Nat Commun | 农业绿色防控新突破!首次构建家蚕翅盘时空单细胞图谱,解析鳞翅目翅发育保守调控通路

文章标题：Single-cell and spatial transcriptomics define 20E-driven developmental reprogramming in silkworm wing disc

发表杂志：Nature Communications

影响因子：15.7

发表时间：2026年2月

整合scRNA-seq、snRNA-seq与Stereo-seq技术，构建家蚕翅盘高分辨率时空单细胞图谱，鉴定12种主要细胞类型，明确Wm细胞为翅发育分化核心枢纽；通过体外20-羟基蜕皮酮（20E）刺激实验，揭示激素“时间轴压缩”效应及30分钟关键响应窗口，验证了Rfx等转录因子在鳞翅目翅发育中的保守调控功能；最终提出五阶段基因转换模型，阐明20E驱动的翅发育重编程机制，为农业害虫防控提供了新分子靶标。

昆虫为何能成为地球上物种最丰富的动物类群？飞行能力是关键进化创新！而翅膀的发育，更是昆虫变态发育中最精妙的过程之一，这一过程涉及组织模式形成、细胞命运转变、激素信号调控等一系列复杂事件。其中，20-羟基蜕皮酮（20E）作为昆虫变态发育的核心激素，被证实调控着细胞增殖、分化和凋亡，但其如何在时空维度精准调控翅盘细胞的命运转变，不同细胞类型间如何相互作用，始终缺乏高分辨率的解析。此前，果蝇、蝴蝶等模式昆虫的翅盘单细胞研究，多聚焦于孤立发育阶段的细胞类型和基因表达，难以捕捉细胞转归的完整连续过程，且缺乏空间分辨率，无法回答“细胞在哪、如何相互作用、如何响应激素信号”等关键问题。而家蚕作为鳞翅目模式昆虫，具有翅盘体积大、发育阶段明确、遗传背景清晰的优势，成为解析昆虫翅发育时空调控的理想模型。因此，西南大学夏庆友教授团队联合华大研究院等单位，利用单细胞和空间转录组学技术，首次构建了家蚕翅盘发育的高分辨率时空转录组图谱，揭示了20E驱动的家蚕翅盘发育重编程分子机制，还提出了全新的五阶段基因转换模型（GTM），为昆虫器官发生和农业害虫防控提供了全新视角！

一、家蚕翅盘细胞的时空图谱

本研究覆盖家蚕幼虫期、吐丝期、蛹期共10个发育时间点，构建scRNA-seq文库，经质控获得126041个高质量单细胞转录组数据，聚类鉴定出12种主要细胞类型，明确了各类细胞的标记基因、功能富集特征及发育过程中的丰度动态变化。利用Stereo-seq技术解析了3个关键发育阶段的细胞空间分布规律：幼虫期角质层细胞、上皮细胞依次分布于翅盘外层，Wm细胞集中在翅芽核心区；至吐丝期，Wm细胞比例显著下降，上皮细胞分布区域大幅扩大，揭示了细胞空间排布的动态演变规律。同时，通过53个已知翅盘发育关键基因的映射分析，验证了该时空图谱数据集的准确性与实用性。

图1：整合单细胞与空间转录组学揭示家蚕翅盘发育阶段的细胞异质性

二、Wm细胞是翅膀发育的分化枢纽

发育丰度分析显示，Wm细胞比例从幼虫期到蛹期持续下降，蛹期几乎消失，与上皮、角质层细胞丰度变化呈负相关。轨迹分析证实，Wm细胞是翅盘发育的核心祖细胞，呈分叉式分化轨迹，可定向分化为上皮细胞和角质层细胞两大谱系，且每个谱系内存在明确的成熟梯度；同时解析了两个分化分支的关键调控通路，上皮分支富集Toll/Imd等通路，角质层分支富集Hippo、MAPK等通路。通过SCENIC分析鉴定出调控Wm细胞分化的核心转录因子模块（Rfx、Blimp-1、Dll、Pur-alpha），其中Rfx是Wm细胞特异性的核心调控因子。经RNAi和跨物种（斜纹夜蛾）功能验证，证实Rfx在鳞翅目昆虫翅盘形态发生中具有保守且关键的调控作用，敲低该基因会引发翅盘形态缺陷与成虫翅膀畸形。

图2：家蚕翅盘发育过程中的细胞分化轨迹与功能动态

三、20E调控翅盘发育动态

自然发育组织分析显示，20E相关基因具有强烈的细胞类型时空特异性，证实20E是引导翅盘细胞命运转变的核心调控因子。通过建立体外20E刺激体系，结合时间分辨snRNA-seq分析发现，20E处理后基因表达呈清晰的级联响应特征，细胞响应存在显著时序性：0-30分钟Wm、角质层、上皮细胞率先产生强转录响应，后期响应主体转向基质、免疫细胞，同时多条信号通路呈分步协同激活模式。研究鉴定出20E调控的两个核心基因表达模块（M1、M2），分别对应早期结构细胞响应与晚期免疫/基质细胞响应，明确了不同阶段的关键调控转录因子；发现20E存在“时间轴压缩” 效应，30分钟是其诱导转录重编程的关键节点，可在数小时内重现自然发育数天的进程，同时鉴定出273个20E的候选直接靶基因，这些基因主要参与形态发生、生长、应激与免疫反应等过程。

图3：20E对翅盘发育的时间和细胞类型特异性调控

四、基因转换模型定义翅盘发育阶段

结合基因表达模式相似性、翅盘局部20E浓度、组织形态学变化，本研究首次提出家蚕翅盘发育的五阶段基因转换模型（GTM），将翅盘发育划分为发育蓝图期、细胞奠基期、重塑塑形期、结构形成期、成熟稳定期，明确了每个阶段的激素水平、分子特征与形态学核心变化。空间映射分析显示，阶段特异性差异表达基因呈区域化富集，其空间动态与组织形态变化高度契合；细胞间互作分析发现，互作网络从发育早期到中期逐渐复杂化，至成熟期趋于简化，Wnt、Notch、Hh等7条核心信号通路呈阶段特异性激活，基质细胞和免疫细胞是贯穿翅盘发育全程的持续性信号枢纽，同时明确了各发育阶段关键的配体-受体互作对与信号调控轴。

图4：动态20E介导的基因调控网络与翅盘发育的阶段特异性特征

本研究首次构建了家蚕翅盘发育的高分辨率时空转录组图谱，系统鉴定了翅发育的核心细胞类型、分化轨迹和关键调控因子，揭示了20E激素驱动翅盘发育重编程的分子机制，并提出了整合激素梯度、基因表达、空间组织、形态建成的五阶段基因转换模型。其核心价值主要体现在两个方面：

• 发育生物学层面：明确了Wm祖细胞的分化调控网络，揭示了激素信号在时空维度精准调控昆虫器官发生的分子逻辑，为解析全变态昆虫的器官发育提供了全新的理论框架，也为跨物种比较发育研究提供了高质量参考数据集；

• 农业应用层面：鉴定出鳞翅目昆虫翅发育的保守核心调控因子（如Rfx），为农业鳞翅目害虫的绿色防控提供了全新的分子靶标。通过调控这些靶标基因干扰害虫翅发育，可实现降低害虫飞行能力、遏制其扩散危害的目的，为害虫防控技术研发开辟了新方向。

Liu Q, He M, Chen H, et al. Single-cell and spatial transcriptomics define 20E-driven developmental reprogramming in silkworm wing disc. Nat Commun. Published online February 23, 2026. doi:10.1038/s41467-026-69518-6