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遗传发育所等发现水稻穗子大小调控的机制

水稻是全球最重要的粮食作物之一，水稻穗子的大小和穗粒数决定水稻产量。近年来，一些影响水稻穗子大小和穗粒数的基因陆续被报道，但学界尚不清楚调控水稻穗子大小和穗粒数的分子机制，因此，阐明协同调控水稻穗子大小和穗粒数的遗传及分子机制对水稻高产育种具有重要意义。

中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李云海团队、研究员姚善国团队和中国水稻所院士钱前团队等合作，发现了水稻穗子大小和穗粒数调控的重要机制。李云海团队已通过大规模遗传筛选，分离了一系列水稻大穗突变体large，报道了GSK2磷酸化LARGE1/OML4调控种子和穗子大小的新机制（Lyu et al., 2020, Plant Cell）。近期，有研究团队解析了LARGE2基因调控水稻穗子大小和穗粒数的机理。研究发现，large2 突变体表现为穗子增大、一次枝梗和二次枝梗数明显增多，因此，导致每穗粒数明显增加；叶片宽度和粒宽相比野生型也增宽，株高略微降低、茎秆变粗。细胞学分析表明，LARGE2通过影响分生组织大小和活性，从而决定穗子大小和穗粒数。LARGE2编码了一个具有HECT结构域的E3泛素连接酶。进一步研究发现，LARGE2与穗粒数调控关键因子APO1 和APO2 在体内直接相互作用，并调控了APO1 和APO2 的蛋白稳定性。遗传分析表明，LAEGE2 和APO1/APO2 作用在同一条遗传途径调控水稻穗子大小和穗粒数。该研究揭示了LARGE2-APO1/APO2 途径调控水稻穗大小和穗粒数的新机制，为水稻高产育种提供了理论基础和基因资源。

相关研究成果在线发表在The Plant Cell 上（DOI:10.1093/plcell/koab041）。李云海组黄洛将、徐冉和姚善国组华凯为论文的共同第一作者，李云海、姚善国和钱前为论文的共同通讯作者。研究工作得到转基因专项、国家自然基金和中科院战略性先导科技专项等的资助。

(来源：动物研究所)

动物所揭示“甲状腺-肠道菌群”轴对恒温动物产热和体温的调节作用

恒温动物维持高而恒定的体温对于其生存至关重要，而体温的维持具有较高的能量代价，体温调节是经典的生理学问题。甲状腺激素是由甲状腺细胞分泌，包括甲状腺素（T4）和三碘甲状腺原氨素（T3），T4经过碘甲腺原氨酸脱碘酶II（DIO2）脱碘后生成T3 而起作用，甲状腺激素能够提高能量代谢、促进生长发育并提高神经系统的兴奋性。甲状腺激素代谢紊乱会发展为甲亢（甲状腺机能亢进）或甲减（甲状腺机能减弱）疾病，遗传、药物、长期应激等是形成甲亢的主要因素，发病率较高且难以治疗。关于甲状腺激素调节代谢产热的作用机制，已有研究认为主要通过中枢调控通路或外周直接作用于器官调节细胞的代谢过程，前期研究已发现肠道微生物能够调节宿主动物的能量代谢。甲状腺功能紊乱是否与肠道菌群失衡有关从而导致能量代谢和产热的变化？对于这一问题的解释，能够揭示恒温动物的体温调节机制，并为认识甲状腺疾病的成因和治疗方法提供科学依据。

3 月17 日，中国科学院动物研究所王德华研究团队在Microbial Biotechnology上发表研究论文Caecal microbial transplantation attenuates hyper⁃thyroid-induced thermogenesis in Mongolian ger⁃bils，发现了高甲状腺激素（甲亢）引起的代谢升高是肠道菌群紊乱导致，阐明了“甲状腺-肠道菌群”轴对恒温动物产热和体温的调节功能。此前，该研究组发现肠道菌群介导聚群行为产热的能量节省机制（Microbiome，2018），食粪行为通过维持微生物稳态调节宿主能量平衡、神经功能和认知行为（The ISME Journal，2020），进一步发现肠道菌群赋予恒温动物对周期性温度波动的代谢可塑性（mSystems，2020)，以及“交感神经—肠道菌群”轴调控冷适应性产热的机制（The ISME Journal，2019）等成果，这是该研究组近期在野生动物与其肠道微生物相互作用调控能量代谢和产热适应研究领域又一新发现。

研究人员利用长爪沙鼠（Meriones unguicula⁃tus）T4 处理4 周诱导甲亢模型，利用甲巯基咪唑药物处理阻断甲状腺激素的合成诱导甲减模型。研究发现，甲亢动物表现出较高的代谢率和体温，甲减动物代谢率明显降低；无论甲亢还是甲减动物，肠道菌群结构紊乱，甲亢动物肠道中螺旋杆菌属（Helicobacter）、理研菌属（Rikenella）相对比例升高，而有益菌如丁酸弧菌（Butyricimo⁃nas）和副拟杆菌（Parabacteroides）相对比例较低，相关分析显示这些菌属与甲状腺素代谢密切相关；甲亢动物肠道菌群的代谢产物短链脂肪酸含量和总胆汁酸含量明显降低。通过对甲亢动物移植正常动物来源的肠道菌群，能够促进肝脏中碘甲腺原氨酸脱碘酶II（DIO2）表达，提高T3 和T4的代谢周转速率，促进甲亢动物代谢率和体温的恢复。

该研究阐明了“甲状腺-肠道菌群”轴对恒温动物产热和体温的调节作用，揭示了肠道菌群与宿主内分泌系统相互作用对体温调节的生理意义，并为甲亢疾病的治疗提供可能的有效干预措施。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Saeid Khakisahneh、副研究员张学英为论文的共同第一作者，研究员王德华、副研究员张学英为论文的共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金的资助。

(来源：动物研究所)

东北地理所在干旱胁迫下保护性耕作对作物产量的调控研究中获进展

保护性耕作是我国北方粮食产区应对干旱的积极应对策略之一。然而，少有研究将土壤碳排放、微生物和作物三者结合起来分析保护性耕作对自然干旱的综合响应。中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土有机碳与保护性耕作学科组以保护性耕作长期定位试验为研究平台，比较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产量，以评价保护性耕作的影响及其应对干旱的适应机制。

研究表明：正常年份免耕条件下土壤具有较低的土壤温度（低约1℃），较高土壤含水量，同时免耕条件下的玉米产量和碳排放效率（产量与土壤CO2年排放量之比）比常规耕作处理降低22%和25%，只增加了播种前和生长季后期（8-9 月）的土壤微生物磷脂脂肪酸含量；干旱年份（2015年），免耕的土壤温度（5、10、20 cm）比常规耕作低约2℃，土壤含水量显著增加28%，并且显著增加玉米产量（47%）、碳排放效率（63%）和生长季节内的土壤微生物磷脂脂肪酸含量。耕作处理间碳排放效率的差异主要是由作物产量引起，这是由于无论正常年份还是干旱年份，免耕与常规耕作间的年土壤CO2排放量没有显著差异。结构方程模型揭示了耕作方式通过土壤含水量、温度、土壤真菌和细菌等间接影响碳排放效率。另外，运用FUNGuild 评估土壤真菌功能发现，免耕抑制了土壤中某些致病菌（Fusarium oxysporum,Alternaria sp），而使共生菌（Leptodontidium sp）的相对丰度增加。研究表明，免耕（保护性耕作）是东北地区连作玉米抗旱的积极应对策略，且不是以增加土壤碳排放和减低土壤微生物群落功能为代价。

该研究由东北地理所副研究员贾淑霞（论文第一作者）、研究员梁爱珍与吴东辉（论文通讯作者）和硕士研究生王倩（论文第一作者）等共同完成。近日，相关研究成果发表在Geoderma 和Eu⁃ropean Journal of Soil Biology 上，研究工作得到国家自然科学基金和中科院前沿科学重点研究计划的资助。

(来源：东北地理与农业生态研究所)

东北地理所在碳离子束辐照诱变大豆效应及育种研究中获进展

重离子束是一种新型育种诱变剂，相比于其他诱变源，重离子具有较高的传能线密度（Linear Energy Transfer，简称LET）和生物学效应（Rela⁃tive Biological Effectiveness，简称RBE），可以在较高的存活率下获得相对较高的突变率和较宽的突变谱，由此创造优异的突变体。碳离子束作为重离子束中的一种，在中草药、高粱、小麦和花卉等作物育种中应用较多，并且产生了较好的诱变效果，但在大豆上应用的相关报道较少。

中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员张秋英团队与中科院近代物理研究所合作，在国家重点研发计划、中科院科技服务网络计划（STS 计划）和中科院战略先导科技专项的资助下，以不同剂量碳离子束辐照大豆种子构建了筛选群体，在表型水平和生理水平探讨了碳离子束辐照大豆的诱变效应，并以Seq-BSA混池测序结合转录组测序的方法进一步对筛选获得的特异性大豆卷叶短叶柄突变体（rlsp1）进行了分子机制研究。该研究发现，碳离子束辐照诱变大豆可以诱发类型丰富的变异，包括株高、生育期、品质性状籽粒大小、抗倒伏以及产量等变异，同时结合表型变异、生理指标、出苗率和成活率等，提出120Gy（80Mev/u）是碳离子束辐照诱变大豆中比较合适的辐照剂量。对突变体rlsp1的进一步研究发现，叶柄韧皮部结构的异常发育、生长素信号转导途径的抑制、微管和碳水化合物代谢的相关途径与rlsp1的形成密切相关，并且在3、6、8、13 和17号染色体上定位了10个候选区域，总共6.47Mb，包含 790 个基因，研究认为，Glyma.03G128600 作为拟南芥BOP（BLADE ON PETIOLES）基因的直系同源基因，可能是引起rlsp1变异的关键候选基因。该研究对促进碳离子束辐照诱变在大豆育种中的应用以及大豆短叶柄和卷叶性状的基因定位研究具有重要意义。

在碳离子束辐照诱变大豆机理研究的基础上，运用碳离子束辐照诱变育种和杂交育种结合的方法，选育了中科毛豆3 号和中科毛豆4 号两个品种，并全部转让给企业销售，在生产上大面积应用推广，明显提高了农民经济收入，对农民的脱贫致富及大豆产业的可持续发展起到了促进作用。

该研究结果发表在Agriculture 和Journal of Plant Biology上。

(来源：东北地理与农业生态研究所)

武汉植物园在多花黑麦草耐盐机理研究中取得进展

土壤盐渍化是普遍存在并备受关注的环境问题之一。我国盐碱地面积高达3467hm2，且逐年增加，但只有小部分被耕种，大量的盐碱土待开发利用，是重要的后备土地资源。我国人口众多，耕地面积不足，选育耐盐碱牧草开发广阔的盐碱地十分重要。多花黑麦草是禾本科黑麦草属植物，生长速率快，营养丰富，消化率高，且各种家畜喜食，适于集约化栽培利用，已成为目前农区种植最广，播种面积最大的牧草之一，然而，多花黑麦草对于土壤盐碱性耐受性中等，在我国黑麦草主产区受到土壤盐渍化威胁。因此，筛选耐盐多花黑麦草，研究其耐盐机理，对农牧业生产的发展具有重要意义。

中国科学院武汉植物园草坪草与牧草分子育种学科组前期收集了多份多花黑麦草种质资源，并对其耐盐性进行系统评价。科研人员以前期筛选鉴定的极端耐盐（‘Abundant’）和盐敏感（‘Angus’）种质为材料，分别从生理生化水平和代谢水平对多花黑麦草耐盐机理进行解析。研究发现，与盐敏感种质相比，耐盐种质具有更高的叶片相对含水量和更好的牧草品质。进一步对抗氧化酶系统和光和系统进行比较研究发现，盐胁迫下耐盐种质活性氧诱导的细胞损伤较轻，且具有更高的光合效率。以上结果表明，与敏感种质相比，耐盐种质受到的盐毒害更轻。通过比较植物吸收和转运离子能力，科研人员发现和耐盐种质相比，盐敏感种质吸收钠离子更多且向地上部分转运能力更强，据此推测，吸收更少的钠离子，并抑制其向地上部分的转移是‘Abundant’耐盐机理之一。此外，从代谢水平比较分析‘Abundant’的耐盐机理，共鉴定到包括氨基酸、有机酸、脂肪酸和糖类在内的41 种初级代谢产物。与耐盐种质相比，盐敏感种质‘Angus’代谢产物对盐胁迫更敏感。该研究为探究多花黑麦草的耐盐机制提供了基本信息。

相关研究成果以Comparative physiological and metabolic analyzes of two Italian ryegrass (Loli⁃um multiflorum) cultivars with contrasting salinity tolerance 为题，在线发表在Physiologia Plantarum上。武汉植物园草坪草与牧草分子育种学科组硕士研究生冯启佳为论文第一作者，助理研究员谢燕和研究员陈良为论文共同通讯作者。研究工作得到中科院青年创新促进会、国家自然科学基金等的资助。

(来源：武汉植物园)

西北研究院在膜下滴灌玉米氮素诊断及养分管理研究中获进展

膜下滴灌技术可改善农田土壤水热条件并实现作物水、氮的精确供给，在寒区旱区农业生产中应用前景广泛，但土壤水、氮的精确供给不意味着高效供给，如何诊断膜下滴灌作物的养分状况是广受关注的关键问题。

近日，中国科学院西北生态环境资源研究院科研人员通过临界氮稀释曲线模型（Critical nitro⁃gen dilution curves，CNDC），对比分析了滴灌（drip irrigation，DI）和膜下滴灌（mulched drip irri⁃gation，MDI）两种处理下的氮营养指数，为膜下滴灌玉米氮素营养诊断和养分运筹提供了依据。研究表明，相对滴灌玉米，膜下滴灌玉米较低的根冠比是改变其CNDC 的主要原因。此外，地膜覆盖降低了吐丝期的氮素营养指数，提高了生理成熟期的氮素营养指数，有利于作物光合产物的累积和向籽粒的转运。该研究可为膜下滴灌玉米的氮素管理提供指导，对提高该地区膜下滴灌系统养分管理水平具有重要意义。

相关研究成果以Plastic film mulching affects the critical nitrogen dilution curve of drip-irrigated maize为题，发表在Field Crops Research上。研究工作得到中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等的资助。

(来源：西北生态环境资源研究院)

研究揭示人类活动对全球淡水鱼类生物多样性的影响

河流拥有丰富的鱼类生物多样性，迄今已记录17000 多种鱼类物种，占地球上所有脊椎动物的四分之一。人类活动对生物多样性的影响往往仅从物种数量的角度（分类多样性）来探讨，而物种功能属性（功能多样性）或物种之间的亲属关系（系统发育多样性）对衡量生物多样性的改变同样重要。

近日，法国图卢兹第三大学Evolution et Di⁃versité Biologique（EDB）实验室、中国科学院水生生物研究所、法国蒙彼利埃MARine Biodiversity,Exploitation and Conservation（MARBEC）研究中心与法国马赛Aix-Marseille INRAE（RECOVER）实验室组成的联合研究团队，提出了一种新的生物多样性指标，综合考虑六个生物多样性维度，全面评估了人类活动对全球淡水鱼类生物多样性的影响，相关研究成果发表在Science上。法国图卢兹第三大学博士苏国欢为论文的第一作者和通讯作者，水生所研究员徐军为论文的合作作者。

研究表明，全球2456条河流中有超过50%的鱼类区系受到人类活动的强烈影响。仅有14%的流域受到的影响很小，其中的鱼类仅占世界淡水鱼种类的22%。由于物种的引入，本地河流中物种的数量呈现整体增加的趋势。这些物种往往与本地物种亲缘关系较远，并且体长大于本地物种，形态也更适合静水环境，对水坝建设形成的环境威胁尤为严重。此外，世界上大多数流域承受着巨大的人类活动压力，淡水生态系统趋向于更高的鱼类物种和功能同质性，降低了应对全球变化的响应能力。此外，该研究还强调了许多濒危鱼类在受人类严重影响的河流中面临不断灭绝的风险，已危及淡水生态系统的服务功能。

(来源：水生生物研究所)