植物所在光信號調控水稻響應鹽脅迫研究中取得進展

光信號在幼苗形態(tài)發(fā)生和轉換中發(fā)揮著重要作用。種子在土壤中利用體內儲藏的能量進行異養(yǎng)生長，并通過暗形態(tài)建成使幼苗快速伸長，破土見光后，便轉換成光形態(tài)建成模式，伸長生長減緩，開始葉綠素合成和葉綠體發(fā)育，進入光合作用自養(yǎng)生長。水稻播種深度和育秧就涉及暗（光）形態(tài)建成所蘊涵的科學原理，水稻的中胚軸在土壤下快速伸長有利于水稻出苗，然而，這一過程在一些土壤逆境條件下（如鹽堿）受到挑戰(zhàn)。因此，探討光信號對農作物幼苗的生長發(fā)育調控及對逆境的響應機制具有重要的科學意義，也對農業(yè)生產有著潛在的應用價值。

中國科學院植物研究所研究員林榮呈研究組長期開展光信號轉導機制相關研究。研究人員對水稻光敏色素互作因子（PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR-LIKE，Os-PIL）的功能和分子機理展開研究，發(fā)現分別過量表達 6 個 OsPILs 基因（OsPIL11-16）均能促進黑暗下水稻中胚軸的伸長，其中OsPIL14 表現最為明顯。而赤霉素信號轉導核心抑制因子DELLA蛋白（SLENDER RICE1，SLR1）負調控水稻中胚軸伸長。進一步研究發(fā)現，OsPIL14與SLR1能相互作用，這種互作使SLR1抑制了OsPIL14對下游細胞伸長相關基因的轉錄激活能力。研究發(fā)現鹽處理促進了OsPIL14蛋白的降解，增強了SLR1蛋白的穩(wěn)定性。過量表達OsPIL14使水稻幼苗在黑暗中對鹽具有較高的耐受性，并顯著提高了鹽脅迫下水稻覆土直播的出苗率。該研究揭示了水稻光敏色素互作因子OsPIL14整合光信號與赤霉素信號調控水稻在鹽脅迫下生長的分子機制，對通過分子設計提高水稻直播出苗率和鹽脅迫條件下的生長性能具有重要指導意義。

該成果于6 月25 日在線發(fā)表于國際學術期刊Plant Physiology上。植物所博士研究生莫偉平為論文第一作者，林榮呈為通訊作者，中科院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所研究員卜慶云參與部分工作。該研究得到了農村農業(yè)部、科學技術部、國家自然科學基金委員會等項目的資助。

（來源：植物研究所）

遺傳發(fā)育所玉米細胞質雄性不育研究取得進展

植物細胞質雄性不育是廣泛存在并具有重要應用價值的生物學現象。在雄性不育材料中，花粉粒敗育但其他組織的生長發(fā)育不受影響，因此細胞質雄性不育被廣泛應用于雜交種生產。細胞質雄性不育也是研究細胞核與線粒體相互作用的利器，不育基因由線粒體基因組編碼，而大部分恢復基因由核基因組編碼。兩套不同的基因組如何協(xié)同調控花粉粒的育性，甚至植物生長發(fā)育，其中分子機制還有待進一步探明。

近期，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所陳化榜研究組鑒定了玉米S 型細胞質雄性不育（CMS-S）系的不育基因orf355，并進一步鑒定出一個在花藥中特異表達的轉錄因子ZmDREB1.7。ZmDREB1.7定位于細胞核、細胞質和線粒體，不同實驗證實ZmDREB1.7能夠結合到orf355基因的啟動子并促進其轉錄。Orf355是一個具有強烈細胞毒性的蛋白，通過誘導表達系統(tǒng)表達orf355 能夠顯著增強線粒體逆向信號。ZmDREB1.7基因啟動子區(qū)域存在一定數量的UPR motif（unfolded protein response motif），該 motif 的 存 在 使 得 Zm-DREB1.7 基因快速響應線粒體逆向信號，而缺失主效UPR motif的單倍型能夠部分恢復CMS-S玉米的育性，表明其是S型細胞質雄性不育的弱恢復基因。基于上述結果，該研究揭示了一個導致玉米S型細胞質雄性不育的分子機制。

已有研究一直不清楚不育基因為何僅僅影響花粉粒敗育，而對其他組織沒有影響。該研究推測與花藥特異表達的ZmDREB1.7 有關。在花藥中，ZmDREB1.7促進orf355表達，而orf355積累增強線粒體逆向信號，反饋促進ZmDREB1.7 表達。因此，ZmDREB1.7 與 orf355 在 S 型玉米的小孢子中形成了一個正反饋調控機制，最終導致orf355蛋白的積累和敗育。

相關成果發(fā)表在Molecular Plant 上，（DOI:10.1016/j.molp.2020.07.002），研究員陳化榜組前助理研究員肖森林為第一作者，陳化榜、研究員北京市農林科學院趙久然為共同通訊作者。相關工作得到國家自然科學基金、國家轉基因重大專項的支持。

（來源：遺傳與發(fā)育生物學研究所）

遺傳發(fā)育所大豆基因組研究獲進展

基因組學是生命科學研究的核心基礎。傳統(tǒng)的基因組學研究是將不同堿基以線性的形式存儲于染色體上，且多基于一個參考基因組來獲取一個物種的基因信息。由于一個物種中不同個體間存在遺傳變異，線性基因組不能同時體現不同個體的遺傳變異情況，這極大地限制了不同個體遺傳變異的鑒定和分析。構建囊括一個物種所有遺傳信息的新型存儲形式的泛基因組已成為當前基因組學研究的重要任務和前沿挑戰(zhàn)。

近日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所田志喜等科研團隊取得了大豆泛基因組的最新研究進展。該項成果突破傳統(tǒng)線性基因組的存儲形式，在植物中首次實現了基于圖形結構基因組(graph-based genome)的構建，將引領全新的下一代基因組學研究思路和方法，被審稿人稱為“基因組學的里程碑工作”。

大豆馴化起源于中國，隨后廣泛傳播于世界各地，為人類提供了主要的植物油料和蛋白資源，是重要的糧食經濟作物。我國大豆需求量大，而消費對外依賴嚴重。因此，加強大豆研究，提高大豆生產能力迫在眉睫。高質量參考基因組是作物育種基礎研究和應用研究的前提基礎。前期，科研團隊完成了大豆品種─“中黃13”黃金版大豆參考基因組的組裝和注釋(Shen et al.， Science China Life Sciences， 2018； Shen et al.，Science China Life Sciences，2019)。然而，研究團隊在對大豆種質資源的深度重測序和群體遺傳學分析中發(fā)現，不同大豆種質資源之間存在較大的遺傳變異，單一或少數基因組不能代表大豆群體的所有遺傳變異（Zhou et al.，Nature Biotechnology，2015；Fang et al.，Genome Biology，2017）。大豆基礎研究和分子設計育種亟需能夠代表不同大豆種質材料的全新基因組資源。

為此，研究團隊聯(lián)合遺傳發(fā)育所研究員梁承志和朱保葛研究團隊，中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心、中科院院士韓斌團隊，上海師范大學教授黃學輝團隊以及北京貝瑞和康生物技術有限公司相關人員，對來自世界大豆主產國的2898個大豆種質材料進行深度重測序和群體結構分析，挑選出26 個最具代表性的大豆種質材料，包括3 個野生大豆，9 個農家種和14 個現代栽培品種。研究團隊利用最新組裝策略，對26個大豆種質材料進行了高質量的基因組從頭組裝和精確注釋，contig N50 平 均 長 度 達 22.6 Mb， scaffold N50 平均長度達51.2 Mb。在此基礎上，結合已經發(fā)表的中黃13、Williams 82 和 W05 基因組，開展了系統(tǒng)的基因組比較，構建了高質量的基于圖形結構泛基因組，挖掘到大量利用傳統(tǒng)基因組不能鑒定到的大片段結構變異。經深入分析發(fā)現，結構變異在重要農藝性狀調控中發(fā)揮重要作用，例如，HPS 基因的結構變異調控大豆種皮亮度變化；野生與栽培大豆CHS基因簇的結構變異是導致種皮顏色由黑色向黃色馴化的主要原因；Soy-ZH13_14G179600 基因結構變異導致了其在不同種質材料中基因表達的差異，可能與調控大豆缺鐵失綠癥有關。此外，研究還鑒定到15個結構變異導致了不同基因間的融合，這為新基因的產生研究提供了重要線索。此高質量圖形結構泛基因組的構建不僅本身具有重要的理論意義和應用價值，同時為過去已經開展的大量重測序數據提供了一個全新的分析平臺，將使得這些數據獲得“第二次生命”。

上世紀60 年代，以降低農作物株高、半矮化育種為特征的第一次“綠色革命”，使得全世界水稻和小麥產量翻了一番，解決了溫飽問題。“綠色革命”是近現代史上最重要的農業(yè)歷史事件之一。然而在過去的60年里，大豆平均單產相對其他主糧作物而言尚無明顯突破，大豆生產亟需“綠色革命”。本次泛基因組研究所選用的大豆種質材料不僅在遺傳多樣性上具有代表性，且具有重要的育種和生產價值。其中滿倉金、十勝長葉、紫花4 號等種質材料作為骨干核心親本已各自培育出了上百個優(yōu)良新品種：黑河43、齊黃34、豫豆22、皖豆28、晉豆23、徐豆1號等品種是各個大豆主產區(qū)推廣面積最大的主栽品種。該基因組和相關的2898 份種質材料遺傳變異的發(fā)布為大豆研究提供了重要的資源和平臺，將推進大豆分子設計育種，助力實現大豆“綠色革命”。

相關研究結果以Pan-genome of wild and cultivated soybeans 為題在線發(fā)表于《細胞》雜志上。田志喜研究組博士生劉羽誠、梁承志研究組博士生杜會龍為該論文的第一作者，田志喜為論文通訊作者，梁承志為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金委和中科院的資助。

（來源：遺傳與發(fā)育生物學研究所）

分子植物卓越中心水稻基因打靶技術研究獲進展

中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員朱健康領銜的研究團隊，在植物基因組編輯領域再次取得重要進展。研究人員采用修飾后的DNA片段作為供體，在水稻上建立了一種高效的片段靶向敲入和替換技術，高至50%的靶向敲入效率將極大地方便植物的研究和育種。7 月6日，相關研究成果在線發(fā)表在Nature Biotechnology上。

近年來，CRISPR/Cas介導的植物基因組定點編輯技術在農作物基因功能研究和精準育種中發(fā)揮了重要作用，展現了廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊Ｈ欢?，CRISPR/Cas介導的植物基因組定點敲除技術只能在基因組特定位點產生隨機插入和刪除，精準的片段插入和替換的效率一直很低，限制了其在植物研究和育種上的應用。因此，迫切需要建立更高效的植物基因組片段插入和替換技術體系。

植物基因組編輯是朱健康研究組的重點研究領域，近年來獲得了一系列的進展。作為該領域的難題，片段的靶向敲入和替換是科研人員的重要研究目標，并圍繞這一目標努力。在建立了病毒介導的同源重組（HDR）和各類單堿基編輯技術等多種方法的同時，科研人員開始嘗試在供體DNA片段上尋找突破點，以克服現有方法效率低、應用范圍窄等缺陷。核酸修飾在人的RNAi療法和核酸疫苗等醫(yī)學領域有廣泛的應用。朱健康研究組通過嘗試，發(fā)現將供體片段同時進行硫代修飾和磷酸化修飾后，能增強CRISPR/Cas9引導的靶向敲入效率。研究團隊先后在14 個基因位點上靶向敲入了各類調控元件，包括翻譯增強子、轉錄調控元件，甚至整個啟動子，供體片段最長達2049bp。通過對1393株各類T0代基因編輯水稻植株的分析發(fā)現，該方法的敲入效率可高達47.3%，平均效率為25%。高效的敲入效率甚至可以同時在四個位點上實現多基因靶向敲入。可以預計，該技術的建立將使靶向敲入成為一項和靶向敲除一樣的常規(guī)實驗，并被各個植物研究和育種單位廣泛應用。

在此基礎上，朱健康研究團隊又設計了一種片段精準替換的策略，稱之為重復片段介導的同源重組（TR-HDR）方法。常規(guī)的HDR 頻率極其低下，研究人員在前期的實驗中發(fā)現，基因組上串聯(lián)重復片段間的HDR 頻率非常高。利用這一現象，通過將修飾的片段靶向敲入至目標位點后，人為制造這種串聯(lián)重復結構，誘導TR-HDR去實現片段替換。采用該技術，在五個基因位點上實現了片段替換和原位的Flag 標簽蛋白的精準融合，效率最高達到了11.4%。這一技術突破將有助于植物學研究，并促進農作物定向遺傳改良的進程。

朱健康是論文的通訊作者，副研究員陸鈺明和博士生田益夫為論文的共同第一作者。研究工作得到中科院相關經費的資助。

（來源：分子植物科學卓越創(chuàng)新中心）

東北地理所等在利用基因編輯技術改良水稻品質方面取得進展

近年來，人們對稻米品質的要求越來越高，口感好、食味佳的長粒香米更易受到消費者青睞。傳統(tǒng)的育種主要是通過雜交和回交選育，試驗周期漫長。與傳統(tǒng)育種相比，通過基因編輯技術，可以針對多個品質性狀，高效而快速的改良稻米品質，加速優(yōu)質水稻品種的選育進程。

稻米食味品質主要由直鏈淀粉含量決定，適當的降低直鏈淀粉含量，可以顯著提高食味品質，水稻直鏈淀粉由Wx 編碼的淀粉顆粒結合淀粉合成酶控制，在自然界中，天然的低直鏈淀粉基因資源非常少，需要創(chuàng)造新的低直鏈淀粉種質資源。研究人員利用CBEs 堿基編輯器，針對Wx基因構建三個不同靶點的堿基編輯載體PBE-TS1、PBE-TS2和PBE-TS3，轉入粳稻品種日本晴中，獲得了Wxm5等7個突變體，其表觀直鏈淀粉含量均低于日本晴，連續(xù)分布于1.4%-11.9%之間，其中靶位點 TS2 創(chuàng)造的 Wxm6、Wxm7 和Wxm10 材料的直鏈淀粉含量降低2-4%，但稻米幾乎完全透明，不影響稻米的外觀品質。在此基礎上，研究人員對黑龍江省種植面積最大的粳稻品種綏粳18等材料的TS2位點進行堿基編輯，所獲得的多個編輯材料，直鏈淀粉含量都下降大約2%-4%，說明即使遺傳背景不同，相同基因型突變體表觀直鏈淀粉含量變化趨勢是一致的。綜上所述，該研究通過對基因編碼區(qū)的單堿基編輯成功實現了直鏈淀粉含量的連續(xù)變異，為精準、快速改良水稻品質提供了新思路。

此外，針對東北稻米市場對長粒香米的迫切需求，利用基因編輯技術同時編輯粒型基因（GS3和GS9）及香味基因Badh2三個靶基因，在一年之內，可將普通圓粒品種改良為長粒香型品種，加快了長粒香米的育種進程。

以上成果分別由中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所卜慶云團隊與江蘇省農科院楊杰團隊、中科院遺傳與發(fā)育研究所高彩霞團隊、東北農業(yè)大學教授鄒德堂和吳秀菊等合作完成，相關研究成果分別發(fā)表于Plant Biotechnology Journal，Rice Science與《中國水稻科學》雜志。東北地理所水稻分子育種學科組助理研究員李秀峰和研究員卜慶云分別為論文的共同第一作者和共同通訊作者，相關工作得到了科學技術部轉基因專項和黑龍江省自然科學基金的資助。

（來源：東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所）

研究發(fā)現合成八倍體雄魚性別決定系統(tǒng)與有性生殖能力的重新獲得

6月10日，中國科學院院士、中科院水生生物研究所研究員桂建芳團隊在SCIENCE CHINA Life Sciences（《中國科學：生命科學》英文版），在線發(fā)表題為Regain of sex determination system and sexual reproduction ability in a synthetic octoploid male fish的論文。

多倍化對物種的形成和進化起著至關重要的作用。與多倍體廣泛存在的植物相比，脊椎動物中的多倍體非常罕見，現今脊椎動物中發(fā)現的少量多倍體一般通過單性生殖方式而演化形成。然而，多倍體如何突破生殖瓶頸獲得單性生殖能力和其性別決定系統(tǒng)及其生殖方式如何轉移和轉換尚不清楚。多倍體鯽復合種包含有行兩性有性生殖的四倍體鯽（Carassius auratus）和行單性雌核生殖的六倍體銀鯽（Carassius gibelio）。銀鯽已被揭示是由含有100 條染色體的四倍體鯽再次發(fā)生一次額外的同源多倍化演化而來，含有150 多條染色體；早期研究還發(fā)現，它在行單性雌核生殖的過程中還具有整合外源基因組從而形成更高倍性的合成多倍體的潛能。這些四倍體鯽、六倍體銀鯽和倍性更高的合成多倍體是研究多倍化后生殖方式轉換和性別決定系統(tǒng)轉移的理想研究模型。

近五年來，桂建芳團隊將有性生殖四倍體鯽的精子整合到雌核生殖六倍體銀鯽的卵子中，產生一個人工的合成八倍體群體。這些合成八倍體含有200多條染色體，其中50條染色體來自于四倍體鯽父本。重要的是，父本四倍體鯽中的X/Y 性染色體及其性別決定系統(tǒng)也隨之整入，導致合成八倍體形成了1:1 的雌雄性比。研究發(fā)現，部分合成八倍體雄魚恢復了育性，特別是其中有一尾雄性合成八倍體完全獲得了與四倍體鯽雄魚相同的有性生殖能力，表現出減數分裂完成，整倍體精子產生，與四倍體鯽雌魚交配胚胎發(fā)育正常，具有類似于四倍體鯽胚胎的基因表達模式，更為重要的是，這些胚胎還能產生性比為1:1且性染色體組成為♀XXX 和♂XXY 的合成六倍體群體。這些發(fā)現不僅為脊椎動物多倍化后性別決定系統(tǒng)轉移和生殖方式轉換提供了一個典型事例，還為銀鯽的多倍化育種提供了理論和技術支撐。

該研究由博士研究生魯蒙、副研究員李熙銀、副研究員王忠衛(wèi)等完成，通訊作者為桂建芳、王忠衛(wèi)和李熙銀。研究得到國家自然科學基金重點項目和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目的支持。

（來源：水生生物研究所）

動物所發(fā)現動物食糞行為通過影響腸道菌群調控其能量代謝和認知行為

食糞行為（coprophagy）是指動物取食糞便的行為，包括取食自己的糞便和其它動物的糞便（種內、種間），可對營養(yǎng)物質進行重吸收，還可為動物提供必需氨基酸、維生素B、維生素K 等，許多小型哺乳動物以此滿足自身對營養(yǎng)的需求。此外，食糞行為還可幫助食草動物獲取必要的腸道菌群，保持腸道菌群的多樣性和功能。

近日，中國科學院動物研究所王德華研究組揭示小型哺乳動物布氏田鼠（Lasiopodomys brandtii）的食糞行為對腸道菌群和記憶認知的影響，發(fā)現食糞行為可通過改變腸道菌群而調控能量代謝和認知行為。

棲息在內蒙古典型草原區(qū)的布氏田鼠屬于嚴格的植食性小型嚙齒動物，具有發(fā)達的盲腸、結腸，以及結腸分離機制和規(guī)律性的食糞行為。為探究食糞行為如何影響宿主的腸道菌群并產生何種生理效應，該研究給布氏田鼠佩戴塑料脖套（防止動物的口接觸肛門）、在鼠籠底部增加鐵絲網，以限制布氏田鼠的食糞行為。測定布氏田鼠腸道微生物群落結構、能量代謝和認知能力的變化發(fā)現，禁止食糞行為降低了田鼠腸道菌群的α多樣性，改變了細菌的豐富度，擬桿菌門（Bacteroidetes）增加而厚壁菌門（Firmicutes）降低。當恢復動物的食糞行為后，其腸道菌群的結構和組成也隨之恢復。

進一步研究發(fā)現，限制食糞行為會導致動物的很多生理特征的變化，如食物攝入量增加，但體重降低，盲腸內容物短鏈脂肪酸含量降低（尤其是乙酸、丙酸和丁酸）、胃饑餓素增加，甲狀腺激素T3水平、下丘腦和海馬體中酪氨酸羥化酶含量以及多巴胺和5-羥色胺等神經遞質含量下降。研究還發(fā)現，限制食糞行為會影響動物的認知行為，通過對田鼠的記憶和認知水平進行一系列實驗測定（如Y-迷宮、異物識別、個體識別）發(fā)現，限制食糞行為后田鼠的認知能力會受到損傷。

為確定限制食糞行為引起布氏田鼠記憶和認知水平的下降是否與腸道菌群有關，該研究給限制食糞行為的動物補加乙酸鹽（一種腸道菌群的主要代謝產物），發(fā)現可明顯改善布氏田鼠由于限制食糞行為而引起的認知障礙，下丘腦和海馬體中神經遞質的含量也隨之增加。

該研究以布氏田鼠的食糞行為為核心，首次將食糞行為與腸道菌群和動物的認知水平聯(lián)系起來，發(fā)現動物通過食糞行為可補充腸道菌群，保持田鼠核心菌群的穩(wěn)定，增加代謝產物和維持動物的能量平衡，有利于動物維持正常的記憶和認知水平。

相關成果以Coprophagy prevention alters microbiome， metabolism， neurochemistry and cognitive behavior in a small mammal 為題發(fā)表在The ISME Journal 上，動物所農業(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薄亭貝、副研究員張學英為第一作者，研究員王德華為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金資助。

（來源：動物研究所）