近日，前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心夏慶友教授團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》（Nature Communications）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為《單細(xì)胞與空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示20E驅(qū)動(dòng)的家蠶翅原基發(fā)育重編程機(jī)制》（Single-cell and spatial transcriptomics define 20E-driven developmental reprogramming in silkworm wing disc）的研究論文。該研究整合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組與空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，在細(xì)胞分辨率上系統(tǒng)解析了20-羥基蛻皮激素（20E）重塑家蠶翅原基發(fā)育程序，并提出五階段“基因轉(zhuǎn)化模型”（Gene Transition Model, GTM），為理解完全變態(tài)昆蟲(chóng)器官發(fā)生提供了全新的時(shí)空框架。
研究團(tuán)隊(duì)跨越10個(gè)關(guān)鍵發(fā)育時(shí)間點(diǎn)，解析12萬(wàn)余個(gè)單細(xì)胞，首次系統(tǒng)繪制了家蠶翅原基的高分辨率時(shí)空?qǐng)D譜。研究發(fā)現(xiàn)，一類(lèi)被命名為Wm（Wing morphogenesis）的細(xì)胞處于發(fā)育網(wǎng)絡(luò)的核心位置。這些細(xì)胞既具有祖細(xì)胞特征，又向兩個(gè)方向分化：上皮譜系（構(gòu)建結(jié)構(gòu)層次）和角質(zhì)譜系（形成成蟲(chóng)翅外層）。通過(guò)擬時(shí)序分析，團(tuán)隊(duì)清晰重建了Wm細(xì)胞向兩條譜系分化的軌跡，揭示翅原基發(fā)育是一個(gè)高度組織化、分階段推進(jìn)的細(xì)胞命運(yùn)分流過(guò)程。
20E是昆蟲(chóng)變態(tài)發(fā)育的核心激素，但其在單細(xì)胞層面的調(diào)控邏輯一直不清晰。研究團(tuán)隊(duì)建立體外20E誘導(dǎo)體系，并開(kāi)展分鐘級(jí)單核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，追蹤發(fā)育響應(yīng)過(guò)程。結(jié)果顯示：30分鐘是轉(zhuǎn)錄程序轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；激素可在數(shù)小時(shí)內(nèi)重現(xiàn)自然發(fā)育數(shù)天的基因表達(dá)模式；不同細(xì)胞類(lèi)型對(duì)激素信號(hào)的響應(yīng)存在明顯的時(shí)序分層。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究提出“時(shí)間軸壓縮效應(yīng)”——20E并非簡(jiǎn)單觸發(fā)變態(tài)，而是以模塊化方式分階段激活不同細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。這一機(jī)制揭示了激素如何在空間與時(shí)間維度上精準(zhǔn)調(diào)控器官重塑過(guò)程。
整合基因表達(dá)動(dòng)態(tài)、20E濃度變化、組織形態(tài)重構(gòu)以及細(xì)胞互作網(wǎng)絡(luò)，研究提出五階段“基因轉(zhuǎn)化模型”，即發(fā)育藍(lán)圖建立期、細(xì)胞基礎(chǔ)構(gòu)建期、重塑與邊界重組期、結(jié)構(gòu)分層形成期和成熟與穩(wěn)定期。該模型首次將激素梯度變化、信號(hào)通路活性、細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變與空間結(jié)構(gòu)重構(gòu)整合為統(tǒng)一框架，為理解昆蟲(chóng)翅發(fā)育的階段性調(diào)控提供了系統(tǒng)理論基礎(chǔ)。研究還鑒定出Rfx等多個(gè)Wm細(xì)胞分化的重要調(diào)控因子。在家蠶和草地貪夜蛾中進(jìn)行功能驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，干擾Rfx會(huì)導(dǎo)致翅結(jié)構(gòu)嚴(yán)重異常。這一發(fā)現(xiàn)提示，該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在鱗翅目昆蟲(chóng)中具有高度保守性，也為害蟲(chóng)精準(zhǔn)調(diào)控策略提供了潛在分子靶點(diǎn)。
西南大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心劉青松副研究員、西南華大生命科學(xué)研究院何明敏、中心博士生陳浩、西南華大生命科學(xué)研究院張勇芬和基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黎萬(wàn)順博士（西南大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心畢業(yè)生）為論文共同第一作者。夏慶友教授為論文最后通訊作者，西南大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心趙萍教授，基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝敏副研究員，西南華大生命科學(xué)研究院陳奧研究員為論文共同通訊作者。該研究由西南大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心聯(lián)合西南華大生命科學(xué)研究院、基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位共同完成。研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69518-6
