Science

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權威學術期刊Science發表了題為“Functional polymorphism of CYCLE underlies diapause variation in moths”的研究論文。該論文發現核心生物鐘基因Cycle是控制家蠶滯育的分子“開關”，并揭示了家蠶生活史（每年繁殖代數）變異的遺傳機制。

研究背景

昆蟲是地球上分布最廣、數量最大的動物類群。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。滯育是昆蟲在特定時期或特定季節性信號（包括光周期、溫度等）的誘導下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，以應對不利環境。滯育顯著延長昆蟲的世代周期，因此也是塑造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生1-2代，而南方種群一年可發生多代。昆蟲種類眾多，滯育形式和生活史策略多變，但其背后的遺傳變異機制極少得到解析。

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。家蠶也是化性最早被研究的昆蟲，針對其遺傳特征的記載最早可追溯到上世紀初。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。

分子植物卓越中心詹帥研究員長期從事昆蟲季節性適應研究，在季節性遷飛和種群地理擴散等方面取得系列進展（Cell 2011、Nature 2014、Nature Ecology & Evolution 2018、Nature Ecology & Evolution 2019、Cell Reports 2022、Science Advances 2024等）。

研究內容

在本研究中，詹帥帶領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，bi-voltinism）和非滯育多化品系（每年繁育多代，poly-voltinism）構建定位群體，并結合全基因組關聯分析發現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律調控。研究團隊發現家蠶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，非滯育品系的C亞型由于其N端特異外顯子上的1-bp缺失發生移碼突變，但A/B亞型完整保留。通過開展基因編輯、生理生化實驗、行為學實驗等，研究團隊發現C亞型調控家蠶滯育的環境誘導，而A/B亞型發揮Cycle本身的晝夜節律調控功能。研究團隊進一步發現Cycle基因的雙重功能普遍存在于鱗翅目昆蟲中（包括蛾類和蝴蝶），并在亞洲玉米螟中證明了C亞型對滯育的調控作用。

本研究的意義在于：

（1）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；

（2）解釋了生物鐘基因如何在不影響晝夜節律調控穩定性的前提下，實現季節節律調控的可塑性；

（3）在分子水平為基于遺傳學手段打破滯育、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動態變化等提供理論依據。

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）

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

相關信息

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，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）、分子植物卓越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和中國科學院等項目的資助。

詹帥研究組合影

專家點評

1

康樂院士 中國科學院動物研究所

詹帥團隊的這一發現是昆蟲季節性適應領域的突破性進展，為探究生命過程與環境互作機制提供了新理論和新素材。昆蟲的滯育決定了其種群生活史和年度發生規律。他們的研究表明生物鐘基因Cycle對滯育的調控作用在鱗翅目昆蟲中是普遍存在的，而鱗翅目昆蟲包含了種類最多的農林害蟲。因此，該研究成果對于掌握害蟲的種群發生規律、保障國家糧食安全、促進生態系統穩定性等方面具有重要意義。

2

徐衛華教授 中山大學

詹帥團隊的研究工作涉及復雜性狀的遺傳定位、多組學分析，以及針對不同品系、不同物種的大量遺傳操作和功能研究等。無論是工作量還是研究標準，他們的工作在非模式昆蟲中都是一項了不起的成就。這一研究成果不僅是滯育領域的里程碑式工作，也破解了家蠶遺傳學的經典難題。家蠶馴化起源于我國，數千年來積累了具有不同性狀的家蠶品系。化性是最重要的馴化性狀之一，通過滯育實現個體發育同步以及與人類活動規律的整體同步。詹帥團隊的這項工作揭示了多化性品系非滯育性狀的起源，并為基于遺傳手段打破家蠶滯育、提高生產效率提供了理論基礎。這項工作也是繼桑蠶基因組計劃重大成果之后（2004、2009），家蠶領域的研究成果時隔16年再次在Science期刊發表。