絲蛋白是大自然賦予人類的一種天然可再生蛋白資源，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、生物相容性以及生物可降解性等特點(diǎn)，開發(fā)利用價(jià)值巨大。地球上已知能夠產(chǎn)絲的生物超過十萬種，其中包括人們熟知的蠶類、蜘蛛、螞蟻等。家蠶的絲蛋白合成能力超強(qiáng)，是迄今唯一被人類完全馴化并形成了重要產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)絲動(dòng)物。百余年來，探明家蠶高效產(chǎn)絲以及蠶絲性狀形成的分子基礎(chǔ)，一直是蠶業(yè)科學(xué)領(lǐng)域致力突破的關(guān)鍵理論問題。研究解決該問題，對于蠶絲性能改造、分子育種以及方興未艾的絲蛋白多元化、高值化開發(fā)利用具有重要指導(dǎo)意義。

2022年6月9日，徐漢福教授課題組在國際知名期刊NatureCommunications上發(fā)表了題為“Asingle-celltranscriptomicatlascharacterizesthesilk-producingorganinthesilkworm”的研究論文，以單細(xì)胞分辨率揭示了家蠶絲腺的全細(xì)胞異質(zhì)性及其基因轉(zhuǎn)錄圖譜。這是實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)繼2003年解碼家蠶全基因組DNA遺傳密碼后，從單細(xì)胞維度首次對家蠶產(chǎn)絲器官及其基因表達(dá)動(dòng)態(tài)進(jìn)行的超高分辨率解析，實(shí)現(xiàn)了家蠶絲腺研究從組織水平到單細(xì)胞水平的跨越。

該項(xiàng)研究歷時(shí)兩年，課題組先后攻克了家蠶完整絲腺樣本的大批量剖取和腺細(xì)胞解離等技術(shù)難關(guān)，累計(jì)解剖胚胎、蟻蠶和一齡眠期的家蠶個(gè)體近2萬頭。研究發(fā)現(xiàn)，家蠶絲腺中有10種主要細(xì)胞類群（cluster），它們分別執(zhí)行絲素蛋白合成、絲膠蛋白合成、液態(tài)絲纖維化、細(xì)胞重建、絲蛋白代謝、幾丁質(zhì)代謝等功能。有趣的是，絲蛋白基因不但在齡期絲腺細(xì)胞高表達(dá)，在眠期亦有不同程度的表達(dá)；眠期絲腺細(xì)胞中基因表達(dá)非?；钴S，一些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路如蛻皮激素（20E）信號、Hippo信號等參與其中，發(fā)揮著調(diào)控絲腺發(fā)育和絲蛋白合成的重要作用。研究人員還深入分析了各細(xì)胞類型隨時(shí)間發(fā)育的擬時(shí)序變化，通過RNAvelocity探究了在絲腺發(fā)育過程中不同細(xì)胞類型間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系等。

圖1 家蠶絲腺的主要細(xì)胞類型及其時(shí)空分布

圖2 家蠶絲蛋白基因在各細(xì)胞類型中的時(shí)空分布與表達(dá)

通過該項(xiàng)研究，課題組揭示了家蠶絲腺細(xì)胞的異質(zhì)性以及腺細(xì)胞基因隨時(shí)間開啟和關(guān)閉的動(dòng)態(tài)信息。該成果對今后在單細(xì)胞水平上開展蠶絲蛋白合成調(diào)控研究和蠶絲育種素材精準(zhǔn)創(chuàng)制，促進(jìn)以家蠶為模式的產(chǎn)絲生物絲蛋白合成調(diào)控及多元化開發(fā)利用研究，具有重大科學(xué)價(jià)值。

家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南大學(xué)）為論文第一署名單位，博士研究生馬艷、曾文慧和歐易生物巴永兵博士為論文共同第一作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、重慶市在渝院士牽頭科技創(chuàng)新引導(dǎo)專項(xiàng)和重慶市英才計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。