影响家蚕茧丝产量的主要因素

1、影响家蚕茧丝产量的主要因素摘要：家蚕是一种重要的经济昆虫，因其能吐丝结茧而 被人类驯养。在蚕业生产中茧丝产量是饲养者最为关注的问 题，而影响家蚕产丝量的因素多种多样，不同品种、不同饲 养环境的家蚕茧丝分泌量存在差异但机制尚不清楚。本文对 影响家蚕丝腺发育和丝蛋白合成分泌的各种因素进行综述， 包括丝腺细胞的分裂及细胞核复制、丝蛋白的种类及调控、 激素、营养条件等的研究结果。关键词：家蚕；茧丝产量；丝腺；丝蛋白；激素中图分类号： S881.2+1 文献标识号： A 文章编号： 1001-4942（2016）04-0154-05蚕丝是一种天然蛋白纤维，主要成分是丝素和丝胶。蚕 丝制品具有亲肤无刺激、

2、吸汗吸湿等优良特性。随着对蚕丝 结构及理化特性的深入研究，蚕丝已不仅仅是一种纺织原料， 也被作为一种新兴的生物材料，在环保、医药、工程等方面 得到广泛应用。我国是家蚕茧丝业发祥地，茧丝业在我国经 济发展中占有重要地位，家蚕产丝量是蚕业生产上最为关注 的问题。丝腺是家蚕唯一能产丝的器官，能够高效合成分泌 丝蛋白。然而从家蚕丝腺发生到取食桑叶转化为丝蛋白，再 到丝蛋白分泌出体外的整个过程不仅受环境、营养和气候等 外部条件的影响，同时也受到丝蛋白编码基因及相关基因的 表达调控及激素的影响，还与丝腺细胞数目和染色体复制次 数差异等因素相关。本文就影响家蚕茧丝产量的主要因素进 行分析，以期能为家蚕茧丝的

3、生产及遗传育种提供参考。1 丝腺的发生与发育1.1 丝腺的发生 家蚕丝腺在胚子近反转期由外胚层发生，由下颚腺特化 而成。 丝腺发生后 6h 达到分化的最旺盛时期， 反转后经 28h 反复的细胞分裂，细胞开始增大，丝物质开始分泌。分裂停 止后，吐丝部以及丝腺的前、 中、后三个部分就能明显识别， 再经过24h，形体与机能已大体上具备。在胚子期丝腺的内 容物即真正的液态丝物质在反转96h （孵化前24h）已能看见。丝腺在胚胎期的发生发育过程受到如Deformed 、Scr、Antp、Ubx、eve、SGF-1、Trh 等众多基因的调控。1.2 丝腺细胞的数目及核分裂 不同品系家蚕其丝腺细胞数目、细胞

4、核复制次数及丝腺 发育状态存在差异，这些差异可能会引起家蚕茧丝产量的差 异。丝腺细胞只在胚胎期进行 10 次分裂，进入幼虫期，丝 腺细胞便不再发生分裂，细胞数不再增加，只发生细胞的肥 大生长，细胞核在细胞中只发生核的复制和分裂。五龄后期 的一个家蚕丝腺细胞，细胞核内的DNA可以达到2930次复制（低丝量蚕品种复制次数约为 29 次，高丝量蚕品种复 制次数约为30次），田胞核内的DNA分别增加107卩g和214 卩g,相当于54万倍体和107万倍体。由于染色体不伴随细 胞分裂，大约要进行 30 次复制，染色体数目庞大，而每个 细胞的基因数也相应增加，这样基因转录的 mRNA就非常多， 因此翻译得

5、到的蛋白也可能相应增多。后部丝腺是家蚕产生丝素蛋白的器官，钟伯雄等对 25 个家蚕杂交系的后部丝腺进行细胞计数，结果表明不同品种 问后部丝腺细胞数存在极为明显的差异，从后部丝腺细胞数 与茧质性状的相关结果看，高茧层量品种的细胞数相应较多， 低茧层量品种细胞数相应较少，这说明两者有相关性。刘春 等对裸蛹（Nd ）、丝胶蛹（Nd-s）及大造丝腺细胞数进行统 计，结果表明， 3 个品种的中部丝腺和后部丝腺在细胞数目 上并无显著性差异，这又说明两者之间关系不密切。这就表 明较多的细胞数是丝素蛋白高量合成的条件，但丝素蛋白的 产量并不完全由细胞数来决定，其产量还与丝腺细胞合成、 分泌丝素蛋白的其他生理生

6、化反应有关。2 家蚕丝蛋白的种类及表达调控2.1 丝蛋白种类 构成绢丝的基本物质是液态丝蛋白，主要由丝素蛋白和 丝胶蛋白构成。丝素蛋白主要由后部丝腺合成，一般占茧丝 成分的70%75%。丝胶蛋白主要由中部丝腺合成，占茧丝 成分的20%25%。丝素蛋白包含了丝素重链 （fib-H ,350kD）、丝素轻链(fib-L, 26kD)和 P25 (fibrohexam-erin , 27/30kD ) 3种蛋白。丝素重链和轻链以二硫键相连，再与P25以非共价键一疏水作用以 6：6：1 的比例结合形成复合体。丝胶蛋 白则主要以 Ser1、 Ser2 和 Ser3 的形式存在。家蚕丝腺可以高效率合成丝蛋

7、白，为了研究这一机理， 很多学者对家蚕丝腺进行了蛋白质组学分析。颜新培等发现 同一品种家蚕的不同个体，或同一个体后部丝腺的不同部位 蛋白质构成基本一致。这表明家蚕同一品种不同个体其后部 丝腺细胞的新陈代谢水平基本一致，个体问茧层量差异可能 是由于个体生长发育以及后部丝腺细胞数目不同等原因引 起。吴卫成等对 5 个品种从 5 龄第 1 天到第 4 天的后部丝腺 细胞蛋白质进行了双向电泳图谱比较，结果发现蛋白质组成 变化各不相同，不仅在不同茧层量的品种问，在茧层量相近 的品种之间其变化也呈现出明显不同的趋势。余芳等也对家 蚕正常茧、薄皮茧、裸蛹 3 个品种的丝腺细胞蛋白质做了双 向电泳图谱比较，

8、发现 3 个品种后部丝腺细胞特异蛋白斑点、 匹配蛋白斑点按等电点划分的分布规律具有明显差异。鲁华 云等发现家蚕 5 龄第 4 天，不同品种家蚕后部丝腺细胞的蛋 白质组成存在明显差异，并且蚕茧高产品种与蚕茧中、低产 量品种之间所涉及的差异蛋白质斑点各不相同，暗示丝素基 因的转录、翻译可能涉及了一个非常复杂的多点控制的调控 系统，即不同品种的产茧量可能涉及不同的调控位点或调控因子。说明不同品种家蚕参与调控的蛋白不尽相同或同种蛋 白在调控中所起作用存在差异，从而导致不同家蚕品种后部 丝腺细胞分泌丝素的能力存在差异。2.2 丝蛋白编码基因的表达调控家蚕丝蛋白编码基因高度专一地在丝腺中表达，其表达 的时

9、间和空间都受到严格调控。家蚕丝蛋白合成过程的转录 水平受到众多转录调控因子的调控，转录调控因子可以通过 与靶位点结合直接或间接影响丝蛋白合成。 丝素重链基因 5 侧翼区域是主要的转录控制区，包含了核心启动子元件、上 游元件、增强子元件等顺式作用元件。另外家蚕后部丝腺细 胞核中存在许多蛋白因子，如泛在因子FBF-A1 及丝腺因子SGF1 SGF-、SGF-3 SGF4等，这些因子可以和 5侧翼区 上的基序特异性结合形成 DNA 一蛋白质复合体调控丝素重 链基因的表达。fib-L基因与fib-H基因的5侧翼具有很强的 同源性，某些区域的同源性可以达到 80%。通过用果蝇的同 源结构域蛋白与丝素轻链

10、上游进行结合试验，获得了 7 处与 同源结构域蛋白的结合位点， 分析发现他们是 SGF-1、SGF-2、 SGF-3 SGF-4的特异结合位点。P25基因的有效启动子序列 为-437+76区，在-254-164区存在有顺式作用元件，与 其表达调控的结合蛋白有 BMFA、Ub2a、Ub2b、SGFB、PSGF 等。Ser1、Ser2和Ser3是三种主要的丝胶蛋白编码基因，他们的表达部位和时间存在很大差异Ser1 基因主要是在中部丝腺的中后部表达， Ser3 在中部丝腺的前部表达，两个基 因的表达时期均在家蚕 5 龄中期开始高量表达。 而 Ser2 则是 在中部丝腺中部表达，时期上与 Ser1 和

11、 Ser3 差异较大，在 幼虫期高量表达，进入 5 龄后表达量逐渐减少直至消失。家 蚕丝胶基因中只有 Seri的转录调控被很好地研究，Seri基因 中至少存在三个转录调控位点：SA SB和SC,调控蛋白结合在这些转录调控位点上从而影响 Seri 基因的表达。调控 Seri基因的蛋白主要有 SGF-1和SGF-3两种，其中 SGF-1与 SA位点相互作用，SGF-3主要与SC位点结合，而与 SB位点 的结合较弱。SGF-1与SA位点结合对Set1基因转录起着上调 作用。SGF-3属于泛在蛋白，会提高 Seri基因的转录水平， 但在较高浓度下则起抑制作用，原因未明。3 激素 家蚕是一种完全变态昆虫

12、，变态发育过程主要受咽侧体 分泌的保幼激素(Juvenile hormone，JH)和前胸腺分泌的蜕 皮激素(Molting hormone ，MH)调控，两者协同作用于家 蚕的生长与发育，并且对丝腺发育和丝蛋白合成也具有调控 作用。关于激素对家蚕丝腺发育及丝蛋白合成的影响，很多 研究者进行了研究。有研究表明，当保幼激素在 5 龄开始时 使用，丝腺生长以及RNA合成首先被抑制，然后恢复并开始 扩增，最后丝产量和对照相比增加50%。陈娥英等用JHA-m处理 5 龄第 3 天家蚕发现处理后的家蚕和对照组相比推迟12天上簇，而且丝腺重量和蛋白质含量都明显增加，表明JHA-m具有促进丝蛋白合成的作用。

13、牟志美等证明在5龄前期使用MH后，再于5龄中期使用JHA,不仅能促进丝腺细 胞成熟生长，而且还可延迟细胞解体，从而使后部丝腺在长 时间内保持高速合成丝素蛋白的状态。有研究者将 3 龄起蚕 丝腺移植到5龄幼虫体内，3天后发现有大量丝胶 mRNA合 成，摘除 5 龄幼虫咽侧体 2d 后，丝胶基因被活化。表明家 蚕体液内高滴度JH抑制丝胶基因表达，只有在 JH滴度降到 一定水平时，丝胶基因才能转录。同样将已在 5龄体内开始 转录的 3 龄起蚕丝腺再次移植进 4 龄幼虫，则不能继续转录， 而如果移植入 5 龄幼虫，则能继续转录，表明丝胶基因合成 与否受到幼虫体液中激素调节。这暗示了家蚕 4龄和 5龄期

14、 转录不同种类的 mRNA，可能也是受到激素的影响。吴秋雁 等对 5 龄第 3 天家蚕幼虫喷洒保幼激素类似物3 号（ J003），结果发现保幼激素类似物 3号对后部丝腺细胞中 RNA的合成 有促进作用，而对DNA的合成具有强烈的抑制作用，且激素剂量愈高，抑制程度愈大。因此推测保幼激素类似物3号增产茧丝的作用是通过调节丝蛋白合成的转录过程而达到的。 赵小明等研究推测，家蚕保幼激素通过早期反应基因Kr-hl的延长表达使转录因子 Bmdimm 基因的表达得到延长， Bmdimm通过结合fib-H基因调控区的E-box位点，从而调控 fib-H 基因的延时表达进而达到增加丝蛋白的合成作用。4 影响家蚕

15、茧丝产量的其他因素4.1 营养条件家蚕在幼虫期通过取食桑叶来提供营养，桑叶为家蚕提 供生长发育及丝蛋白合成所需的营养物质，特别是到了 5 龄 中后期，家蚕能以极高的效率将桑叶转化为丝蛋白。因此， 作为家蚕的主要营养物质，桑叶的质量以及食下量对家蚕生 长和丝蛋白合成的影响很大。有研究表明，营养及胰岛素信 号在丝腺生长和发育过程中起重要的调控作用。桑叶含有蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素、无机盐 等营养成分，而桑叶的这些营养成分也会因桑树的品种、栽 培条件、成熟度、收获方式、气候等条件而出现差异。对于 丝腺的生长来说， 大量合成丝蛋白的 5 龄期营养是最重要的， 这个时期桑叶的营养价值对丝蛋白合成

16、有显著影响。对于蚕 茧生产来说，除了桑叶的营养价值外，与桑叶的摄入量也有 密切关系。若减少 5龄期的给桑量， 茧丝产量也会显著下降。 平均一头家蚕在幼虫期食下22g桑叶，其中90%是在5龄期食下的。平冢研究了桑叶在蚕体内利用率，发现蚕食下的桑 叶蛋白质约有 63%被消化吸收，而吸收的 50%用来合成丝蛋 白。福田研究表明在 5 龄蚕中，桑叶蛋白在丝腺以外的蚕体 组织留存率从 64%逐渐减少到 4%，在丝腺中， 包括蚕体其他 组织器官转移过来的蛋白质从 9%逐渐增加到 96%。4.2 饲养环境 家蚕的饲养环境与家蚕的生长及丝蛋白合成有很大关系，何克荣等副利用在不同年份季节条件下饲养的 5 次试验

17、， 分析家蚕的 15 个经济性状，发现在不同试验中，家蚕经济 性状不仅存在明显的数值差异，其均方也存在明显差异。食 下和消化量不仅因品种而异，饲育环境也有很大影响，如温 度、湿度等。研究表明一定范围内的高温使蚕食桑活泼，单 位时间内食下量随温度上升而增加。幼虫期饲育温度在一定 范围内越高，丝腺越肥大，对丝蛋白的利用率越高。而一般 在恒定温度下，蚕食下量和消化率随湿度的增加而增大，但 其影响不如温度。适宜的湿度能保持桑叶的新鲜从而增加家 蚕的食下量及消化率，从而提高家蚕的丝蛋白合成量。4.3 家蚕抗病性 家蚕抗病性是遗传育种上的一个重要指标，是由基因型 决定的，但是基因表达需要一定生理条件和外界环境条件来 调节。朱水芬等。对在常规饲育条件下饲育的15 个家蚕品种的经济性状和抗病性进行调查，结果表明，各个经济性状 之间呈正相关关系，而抗病性与各个经济性状均呈负相关关 系。也有研究表明，经济性状与家蚕对 cpv 病抵抗性和茧层 率呈负相关。在家蚕品种的选育过程中应当兼顾经济性状与 抗病性。5 讨论 家蚕能分泌大量的丝蛋白，饲养家蚕的主要目的是获得 其茧丝，培育产丝量较高的家蚕品种一直是育种专家们的奋 斗目标，利用传统的杂交育种技术已很难再培养出比现行生 产用种丝量更多丝质更好的品种。很多研究者对丝腺发育和 丝蛋白合成分泌进行研究，主要目的就是为了增加丝产量。 然而影响家蚕茧丝产