Откуда берутся дикие цвета коконов одомашненного тутового шелкопряда?

Шелк, королева волокон, вытягивается или наматывается из коконов шелковая моль (Бомбикс мори). Люди одомашнили его более 5000 лет назад в Китае от дикой моли (Бомбикс мандарин). Предковая бабочка сегодня встречается в Китае, на Корейском полуострове, в Японии и на Дальнем Востоке России, тогда как одомашненная моль выращивается по всему миру, в том числе в Индии. Фактически, Индия является вторым по величине производителем шелка-сырца в мире после Китая.

Гусеницы, также известные как тутовые шелкопряды, обоих этих видов питаются исключительно листьями тутовых растений (род Морус). Одомашненная моль намного крупнее своего дикого прародителя, поэтому из нее вытягивается более длинное шелковое волокно, чтобы построить более крупный кокон длиной до 900 метров. Но это полностью зависит от заботы человека о своем выживании и воспроизводстве. С тех пор, как он был одомашнен, он потерял способность летать, а поскольку у него больше нет потребности в маскировке, он также потерял свою гусеницу и пигментацию взрослой стадии.

Каротиноиды и флавоноиды

«Дикие» шелка, к которым относятся шелка муга, тасар и эри, получают из других видов моли, а именно: Антерая ассама, Антерая миллиттаи Самия Синтия Ричини. Эти бабочки выживают относительно независимо от ухода человека, а их гусеницы корм на более широком разнообразии деревьев. Нетутовый шелк составляет около 30% всего шелка, производимого в Индии. Эти шелка имеют более короткие, грубые и более твердые нити по сравнению с длинными, тонкими и гладкими нитями тутового шелка.

Предковая шелковичная моль образует (скучно однородные) коричнево-желтые коконы. Напротив, коконы домашней шелкопряда имеют привлекательную палитру желто-красного, золотого, телесного, розового, бледно-зеленого, темно-зеленого или белого цветов. Люди-обработчики отбирали коконы разного цвета всякий раз, когда они появлялись, возможно, в надежде получить цветной шелк. Но их разочаровало: пигменты, окрашивавшие коконы, водорастворимы, поэтому постепенно выцветают. Цветной шелк, который мы видим на рынке, вместо этого производится с использованием кислотных красителей.

Сегодня мы знаем, что пигменты кокона происходят из химических соединений, называемых каротиноидами и флавоноидами, которые производятся листьями шелковицы. Шелкопряды жадно питаются листьями, поглощают химические вещества в средней кишке, транспортируют их через гемолимфу – аналог крови членистоногих – к шелковым железам, где они поглощаются и связываются с белком шелка. Затем зрелые гусеницы расплетают протеины шелка и связанный с ними пигмент в одно волокно. Гусеница обматывает волокно вокруг себя, чтобы построить кокон.

Мутант извлекает ценный ресурс

Взрослая бабочка вылупляется (или закрывается) из кокона. При этом процессе волокно рвется во многих местах. Однако шелк высшего качества получается из цельного волокна, поэтому для наматывания используются невылупившиеся коконы. Здесь идет спорная дискуссия «экономика против этики» о создании вида, который полностью зависит от людей (и чьи невылупившиеся коконы мы топим в горячей воде для получения шелка лучшего качества), но это уже другая статья.

Разноцветные коконы возникают в результате мутаций в генах, ответственных за поглощение, транспорт и модификацию каротиноидов и флавоноидов. Мутантные штаммы стали для учёных ценным ресурсом для изучения молекулярной основы того, как за относительно короткий период в 5000 лет искусственный отбор создал такое впечатляющее разнообразие.

Исследования по одомашниванию шелка в основном проводились в Китае и Японии, хотя учёные из Индии (в том числе из Центра ДНК-дактилоскопии и диагностики в Хайдарабаде, где работал этот автор), также внесли важный вклад.

Сочетания цветов

Об этом заявили ранее в этом году исследователи Юго-Западного университета в Чунцине, Китай, предложил модель объяснить, насколько разные комбинации мутации приводят к разным цветам коконов.

Они обнаружили, что для формирования желто-красного кокона требуется Да ген, который кодирует белок, транспортирующий каротиноиды из средней кишки в шелковые железы. Другие гены (С, Ф, Rcи ПК) кодируют белки, избирательно поглощающие специфические каротиноиды. Мутации в одном или нескольких из этих генов приводят к образованию желтых, телесных, ржавых и розовых коконов. Если Да ген мутирует, флавоноиды поглощаются, а каротиноиды – нет, в результате чего образуются зеленые коконы.

Кроме того, то, будет ли зеленый цвет темным или светлым, зависит от того, являются ли гены других белков, усиливающих поглощение флавоноидов, нормальными или мутированными. Если не усваиваются и каротиноиды, и флавоноиды, коконы остаются белыми. Исследователи показали, что за усвоение флавоноидов отвечает кластер из пяти тесно связанных генов.

Ген, называемый апонтикоподобным

Одомашненных и предков тутового шелкопряда можно скрещивать для получения гибридного потомства. В прошлом году исследователи из Токийского университета и Колумбийского университета в Нью-Йорке создали таких гибридных мотыльков, а затем специально мутировал либо их Б. Мори– или Б. мандарина-производная копия гена под названием апонтоподобный.

Гибридные гусеницы, как и их дикие предки, выработали пигмент меланин. Но когда Б. мандарина-производная копия апонтоподобный был мутирован, гибрид не смог производить меланин. (Этого не произошло, когда Б. МориОднако производная от него копия мутировала.) Подразумевалось, что одомашненный тутовый шелкопряд апонтоподобный ген потерял способность поддерживать выработку меланина.

Обе версии апонтоподобный ген производит один и тот же белок. Следовательно, разница между ними объясняется различиями в последовательностях, которые регулируют, когда и где ген был «включен» или «выключен».

Ген за геном

Шелк – это вершина одомашнивания, сравнимая по своему успеху с рисом басмати, манго альфонсо и золотистым ретривером. Сегодня у ученых под рукой есть инструменты, позволяющие создавать и сравнивать генетически идентичные гибридные шелкопряды, которые отличаются только тем, какая из двух родительских версий гена инактивирована: одомашненная или наследственная.

Это открывает ученым возможность разработать – ген за геном – все ключевые этапы, которые привели к одомашниванию шелкопряда. Будем надеяться, что когда-нибудь в ближайшее время аналогичные методы станут доступны нам для анализа приручения риса, манго и собак.

Д. П. Касбекар — учёный на пенсии.