控制家蚕滞育的关键“开关”在哪里？上海研究团队解答百年难题

5月30日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心詹帅研究员团队在国际学术期刊Science发表了最新研究成果。研究发现核心生物钟基因Cycle是控制家蚕滞育的关键“开关”，回答了学术界关注百余年的关于家蚕生活史变异的难题。

昆虫是地球上分布最广、数量最大的动物类群。为适应不同地域和气候条件，昆虫需要有效的季节性适应策略（如迁飞、滞育等）以及合理的年度生活史（即每年发生代数）以躲避或应对低温、短光照、食物匮乏等不利环境。

昆虫的滞育类似于动物的冬眠，即在特定时期或特定季节性信号（包括光周期、温度等）的诱导下发生的发育停滞行为，同时伴随生理、代谢、表型等方面的变化。滞育的发生帮助昆虫应对不利环境并显著延长昆虫的世代周期，因此也是造成昆虫不同年度生活史的生理基础（例如：很多害虫的北方种群由于滞育一年发生1-2代，而南方种群一年可发生多代）。昆虫种类众多，滞育形式各异，但目前只有模式昆虫—果蝇的滞育变异机制得到了部分解析。

家蚕化性与季节性适应 本文图片均为 中国科学院分子植物科学卓越创新中心 供图

家蚕在长期驯化过程中，其年度生活史策略（一般称为化性，voltinism）受到规律性的人工选择：大多数家蚕品系（特别是生产品系），由于胚胎滞育实现每年繁殖1-2代，以适应温带地区人类的劳作周期；而来源于热带、亚热带地区的家蚕品系，一般不发生滞育，可实现每年多代繁殖。家蚕也是化性最早被研究的昆虫，最早的遗传学研究可追溯到上世纪初。然而至今，决定家蚕化性的主效基因和具体的遗传机制仍不清楚。

詹帅研究团队通过正向遗传学手段，利用家蚕二化滞育品系（每年繁育二代，bivoltinism）和非滞育多化品系（每年繁育多代，polyvoltinism）构建定位群体，并结合全基因组关联分析确定Cycle基因是控制家蚕滞育和化性差异的主效基因。该基因是昆虫核心生物钟基因，主要参与昆虫的昼夜节律调控。

生物钟基因Cycle通过不同亚型的功能多态性同时调控昼夜节律和季节节律

研究团队发现，家蚕Cycle基因通过可变剪接编码3个亚型（A-C）：相较于滞育品系，非滞育品系的C亚型功能缺失，但A/B亚型保留完整。通过开展基因编辑、生理生化实验、行为学实验等，研究团队发现C亚型控制家蚕滞育的环境诱导，而A/B亚型发挥Cycle本身的昼夜节律调控功能，并进一步证明Cycle基因的双重功能在鳞翅目昆虫中（农林害虫中种类最多的类群，包括蛾类和蝴蝶）具有普适性。

本研究成功鉴定到了控制家蚕滞育的关键“开关”，初步回答了关于家蚕化性变异的百年难题，并为前沿性的昆虫表型可塑性研究提供了新见解和新素材。与此同时，研究解释了生物钟基因如何在不影响昼夜节律调控稳定性的前提下，实现季节节律调控的可塑性；在分子水平为掌握虫害的发生规律、制订合理的防治方案，“无创”打破滞育、高效利用资源昆虫，以及在全球变暖大背景下预测昆虫种群潜在的动态变化等提供理论依据。