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近日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心詹帥研究團隊發(fā)現(xiàn)，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(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，以躲避或應對低溫、短光照、食物匱乏等不利環(huán)境。昆蟲滯育是在特定時期或在特定環(huán)境信號的誘導下發(fā)生的發(fā)育停滯行為，并伴隨生理、代謝、表型等方面的變化。滯育幫助昆蟲應對不利環(huán)境并延長其世代周期，是昆蟲種群在不同氣候條件下維持相應年度生活史的生理基礎。昆蟲種類眾多，滯育形式各異。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。家蠶在長期馴化過程中，其化性受到規(guī)律性的人工選擇：多數家蠶品系特別是生產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。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。1912年，美國科學家記載了家蠶化性的遺傳特征。但是，決定家蠶化性的主效基因和具體的遺傳機制至今尚不清楚。詹帥團隊聯(lián)合安徽農業(yè)大學、江蘇科技大學等的研究團隊，以受溫度誘導的兼性滯育品系和非滯育品系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。團隊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(lián)分析，進一步將關鍵變異位點定位在該區(qū)域內Cycle基因的5′端。研究發(fā)現(xiàn)，家蠶Cycle基因通過可變剪接編碼3個亞型；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(fā)生整體性移碼突變，但不影響其他亞型的編碼。團隊通過基因編輯、生理生化實驗、共表達網絡分析、行為學實驗等，證明CYC-C亞型可能作用于GABAergic-Corazonin-DH通路調控家蠶滯育的環(huán)境誘導，而A/B亞型發(fā)揮CYC本身的晝夜節(jié)律調控功能。同時，團隊發(fā)現(xiàn)，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中，并進一步在亞洲玉米螟中驗證了CYC-C對其幼蟲滯育的調控作用，提示CYC-C對鱗翅目昆蟲滯育調控的普適作用。該研究鑒定到控制家蠶滯育發(fā)生和調節(jié)家蠶化性變異的主效基因，為探究環(huán)境因子對滯育等昆蟲表型可塑性現(xiàn)象的作用機制提供了新理論和新素材。同時，這些新發(fā)現(xiàn)明確了生物鐘基因在昆蟲季節(jié)性適應中的重要作用，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(fā)現(xiàn)，可變剪接賦予CYC功能多態(tài)性，兼顧季節(jié)節(jié)律調節(jié)的可塑性和晝夜節(jié)律調控的穩(wěn)定性。這一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新視角。該研究所揭示的分子機制，為掌握蟲害的發(fā)生規(guī)律、制訂合理的防治方案以及特異性打破滯育、高效利用資源昆蟲等提供了理論依據。5月30日，相關研究成果以Functional polymorphism of CYCLE underlies diapause variation in moths為題，發(fā)表在《科學》（Science）上。研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃等的支持。論文鏈接家蠶化性與季節(jié)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(lián)分析、基因編輯等發(fā)現(xiàn)調控滯育變異的關鍵變異發(fā)生在Cycle基因亞型C的特異外顯子主要發(fā)現(xiàn)：生物鐘基因Cycle通過不同亞型的功能多態(tài)性同時調控晝夜節(jié)律和季節(jié)節(jié)律