科技動態(tài)

遺傳發(fā)育所等發(fā)現(xiàn)水稻穗子大小調(diào)控的機制

水稻是全球最重要的糧食作物之一，水稻穗子的大小和穗粒數(shù)決定水稻產(chǎn)量。近年來，一些影響水稻穗子大小和穗粒數(shù)的基因陸續(xù)被報道，但學界尚不清楚調(diào)控水稻穗子大小和穗粒數(shù)的分子機制，因此，闡明協(xié)同調(diào)控水稻穗子大小和穗粒數(shù)的遺傳及分子機制對水稻高產(chǎn)育種具有重要意義。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員李云海團隊、研究員姚善國團隊和中國水稻所院士錢前團隊等合作，發(fā)現(xiàn)了水稻穗子大小和穗粒數(shù)調(diào)控的重要機制。李云海團隊已通過大規(guī)模遺傳篩選，分離了一系列水稻大穗突變體large，報道了GSK2磷酸化LARGE1/OML4調(diào)控種子和穗子大小的新機制（Lyu et al., 2020, Plant Cell）。近期，有研究團隊解析了LARGE2基因調(diào)控水稻穗子大小和穗粒數(shù)的機理。研究發(fā)現(xiàn)，large2 突變體表現(xiàn)為穗子增大、一次枝梗和二次枝梗數(shù)明顯增多，因此，導致每穗粒數(shù)明顯增加；葉片寬度和粒寬相比野生型也增寬，株高略微降低、莖稈變粗。細胞學分析表明，LARGE2通過影響分生組織大小和活性，從而決定穗子大小和穗粒數(shù)。LARGE2編碼了一個具有HECT結構域的E3泛素連接酶。進一步研究發(fā)現(xiàn)，LARGE2與穗粒數(shù)調(diào)控關鍵因子APO1 和APO2 在體內(nèi)直接相互作用，并調(diào)控了APO1 和APO2 的蛋白穩(wěn)定性。遺傳分析表明，LAEGE2 和APO1/APO2 作用在同一條遺傳途徑調(diào)控水稻穗子大小和穗粒數(shù)。該研究揭示了LARGE2-APO1/APO2 途徑調(diào)控水稻穗大小和穗粒數(shù)的新機制，為水稻高產(chǎn)育種提供了理論基礎和基因資源。

相關研究成果在線發(fā)表在The Plant Cell 上（DOI:10.1093/plcell/koab041）。李云海組黃洛將、徐冉和姚善國組華凱為論文的共同第一作者，李云海、姚善國和錢前為論文的共同通訊作者。研究工作得到轉基因?qū)ｍ?、國家自然基金和中科院?zhàn)略性先導科技專項等的資助。

(來源：動物研究所)

動物所揭示“甲狀腺-腸道菌群”軸對恒溫動物產(chǎn)熱和體溫的調(diào)節(jié)作用

恒溫動物維持高而恒定的體溫對于其生存至關重要，而體溫的維持具有較高的能量代價，體溫調(diào)節(jié)是經(jīng)典的生理學問題。甲狀腺激素是由甲狀腺細胞分泌，包括甲狀腺素（T4）和三碘甲狀腺原氨素（T3），T4經(jīng)過碘甲腺原氨酸脫碘酶II（DIO2）脫碘后生成T3 而起作用，甲狀腺激素能夠提高能量代謝、促進生長發(fā)育并提高神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性。甲狀腺激素代謝紊亂會發(fā)展為甲亢（甲狀腺機能亢進）或甲減（甲狀腺機能減弱）疾病，遺傳、藥物、長期應激等是形成甲亢的主要因素，發(fā)病率較高且難以治療。關于甲狀腺激素調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)熱的作用機制，已有研究認為主要通過中樞調(diào)控通路或外周直接作用于器官調(diào)節(jié)細胞的代謝過程，前期研究已發(fā)現(xiàn)腸道微生物能夠調(diào)節(jié)宿主動物的能量代謝。甲狀腺功能紊亂是否與腸道菌群失衡有關從而導致能量代謝和產(chǎn)熱的變化？對于這一問題的解釋，能夠揭示恒溫動物的體溫調(diào)節(jié)機制，并為認識甲狀腺疾病的成因和治療方法提供科學依據(jù)。

3 月17 日，中國科學院動物研究所王德華研究團隊在Microbial Biotechnology上發(fā)表研究論文Caecal microbial transplantation attenuates hyper?thyroid-induced thermogenesis in Mongolian ger?bils，發(fā)現(xiàn)了高甲狀腺激素（甲亢）引起的代謝升高是腸道菌群紊亂導致，闡明了“甲狀腺-腸道菌群”軸對恒溫動物產(chǎn)熱和體溫的調(diào)節(jié)功能。此前，該研究組發(fā)現(xiàn)腸道菌群介導聚群行為產(chǎn)熱的能量節(jié)省機制（Microbiome，2018），食糞行為通過維持微生物穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)宿主能量平衡、神經(jīng)功能和認知行為（The ISME Journal，2020），進一步發(fā)現(xiàn)腸道菌群賦予恒溫動物對周期性溫度波動的代謝可塑性（mSystems，2020)，以及“交感神經(jīng)—腸道菌群”軸調(diào)控冷適應性產(chǎn)熱的機制（The ISME Journal，2019）等成果，這是該研究組近期在野生動物與其腸道微生物相互作用調(diào)控能量代謝和產(chǎn)熱適應研究領域又一新發(fā)現(xiàn)。

研究人員利用長爪沙鼠（Meriones unguicula?tus）T4 處理4 周誘導甲亢模型，利用甲巰基咪唑藥物處理阻斷甲狀腺激素的合成誘導甲減模型。研究發(fā)現(xiàn)，甲亢動物表現(xiàn)出較高的代謝率和體溫，甲減動物代謝率明顯降低；無論甲亢還是甲減動物，腸道菌群結構紊亂，甲亢動物腸道中螺旋桿菌屬（Helicobacter）、理研菌屬（Rikenella）相對比例升高，而有益菌如丁酸弧菌（Butyricimo?nas）和副擬桿菌（Parabacteroides）相對比例較低，相關分析顯示這些菌屬與甲狀腺素代謝密切相關；甲亢動物腸道菌群的代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸含量和總膽汁酸含量明顯降低。通過對甲亢動物移植正常動物來源的腸道菌群，能夠促進肝臟中碘甲腺原氨酸脫碘酶II（DIO2）表達，提高T3 和T4的代謝周轉速率，促進甲亢動物代謝率和體溫的恢復。

該研究闡明了“甲狀腺-腸道菌群”軸對恒溫動物產(chǎn)熱和體溫的調(diào)節(jié)作用，揭示了腸道菌群與宿主內(nèi)分泌系統(tǒng)相互作用對體溫調(diào)節(jié)的生理意義，并為甲亢疾病的治療提供可能的有效干預措施。動物所農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室動物生理生態(tài)學研究組博士研究生Saeid Khakisahneh、副研究員張學英為論文的共同第一作者，研究員王德華、副研究員張學英為論文的共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金的資助。

(來源：動物研究所)

東北地理所在干旱脅迫下保護性耕作對作物產(chǎn)量的調(diào)控研究中獲進展

保護性耕作是我國北方糧食產(chǎn)區(qū)應對干旱的積極應對策略之一。然而，少有研究將土壤碳排放、微生物和作物三者結合起來分析保護性耕作對自然干旱的綜合響應。中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土有機碳與保護性耕作學科組以保護性耕作長期定位試驗為研究平臺，比較了自然干旱和正常降水年份下的土壤CO2排放、土壤微生物群落和作物產(chǎn)量，以評價保護性耕作的影響及其應對干旱的適應機制。

研究表明：正常年份免耕條件下土壤具有較低的土壤溫度（低約1℃），較高土壤含水量，同時免耕條件下的玉米產(chǎn)量和碳排放效率（產(chǎn)量與土壤CO2年排放量之比）比常規(guī)耕作處理降低22%和25%，只增加了播種前和生長季后期（8-9 月）的土壤微生物磷脂脂肪酸含量；干旱年份（2015年），免耕的土壤溫度（5、10、20 cm）比常規(guī)耕作低約2℃，土壤含水量顯著增加28%，并且顯著增加玉米產(chǎn)量（47%）、碳排放效率（63%）和生長季節(jié)內(nèi)的土壤微生物磷脂脂肪酸含量。耕作處理間碳排放效率的差異主要是由作物產(chǎn)量引起，這是由于無論正常年份還是干旱年份，免耕與常規(guī)耕作間的年土壤CO2排放量沒有顯著差異。結構方程模型揭示了耕作方式通過土壤含水量、溫度、土壤真菌和細菌等間接影響碳排放效率。另外，運用FUNGuild 評估土壤真菌功能發(fā)現(xiàn)，免耕抑制了土壤中某些致病菌（Fusarium oxysporum,Alternaria sp），而使共生菌（Leptodontidium sp）的相對豐度增加。研究表明，免耕（保護性耕作）是東北地區(qū)連作玉米抗旱的積極應對策略，且不是以增加土壤碳排放和減低土壤微生物群落功能為代價。

該研究由東北地理所副研究員賈淑霞（論文第一作者）、研究員梁愛珍與吳東輝（論文通訊作者）和碩士研究生王倩（論文第一作者）等共同完成。近日，相關研究成果發(fā)表在Geoderma 和Eu?ropean Journal of Soil Biology 上，研究工作得到國家自然科學基金和中科院前沿科學重點研究計劃的資助。

(來源：東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所)

東北地理所在碳離子束輻照誘變大豆效應及育種研究中獲進展

重離子束是一種新型育種誘變劑，相比于其他誘變源，重離子具有較高的傳能線密度（Linear Energy Transfer，簡稱LET）和生物學效應（Rela?tive Biological Effectiveness，簡稱RBE），可以在較高的存活率下獲得相對較高的突變率和較寬的突變譜，由此創(chuàng)造優(yōu)異的突變體。碳離子束作為重離子束中的一種，在中草藥、高粱、小麥和花卉等作物育種中應用較多，并且產(chǎn)生了較好的誘變效果，但在大豆上應用的相關報道較少。

中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員張秋英團隊與中科院近代物理研究所合作，在國家重點研發(fā)計劃、中科院科技服務網(wǎng)絡計劃（STS 計劃）和中科院戰(zhàn)略先導科技專項的資助下，以不同劑量碳離子束輻照大豆種子構建了篩選群體，在表型水平和生理水平探討了碳離子束輻照大豆的誘變效應，并以Seq-BSA混池測序結合轉錄組測序的方法進一步對篩選獲得的特異性大豆卷葉短葉柄突變體（rlsp1）進行了分子機制研究。該研究發(fā)現(xiàn)，碳離子束輻照誘變大豆可以誘發(fā)類型豐富的變異，包括株高、生育期、品質(zhì)性狀籽粒大小、抗倒伏以及產(chǎn)量等變異，同時結合表型變異、生理指標、出苗率和成活率等，提出120Gy（80Mev/u）是碳離子束輻照誘變大豆中比較合適的輻照劑量。對突變體rlsp1的進一步研究發(fā)現(xiàn)，葉柄韌皮部結構的異常發(fā)育、生長素信號轉導途徑的抑制、微管和碳水化合物代謝的相關途徑與rlsp1的形成密切相關，并且在3、6、8、13 和17號染色體上定位了10個候選區(qū)域，總共6.47Mb，包含 790 個基因，研究認為，Glyma.03G128600 作為擬南芥BOP（BLADE ON PETIOLES）基因的直系同源基因，可能是引起rlsp1變異的關鍵候選基因。該研究對促進碳離子束輻照誘變在大豆育種中的應用以及大豆短葉柄和卷葉性狀的基因定位研究具有重要意義。

在碳離子束輻照誘變大豆機理研究的基礎上，運用碳離子束輻照誘變育種和雜交育種結合的方法，選育了中科毛豆3 號和中科毛豆4 號兩個品種，并全部轉讓給企業(yè)銷售，在生產(chǎn)上大面積應用推廣，明顯提高了農(nóng)民經(jīng)濟收入，對農(nóng)民的脫貧致富及大豆產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到了促進作用。

該研究結果發(fā)表在Agriculture 和Journal of Plant Biology上。

(來源：東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所)

武漢植物園在多花黑麥草耐鹽機理研究中取得進展

土壤鹽漬化是普遍存在并備受關注的環(huán)境問題之一。我國鹽堿地面積高達3467hm2，且逐年增加，但只有小部分被耕種，大量的鹽堿土待開發(fā)利用，是重要的后備土地資源。我國人口眾多，耕地面積不足，選育耐鹽堿牧草開發(fā)廣闊的鹽堿地十分重要。多花黑麥草是禾本科黑麥草屬植物，生長速率快，營養(yǎng)豐富，消化率高，且各種家畜喜食，適于集約化栽培利用，已成為目前農(nóng)區(qū)種植最廣，播種面積最大的牧草之一，然而，多花黑麥草對于土壤鹽堿性耐受性中等，在我國黑麥草主產(chǎn)區(qū)受到土壤鹽漬化威脅。因此，篩選耐鹽多花黑麥草，研究其耐鹽機理，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有重要意義。

中國科學院武漢植物園草坪草與牧草分子育種學科組前期收集了多份多花黑麥草種質(zhì)資源，并對其耐鹽性進行系統(tǒng)評價?？蒲腥藛T以前期篩選鑒定的極端耐鹽（‘Abundant’）和鹽敏感（‘Angus’）種質(zhì)為材料，分別從生理生化水平和代謝水平對多花黑麥草耐鹽機理進行解析。研究發(fā)現(xiàn)，與鹽敏感種質(zhì)相比，耐鹽種質(zhì)具有更高的葉片相對含水量和更好的牧草品質(zhì)。進一步對抗氧化酶系統(tǒng)和光和系統(tǒng)進行比較研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下耐鹽種質(zhì)活性氧誘導的細胞損傷較輕，且具有更高的光合效率。以上結果表明，與敏感種質(zhì)相比，耐鹽種質(zhì)受到的鹽毒害更輕。通過比較植物吸收和轉運離子能力，科研人員發(fā)現(xiàn)和耐鹽種質(zhì)相比，鹽敏感種質(zhì)吸收鈉離子更多且向地上部分轉運能力更強，據(jù)此推測，吸收更少的鈉離子，并抑制其向地上部分的轉移是‘Abundant’耐鹽機理之一。此外，從代謝水平比較分析‘Abundant’的耐鹽機理，共鑒定到包括氨基酸、有機酸、脂肪酸和糖類在內(nèi)的41 種初級代謝產(chǎn)物。與耐鹽種質(zhì)相比，鹽敏感種質(zhì)‘Angus’代謝產(chǎn)物對鹽脅迫更敏感。該研究為探究多花黑麥草的耐鹽機制提供了基本信息。

相關研究成果以Comparative physiological and metabolic analyzes of two Italian ryegrass (Loli?um multiflorum) cultivars with contrasting salinity tolerance 為題，在線發(fā)表在Physiologia Plantarum上。武漢植物園草坪草與牧草分子育種學科組碩士研究生馮啟佳為論文第一作者，助理研究員謝燕和研究員陳良為論文共同通訊作者。研究工作得到中科院青年創(chuàng)新促進會、國家自然科學基金等的資助。

(來源：武漢植物園)

西北研究院在膜下滴灌玉米氮素診斷及養(yǎng)分管理研究中獲進展

膜下滴灌技術可改善農(nóng)田土壤水熱條件并實現(xiàn)作物水、氮的精確供給，在寒區(qū)旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用前景廣泛，但土壤水、氮的精確供給不意味著高效供給，如何診斷膜下滴灌作物的養(yǎng)分狀況是廣受關注的關鍵問題。

近日，中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院科研人員通過臨界氮稀釋曲線模型（Critical nitro?gen dilution curves，CNDC），對比分析了滴灌（drip irrigation，DI）和膜下滴灌（mulched drip irri?gation，MDI）兩種處理下的氮營養(yǎng)指數(shù)，為膜下滴灌玉米氮素營養(yǎng)診斷和養(yǎng)分運籌提供了依據(jù)。研究表明，相對滴灌玉米，膜下滴灌玉米較低的根冠比是改變其CNDC 的主要原因。此外，地膜覆蓋降低了吐絲期的氮素營養(yǎng)指數(shù)，提高了生理成熟期的氮素營養(yǎng)指數(shù)，有利于作物光合產(chǎn)物的累積和向籽粒的轉運。該研究可為膜下滴灌玉米的氮素管理提供指導，對提高該地區(qū)膜下滴灌系統(tǒng)養(yǎng)分管理水平具有重要意義。

相關研究成果以Plastic film mulching affects the critical nitrogen dilution curve of drip-irrigated maize為題，發(fā)表在Field Crops Research上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和國家自然科學基金等的資助。

(來源：西北生態(tài)環(huán)境資源研究院)

研究揭示人類活動對全球淡水魚類生物多樣性的影響

河流擁有豐富的魚類生物多樣性，迄今已記錄17000 多種魚類物種，占地球上所有脊椎動物的四分之一。人類活動對生物多樣性的影響往往僅從物種數(shù)量的角度（分類多樣性）來探討，而物種功能屬性（功能多樣性）或物種之間的親屬關系（系統(tǒng)發(fā)育多樣性）對衡量生物多樣性的改變同樣重要。

近日，法國圖盧茲第三大學Evolution et Di?versité Biologique（EDB）實驗室、中國科學院水生生物研究所、法國蒙彼利埃MARine Biodiversity,Exploitation and Conservation（MARBEC）研究中心與法國馬賽Aix-Marseille INRAE（RECOVER）實驗室組成的聯(lián)合研究團隊，提出了一種新的生物多樣性指標，綜合考慮六個生物多樣性維度，全面評估了人類活動對全球淡水魚類生物多樣性的影響，相關研究成果發(fā)表在Science上。法國圖盧茲第三大學博士蘇國歡為論文的第一作者和通訊作者，水生所研究員徐軍為論文的合作作者。

研究表明，全球2456條河流中有超過50%的魚類區(qū)系受到人類活動的強烈影響。僅有14%的流域受到的影響很小，其中的魚類僅占世界淡水魚種類的22%。由于物種的引入，本地河流中物種的數(shù)量呈現(xiàn)整體增加的趨勢。這些物種往往與本地物種親緣關系較遠，并且體長大于本地物種，形態(tài)也更適合靜水環(huán)境，對水壩建設形成的環(huán)境威脅尤為嚴重。此外，世界上大多數(shù)流域承受著巨大的人類活動壓力，淡水生態(tài)系統(tǒng)趨向于更高的魚類物種和功能同質(zhì)性，降低了應對全球變化的響應能力。此外，該研究還強調(diào)了許多瀕危魚類在受人類嚴重影響的河流中面臨不斷滅絕的風險，已危及淡水生態(tài)系統(tǒng)的服務功能。

(來源：水生生物研究所)