生物鐘基因Cycle調控家蠶滯育與生活史多樣性機制

2025年5月30日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心詹帥研究團隊在國際學術期刊Science發表了題為“Functional polymorphism of CYCLE underlies diapause variation in moths”的研究論文。研究發現核心生物鐘基因Cycle是調控家蠶滯育變異的關鍵基因，并揭示了家蠶生活史多樣性形成的遺傳基礎。

昆蟲是地球上分布最廣的動物類群。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（即每年發生代數）以躲避或應對低溫、短光照、食物匱乏等不利環境。昆蟲的滯育是在特定時期（Obligate diapause）或在特定環境信號（包括光周期、溫度等）的誘導下（Facultative diapause）發生的發育停滯行為，同時伴隨生理、代謝、表型等方面的變化。滯育的發生幫助昆蟲應對不利環境并顯著延長其世代周期，因此也是昆蟲種群在不同氣候條件下維持相應年度生活史（一般稱為化性，Voltinism；即每年發生代數）的生理基礎。昆蟲種類眾多，滯育形式各異；截至目前，具體的滯育和化性變異機制只在模式昆蟲—果蠅中得到部分解析。

家蠶（Bombyx mori）在長期馴化過程中，其化性受到規律性地人工選擇：大多數家蠶品系（特別是生產品系），由于胚胎滯育實現每年繁殖1-2代，以適應溫帶地區人類的勞作周期；而來源于熱帶、亞熱帶地區的家蠶品系，一般不發生滯育，可實現每年多代繁殖。豐富的遺傳資源和相對明確的化性表型，使家蠶成為研究非模式昆蟲滯育和化性變異的理想模型。早在1912年，美國科學家就記載了家蠶化性的遺傳特征；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。

分子植物卓越中心詹帥研究員長期從事昆蟲季節性適應究，前期在昆蟲季節性遷飛行為的分子調控和演化規律方面取得系列進展（Cell 2011、Nature 2014、Cell Reports 2022、Science Advances 2024）等，并在家蠶馴化研究中初步發現生物鐘基因在熱帶品系中受到自然選擇（Nature Ecology & Evolution 2018）。

在本研究中，詹帥研究團隊聯合安徽農業大學、江蘇科技大學等研究團隊以受溫度誘導的兼性滯育品系（二化，bi-voltinism）和非滯育品系（多化，poly-voltinism）為親本構建作圖群體，通過經典遺傳學分析將調控滯育變異的主效位點定位至Z染色體末端。針對具有不同化性特征的255個家蠶品系開展全基因組關聯分析，進一步將關鍵變異位點定位在該區域內Cycle基因的5′端。Cycle是昆蟲核心生物鐘基因（與哺乳動物Bmal1同源）；研究人員發現：家蠶Cycle基因通過可變剪接編碼3個亞型（Isoforms A-C）；相較于滯育品系，非滯育品系在C亞型特異的N端外顯子上存在1-bp的堿基缺失，導致該亞型發生整體性移碼突變，但不影響其它亞型（A/B）的編碼。通過開展基因編輯、生理生化實驗、共表達網絡分析、行為學實驗等，研究人員證明CYC-C亞型可能作用于GABAergic-Corazonin-DH通路調控家蠶滯育的環境誘導，而A/B亞型發揮CYC本身的晝夜節律調控功能。此外，研究人員發現這些功能分化的CYC亞型以相對保守的形式普遍存在于鱗翅目昆蟲（Lepidoptera，包括蛾類和蝴蝶）中，并進一步在亞洲玉米螟（Ostrinia furnacalis）中驗證了CYC-C對其幼蟲滯育（主要受光周期誘導）的調控作用，從而提示了CYC-C對鱗翅目昆蟲滯育調控的普適作用。

本研究成功鑒定到控制家蠶滯育發生和調節家蠶化性變異的主效基因，為深入探究環境因子對滯育等昆蟲表型可塑性現象的作用機制提供了新理論和新素材。此外，這些新發現進一步明確了生物鐘基因在昆蟲季節性適應中的重要作用，特別是解析了生物鐘基因Cycle在適應性演化中的具體變異機制：研究發現，可變剪接賦予CYC功能多態性，從而兼顧了季節節律調節的可塑性和晝夜節律調控的穩定性。這一巧妙模式為解答功能基因如何廣泛參與昆蟲復雜行為的適應性演化提供了嶄新的視角。本研究所揭示的分子機制，為掌握蟲害的發生規律、制訂合理的防治方案，特異性打破滯育、高效利用資源昆蟲等方面提供理論依據。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心詹帥研究員為本文通訊作者，中心已畢業博士生鄭詩芮（現美國杜克大學博士后）、安徽農業大學王耀輝教授（中心已出站博士后）、中心李貴云助理研究員為本文共同第一作者。江蘇科技大學李木旺教授團隊為本研究做出了重要貢獻。本研究得到了國家自然科學基金青年和創新群體項目，以及中國科學院青年團隊計劃項目等資助。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2129

家蠶化性與季節性適應（藍色：二化，即通過胚胎滯育一年繁殖2代；紅色：多化，一年多代）

研究思路：通過經典遺傳學、全基因組關聯分析、基因編輯等發現調控滯育變異的關鍵變異發生在Cycle基因亞型C的特異外顯子

主要發現：生物鐘基因Cycle通過不同亞型的功能多態性同時調控晝夜節律和季節節律