植物最新研究进展

2021-04-02

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1 2020中国农业科学十大进展

2020年11月20日中国农业农村科技发展高峰论坛暨中国现代农业发展论坛在南京举办。论坛上发布了《2020中国农业科学重大进展》。其中共发布10项能够充分代表2019年我国农业科技前沿研究水平、取得重大突破性进展的基础科学研究成果。这些重大科研进展涵盖基因编辑技术在农业上的应用、替加环素新型耐药基因、非洲猪瘟病毒结构解析、土传病真菌和农业氮素管理等研究领域。项目主要由中国农大，中国农科院，南京农大，中科院，清华，上海交大等单位完成。这些成果将有力促进相关应用技术研究，进而保障我国粮食安全、生物安全、“舌尖上”安全和农业可持续发展。

十项农业科学研究成果具体如下(排名不分先后)：

1.利用大刍草挖掘玉米密植增产基因。该研究由中国农业大学田丰团队主导，首次从玉米野生种大刍草中克隆了控制玉米紧凑株型、密植增产的关键基因，建立了玉米紧凑株型的分子调控网络。该研究为玉米理想株型分子育种、培育耐密高产品种提供了基因资源和理论基础。

2. 利用基因编辑技术实现杂交稻自留种。该研究由中国农科院水稻研究所王克剑团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所等单位合作，借助基因编辑技术将杂交稻中4个生殖相关基因敲除后，成功将无融合生殖特性引入到杂交稻当中，从而实现杂合基因型的固定。该研究首次在杂交稻中实现了杂交水稻无融合生殖从0到1的突破，为解决杂交种制种繁、留种难的行业难题提供了有效途径。

3. 发现黄瓜分枝调控新基因。该研究由中国农业大学张小兰团队主导，发现侧枝调控新基因(CsBRC1)，通过直接抑制生长素输出基因的功能，促使黄瓜侧芽中的生长素积累，从而抑制黄瓜侧枝的生长发育。该研究阐明了生长素和侧枝调控基因之间的直接联系，为调控侧枝的生长、促进黄瓜高效生产提供了新策略。

4.建立高杂合物种单倍型基因组组装的新方法。该研究由南京农业大学张绍铃团队主导，完成了梨花粉单细胞测序，自主开发了“条形-编码”(Bar-coding)的单倍型基因组组装技术，成功组装了高杂合梨两套单倍型基因组。该研究为复杂物种基因组的单倍型基因组组装及等位基因分析提供有效方法，推动植物基因组学的研究。

5.揭示反刍动物的进化及其独特性状的分化机制。该研究由西北工业大学王文团队主导，通过大尺度、跨物种、多组学大数据分析与实验的研究思路和手段，阐明了长期有争议的反刍动物进化关系和历史，解析了反刍动物复杂性状的遗传基础。该研究阐明了反刍动物多样性形成、演化和极端环境适应的分子机制，对牛羊品种选育、人类再生和癌症医学的研究具有重要启示。

6.发现两种可转移替加环素高水平耐药新基因。该研究由中国农业大学沈建忠院士团队联合江苏农科院王冉团队，发现了两种新可转移高水平替加环素耐药新基因tet(X3) 和tet(X4)，揭示了替加环素耐药机制，该研究为后续新药设计和研发指明了方向。

7.解析非洲猪瘟病毒三维结构。该研究由中国科学院生物物理研究所王祥喜/饶子和团队和中国农业科学院哈尔滨兽医研究所步志高团队等单位合作，采用单颗粒三维重构的方法，首次解析了非洲猪瘟病毒全颗粒的三维结构，阐明了非洲猪瘟病毒独有的5层结构特征，揭示了病毒的组装机制，该研究为开发效果好、安全性高的非洲猪瘟新型疫苗奠定了坚实基础。

8.编辑感病基因培育抗白叶枯病水稻。该研究由上海交通大学陈功友研究团队主导，利用基因编辑技术，同步编辑水稻3个感病基因，获得了具广谱抗性的水稻新种质，能有效抵御水稻生产的头号细菌“杀手”白叶枯病害。该研究通过编辑多个感病基因，攻克了水稻传统抗病育种周期长、抗性易丧失的技术瓶颈，开辟了作物抗病育种的新途径。

9.解密土传病原真菌的强致病性。该研究由中国科学院微生物研究所郭惠珊团队主导，通过生化和双遗传试验，发现了土传病原真菌分泌几丁质脱乙酰酶、消除免疫原活性，成功规避植物免疫反应，表现出强大的致病性。该研究破解了土传病原真菌逃避植物寄主免疫反应的谜团，为深入解析土传病原真菌致病机理、开展靶向防控提供了分子基础。

10.构建我国氮排放安全阈值定量评估新方法。该研究由清华大学喻朝庆团队主导，首次探明了全国农业生产、氮排放和水环境质量的演化关系，量化了省级和全国尺度的氮排放安全阈值及超排量，明确了恢复水质的定量化管理目标。该研究解决了氮排放安全阈值研究缺乏可靠的定量评估方法问题，为中国氮素的安全管理与制定可持续发展战略提供了科学支撑。

2 转录因子MYB61促进氮利用和提高水稻产量的分子机制

2020年10月15日，中国科学院遗传与发育生物学研究所、植物基因组学国家重点实验室周奕华研究组与中国水稻所钱前院士团队及扬州大学刘巧泉教授团队合作在Nature Communications发表了题为“MYB61 is regulated by GRF4 and promotes nitrogen utilization and biomass production in rice”的研究论文。该研究揭示了转录因子MYB61促进氮利用和提高水稻产量的分子机制。

氮素是促进植物生长的重要营养元素，对保障农作物高产极为关键。而植物生长的直观体现为生物量的积累。植物吸收氮素后通过氮同化等一系列代谢过程，生成核酸、蛋白等大量功能元件以满足光合作用及生长所需。光合作用固定CO2生成碳水化合物，其中70%以上转化为纤维素等结构多糖用于植物体自身的生长发育，进而促进氮素吸收与利用等生理过程。植物碳-氮代谢如何协同长期备受关注，但纤维素合成与氮代谢直接的分子联系仍鲜有报道。另一方面，氮肥过度施用常引发环境污染，威胁农业可持续发展。提高农作物氮利用效率是解决这一难题的重要方向。从纤维生物质调控促进氮高效入手，可为当前农业‘减施增效’改良提供新的视角。

研究人员利用正向遗传学手段发现水稻中控制纤维素水平的QTL-qCel1与氮利用效率的QTL-qNLA1共定位，基因克隆将其确定为同一个基因、即转录因子MYB61。遗传学及分子生物学实验发现，MYB61基因的启动子区在日本晴中存在一个helitron转座子插入，是导致其转录水平低于不含此插入的籼稻9311等位的主要原因；此自然变异造成了粳稻日本晴和籼稻9311在纤维素合成水平及氮利用效率上的差异。深入研究发现，MYB61的转录可被低氮诱导，并受氮代谢关键控制因子GRF4的调控。GRF4可以直接结合在MYB61基因的启动子区，增强MYB61的表达；而helitron转座子插入下调其表达。GRF4功能获得型及功能缺失型突变体表现出纤维素合成水平改变的表型，表明GRF4-MYB61调控模块整合了控制纤维素合成水平和氮利用效率的作用通路。而且，MYB61存在籼粳分化，启动子区的helitron转座子插入仅在粳稻中被检测到。田间测试证实，籼稻形式的MYB61可提高纤维素合成水平及氮利用效率，将9311形式的MYB61导入多个粳稻品种均表现出增产效应，且在低氮情况下增产效果尤为明显。因此，该项研究揭示了碳-氮代谢的直接分子联系、鉴定了整合碳-氮代谢的关键节点，为提高水稻等农作物的氮利用效率及实现农业生产‘减施增效’提供了分子工具和新途径。

3 广州大学孔凡江课题组发表大豆光周期开花调控途径综述论文

JIPB近日在线发表了广州大学孔凡江课题组题为“Molecular mechanisms for the photoperiodic regulation of flowering in soybean”的综述论文，系统总结了大豆光周期开花途径中的基因、大豆对长日照的适应性和短日照的适应性、综述了大豆光周期开花途径是以E1为核心的一条有别于拟南芥和水稻光周期开花途径的通路，最后提出了该领域今后的研究方向。

大豆(Glycine max)作为世界上主要作物之一，是人类重要的蛋白和油脂来源。大豆是一种对光周期特别敏感的作物，光周期开花调控影响着大豆产量，单一品种的大豆种植只能局限在一定的纬度范围。从1920年，Garner和Allard两位先驱发现大豆的光周期开花开始，距今正好100年。在这100年间，从利用经典正向遗传学定位，到最近几年利用基因组测序以及反向遗传学的研究，找到了一系列调控大豆光周期开花的基因，它们之间的调控关系也不断被明确。

图1 大豆光周期开花调控途径

大豆起源于中国，是一种典型的短日照植物，现在广泛种植于北纬53度到南纬35度之间。在高纬度地区，夏季种植时间较短，大豆需要提早开花以在冬季来临前收获，这需要大豆的对长日照的光周期的敏感性降低。而在低纬度地区，短日照会促进大豆提早开花，则需要尽量延长大豆的开花时间来保证足够高的产量。一系列的光周期开花基因在这其中起作用，使得大豆在不同的光周期条件下都能达到产量最大化。该论文综述了大豆光周期调控的分子途径(图1)，对深入理解大豆光周期开花适应性具有重要意义，指导未来的大豆分子设计育种。

孔凡江课题组讲师林晓雅博士为该论文的第一作者，孔凡江教授为通讯作者。广州大学刘宝辉教授，日本北海道大学Jun Abe教授和澳大利亚塔斯马尼亚大学的James L. Weller教授也参与了论文的写作。孔凡江课题组近年来在大豆光周期研究中取得了一系列进展，揭示了大豆在长短日照下的适应性基础，在高水平杂志上Nature Genetics(2017、2020)、Plant Physiology(2010)等发表了多篇论文。该研究得到了国家杰出青年科学基金项目、国家基金重点项目和亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室的资助。(引自植物科学最前沿)

4 山东农业大学让玉米基因编辑研究更具针对性

日前，山东农业大学农学院李平华教授与香港中文大学农业生物技术国家重点实验室钟思林教授、美国康奈尔大学基因组多样性研究所Edward Buckler教授及María Katherine Mejía-Guerra博士合作，探索出高通量研究玉米转录因子调控位点的新技术，利用大规模转录因子数据重新构建了玉米叶片基因表达调控网络，使玉米基因编辑不再“大海捞针”。2020年10月9日，相关研究成果发表于国际顶级综合性学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)。

玉米是世界范围内的重要农作物，是我国种植面积最大、总产量最多的粮食作物，抓好玉米生产对确保我国谷物基本自给、保障国家粮食安全具有重要作用。叶片是保证玉米产量的重要器官，研究玉米叶片表达相关转录因子，解析其调控机制和网络，对玉米遗传改良具有重要意义。

根据作物生物学国家重点实验室李平华教授(论文通讯作者之一)介绍，转录因子在动植物生长发育及其对外界环境的反应中起着重要作用，是调控基因表达的最关键因子之一，也是生物学研究领域的焦点和热点。真核细胞内部的转录调控网络由转录因子的组合作用所决定，但业内对植物中转录因子的结合研究较少，因此，目前对这种复杂的网络仍知之甚少。(引自中国生物技术网)

该研究成果首次在玉米中全面解析了叶片表达转录因子的结合位点，构建了玉米叶片转录调控网络，分析了转录因子结合位点对叶片形态、吐丝开花等农艺性状的影响，解析了其在物种进化中的保守性和变化，提出了转录因子共结合是影响植物转录调控特异性的关键因素的新观点。

玉米叶片转录因子调控网络的构建

该研究推动了植物界对植物基因转录起始调控的认识，使得遗传学及育种学专家可以有目的地对基因调控位点进行改造，编辑和创制新的基因调控位点，训练机器学习模型来预测转录因子结合和共定位，建立智能组合优良等位基因，丰富基因多样性。同时，为世界玉米基础研究提供了第一手资料，也为玉米种质资源创新提供了新思路和新方法，有利于实现智能、高效、定向培育新品种，促进作物育种学科向更高层面发展。

来源：山东农大报作物生物学国家重点实验室

5 一种30秒内完成DNA提取的方法

介绍一种30秒内完成提取DNA的快速方法。该方法是来自澳大利亚昆士兰大学的研究人员发表在PLoS Biology上的题为“Nucleic acid purification from plants, animals and microbes in under 30 seconds”的论文，开发了一种新的核酸提取方法，利用滤纸可以在30秒内从植物、动物和微生物中快速的完成核酸的提取和纯化。

步骤如下：

1.将植物叶片浸入到含有500μL裂解液(20 mM Tris [pH 8.0], 25 mM NaCl, 2.5 mM EDTA, 0.05% SDS)和钢珠的试管中，磨碎。

2.将滤纸条浸入到上一步粗提液中蘸三次，以便结合核酸。

3.去掉杂质，将上一步的试纸条浸入到清洗液中(10 mM Tris [pH 8.0], 0.1% Tween-20)3次。

4.把上一步试纸条浸入到扩增反应液中3次，将核酸洗脱下来，大约3秒。

5.洗脱液作为PCR扩增的模板进行扩增。