遺傳發(fā)育所等發(fā)現(xiàn)水稻穗子大小調(diào)控的機(jī)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(xué)界尚不清楚調(diào)控水稻穗子大小和穗粒數(shù)的分子機(jī)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(jī)制對水稻高產(chǎn)育種具有重要意義。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李云海團(tuán)隊(duì)、研究員姚善國團(tuán)隊(duì)和中國水稻所院士錢前團(tuán)隊(duì)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(jī)制。李云海團(tuán)隊(duì)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(jī)制（Lyu et al., 2020, Plant Cell）。近期，有研究團(tuán)隊(duì)解析了LARGE2基因調(diào)控水稻穗子大小和穗粒數(shù)的機(jī)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(dǎo)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(xì)胞學(xué)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(jié)構(gòu)域的E3泛素連接酶。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，LARGE2與穗粒數(shù)調(diào)控關(guān)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(jī)制，為水稻高產(chǎn)育種提供了理論基礎(chǔ)和基因資源。

相關(guān)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(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)、國家自然基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)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(guān)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(xué)問題。甲狀腺激素是由甲狀腺細(xì)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(jìn)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(jī)能亢進(jìn)）或甲減（甲狀腺機(jī)能減弱）疾病，遺傳、藥物、長期應(yīng)激等是形成甲亢的主要因素，發(fā)病率較高且難以治療。關(guān)于甲狀腺激素調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)熱的作用機(jī)制，已有研究認(rèn)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(xì)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(guān)從而導(dǎo)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(jī)制，并為認(rèn)識甲狀腺疾病的成因和治療方法提供科學(xué)依據(jù)。

3 月17 日，中國科學(xué)院動物研究所王德華研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)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(dǎo)聚群行為產(chǎn)熱的能量節(jié)省機(jī)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(rèn)知行為（The ISME Journal，2020），進(jìn)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(yīng)性產(chǎn)熱的機(jī)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(yīng)研究領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(guān)分析顯示這些菌屬與甲狀腺素代謝密切相關(guān)；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(jìn)肝臟中碘甲腺原氨酸脫碘酶II（DIO2）表達(dá)，提高T3 和T4的代謝周轉(zhuǎn)速率，促進(jìn)甲亢動物代謝率和體溫的恢復(fù)。

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(yù)措施。動物所農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室動物生理生態(tài)學(xué)研究組博士研究生Saeid Khakisahneh、副研究員張學(xué)英為論文的共同第一作者，研究員王德華、副研究員張學(xué)英為論文的共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)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(hù)性耕作對作物產(chǎn)量的調(diào)控研究中獲進(jìn)展

保護(hù)性耕作是我國北方糧食產(chǎn)區(qū)應(yīng)對干旱的積極應(yīng)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(jié)合起來分析保護(hù)性耕作對自然干旱的綜合響應(yīng)。中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組以保護(hù)性耕作長期定位試驗(yàn)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(hù)性耕作的影響及其應(yīng)對干旱的適應(yīng)機(jī)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(jié)構(gòu)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(xì)菌等間接影響碳排放效率。另外，運(yùn)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(hù)性耕作）是東北地區(qū)連作玉米抗旱的積極應(yīng)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(guān)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(xué)基金和中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)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(yīng)及育種研究中獲進(jìn)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(xué)效應(yīng)（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(yīng)用較多，并且產(chǎn)生了較好的誘變效果，但在大豆上應(yīng)用的相關(guān)報道較少。

中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員張秋英團(tuán)隊(duì)與中科院近代物理研究所合作，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS 計(jì)劃）和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助下，以不同劑量碳離子束輻照大豆種子構(gòu)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(yīng)，并以Seq-BSA混池測序結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序的方法進(jìn)一步對篩選獲得的特異性大豆卷葉短葉柄突變體（rlsp1）進(jìn)行了分子機(jī)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(jié)合表型變異、生理指標(biāo)、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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，葉柄韌皮部結(jié)構(gòu)的異常發(fā)育、生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的抑制、微管和碳水化合物代謝的相關(guān)途徑與rlsp1的形成密切相關(guān)，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(rèn)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(guān)鍵候選基因。該研究對促進(jìn)碳離子束輻照誘變在大豆育種中的應(yīng)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(jī)理研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用碳離子束輻照誘變育種和雜交育種結(jié)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(zhuǎn)讓給企業(yè)銷售，在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用推廣，明顯提高了農(nóng)民經(jīng)濟(jì)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(jìn)作用。

該研究結(jié)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(jī)理研究中取得進(jìn)展

土壤鹽漬化是普遍存在并備受關(guān)注的環(huán)境問題之一。我國鹽堿地面積高達(dá)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(jī)理，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有重要意義。

中國科學(xué)院武漢植物園草坪草與牧草分子育種學(xué)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(jìn)行系統(tǒng)評價。科研人員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(jī)理進(jìn)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(jìn)一步對抗氧化酶系統(tǒng)和光和系統(tǒng)進(jìn)行比較研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下耐鹽種質(zhì)活性氧誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷較輕，且具有更高的光合效率。以上結(jié)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(zhuǎn)運(yùn)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(zhuǎn)運(yùn)能力更強(qiáng)，據(jù)此推測，吸收更少的鈉離子，并抑制其向地上部分的轉(zhuǎn)移是‘Abundant’耐鹽機(jī)理之一。此外，從代謝水平比較分析‘Abundant’的耐鹽機(jī)理，共鑒定到包括氨基酸、有機(jī)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(jī)制提供了基本信息。

相關(guān)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(xué)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(jìn)會、國家自然科學(xué)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(jìn)展

膜下滴灌技術(shù)可改善農(nóng)田土壤水熱條件并實(shí)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(yīng)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(guān)注的關(guān)鍵問題。

近日，中國科學(xué)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(yùn)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(zhuǎn)運(yùn)。該研究可為膜下滴灌玉米的氮素管理提供指導(dǎo)，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(guān)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(dǎo)科技專項(xiàng)和國家自然科學(xué)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(guān)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(xué)Evolution et Di?versité Biologique（EDB）實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)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(shí)驗(yàn)室組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種新的生物多樣性指標(biāo)，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(guān)研究成果發(fā)表在Science上。法國圖盧茲第三大學(xué)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(qiáng)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(guān)系較遠(yuǎn)，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(shè)形成的環(huán)境威脅尤為嚴(yán)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(yīng)對全球變化的響應(yīng)能力。此外，該研究還強(qiáng)調(diào)了許多瀕危魚類在受人類嚴(yán)重影響的河流中面臨不斷滅絕的風(fēng)險，已危及淡水生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。

(來源：水生生物研究所)