通过整合图谱分析与基因编辑技术，确定BmCCP是家蚕茧形及吐丝行为的调控因子

《Journal of Insect Physiology》：Integrated mapping and gene editing identify BmCCP as a regulator of cocoon shape and spinning behaviour in Bombyx mori

　　

Xiaoning Sun|Yi Zhang|Riming Lu|Taiming Dai|Jianfeng Qiu|Xuran Jia|Guang Wang|Zhonghua Pan|Shiqing Xu|Yanghu Sima

中国苏州215123，苏州大学苏州医学院生命科学学院

摘要

家蚕的茧形是一种由结茧行为塑造的构建性状，但其分子调控机制目前尚不明确。本研究结合定量表型分析、批量分离群测序、脑部转录组分析以及CRISPR/Cas9突变技术，旨在识别调控茧形态形成的基因，并探讨其在结茧行为中的作用。通过分别产生短椭圆形茧和长花生形茧的代表性品系L6J5和J8，研究表明以茧长宽比来衡量的茧形属于数量性状。批量分离群测序将这一性状定位在4号染色体上的一个5.04兆碱基对的候选区间内，该区间包含213个已注释的基因。通过将这些定位结果与具有极端茧形个体的脑部转录组数据相结合，发现家蚕茧形相关蛋白（BmCCP）是唯一与之重叠的候选基因。在幼虫游动阶段，J8品系的脑部中BmCCP的表达水平高于L6J5品系，且该基因位点存在多种相关多态性。在未经人工选择过茧形的常用实验品系大造中，BmCCP缺失同样会导致茧体积增大，同时显著降低幼虫的结茧频率；而与J8品系的杂交进一步证实了BmCCP在调控茧长宽比中的作用。综上，这些研究结果表明BmCCP是调控茧形态形成的关键基因，为探究家蚕茧形态与结茧行为之间的关系奠定了基础。

引言

许多昆虫会利用自身分泌的物质建造保护性巢穴，但由于社会结构的复杂性或遗传背景的不明确，这些与建造行为相关的生理和分子机制往往难以阐明（Leadbeater等，2011；Sane等，2020；Schaerf，2024）。家蚕的结茧行为则是一个适合研究昆虫建造行为的模型，因为它具有自主性、高度的固定模式，且其遗传背景已被充分研究（Miura等，1997；Matsumoto和Sekimizu，2016；Tong等，2022）。作为一种具有丰富遗传资源的驯化鳞翅目模式昆虫，家蚕也非常适合用于研究与行为相关的形态特征的遗传调控机制。

家蚕的茧形态存在显著多样性。经过驯化和地理扩散后，家蚕品系演化出了具有不同茧形态的亚群（Xiang等，2018；Tong等，2022；Fragkou等，2025）。这些亚群包括产生椭圆形茧、花生形茧和纺锤形茧的品系，表明茧形在自然界中存在较大的变异（Rao等，2006；Zhang等，2020）。这类变异具有生物学意义，同时也对养蚕业具有重要意义：茧形的差异可能会改变蛹周围的微环境，从而影响生态适应性，同时也会影响抽丝效果和育种管理（Xu等，2016；Guerra和Reppert，2017）。此外，在长期培育和选择过程中，品系内的茧形特征通常保持稳定，这表明这一性状具有较强的遗传稳定性（Xiang等，2018）。

尽管茧形在生物学和实际应用中都具有重要意义，但其遗传基础至今仍不十分清楚。传统的遗传学分析表明，茧形是一种复杂的数量性状，不同茧形类别之间存在显性关系，且对茧长宽比有显著的加性效应（Xiang等，2005；Zhang等，2020）。主要茧形类型的遗传模式进一步支持了茧形是由多个基因位点共同调控而非单个主基因控制的观点（Zhang等，2020）。最近的研究还表明，丝蛋白成分的异常也会显著改变茧的形态。例如，纤维蛋白轻链基因（Fib-L）或纤维六聚体蛋白类似物1基因（fhx-L1）的缺失分别会导致丝胶茧和绒毛状茧的形成（Ye等，2021；Zhang等，2023）。然而，这些表型主要是由于关键丝蛋白的缺失导致茧层结构崩溃或丝纤维间的黏附力下降所引起的，因此不属于传统意义上的茧形分化范畴。所以，这些表型无法解释不同地理区域驯化家蚕品系中椭圆形茧和花生形茧等传统茧形类型的形成机制。相比之下，越来越多的证据表明，茧形与结茧行为的动态过程密切相关（Yokoyama，1951；Kiyosawa等，1999）。例如，在WO7品系中，形成绒毛状球形茧的个体多呈现C形结茧方式，而形成紧凑花生形茧的个体则更常呈现S形结茧方式（Khan等，2009）。综合现有证据来看，家蚕茧形的变异更可能是由结茧行为模式的遗传差异所导致的。

虽然之前的研究已经确定了茧形的遗传性和数量性状特征，但针对这一性状的QTL水平和基因水平分析仍然相对有限。批量分离群测序，尤其是与转录组分析结合使用时，是一种有效的策略，可用于解析数量性状（Zhang等，2022a）。该方法能够快速定位与极端表型相关的基因组区域，而转录组数据则可以通过揭示生物相关组织或发育阶段的表达差异，帮助确定这些区域内的候选基因（Yang等，2024；Guan等，2026）。对于与茧形相关的性状而言，这种组合策略尤为适用，因为茧形易于量化，且候选基因可以在与结茧行为相关的神经组织中进行功能评估。

在本研究中，我们以典型的短椭圆形茧品系和长花生形茧品系为研究对象，探讨了家蚕茧形变异的分子机制。首先，我们建立了基于茧长宽比的定量表型分析体系，随后结合批量分离群测序和脑部转录组分析，筛选出与茧形变异相关的候选基因，最后通过CRISPR/Cas9突变技术检测这些基因的功能，并探讨其与结茧行为的可能关联。这种整合性的研究方法使我们能够确定与茧形变异相关的候选基因，并评估它们在结茧行为中的作用。我们的研究结果识别出了一个调控茧形的分子因子，为进一步研究家蚕的建造行为与茧形态之间的关系奠定了基础。

章节节选

昆虫与杂交实验

本研究使用的家蚕品系L6J5、J8和大造均来自苏州大学家蚕种质资源库。通过将L6J5品系的雌虫与J8品系的雄虫进行杂交，获得了直系F1代杂交种；再将J8品系的雌虫与L6J5品系的雄虫杂交，获得了反向F1代杂交种。F2代个体则是通过让F1代成虫相互交配产生的。另外，还将F1代雄虫与亲本品系中的雌虫（L6J5或J8）进行回交，得到了两个BC1代群体。所有幼虫均在25±1℃、相对湿度为75–85%的环境下饲养。

家蚕茧形变异的分类与遗传分析

根据对称性、腰部收缩程度以及末端形态，家蚕茧被分为六类：球形/椭圆形、纺锤形、花生形、单尖形、半月形/肾形以及异常形（图1A）。为了便于定量比较，研究人员采用了最大短直径与长直径的比值（a/b）作为茧形的量化指标。

在此基础上，球形/椭圆形茧进一步被细分为球形茧（0.8

讨论

家蚕的茧形并非单纯的静态形态特征，而是幼虫体型、结茧行为以及神经和内分泌调控相互作用作用下形成的复合表型。通过结合批量分离群测序、脑部RNA测序以及功能分析，我们发现BmCCP是与中国品系和日本品系之间茧形差异最相关的候选基因。不过，由于受到某些限制，我们对该基因功能的具体解读仍不够深入。

CRediT作者贡献说明

Xiaoning Sun：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，可视化分析，项目管理，实验研究，资金获取，数据整理，概念构思。Yi Zhang：验证实验，实验指导，软件应用，方法设计，实验研究。Riming Lu：验证实验，方法设计，实验研究，统计分析，数据整理。Taiming Dai：可视化分析，方法设计，统计分析。Jianfeng Qiu：实验指导，方法设计，统计分析。Xuran Jia：可视化分析，验证实验。

资助情况

本研究得到了以下机构的支持：中国农业农村部农业研究系统：CARS-18项目；中国国家自然科学基金，项目编号：32502987；国家昆虫资源重点实验室，项目编号：SKLRI-ORP202402。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国科学院上海植物生理生态研究所的黄永平博士，感谢他慷慨提供了本研究所需的所有质粒。