5月30日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心詹帥研究員團隊在國際學術(shù)期刊Science發(fā)表了最新研究成果。研究發(fā)現(xiàn)核心生物鐘基因Cycle是控制家蠶滯育的關鍵“開關”，回答了學術(shù)界關注百余年的關于家蠶生活史變異的難題。

昆蟲是地球上分布最廣、數(shù)量最大的動物類群。為適應不同地域和氣候條件，昆蟲需要有效的季節(jié)性適應策略（如遷飛、滯育等）以及合理的年度生活史（即每年發(fā)生代數(shù)）以躲避或應對低溫、短光照、食物匱乏等不利環(huán)境。

昆蟲的滯育類似于動物的冬眠，即在特定時期或特定季節(jié)性信號（包括光周期、溫度等）的誘導下發(fā)生的發(fā)育停滯行為，同時伴隨生理、代謝、表型等方面的變化。滯育的發(fā)生幫助昆蟲應對不利環(huán)境并顯著延長昆蟲的世代周期，因此也是造成昆蟲不同年度生活史的生理基礎（例如：很多害蟲的北方種群由于滯育一年發(fā)生1-2代，而南方種群一年可發(fā)生多代）。昆蟲種類眾多，滯育形式各異，但目前只有模式昆蟲—果蠅的滯育變異機制得到了部分解析。

家蠶化性與季節(jié)性適應  本文圖片均為 中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心 供圖

家蠶在長期馴化過程中，其年度生活史策略（一般稱為化性，voltinism）受到規(guī)律性的人工選擇：大多數(shù)家蠶品系（特別是生產(chǎn)品系），由于胚胎滯育實現(xiàn)每年繁殖1-2代，以適應溫帶地區(qū)人類的勞作周期；而來源于熱帶、亞熱帶地區(qū)的家蠶品系，一般不發(fā)生滯育，可實現(xiàn)每年多代繁殖。家蠶也是化性最早被研究的昆蟲，最早的遺傳學研究可追溯到上世紀初。然而至今，決定家蠶化性的主效基因和具體的遺傳機制仍不清楚。

詹帥研究團隊通過正向遺傳學手段，利用家蠶二化滯育品系（每年繁育二代，bivoltinism）和非滯育多化品系（每年繁育多代，polyvoltinism）構(gòu)建定位群體，并結(jié)合全基因組關聯(lián)分析確定Cycle基因是控制家蠶滯育和化性差異的主效基因。該基因是昆蟲核心生物鐘基因，主要參與昆蟲的晝夜節(jié)律調(diào)控。

生物鐘基因Cycle通過不同亞型的功能多態(tài)性同時調(diào)控晝夜節(jié)律和季節(jié)節(jié)律

研究團隊發(fā)現(xiàn)，家蠶Cycle基因通過可變剪接編碼3個亞型（A-C）：相較于滯育品系，非滯育品系的C亞型功能缺失，但A/B亞型保留完整。通過開展基因編輯、生理生化實驗、行為學實驗等，研究團隊發(fā)現(xiàn)C亞型控制家蠶滯育的環(huán)境誘導，而A/B亞型發(fā)揮Cycle本身的晝夜節(jié)律調(diào)控功能，并進一步證明Cycle基因的雙重功能在鱗翅目昆蟲中（農(nóng)林害蟲中種類最多的類群，包括蛾類和蝴蝶）具有普適性。

本研究成功鑒定到了控制家蠶滯育的關鍵“開關”，初步回答了關于家蠶化性變異的百年難題，并為前沿性的昆蟲表型可塑性研究提供了新見解和新素材。與此同時，研究解釋了生物鐘基因如何在不影響晝夜節(jié)律調(diào)控穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)季節(jié)節(jié)律調(diào)控的可塑性；在分子水平為掌握蟲害的發(fā)生規(guī)律、制訂合理的防治方案，“無創(chuàng)”打破滯育、高效利用資源昆蟲，以及在全球變暖大背景下預測昆蟲種群潛在的動態(tài)變化等提供理論依據(jù)。