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          圖片新聞

          【中國科學報】盤點2020中國農業科研“亮點”

          發布日期:2020-12-30 發表者:陳治國 瀏覽次數:

          【中國科學報】盤點2020中國農業科研“亮點”

          學院2個研究團隊成果入選



          2020年,是決勝全面建成小康社會、決戰脫貧攻堅的收官之年。農業生產持續發展,農村經濟全面繁榮,農民生活顯著改善。這其中,農業科技的貢獻居功至偉。

          這一年,雖然遭受新冠肺炎疫情沖擊,但農業科學家并未停下研究的步伐。他們用卓越的研究和執著的精神為農業、農村、農民帶去豐碩的科研成果,在希望的田野上寫下了濃墨重彩的一筆。

          為此,本報梳理和盤點這一年中國農業科學家發表的部分重要論文成果,以饗讀者。

          破解優質蛋白玉米育成之謎

          《自然—通訊》1月7日

          主要作者:上海交通大學教授王文琴團隊和中國科學院分子植物科學卓越創新中心巫永睿團隊

          進展亮點:深入解析了優質蛋白玉米選育的基因組結構變異基礎,全面挖掘了潛在的硬質胚乳修飾因子。發現了一些與多個胚乳修飾因子遺傳位點緊密相連的候選基因,這些基因具有結構變異和表達水平改變等遺傳特征。提出了解釋優質蛋白玉米硬質胚乳形成的分子機制模型。

          點評:構建了高質量優質蛋白玉米基因組,鑒定出具有結構變異和表達差異的候選基因,這將會促進優質蛋白玉米胚乳修飾因子分子標記開發和分子育種。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-019-14023-2

          揭示重要抗鹽堿機制

          《自然—通訊》1月10日

          主要作者:中國農業大學教授蔣才富團隊

          進展亮點:報道了一個玉米抗鹽堿數量性狀基因ZmNSA1,可調控鹽堿脅迫下玉米地上部鈉離子穩態,揭示了EF-hand蛋白調控鹽堿脅迫下鈉離子穩態的新機制。

          ZmNSA編碼一個含有EF-hand結構域的鈣離子結合蛋白,并能負調控MHAs的表達和抗鹽堿應答。在鹽堿脅迫下,細胞內鈣離子濃度升高,鈣離子結合ZmNSA1并促使其被26S蛋白酶體途徑降解,上調MHA2和MHA4表達,促進根部氫離子外排,從而增強質膜Na+/H+反向轉運體SOS1的活性,促進鈉離子穩態,增強玉米對鹽堿脅迫的耐受性。

          點評:揭示了一種新的EF-hand蛋白解碼鈣離子信號機制,解析了它在玉米抗鹽堿應答中的作用機制,是作物抗鹽堿基礎研究領域的重要成果。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-019-14027-y

          發現水稻產量和氮肥利用效率協同調控新機制

          《科學》2月7日


          該成果以《科學》封面文章的形式報道。傅向東供圖


          該成果以《科學》封面文章的形式報道。傅向東供圖

          主要作者:中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員傅向東團隊與三個實驗室聯合攻關

          進展亮點:以封面文章的形式報道了赤霉素信號傳導新機制提高水稻產量和氮肥利用效率的研究成果。

          從攜帶“綠色革命”基因sd1的水稻品種93-11中,篩選到一個產量性狀(分蘗)對氮素響應不敏感的突變體,并克隆了控制水稻氮肥高效利用的關鍵基因NGR5。

          NGR5不僅通過介導H3K27me3組蛋白修飾參與氮營養促進植物生長發育過程,而且能與植物生長抑制因子DELLA蛋白互作;DELLA蛋白能競爭性結合赤霉素受體GID1蛋白,抑制赤霉素介導的NGR5蛋白降解,進而增加NGR5蛋白穩定性。

          點評:該成果找到了一條既能提高產量又能降低化肥投入、減少環境污染的育種新策略,為培育“少投入、多產出、保護環境”的綠色高產高效新品種奠定了理論基礎,并提供了有育種應用價值的基因資源。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.aaz2046

          揭示被子植物早期復雜演化歷史

          《自然—植物》2月24日

          主要作者:四川大學教授劉建全聯合華北理工大學、哈佛大學、蘭州大學等

          進展亮點:該研究對兩種早期演化分支的水生植物代表種(芡實和金魚藻)進行了基因組測序,揭示了被子植物早期的復雜演化歷史。

          被子植物的五個主要演化分支——金魚藻、睡蓮類(芡實為代表)、木蘭類、單子葉植物和核心雙子葉植物——早期都經歷了獨立的多倍化事件,芡實最近還經歷了一次基因組三倍化。

          無油樟和睡蓮類依次是其他被子植物的姐妹群,同時推測金魚藻是真雙子葉植物的姐妹群。研究發現,除雜交外,不完全譜系篩選可能是早期被子植物輻射分化過程中,引起主要分支之間基因樹或核基因組—葉綠體基因組系統發育樹分支關系不一致的主要原因。

          點評:該研究對于闡明被子植物中主要分支的演化次序和生境轉變,同時為后續生命之樹,特別是水生被子植物適應性演化、不同類群加倍事件的研究都提供了基本框架,為認識被子植物早期輻射演化歷史提供了證據。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-0594-6

          白羽扇豆高質量基因組發布

          《自然—通訊》2月26日

          主要作者:中國農業科學院研究員程鋒團隊和福建農林大學教授許衛鋒團隊

          進展亮點:成功組裝了磷高效利用模式作物白羽扇豆的染色體水平高質量基因組,揭示了白羽扇豆低磷適應的特征與其基因擴張與亞基因組優勢關聯。

          白羽扇豆經歷了與蕓薹屬等異源多倍體物種類似的全基因組三倍化事件,導致亞基因組優勢現象。白羽扇豆的自身碳固定、排根發育建成、土壤磷活化和內部磷利用等四個先后調控途徑的多個相關基因發生顯著擴張和特異性低磷誘導表達。其中,生長素穩態調節關鍵基因對于排根形成至關重要,抑制其表達可大大減少排根形成。

          點評:該研究對磷高效利用作物的篩選與培育具有重要的參考價值。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-14891-z

          “液體黃金”霍霍巴油可借油菜合成

          《科學—進展》3月11日

          主要作者:華中農業大學教授郭亮團隊、陳玲玲團隊聯合國外5家單位合作完成

          進展亮點:完成油料作物霍霍巴的高質量參考基因組,并解析了霍霍巴種子中蠟酯合成途徑。

          蠟酯的合成主要是通過脂酰輔酶A還原酶FAR將脂酰輔酶A還原成脂肪醇。然后,在蠟酯合成酶WS的作用下,脂肪醇與脂酰輔酶A發生酯化反應生成蠟酯。

          蠟酯主要富集在種子的子葉中,而含量極少的三酰甘油則主要富集在種子的胚軸。種子不同部位的轉錄組分析表明,參與蠟酯合成的相關基因在子葉中的表達量遠高于胚軸中的表達量。這些基因在空間上的表達差異,可能是造成蠟酯及三酰甘油在霍霍巴種子中存在明顯分布差異的主要原因。

          點評:深入了解霍霍巴蠟酯合成機制,為霍霍巴品種改良提供了理論基礎。高芥酸油菜種子中脂肪酸的組成正好符合霍霍巴中相關酶的底物偏好性,這使得在高芥酸油菜種子中合成霍霍巴油成為可能。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.aay3240

          揭示阻止多個花粉管進入胚珠的分子機制

          《自然》3月19日


          剛剛授粉的擬南芥花,摘掉了部分萼片和花瓣。段巧紅供圖


          剛剛授粉的擬南芥花,摘掉了部分萼片和花瓣。段巧紅供圖

          主要作者:山東農業大學教授段巧紅團隊、美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校

          進展亮點:發現了被子植物阻止多個花粉管進入胚珠的分子機制。

          在擬南芥FERONIA受體激酶的缺失突變體中,多個花粉管進入同一胚珠的不正?,F象很常見。原來,FERONIA受體激酶調控了低甲酯化果膠質在絲狀器的積累,進而調控了第一個花粉管誘導的一氧化氮在絲狀器中的積累。

          一氧化氮對誘導花粉管進入胚珠的誘餌蛋白進行亞硝基化修飾,一方面阻止其分泌,另一方面使其失去誘導花粉管的活性,其他花粉管因此不能進入這個“名花有主”的胚珠。

          點評:在分子與生化水平上揭示了胚珠如何協調“花粉管破裂”與“防止多個花粉管進入胚珠”這兩個不同而又緊密相連的生物學過程,為進一步研究被子植物受精過程的調控機制提供了重要啟示。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2106-2

          大豆馴化過程中開花的進化和選擇

          《自然—遺傳》3月30日

          主要作者:廣州大學教授孔凡江和劉寶輝團隊聯合中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員田志喜團隊

          進展亮點:揭示大豆馴化過程中開花的進化和選擇機制。發掘了兩個長日照條件下控制開花期的關鍵位點Tof11和Tof12。這兩個位點發生了漸進式的變異和人工選擇。其中,tof12-1的功能缺失突變被強烈選擇,并在栽培品種中被迅速固定下來,從而使栽培品種的開花期和成熟期普遍提前。

          tof11-1的功能缺失型突變發生于tof12-1之后,在tof12-1遺傳背景上再次受到選擇,從而進一步縮短了栽培大豆的開花期和生育期,提高了栽培大豆的適應性。

          點評:該研究不僅首次系統確認了光周期開花是作物核心的馴化性狀,而且進一步完善了長日照條件下大豆光周期的分子調控網絡,闡明了大豆適應高緯度生態環境的遺傳基礎,還發現了大豆馴化過程中同源基因的逐步進化與選擇的分子機制。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-020-0604-7

          繪制首個山蒼子基因組圖譜

          《自然—通訊》4月3日


          山蒼子花        陳炳華攝


          山蒼子花 陳炳華攝

          主要作者:中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所研究員汪陽東團隊

          進展亮點:成功組裝全球首個染色體級別的高質量山蒼子基因組圖譜,并基于此揭示樟科物種進化及其精油合成分子機制。

          對樟科在中國分布的20屬47個代表種進行了低蓋度基因組測序,16屬23個代表種進行了混合組織和花苞轉錄組測序。鑒定了調控樟科及山蒼子精油主要化合物合成的關鍵酶基因LcuTPS42。

          點評:該成果揭示了單萜合酶基因家族在樟科中的演化,有效促進了樟科植物單萜化合物的多樣性和特異性,對揭示樟科植物的生物學特性、指導樟科遺傳育種研究,特別是加速分子育種進程具有指導作用。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-15493-5

          找到小麥“癌癥”克星

          《科學》4月10日

          主要作者:山東農業大學農學院教授、山東省現代農業產業技術體系小麥創新團隊首席專家孔令讓團隊

          進展亮點:團隊從小麥近緣植物長穗偃麥草中首次克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7,且成功將其轉移至小麥品種中,首次明確并驗證了其在小麥抗病育種中不僅具有穩定的赤霉病抗性,而且具有廣譜的解毒功能。

          點評:Fhb7基因的發現和抗病機制解析對水稻、玉米等作物育種同樣具有重要意義。作為禾谷類作物種質改良和創新的難得基因,其在育種領域的推廣應用,將有力提升我國農作物種質資源創新水平,為產業提質增效、確保國家糧食安全提供重要保障。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.aba5435

          五個異源四倍體棉花起源終被厘清

          《自然—遺傳》4月20日

          主要作者:南京農業大學、德克薩斯大學、哈森阿爾法生物技術研究所、德州農工大學等

          進展亮點:構建了所有五種異源四倍體棉花的高精度參考基因組。這五個種的形成是單一起源,并歷經了20~60萬年的自然演化,逐漸形成五個棉花種。其中,陸地棉和海島棉經過8000年左右的獨立人工馴化,成為最主要的栽培棉花。不同棉種在150萬年的雜交、多倍化和進化過程中,基因數量和排列結構并沒有非常顯著的變化。而在8000年左右的人工馴化過程中,陸地棉和海島棉的纖維長度和品質等發生了顯著改變。

          點評:首次揭示了五個多倍體棉花進化和馴化的遺傳和表觀遺傳規律,同時為通過種間雜交、表觀遺傳育種和基因編輯改良棉花提供了理論支撐和特有的基因組資源。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-020-0614-5

          尋找現代玉米改良的足跡

          《自然—遺傳》4月27日

          主要作者:華南農業大學王海洋團隊、中國農業科學院生物技術研究所、北京大學等

          進展亮點:從種質資源庫和中外育種學家手中搜集了350份玉米育種材料,并在海南、吉林、河北等4個環境收集了這350種育種材料的表型數據。分析發現,現代玉米育種過程中,中美兩國的玉米育種材料都經歷了向著更低的穗位、更少的雄穗分枝數、更緊湊的葉夾角及更早的開花期方向發展的趨同選擇,表明這四個性狀的改良對玉米耐密性提高的重要性。

          與上述4個關鍵性狀有關的有利等位基因,隨著時間的推移,在中美育種材料中出現的頻率同時顯著上升,揭示了四個性狀在中美育種過程中受到趨同選擇的遺傳基礎,也印證了這些位點的重要性。

          得到了1888個在現代玉米育種過程中受選擇的基因組區域,涉及逾5000個功能基因,其中包含一大批調控玉米耐密性和抗逆性的關鍵候選基因。

          點評:這是一個跨越不同育種年代、不同國家的玉米育種選擇規律分析,挖掘了近一個世紀以來玉米關鍵農藝性狀改良和產量提升的遺傳基礎和關鍵調控基因。解析了國內外現代玉米選育過程中的“育種選擇指紋”,描繪出現代玉米改良的足跡。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-020-0616-3

          增加一種植物就能獲得顯著的多樣性效益

          《自然—植物》5月4日

          主要作者:上海市農業科學院研究員蔡友銘團隊聯合復旦大學、浙江農林大學等

          進展亮點:通過分析全球2900余組植物種植的比較試驗數據發現,在農業、草原和森林系統,增加植物物種多樣性能夠提高捕食性天敵的豐度和捕食率、寄生性天敵的豐度和寄生率,從而減少害蟲、保育害蟲的天敵、提升作物產量與品質。

          在農田系統中,植物物種多樣性增加可表現為作物間套作,或者農田周邊種植其他經濟植物等。這給天敵昆蟲提供了一個很好的躲避惡劣天氣的庇護所,也能為它們提供花蜜等食物。

          有趣的是,添加一種植物與添加多種植物,對增加農業生態系統中的天敵數量并沒有太顯著的影響。因此,在農業生態系統,只需在主栽作物田塊通過種植誘集植物、間套作、果園生草等措施添加1種植物,便可明顯增加主栽作物上天敵的數量和多樣性。

          點評:植物物種多樣性可以幫助農民、決策者利用有益昆蟲提供的重要生態系統服務。這為降低農藥用量、防止農藥污染、保護生態環境,提供了食物網層面的理論依據。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-0654-y

          鐵載體是根際稀缺資源保衛戰的“秘密武器”

          《自然—微生物》5月11日


          張耀予繪圖


          張耀予繪圖

          主要作者:南京農業大學教授沈其榮團隊聯合瑞士、荷蘭、英國學者

          進展亮點:鐵是根際微生物和土傳病原菌爭奪的核心稀缺資源之一。鐵載體是細菌分泌的化合物,主要用來螯合環境中稀缺的三價鐵。細菌需要特定的受體才能吸收對應結構的鐵—鐵載體螯合物。

          有些鐵載體可以抑制青枯菌生長,產量越大抑制能力越強,被稱為抑制型;而一些低產細菌產生的鐵載體卻為青枯菌的生長提供了便利,被稱為便利型鐵載體。

          當便利型鐵載體介導促進效應時,根際細菌的鐵素競爭力弱,分泌的鐵載體被青枯菌剝削利用,促進了青枯菌的生長,而自身由于分泌鐵載體消耗了大量的能量,卻無法回收自己的鐵載體獲得鐵素營養,因此生長受阻;反之亦然。

          有趣的是,抑制作用最強的細菌是,與青枯菌系統發育距離相對較近并產生大量鐵載體的分離株。

          點評:鐵載體介導的根際細菌與青枯菌之間的鐵競爭,是預測土壤微生物群落中細菌—青枯菌共存模式、決定病原菌是否入侵成功,以及對宿主植物造成破壞的普遍機制。利用上述結論,可以工程化生產抑制型鐵載體微生物。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41564-020-0719-8

          解析蒺藜苜蓿復葉發育新機制

          《自然—植物》5月11日


          研究成果被選為《自然—植物》封面故事。     陳江華供圖


          研究成果被選為《自然—植物》封面故事。 陳江華供圖

          主要作者:由中國科學院西雙版納熱帶植物園陳江華團隊

          進展亮點:以封面文章發表了蒺藜苜蓿復葉形態模式建立的新機制。

          該研究通過正向遺傳學篩選到一類新的五葉突變體pinna1:不同于palm1突變體中小葉以掌狀聚集,pinna1突變體中的五個小葉以羽狀方式排列,額外增生的兩片小葉起始于頂端小葉的基部,形成奇數類羽狀復葉模式。

          最終定位了PINNA1基因,它特異地在不同時期的葉原基中表達。遺傳分析表明,PINNA1與SGL1基因間具有遺傳上位性;定量PCR和時空表達分析揭示,pinna1突變體中SGL1的表達量顯著上調,而其表達空間也顯著的擴大;生化實驗證明,PINNA1與PALM1精巧協同合作實現對復葉發育過程中SGL1時空表達的精確調控。

          點評:這項成果揭示了一個重要的調控蒺藜苜蓿復葉發育的新機制,為苜蓿的分子育種和改良提供了重要參考。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-0642-2

          發現新型廣譜抗菌增效劑

          《自然—微生物學》5月18日

          主要作者:中國農業大學沈建忠院士團隊

          進展亮點:首次報道了一種新型線性短鏈廣譜抗菌增效劑SLAP-S25,可以提高多種臨床常用抗菌藥物如四環素、萬古霉素、氧氟沙星、利福平和多粘菌素對多重耐藥大腸桿菌以及其它耐藥的革蘭氏陰性菌的抗菌效果。

          SLAP-S25和多粘菌素聯合應用恢復了10種不同的多粘菌素耐藥革蘭氏陰性菌對多粘菌素的敏感性,但對肺炎克雷伯菌則需采用SLAP-S25和其他種類抗菌藥聯用策略。

          SLAP-S25和多粘菌素聯合應用有效抑制了87株臨床分離的多粘菌素耐藥大腸桿菌的生長。此外,SLAP-S25不僅能恢復攜帶多粘菌素耐藥基因mcr的革蘭氏陰性菌對多粘菌素的敏感性,還能降低其用藥量,

          點評:為合理用藥和治療多藥耐藥病原菌感染提供了新策略,為保障多粘菌素類藥物作為抗革蘭氏陰性菌感染的“最后一道防線”提供了新思路和技術支持。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41564-020-0723-z

          首次破譯同源四倍體紫花苜?;蚪M

          《自然—通訊》5月19日

          主要作者:西北工業大學教授邱強團隊、中科院昆明動物研究所、中科院西雙版納植物園等

          進展亮點:發表我國地方特有品種新疆大葉紫花苜蓿的四倍體基因組,并成功將四倍體基因組組裝到了32條染色體上。

          開發出基于CRISPR/Cas9的高效的基因編輯技術體系,成功培育獲得了一批多葉型紫花苜蓿新材料,其雜交后代表現出穩定的多葉型性狀且不含轉基因標記。

          點評:將讓實施紫花苜蓿分子育種策略成為可能,從而為加快我國優質苜蓿品種培育和牧草產業發展提供重要科技支撐。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-16338-x

          20個水稻品種的參考表觀基因組圖譜發布

          《自然—通訊》5月27日

          主要作者:華中農業大學教授李興旺和李國亮團隊

          進展亮點:全面系統地描繪了20個水稻品種的表觀參考基因組圖譜。產生了多達500多套組學數據,覆蓋20個有代表性的水稻品種及其多個組織,包括58個基因表達數據、32個全基因組DNA甲基化圖譜、354個各種組蛋白修飾數據、58個全基因組開放染色質區域圖譜。

          基于此,從水稻表觀基因組圖譜中定義了15種染色質狀態。水稻中存在大量具有增強子活性的啟動子,這些啟動子不僅調控相鄰基因的表達,還可以作為增強子,通過染色質遠程相互作用,調控遠端與其互作基因的表達。

          點評:該研究完成了水稻順式調控元件和染色體狀態的注釋,鑒定到的秈粳稻之間染色體狀態差異為研究水稻品種分化和環境適應性的提供了獨特視角,也為全面解析水稻基因組結構提供重要資源。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-16457-5

          全球間套作增產模式獲進展

          《自然—植物》6月1日

          主要作者:中國農業大學教授張福鎖院士團隊

          進展亮點:間套作管理措施的綜合應用在全球尺度上形成了增產效應不同的兩種管理模式。

          其中一種為高投入—高產出玉米間套作管理模式,通過玉米與矮桿谷類作物搭配,采用條帶種植、分期播種、充足養分投入等管理措施,較單作具有更大的增產效應,在中國廣泛應用。

          另一種是低投入—低產出間套作管理模式,通過豆科作物與矮桿谷物混作或單行交替種植,采用同種同收、較低養分投入等管理措施,增產效應較低,該模式在歐洲廣泛應用。

          高投入—高產出玉米間套作模式的增產效應是低投入—低產出間套作模式的4倍。兩種間套作模式較單作均具有節肥增產的優勢。

          點評:間套作不僅能滿足低投入農業的生態目標,也是高投入農業中持續保障糧食安全的有效途徑。在中國廣泛應用的玉米間套作模式具有更大的增產效應,值得全球借鑒。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-0680-9

          揭示獨腳金內酯信號轉導機制

          《自然》6月11日

          主要作者:中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員李家洋院士團隊

          進展亮點:該研究系統鑒定了擬南芥獨腳金內酯早期響應基因,闡明了獨腳金內酯調控分枝數目、葉片形狀以及花青素積累的分子機制,突破了獨腳金內酯信號途徑研究的瓶頸。他們發現,SMXL6,7,8能夠作為轉錄因子調控自身轉錄,同時作為轉錄抑制蛋白調控分枝等發育過程,揭示了一種全新的植物激素信號轉導機制。

          點評:是獨腳金內酯信號轉導領域的突破性進展,提出了一種全新的植物激素信號轉導機制,為探索激素作用機理提供了新思路,具有重要的科學意義。揭示了獨腳金內酯信號通路中的轉錄調控網絡,對全面解析獨腳金內酯調控植物生長發育以及環境適應的分子機制、揭示植物與叢枝真菌共生的機制進而培育高產抗逆、營養高效、抗寄生的作物具有重要指導意義。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2382-x

          激素水平升高可導致小菜蛾對Bt高抗性

          《自然—通訊》6月12日

          主要作者:中國農業科學院蔬菜花卉研究所研究員張友軍團隊

          進展亮點:昆蟲激素水平升高可以激活MAPK信號途徑,反式調控多個中腸受體基因差異表達,從而導致小菜蛾對蘇云金芽胞桿菌(Bt)殺蟲蛋白Cry1Ac產生高抗性。

          在Bt蛋白高抗的小菜蛾中,蛻皮激素(20E)和保幼激素(JH)含量均顯著升高。它們之間的串擾可以激活MAPK信號途徑反式調控機制,使小菜蛾在維持正常生長發育的前提下對Bt殺蟲蛋白完美進化,從而產生高抗性。

          點評:該研究在國際上首次揭示了經典的昆蟲激素可以參與昆蟲Bt抗性的新功能及其分子調控網絡,研究結果對于我國田間重大農業害蟲Bt抗性進化的監測預警和綜合治理,以及新型Bt生物殺蟲劑/轉Bt基因抗蟲作物的研發推廣和可持續應用,均具有重要的理論和實踐意義。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-16608-8

          建立新型可預測多核苷酸刪除基因組編輯系統

          《自然—生物技術》6月29日

          主要作者:中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員高彩霞研究組

          進展亮點:基于胞嘧啶脫氨以及堿基切除修復原理,首次將野生型SpCas9與胞嘧啶脫氨酶、尿嘧啶糖基化酶以及無嘌呤嘧啶位點裂合酶組合,建立了新型的多核苷酸靶向刪除系統,并成功在水稻和小麥基因組中實現了精準、可預測的多核苷酸刪除。

          點評:該系統的建立可為植物基因組調控DNA的功能研究及設計育種提供了一個強有力的基因組編輯工具。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41587-020-0566-4

          發現植物株型調控新機制

          《自然—植物》7月13日

          主要作者:中國農業科學院蔬菜花卉研究所與深圳農業基因組研究所等

          進展亮點:揭示了黃瓜卷須身份基因TEN調控卷須發育和運動的分子機制,為基因內部結合的轉錄因子是如何調控基因表達這一基礎的科學問題提供了一個重要的解答。

          TEN是一個新型多功能轉錄因子,其C端負責結合到下游靶標的基因內增強子上,其N端結構域是一類全新的組蛋白乙酰轉移酶,主要乙?;揎椊M蛋白H3的球體區域,維持染色質開放,從而激活靶標基因表達。

          點評:該研究成果為揭示轉錄因子結合到基因內部如何調控基因表達的科學問題提出了新的見解,也為深入認識株型發育的基因調控網絡提供了重要的突破,并可直接用于培育輕簡化栽培的無卷須黃瓜新品種。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-0715-2

          首個古茶樹基因組精細圖譜繪制

          《自然—通訊》7月24日

          主要作者:華中農業大學園藝林學學院教授聞瑋瑋課題組

          進展亮點:在完成首個高質量染色體級別的古茶樹基因組組裝的基礎上,利用217份多樣的茶樹資源的轉錄組數據,揭示了中國茶樹育種中的骨干親本,并鑒定了調控兒茶素生物合成的多個關鍵基因。

          在遺傳和代謝水平上,古茶樹和栽培種并未顯著分化,表明在風味品質上,茶樹可能未受到長期定向的人工選擇。

          點評:為茶樹功能基因組學的發展提供基礎和豐富資源,為茶樹分子育種、品質提升以及有益天然產物生物合成奠定基礎。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-17498-6

          創制C4禾谷類研究的理想模式植物

          《自然—植物》8月31日

          主要作者:山西農業大學雜糧分子育種團隊與中國農業科學院作物科學研究所等

          進展亮點:獲得了一個超短生育期谷子“小米”,其生育期僅2個月左右,株高僅30厘米左右。生育期和株高與模式植物擬南芥相當,適合室內大規模種植研究。

          在此基礎上,組裝了高質量的參考基因組,構建了全生育期基因表達圖譜和谷子多組學數據庫,并建立了高效穩定的遺傳轉化體系。從而將“小米”發展成了C4禾谷類研究的模式植物。

          點評:“小米”模式植物體系的建立將促進C4高光效、氮素高效吸收利用機制、抗旱機制、遺傳改良等研究。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-0747-7

          龍井茶樹染色體級別基因組組裝成功

          《自然—通訊》9月7日

          主要作者:中國農業科學院茶葉研究所和深圳農業基因組研究所主導、攜手中國科學院昆明動物研究所及云南省農業科學院茶葉研究所等

          進展亮點:以我國著名的優良茶樹品種龍井43為材料,克服了其基因組高度雜合、重復序列比例高等復雜基因組組裝難題,完成了染色體級別的基因組組裝。

          基于此,對來自世界不同國家和地區的139份有代表性的茶樹材料進行了深度重測序,揭示了茶樹群體的系統發生關系,描繪了栽培茶樹的進化歷史。

          點評:該成果為茶樹基因組學和育種研究,以及茶樹遺傳和進化研究提供了豐富的素材。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-18228-8

          馬鈴薯雜交種子在接近

          《自然—遺傳》9月28日


          雜合馬鈴薯 RH   中國農科院供圖


          雜合馬鈴薯 RH 中國農科院供圖

          主要作者:中國農科院深圳農業基因組研究所研究員黃三文團隊等

          進展亮點:首次測序完成雜合二倍體馬鈴薯基因組,提供了迄今最完整的雜合馬鈴薯基因組、最全面的馬鈴薯單體型比較分析。

          為構建高質量的參考基因組以及對單體型進行比較分析,該研究提出了高準確率HiFi read與遺傳群體測序、HiC測序相結合的技術路線,克服了“重復序列” 和“高雜合”這兩個障礙,成功組裝了染色體級別的單體型,為復雜基因組的解析提供了借鑒。

          在二倍體馬鈴薯RH中檢測到了22134個有害突變。有害突變散布在兩套基因組中,與其他類型的變異呈馬賽克式分布,并且有害突變還有可能與優良基因緊密連鎖,很難通過傳統雜交的方法徹底淘汰有害突變。

          點評:為馬鈴薯二倍體育種提供基因組學支持,有助于利用基因組學和合成生物學方法快速打破馬鈴薯育種中的障礙,構建優良的二倍體自交系。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-020-0699-x

          榕樹和榕小蜂精細基因組圖譜發布

          《細胞》10月8日

          主要作者:中國科學院西雙版納熱帶植物園研究員陳進課題組與福建農林大學教授明瑞光課題組等

          進展亮點:構建了2種榕樹和1種傳粉榕小蜂的高質量基因組精細圖譜。并首次在分子機制上揭示了榕樹氣生根發育、性別決定和榕樹—榕小蜂協同多樣化等多項未解之謎。

          兩種榕樹基因組存在大量的結構變異,如染色體斷裂、片段化重復等。這些變異與植物免疫、帖烯類合成等重要的生物學過程有關,為其適應性演化提供了遺傳基礎。

          點評:為榕樹氣生根特征進化和相關園藝品種開發提供了重要理論基礎,并為榕樹—榕小蜂協同進化等研究打開了組學分析的大門。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.043

          解密植物干細胞如何抵御病毒

          《科學》10月9日

          主要作者:中國科學技術大學教授趙忠課題組

          進展亮點:解析了植物干細胞抵御多種病毒侵染的分子機制。揭示了植物莖頂端分生組織存在廣譜抗病毒免疫的分子機制。在侵染過程中,病毒必須利用植物細胞內的蛋白質合成系統合成自身的蛋白,以完成自身的復制、組裝和侵染過程。而干細胞關鍵調節基因WUS則通過直接抑制細胞內蛋白質合成的速率,限制了病毒的復制和傳播。

          點評:回答了為什么植物病毒不能侵染植物莖尖這一長期未決的基本生物學問題,為未來作物廣譜抗病毒防治提供了新的技術策略。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.abb7360

          擬南芥花期自然變異的調控新機制

          《自然—通訊》11月17日

          主要作者:安徽農業大學教授李培金課題組

          進展亮點:對世界范圍內102種擬南芥不同生態型的FLC基因的表達水平進行了定量分析,篩選到一個花期調控關鍵基因SSF。SSF蛋白具有兩個變異類型SSF414D和SSF414N,這兩種蛋白能被植物體廣泛存在的蛋白泛素化修飾和降解系統識別,以調控SSF蛋白水平的高低,從而影響開花抑制基因FLC的表達水平,導致植物花期發生改變。

          其中,414D主要存在于北方植物中,可以使植物晚花,適應北方的寒冷氣候;而414N主要存在于南方的植物中,調控植物早花,以適應南方較為溫和的生長環境。

          進一步實驗表明,SSF和FCA作為同源基因有著相反的功能。SSF可以調控植物晚花,FCA調控植物早花;FCA同時存在于雙子葉和單子葉植物中,而SSF只存在雙子葉植物中。

          點評:深入揭示了基因自然變異調控植物生育期的新機制,為植物分子育種提供了重要基因資源和理論依據。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-19666-0

          揭示水稻中重要二萜的代謝機制

          《自然—植物》12月8日

          主要作者:海南大學教授羅杰團隊

          進展亮點:利用水稻自然群體進行代謝物全基因組關聯分析,在水稻7號染色體成功定位鑒定了一個控制單環二萜自然變異的基因簇DGC7。該基因簇由1個萜烯合成酶及2個CYP450酶組成,在質體中催化形成5,10-二酮-蓖麻烯,一種具有潛在醫用價值的重要二萜。DGC7受到茉莉酸甲酯介導的表觀調控因子JMJ705直接調控,并能提高水稻對于白葉枯病的抗性。

          點評:揭示了水稻單環二萜基因簇自然變異的生化基礎及其在水稻抗病方面的作用,為作物遺傳改良提供了新資源。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-00816-7

          揭示豆科植物與根瘤菌共生固氮分子機制

          《自然》12月10日


          苜蓿根瘤器官     王二濤供圖


          苜蓿根瘤器官 王二濤供圖

          主要作者:中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員王二濤團隊

          進展亮點:揭示豆科植物因皮層細胞獲得SHR-SCR干細胞分子模塊,而具有結瘤固氮的能力,使其有別于非豆科植物,回答了“為什么豆科植物能與根瘤菌結瘤固氮”的科學問題。

          植物干細胞關鍵轉錄因子SCR在豆科植物的皮層細胞表達,另一個干細胞關鍵轉錄因子SHR在維管束表達后移動到皮層細胞,使豆科植物皮層細胞獲得了SHR-SCR分子模塊。該干細胞分子模塊賦予豆科植物皮層細胞分裂能力,能夠被根瘤菌的共生信號激活,誘導豆科植物苜蓿的皮層分裂,形成根瘤。

          點評:發現了控制豆科植物根瘤共生固氮的關鍵分子模塊,加深了人們對共生固氮的理解,為非豆科植物皮層細胞命運的改造奠定了基礎,并為今后減少作物對氮肥的依賴,實現農業生產的可持續發展提供了新思路。

          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-3016-z

          原文鏈接:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/12/451099.shtm


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