科技動態(tài)

易降解有機物強化高粱對鎘的積累研究取得進展

鎘污染農(nóng)田在全球廣泛分布，其修復治理備受關注。植物吸取是一種成本低廉、環(huán)境友好的修復手段，但鎘超富集植物的生物量一般較小，限制了修復效率。近年來，科學家在生物量較大的能源植物、纖維植物等用于鎘污染農(nóng)田修復方面開展了豐富研究，但其鎘富集能力相對較弱是重要限制因子。通過施加重金屬螯合劑強化植物吸取修復效率成為該領域的研究熱點之一。低分子有機酸、可溶性有機物料降解周期短，是一類環(huán)境友好型螯合劑，如何在有限的降解周期內(nèi)，提升其強化作物吸取鎘的效應研究具有實用價值。

中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員黃道友團隊以生物質高粱供試作物，以前期確定草酸配施水溶性有機肥（OA+DOF）和檸檬酸配施水溶性有機肥（CA+DOF）兩種易降解有機物料組合為供試材料，研究了高粱不同生育期施用易降解有機物對植株鎘積累的強化效應。結果表明，OA+DOF和CA+DOF可顯著提高植株各部位鎘含量21.5%～72.1%，而施用時期顯著影響高粱植株對鎘積累，以抽穗期施用最佳、旗葉期施用強化效應最弱；CA+DOF配方效果優(yōu)于OA+DOF配方。其主要作用機理是通過降低土壤pH值和增加土壤可溶性有機物（DOC）含量，進而提高土壤有效態(tài)鎘含量和促進高粱對鎘的吸收與累積。研究結果為鎘污染農(nóng)田的植物強化修復提供了新見解。

該項研究近期發(fā)表在環(huán)境科學類期刊Chemosphere上，論文第一作者為聯(lián)合培養(yǎng)博士生李波，通訊作者為副研究員朱捍華。該研究得到了國家麻類產(chǎn)業(yè)技術體系、湖南省自然科學基金創(chuàng)新群體和國家自然科學基金的支持。

（來源：亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所）

遺傳發(fā)育所玉米育性研究獲進展

玉米雜交優(yōu)勢強，是我國種植面積最大的作物之一，我國雜交種普及率近乎100%。玉米雄性不育系的利用是解決制種過程中人工去雄的有效途徑。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所陳化榜組長期致力于玉米雄性不育基因的克隆和應用，已克隆數(shù)個雄性不育基因（IPE1，2017，Plant Physiology；APV1，2017，The Plant Journal；Ms6021，2017，Scientific Reports），并探討雄性不育機理（Xiao et al.，2020，Molecular Plant）。

花藥角質層和花粉壁是保護植物生殖細胞免受外界環(huán)境干擾的重要屏障。在玉米雄穗發(fā)育過程中，上述組織的破壞可導致玉米雄性不育。課題組獲得一個雄性不育徹底且穩(wěn)定的玉米突變體，命名為irregular pollen exine2(ipe2)，該突變體表現(xiàn)為花藥皺縮，且成熟的花粉粒中無淀粉積累。圖位克隆和互補實驗證實IPE2控制玉米雄性育性，該基因在花藥發(fā)育的四分體期和小孢子釋放期特異表達，編碼一個內(nèi)質網(wǎng)定位的GDSL脂肪酶。IPE2基因功能缺陷導致突變體中脂質代謝發(fā)生異常，尤其是C16/C18脂肪酸以及相關衍生物的含量顯著下降，并造成突變體花藥絨氈層和中間層細胞延遲降解，花藥角質層和花粉外壁發(fā)育異常，導致玉米雄性不育。該研究擴展了對玉米雄性不育機理的認知，并為玉米不育化制種提供了新材料。

9月10日，相關研究成果在線發(fā)表在Plant Physiology上（DOI:10.1104/pp.20.00105）。陳化榜研究組博士研究生霍燕青和裴元榮為論文共同第一作者，助理研究員劉娟為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的資助。

（來源：遺傳與發(fā)育生物學研究所）

營養(yǎng)與健康所在基于木霉的真菌毒素脫毒轉化、玉米原料中真菌毒素污染風險預警研究中獲進展

9月1日，Environmental Pollution在線發(fā)表了中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所研究員武愛波研究組題為Confrontation assays and mycotoxin treatment reveal antagonistic activities of Trichoderma and the fate of Fusarium mycotoxins in microbial interaction的研究論文。該研究報道生防木霉在與不同類型產(chǎn)毒真菌互作過程中，能夠通過糖基化和去氧化實現(xiàn)對不同類型真菌毒素的脫毒轉化，為發(fā)展基于木霉的真菌毒素源頭防控提出新路徑。同時，從毒素轉化角度探討木霉與產(chǎn)毒真菌的互作關系，為真菌毒素污染的安全控制提供新思路。

圖1木霉-產(chǎn)毒鐮刀菌互作關系與毒素脫毒轉化路徑

9月6日，F(xiàn)ood Control在線發(fā)表了營養(yǎng)與健康所武愛波研究組題為Pre-warning of abiotic factors in maize required for potential contamination of fusarium mycotoxins via response surface analysis的研究論文。該研究建立了玉米基質中多種真菌毒素的同步檢測方法，確定我國飼料及玉米原料中真菌毒素污染的主要類型（含隱蔽型）及其發(fā)生規(guī)律，進而構建玉米原料中真菌毒素污染風險的預警模型（針對水活度、溫度等環(huán)境因子）。

圖2玉米原料中真菌毒素污染發(fā)生的風險預警模型

研究工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委和中科院等的支持。博士生田野、于松分別為兩篇論文的第一作者，武愛波為論文通訊作者。

（來源：上海營養(yǎng)與健康研究所）

合肥研究院農(nóng)田活性氮氧化物交換通量研究獲進展

近期，中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所研究員謝品華課題組在農(nóng)田HONO和NOx交換通量研究中取得進展，相關研究成果發(fā)表在Science of the Total Environment上。

HONO作為OH自由基的前體物，在大氣中扮演著重要角色，因其對臭氧和光化學煙霧形成的促進作用而引起關注。近年來的研究顯示，HONO對OH自由基的貢獻不單表現(xiàn)在清晨，在全天都有意義，對OH自由基初始來源的貢獻在50%（夏季）至80%（冬季）?？紤]HONO已知源匯，通過模式計算得到的模擬值和實際外場觀測值差異較大，尤其是白天的HONO濃度，未知源強達到0.06-5 ppbv h-1，但具體的來源途徑存在爭議。

2019年，課題組研究員秦敏和唐科等利用自動動態(tài)箱技術，在壽縣國家氣候觀象臺開展淮河流域農(nóng)田HONO和NOx交換通量觀測。同步獲得農(nóng)田土壤HONO和NO排放通量，HONO和NO最大通量分別為7.69ngm-2s-1和34.52ngNm-2s-1。外場觀測HONO通量結果與新鮮土樣的測量結果在同一數(shù)量級，在假定混合層高度為300米的情況下，平均土壤排放可以解釋大約0.06 ppbv h-1的缺失HONO源，是偏遠地區(qū)白天HONO的重要來源途徑。

研究工作得到國家自然科學基金項目和國家重點研發(fā)計劃項目的資助。

（來源：合肥物質科學研究院）

生物物理所等發(fā)現(xiàn)哺乳動物下丘腦神經(jīng)前體細胞的分子和細胞特征

下丘腦是哺乳動物中最為復雜且進化上相對保守的腦區(qū)之一，對于生物體的生理、行為穩(wěn)態(tài)的調節(jié)至關重要。與大腦皮層的層狀結構不同，哺乳動物的下丘腦是由多種結構及功能復雜的細胞核團構成。層狀結構大腦皮層的組織原則及神經(jīng)發(fā)生規(guī)律在過去的十幾年里已經(jīng)得到比較深入的研究，中國科學院生物物理研究所研究員王曉群課題組前期工作揭示了放射性膠質細胞（RG）和外側放射性膠質細胞（oRG）細胞是大腦皮層神經(jīng)元發(fā)生的主要前體細胞（Nature Neuroscience 2011），并且揭示了這些皮層神經(jīng)前體細胞的分子特征以及在大腦皮層發(fā)育進化上的貢獻（Cell Stem Cell 2017，Nature 2018）。但是，一直以來，人們對于細胞核團類結構的神經(jīng)發(fā)生發(fā)育機制仍不清楚，尤其是對于下丘腦神經(jīng)前體細胞的種類特點以及產(chǎn)生神經(jīng)元的細胞和分子機制所知甚少。

近日，該團隊在Nature Communications在線發(fā)表了題為Cellular and molecular properties of neural progenitors in the developing mammalian hypothalamus的研究論文，系統(tǒng)闡明了哺乳動物下丘腦發(fā)育過程中神經(jīng)前體細胞的形態(tài)特征、分裂模式、譜系發(fā)育特點，利用單細胞測序手段進一步揭示人胚胎下丘腦的神經(jīng)前體細胞具有多樣性，并對不同細胞類型及其關鍵分子及調控網(wǎng)絡進行了系統(tǒng)探究。

研究人員發(fā)現(xiàn)在哺乳動物（人和小鼠）胚胎下丘腦中既存在典型的位于第三腦室的放射狀膠質（hypothalamic radial glia，hRG），又找到了一種新的位于下丘腦外套層的單極RG（hypothalamic mantle zone radial glial，hmRG）。通過實時成像及免疫染色表明，hRG和hmRG在細胞分裂時分別歷經(jīng)動力核遷移過程和細胞易位過程，并產(chǎn)生子代前體細胞或神經(jīng)元細胞。譜系追蹤實驗表明，在下丘腦發(fā)育早期，hmRG細胞以及后續(xù)的神經(jīng)發(fā)生都起始于hRG細胞，部分細胞譜系呈現(xiàn)放射柱狀分布。hRG細胞上的放射狀膠質纖維束朝向特定下丘腦不同核團亞區(qū)延伸分布，被認為可能作為支架引導新生神經(jīng)元的遷移方向和最終定位。

此外，研究人員利用高通量單細胞轉錄組測序技術，解析了人胚胎下丘腦不同的神經(jīng)前體細胞亞型，差異表達基因及參與神經(jīng)前體細胞增殖調控的關鍵通路。通過深入分析和驗證，研究揭示了下丘腦神經(jīng)前體細胞通過E2F1通路調控HMGA2基因和細胞增殖。該研究表明在人胚胎發(fā)育期10周，下丘腦神經(jīng)元已開始分化，表現(xiàn)出較為復雜的神經(jīng)元亞型，并表達核團特異性基因。與小鼠胚胎下丘腦進行比較，研究發(fā)現(xiàn)小鼠和人胚胎的下丘腦核團結構及參與調控核團發(fā)育的關鍵分子在發(fā)育進程中呈現(xiàn)保守性。對哺乳動物下丘腦神經(jīng)前體細胞的細胞特征及分子特性系統(tǒng)性研究，為進一步深入研究非層狀結構的下丘腦神經(jīng)發(fā)生及核團形成機制提供了基礎理論。

生物物理所博士周新為論文第一作者，王曉群為論文通訊作者。北京師范大學博士鐘穗娟、教授吳倩參與了該課題研究。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金和腦科學與類腦研究北方科學中心科研項目等資助。

（來源：生物物理研究所）

遺傳發(fā)育所農(nóng)業(yè)資源中心等在谷子株型調控研究中取得進展

合理提高作物種植密度來實現(xiàn)有限耕地條件下的糧食產(chǎn)量提升，是解決糧食安全問題的主要途徑之一。葉片是作物光合作用和有機物合成的主要器官，葉片形態(tài)建成與作物株型相關，可直接影響作物種植密度及產(chǎn)量。為提高密植狀態(tài)下作物的光合作用及產(chǎn)量，作物育種過程中追求葉片直立（即葉片不下垂）而又緊湊（即葉片與莖的夾角?。R是重要的植物生長發(fā)育調節(jié)激素，圍繞BR信號調控葉片與莖的夾角已經(jīng)開展了大量深入機理的研究，但關于葉片直立與下垂的遺傳基礎尚缺乏認識，制約了禾谷類作物株型改良的效率和水平。

近期，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心與中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所聯(lián)合開展的谷子株型調控研究工作取得進展，闡釋了谷子的披垂葉基因（DROOPY LEAF1）作為油菜素內(nèi)酯（BR）激素信號的“剎車”基因如何調控葉片直立與披垂。

該研究利用谷子（Setaria italica）葉片嚴重披垂的突變體(droopy leaf 1，dpy1)，克隆了控制谷子葉片披垂的基因（DPY1）。該基因編碼了一個新的富亮氨酸重復型膜蛋白受體激酶，其編碼蛋白可以與油菜素內(nèi)酯的共受體（SiBAK1）通過胞內(nèi)的激酶結構互作，并競爭性地抑制油菜素內(nèi)酯受體（SiBRI1）與共受體（SiBAK1）間的互作水平，從而以負反饋的方式抑制早期油菜素內(nèi)酯信號的過度激活。因此，DPY1起到了“剎車”基因的作用（圖2）。該過程可以促進葉片中脈的遠軸厚壁細胞分裂及木質素的沉積，從而提高葉片的支撐力并促進葉片直立性。此外，該研究通過玉米披垂葉基因回補谷子突變體（dpy1）試驗，證實在禾本科作物中這種機制是保守和共享的。該研究成果揭示了禾谷類作物葉片堅實度的遺傳學基礎及其調控機制，為作物株型改良提供了新的基因資源及研究思路。

谷子是我國的原產(chǎn)作物，且至今仍是旱作生態(tài)農(nóng)業(yè)的主栽作物，在食物多樣性和種植業(yè)結構調整中具有不可或缺的作用。谷子及其野生種青狗尾草（Setaria viridis）由于基因組小、高效轉化、生育期短，且易于實驗室培養(yǎng)操作，正在快速發(fā)展成為禾本科黍亞科和C4光合作用的模式植物。該研究也證實了谷子作為功能基因組研究模式植物的潛力，有助于促進谷子模式植物體系的發(fā)展。

相關成果以DROOPY LEAF1 Controls Leaf Architecture by Orchestrating Early Brassinosteroid Signaling（披垂葉基因通過調控早期油菜素內(nèi)酯信號來控制谷子株型）為題，發(fā)表在《美國科學院院刊》上。農(nóng)業(yè)資源中心博士趙美丞，作物科學研究所副研究員湯沙、博士張皓珊為論文共同第一作者；作物科學研究所研究員刁現(xiàn)民、農(nóng)業(yè)資源中心研究員劉西崗為共同通訊作者。研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院STS計劃、河北省自然科學基金等項目的資助。

（來源：遺傳發(fā)育所農(nóng)業(yè)資源研究中心）

北京基因組所等揭示豬早期胚胎發(fā)育的三維基因組學重編程規(guī)律

豬不僅是重要的經(jīng)濟家畜，在生物醫(yī)學領域也有重要應用。生豬的育種中廣泛應用了輔助生殖技術，包括體外受精技術、孤雌和孤雄生殖技術等。但與體外受精胚胎相比，孤雌和孤雄胚胎的存活率級低。這一存活率差異產(chǎn)生的機制目前還不清楚。深入理解這一機制不僅有助于增加商業(yè)化豬育種的產(chǎn)仔數(shù)，也將有利于生物醫(yī)學研究中轉基因豬模型的建立。哺乳動物早期胚胎發(fā)育過程中經(jīng)歷復雜的表觀遺傳信息的重編程。表觀遺傳信息的重編程其與胚胎的存活緊密關聯(lián)。染色質三維結構是重要的表觀遺傳因素，與基因表達調控、發(fā)育及疾病等密切相關。然而豬的染色質三維結構及其在早期胚胎發(fā)育過程中的變化規(guī)律目前還是一個未知的領域。

近期，中國科學院北京基因組研究所（國家生物信息中心）張治華團隊與中國農(nóng)業(yè)科學院王彥芳團隊及中科院動物研究所趙建國團隊合作在Genome Biology期刊發(fā)表論文，構建了豬體細胞染色質三維結構圖譜，追蹤了豬早期胚胎發(fā)育過程染色質空間構象重編程過程，并比較了孤雌、孤雄胚胎與體外受精胚胎發(fā)育過程中染色質結構的異同，揭示了在豬早期胚胎發(fā)育過程中的重要染色質結構重編程特點。

該研究分析了豬體細胞染色質構象的特點并與小鼠進行了比較，發(fā)現(xiàn)豬染色質同樣存在不同層次的折疊，包括染色質區(qū)室、拓撲相關結構域（TAD）、染色質環(huán)，并且在各個折疊層次上與小鼠染色質結構相對保守。研究人員對豬體外受精胚胎的不同發(fā)育階段進行了研究，發(fā)現(xiàn)與小鼠類似，豬染色質空間構象（染色質區(qū)室、TAD）在早期胚胎階段逐漸建立。但與小鼠相比，豬早期胚胎的染色質區(qū)室結構范圍更大。豬早期胚胎中，大約有一半的基因組被超過10Mb的超大染色質結構域所覆蓋（超級結構域）。超級結構域在豬中比例顯著高于小鼠，提示可能是大型哺乳動物的一個染色質結構特點。研究人員比較了孤雌、孤雄胚胎與體外受精胚胎發(fā)育過程中染色質重編程的異同，發(fā)現(xiàn)孤雌、孤雄胚胎在合子基因組激活的4細胞時期存在特殊的染色質區(qū)室的解體過程。解體的染色質區(qū)室在桑葚胚時期被部分重建。三種胚胎TAD的建立同樣存在差異，雖然在孤雌、孤雄胚胎中TAD也是逐漸建立的，但孤雌胚胎在各個發(fā)育階段TAD結構都要比孤雄胚胎更加明顯，研究人員在小鼠胚胎中發(fā)現(xiàn)了同樣的趨勢，母源來源的染色體比父源的染色體具有更顯著的TAD結構。

這項研究表明，染色質結構重編程的速率可能在胚胎成功發(fā)育中起關鍵作用。研究成果為染色質結構的進化研究提供了資源，而且為提高豬的輔助生殖效率提供了參考。張治華與王彥芳為本文共同通訊作者。該研究得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、科技部重點研發(fā)項目及國家自然科學基金委等的資助。