学家Takashi Sakudoh等先后完成了家蚕黄血基因Y（Proc Natl Acad Sci U S A．2007）、黄茧基因C（J Biol Chem，2010）、肉色茧基因F（J Lipid Res，2013）的定位克隆以及分子机制的研究。这3个基因也是目前研究较为深入的黄红茧相关基因。

Y基因编码一个类胡萝卜素结合蛋白（CBP）。CBP是一种胞内的类胡萝卜素结合蛋白，属于StAR蛋白家族，即含有一个与脂类结合相关的START结构域，START结构域与胆固醇、神经酰胺、叶黄素等多种脂类物质的结合和代谢相关［11］。在家蚕中，CBP对黄红茧系多种茧色的形成起关键作用，因此可能参与多种类胡萝卜素的胞内结合，研究发现其与叶黄素的吸收和转运密切相关。传统的遗传学研究认为Y基因主要控制家蚕中肠对类胡萝卜素的吸收和转运，从而直接影响家蚕血液的颜色，因此又被称为黄血基因。随着研究的深入，科学家又有了新的发现：在家蚕黄茧N4品系中，Y基因在中肠和血液中都有表达，所以推测Y基因也可能参与家蚕丝腺类胡萝卜素的转运［11］。编码CBP的基因由7个外显子和6个内含子构成，有两种结构，分别是Ya和Yb，Yb的第2、3外显子之间插入了一个CATS转座子，但是它们均可以编码完整的CBP mRNA。在＋Y家蚕个体中，＋Y基因相对于Yb基因第二外显子3’端发生了169bp的缺失，同时CATS转座子被截断，不完整的第二外显子和截断的CATS转座子组合在一起，导致基因的表达产物为没有功能的CBP mRNA［2］。

C基因的产物为Cameo2，是一个属于CD36家族的跨膜蛋白，该家族的成员为跨膜的脂蛋白受体。如哺乳动物的SR－BI及果蝇的ninaD就属于CD36家族，而SR－BI、ninaD分别在哺乳动物、果蝇中参与β－胡萝卜素、叶黄素、玉米黄素等脂类物质的吸收［11］。信息分析发现家蚕中的Cameo2与ninaD和SR－BI同源，主要负责家蚕体内叶黄素的运输［11］。C基因的单独存在并不能产生黄茧，必须与Y基因相互配合，才能使类胡萝卜素顺利在中肠吸收，进入血液，运输至丝腺，最终在茧丝中积累，形成黄茧。为了进一步验证Y基因和C基因在色素运输过程中担任的角色，黄茂华等人（PLoS One，2014）通过免疫荧光着色、共聚焦显微镜检测以及western blot分析，将Cameo2和CBP分别定位到细胞膜和细胞液，并通过双分子荧光互补分析证明这两种分子直接在细胞水平进行互作。Cameo2和CBP分别作为跨膜蛋白和胞内载体蛋白，协同促进类胡萝卜素特别是叶黄素由中肠到丝腺的运输，最终使茧着黄色。柴春利等人（Gene．2014）发现两个白茧品系秋白和12－260杂交得到的F1代个体为黄茧。研究发现秋白和12－260的基因型分别为（＋Y／＋Y，C／C）、（Y／Y，＋C／＋C），均不能产生白茧，而它们的杂交后代则可产生有功能的CBP和Cameo2［1］，茧色为黄色，进一步证明了Y基因和C基因在黄茧形成过程中的相互协作，缺一不可。

Takashi Sakudoh等人对肉色茧基因F（J Lipid Res，2013）进行了定位克隆，发现其位于6号染色体上。F基因编码产物为SCRB15，与Cameo2旁系同源，它们同属于CD36蛋白家族。C基因和F基因的不同之处在于，Y基因存在情况下，F基因主要负责β－胡萝卜素的运输，产生肉色茧；C基因主要负责叶黄素的运输，产生黄色茧。在F基因的突变体中，＋F基因编码外显子的基因组区域有1．4kb的插入，导致编码SCRB15的mRNA发生了严重的断裂，最终使β－胡萝卜素的运输受阻，无法形成肉色茧［4］。

2 家蚕天然彩色茧—绿茧系遗传学研究进展

2．1 黄酮类化合物与家蚕黄红茧

黄酮类化合物是指基本母核为2－苯基色原酮类的化合物，可分为黄酮醇类（如槲皮素、堪非醇、杨梅酮、异鼠李亭）、黄酮类（如毛地黄黄酮、芹菜素）、黄烷酮类（如橙皮素、柚皮素、圣草酚）等子类。黄酮类化合物是家蚕绿茧的主要色素。桑叶中的黄酮类化合物在家蚕体内经过一系列的代谢，最终在丝腺中积累，这与黄红茧中的类胡萝卜素不同——黄红茧中的类胡萝卜素直接来源于桑叶。

2．2 家蚕绿茧相关基因的研究进展

传统的遗传学研究表明至少有7个基因和家蚕绿色茧形成有关［8］，根据不同绿茧品系中控制茧色形成的基因数量，可将绿茧分为互补绿茧［如绿茧基因Ga（座位不明）和Gb（7－7．0）同时存在时，茧色为绿色］和独立遗传绿茧［如受绿茧基因Gc（15－？）单独控制］。黄酮类化合物在家蚕体内代谢的复杂性给绿茧的遗传模式研究带来了困难，虽然初步认为存在多个和家蚕绿茧形成相关的基因，其中的大部分基因都未进行分子水平的鉴定。Takaaki Daimon等曾对绿茧基因Gb（PNAS，2010）进行了定位克隆，并且进一步揭示了绿茧的形成机制，该基因也是目前研究最为深入的一个绿茧基因。

Takaaki Daimon等将Gb锁定为Bm－UGT10286。Bm－UGT10286编码槲皮素5－氧－葡萄糖基转移酶，是尿苷二磷酸－葡萄糖基转移酶（UGT）基因簇中的一员。研究发现Bm－UGT10286是槲皮素5－氧－葡萄糖基转移酶的唯一来源，它可以使槲皮素的5－氧部位发生糖基化，而5－氧－葡萄糖苷槲皮素是绿茧中类黄酮素的主要成分［7－8］。另外，槲皮素只有在5－氧部位发生糖基化，其在紫外光下才能发出绿色的荧光，其它部位均不可以，如槲皮素的3－氧、7－氧、3′－氧、4′－氧部位。因此Bm－UGT10286的存在将很大程度上提高黄酮类化合物在家蚕体内的生物利用率。在基因型为（＋Gb／＋Gb）的家蚕个体中，包含Bm－UGT10286的UGT基因簇区域的基因组发生了38kb的缺失，Bm－UGT10286被破坏，因此无法表达正常的槲皮素5－氧－葡萄糖基转移酶，使黄酮类化合物在茧丝的积累量大大降低，产生白茧［8］。

Gb的存在对绿茧的形成至关重要，但仍需其它绿茧基因的合作，才能形成绿色茧。Gb单独存在时，槲皮素5－氧部位发生糖基化，只有少量的5－氧葡萄糖苷槲皮素运输至丝腺，最终在茧丝中积累，此时，由于茧中色素的积累量过少，茧仍为白色，但在紫外光下可发出黄色的荧光；若Ga和Gb进行协作，丝腺对5－氧葡萄糖苷槲皮素的运输能力将大大加强，茧色为绿色；Gc可以使槲皮素在家蚕体内进一步代谢为脯氨酰槲皮素，并在茧丝中积累，可以单独控制绿茧的形成［8］。若Gc、Ga和Gb同时存在，则可使多种黄酮类化合物在茧中积累，产生深绿色的茧。

家蚕天然彩色茧相对于普通白茧有一些独特的优良性状，如色彩艳丽柔和、更加柔韧保暖、更强的抗辐射性能等，是理想的健康环保纺织材料，但彩色茧原始亲本的经济性状不够优良，还不能大量投入生产。以上对彩色茧形成的分子机制研究，将为我们更好地利用彩色茧提供理论基础，对遗传学的研究也具有重大的生物学意义。

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