黑色素和尿酸鹽在家蠶體壁中對紫外線-A的防御作用.pdf

1、在昆蟲中,著色是一個普遍并且高度可變的性狀,在不同物種間、同一物種不同群體間、同一群體不同個體間有顯著的差異:甚至在同一個體不同部位、同一個體不同發(fā)育時期昆蟲的著色模式也是不同的。這種著色模式的多樣性取決于有哪些色素參與并且不同色素之間以何種比例參與著色。昆蟲的黑化現(xiàn)象也是非常普遍的,黑化過程不僅可以廣泛用于隱藏、擬態(tài)、性別選擇信號、體溫調(diào)節(jié),還參與到免疫反應(yīng)、傷口愈合以及表皮硬化。之前對北美黑鳳蝶Papiliopolyxenes和東方

2、粘蟲Pseudaletiaseparata表皮體色的研究中發(fā)現(xiàn),白色條紋處的真皮細(xì)胞中沉積了大量白色尿酸鹽顆粒,而在黑色條紋下的真皮細(xì)胞中沒有或僅有少量尿酸鹽顆粒的沉積,然而這種現(xiàn)象的生物機(jī)制以及相應(yīng)的功能目前還不清楚。
　　 家蠶是一種高度馴化的鱗翅目昆蟲。在西南大學(xué)家蠶基因資源庫中保存了豐富的突變系統(tǒng),其中有許多是體色突變體,這可以作為一個很好的模式系統(tǒng)來研究生物著色。本研究利用幾種家蠶體色突變體來研究黑色素和尿酸在表皮中的

3、沉積模式并探索沉積模式的生物機(jī)制。主要的研究結(jié)果如下:
　　 首先,通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn),黑色蠶與姬蠶的體色僅在幼蟲期有明顯的差異:在幼蟲期,黑色蠶的體色為黑色,腹部亦然,而姬蠶則呈現(xiàn)出白色的體色;在蛹期和成蟲期,黑色蠶和姬蠶體色相同。其次,透射電子顯微鏡觀察黑色蠶和姬蠶表皮的超微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),主要存在兩個方面的差異:一是外表皮層中黑色素顆粒的有無,黑色蠶的外表皮層中含有一些形狀不規(guī)則的黑色素顆粒,姬蠶的表皮層中沒有任何黑色顆粒存在;而

4、是在真皮細(xì)胞中尿酸鹽顆粒沉積量的差異:黑色蠶的真皮細(xì)胞中僅有少量的白色尿酸鹽顆粒,而在姬蠶的真皮細(xì)胞中則有大量的尿酸鹽顆粒沉積。表皮的超微結(jié)構(gòu)比較分析結(jié)果表明了黑色蠶和姬蠶體色差異的物質(zhì)基礎(chǔ):不同顏色的色素顆粒在表皮中的沉積模式。姬蠶的表皮層無色素物質(zhì)積累,呈透明狀,真皮層中含有大量的白色尿酸鹽顆粒,因此呈現(xiàn)出白體色;而黑色蠶的黑體色是由于表皮層中有一些黑色素顆粒存在,而真皮層中僅有少量的白色尿酸鹽顆粒。
　　 其次,我們利用R

5、T-PCR對黑色蠶和姬蠶黑色素合成相關(guān)基因的時期表達(dá)模式進(jìn)行了比較分析。時期表達(dá)模式分析的結(jié)果表明,大部分黑色素合成相關(guān)基因表達(dá)高峰主要分布在蛻皮期,反映了家蠶黑色素的合成主要發(fā)生在蛻皮期間,但不同基因的表達(dá)呈現(xiàn)出時期特異性,其中yellow、yellow-f和laccase2基因在蛻皮前期上調(diào)表達(dá)并且在蛻皮中期出現(xiàn)表達(dá)高峰;而TH、DDC、tan、ebony、dat和black基因上調(diào)表達(dá)的時間要相對晚些。從黑色蠶和姬蠶黑色素合成相關(guān)

6、基因表達(dá)量來看,TH、DDC、yellow、yellow-f,laccase2基因在黑色蠶中比在姬蠶表皮中表達(dá)量高,ebony基因在黑色蠶中表達(dá)量低于在姬蠶中的表達(dá),qPCR進(jìn)一步確認(rèn)了RT-PCR結(jié)果;多巴胺測定也表明,在四齡眠期和五齡三天時黑色蠶比姬蠶表皮中多巴胺含量高,因此黑色蠶黑體色的形成可能是由于TH和DDC的高量表達(dá)形成了大量的多巴胺,而yellow、laccase2基因的高量表達(dá)使多巴胺氧化生成大量的多巴胺黑色素,最終形成

7、了該突變體幼蟲期黑體色表型。
　　 為了進(jìn)一步確認(rèn)電子顯微鏡觀察結(jié)果,我們通過高效液相色譜儀(HPLC)來測定黑色蠶和姬蠶表皮中尿酸含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在幼蟲期,姬蠶表皮中尿酸的含量約是黑色蠶表皮中尿酸含量的7倍;在蛹期和成蟲期,黑色蠶表皮中尿酸含量升高,并且與姬蠶表皮中尿酸含量無顯著差異。研究結(jié)果表明,尿酸在表皮中的積累量與體色有關(guān),可能是由于黑色斑紋處黑色素前體物質(zhì)多巴胺的大量生成影響了尿酸鹽在真皮層細(xì)胞中的積累。我們推測這種黑

8、色斑紋處尿酸含量低于白色斑紋處尿酸含量的現(xiàn)象在一些以尿酸為排泄物的鱗翅目昆蟲中具有普遍性,這種沉積模式可能與環(huán)境的適應(yīng)性有關(guān)。
　　 紫外線-A(UVA)照射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,黑色蠶和姬蠶對UVA的耐受能力無顯著差異,并且它們對UVA的耐受性要顯著強(qiáng)于d油蠶;照射后測定血淋巴中丙二醛(MDA)含量也發(fā)現(xiàn),在d油蠶血淋巴中MDA含量高于姬蠶和黑色蠶,說明了d油蠶受自由基損傷嚴(yán)重。研究結(jié)果表明,黑色素和尿酸鹽顆粒在家蠶表皮中的積累對減少

9、UVA氧化損傷有重要作用。
　　 綜上所述,黑色蠶和姬蠶幼蟲期的體色差異是由黑色素和尿酸鹽在表皮中以不同比例沉積形成的。黑色蠶中大量的黑色素是通過黑色素合成途徑并且以多巴胺為前體生成的多巴胺黑色素,黑色素合成途徑基因的表達(dá)模式為我們定位黑色蠶突變基因提供了線索。黑色素和尿酸鹽顆粒在表皮中以一種“此消彼長”的模式沉積,降低表皮的透明度,使表皮下的組織受到持續(xù)性的保護(hù)。我們的結(jié)果表明了黑色素和尿酸鹽在表皮中的沉積對家蠶抵御UVA的氧