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植物所在光信号调控水稻响应盐胁迫研究中取得进展

光信号在幼苗形态发生和转换中发挥着重要作用。种子在土壤中利用体内储藏的能量进行异养生长，并通过暗形态建成使幼苗快速伸长，破土见光后，便转换成光形态建成模式，伸长生长减缓，开始叶绿素合成和叶绿体发育，进入光合作用自养生长。水稻播种深度和育秧就涉及暗（光）形态建成所蕴涵的科学原理，水稻的中胚轴在土壤下快速伸长有利于水稻出苗，然而，这一过程在一些土壤逆境条件下（如盐碱）受到挑战。因此，探讨光信号对农作物幼苗的生长发育调控及对逆境的响应机制具有重要的科学意义，也对农业生产有着潜在的应用价值。

中国科学院植物研究所研究员林荣呈研究组长期开展光信号转导机制相关研究。研究人员对水稻光敏色素互作因子（PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR-LIKE，Os-PIL）的功能和分子机理展开研究，发现分别过量表达 6 个 OsPILs 基因（OsPIL11-16）均能促进黑暗下水稻中胚轴的伸长，其中OsPIL14 表现最为明显。而赤霉素信号转导核心抑制因子DELLA蛋白（SLENDER RICE1，SLR1）负调控水稻中胚轴伸长。进一步研究发现，OsPIL14与SLR1能相互作用，这种互作使SLR1抑制了OsPIL14对下游细胞伸长相关基因的转录激活能力。研究发现盐处理促进了OsPIL14蛋白的降解，增强了SLR1蛋白的稳定性。过量表达OsPIL14使水稻幼苗在黑暗中对盐具有较高的耐受性，并显著提高了盐胁迫下水稻覆土直播的出苗率。该研究揭示了水稻光敏色素互作因子OsPIL14整合光信号与赤霉素信号调控水稻在盐胁迫下生长的分子机制，对通过分子设计提高水稻直播出苗率和盐胁迫条件下的生长性能具有重要指导意义。

该成果于6 月25 日在线发表于国际学术期刊Plant Physiology上。植物所博士研究生莫伟平为论文第一作者，林荣呈为通讯作者，中科院东北地理与农业生态研究所研究员卜庆云参与部分工作。该研究得到了农村农业部、科学技术部、国家自然科学基金委员会等项目的资助。

（来源：植物研究所）

遗传发育所玉米细胞质雄性不育研究取得进展

植物细胞质雄性不育是广泛存在并具有重要应用价值的生物学现象。在雄性不育材料中，花粉粒败育但其他组织的生长发育不受影响，因此细胞质雄性不育被广泛应用于杂交种生产。细胞质雄性不育也是研究细胞核与线粒体相互作用的利器，不育基因由线粒体基因组编码，而大部分恢复基因由核基因组编码。两套不同的基因组如何协同调控花粉粒的育性，甚至植物生长发育，其中分子机制还有待进一步探明。

近期，中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜研究组鉴定了玉米S 型细胞质雄性不育（CMS-S）系的不育基因orf355，并进一步鉴定出一个在花药中特异表达的转录因子ZmDREB1.7。ZmDREB1.7定位于细胞核、细胞质和线粒体，不同实验证实ZmDREB1.7能够结合到orf355基因的启动子并促进其转录。Orf355是一个具有强烈细胞毒性的蛋白，通过诱导表达系统表达orf355 能够显著增强线粒体逆向信号。ZmDREB1.7基因启动子区域存在一定数量的UPR motif（unfolded protein response motif），该 motif 的 存 在 使 得 Zm-DREB1.7 基因快速响应线粒体逆向信号，而缺失主效UPR motif的单倍型能够部分恢复CMS-S玉米的育性，表明其是S型细胞质雄性不育的弱恢复基因。基于上述结果，该研究揭示了一个导致玉米S型细胞质雄性不育的分子机制。

已有研究一直不清楚不育基因为何仅仅影响花粉粒败育，而对其他组织没有影响。该研究推测与花药特异表达的ZmDREB1.7 有关。在花药中，ZmDREB1.7促进orf355表达，而orf355积累增强线粒体逆向信号，反馈促进ZmDREB1.7 表达。因此，ZmDREB1.7 与 orf355 在 S 型玉米的小孢子中形成了一个正反馈调控机制，最终导致orf355蛋白的积累和败育。

相关成果发表在Molecular Plant 上，（DOI:10.1016/j.molp.2020.07.002），研究员陈化榜组前助理研究员肖森林为第一作者，陈化榜、研究员北京市农林科学院赵久然为共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金、国家转基因重大专项的支持。

（来源：遗传与发育生物学研究所）

遗传发育所大豆基因组研究获进展

基因组学是生命科学研究的核心基础。传统的基因组学研究是将不同碱基以线性的形式存储于染色体上，且多基于一个参考基因组来获取一个物种的基因信息。由于一个物种中不同个体间存在遗传变异，线性基因组不能同时体现不同个体的遗传变异情况，这极大地限制了不同个体遗传变异的鉴定和分析。构建囊括一个物种所有遗传信息的新型存储形式的泛基因组已成为当前基因组学研究的重要任务和前沿挑战。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜等科研团队取得了大豆泛基因组的最新研究进展。该项成果突破传统线性基因组的存储形式，在植物中首次实现了基于图形结构基因组(graph-based genome)的构建，将引领全新的下一代基因组学研究思路和方法，被审稿人称为“基因组学的里程碑工作”。

大豆驯化起源于中国，随后广泛传播于世界各地，为人类提供了主要的植物油料和蛋白资源，是重要的粮食经济作物。我国大豆需求量大，而消费对外依赖严重。因此，加强大豆研究，提高大豆生产能力迫在眉睫。高质量参考基因组是作物育种基础研究和应用研究的前提基础。前期，科研团队完成了大豆品种─“中黄13”黄金版大豆参考基因组的组装和注释(Shen et al.， Science China Life Sciences， 2018； Shen et al.，Science China Life Sciences，2019)。然而，研究团队在对大豆种质资源的深度重测序和群体遗传学分析中发现，不同大豆种质资源之间存在较大的遗传变异，单一或少数基因组不能代表大豆群体的所有遗传变异（Zhou et al.，Nature Biotechnology，2015；Fang et al.，Genome Biology，2017）。大豆基础研究和分子设计育种亟需能够代表不同大豆种质材料的全新基因组资源。

为此，研究团队联合遗传发育所研究员梁承志和朱保葛研究团队，中科院分子植物科学卓越创新中心、中科院院士韩斌团队，上海师范大学教授黄学辉团队以及北京贝瑞和康生物技术有限公司相关人员，对来自世界大豆主产国的2898个大豆种质材料进行深度重测序和群体结构分析，挑选出26 个最具代表性的大豆种质材料，包括3 个野生大豆，9 个农家种和14 个现代栽培品种。研究团队利用最新组装策略，对26个大豆种质材料进行了高质量的基因组从头组装和精确注释，contig N50 平 均 长 度 达 22.6 Mb， scaffold N50 平均长度达51.2 Mb。在此基础上，结合已经发表的中黄13、Williams 82 和 W05 基因组，开展了系统的基因组比较，构建了高质量的基于图形结构泛基因组，挖掘到大量利用传统基因组不能鉴定到的大片段结构变异。经深入分析发现，结构变异在重要农艺性状调控中发挥重要作用，例如，HPS 基因的结构变异调控大豆种皮亮度变化；野生与栽培大豆CHS基因簇的结构变异是导致种皮颜色由黑色向黄色驯化的主要原因；Soy-ZH13_14G179600 基因结构变异导致了其在不同种质材料中基因表达的差异，可能与调控大豆缺铁失绿症有关。此外，研究还鉴定到15个结构变异导致了不同基因间的融合，这为新基因的产生研究提供了重要线索。此高质量图形结构泛基因组的构建不仅本身具有重要的理论意义和应用价值，同时为过去已经开展的大量重测序数据提供了一个全新的分析平台，将使得这些数据获得“第二次生命”。

上世纪60 年代，以降低农作物株高、半矮化育种为特征的第一次“绿色革命”，使得全世界水稻和小麦产量翻了一番，解决了温饱问题。“绿色革命”是近现代史上最重要的农业历史事件之一。然而在过去的60年里，大豆平均单产相对其他主粮作物而言尚无明显突破，大豆生产亟需“绿色革命”。本次泛基因组研究所选用的大豆种质材料不仅在遗传多样性上具有代表性，且具有重要的育种和生产价值。其中满仓金、十胜长叶、紫花4 号等种质材料作为骨干核心亲本已各自培育出了上百个优良新品种：黑河43、齐黄34、豫豆22、皖豆28、晋豆23、徐豆1号等品种是各个大豆主产区推广面积最大的主栽品种。该基因组和相关的2898 份种质材料遗传变异的发布为大豆研究提供了重要的资源和平台，将推进大豆分子设计育种，助力实现大豆“绿色革命”。

相关研究结果以Pan-genome of wild and cultivated soybeans 为题在线发表于《细胞》杂志上。田志喜研究组博士生刘羽诚、梁承志研究组博士生杜会龙为该论文的第一作者，田志喜为论文通讯作者，梁承志为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委和中科院的资助。

（来源：遗传与发育生物学研究所）

分子植物卓越中心水稻基因打靶技术研究获进展

中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员朱健康领衔的研究团队，在植物基因组编辑领域再次取得重要进展。研究人员采用修饰后的DNA片段作为供体，在水稻上建立了一种高效的片段靶向敲入和替换技术，高至50%的靶向敲入效率将极大地方便植物的研究和育种。7 月6日，相关研究成果在线发表在Nature Biotechnology上。

近年来，CRISPR/Cas介导的植物基因组定点编辑技术在农作物基因功能研究和精准育种中发挥了重要作用，展现了广阔的发展潜力和应用前景。然而，CRISPR/Cas介导的植物基因组定点敲除技术只能在基因组特定位点产生随机插入和删除，精准的片段插入和替换的效率一直很低，限制了其在植物研究和育种上的应用。因此，迫切需要建立更高效的植物基因组片段插入和替换技术体系。

植物基因组编辑是朱健康研究组的重点研究领域，近年来获得了一系列的进展。作为该领域的难题，片段的靶向敲入和替换是科研人员的重要研究目标，并围绕这一目标努力。在建立了病毒介导的同源重组（HDR）和各类单碱基编辑技术等多种方法的同时，科研人员开始尝试在供体DNA片段上寻找突破点，以克服现有方法效率低、应用范围窄等缺陷。核酸修饰在人的RNAi疗法和核酸疫苗等医学领域有广泛的应用。朱健康研究组通过尝试，发现将供体片段同时进行硫代修饰和磷酸化修饰后，能增强CRISPR/Cas9引导的靶向敲入效率。研究团队先后在14 个基因位点上靶向敲入了各类调控元件，包括翻译增强子、转录调控元件，甚至整个启动子，供体片段最长达2049bp。通过对1393株各类T0代基因编辑水稻植株的分析发现，该方法的敲入效率可高达47.3%，平均效率为25%。高效的敲入效率甚至可以同时在四个位点上实现多基因靶向敲入。可以预计，该技术的建立将使靶向敲入成为一项和靶向敲除一样的常规实验，并被各个植物研究和育种单位广泛应用。

在此基础上，朱健康研究团队又设计了一种片段精准替换的策略，称之为重复片段介导的同源重组（TR-HDR）方法。常规的HDR 频率极其低下，研究人员在前期的实验中发现，基因组上串联重复片段间的HDR 频率非常高。利用这一现象，通过将修饰的片段靶向敲入至目标位点后，人为制造这种串联重复结构，诱导TR-HDR去实现片段替换。采用该技术，在五个基因位点上实现了片段替换和原位的Flag 标签蛋白的精准融合，效率最高达到了11.4%。这一技术突破将有助于植物学研究，并促进农作物定向遗传改良的进程。

朱健康是论文的通讯作者，副研究员陆钰明和博士生田益夫为论文的共同第一作者。研究工作得到中科院相关经费的资助。

（来源：分子植物科学卓越创新中心）

东北地理所等在利用基因编辑技术改良水稻品质方面取得进展

近年来，人们对稻米品质的要求越来越高，口感好、食味佳的长粒香米更易受到消费者青睐。传统的育种主要是通过杂交和回交选育，试验周期漫长。与传统育种相比，通过基因编辑技术，可以针对多个品质性状，高效而快速的改良稻米品质，加速优质水稻品种的选育进程。

稻米食味品质主要由直链淀粉含量决定，适当的降低直链淀粉含量，可以显著提高食味品质，水稻直链淀粉由Wx 编码的淀粉颗粒结合淀粉合成酶控制，在自然界中，天然的低直链淀粉基因资源非常少，需要创造新的低直链淀粉种质资源。研究人员利用CBEs 碱基编辑器，针对Wx基因构建三个不同靶点的碱基编辑载体PBE-TS1、PBE-TS2和PBE-TS3，转入粳稻品种日本晴中，获得了Wxm5等7个突变体，其表观直链淀粉含量均低于日本晴，连续分布于1.4%-11.9%之间，其中靶位点 TS2 创造的 Wxm6、Wxm7 和Wxm10 材料的直链淀粉含量降低2-4%，但稻米几乎完全透明，不影响稻米的外观品质。在此基础上，研究人员对黑龙江省种植面积最大的粳稻品种绥粳18等材料的TS2位点进行碱基编辑，所获得的多个编辑材料，直链淀粉含量都下降大约2%-4%，说明即使遗传背景不同，相同基因型突变体表观直链淀粉含量变化趋势是一致的。综上所述，该研究通过对基因编码区的单碱基编辑成功实现了直链淀粉含量的连续变异，为精准、快速改良水稻品质提供了新思路。

此外，针对东北稻米市场对长粒香米的迫切需求，利用基因编辑技术同时编辑粒型基因（GS3和GS9）及香味基因Badh2三个靶基因，在一年之内，可将普通圆粒品种改良为长粒香型品种，加快了长粒香米的育种进程。

以上成果分别由中国科学院东北地理与农业生态研究所卜庆云团队与江苏省农科院杨杰团队、中科院遗传与发育研究所高彩霞团队、东北农业大学教授邹德堂和吴秀菊等合作完成，相关研究成果分别发表于Plant Biotechnology Journal，Rice Science与《中国水稻科学》杂志。东北地理所水稻分子育种学科组助理研究员李秀峰和研究员卜庆云分别为论文的共同第一作者和共同通讯作者，相关工作得到了科学技术部转基因专项和黑龙江省自然科学基金的资助。

（来源：东北地理与农业生态研究所）

研究发现合成八倍体雄鱼性别决定系统与有性生殖能力的重新获得

6月10日，中国科学院院士、中科院水生生物研究所研究员桂建芳团队在SCIENCE CHINA Life Sciences（《中国科学：生命科学》英文版），在线发表题为Regain of sex determination system and sexual reproduction ability in a synthetic octoploid male fish的论文。

多倍化对物种的形成和进化起着至关重要的作用。与多倍体广泛存在的植物相比，脊椎动物中的多倍体非常罕见，现今脊椎动物中发现的少量多倍体一般通过单性生殖方式而演化形成。然而，多倍体如何突破生殖瓶颈获得单性生殖能力和其性别决定系统及其生殖方式如何转移和转换尚不清楚。多倍体鲫复合种包含有行两性有性生殖的四倍体鲫（Carassius auratus）和行单性雌核生殖的六倍体银鲫（Carassius gibelio）。银鲫已被揭示是由含有100 条染色体的四倍体鲫再次发生一次额外的同源多倍化演化而来，含有150 多条染色体；早期研究还发现，它在行单性雌核生殖的过程中还具有整合外源基因组从而形成更高倍性的合成多倍体的潜能。这些四倍体鲫、六倍体银鲫和倍性更高的合成多倍体是研究多倍化后生殖方式转换和性别决定系统转移的理想研究模型。

近五年来，桂建芳团队将有性生殖四倍体鲫的精子整合到雌核生殖六倍体银鲫的卵子中，产生一个人工的合成八倍体群体。这些合成八倍体含有200多条染色体，其中50条染色体来自于四倍体鲫父本。重要的是，父本四倍体鲫中的X/Y 性染色体及其性别决定系统也随之整入，导致合成八倍体形成了1:1 的雌雄性比。研究发现，部分合成八倍体雄鱼恢复了育性，特别是其中有一尾雄性合成八倍体完全获得了与四倍体鲫雄鱼相同的有性生殖能力，表现出减数分裂完成，整倍体精子产生，与四倍体鲫雌鱼交配胚胎发育正常，具有类似于四倍体鲫胚胎的基因表达模式，更为重要的是，这些胚胎还能产生性比为1:1且性染色体组成为♀XXX 和♂XXY 的合成六倍体群体。这些发现不仅为脊椎动物多倍化后性别决定系统转移和生殖方式转换提供了一个典型事例，还为银鲫的多倍化育种提供了理论和技术支撑。

该研究由博士研究生鲁蒙、副研究员李熙银、副研究员王忠卫等完成，通讯作者为桂建芳、王忠卫和李熙银。研究得到国家自然科学基金重点项目和中科院战略性先导科技专项等项目的支持。

（来源：水生生物研究所）

动物所发现动物食粪行为通过影响肠道菌群调控其能量代谢和认知行为

食粪行为（coprophagy）是指动物取食粪便的行为，包括取食自己的粪便和其它动物的粪便（种内、种间），可对营养物质进行重吸收，还可为动物提供必需氨基酸、维生素B、维生素K 等，许多小型哺乳动物以此满足自身对营养的需求。此外，食粪行为还可帮助食草动物获取必要的肠道菌群，保持肠道菌群的多样性和功能。

近日，中国科学院动物研究所王德华研究组揭示小型哺乳动物布氏田鼠（Lasiopodomys brandtii）的食粪行为对肠道菌群和记忆认知的影响，发现食粪行为可通过改变肠道菌群而调控能量代谢和认知行为。

栖息在内蒙古典型草原区的布氏田鼠属于严格的植食性小型啮齿动物，具有发达的盲肠、结肠，以及结肠分离机制和规律性的食粪行为。为探究食粪行为如何影响宿主的肠道菌群并产生何种生理效应，该研究给布氏田鼠佩戴塑料脖套（防止动物的口接触肛门）、在鼠笼底部增加铁丝网，以限制布氏田鼠的食粪行为。测定布氏田鼠肠道微生物群落结构、能量代谢和认知能力的变化发现，禁止食粪行为降低了田鼠肠道菌群的α多样性，改变了细菌的丰富度，拟杆菌门（Bacteroidetes）增加而厚壁菌门（Firmicutes）降低。当恢复动物的食粪行为后，其肠道菌群的结构和组成也随之恢复。

进一步研究发现，限制食粪行为会导致动物的很多生理特征的变化，如食物摄入量增加，但体重降低，盲肠内容物短链脂肪酸含量降低（尤其是乙酸、丙酸和丁酸）、胃饥饿素增加，甲状腺激素T3水平、下丘脑和海马体中酪氨酸羟化酶含量以及多巴胺和5-羟色胺等神经递质含量下降。研究还发现，限制食粪行为会影响动物的认知行为，通过对田鼠的记忆和认知水平进行一系列实验测定（如Y-迷宫、异物识别、个体识别）发现，限制食粪行为后田鼠的认知能力会受到损伤。

为确定限制食粪行为引起布氏田鼠记忆和认知水平的下降是否与肠道菌群有关，该研究给限制食粪行为的动物补加乙酸盐（一种肠道菌群的主要代谢产物），发现可明显改善布氏田鼠由于限制食粪行为而引起的认知障碍，下丘脑和海马体中神经递质的含量也随之增加。

该研究以布氏田鼠的食粪行为为核心，首次将食粪行为与肠道菌群和动物的认知水平联系起来，发现动物通过食粪行为可补充肠道菌群，保持田鼠核心菌群的稳定，增加代谢产物和维持动物的能量平衡，有利于动物维持正常的记忆和认知水平。

相关成果以Coprophagy prevention alters microbiome， metabolism， neurochemistry and cognitive behavior in a small mammal 为题发表在The ISME Journal 上，动物所农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室动物生理生态学研究组博士研究生薄亭贝、副研究员张学英为第一作者，研究员王德华为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金资助。

（来源：动物研究所）