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今年以来国内植物/农学领域已发表11篇CNS!一天2篇Science和1篇Nature

2023/3/14 9:59:15  阅读:124 发布者:

2023310日,Science 在线online新的一期文章,其中有两篇来自国内农学领域的文章,分别是来自南科大生科院杜嘉木课题组文章和来自中国科学院西双版纳热带植物园谭垦团队的封面文章。同时,Nature杂志在线发表了来自南方科技大学冯炼团队的封面文章。此外,Nature Biotechnology 杂志今天在线发表了来自中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组的文章,可谓是国内农学领域重要进展的一天!

值得注意的是,今年以来国内农学及植物科学领域已经发表了6Nature文章和4Science文章,1Cell文章,2Nature Genetics(【Nature封面】叹为观止!让种子自发钻土的“神器”,极大地简化播种方式;开门红!国内植物研究领域一天连发两篇Nature文章;爆发!国内农学领域两天内发两篇Nature1Science;云南农大首次以第一单位发表Science文章,推翻传统观点,揭开葡萄驯化的历史; 重磅!国内农学领域再发Cell文章; 爆发!国内植物领域一天发1Science2Nature Genetics),可见我国农学及植物科学研究进入到一个新的阶段,实现了爆发式的发展。具体分别是:

1. 2023310日,Nature Biotechnology杂志在线发表了题为“Tuning plant phenotypes by precise, graded downregulation of gene expression”研究论文,该研究基于之前研究基础,进一步开发了能够可预测地精细下调目标基因蛋白表达的新方法。

为了实现对目标基因的表达进行连续的梯度下调,本研究结合以上两种策略,分别在水稻的OsTCP19, OsTB1OsDLT基因的5UTR区域设计了一系列具有不同抑制能力的uORFs,瞬时系统的结果表明pORF的翻译水平被梯度地抑制到了原始水平的2.5-84.9%,实现了对基因的梯度敲降。OsDLT基因编码GRAS蛋白家族成员,参与了水稻油菜素内酯信号转导途径,调控水稻株高、分蘖数、种子大小等多个重要农艺性状。该研究中以OsDLT基因为靶标,通过编辑OsDLT基因的5UTR,获得了一组具有不同叶夹角、株高和分蘖数的突变体,且突变体的表型变化趋势与瞬时系统预测结果一致。

综上所述,该研究通过对uORF进行设计,开发了一种普适的可预测的精细下调基因表达的新方法,为未来的分子设计育种提供了重要的技术手段。相关研究成果于202339日在线发表于Nature Biotechnology杂志(DOI:10.1038/s41587-023-01707-w)。高彩霞研究组博士后薛郴销为该论文的第一作者,高彩霞研究员为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划项目、中国科学院战略重点项目、中国农业农村部等的经费资助。

图:通过编辑uORF培育具有目标性状的水稻植株。(a, b)从头创制新的uORFs (a)或延伸内源uORFs (b)抑制目标基因的蛋白表达。(c)通过产生一系列具有不同抑制能力的uORFs梯度下调基因的表达。(d, e)含有uORFs变体的突变体对油菜素内酯的敏感性(d)和植株表型(e)

2. 2023310日,Science杂志在线发表了来自南科大生科院杜嘉木课题组题为“Structure and mechanism of the plant RNA polymerase V”的研究论文。该工作解析了最后一种结构未知的真核RNA聚合酶,Pol V,的功能机制,提出其通过滞留在染色质上而招募下游作用因子引起DNA甲基化和基因沉默的工作模型。

1. 真核生物中五类RNA聚合酶

Pol V在植物体内丰度非常低,不适宜于开展结构测定工作,研究人员经过多年的探索,在中科院院士曹晓风研究员的建议下,采用食用花菜作为原料纯化并解析了Pol V的高分辨率冷冻电镜结构。尽管整体结构与其他RNA聚合酶类似,Pol V在活性位点体现出独特的性质。在RNA聚合酶打开双链DNA底物的位点,Pol V的第二个亚基NRPE2利用一个酪氨酸卡在DNA双链打开的位置,阻滞了DNA的向前行进。酶活实验也证实DNA的转录在双链打开处有明显的转录停顿现象。此外,与大多数RNA聚合酶中非模版链DNA较为松散不同,Pol V中非模版链DNA被其NRPE2亚基紧密结合,NRPE2亚基如同转录的刹车板一样,阻滞转录的同时还增强了Pol V的转录回溯,与Pol II相比,造成强烈的RNA产物降解,如果破坏了Pol V与非模版链的互作,则可大大减弱这种回溯降解。因此,Pol V利用了多种机制,一方面阻碍转录的行进,另一方面增强回溯,造成了其转录产物在染色质上踟蹰不前,防止转录完成造成的染色质脱落,更好的行使了染色质定位的功能。

2. Pol V的整体结构

总体来讲,该工作解析了最后一种结构未知的真核RNA聚合酶,Pol V,的功能机制,提出其通过滞留在染色质上而招募下游作用因子引起DNA甲基化和基因沉默的工作模型。

南科大生命科学学院博士生谢国辉、高级研究学者杜璇和访问学者胡泓淼为该论文共同第一作者,南科大学为论文第一单位,杜嘉木为论文的通讯作者,加州大学洛杉矶分校院士Steven E. Jacobsen、中国科学院遗传发育所院士曹晓风和深圳大学教授李思思参与了课题。该工作得到了深圳市科创委、中国博士后基金会、国家自然科学基金及中科院的支持,冷冻电镜数据采集和质谱实验分别获得了南方科技大学冷冻电镜中心和分析测试中心的支持。

3. 2023310日,Science杂志在线发表了来自中国科学院西双版纳热带植物园谭垦团队题为“Social signal learning of the waggle dance in honey bees”的封面研究论文。该研究表明,社会学习改善了蜜蜂的“舞蹈语言”表达能力,幼教缺失影响蜜蜂舞蹈信息的准确性。该研究为昆虫的社会学习研究提供了一个崭新模式。

 太阳、蜂巢、蜜源间的角度关系及蜜蜂舞蹈图例

1. 创建全新蜂群模式:全幼蜂实验蜂群

研究人员采用一种全新的实验模式,先创建了一种全部由刚出房的幼蜂组成的蜂群。与在自然蜂群里成长的蜜蜂相比,幼蜂群中的蜜蜂在成长过程中缺失了向有经验的采集蜂学习表演舞蹈的机会,就像婴幼儿在成长初期丧失了跟成人学习和互动的机会。实验时,研究人员首先训练幼蜂群和自然蜂群准备出巢的采集蜂,在其访问距蜂巢150 米远的饲喂器时,对它们逐一标记。当这些被标记的采集蜂回巢开始跳舞时,用摄像机记录它们的舞蹈,对舞蹈的持续时间、角度、摇摆次数等多个指标进行数据采集、分析。通过比较幼蜂群和自然蜂群的同日龄蜜蜂的各项舞蹈指标,研究取得重要发现。

标记采集蜂和拍摄它们回巢后的舞蹈

2. 幼教缺失对蜜蜂舞蹈的准确性产生终身影响

研究结果表明,缺乏向有经验蜜蜂互动学习机会的幼蜂群表演的舞蹈存在明显的缺陷和误差。虽然蜜蜂舞蹈是一种与生俱来的行为,其舞蹈摆动角度(指示方向)的误差会随着采集经验的积累有所减少,但摆动时间(指示距离)的误差却始终不会改善。也就是说社会学习对蜜蜂“舞蹈语言”的传承有重要作用,幼教缺失导致蜜蜂舞蹈发展出新的“方言“”,并将终身保持。

实验蜂群(E19日龄的幼蜂, E230日龄的成蜂)和自然蜂群(C19日龄的幼蜂,C230日龄的成蜂)舞蹈表示方向的精准度ADirectional accuracy)、蜜源的距离BFood distance)、舞蹈的质量DDance quality)和舞蹈混乱比率(Divergency angle error vs.disorder)等指标的结果

3. 首次发现和证实成年蜜蜂的舞蹈具有教学作用

研究首次发现,成蜂的舞蹈具有教学作用,跟随成蜂学习能提高幼蜂舞蹈行为的准确性,社会学习塑造了蜜蜂的舞蹈语言。蜜蜂舞蹈就像人类、鸟类等脊椎动物的语言交流,新手向有经验的个体学习比它们自己独自摸索能更好地获得技能。研究同时证实,脑容量很小的无脊椎动物也具备“言传身教”的能力,相互交流和学习是蜜蜂社会取得成功的基石。该研究对探索人类和动物语言的起源和演化具有重要的科学启示。

中国科学院西双版纳热带植物园谭垦研究员团队与美国加州大学圣迭戈分校的James Nieh教授合作开展此项研究。研究结果以"蜜蜂舞蹈的社会信号学习(Social signal learning of the waggle dance in honey bees" 为题以封面文章发表在《科学》上,董诗浩助理研究员和林涛博士后为论文共同第一作者,谭垦研究员、James Nieh教授为共同通讯作者。该研究工作得到了中国科学院森林生态重点实验室和国家自然科学基金委的资助。

4. 近日,南方科技大学环境科学与工程学院副教授冯炼团队在Nature发表题为“Coastal phytoplankton blooms expand and intensify in the 21st century”的研究论文,并入选当期封面文章。该研究揭示了2003-2020年全球海岸带藻华的整体增加趋势,并量化了藻华发生频率与海表温度、海洋中尺度环流以及农业化肥施用、水产养殖等人类活动之间的潜在关系。

1. Nature封面

浮游植物是指在水中以浮游生活的微藻类,当大量藻类细胞聚集在一起时会形成藻华。海洋浮游植物藻华主要发生在营养盐水平较高的海岸带区域,当自然条件适宜时浮游植物会快速繁殖,改变海水颜色,这一现象也称为赤潮。浮游植物藻华暴发会危害海洋生态系统,例如海水水质恶化、水体缺氧、鱼类死亡,甚至能影响人类健康。目前,海洋赤潮已经成为危害海洋生态系统最严重的问题之一。然而,2021年联合国教科文组织政府间海洋学委员会(UNESCO-IOC)的报告指出,虽然现有数据表明海洋赤潮的暴发次数呈增加趋势,但这与历史观测频率不一致—特别是近年观测频次的显著增加有关。本研究通过利用卫星遥感长时序、周期性、大范围等观测优势,弥补了目前对全球海岸带藻华变化趋势的认知缺陷。

研究团队构建了基于叶绿素荧光与CIE颜色空间的藻华遥感自动分类算法,并利用2003-2020年间76万景日尺度MODIS卫星遥感数据,实现了全球海岸带藻华的一致性动态监测。结果显示,海岸带藻华频繁暴发于海洋东边界流区域、美国东北部沿海、拉丁美洲沿海、波罗的海、黑海北部以及阿拉伯海等区域(图2)。在研究覆盖的153个邻海国家中,126个国家的海岸带区域曾暴发过藻华。全球藻华影响海域总面积达3147km2,其中欧洲与北美洲占比最大,分别为952km230.3%)和678 km221.5%)。   

2. 2003~2020年间,全球海岸带浮游植物藻华分布图。a:基于MODISAqua遥感日尺度观测数据的全球年平均藻华发生次数空间分布图;b:基于全球和各大洲的藻华发生次数统计结果(SA:南美洲,AF:非洲,EU:欧洲,NA:北美洲,AS:亚洲,AU:澳大利亚);c:各大洲受藻华影响面积的多年平均统计结果。其中,百分比数字表示各大洲藻华面积在全球的占比。

20032020年间,海岸带藻华全球影响面积与发生频率分别增加了13.2%59.2%(图3)。在全球范围内,六大沿岸洋流系统的藻华频率增加最多,包括亲潮(+6.31% yr-1)、阿拉斯加洋流(+5.22% yr-1)、加那利洋流(+4.28% yr-1)、马尔维纳斯洋流(+3.02% yr-1)、湾流(+2.42% yr-1)和本格拉洋流(+2.30% yr-1)。在北半球低纬度(30°N以南)海域藻华呈减弱趋势,如加利福尼亚流、阿拉伯海等区域;墨西哥湾北部和中国东南沿海区域的藻华呈现出增强的趋势。在高纬度地区,藻华减弱的现象主要发生在北大西洋的东北部海域以及北太平洋西北部的鄂霍次克海。此外,几乎整个南半球的藻华频率呈增加趋势。

3. 2003年至2020年间,全球海岸带浮游植物藻华变化趋势。a:全球1°×1°格网尺度下藻华频率变化趋势的空间分布;b:藻华频率年中值和全球藻华总面积的年际变化和趋势。

海洋温度和环流的变化会改变海洋分层状态与营养物质的运输,进而影响浮游植物的生长和藻华的形成。研究分析了藻华暴发频率与海洋表面温度(SST)、海洋表面温度梯度(▽SST,用来表征海洋中尺度洋流强度)的相关关系(图4)。结果显示,在高纬度地区(40°N以北),年平均藻华频率与同期SST之间呈显著正相关,如阿拉斯加洋流(相关系数r=0.44)、亲潮(r=0.48)和波罗的海(r=0.41)。藻华频率与SST的变化趋势在许多海域并不一致, 例如热带与亚热带的藻华减弱区。

进一步分析显示,海洋表面温度梯度与藻华频率呈现更为显著的正相关,如加那利洋流(r=0.84)、马尔维纳斯洋流(r=0.83)、加利福尼亚洋流(r=0.81)、本格拉洋流(r=0.73)以及湾流(r=0.61)。此外,亚热带东边界上升流区域的藻华频率趋势与中尺度洋流的变化相一致(加利福尼亚、本格拉和加那利洋流)。在加利福尼亚洋流系统中,藻华频率的降低可能是由于上升流减弱(表现为▽SST 降低和SST升高),从而导致海底营养供应减少。相反,加那利和本格拉洋流的特点是上升流增强与藻华频率增加。高纬度地区的两个西边界流系统(马尔维纳斯和亲潮),虽然上升流表现较不明显,但其藻华的变化机制与亚热带东边界流区域相似。然而,海洋中尺度洋流的变化是否受风、海洋分层、洋流切变等其他因素的影响还需要开展进一步的区域化研究。

4. 气候变化对浮游植物藻华的影响。a2003~2020年▽SST变化趋势分布;b2003~2020SST变化趋势分布;cab中虚线标记的区域内藻华频率的长期变化,以及它们与 SST 和▽SST的关系。其中,S表示藻华频率的线性斜率,r表示藻华频率与SST和▽SST间的相关系数,星号表示统计上显着的相关性(P<0.05)。

分析显示,全球极端气候也对全球沿海藻华有一定影响。以多变量厄尔尼诺-南方涛动指数 (Multivariate El NiñoSouthern Oscillation (ENSO) index, 简称MEI) 为例, 2010年最低的 MEI(强拉尼娜年)对应了次年的低藻华频率,而2015年最大的MEI值(强厄尔尼诺年)伴随了次年最高的藻华频率。

人类活动导致的营养盐变化也可能是海岸带藻华趋势的影响因素。例如,阿拉伯海藻华频率的下降可能与周边国家(如伊朗)化肥使用量减少有关。此外,许多亚洲国家的藻华增加可能归因于化肥使用量的激增。例如,化肥使用(氮或磷)与藻华频率在中国、伊朗、越南和菲律宾等国家存在高度正相关。此外,芬兰、中国、阿尔及利亚、几内亚、越南、阿根廷、俄罗斯和乌拉圭等国家的水产养殖产量与藻华发生频率存在显著正相关。然而,自然与人为因素对藻华趋势的进一步归因与机制分析需要考虑复杂的陆地/海洋营养传输过程,并构建耦合不同藻种营养物质与浮游植物生长关系的生态模型进行评估。

南科大环境科学与工程学院博士生戴艳会、博士后杨尚波为论文共同第一作者,冯炼为唯一通讯作者,南科大是论文唯一第一与通讯单位。合作作者包括南方科技大学环境科学与工程学院博士生赵丹、副教授Luke Gibson、讲席教授郑春苗,广东省深圳市生态环境监测中心许旺博士,美国南佛罗里达大学教授胡传民,美国伍兹霍尔海洋研究所教授Donald M. Anderson,特拉华大学励耘博士,马里兰大学宋晓鹏博士,加拿大贝德福德海洋研究所Daniel G. Boyce博士。以上研究得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05760-y

转自:iPlants”微信公众号

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