植物最新研究進(jìn)展

1 2020中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)十大進(jìn)展

2020年11月20日中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村科技發(fā)展高峰論壇暨中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展論壇在南京舉辦。論壇上發(fā)布了《2020中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)重大進(jìn)展》。其中共發(fā)布10項(xiàng)能夠充分代表2019年我國(guó)農(nóng)業(yè)科技前沿研究水平、取得重大突破性進(jìn)展的基礎(chǔ)科學(xué)研究成果。這些重大科研進(jìn)展涵蓋基因編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用、替加環(huán)素新型耐藥基因、非洲豬瘟病毒結(jié)構(gòu)解析、土傳病真菌和農(nóng)業(yè)氮素管理等研究領(lǐng)域。項(xiàng)目主要由中國(guó)農(nóng)大，中國(guó)農(nóng)科院，南京農(nóng)大，中科院，清華，上海交大等單位完成。這些成果將有力促進(jìn)相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究，進(jìn)而保障我國(guó)糧食安全、生物安全、“舌尖上”安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

十項(xiàng)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究成果具體如下(排名不分先后)：

1.利用大芻草挖掘玉米密植增產(chǎn)基因。該研究由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)田豐團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，首次從玉米野生種大芻草中克隆了控制玉米緊湊株型、密植增產(chǎn)的關(guān)鍵基因，建立了玉米緊湊株型的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。該研究為玉米理想株型分子育種、培育耐密高產(chǎn)品種提供了基因資源和理論基礎(chǔ)。

2. 利用基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)雜交稻自留種。該研究由中國(guó)農(nóng)科院水稻研究所王克劍團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等單位合作，借助基因編輯技術(shù)將雜交稻中4個(gè)生殖相關(guān)基因敲除后，成功將無(wú)融合生殖特性引入到雜交稻當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)雜合基因型的固定。該研究首次在雜交稻中實(shí)現(xiàn)了雜交水稻無(wú)融合生殖從0到1的突破，為解決雜交種制種繁、留種難的行業(yè)難題提供了有效途徑。

3. 發(fā)現(xiàn)黃瓜分枝調(diào)控新基因。該研究由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張小蘭團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)側(cè)枝調(diào)控新基因(CsBRC1)，通過(guò)直接抑制生長(zhǎng)素輸出基因的功能，促使黃瓜側(cè)芽中的生長(zhǎng)素積累，從而抑制黃瓜側(cè)枝的生長(zhǎng)發(fā)育。該研究闡明了生長(zhǎng)素和側(cè)枝調(diào)控基因之間的直接聯(lián)系，為調(diào)控側(cè)枝的生長(zhǎng)、促進(jìn)黃瓜高效生產(chǎn)提供了新策略。

4.建立高雜合物種單倍型基因組組裝的新方法。該研究由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)張紹鈴團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，完成了梨花粉單細(xì)胞測(cè)序，自主開發(fā)了“條形-編碼”(Bar-coding)的單倍型基因組組裝技術(shù)，成功組裝了高雜合梨兩套單倍型基因組。該研究為復(fù)雜物種基因組的單倍型基因組組裝及等位基因分析提供有效方法，推動(dòng)植物基因組學(xué)的研究。

5.揭示反芻動(dòng)物的進(jìn)化及其獨(dú)特性狀的分化機(jī)制。該研究由西北工業(yè)大學(xué)王文團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，通過(guò)大尺度、跨物種、多組學(xué)大數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)的研究思路和手段，闡明了長(zhǎng)期有爭(zhēng)議的反芻動(dòng)物進(jìn)化關(guān)系和歷史，解析了反芻動(dòng)物復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)。該研究闡明了反芻動(dòng)物多樣性形成、演化和極端環(huán)境適應(yīng)的分子機(jī)制，對(duì)牛羊品種選育、人類再生和癌癥醫(yī)學(xué)的研究具有重要啟示。

6.發(fā)現(xiàn)兩種可轉(zhuǎn)移替加環(huán)素高水平耐藥新基因。該研究由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)沈建忠院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合江蘇農(nóng)科院王冉團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)了兩種新可轉(zhuǎn)移高水平替加環(huán)素耐藥新基因tet(X3) 和tet(X4)，揭示了替加環(huán)素耐藥機(jī)制，該研究為后續(xù)新藥設(shè)計(jì)和研發(fā)指明了方向。

7.解析非洲豬瘟病毒三維結(jié)構(gòu)。該研究由中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王祥喜/饒子和團(tuán)隊(duì)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所步志高團(tuán)隊(duì)等單位合作，采用單顆粒三維重構(gòu)的方法，首次解析了非洲豬瘟病毒全顆粒的三維結(jié)構(gòu)，闡明了非洲豬瘟病毒獨(dú)有的5層結(jié)構(gòu)特征，揭示了病毒的組裝機(jī)制，該研究為開發(fā)效果好、安全性高的非洲豬瘟新型疫苗奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

8.編輯感病基因培育抗白葉枯病水稻。該研究由上海交通大學(xué)陳功友研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，利用基因編輯技術(shù)，同步編輯水稻3個(gè)感病基因，獲得了具廣譜抗性的水稻新種質(zhì)，能有效抵御水稻生產(chǎn)的頭號(hào)細(xì)菌“殺手”白葉枯病害。該研究通過(guò)編輯多個(gè)感病基因，攻克了水稻傳統(tǒng)抗病育種周期長(zhǎng)、抗性易喪失的技術(shù)瓶頸，開辟了作物抗病育種的新途徑。

9.解密土傳病原真菌的強(qiáng)致病性。該研究由中國(guó)科學(xué)院微生物研究所郭惠珊團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，通過(guò)生化和雙遺傳試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了土傳病原真菌分泌幾丁質(zhì)脫乙酰酶、消除免疫原活性，成功規(guī)避植物免疫反應(yīng)，表現(xiàn)出強(qiáng)大的致病性。該研究破解了土傳病原真菌逃避植物寄主免疫反應(yīng)的謎團(tuán)，為深入解析土傳病原真菌致病機(jī)理、開展靶向防控提供了分子基礎(chǔ)。

10.構(gòu)建我國(guó)氮排放安全閾值定量評(píng)估新方法。該研究由清華大學(xué)喻朝慶團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，首次探明了全國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氮排放和水環(huán)境質(zhì)量的演化關(guān)系，量化了省級(jí)和全國(guó)尺度的氮排放安全閾值及超排量，明確了恢復(fù)水質(zhì)的定量化管理目標(biāo)。該研究解決了氮排放安全閾值研究缺乏可靠的定量評(píng)估方法問(wèn)題，為中國(guó)氮素的安全管理與制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供了科學(xué)支撐。

2 轉(zhuǎn)錄因子MYB61促進(jìn)氮利用和提高水稻產(chǎn)量的分子機(jī)制

2020年10月15日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周奕華研究組與中國(guó)水稻所錢前院士團(tuán)隊(duì)及揚(yáng)州大學(xué)劉巧泉教授團(tuán)隊(duì)合作在Nature Communications發(fā)表了題為“MYB61 is regulated by GRF4 and promotes nitrogen utilization and biomass production in rice”的研究論文。該研究揭示了轉(zhuǎn)錄因子MYB61促進(jìn)氮利用和提高水稻產(chǎn)量的分子機(jī)制。

氮素是促進(jìn)植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)保障農(nóng)作物高產(chǎn)極為關(guān)鍵。而植物生長(zhǎng)的直觀體現(xiàn)為生物量的積累。植物吸收氮素后通過(guò)氮同化等一系列代謝過(guò)程，生成核酸、蛋白等大量功能元件以滿足光合作用及生長(zhǎng)所需。光合作用固定CO2生成碳水化合物，其中70%以上轉(zhuǎn)化為纖維素等結(jié)構(gòu)多糖用于植物體自身的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而促進(jìn)氮素吸收與利用等生理過(guò)程。植物碳-氮代謝如何協(xié)同長(zhǎng)期備受關(guān)注，但纖維素合成與氮代謝直接的分子聯(lián)系仍鮮有報(bào)道。另一方面，氮肥過(guò)度施用常引發(fā)環(huán)境污染，威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。提高農(nóng)作物氮利用效率是解決這一難題的重要方向。從纖維生物質(zhì)調(diào)控促進(jìn)氮高效入手，可為當(dāng)前農(nóng)業(yè)‘減施增效’改良提供新的視角。

研究人員利用正向遺傳學(xué)手段發(fā)現(xiàn)水稻中控制纖維素水平的QTL-qCel1與氮利用效率的QTL-qNLA1共定位，基因克隆將其確定為同一個(gè)基因、即轉(zhuǎn)錄因子MYB61。遺傳學(xué)及分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MYB61基因的啟動(dòng)子區(qū)在日本晴中存在一個(gè)helitron轉(zhuǎn)座子插入，是導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄水平低于不含此插入的秈稻9311等位的主要原因；此自然變異造成了粳稻日本晴和秈稻9311在纖維素合成水平及氮利用效率上的差異。深入研究發(fā)現(xiàn)，MYB61的轉(zhuǎn)錄可被低氮誘導(dǎo)，并受氮代謝關(guān)鍵控制因子GRF4的調(diào)控。GRF4可以直接結(jié)合在MYB61基因的啟動(dòng)子區(qū)，增強(qiáng)MYB61的表達(dá)；而helitron轉(zhuǎn)座子插入下調(diào)其表達(dá)。GRF4功能獲得型及功能缺失型突變體表現(xiàn)出纖維素合成水平改變的表型，表明GRF4-MYB61調(diào)控模塊整合了控制纖維素合成水平和氮利用效率的作用通路。而且，MYB61存在秈粳分化，啟動(dòng)子區(qū)的helitron轉(zhuǎn)座子插入僅在粳稻中被檢測(cè)到。田間測(cè)試證實(shí)，秈稻形式的MYB61可提高纖維素合成水平及氮利用效率，將9311形式的MYB61導(dǎo)入多個(gè)粳稻品種均表現(xiàn)出增產(chǎn)效應(yīng)，且在低氮情況下增產(chǎn)效果尤為明顯。因此，該項(xiàng)研究揭示了碳-氮代謝的直接分子聯(lián)系、鑒定了整合碳-氮代謝的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為提高水稻等農(nóng)作物的氮利用效率及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)‘減施增效’提供了分子工具和新途徑。

3 廣州大學(xué)孔凡江課題組發(fā)表大豆光周期開花調(diào)控途徑綜述論文

JIPB近日在線發(fā)表了廣州大學(xué)孔凡江課題組題為“Molecular mechanisms for the photoperiodic regulation of flowering in soybean”的綜述論文，系統(tǒng)總結(jié)了大豆光周期開花途徑中的基因、大豆對(duì)長(zhǎng)日照的適應(yīng)性和短日照的適應(yīng)性、綜述了大豆光周期開花途徑是以E1為核心的一條有別于擬南芥和水稻光周期開花途徑的通路，最后提出了該領(lǐng)域今后的研究方向。

大豆(Glycine max)作為世界上主要作物之一，是人類重要的蛋白和油脂來(lái)源。大豆是一種對(duì)光周期特別敏感的作物，光周期開花調(diào)控影響著大豆產(chǎn)量，單一品種的大豆種植只能局限在一定的緯度范圍。從1920年，Garner和Allard兩位先驅(qū)發(fā)現(xiàn)大豆的光周期開花開始，距今正好100年。在這100年間，從利用經(jīng)典正向遺傳學(xué)定位，到最近幾年利用基因組測(cè)序以及反向遺傳學(xué)的研究，找到了一系列調(diào)控大豆光周期開花的基因，它們之間的調(diào)控關(guān)系也不斷被明確。

圖1 大豆光周期開花調(diào)控途徑

大豆起源于中國(guó)，是一種典型的短日照植物，現(xiàn)在廣泛種植于北緯53度到南緯35度之間。在高緯度地區(qū)，夏季種植時(shí)間較短，大豆需要提早開花以在冬季來(lái)臨前收獲，這需要大豆的對(duì)長(zhǎng)日照的光周期的敏感性降低。而在低緯度地區(qū)，短日照會(huì)促進(jìn)大豆提早開花，則需要盡量延長(zhǎng)大豆的開花時(shí)間來(lái)保證足夠高的產(chǎn)量。一系列的光周期開花基因在這其中起作用，使得大豆在不同的光周期條件下都能達(dá)到產(chǎn)量最大化。該論文綜述了大豆光周期調(diào)控的分子途徑(圖1)，對(duì)深入理解大豆光周期開花適應(yīng)性具有重要意義，指導(dǎo)未來(lái)的大豆分子設(shè)計(jì)育種。

孔凡江課題組講師林曉雅博士為該論文的第一作者，孔凡江教授為通訊作者。廣州大學(xué)劉寶輝教授，日本北海道大學(xué)Jun Abe教授和澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)的James L. Weller教授也參與了論文的寫作?？追步n題組近年來(lái)在大豆光周期研究中取得了一系列進(jìn)展，揭示了大豆在長(zhǎng)短日照下的適應(yīng)性基礎(chǔ)，在高水平雜志上Nature Genetics(2017、2020)、Plant Physiology(2010)等發(fā)表了多篇論文。該研究得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家基金重點(diǎn)項(xiàng)目和亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。(引自植物科學(xué)最前沿)

4 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)讓玉米基因編輯研究更具針對(duì)性

日前，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院李平華教授與香港中文大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鐘思林教授、美國(guó)康奈爾大學(xué)基因組多樣性研究所Edward Buckler教授及María Katherine Mejía-Guerra博士合作，探索出高通量研究玉米轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控位點(diǎn)的新技術(shù)，利用大規(guī)模轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)重新構(gòu)建了玉米葉片基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，使玉米基因編輯不再“大海撈針”。2020年10月9日，相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)綜合性學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。

玉米是世界范圍內(nèi)的重要農(nóng)作物，是我國(guó)種植面積最大、總產(chǎn)量最多的糧食作物，抓好玉米生產(chǎn)對(duì)確保我國(guó)谷物基本自給、保障國(guó)家糧食安全具有重要作用。葉片是保證玉米產(chǎn)量的重要器官，研究玉米葉片表達(dá)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，解析其調(diào)控機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)，對(duì)玉米遺傳改良具有重要意義。

根據(jù)作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李平華教授(論文通訊作者之一)介紹，轉(zhuǎn)錄因子在動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育及其對(duì)外界環(huán)境的反應(yīng)中起著重要作用，是調(diào)控基因表達(dá)的最關(guān)鍵因子之一，也是生物學(xué)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。真核細(xì)胞內(nèi)部的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)由轉(zhuǎn)錄因子的組合作用所決定，但業(yè)內(nèi)對(duì)植物中轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合研究較少，因此，目前對(duì)這種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)仍知之甚少。(引自中國(guó)生物技術(shù)網(wǎng))

該研究成果首次在玉米中全面解析了葉片表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)，構(gòu)建了玉米葉片轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，分析了轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)對(duì)葉片形態(tài)、吐絲開花等農(nóng)藝性狀的影響，解析了其在物種進(jìn)化中的保守性和變化，提出了轉(zhuǎn)錄因子共結(jié)合是影響植物轉(zhuǎn)錄調(diào)控特異性的關(guān)鍵因素的新觀點(diǎn)。

玉米葉片轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

該研究推動(dòng)了植物界對(duì)植物基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的認(rèn)識(shí)，使得遺傳學(xué)及育種學(xué)專家可以有目的地對(duì)基因調(diào)控位點(diǎn)進(jìn)行改造，編輯和創(chuàng)制新的基因調(diào)控位點(diǎn)，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合和共定位，建立智能組合優(yōu)良等位基因，豐富基因多樣性。同時(shí)，為世界玉米基礎(chǔ)研究提供了第一手資料，也為玉米種質(zhì)資源創(chuàng)新提供了新思路和新方法，有利于實(shí)現(xiàn)智能、高效、定向培育新品種，促進(jìn)作物育種學(xué)科向更高層面發(fā)展。

來(lái)源：山東農(nóng)大報(bào) 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

5 一種30秒內(nèi)完成DNA提取的方法

介紹一種30秒內(nèi)完成提取DNA的快速方法。該方法是來(lái)自澳大利亞昆士蘭大學(xué)的研究人員發(fā)表在PLoS Biology上的題為“Nucleic acid purification from plants, animals and microbes in under 30 seconds”的論文，開發(fā)了一種新的核酸提取方法，利用濾紙可以在30秒內(nèi)從植物、動(dòng)物和微生物中快速的完成核酸的提取和純化。

步驟如下：

1.將植物葉片浸入到含有500μL裂解液(20 mM Tris [pH 8.0], 25 mM NaCl, 2.5 mM EDTA, 0.05% SDS)和鋼珠的試管中，磨碎。

2.將濾紙條浸入到上一步粗提液中蘸三次，以便結(jié)合核酸。

3.去掉雜質(zhì)，將上一步的試紙條浸入到清洗液中(10 mM Tris [pH 8.0], 0.1% Tween-20)3次。

4.把上一步試紙條浸入到擴(kuò)增反應(yīng)液中3次，將核酸洗脫下來(lái)，大約3秒。

5.洗脫液作為PCR擴(kuò)增的模板進(jìn)行擴(kuò)增。

利用試紙條提取核酸的流程圖

文中用到的材料是Whatman No.1濾紙，當(dāng)然其他濾紙也是可以的，為了方便手拿，作者建議將試紙條進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，例如將濾紙的一半浸泡在熔化的蠟中，這樣浸過(guò)蠟的濾紙可以防水，產(chǎn)生一個(gè)疏水區(qū)域，便于手拿。