近十年蚕学研究进展盘点（CNS篇）

唐朝诗人李商隐用“春蚕到死丝方尽”来形容忠贞不渝和鞠躬尽瘁的精神，从一条小小的家蚕身上能够感悟出来这么深奥的道理，不得不佩服他的智慧！——不过，他的这句话其实是错误的！蚕吐完丝之后是化成了蛹，而不是死了！这也从侧面看出中国古人的科学普及程度让人那个汗颜啊！

家蚕是一种鳞翅目昆虫，一生经过卵、幼虫、蛹和成虫四个阶段，在化蛹之前吐丝结茧。家蚕是一种重要的资源昆虫，不仅被用来生产蚕茧，蚕蛹可以吃也可以榨油，蚕粪（蚕沙）还是一种中药。除此之外，家蚕也是一种重要的模式动物，在昆虫生理学、发育生物学、遗传学和害虫防治等研究领域具有重要的科学地位。CNS期刊作为是前沿科学的风向标，对科学研究领域的发展具有一定的推动作用。为了跟踪国际上蚕学研究的最新动态，特盘点一下2000年以来发表在CNS（Cell、Nature、Science）期刊上以家蚕为主要研究对象的文章。

Science

2004年，Science发表了西南大学完成家蚕基因组草图绘制成功的文章，覆盖率达到6X。他们在文中详细描述了家蚕基因组的草图概况，家蚕的基因组的大小大约为428.7Mb，分别是果蝇和蚊子基因组的3.6倍和1.54倍。与果蝇的基因组进行了比较分析后，发现家蚕的基因数目远远大于果蝇的基因数目（18510 vs 13379）。另外，他们在文中也介绍了一些新的生物信息学算法，比如他们引入的基因搜索算法BGF（BGI GeneFinder）能够比较准确的预测家蚕中的基因全长和基因数目。在同一年，日本科学家在DNA Research上也发表了家蚕基因组的草图，但是覆盖率只有3X。就我个人经验而言，我觉得西南大学预测的基因序列比日本做得好。

2009年，Science又发表了西南大学完成包括野蚕在内的40个不同家蚕品系基因组测序的工作。在这40个不同家蚕品系的基因组之间，他们鉴定了大约1600万个SNPs、Indels和结构变异。通过系统发育分析发现家蚕经过5000年的驯化已经成功的从野蚕中分化出来，并且通过比较基因组学的分析方法鉴定了354个与家蚕驯化有关的候选基因。上一期Science以News of the Week的方式提前发表了题目为“Sequencing 40 Silkworm Genomes Unravels History of Cultivation”的新闻评论，文中充分肯定了西南大学的工作，对理解物种的驯化机制提供潜在的暗示信息，不过文中也指出至今还没有找到家蚕起源的地点是目前最大的遗憾。

2010年，Science发表了一篇有关蜘蛛牵引丝和蚕丝的文献综述。蜘蛛牵引丝被认为是超级纤维，其各项物理指标都优于蚕丝，但是蜘蛛牵引丝的产量是远远不如蚕丝的产量。在综述中，作者提出利用遗传重组的方法改造蚕丝的氨基酸结构以合成具有不同性质的蚕丝，这样的蚕丝将被应用于不同的领域，如强度和韧性更好的蚕丝用于机械领域，能够被蛋白酶水解的蚕丝用于医疗手术缝合，柔韧性更好的蚕丝用于纺织业。

Nature

         相对而言，发表在Nature上的家蚕文章较多，不过研究论文（Article）只有2篇，分别发表于2002年和2003年，这2篇文章都与蚕丝的物理学特征有关，而其余的都属于Comment和Nature News。

2002年，Nature发表了一篇关于如何改善蚕丝纤维性质的文章，第一作者和通讯作者都是复旦大学的邵正中教授。他的研究发现如果改变家蚕吐丝的速度，蚕丝能够达到蜘蛛牵引丝的强度，他的这一发现为改造蚕丝的品质提供了理论支持。2003年，Nature又发表了一篇关于蚕丝形成的物理学机制的文章。作者通过人工的方法将溶解后的蚕丝蛋白重新结晶，在结晶的过程中，他们使用与丝胶蛋白具有相同性质的PEO替代丝胶蛋白，PEO与蚕丝蛋白竞争水相从而导致蚕丝蛋白形成胶质状态，而这种胶质状态与蚕丝蛋白在丝腺中的状态一致。他的这一发现解释了蚕丝形成的物理学机制，使体外合成蚕丝成为可能。2003年，Nature发表了对上述两篇文章的评论，作者设想未来可能出现人工合成蚕丝的新型产业。我个人觉得如果工业合成蚕丝能够成功的话，极有可能引发一轮蚕丝业革命。  

2000年，Nature发表了一篇新闻评论，对发表在Journal of Experimental Biology上的一篇与家蚕的行为学有关的文章进行报道。Journal of Experimental Biology的这篇文章发现家蚕雄蛾的翅快速的扇动引起的气流能够增强触角对性信息素的感应，Nature的新闻评论肯定了Journal of Experimental Biology上这篇文章细致而又认真的工作，并且列举出这种现象在其它昆虫中也存在。我个人觉得Nature对一篇发表在影响因子仅3.04的期刊上文章进行新闻评论，这也表明科学工作的价值是不以影响引子为评价标准的。

2002年，Nature又发表了一篇新闻评论，对发表在Nature Biotechnology上与转基因家蚕有关的文章进行报道。在Nature Biotechnology这篇文章中，日本科学家将蚕丝蛋白L-chain启动子驱动表达人胶原蛋白基因的重组piggyBac质粒注射到蚕卵中，获得了重组人胶原蛋白基因的转基因家蚕，该转基因家蚕形成的蚕茧中含有人胶原蛋白。这一工作被看作是以家蚕作为生物反应器研究的重大突破，推动了家蚕生物反应器研究领域的迅速发展。

2004年，Nature发表了对西南大学和日本科学家完成家蚕基因组草图的评论，并且提出设想分别将西南大学的基因组数据和日本的数据进行整合获得更高覆盖率（9X）的基因组序列。这一设想经过西南大学和日本科学家的共同努力终于在2008年得以实现。

2009年，Nature上的一篇新闻评论很可能让所有的中国人汗颜。一直以来，蚕丝业起源于中国是被全世界普遍接受的理论。一篇发表在Archaeometry上的文章报道在巴基斯坦的考古研究中发现了丝绸，起源的时间被追溯在公元前2450年和公元前2000年之间。而目前中国已知的丝绸最早起源于大约公元前2570年，也就是说很有可能巴基斯坦也是丝绸的起源地之一。

2012年1月份，Nature对发表在PNAS上的一篇文章进行了简评。在PNAS这篇文章中，浙江大学的缪云根教授以共同第一作者的身份参与了该工作。作者新颖地将蜘蛛牵引丝蛋白基因的序列和蚕丝蛋白基因的序列重组在一起，获得含有混合基因序列的转基因家蚕，这种转基因家蚕蚕丝的强度和延展性都比普通蚕丝的好，并具有与蜘蛛牵引丝相近的韧性。这种技术将蜘蛛牵引丝和蚕丝的优点结合起来，创造出来一种更好的混合丝纤维，这是完美的结合！

Cell

我搜索了2000年以来Cell上的所有文章，没有搜到研究家蚕的文章。然后我又搜索了一下只要摘要中出现“家蚕”的文章，仅仅搜到一篇2011年发表的关于蝴蝶基因组测序的文章。蝴蝶和家蚕都属于鳞翅目昆虫，具有相对较近的亲缘关系，完成测序的家蚕基因组为蝴蝶基因组的研究提供了很好的借鉴。这也表明家蚕基因组测序工作的完成不仅推动了蚕学的研究，同时也促进了鳞翅目昆虫的研究。

       综上所述，2000年以来，家蚕的基因组学的研究取得重大的突破，其次依托转基因家蚕技术的家蚕生物反应器研究、丝质改造等应用研究也迅速地发展。在未来10年，家蚕的基因组学和依托家蚕转基因技术的应用研究仍将是家蚕科学的重点研究内容。

参考文献：

Science

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2.  Xia, Q. Y., Guo, Y. R., Zhang, Z., Li, D., Xuan, Z. L., Li, Z., Dai, F. Y., Li, Y. R., Cheng, D. J., Li, R. Q. et al. (2009). Complete Resequencing of 40 Genomes Reveals Domestication Events and Genes in Silkworm (Bombyx). Science 326, 433-436.

3.  Omenetto, F. G. and Kaplan, D. L. (2010). New Opportunities for an Ancient Material. Science 329, 528-531.

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2.   Pearson, H. (2002). Silkworm spins skin. Nature News doi:10.1038/news021209-14

3.   Shao, Z. Z. and Vollrath, F. (2002). Materials: Surprising strength of silkworm silk. Nature 418, 741-741.

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5.   Atkins, E. (2003). Biomaterials: silk's secrets. Nature 424, 1010.

6.   Cyranoski, D. (2004). Silkworm genome gets solid coverage. Nature News doi:10.1038/ news041206-13

7.   Ball, P. (2009). Rethinking silk's origins. Nature News doi:10.1038/457945a

8.   Silkworms spin spider-like silk. 2012. Nature 481, 117-117

Cell

1.   Zhan, S., Merlin, C., Boore, J. L. and Reppert, S. M. (2011). The Monarch Butterfly Genome Yields Insights into Long-Distance Migration. Cell 147, 1171-1185.

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