影響家蠶繭絲產量的主要因素

李瓊艷　荀利杰　廖鵬飛

摘要：家蠶是一種重要的經濟昆蟲，因其能吐絲結繭而被人類馴養。在蠶業生產中繭絲產量是飼養者最為關注的問題，而影響家蠶產絲量的因素多種多樣，不同品種、不同飼養環境的家蠶繭絲分泌量存在差異但機制尚不清楚。本文對影響家蠶絲腺發育和絲蛋白合成分泌的各種因素進行綜述，包括絲腺細胞的分裂及細胞核復制、絲蛋白的種類及調控、激素、營養條件等的研究結果。

關鍵詞：家蠶；繭絲產量；絲腺；絲蛋白；激素

中圖分類號：S881.2⁺1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2016）04-0154-05

蠶絲是一種天然蛋白纖維，主要成分是絲素和絲膠。蠶絲制品具有親膚無刺激、吸汗吸濕等優良特性。隨著對蠶絲結構及理化特性的深入研究，蠶絲已不僅僅是一種紡織原料，也被作為一種新興的生物材料，在環保、醫藥、工程等方面得到廣泛應用。我國是家蠶繭絲業發祥地，繭絲業在我國經濟發展中占有重要地位，家蠶產絲量是蠶業生產上最為關注的問題。絲腺是家蠶唯一能產絲的器官，能夠高效合成分泌絲蛋白。然而從家蠶絲腺發生到取食桑葉轉化為絲蛋白，再到絲蛋白分泌出體外的整個過程不僅受環境、營養和氣候等外部條件的影響，同時也受到絲蛋白編碼基因及相關基因的表達調控及激素的影響，還與絲腺細胞數目和染色體復制次數差異等因素相關。本文就影響家蠶繭絲產量的主要因素進行分析，以期能為家蠶繭絲的生產及遺傳育種提供參考。

1 絲腺的發生與發育

1.1 絲腺的發生

家蠶絲腺在胚子近反轉期由外胚層發生，由下顎腺特化而成。絲腺發生后6h達到分化的最旺盛時期，反轉后經28h反復的細胞分裂，細胞開始增大，絲物質開始分泌。分裂停止后，吐絲部以及絲腺的前、中、后三個部分就能明顯識別，再經過24h，形體與機能已大體上具備。在胚子期絲腺的內容物即真正的液態絲物質在反轉96h（孵化前24h）已能看見。絲腺在胚胎期的發生發育過程受到如Deformed、Scr、Antp、Ubx、eve、SGF-1、Trh等眾多基因的調控。

1.2 絲腺細胞的數目及核分裂

不同品系家蠶其絲腺細胞數目、細胞核復制次數及絲腺發育狀態存在差異，這些差異可能會引起家蠶繭絲產量的差異。絲腺細胞只在胚胎期進行10次分裂，進入幼蟲期，絲腺細胞便不再發生分裂，細胞數不再增加，只發生細胞的肥大生長，細胞核在細胞中只發生核的復制和分裂。五齡后期的一個家蠶絲腺細胞，細胞核內的DNA可以達到29～30次復制（低絲量蠶品種復制次數約為29次，高絲量蠶品種復制次數約為30次），細胞核內的DNA分別增加107μg和214μg，相當于54萬倍體和107萬倍體。由于染色體不伴隨細胞分裂，大約要進行30次復制，染色體數目龐大，而每個細胞的基因數也相應增加，這樣基因轉錄的mRNA就非常多，因此翻譯得到的蛋白也可能相應增多。

后部絲腺是家蠶產生絲素蛋白的器官，鐘伯雄等對25個家蠶雜交系的后部絲腺進行細胞計數，結果表明不同品種問后部絲腺細胞數存在極為明顯的差異，從后部絲腺細胞數與繭質性狀的相關結果看，高繭層量品種的細胞數相應較多，低繭層量品種細胞數相應較少，這說明兩者有相關性。劉春等對裸蛹（Nd）、絲膠蛹（Nd-s）及大造絲腺細胞數進行統計，結果表明，3個品種的中部絲腺和后部絲腺在細胞數目上并無顯著性差異，這又說明兩者之間關系不密切。這就表明較多的細胞數是絲素蛋白高量合成的條件，但絲素蛋白的產量并不完全由細胞數來決定，其產量還與絲腺細胞合成、分泌絲素蛋白的其他生理生化反應有關。

2 家蠶絲蛋白的種類及表達調控

2.1 絲蛋白種類

構成絹絲的基本物質是液態絲蛋白，主要由絲素蛋白和絲膠蛋白構成。絲素蛋白主要由后部絲腺合成，一般占繭絲成分的70%～75%。絲膠蛋白主要由中部絲腺合成，占繭絲成分的20%～25%。絲素蛋白包含了絲素重鏈（fib-H，350kD）、絲素輕鏈（fib-L，26kD）和P25（fibrohexam-erin，27/30kD）3種蛋白。絲素重鏈和輕鏈以二硫鍵相連，再與P25以非共價鍵一疏水作用以6：6：1的比例結合形成復合體。絲膠蛋白則主要以Ser1、Ser2和Ser3的形式存在。

家蠶絲腺可以高效率合成絲蛋白，為了研究這一機理，很多學者對家蠶絲腺進行了蛋白質組學分析。顏新培等發現同一品種家蠶的不同個體，或同一個體后部絲腺的不同部位蛋白質構成基本一致。這表明家蠶同一品種不同個體其后部絲腺細胞的新陳代謝水平基本一致，個體問繭層量差異可能是由于個體生長發育以及后部絲腺細胞數目不同等原因引起。吳衛成等對5個品種從5齡第1天到第4天的后部絲腺細胞蛋白質進行了雙向電泳圖譜比較，結果發現蛋白質組成變化各不相同，不僅在不同繭層量的品種問，在繭層量相近的品種之間其變化也呈現出明顯不同的趨勢。余芳等也對家蠶正常繭、薄皮繭、裸蛹3個品種的絲腺細胞蛋白質做了雙向電泳圖譜比較，發現3個品種后部絲腺細胞特異蛋白斑點、匹配蛋白斑點按等電點劃分的分布規律具有明顯差異。魯華云等發現家蠶5齡第4天，不同品種家蠶后部絲腺細胞的蛋白質組成存在明顯差異，并且蠶繭高產品種與蠶繭中、低產量品種之間所涉及的差異蛋白質斑點各不相同，暗示絲素基因的轉錄、翻譯可能涉及了一個非常復雜的多點控制的調控系統，即不同品種的產繭量可能涉及不同的調控位點或調控因子。說明不同品種家蠶參與調控的蛋白不盡相同或同種蛋白在調控中所起作用存在差異，從而導致不同家蠶品種后部絲腺細胞分泌絲素的能力存在差異。

2.2 絲蛋白編碼基因的表達調控

家蠶絲蛋白編碼基因高度專一地在絲腺中表達，其表達的時間和空間都受到嚴格調控。家蠶絲蛋白合成過程的轉錄水平受到眾多轉錄調控因子的調控，轉錄調控因子可以通過與靶位點結合直接或間接影響絲蛋白合成。絲素重鏈基因5側翼區域是主要的轉錄控制區，包含了核心啟動子元件、上游元件、增強子元件等順式作用元件。另外家蠶后部絲腺細胞核中存在許多蛋白因子，如泛在因子FBF-A1及絲腺因子SGF1、SGF-2、SGF-3、SGF4等，這些因子可以和5側翼區上的基序特異性結合形成DNA一蛋白質復合體調控絲素重鏈基因的表達。fib-L基因與fib-H基因的5側翼具有很強的同源性，某些區域的同源性可以達到80%。通過用果蠅的同源結構域蛋白與絲素輕鏈上游進行結合試驗，獲得了7處與同源結構域蛋白的結合位點，分析發現他們是SGF-1、SGF-2、SGF-3、SGF-4的特異結合位點。P25基因的有效啟動子序列為-437～+76區，在-254～-164區存在有順式作用元件，與其表達調控的結合蛋白有BMFA、Ub2a、Ub2b、SGFB、PSGF等。

Ser1、Ser2和Ser3是三種主要的絲膠蛋白編碼基因，他們的表達部位和時間存在很大差異。Ser1基因主要是在中部絲腺的中后部表達，Ser3在中部絲腺的前部表達，兩個基因的表達時期均在家蠶5齡中期開始高量表達。而Ser2則是在中部絲腺中部表達，時期上與Ser1和Ser3差異較大，在幼蟲期高量表達，進入5齡后表達量逐漸減少直至消失。家蠶絲膠基因中只有Ser1的轉錄調控被很好地研究，Ser1基因中至少存在三個轉錄調控位點：SA、SB和SC，調控蛋白結合在這些轉錄調控位點上從而影響Ser1基因的表達。調控Ser1基因的蛋白主要有SGF-1和SGF-3兩種，其中SGF-1與SA位點相互作用，SGF-3主要與SC位點結合，而與SB位點的結合較弱。SGF-1與SA位點結合對Set1基因轉錄起著上調作用。SGF-3屬于泛在蛋白，會提高Ser1基因的轉錄水平，但在較高濃度下則起抑制作用，原因未明。

3 激素

家蠶是一種完全變態昆蟲，變態發育過程主要受咽側體分泌的保幼激素（Juvenile hormone，JH）和前胸腺分泌的蛻皮激素（Molting hormone，MH）調控，兩者協同作用于家蠶的生長與發育，并且對絲腺發育和絲蛋白合成也具有調控作用。關于激素對家蠶絲腺發育及絲蛋白合成的影響，很多研究者進行了研究。有研究表明，當保幼激素在5齡開始時使用，絲腺生長以及RNA合成首先被抑制，然后恢復并開始擴增，最后絲產量和對照相比增加50%。陳娥英等用JHA-Ⅲ處理5齡第3天家蠶發現處理后的家蠶和對照組相比推遲1～2天上簇，而且絲腺重量和蛋白質含量都明顯增加，表明JHA-Ⅲ具有促進絲蛋白合成的作用。牟志美等證明在5齡前期使用MH后，再于5齡中期使用JHA，不僅能促進絲腺細胞成熟生長，而且還可延遲細胞解體，從而使后部絲腺在長時間內保持高速合成絲素蛋白的狀態。有研究者將3齡起蠶絲腺移植到5齡幼蟲體內，3天后發現有大量絲膠mRNA合成，摘除5齡幼蟲咽側體2d后，絲膠基因被活化。表明家蠶體液內高滴度JH抑制絲膠基因表達，只有在JH滴度降到一定水平時，絲膠基因才能轉錄。同樣將已在5齡體內開始轉錄的3齡起蠶絲腺再次移植進4齡幼蟲，則不能繼續轉錄，而如果移植入5齡幼蟲，則能繼續轉錄，表明絲膠基因合成與否受到幼蟲體液中激素調節。這暗示了家蠶4齡和5齡期轉錄不同種類的mRNA，可能也是受到激素的影響。吳秋雁等對5齡第3天家蠶幼蟲噴灑保幼激素類似物3號（J003），結果發現保幼激素類似物3號對后部絲腺細胞中RNA的合成有促進作用，而對DNA的合成具有強烈的抑制作用，且激素劑量愈高，抑制程度愈大。因此推測保幼激素類似物3號增產繭絲的作用是通過調節絲蛋白合成的轉錄過程而達到的。趙小明等研究推測，家蠶保幼激素通過早期反應基因Kr-hl的延長表達使轉錄因子Bmdimm基因的表達得到延長，Bmdimm通過結合fib-H基因調控區的E-box位點，從而調控fib-H基因的延時表達進而達到增加絲蛋白的合成作用。

4 影響家蠶繭絲產量的其他因素

4.1 營養條件

家蠶在幼蟲期通過取食桑葉來提供營養，桑葉為家蠶提供生長發育及絲蛋白合成所需的營養物質，特別是到了5齡中后期，家蠶能以極高的效率將桑葉轉化為絲蛋白。因此，作為家蠶的主要營養物質，桑葉的質量以及食下量對家蠶生長和絲蛋白合成的影響很大。有研究表明，營養及胰島素信號在絲腺生長和發育過程中起重要的調控作用。

桑葉含有蛋白質、碳水化合物、脂肪、維生素、無機鹽等營養成分，而桑葉的這些營養成分也會因桑樹的品種、栽培條件、成熟度、收獲方式、氣候等條件而出現差異。對于絲腺的生長來說，大量合成絲蛋白的5齡期營養是最重要的，這個時期桑葉的營養價值對絲蛋白合成有顯著影響。對于蠶繭生產來說，除了桑葉的營養價值外，與桑葉的攝入量也有密切關系。若減少5齡期的給桑量，繭絲產量也會顯著下降。平均一頭家蠶在幼蟲期食下22g桑葉，其中90%是在5齡期食下的。平冢研究了桑葉在蠶體內利用率，發現蠶食下的桑葉蛋白質約有63%被消化吸收，而吸收的50%用來合成絲蛋白。福田研究表明在5齡蠶中，桑葉蛋白在絲腺以外的蠶體組織留存率從64%逐漸減少到4%，在絲腺中，包括蠶體其他組織器官轉移過來的蛋白質從9%逐漸增加到96%。

4.2 飼養環境

家蠶的飼養環境與家蠶的生長及絲蛋白合成有很大關系，何克榮等副利用在不同年份季節條件下飼養的5次試驗，分析家蠶的15個經濟性狀，發現在不同試驗中，家蠶經濟性狀不僅存在明顯的數值差異，其均方也存在明顯差異。食下和消化量不僅因品種而異，飼育環境也有很大影響，如溫度、濕度等。研究表明一定范圍內的高溫使蠶食桑活潑，單位時間內食下量隨溫度上升而增加。幼蟲期飼育溫度在一定范圍內越高，絲腺越肥大，對絲蛋白的利用率越高。而一般在恒定溫度下，蠶食下量和消化率隨濕度的增加而增大，但其影響不如溫度。適宜的濕度能保持桑葉的新鮮從而增加家蠶的食下量及消化率，從而提高家蠶的絲蛋白合成量。

4.3 家蠶抗病性

家蠶抗病性是遺傳育種上的一個重要指標，是由基因型決定的，但是基因表達需要一定生理條件和外界環境條件來調節。朱水芬等。對在常規飼育條件下飼育的15個家蠶品種的經濟性狀和抗病性進行調查，結果表明，各個經濟性狀之間呈正相關關系，而抗病性與各個經濟性狀均呈負相關關系。也有研究表明，經濟性狀與家蠶對cpv病抵抗性和繭層率呈負相關。在家蠶品種的選育過程中應當兼顧經濟性狀與抗病性。

5 討論

家蠶能分泌大量的絲蛋白，飼養家蠶的主要目的是獲得其繭絲，培育產絲量較高的家蠶品種一直是育種專家們的奮斗目標，利用傳統的雜交育種技術已很難再培養出比現行生產用種絲量更多絲質更好的品種。很多研究者對絲腺發育和絲蛋白合成分泌進行研究，主要目的就是為了增加絲產量。然而影響家蠶繭絲產量的因素多種多樣，除飼養過程中的各種因素外，在細胞和分子水平上也受多種因素制約，所以想要通過改變單一因素來提高繭絲產量很難實現。有研究者提出可以通過增加絲腺發育、延長吐絲過程以及提高絲蛋白基因的表達等方面來提高繭絲產量。因此，在家蠶飼養過程中可以通過改善飼養環境和營養條件來促進絲腺生長發育，在育種方面可以利用品種優勢進行雜交育種，同時也可適當對基因進行編輯來提高絲蛋白基因表達。另外家蠶的某些經濟性狀之間是本身就存在矛盾，如高絲量品種的抗病性較繭絲少的品種差。因而在追求高產優質繭絲的同時也應兼顧家蠶的抗病、抗逆等性狀，培育優質好養的家蠶品種。