生物

突破水稻育种瓶颈

不同农艺性状之间常常存在一种此消彼长的权衡效应（trait trade-off），如植物高产与抗病、高产与高品质、产量因素间的负相关性等。权衡效应使这些优异性状难以兼得，也使作物育种难以突破瓶颈。水稻是最重要的主粮作物之一，其产量主要由三个核心要素决定：穗数、每穗粒数、粒重。然而，这三个性状在水稻中通常呈负相关。IPA1（Ideal Plant Architecture 1）是我国科学家鉴定到的一个可调控水稻株型的主效基因，调控水稻多方面生长发育过程，对抗病性和环境适应性也有重要调控作用。其功能获得基因型ipa1-1D和ipa1-2D可使穗部增大、无效分蘖减少、茎秆粗壮、根系发达，显著提高产量，已广泛应用于优良水稻品种的培育。然而IPA1是一个典型的多效性基因，在增大穗部的同时使分蘖数降低。也就是说，增加IPA1在水稻中的表达量可增加水稻每穗粒数，使水稻的穗子变大，但是同时会使每棵水稻长出穗子的数量（分蘖数）降低，极大地限制了它的增产潜力。如果能只提高IPA1在穗部的表达水平，使其只增大穗部，而不影响穗数，甚至增加穗数，就能进一步提高水稻的产量，让“鱼”和“熊掌”可以兼得。为突破IPA1多效性造成的穗部和分蘖的制约关系，科学家们提出使用平铺删除（tiling deletion）的方法改造IPA1的顺式调控区，从中发掘出一个可以同时提高分蘖数和穗粒数的编辑材料IPA1-Pro10及其对应的54bp关键顺式作用元件。这样就可以调控其在幼穗、茎基部等各组织中的表达水平，实现不同表型的特异性调控，从而打破产量因素之间的负效应。IPA1-Pro10具有穗重和穗数同时增加、株高变高、茎秆和根系粗壮的表型。经田间小区测产鉴定，IPA1-Pro10与对照品种中花11相比能够增产15.9%，大大提高了水稻产量。（Nature Biotechnology,2022, doi.org/10.1038/s41587-022-01281-7）

芒果是如何成熟的？

果实不仅在植物繁殖扩散中起到至关重要的作用，而且也为人类的健康提供了丰富的营养物质。果实成熟伴随着风味物质（酸、甜、香等）、果实硬度和外观颜色等一系列生理生化的变化。这些生理生化过程通常受到内外因素的共同调控。芒果是世界最受欢迎的热带水果之一，被誉为“热带水果之王”。由于芒果果实成熟后期乙烯含量显著累积，长期以来芒果一直被认为是典型的跃变型果实。然而，研究人员在调查芒果成熟过程的生理变化时，发现芒果成熟期经历的时间差异很大、早熟和晚熟现象很明显，且果实内源激素乙烯在不同品种中（尤其是早熟和晚熟品种）差异明显，特别是在一些晚熟品种中乙烯的含量很低。科学家们以典型晚熟芒果品种凯特芒果实为研究材料，深入调查了果实发育不同阶段形态、生理和代谢物的变化规律以及基因表达谱的改变。结果发现在果实成熟过程中乙烯释放量处于较低水平，没有明显的跃变趋势，然而脱落酸（ABA）在果实成熟过程中大量累积，与果实成熟进程高度关联。基于实验结果，该研究提出了ABA调控凯特芒果实成熟的一种潜在模型，即随着芒果果实发育和成熟，内源ABA含量逐渐增加，诱导MiHY5等转录因子的表达，并进一步激活蔗糖代谢、果实软化、β－类胡萝卜素积累和淀粉降解等果实成熟相关通路基因的表达，进而介导芒果果实成熟。此项研究为芒果果实成熟调控网络的构建提供了新见解。（Horticulture Research,2022, 9:uhac102）

分工不同的蚂蚁大脑大不相同

蚂蚁起源于1.4亿年以前的白垩纪，现存约2万多个物种。它们广布于除极地冰原以外的所有陆地生态系统，是生物演化历程中最成功的动物类群之一。社会性是蚂蚁成功的基石。在蚂蚁的社会中，存在着明确的分工，也就是品级分化，如工蚁和繁殖蚁。虽然工蚁和蚁后具有同样的二倍体基因组，但却表现出明显的形态、生理和行为的分化。多数蚂蚁物种的工蚁没有繁殖能力，它们只负责打理巢穴的事务，而繁殖任务是由繁殖蚁来承担的。未交配的繁殖蚁有翅，交配后雄蚁死亡，雌蚁翅膀脱落，成为真正的蚁后。著名昆虫学家惠勒（William Morton Wheeler）最早在1910年提出社会性昆虫“超个体”（superorganism）这个概念。他指出，整窝蚂蚁是一个“超个体”，每个蚂蚁都是这个超个体的一个“细胞”，工蚁是它的“体细胞”，而繁殖蚁是它的“生殖细胞”。为了揭示蚂蚁品级分化的内在机制，近来，我国科学家以法老蚁（Monomorium pharaonis）为模式生物，通过单细胞转录组测序技术开展研究，获得了涵盖法老蚁工蚁、处女繁殖蚁、蚁后、雄蚁4种全品级大脑的高质量单细胞核转录组数据，制作出了世界上首个全面覆盖一个蚂蚁社会中所有分工角色的单细胞图谱。通过比较法老蚁四种成体大脑的细胞组成，研究者发现工蚁与雄蚁的大脑是极度特化的。其中负责学习记忆的高级大脑中枢蘑菇体细胞和负责处理气味信息的细胞在工蚁里丰度极高，而负责处理视觉信息的视叶细胞在工蚁里的丰度则很低。雄蚁大脑的细胞组成趋势则相反，视叶细胞丰度很高，而蘑菇体细胞和处理嗅觉信息的细胞丰度则显著降低。处女繁殖蚁和蚁后的大脑则处于中间形态，绝大多数的细胞类群丰度都居中。这意味着工蚁是更倾向于嗅觉感知的动物，它们也有发达的蘑菇体，有更好的学习记忆能力和高级认知功能，能够处理复杂信息，拥有更为灵活的行为策略。而雄蚁视觉系统极度发达，嗅叶和蘑菇体却相对不发达，这可能与其仅担负交配职责而完全不参与蚁巢其他工作的行为相关。处女繁殖蚁和蚁后具有中间形态的大脑，意味着它们具有相对全面的行为模式，可以在必要时担负各种职责，它们的大脑可能更接近蚂蚁社会性起源之前的祖先状态。正是因为不同品级个体的大脑有不同方向和程度的特化，彼此之间又功能互补，执行不同的社会行为和功能，整个蚁群才能同时拥有生殖、育幼、觅食、防御等全面的功能。蚁群也因此而最终成为一个真正意义上的“超个体”。自然选择作用上升到了蚁群这一更高的组织层次。蚂蚁得以在1.4亿年的生存竞争中获得优势，演化成为地球上极具优势的动物类群。（Nature Ecology&Evolution, 2022, doi.org/10.1038/s41559-022-01784-1）

江西发现野生纯种大鲵种群

对物种种群的了解和对物种的正确划分是濒危物种保护的基础。缺乏科学认识和指导的保护行动可能反而会加速物种的灭绝。虽然国内高度重视中国大鲵的保护，并采取了有力的保护行动，但这均是基于学界长期对其“一个物种”的认知。然而，近年来基因组技术的发展和应用却让动物学家得知，中国大鲵由5—8个遗传分化显著的物种组成（线粒体分化时间估计近似人与黑猩猩、大猩猩之间的差异）。多年来的大鲵商业经济化养殖造成了全国范围内的人为物种迁移和杂交，引入种群的增殖放流行动加速了需要被保护群体的遗传混杂。中国大鲵的保护陷入极大的困境之中。野生纯种自然种群难觅，大量混合个体囤积在商业养殖场中。不科学的保护行动反而加速了过去未被认识的小种群物种的灭绝。尽管过去已正式描述了两个物种，即传统的中国大鲵（Andrias davidianus）和新近恢复有效性的华南大鲵（A. sligoi），然而无论是这两个已定名的国内大鲵物种还是其他未被描述的物种，其物种分布范围和种群大小都不得而知，这也让目前的保护行动难以开展。寻找到未受到杂交污染的大鲵原生种群，进而确定各物种的分布和濒危状况，是突破当下保护困境的关键。经过长期不懈的努力，科学家在江西九岭山国家级自然保护区内发现了纯种大鲵野生种群。综合形态学和遗传分化证据，研究人员将其描述为一新种——江西大鲵（Andrias jiangxiensissp. nov.）。基因组水平数据（简化基因组SNPs）分析显示，该种群遗传分化显著且未受到其他省区大鲵的杂交污染。采用标记－重捕的方法，为期18个月的野外监测共记录成体、亚成体和新孵化的幼鲵在内的700余尾个体，并连续两年观察到野外繁殖现象。成体和亚成体的目击频率显著高于保护区外的目击频率，甚至高于日本大鲵和美洲大鲵的野外目击频率。江西大鲵是目前我国首个遗传身份明确且野外稳定繁殖的大鲵纯种种群，同时也是我国首个可记录大鲵完整自然生活史的野外种群，为系统收集物种的基础生物学和栖息地生态学资料等提供了宝贵的机会。这些基础研究数据是评估其濒危程度、制定相应保护行动计划的重要依据。纯种江西大鲵的发现为中国大鲵的保护带来了希望，以此为基础，进一步在全国范围内的重点关注保护区中开展系统的野外调查，有望发现更多类似的纯种野生群体，避免物种在被描述前就走向灭绝。（Zoological Research, 2022, 43(3):469-480）

于绝境中保护全球最濒危的龟鳖类物种

斑鳖（Rafetus swinhoei）是地球上现存体型最大的鳖类物种，其背甲长度可达1.5米、体重可达115公斤。斑鳖也是目前最濒危的龟鳖类物种。在2019年初，全球已经明确记录的斑鳖个体仅4只，分别保存于我国（一雌一雄）和越南（2只但性别不明）。2019年4月，存活于我国的唯一一只确定性别的雌性斑鳖个体死亡，使该物种的保护繁育和拯救工作几乎陷入绝境，斑鳖的未来和持续生存受到国内外的广泛关注。尽管2020年底越南再度发现1只雌性斑鳖，为物种的种群恢复重燃希望，但斑鳖濒临灭绝的现状依然存在。长江下游和太湖流域的斑鳖种群在2019年后实际上已宣告生物学灭绝，而红河流域的斑鳖种群也仅在越南确定有3只（含1只雌性个体）。目前，寻找野外幸存斑鳖的工作仍在艰难进行中，这是拯救斑鳖的关键。国内动物学家一直不遗余力地在云南境内红河流域探寻野外可能幸存的斑鳖，并继续寻求与越南有关方面的合作。为了避免雌性斑鳖基因组遗传信息永远丢失，也为了推动斑鳖的调查和保护工作的继续，研究人员在雌性死亡斑鳖的病理解剖检查过程中采集了该个体的组织样品，成功组装出了该个体染色体水平的高质量参考基因组序列。组装的基因组大小为2.24Gb，Scaffold N50长度为131.98Mb。研究人员预测出了26646个高质量的蛋白编码基因，还通过染色体分析明确了其ZZ/ZW的性别决定系统。基于多种数据集和系统发育树的构建算法，研究人员发现斑鳖与中华鳖（Pelodiscus sinensis）亲缘关系密切，两者于5440万年前开始分道扬镳。种群历史分析表明斑鳖的有效群体在历史上呈现出连续下降的趋势，这与其遗传杂合度和遗传多样性低相一致。比较基因组学分析表明，一些与自噬、DNA损伤反应和生长过程相关的核心基因发生正选择或快速进化，暗示它们在斑鳖长寿命和大体型等过程中具有重要的功能。此外，研究人员发现与牙齿形成相关的一些基因在斑鳖基因组中是缺失的，这部分解释了它们无牙表型的遗传基础。 斑鳖全基因组遗传信息的解析和分析，为该物种保留了全基因组信息（雌性斑鳖ZW杂合子全基因组遗传信息尤为珍贵）。存留这些信息有助于设计更为灵敏、专一、特异有效的遗传分子探针，帮助动物保护学家们在野外调查中利用环境DNA方法快速检测、寻找、发现和识别更多潜在的野生斑鳖个体。（Molecular Ecology Resources, 2022, 22(5):1972-1985）