科學網—這一年,中國「大農業」裡那些高科技

野生玉米大芻草、SK、現代玉米自交系ZHENG58的籽粒形態及百粒重

 

反芻動物基因組研究登上《科學》封面

 

Fhb1導入顯著提高小麥品種的赤黴病抗性(掛牌的標示單花接種赤黴菌後的穗子）

 

多樣的睡蓮

 

秈稻和粳稻富集了不同的根系微生物組，這些微生物與水稻氮肥利用效率有關。

今年，我國「大農業」科研領域又誕生了諸多令人驚奇的發現，每一條都與我們息息相關。它們涵蓋了觀賞農業、林業、作物、醫學等各個領域，包括睡蓮、玉米、硅藻等進展。為了展現這些成就，本報特此就我國農業科學家今年發表的大部分重要論文進行梳理，以饗讀者。

■本報記者 馮麗妃 王方

建立水稻無融合生殖體系

《自然—生物技術》

1月4日，中國水稻研究所研究員王克劍等在《自然—生物技術》上發表文章，利用基因編輯技術在雜交水稻中同時敲除4個水稻生殖相關基因，建立了水稻無融合生殖體系，得到雜交稻克隆種子，實現了雜合基因型固定。

研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術在秈粳雜交稻品種「春優84」中同時敲除 PAIR1、REC8、OSD1 和 MTL 等4個內源基因，獲得了可以發生無融合生殖的Fix材料。Fix 植株在營養生長階段表現正常，但育性明顯下降。通過細胞倍性檢測，在其子代中獲得了細胞倍性為二倍體且基因型與親本完全一致的植株，這些F2代植株的表型也與其F1代雜交稻高度相似。

點評：無融合生殖是一種通過種子進行無性繁殖的生殖方式，可以隨著世代更迭而不改變雜交品種的雜合基因型，從而實現雜種優勢固定，有望給農業生產帶來一次新的革命。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-018-0003-0

馬鈴薯自交衰退遺傳機制解析

《自然—遺傳學》

1月14日，《自然—遺傳學》在線發表了雲南師範大學馬鈴薯科學研究院與中國農業科學院農業基因組研究所共同完成的馬鈴薯自交衰退遺傳機制解析成果。

研究人員開發了一套不依賴於親本的基因分型方法。基於該方法，在3個群體中鑑定了15個極端偏分離的區域，暗示這些區域含有大效應的有害突變。結合表型分析，鑑定了5個純合致死位點以及4個影響長勢的位點。這些大效應的有害突變主要位於重組率比較高的區域，說明可以通過遺傳重組將它們有效清除。

點評：本研究為二倍體馬鈴薯分子設計育種提供了理論基礎，也為解析其他無性繁殖作物的自交衰退提供了借鑑。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-018-0319-1

水稻單鹼基編輯系統脫靶效應

《科學》

2月28日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員高彩霞研究組在植物中對BE3、HF1-BE3與ABE單鹼基編輯系統的特異性進行了全基因組水平評估，首次在體內利用全基因組測序技術全面分析和比較了這三種單鹼基編輯系統在基因組水平上的脫靶效應，相關成果發表於《科學》。

研究發現經過單鹼基編輯系統處理後，基因組內的插入或刪除突變的數量與對照組相比沒有顯著變化，但是BE3與HF1-BE3，無論是在有無sgRNA的情況下，均可在水稻基因組中造成大量的單核苷酸變異(SNVs)，且大部分為C>T類型的鹼基突變。

點評：該工作創新性地利用相似遺傳背景的克隆植物及全基因組重測序解決了以前大量異質細胞序列分析的複雜性。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aaw7166

長絨「奢侈棉」形成遺傳機制

《自然—遺傳學》

3月18日，《自然—遺傳學》在線發表了浙江大學教授張天真牽頭的研究論文，報導了陸地棉和海島棉的起源和種間分化的遺傳機制，揭示了陸地棉廣適性、長絨海島棉優質的遺傳基礎。

研究組裝出陸地棉遺傳標準系TM-1和我國自育的海島棉品種Hai7124染色體水平基因組，由此基因組完整性，尤其在重複序列富集的著絲粒區域組裝完整性有了大幅提升。比較分析發現，特異基因表達、擴增和染色體結構變異是海陸馴化後分化的主要原因。

點評：該研究從基因組層面找到海島棉與陸地棉的差異，對未來培育高產、纖維優良、適應性強的棉花新品種提供了有力的理論支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0371-5

RNA為模板首次實現植物

同源重組修復

《自然—生物技術》

3月18日，中國農業科學院作物科學研究所等機構的研究人員，使用RNA作為同源重組修復的模板，並分別利用核酶自切割和具有RNA/DNA雙重切割能力的基因編輯系統，獲得後代無轉基因成分的抗ALS抑制劑類除草劑水稻植株。

該研究在植物中首次利用RNA作為同源重組修復模板，開闢了利用植物RNA作為同源供體模板進行同源修復的新思路。與通常使用的DNA模板不同，RNA模板可以在體內通過植物自身的轉錄系統持續產生，為同源重組修復提供更多的模板。

點評：本研究有望解決目前植物同源重組頻率低下的難題，加速通過基因編輯技術，精準改良農作物重要農藝性狀，進而定向創製農作物新種質的育種進程。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0065-7

水稻亞種與根系微生物組互作關係

《自然—生物技術》

4月29日，《自然—生物技術》在線發表了中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員白洋、儲成才課題組合作的研究論文，揭示了水稻亞種間根系微生物組與其氮肥利用效率的關係，證明了NRT1.1B（水稻肽轉運蛋白家族的成員之一）在調控水稻根系微生物組的關鍵作用。

研究通過比較田間生長的68個秈稻和27個粳稻品種，發現秈稻和粳稻形成了截然不同的根系微生物組。通過遺傳學實驗，發現NRT1.1B的缺失和自然變異顯著影響水稻根系微生物組。

點評：該成果為研究根系微生物組與水稻互作及功能奠定了重要基礎，也為應用有益微生物、減少氮肥的施用提供了參考。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0104-4

質量最高熱帶玉米參考基因組

《自然—遺傳學》

5月31日，華中農業大學教授嚴建兵團隊在《自然—遺傳學》發表文章，公布了迄今為止質量最高的熱帶玉米參考基因組，並公布了首份玉米結構變異圖譜，結合這些信息首次克隆到影響籽粒重量自然變異的關鍵基因。

研究人員利用ZHENG58和熱帶小粒玉米品種SK構建的重組自交系群體，定位到了一個同時控制粒型和粒重的位點及其所在的基因ZmBAM1d，該基因正向調控玉米粒重。他們進一步將SK和B73的ZmBAM1d 基因區域進行比較，發現了與粒重表型直接相關的結構變異。

點評：本發現對熱帶玉米優勢抗逆性狀的遺傳學研究意義重大，是玉米優勢農藝性狀相關基因得到更充分挖掘的必要前提。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0427-6

找到抵抗小麥「癌症」關鍵基因

《自然—遺傳學》

6月10日，南京農業大學教授馬正強團隊在《自然—遺傳學》上發表論文，通過圖位克隆的方式，找到了抵抗小麥「癌症」赤黴病的關鍵基因Fhb1。

Fhb1是小麥中目前已知的最重要抗赤黴病QTL，具有最強的抗擴展效應，還可降低籽粒中真菌毒素積累。將其導入到中感或高感赤黴病小麥品種中，抗赤黴病擴展能力的提高幅度達76%。

點評：本研究為進一步揭示小麥抗赤黴病的分子機制奠定了重要基礎。Fhb1基因將大大提高小麥抗赤黴病育種效率，在其他植物中利用該基因也有可能提高抗病能力。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0426-7

馴鹿適應北極環境分子機制

《科學》

6月21日，西北工業大學教授王文、邱強及中國農業科學院特產研究所副研究員李志鵬等聯合國內外研究團隊，揭示了馴鹿適應北極環境的分子機制。相關成果發表於《科學》。

研究人員發現馴鹿的節律通路中的核心調控基因（PER2）發生了特異性突變，導致PER2基因與另一個節律核心基因無法結合。這讓馴鹿喪失了晝夜節律分子鐘，從而能適應北極極晝和極夜的環境。研究還發現馴鹿維生素D代謝通路中的兩個關鍵基因，使得馴鹿對鈣的吸收能力大大增強。

點評：這些結果讓人們對極地動物的適應性有了更全面、深入的了解，為維生素D對鈣沉積影響、生物鐘調控治療人類睡眠障礙等一些人類健康問題的解決提供了重要線索。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aav6312

反芻動物的起源與進化

《科學》

6月21日，西北工業大學、中國科學院昆明動物研究所等在《科學》在線發文，對44種反芻動物的基因組進行了從頭組裝，代表了跨越所有六個家族的36個屬。

結合五個先前發表的bovid基因組、兩個已發表的cervid基因組，以及最近更新的化石信息，該研究構建了該組的時間校準系統發育樹，分析了物種種群歷史，並研究了這些物種基因組進化。

點評：該研究結果不僅為了解這一重要哺乳動物群體的起源和進化及其特殊性狀提供了數據，而且還具有將反芻家畜基因組資源置於進化背景和保護反芻動物生物多樣性的意義。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aav6202

解碼植物感應鹽脅迫信號機理

《自然》

7月31日，《自然》在線發表了深圳大學教授胡章立、杜克大學裴真明課題組的合作論文。該研究首次發現了植物鹽受體糖基肌醇磷酸神經醯胺（GIPC），並揭示了其作用機制。

研究從尋找植物細胞感知鹽脅迫的受體基因出發，解碼了植物感應鹽脅迫信號的分子機理，對進一步揭示植物適應全球環境變化的生理生態效應及分子機制具有重大的理論意義與應用價值。

點評：在全球及我國耕地鹽鹼化面積增加導致糧食嚴重減產以及植物生態退化的現狀下，該研究對培育抗鹽農作物有極其廣泛的應用前景，有利於提升我國的糧食和生態安全。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1449-z

首次闡明硅藻超級捕光結構

《科學》

8月2日，《科學》雜誌在線發表了來自中國科學院植物研究所沈建仁、匡廷雲團隊與清華大學隋森芳團隊合作成果。

該研究利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了一種中心綱硅藻——Chaetoceros gracilis的PSII-FCPII超級複合體的3.0埃解析度的三維結構，這也是國際上首次報導硅藻光系統—捕光天線超級複合體的結構。

點評：本研究為闡明硅藻PSII-FCPII超級複合體中獨特的光能捕獲、傳遞和轉化以及高效的光保護機制提供了重要基礎，為後續指導設計新型作物、提高作物的捕光和光保護效率提供了新思路。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aax4406

定位讓玉米更緊湊的基因

《科學》

8月16日，《科學》在線發表了中國農業大學教授田豐課題組的研究成果。

該研究發現兩個主效QTL-UPA1和UPA2分別是參與油菜素內酯（BR）合成途徑的基因brd1和具有比玉米葉片發育基因DRL1更強的結合能力。

點評：該研究從玉米野生祖先種大芻草中克隆了控制玉米緊湊株型、密植增產的關鍵基因，建立了玉米緊湊株型的分子調控網絡，為玉米理想株型分子育種、培育密植高產品種提供了理論和實踐基礎。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aax5482

繪製菠蘿馴化基因組圖譜

《自然—遺傳學》

9月30日，福建農林大學教授明瑞光團隊在高質量菠蘿基因組與菠蘿馴化機制研究方面取得進展。相關論文發表於《自然—遺傳學》。

研究人員證明菠蘿馴化過程是有性生殖和「一步到位」共同起作用的。這是首次用大規模基因組序列數據來驗證「一步到位」假說。

點評：該發現在概念上是全新的，並為如何研究有性和無性生殖過程對於無性繁殖作物家馴化的作用提供範例，為應用基因組選擇快速馴化無性繁殖作物提供了理論依據。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0506-8

新機制「狙擊」玉米紋枯病

《自然—遺傳學》

9月30日，《自然—遺傳學》在線發表了山東農業大學教授儲昭輝、華中農業大學教授嚴建兵課題組的研究成果。他們從玉米中克隆了針對紋枯病的抗病基因，並揭示了該基因產物通過調控細胞壁重要組分木質素合成而增強植物抗病性的新機制。

科研團隊發現ZmFBL41基因與抗性的關聯最為顯著。在ZmFBL41基因內部兩個關鍵胺基酸變異後，木質素可源源不斷填補細胞壁，從而增強植物自身的抗病性。

點評：該研究不僅實現了對紋枯病抗性資源的篩選、抗病基因的鑑定與克隆，而且闡釋了植物對死體營養型病害抗性的全新分子機制。其成果能較快地借鑑到其他作物上。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0503-y

非洲豬瘟病毒結構現身

《科學》

10月17日，中國科學院生物物理研究所研究員饒子和、王祥喜及中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所研究員步志高解析了非洲豬瘟病毒（ASFV）衣殼結構，為非洲豬瘟疫苗開發開闢了新途徑。相關成果發表於《科學》。

該研究使用優化的圖像重建策略，解析了高達4.1埃的ASFV衣殼結構，包括一個主要（p72）和四個次要的衣殼蛋白質（M1249L、p17、p49和H240R），並被組織為pentasymmetrons。

點評：這些結構細節揭示了衣殼穩定性和組裝的基礎，為非洲豬瘟疫苗開發開闢了新途徑。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aaz1439

植物基因組與物種進化

《自然》

10月23日，由華大基因領銜的「千種植物轉錄組計劃」（1KP）聯盟在《自然》在線發表了植物物種進化研究成果。

來自世界各地的近200名植物科學家組成的國際聯盟，歷時9年時間，研究發布了1178種植物轉錄組測序成果，這些植物跨越了綠色植物的多樣性，包括綠色植物、青藻、紅藻（Rhodophyta）以及31種植物基因組。

點評：該研究為檢查綠色植物的進化提供了一個強大的系統生物學框架。高質量植物基因組序列的可用性不斷提高以及功能基因組學的進步，使人們能夠在整個生命之樹上進行基因組進化的研究。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1693-2

能量轉化「閥門」真實結構

《自然》

10月23日，中國農業科學院生物技術研究所研究員程奇等聯合國內外相關單位在《自然》在線發表葉綠素生物合成關鍵酶三維結構解析論文。

該成果首次解析了葉綠素生物合成關鍵酶——光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶（LPOR）的三維晶體結構，揭開了光合作用終極能量來源的生物學轉化「閥門」真實結構。

點評：這項研究填補了近一百年來光合作用途徑中葉綠素生物合成關鍵酶的三維結構的空白，為植物如何利用光能驅動酶催化提供了重要信息，也為定量的能量轉化反應精細計算分析鋪平了道路。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1685-2

「甜蜜」基因進化「殊途同歸」

《自然—遺傳學》

11月2日，《自然—遺傳學》在線發表了兩項由中國農業科學院領銜的瓜類作物基因組研究成果。科研團隊分別構建出甜瓜和西瓜的全基因組變異圖譜，揭示了其馴化歷史「族譜」。

研究團隊構建了世界首個甜瓜全基因組變異圖譜，勾勒出甜瓜複雜的馴化歷史。甜瓜可能發生過3次獨立的馴化事件，都導致野生甜瓜失去苦味和酸味並獲得了甜味。

另一支團隊完成了高質量的西瓜基因組序列圖譜，首次明確了西瓜7個種之間的進化關係，並發現野生黏籽西瓜是與現代栽培西瓜親緣關係最近的種群，也發現了利用野生西瓜進行抗性改良的基因組痕跡。

點評：甜瓜西瓜馴化歷史的揭示和相關基因位點的發現，將為甜瓜西瓜生物學研究和分子育種遺傳改良提供新的工具和數據支撐。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0522-8

https://doi.org/10.1038/s41588-0

19-0518-4

土傳病害噬菌體療法的微生態機制

《自然—生物技術》

12月2日，南京農業大學教授沈其榮團隊在利用噬菌體定向調控土壤菌群—防控土傳青枯病領域取得進展，成果發表於《自然—生物技術》。

研究表明，噬菌體不僅可以「專性獵殺」和「精準靶向」土傳青枯病的病原菌，降低其生存競爭能力，還能重新調整根際土壤菌群結構，恢復群落多樣性，增加群落中拮抗有益菌的豐度。

點評：本研究將為應用推廣噬菌體療法作為精準靶控、生態安全的土傳病害防治措施提供重要的理論依據。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0328-3

新算法將基因測序速度提升5倍

《自然—方法學》

12月10日，中國農業科學院農業基因組研究所阮珏團隊在《自然—方法學》上發表第三代測序數據組裝算法wtdbg。該算法極大地提高了三代基因測序數據的分析效率。

實驗證實，與2019年4月1日發表在《自然—生物技術》上的Flye算法相比，該算法分析速度提升了5倍，並首次將測序數據分析時間降低到少於測序數據產出時間，同時實現了相當的連續性和準確性。它代表了算法上的重大進步，並為將來群體規模的組裝分析鋪平道路。

點評：基因組學技術飛速進步既源於測序技術的發展，也依賴於數據分析技術的提高。wtdbg和即將推出的工具可能會從根本上改變當前測序數據分析的實踐。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41592-019-0669-3

睡蓮花開色香全

《自然》

12月19日，《自然》在線發表了福建農林大學教授張亮生及合作者關於藍星睡蓮的研究成果。作者揭示了藍星睡蓮的高質量基因組，並通過系統發育組分析顯示睡蓮和無油樟屬於早期被子植物類群，支持無油樟是最早的被子植物類群。

研究發現睡蓮的ABC基因在各個花器官中具有廣泛的表達譜，表明早期被子植物的ABC基因可能具有廣泛的表達，只是在單子葉和核心雙子葉中嚴格表達，是後期進化出來的。該研究還推測了睡蓮花色和花香的合成途徑基因。

點評：該研究對園藝植物分子育種等應用具有重要參考價值，藍色花瓣的合成關鍵基因的發現可以作為培育藍色花瓣花卉的候選基因。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1852-5

構建普通菜豆核心種質

《自然—遺傳學》

12月23日，中國農業科學院作物科學研究所等單位在《自然—遺傳學》發表論文，對來自19個國家的683份普通菜豆資源的全基因組進行重測序，並開展主要農藝性狀的表型鑑定，明確了普通菜豆種質資源的遺傳多樣性和群體結構特點。

該研究連續3年分別在4個地點開展基本農藝性狀、產量性狀、病蟲害、籽粒特性等20餘個表型的精準鑑定。同時，對核心種質進行了全基因組重測序，分析了普通菜豆種質資源的基因組變異，構建了首張包含480萬個單核苷酸多態性的高密度、精確的單倍型圖譜。

點評：該研究為普通菜豆的基因發掘與遺傳改良研究提供了海量的表型數據和基因型數據，促進了普通菜豆育種水平的躍升，推動了全基因組選擇育種的發展。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0546-0

《中國科學報》 (2019-12-31 第5版 農業科技)