Cell Reports | 西南大学徐汉福教授课题组在家蚕丝腺时空生物学研究中再获突破

Cell Reports | 西南大学徐汉福教授课题组在家蚕丝腺时空生物学研究中再获突破

2024年7月10日，国际知名学术期刊Cell Reports（Cell旗下子刊）在线发表了资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室徐汉福教授课题组完成的大蚕期家蚕（4~5龄幼虫）丝腺时空生物学研究论文。该研究首次绘制了高分辨率的大蚕期丝腺全景时空转录图谱，并以此为基础解析了大蚕期丝腺的细胞类型、细胞状态及其基因表达的动态变化，精准定位并揭示了丝腺细胞群的空间位置与空间异质性。

家蚕起源于我国，以产丝量多、丝性能优而著称。自被中华先民驯化饲养以来，家蚕为人类贡献着源源不断的天然丝蛋白资源，孕育了绵延五千年的灿烂蚕丝文化，位列“改变人类历史进程的动物”之首。现今，家蚕丝除了作为纺织原料的传统用途，在组织工程、生物医药、食品、先进材料等领域亦展现出巨大潜力和应用前景，相关研究开发非常活跃。丝腺是家蚕专一并能高效制造丝蛋白的大型器官，对蚕丝的产量和品质具有决定性影响。丝腺何以能高效产丝，是蚕学领域致力攻克的一个重大科学问题，其系统探究可为优异蚕品种创制和丝蛋白多元化利用提供关键理论支撑。

该研究发现，在单细胞分辨率下，大蚕期丝腺共有7种细胞类型，这些细胞随时间维度呈现丰富的细胞状态，不同状态的细胞群沿拟时序轨迹可划分为三条路径，每条路径上的功能异质性丝腺细胞在不同发育时期行使其相应的生物学功能。空间维度上，大蚕期丝腺各细胞群的功能特征与它们合成丝蛋白的区域异质性具有精准对应关系。进一步地，研究探明了大蚕期丝腺的丝蛋白合成细胞群和丝蛋白基因的时空表达动态，揭示了各细胞群在丝蛋白高效合成期的功能特征、转录调控网络和细胞间通讯关系，鉴定了一批调控丝腺发育和丝蛋白高效合成的关键因子。这些研究结果，从时间和空间双维度深度解码了大蚕期家蚕丝腺的发育动态和高效产丝之谜。

图1. 大蚕期桑蚕丝腺时空转录图谱

(上：丝腺形态和时空图谱绘制策略；中：丝腺细胞类型和发育状态；下：丝腺空间图谱和转基因验证)

图2. 丝蛋白高效合成的分子调控网络和关键调控因子

(上：丝腺细胞核形态和丝蛋白基因表达；中：丝腺核内复制、调控网络和细胞通讯；下：丝腺调控因子)

家蚕丝腺由于器官形态和内部构造的极强个性化特征，其时空生物学研究存在极大挑战。自2022年8月启动大蚕期丝腺研究以来，徐汉福教授课题组历经多次实验挫折及新冠疫情挑战，最终攻克了大尺寸丝腺单细胞核捕获和制样、空间切片与组织透化、单细胞空间映射等一系列技术难题。这是该课题组继2022年在Nature杂志子刊Nature Communications上发表全球首个家蚕丝腺单细胞研究成果后，取得的又一重要突破。至此，该课题组历时4年，绘成并解析了涵盖家蚕胚胎、稚蚕和大蚕共7个发育时期的丝腺单细胞蓝图和1个大蚕期丝腺空间转录图谱，标志家蚕丝腺研究迈入全新的时空时代，为家蚕丝腺生物学和精准分子育种研究提供了高分辨的时空视场和理论支撑，对促进以家蚕为模式的泌丝生物及其丝蛋白研究与利用具有重要意义。

图3. 桑蚕丝腺细胞群发育动态和丝蛋白高效合成分子基础

西南大学资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室为论文第一完成单位。向仲怀院士对该项研究给予了悉心指导和大力支持。课题组青年教师马艳博士为论文第一作者，李青俊（硕士研究生）、唐艺芸（博士研究生）和张智勇博士（寻因生物）为共同第一作者，徐汉福教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发课题、重庆市英才计划、西南大学青年培育团队和重庆市茧丝绸发展项目的资助。

论文链接: https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)00789-7

供稿：马艳、唐艺芸，审核：李田