PLoS Genetics：代方银课题组揭示“破茧成蝶”的遗传基础及其应用

2020年9月28日，遗传学领域国际著名期刊PLoS Genetics在线发表代方银教授课题组的研究论文“Cocoonase is indispensable for Lepidoptera insects breaking the sealed cocoon”。该项研究揭示了溶茧酶基因对于鳞翅目结茧昆虫的生物学意义与其在家蚕种质创制中的应用。

鳞翅目昆虫的营茧行为

许多昆虫以自身结茧来保护其变态发育，在“茧宫殿”中化蛹和羽化，可以免于或减轻不利环境和捕食者的侵害。自然界中，结封闭茧的昆虫，变态为成虫后必须“破茧成蝶”，才能行使交配和完成产卵继代。此前的研究认为破茧过程有溶茧酶（cocoonase）参与，但它是否起到决定性作用，则尚无研究报道。

溶茧酶为鳞翅目昆虫特有，且在营茧类昆虫分化前就已存在

课题组通过生物信息学分析揭示，溶茧酶为鳞翅目昆虫特有，且在其获得结茧能力之前该基因就已经存在，它在进化中经历纯化选择，并在结封闭茧的鳞翅目昆虫中选择作用更为强烈。研究人员以家蚕为结封闭茧的鳞翅目昆虫模式，利用CRISPR/Cas9系统敲除溶茧酶基因，建立了该基因的敲除突变系，其纯合突变体能顺利完成全生命周期并存活，但其成虫（蛾）因丧失溶茧的能力而不能“破茧而出”，困在茧中自然死亡。这是首次以实验和表型证据表明，溶茧酶是破茧的决定因素。这一发现提示，对于结封闭茧的鳞翅目害虫，可以通过溶茧酶的失活或基因驱动策略控制害虫数量。

纯合突变体因丧失溶茧能力而被困于茧内自然死亡

家蚕是产业昆虫，烘茧是传统生产中不可缺少的一道工序，且在老蚕完成吐丝结茧和化蛹后必须及时收茧烘茧，否则在1周至10天左右蚕蛾就会“破茧而出”，造成“破口茧”而不能缫丝。烘茧的主要目的就是杀死蛹并烘干蛹茧，以阻止蜕变为蛾后破坏和污染蚕茧，便于蚕茧长期储存和根据生产安排缫丝。

                溶茧酶基因时期表达谱                                             敲除纯合突变体中溶茧酶的表达检测

课题组的研究表明，溶茧酶基因只在蛹后期至蛾期表达，敲除溶茧酶基因的纯合突变体，不仅不影响繁殖力、孵化率、生长发育，也不影响蚕茧产能和品质，困在茧内的蚕蛾也不在茧内产卵，蛾体死亡后逐渐呈干瘪状。因此，不仅可以延迟收茧，也无需高温烘烤或冷冻，蚕茧即可长时间储存。而在繁殖环节，按照正常蚕种生产流程削茧鉴蛹（分选雌雄），敲除系制种过程与普通家蚕品种完全相同。基于此，作为一种新的育种材料，经过进一步的评价和选育改良及辅之相关配套技术，必将给蚕茧生产和缫丝工业带来重大创新，推动传统茧丝生产工艺实现“颠覆式”进步，即从品种源头实现“免烘茧”，省工序、节能源、减排放、少投入；也解决“收茧大战”问题，避免“不得不卖”和“压级压价”，更好地保护蚕农利益。

生殖能力对比调查

茧质性状对比调查

家蚕基因组生物学国家重点实验室（西南大学）为论文第一署名单位，博士研究生盖停停为论文第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金重点项目、国家现代农业（蚕桑）产业技术体系专项以及国家“双一流”学科建设经费的资助。

论文连接：https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009004。