科技进展
这一年,中国“大农业”里那些高科技
2020-01-05 20:03 新闻来源:中国科学报 浏览人次:

   今年,我国“大农业”科研领域又诞生了诸多令人惊奇的发现,每一条都与我们息息相关。它们涵盖了观赏农业、林业、作物、医学等各个领域,包括睡莲、玉米、硅藻等进展。为了展现这些成就,本报特此就我国农业科学家今年发表的大部分重要论文进行梳理,以飨读者。

  建立水稻无融合生殖体系

  《自然—生物技术》

  1月4日,中国水稻研究所研究员王克剑等在《自然—生物技术》上发表文章,利用基因编辑技术在杂交水稻中同时敲除4个水稻生殖相关基因,建立了水稻无融合生殖体系,得到杂交稻克隆种子,实现了杂合基因型固定。

  研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在籼粳杂交稻品种“春优84”中同时敲除 PAIR1、REC8、OSD1 和 MTL 等4个内源基因,获得了可以发生无融合生殖的Fix材料。Fix 植株在营养生长阶段表现正常,但育性明显下降。通过细胞倍性检测,在其子代中获得了细胞倍性为二倍体且基因型与亲本完全一致的植株,这些F2代植株的表型也与其F1代杂交稻高度相似。

  点评:无融合生殖是一种通过种子进行无性繁殖的生殖方式,可以随着世代更迭而不改变杂交品种的杂合基因型,从而实现杂种优势固定,有望给农业生产带来一次新的革命。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41587-018-0003-0

  马铃薯自交衰退遗传机制解析

  《自然—遗传学》

  1月14日,《自然—遗传学》在线发表了云南师范大学马铃薯科学研究院与中国农业科学院农业基因组研究所共同完成的马铃薯自交衰退遗传机制解析成果。

  研究人员开发了一套不依赖于亲本的基因分型方法。基于该方法,在3个群体中鉴定了15个极端偏分离的区域,暗示这些区域含有大效应的有害突变。结合表型分析,鉴定了5个纯合致死位点以及4个影响长势的位点。这些大效应的有害突变主要位于重组率比较高的区域,说明可以通过遗传重组将它们有效清除。

  点评:本研究为二倍体马铃薯分子设计育种提供了理论基础,也为解析其他无性繁殖作物的自交衰退提供了借鉴。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-018-0319-1

  水稻单碱基编辑系统脱靶效应

  《科学》

  2月28日,中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞研究组在植物中对BE3、HF1-BE3与ABE单碱基编辑系统的特异性进行了全基因组水平评估,首次在体内利用全基因组测序技术全面分析和比较了这三种单碱基编辑系统在基因组水平上的脱靶效应,相关成果发表于《科学》。

  研究发现经过单碱基编辑系统处理后,基因组内的插入或删除突变的数量与对照组相比没有显著变化,但是BE3与HF1-BE3,无论是在有无sgRNA的情况下,均可在水稻基因组中造成大量的单核苷酸变异(SNVs),且大部分为C>T类型的碱基突变。

  点评:该工作创新性地利用相似遗传背景的克隆植物及全基因组重测序解决了以前大量异质细胞序列分析的复杂性。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aaw7166

  长绒“奢侈棉”形成遗传机制

  《自然—遗传学》

  3月18日,《自然—遗传学》在线发表了浙江大学教授张天真牵头的研究论文,报道了陆地棉和海岛棉的起源和种间分化的遗传机制,揭示了陆地棉广适性、长绒海岛棉优质的遗传基础。

  研究组装出陆地棉遗传标准系TM-1和我国自育的海岛棉品种Hai7124染色体水平基因组,由此基因组完整性,尤其在重复序列富集的着丝粒区域组装完整性有了大幅提升。比较分析发现,特异基因表达、扩增和染色体结构变异是海陆驯化后分化的主要原因。

  点评:该研究从基因组层面找到海岛棉与陆地棉的差异,对未来培育高产、纤维优良、适应性强的棉花新品种提供了有力的理论支持。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-019-0371-5

  RNA为模板首次实现植物

  同源重组修复

  《自然—生物技术》

  3月18日,中国农业科学院作物科学研究所等机构的研究人员,使用RNA作为同源重组修复的模板,并分别利用核酶自切割和具有RNA/DNA双重切割能力的基因编辑系统,获得后代无转基因成分的抗ALS抑制剂类除草剂水稻植株。

  该研究在植物中首次利用RNA作为同源重组修复模板,开辟了利用植物RNA作为同源供体模板进行同源修复的新思路。与通常使用的DNA模板不同,RNA模板可以在体内通过植物自身的转录系统持续产生,为同源重组修复提供更多的模板。

  点评:本研究有望解决目前植物同源重组频率低下的难题,加速通过基因编辑技术,精准改良农作物重要农艺性状,进而定向创制农作物新种质的育种进程。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41587-019-0065-7

  水稻亚种与根系微生物组互作关系

  《自然—生物技术》

  4月29日,《自然—生物技术》在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员白洋、储成才课题组合作的研究论文,揭示了水稻亚种间根系微生物组与其氮肥利用效率的关系,证明了NRT1.1B(水稻肽转运蛋白家族的成员之一)在调控水稻根系微生物组的关键作用。

  研究通过比较田间生长的68个籼稻和27个粳稻品种,发现籼稻和粳稻形成了截然不同的根系微生物组。通过遗传学实验,发现NRT1.1B的缺失和自然变异显著影响水稻根系微生物组。

  点评:该成果为研究根系微生物组与水稻互作及功能奠定了重要基础,也为应用有益微生物、减少氮肥的施用提供了参考。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41587-019-0104-4

  质量最高热带玉米参考基因组

  《自然—遗传学》

  5月31日,华中农业大学教授严建兵团队在《自然—遗传学》发表文章,公布了迄今为止质量最高的热带玉米参考基因组,并公布了首份玉米结构变异图谱,结合这些信息首次克隆到影响籽粒重量自然变异的关键基因。

  研究人员利用ZHENG58和热带小粒玉米品种SK构建的重组自交系群体,定位到了一个同时控制粒型和粒重的位点及其所在的基因ZmBAM1d,该基因正向调控玉米粒重。他们进一步将SK和B73的ZmBAM1d 基因区域进行比较,发现了与粒重表型直接相关的结构变异。

  点评:本发现对热带玉米优势抗逆性状的遗传学研究意义重大,是玉米优势农艺性状相关基因得到更充分挖掘的必要前提。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-019-0427-6

  找到抵抗小麦“癌症”关键基因

  《自然—遗传学》

  6月10日,南京农业大学教授马正强团队在《自然—遗传学》上发表论文,通过图位克隆的方式,找到了抵抗小麦“癌症”赤霉病的关键基因Fhb1。

  Fhb1是小麦中目前已知的最重要抗赤霉病QTL,具有最强的抗扩展效应,还可降低籽粒中真菌毒素积累。将其导入到中感或高感赤霉病小麦品种中,抗赤霉病扩展能力的提高幅度达76%。

  点评:本研究为进一步揭示小麦抗赤霉病的分子机制奠定了重要基础。Fhb1基因将大大提高小麦抗赤霉病育种效率,在其他植物中利用该基因也有可能提高抗病能力。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-019-0426-7

  驯鹿适应北极环境分子机制

  《科学》

  6月21日,西北工业大学教授王文、邱强及中国农业科学院特产研究所副研究员李志鹏等联合国内外研究团队,揭示了驯鹿适应北极环境的分子机制。相关成果发表于《科学》。

  研究人员发现驯鹿的节律通路中的核心调控基因(PER2)发生了特异性突变,导致PER2基因与另一个节律核心基因无法结合。这让驯鹿丧失了昼夜节律分子钟,从而能适应北极极昼和极夜的环境。研究还发现驯鹿维生素D代谢通路中的两个关键基因,使得驯鹿对钙的吸收能力大大增强。

  点评:这些结果让人们对极地动物的适应性有了更全面、深入的了解,为维生素D对钙沉积影响、生物钟调控治疗人类睡眠障碍等一些人类健康问题的解决提供了重要线索。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aav6312

  反刍动物的起源与进化

  《科学》

  6月21日,西北工业大学、中国科学院昆明动物研究所等在《科学》在线发文,对44种反刍动物的基因组进行了从头组装,代表了跨越所有六个家族的36个属。

  结合五个先前发表的bovid基因组、两个已发表的cervid基因组,以及最近更新的化石信息,该研究构建了该组的时间校准系统发育树,分析了物种种群历史,并研究了这些物种基因组进化。

  点评:该研究结果不仅为了解这一重要哺乳动物群体的起源和进化及其特殊性状提供了数据,而且还具有将反刍家畜基因组资源置于进化背景和保护反刍动物生物多样性的意义。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aav6202

  解码植物感应盐胁迫信号机理

  《自然》

  7月31日,《自然》在线发表了深圳大学教授胡章立、杜克大学裴真明课题组的合作论文。该研究首次发现了植物盐受体糖基肌醇磷酸神经酰胺(GIPC),并揭示了其作用机制。

  研究从寻找植物细胞感知盐胁迫的受体基因出发,解码了植物感应盐胁迫信号的分子机理,对进一步揭示植物适应全球环境变化的生理生态效应及分子机制具有重大的理论意义与应用价值。

  点评:在全球及我国耕地盐碱化面积增加导致粮食严重减产以及植物生态退化的现状下,该研究对培育抗盐农作物有极其广泛的应用前景,有利于提升我国的粮食和生态安全。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1449-z

  首次阐明硅藻超级捕光结构

  《科学》

  8月2日,《科学》杂志在线发表了来自中国科学院植物研究所沈建仁、匡廷云团队与清华大学隋森芳团队合作成果。

  该研究利用单颗粒冷冻电镜技术解析了一种中心纲硅藻——Chaetoceros gracilis的PSII-FCPII超级复合体的3.0埃分辨率的三维结构,这也是国际上首次报道硅藻光系统—捕光天线超级复合体的结构。

  点评:本研究为阐明硅藻PSII-FCPII超级复合体中独特的光能捕获、传递和转化以及高效的光保护机制提供了重要基础,为后续指导设计新型作物、提高作物的捕光和光保护效率提供了新思路。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aax4406

  定位让玉米更紧凑的基因

  《科学》

  8月16日,《科学》在线发表了中国农业大学教授田丰课题组的研究成果。

  该研究发现两个主效QTL-UPA1和UPA2分别是参与油菜素内酯(BR)合成途径的基因brd1和具有比玉米叶片发育基因DRL1更强的结合能力。

  点评:该研究从玉米野生祖先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,为玉米理想株型分子育种、培育密植高产品种提供了理论和实践基础。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aax5482

  绘制菠萝驯化基因组图谱

  《自然—遗传学》

  9月30日,福建农林大学教授明瑞光团队在高质量菠萝基因组与菠萝驯化机制研究方面取得进展。相关论文发表于《自然—遗传学》。

  研究人员证明菠萝驯化过程是有性生殖和“一步到位”共同起作用的。这是首次用大规模基因组序列数据来验证“一步到位”假说。

  点评:该发现在概念上是全新的,并为如何研究有性和无性生殖过程对于无性繁殖作物家驯化的作用提供范例,为应用基因组选择快速驯化无性繁殖作物提供了理论依据。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-019-0506-8

  新机制“狙击”玉米纹枯病

  《自然—遗传学》

  9月30日,《自然—遗传学》在线发表了山东农业大学教授储昭辉、华中农业大学教授严建兵课题组的研究成果。他们从玉米中克隆了针对纹枯病的抗病基因,并揭示了该基因产物通过调控细胞壁重要组分木质素合成而增强植物抗病性的新机制。

  科研团队发现ZmFBL41基因与抗性的关联最为显著。在ZmFBL41基因内部两个关键氨基酸变异后,木质素可源源不断填补细胞壁,从而增强植物自身的抗病性。

  点评:该研究不仅实现了对纹枯病抗性资源的筛选、抗病基因的鉴定与克隆,而且阐释了植物对死体营养型病害抗性的全新分子机制。其成果能较快地借鉴到其他作物上。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-019-0503-y

  非洲猪瘟病毒结构现身

  《科学》

  10月17日,中国科学院生物物理研究所研究员饶子和、王祥喜及中国农业科学院哈尔滨兽医研究所研究员步志高解析了非洲猪瘟病毒(ASFV)衣壳结构,为非洲猪瘟疫苗开发开辟了新途径。相关成果发表于《科学》。

  该研究使用优化的图像重建策略,解析了高达4.1埃的ASFV衣壳结构,包括一个主要(p72)和四个次要的衣壳蛋白质(M1249L、p17、p49和H240R),并被组织为pentasymmetrons。

  点评:这些结构细节揭示了衣壳稳定性和组装的基础,为非洲猪瘟疫苗开发开辟了新途径。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aaz1439

  植物基因组与物种进化

  《自然》

  10月23日,由华大基因领衔的“千种植物转录组计划”(1KP)联盟在《自然》在线发表了植物物种进化研究成果。

  来自世界各地的近200名植物科学家组成的国际联盟,历时9年时间,研究发布了1178种植物转录组测序成果,这些植物跨越了绿色植物的多样性,包括绿色植物、青藻、红藻(Rhodophyta)以及31种植物基因组。

  点评:该研究为检查绿色植物的进化提供了一个强大的系统生物学框架。高质量植物基因组序列的可用性不断提高以及功能基因组学的进步,使人们能够在整个生命之树上进行基因组进化的研究。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1693-2

  能量转化“阀门”真实结构

  《自然》

  10月23日,中国农业科学院生物技术研究所研究员程奇等联合国内外相关单位在《自然》在线发表叶绿素生物合成关键酶三维结构解析论文。

  该成果首次解析了叶绿素生物合成关键酶——光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶(LPOR)的三维晶体结构,揭开了光合作用终极能量来源的生物学转化“阀门”真实结构。

  点评:这项研究填补了近一百年来光合作用途径中叶绿素生物合成关键酶的三维结构的空白,为植物如何利用光能驱动酶催化提供了重要信息,也为定量的能量转化反应精细计算分析铺平了道路。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1685-2

  “甜蜜”基因进化“殊途同归”

  《自然—遗传学》

  11月2日,《自然—遗传学》在线发表了两项由中国农业科学院领衔的瓜类作物基因组研究成果。科研团队分别构建出甜瓜和西瓜的全基因组变异图谱,揭示了其驯化历史“族谱”。

  研究团队构建了世界首个甜瓜全基因组变异图谱,勾勒出甜瓜复杂的驯化历史。甜瓜可能发生过3次独立的驯化事件,都导致野生甜瓜失去苦味和酸味并获得了甜味。

  另一支团队完成了高质量的西瓜基因组序列图谱,首次明确了西瓜7个种之间的进化关系,并发现野生黏籽西瓜是与现代栽培西瓜亲缘关系最近的种群,也发现了利用野生西瓜进行抗性改良的基因组痕迹。

  点评:甜瓜西瓜驯化历史的揭示和相关基因位点的发现,将为甜瓜西瓜生物学研究和分子育种遗传改良提供新的工具和数据支撑。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-019-0522-8

  https://doi.org/10.1038/s41588-019-0518-4

  土传病害噬菌体疗法的微生态机制

  《自然—生物技术》

  12月2日,南京农业大学教授沈其荣团队在利用噬菌体定向调控土壤菌群—防控土传青枯病领域取得进展,成果发表于《自然—生物技术》。

  研究表明,噬菌体不仅可以“专性猎杀”和“精准靶向”土传青枯病的病原菌,降低其生存竞争能力,还能重新调整根际土壤菌群结构,恢复群落多样性,增加群落中拮抗有益菌的丰度。

  点评:本研究将为应用推广噬菌体疗法作为精准靶控、生态安全的土传病害防治措施提供重要的理论依据。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41587-019-0328-3

  新算法将基因测序速度提升5倍

  《自然—方法学》

  12月10日,中国农业科学院农业基因组研究所阮珏团队在《自然—方法学》上发表第三代测序数据组装算法wtdbg。该算法极大地提高了三代基因测序数据的分析效率。

  实验证实,与2019年4月1日发表在《自然—生物技术》上的Flye算法相比,该算法分析速度提升了5倍,并首次将测序数据分析时间降低到少于测序数据产出时间,同时实现了相当的连续性和准确性。它代表了算法上的重大进步,并为将来群体规模的组装分析铺平道路。

  点评:基因组学技术飞速进步既源于测序技术的发展,也依赖于数据分析技术的提高。wtdbg和即将推出的工具可能会从根本上改变当前测序数据分析的实践。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41592-019-0669-3

  睡莲花开色香全

  《自然》

  12月19日,《自然》在线发表了福建农林大学教授张亮生及合作者关于蓝星睡莲的研究成果。作者揭示了蓝星睡莲的高质量基因组,并通过系统发育组分析显示睡莲和无油樟属于早期被子植物类群,支持无油樟是最早的被子植物类群。

  研究发现睡莲的ABC基因在各个花器官中具有广泛的表达谱,表明早期被子植物的ABC基因可能具有广泛的表达,只是在单子叶和核心双子叶中严格表达,是后期进化出来的。该研究还推测了睡莲花色和花香的合成途径基因。

  点评:该研究对园艺植物分子育种等应用具有重要参考价值,蓝色花瓣的合成关键基因的发现可以作为培育蓝色花瓣花卉的候选基因。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1852-5

  构建普通菜豆核心种质

  《自然—遗传学》

  12月23日,中国农业科学院作物科学研究所等单位在《自然—遗传学》发表论文,对来自19个国家的683份普通菜豆资源的全基因组进行重测序,并开展主要农艺性状的表型鉴定,明确了普通菜豆种质资源的遗传多样性和群体结构特点。

  该研究连续3年分别在4个地点开展基本农艺性状、产量性状、病虫害、籽粒特性等20余个表型的精准鉴定。同时,对核心种质进行了全基因组重测序,分析了普通菜豆种质资源的基因组变异,构建了首张包含480万个单核苷酸多态性的高密度、精确的单倍型图谱。

  点评:该研究为普通菜豆的基因发掘与遗传改良研究提供了海量的表型数据和基因型数据,促进了普通菜豆育种水平的跃升,推动了全基因组选择育种的发展。

Start at 2015-10-19 10:30 AM