《Insect Biochemistry and Molecular Biology》：Hypoxanthine accumulation caused by mutations of
Bombyx mori xanthine dehydrogenase triggers female sterility
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家蚕op50突变体因BmXDH1基因单碱基插入导致催化功能丧失，引发雌性繁殖缺陷，表现为产卵量减少和孵化率显著降低，并伴随卵壳表面及卵孔结构严重受损，揭示黄嘌呤代谢调控繁殖的关键机制。
赖文清|卢占鹏|张强|邵作民|高晗|孙霞|秦胜|王学阳|李慕王
江苏省蚕桑与动物生物技术重点实验室，江苏科技大学生物技术学院，镇江市，212100，中国
摘要 昆虫的繁殖能力是决定种群适应性的关键因素，但其调控机制仍不甚明了。在本研究中，我们发现了一种名为op50的蚕突变体（源自p50品系），该突变体表现出雌性特有的繁殖缺陷，为研究昆虫繁殖调控机制提供了重要模型。研究发现，op50品系中的Bombyx mori xanthine dehydrogenase 1 （BmXDH1 ）基因发生单碱基插入，导致基因提前终止，缺失了154个C末端氨基酸，从而丧失了催化活性。ΔBmXDH1 突变体再现了op50的表型特征：产卵量减少了50%，孵化率降低了90%，这归因于卵壳表面和卵表面孔隙的严重结构损伤。此外，雌性的繁殖缺陷始于蛹期，表现为输卵管畸形和产卵能力受损。这种表型与次黄嘌呤的过度积累有关，进而导致卵巢和胚胎发育紊乱，涉及细胞外基质重塑、细胞信号通路以及氧化应激调控。本研究揭示了BmXDH1 如何通过调节次黄嘌呤代谢来控制蚕的繁殖，有助于深入理解昆虫的繁殖网络，并为害虫控制和经济昆虫育种提供了新的靶点。
引言 昆虫是地球上最多样化和数量最多的动物群体之一，其成功在很大程度上归功于其卓越的繁殖能力。然而，其背后的发育调控机制尚未完全阐明。明确昆虫的繁殖调控机制对于维持生态系统平衡、开发绿色害虫控制方法以及提高经济昆虫的繁殖效率具有重要意义。
大多数昆虫物种采用雌雄异体的繁殖方式，这一过程受到多种发育因素的调控。尽管在昆虫性别决定机制的研究上已取得重大进展（Laslo等人，2023年；Marec，2014年；Zhang等人，2018年），但其繁殖发育机制的研究仍较为滞后。昆虫的发育过程可分为胚前、胚胎和胚后三个阶段（Donoughe，2022年），其分子调控因素包括神经内分泌系统（Santos等人，2019年）、激素信号传导（Roy等人，2018年）、转录后调控（Song和Zhou，2020年）以及RNA修饰（Jiao和Palli，2024年）。然而，调控蚕卵巢发育、卵细胞形成、卵壳形成和胚胎发育的众多机制仍不清楚。此外，在全变态昆虫的变态过程中，生殖组织会发生剧烈的形态和生化变化。由于突变体模型有限且保存难度较大，这些因素阻碍了对调控机制的探索，使得相关分子基础尚未阐明。
透明蚕是一种突变体品系，其特征是尿酸合成、运输或积累受损，导致尿酸颗粒在表皮中沉积受阻（Fujii和Banno，2019年；Lee等人，2018年）。在SilkwormBase数据库（
https://shigen.nig.ac.jp/silkwormbase/topAction.do ）中，已注册了40多种透明蚕突变体，这些突变体通常不仅具有表皮透明性，还伴有繁殖异常（Fujii等人，2020年；K?moto等人，2003年），这表明尿酸代谢可能与昆虫繁殖有关。我们发现，天然透明突变体op50（源自野生型p50）表现为雌性不育而雄性保持正常生育能力。基因克隆显示，导致这种表型的突变发生在
BmXDH1 基因上，这与之前的研究结果不同——先前认为
oq 品系的雄性和雌性个体（无论性别）由于
BmXDH1 基因缺失而不育（尽管
oq 品系的雄性偶尔仍能生育）（Doira等人，1987年）。这一发现具有突破性，有助于进一步阐明昆虫繁殖调控的分子机制。
黄嘌呤脱氢酶（XDH）是一种含钼的氧化还原酶，可催化次黄嘌呤氧化为黄嘌呤，再进一步氧化为尿酸（Bortolotti等人，2021年；Kusano等人，2023年）。这一过程中产生的活性氧（ROS）和一氧化氮（NO）使其参与炎症反应、细胞生长/分化/迁移及血管功能的调控（Battelli等人，2016年；Bortolotti等人，2021年）。在人类中，XDH活性丧失会导致黄嘌呤尿症，而活性增强则会引起高尿酸血症和痛风（Matsuoka等人，2023年）。哺乳动物模型也表明，XDH缺乏会导致肾功能衰竭和血脂异常（Ohtsubo等人，2009年；Piret等人，2012年；Zhao等人，2020年）。在昆虫中，XDH对氮代谢、抗氧化防御和繁殖过程具有关键调控作用（Isoe等人，2017年）。在Drosophila melanogaster 中，XDH不仅参与尿酸合成，还调控眼睛色素沉着，因此被命名为ry （Pitts和Zwiebel，2001年）。在蚕中，XDH缺乏会影响尿酸合成和繁殖（K?moto，2002年）；然而，XDH如何调控雌性昆虫的繁殖发育的分子机制仍不清楚。
部分内容 蚕品系与饲养 蚕品系p50、op50和Nistari由江苏科技大学生物技术学院的蚕桑遗传改良重点实验室维护。op50是一种源自p50的透明突变体，目前通过杂合子（op50/+）进行繁殖。蚕幼虫在26 ± 1°C和75 ± 5%的相对湿度条件下饲养。在4龄和5龄期，温度降低1–2°C，其他环境参数保持不变
天然透明突变体op50具有表皮透明性和严重的雌性不育 为了研究其发育机制，我们对天然突变体op50（源自p50）进行了表征。表型分析显示幼虫表皮具有透明性（图1A），而蛹的形态没有显著差异（图1B和C）。成年雄性昆虫的腹部节段（第4至第6节）发育不良，身体节段松弛，节间膜暴露于体表，翅斑畸形（图1D、E、H、I）。所有透明雌性昆虫的繁殖能力均受损
讨论 繁殖对昆虫至关重要，但关于繁殖发育调控的研究相对较少。识别和探讨具有繁殖缺陷的昆虫突变体是揭示其调控机制的关键。我们发现了一种名为op50的突变体（源自p50品系），该突变体具有表皮透明性，并伴有雌性繁殖缺陷。这一新发现对于研究昆虫繁殖调控机制具有重要意义。
除了表皮透明性外，该突变体还表现出其他繁殖相关特征
CRediT作者贡献声明 赖文清： 撰写初稿、软件使用、资源准备、方法设计、实验设计、资金申请、数据管理。卢占鹏： 方法设计、实验设计。张强： 实验设计、数据管理。邵作民： 软件使用、资源准备。高晗： 方法设计、数据管理。孙霞： 撰写文本、审稿与编辑。秦胜： 数据分析。王学阳： 撰写文本、审稿与编辑、项目监督、方法设计、实验设计、资金申请。李慕王： 撰写文本——
致谢 本研究得到了国家自然科学基金 （项目编号：32472977）、蚕桑与桑树遗传改良重点实验室开放基金 （项目编号：KL202202）、中国高端外国专家引进计划 （项目编号：H20250524）以及江苏省研究生研究与实践创新计划 （项目编号：SJCX23_2235）的支持。
