近日，前沿交叉学科研究院生物学研究中心夏庆友教授团队在《自然通讯》（Nature Communications）期刊在线发表题为《单细胞与空间转录组学揭示20E驱动的家蚕翅原基发育重编程机制》（Single-cell and spatial transcriptomics define 20E-driven developmental reprogramming in silkworm wing disc）的研究论文。该研究整合单细胞转录组、单细胞核转录组与空间转录组技术，在细胞分辨率上系统解析了20-羟基蜕皮激素（20E）重塑家蚕翅原基发育程序，并提出五阶段“基因转化模型”（Gene Transition Model, GTM），为理解完全变态昆虫器官发生提供了全新的时空框架。
研究团队跨越10个关键发育时间点，解析12万余个单细胞，首次系统绘制了家蚕翅原基的高分辨率时空图谱。研究发现，一类被命名为Wm（Wing morphogenesis）的细胞处于发育网络的核心位置。这些细胞既具有祖细胞特征，又向两个方向分化：上皮谱系（构建结构层次）和角质谱系（形成成虫翅外层）。通过拟时序分析，团队清晰重建了Wm细胞向两条谱系分化的轨迹，揭示翅原基发育是一个高度组织化、分阶段推进的细胞命运分流过程。
20E是昆虫变态发育的核心激素，但其在单细胞层面的调控逻辑一直不清晰。研究团队建立体外20E诱导体系，并开展分钟级单核转录组测序，追踪发育响应过程。结果显示：30分钟是转录程序转换的关键节点；激素可在数小时内重现自然发育数天的基因表达模式；不同细胞类型对激素信号的响应存在明显的时序分层。基于这一发现，研究提出“时间轴压缩效应”——20E并非简单触发变态，而是以模块化方式分阶段激活不同细胞网络。这一机制揭示了激素如何在空间与时间维度上精准调控器官重塑过程。
整合基因表达动态、20E浓度变化、组织形态重构以及细胞互作网络，研究提出五阶段“基因转化模型”，即发育蓝图建立期、细胞基础构建期、重塑与边界重组期、结构分层形成期和成熟与稳定期。该模型首次将激素梯度变化、信号通路活性、细胞命运转变与空间结构重构整合为统一框架，为理解昆虫翅发育的阶段性调控提供了系统理论基础。研究还鉴定出Rfx等多个Wm细胞分化的重要调控因子。在家蚕和草地贪夜蛾中进行功能验证后发现，干扰Rfx会导致翅结构严重异常。这一发现提示，该调控网络在鳞翅目昆虫中具有高度保守性，也为害虫精准调控策略提供了潜在分子靶点。
西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心刘青松副研究员、西南华大生命科学研究院何明敏、中心博士生陈浩、西南华大生命科学研究院张勇芬和基因组多维解析技术全国重点实验室黎万顺博士（西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心毕业生）为论文共同第一作者。夏庆友教授为论文最后通讯作者，西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心赵萍教授，基因组多维解析技术全国重点实验室谢敏副研究员，西南华大生命科学研究院陈奥研究员为论文共同通讯作者。该研究由西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心联合西南华大生命科学研究院、基因组多维解析技术全国重点实验室等单位共同完成。研究获得国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69518-6
