时隔16年！该领域再发《Science》

Science

2025年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团队在国际权威学术期刊Science发表了题为“Functional polymorphism of CYCLE underlies diapause variation in moths”的研究论文。该论文发现核心生物钟基因Cycle是控制家蚕滞育的分子“开关”，并揭示了家蚕生活史（每年繁殖代数）变异的遗传机制。

研究背景

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。滞育是昆虫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，以应对不利环境。滞育显著延长昆虫的世代周期，因此也是塑造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，滞育形式和生活史策略多变，但其背后的遗传变异机制极少得到解析。

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）受到规律性地人工选择：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，针对其遗传特征的记载最早可追溯到上世纪初。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。

分子植物卓越中心詹帅研究员长期从事昆虫季节性适应研究，在季节性迁飞和种群地理扩散等方面取得系列进展（Cell 2011、Nature 2014、Nature Ecology & Evolution 2018、Nature Ecology & Evolution 2019、Cell Reports 2022、Science Advances 2024等）。

研究内容

在本研究中，詹帅带领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，bi-voltinism）和非滞育多化品系（每年繁育多代，poly-voltinism）构建定位群体，并结合全基因组关联分析发现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。研究团队发现家蚕Cycle基因通过可变剪接编码3个亚型（isoforms A-C）：相较于滞育品系，非滞育品系的C亚型由于其N端特异外显子上的1-bp缺失发生移码突变，但A/B亚型完整保留。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亚型调控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。研究团队进一步发现Cycle基因的双重功能普遍存在于鳞翅目昆虫中（包括蛾类和蝴蝶），并在亚洲玉米螟中证明了C亚型对滞育的调控作用。

本研究的意义在于：

（1）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；

（2）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；

（3）在分子水平为基于遗传学手段打破滞育、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动态变化等提供理论依据。

家蚕化性与季节性适应

（蓝色：二化，即通过胚胎滞育一年繁殖2代；红色：多化，一年多代）

主要发现：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

相关信息

中国科学院分子植物科学卓越创新中心詹帅研究员为本文通讯作者，已毕业博士生郑诗芮（现美国杜克大学博士后）、安徽农业大学王耀辉教授（中心已出站博士后）、分子植物卓越中心李贵云助理研究员为本文共同第一作者。江苏科技大学李木旺教授团队为本研究做出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金和中国科学院等项目的资助。

詹帅研究组合影

专家点评

1

康乐院士 中国科学院动物研究所

詹帅团队的这一发现是昆虫季节性适应领域的突破性进展，为探究生命过程与环境互作机制提供了新理论和新素材。昆虫的滞育决定了其种群生活史和年度发生规律。他们的研究表明生物钟基因Cycle对滞育的调控作用在鳞翅目昆虫中是普遍存在的，而鳞翅目昆虫包含了种类最多的农林害虫。因此，该研究成果对于掌握害虫的种群发生规律、保障国家粮食安全、促进生态系统稳定性等方面具有重要意义。

2

徐卫华教授 中山大学

詹帅团队的研究工作涉及复杂性状的遗传定位、多组学分析，以及针对不同品系、不同物种的大量遗传操作和功能研究等。无论是工作量还是研究标准，他们的工作在非模式昆虫中都是一项了不起的成就。这一研究成果不仅是滞育领域的里程碑式工作，也破解了家蚕遗传学的经典难题。家蚕驯化起源于我国，数千年来积累了具有不同性状的家蚕品系。化性是最重要的驯化性状之一，通过滞育实现个体发育同步以及与人类活动规律的整体同步。詹帅团队的这项工作揭示了多化性品系非滞育性状的起源，并为基于遗传手段打破家蚕滞育、提高生产效率提供了理论基础。这项工作也是继桑蚕基因组计划重大成果之后（2004、2009），家蚕领域的研究成果时隔16年再次在Science期刊发表。