2024年6月19日，国际著名期刊Science Advances（Science综合性子刊）在线发表了西南大学资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室代方银教授团队题为“蛾类和蝶类昆虫雌性W染色体的多重独立起源”（Multiple independent origins of the female W chromosome in moths and butterflies）的研究论文。该研究首次获得了家蚕W染色体完整基因组序列，并揭示鳞翅目昆虫W染色体起源与进化的新机制。研究结果不仅在基因组与进化生物学领域具有重要理论意义，而且在家蚕等鳞翅目昆虫的性别调控的研究方面具有重大价值，并为家蚕分子育种带来新的前景。

动物界性染色体的组成及其对性别的决定作用呈现极为丰富的多样性。在哺乳动物中（包括人类），雄性的性染色体组成通常为XY，而雌性则为XX，性别由Y染色体上的关键基因决定。而鸟类则具有ZW染色体系统，雄性为ZZ，雌性为ZW。爬行动物和两栖动物中的性染色体组合也多种多样，以ZZ/ZW系统为主。在昆虫中，性染色体组成以XX/XY系统为主，而鳞翅目昆虫性染色体组成与其它大部分昆虫不同，其性染色以ZZ/ZW系统为主，其中雄性为ZZ，雌性为ZW。因此，关于鳞翅目W染色体的起源和进化受到进化生物学家的长期关注。

图1. 不同物种性染色体组成及性别决定

注：上述所列不同类别生物的性染色体组成代表的是该类物种中大部分物种所呈现的性染色体组合。例如，鱼类除了XX/XY系统外，还有一些鱼类属于ZZ/ZW，ZZ/ZO或XX/XO系统。另外，生物界已知性染色体组成的动物以XY/XX系统为主。

1916年日本学者Yoshimaro Tanaka首次在家蚕中发现W染色体，其后家蚕性别决定的经典遗传研究得到重要发展，并基于W染色体的雌性决定作用，通过诱变技术建立了家蚕性别形态标记，至今被广泛应用于家蚕“限性品种”培育。最近20年来，家蚕性别决定分子机制研究一直是热点问题，包括在W染色体上发现了强雌性决定因子Fem（一个piRNA），在Z染色体上发现了Fem下游因子Masc，在常染色上也发现了影响性别的多个基因。但总体上家蚕性别决定机制仍未被清晰解析，这与家蚕W染色体序列信息的缺乏不无关系。

图2 家蚕性染色体组成及性别决定研究进展

本研究的主要结果和贡献如下：

1. 首次获得了家蚕高质量W染色体序列，对家蚕性别调控研究、基于W染色体的遗传改造和分子育种意义重大。

本研究应用二代短读长、三代长读长和Hi-C测序技术组装获得家蚕雌性个体的染色体级别基因组，并基于染色体熵值（CQ）的算法开发了鉴定富含重复序列W染色体的工具（https://github.com/ruio-7/CQ-package），获得了长度约10.1 Mb的家蚕W染色体序列。通过对W染色体注释发现：家蚕W染色体的重复序列约占其总序列的87%；家蚕W染色体含有137个Fem拷贝，并且这些Fem拷贝主要以串联重复形式排布，这解释了为什么通过基因组敲除Fem无法完全实现雌性向雄性转变，因为基因组操作很难将W染色体上数目众多的Fem拷贝完全敲除；在本研究之前，在家蚕W染色体上未有任何蛋白编码基因被报道，而本研究在家蚕W染色体上鉴定到76个蛋白编码基因，其中11个基因属于W染色体特有，这些基因大部分在家蚕早期胚胎相对高表达。这些发现对系统解析家蚕性别决定机制以及基于W染色体的分子育种具有极为重要的指导意义。

在本研究之前，关于家蚕W染色体的序列信息仅有有限的BAC（细菌人工合成染色体）序列（479个片段，共约1.39 Mb）（Kawaoka等，2011）和少量短的DNA序列（3,679个片段，共约1.23 Mb）（Li等，2018）。

图3 家蚕不同染色体重复序列、蛋白编码基因分布

2. 揭示了鳞翅目物种W染色体的起源为通过多种机制独立产生，并提出了W染色体起源的一种新机制，对基因组与进化生物学具有重要的理论贡献。

揭示新物种、新性状、新遗传物质从何而来（起源）以及如何发展（演化），这是进化生物学要解决的核心问题。此前已知Z染色体在鳞翅目不同物种间相对保守，推测其是单一起源；而对于鳞翅目W染色体起源和进化的认识仍不清楚。鳞翅目早期分化系（如微小蛾科，Micropterigidae）以及其近缘目毛翅目（Trichoptera）中均缺乏W染色体（雌性性染色体为ZO，雄性为ZZ）。因此，ZO/ZZ型的性染色体系统被认为是鳞翅目和毛翅目的祖先系统，而W染色体是鳞翅目昆虫后期产生并主要分布在鳞翅目双孔亚目（Ditrysia，包含大部分蛾类和所有蝶类）物种中。关于W染色体的起源问题，前人根据性别特异染色体产生的一般机制，推测鳞翅目W可能通过三种机制产生，包括非经典模型下的B染色体招募（Recruitment of B chromosome），经典模型下的Z-常染色融合（Z-Autosome fusion）和性染色体转换（Sex chromosome turnover）。先前基于有限的研究推测鳞翅目双孔亚目的W染色体可能是单一起源，并且主要通过非经典模型（Recruitment of B chromosome）产生。但事实是否如此呢？则有待对更多物种的W染色体进行研究。

图4 先前推测的鳞翅目昆虫W染色体可能的三种产生机制

本研究通过比较21个鳞翅目昆虫（包括17个ZW系统，4个ZO系统）和3个毛翅目昆虫（ZO系统）基因组，发现鳞翅目W染色体通过多种机制产生，包括先前推测的非经典模型（Recruitment of B chromosome）、经典模型下的Z-常染色体融合机制（Z-Autosome fusion）和本研究新提出的单个Z染色体转换机制（Single-Z turnover）。本研究发现17个ZW系统中，有3个物种的W染色体形成涉及单个Z染色体转换机制，该机制认为祖先ZO/ZZ性染色体系统中的雄性包含一对ZZ性染色体，在进化过程中其中一条Z染色体获得了雌性性别决定因子，进而导致该Z染色体转变成W染色体。

图5 本研究提出的W染色体起源的新机制

图6 鳞翅目17个昆虫W染色体的产生机制

本研究具有以下亮点：

（1）获得了家蚕高质量的W染色体序列，并且发现家蚕W染色体包含雌性性别决定因子（Fem）137个拷贝，蛋白编码基因76个，这些信息对解析家蚕性别决定机制以及基于W染色体的分子育种具有重要价值。

（2）揭示鳞翅目昆虫W染色体通过多种机制独立产生，并提出了鳞翅目W染色体形成的新机制——单个Z染色体转换。这一发现对理解鳞翅目昆虫W染色体的起源与进化提供了新的见解。

（3）建立了基于染色体熵值（CQ）鉴定富含重复序列的性染色体的新方法。强调屏蔽W染色体重复序列，并在系统发生背景下基于W染色体可能的产生机制来分析W染色体起源的重要性。这为未来类似的研究提供了方法上的参考。

附：审稿人的部分正面评价：

“I think the W chromosome of silkworm is tremendously useful for the lepidopteran research community, with the new gene and repeat annotation, also obviously useful for any silkworm studies.” （我认为家蚕的W染色体对鳞翅目昆虫的研究来说非常有用，尤其是在新鉴定的基因和重复序列注释方面，也对任何家蚕的研究非常有用。）

“I am now comfortable that the results presented largely support the interpretations made here concerning the various evolutionary histories of the sex chromosomes studied.” （我对所呈现的结果感到满意，这些结果有力支持了该研究提出的性染色体的不同进化史。）

“First is the assessment of how failure to thoroughly account for (mask) transposons can greatly skew results of homology as applied to the W. I think this is a noteworthy addendum to the study, which validates longstanding concerns I’ve had about such analyses.” （首先该研究解释了未能充分屏蔽转座子会如何极大地扭曲W染色体的同源性结果的评估。我认为这是这项研究的一个重要贡献，它验证了我长期以来对这类分析的担忧。）

“I find the idea of single-Z turnover an interesting one, and the evidence that this has happened in M. jurtina is very compelling in my opinion.” （我认为单一的Z染色体转换的想法非常有趣，而且我认为在草地褐蝶中发生了这种情况的证据非常有说服力。）

“I think the observation that there is an approximately 30 My limit on being able to detect W-chromosome homology is also a broadly useful observation.” （我认为在分化不超过3000万年的物种间才能够检测到2个物种W染色体的同源性是一个广泛有用的发现。）

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署名单位，青年教师韩民锦副教授为论文第一作者，代方银教授为论文最后通讯作者。硕士研究生罗朝瑞为共同第一作者，童晓玲教授为共同通讯作者，法国斯特拉斯堡大学Eric Westhof教授，硕士研究生林美杏、任建宇（已毕业）、叶燕卓，博士研究生沈姜宏，青年教师陆昆鹏、胡海等参与了该项研究。团队向仲怀院士及鲁成教授对该项研究给予大力支持。

该研究由国家自然科学基金重点及面上项目、国家蚕桑产业技术体系项目和重庆市自然科学基金创新群体项目等提供资助。

论文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm9851

【供稿：韩民锦  审核：代方银】