BmILRUN在家蚕翅鳞的形成中起着重要作用

《Insect Biochemistry and Molecular Biology》：BmILRUN plays an important role in the formation of wing scale in Bombyx mori.

　　

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  无鳞翅突变体P33由13号染色体上的一个常染色体隐性基因控制。
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  经鉴定，BmILRUN是导致该突变体的基因，该基因存在内含子缺失与插入以及UTR片段截断现象。
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  通过CRISPR-Cas9技术进行的功能验证表明，BmILRUN对家蚕翅膀鳞片的形成至关重要。

引言

鳞翅目昆虫的翅膀和身体上覆盖着大量由表皮细胞衍生而来的鳞片，这一特征是该类群最显著的形态学特点之一（P., 1995）。这些鳞片能够形成多样的体色与图案。其独特的微观结构赋予昆虫光学、机械以及表面润湿特性（Zhang等人，2015），同时它们还参与多种生理与生态过程，比如体温调节（Brashears等人，2016；Cheng-Chia等人，2020；Roberts等人，1998）、防御与伪装（Cheng-Chia等人，2020；Prudic等人，2011；Yeager等人，2024）。这类结构对昆虫的适应与生存起着关键作用。在成虫羽化及人工饲养过程中，会有大量鳞片脱落，产生颗粒物。接触某些鳞翅目昆虫的刚毛和鳞片结构可能引发皮肤刺激和接触性皮炎，这不仅会影响常规饲养工作，还会威胁到操作人员的健康（Hossler, 2010）。阐明翅膀鳞片形成与发育的分子机制具有重要的理论意义，同时也能为昆虫资源的利用与遗传改良提供基础。

鳞翅目昆虫的鳞片源自翅膀盘中的分化表皮细胞（Dinwiddie等人，2014）。其形成涉及细胞命运决定与形态发生等复杂的发育过程。家蚕的翅膀鳞片在蛹期会不断发生变化。在化蛹后的第三天，会出现微小的圆形鳞片（P-3阶段）。到了化蛹后的第四天，这些结构会伸长为棒状（P-4阶段）。从化蛹后的第五天到第六天（P-5至P-6阶段），鳞片逐渐长到接近成熟大小，并形成典型的纵向棱纹与横向纹路（Jianqiu等人，2021）。翅膀的发育受到20-羟基蜕皮激素与幼虫激素之间拮抗作用的双重精确调控。这两种激素分别调控翅膀盘中的基因表达，共同控制昆虫的变态过程（Chen等人，2025）。家蚕是一种具有较高经济价值的典型完全变态模式昆虫，且拥有丰富的突变体资源，可用于发育研究。目前已有多个家蚕翅膀突变体被鉴定出来，包括mw（Jin等人，2020）、ws（Ito等人，2016）、fl（Sato等人，2008）以及mp（YunLong等人，2022）。这些突变体的致病基因参与了多种发育过程，涵盖Hippo信号通路（Jin等人，2020）、黑色素合成（Ito等人，2016）、Notch信号调控（Sato等人，2008）、细胞外基质重塑（YunLong等人，2022）以及细胞黏附作用。不过，目前大多数相关研究都集中在翅膀的整体形态发生与组织发育方面，而调控翅膀鳞片起始与分化的遗传机制仍未得到充分阐明。

家蚕的翅膀鳞片是特化的表皮附属结构，那些鳞片发育有缺陷的突变体可作为重要遗传材料，用于研究调控昆虫表皮衍生物分化的机制。在本研究中，我们从秋丰家蚕品系中获得了新的无鳞翅突变体P33，该突变体成虫的翅膀鳞片严重减少或完全缺失（见图1），这一突变体为探究鳞片形成过程提供了宝贵的遗传模型。此前关于家蚕无鳞翅表型的遗传学研究已奠定了初步基础。Zhou将无鳞翅基因定位在家蚕13号染色体上，并提出Bm-ASH1可能是致病基因（Qingxiang等人，2004），而后Dai通过BC₁M品系的进一步验证排除了Bm-ASH1是致病基因的可能（Dai等人，2007）。与表皮附属结构发育相关的多个基因，如Bm-ASH2、Bm-ASH3以及Bm-ase，也位于这一染色体区间内（Qingxiang等人，2009；Qingxiang等人，2008）。Bm-ase与Bm-ASH1的距离约为115 kb，但目前仍缺乏直接证据表明它会导致无鳞翅表型（Wang等人，2010）。

总体而言，以往针对无鳞翅突变体的研究仅将表型定位在特定染色体上，而所确定的遗传区间范围过大。由于多态性SSR标记不足，这些研究未能确定具体的突变基因。为解决上述问题，我们采用了更为全面精细的SSR标记进行精细定位，将目标基因定位在13号染色体的13-12121与13-12361标记之间。该区间内共有21个候选基因。通过转录组分析及基因序列比对，我们确定了候选基因KWMTBOMO08006，并将其命名为BmILRUN。此外，我们还利用CRISPR/Cas9系统敲除了该基因，得到的敲除个体表现出与突变体相似的翅膀鳞片表型，从而证实了BmILRUN在家蚕翅膀鳞片形成过程中的关键作用。同时，我们还通过二维电泳技术预测了可能受该基因调控的下游蛋白质。这些研究结果成功鉴定了控制家蚕翅膀鳞片发育的关键突变基因，为理解鳞片形成的分子机制提供了理论依据，也为昆虫资源的利用与遗传改良奠定了基础。

章节节选

材料

野生型家蚕品系秋丰、由秋丰自然产生的无鳞翅突变体品系P33、两化性品系P50以及多化性品系Nistari均保存在江苏科技大学的蚕业研究所。Cas9转基因家蚕品系Nistari-Cas9-EGFP则由中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所提供。供体质粒

家蚕无鳞翅突变体基因的遗传分析与精细定位

遗传分析结果显示，所有的F₁代个体都具有正常的翅膀表型，而在BC₁F代和BC₁M代后代中，则同时出现了正常翅膀表型与无鳞翅表型，二者分离比为1:1（见表1）。这些结果表明，无鳞翅表型是由一个隐性常染色体基因控制的。利用家蚕雌性个体不存在减数分裂重组的特性，我们使用了位于各条常染色体上的多态性SSR标记对BC₁F代群体进行了基因分型。PCR

讨论

家蚕P33突变体成虫的翅膀鳞片严重减少或完全缺失。在本研究中，我们通过位置克隆与CRISPR/Cas9验证，确定了BmILRUN（KWMTBOMO08006）就是导致该无鳞翅表型的致病基因，同时还研究了该基因可能的下游调控靶标。我们的发现阐明了长期以来尚未明确的家蚕无鳞翅突变体的遗传基础，同时也拓展了鳞翅目昆虫表皮附属结构发育的调控网络。

以往的研究

CRediT作者贡献说明

朱娟：写作——审阅与编辑、监督、资源提供、项目管理、方法设计、概念构思、资金获取。李新雨：实验研究、概念构思、定量分析、方法设计、资源提供。王倩：实验研究、概念构思、定量分析、方法设计、资源提供、监督。谢新磊：实验研究、数据整理、定量分析、方法设计、资源提供、软件使用、监督。李倩文：方法设计、实验研究、资源提供、监督，

未引用参考文献

A等人，2009；马等人，2024；P，1995。

伦理声明

本研究未涉及人类参与者或脊椎动物。家蚕（Bombyx mori）属于无脊椎动物，因此无需获得伦理审批。

数据可用性

相关数据为补充信息形式存在。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了安康市科技研发计划（项目编号：AK2024-NY-23）以及国家自然科学基金（项目编号：32102609）的支持。

崔千一|李倩文|谢新磊|王倩|李新雨|朱娟|陈安丽