生物學(xué)研究取得的巨大成就

生物學(xué)研究取得的巨大成就2024年度，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所科研人員在植物激素獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感知、植物修復(fù)損傷與再生、土壤中根系形態(tài)時(shí)空變化機(jī)制、細(xì)胞囊泡循環(huán)機(jī)制、早期胚胎發(fā)育脂質(zhì)圖譜、建立環(huán)境智能型高產(chǎn)-穩(wěn)產(chǎn)作物設(shè)計(jì)育種新策略、植物新品種創(chuàng)制等領(lǐng)域取得一系列重要進(jìn)展；在Cell、Science、NatureCellBiology、NatureBiotechnology等學(xué)術(shù)期刊上共發(fā)表SCI論文467篇，平均影響因子9.8，其中，以通訊作者發(fā)表在Cell、Nature、Science上5篇。相關(guān)領(lǐng)域重要進(jìn)展概述如下：一、重要理論發(fā)現(xiàn)01植物生長(zhǎng)發(fā)育分子機(jī)理

植物激素是植物體內(nèi)合成的一系列微量有機(jī)化合物，它們?cè)跇O低的濃度下就能對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育等生理過(guò)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。獨(dú)腳金內(nèi)酯是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種重要植物激素，在調(diào)控植物分枝(即分蘗)數(shù)目這種生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵性狀中發(fā)揮關(guān)鍵作用。李家洋團(tuán)隊(duì)的王冰等人闡明了水稻中由獨(dú)腳金內(nèi)酯受體D14介導(dǎo)的信號(hào)感知的激活、調(diào)控和終止機(jī)制，解決了獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感知機(jī)制的爭(zhēng)議問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)了在泛素化修飾和蛋白降解之間新的調(diào)控機(jī)制，揭示了D14通過(guò)磷酸化調(diào)控自身穩(wěn)定性的新機(jī)制以及該機(jī)制在水稻分蘗響應(yīng)低氮環(huán)境中的核心作用。通過(guò)改變D14的磷酸化狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)降低氮肥投入而不減少分蘗，對(duì)作物株型的精準(zhǔn)改良以及減肥增產(chǎn)水稻新品種的分子設(shè)計(jì)育種具有重要指導(dǎo)意義(Huetal.,

Cell)。乙烯作為一種氣態(tài)激素，在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)性方面發(fā)揮著重要的作用。植物如何通過(guò)感知體內(nèi)乙烯含量快速啟動(dòng)和關(guān)閉乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是一個(gè)重要的生物學(xué)問(wèn)題。張勁松團(tuán)隊(duì)以水稻乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)為模型，利用水稻乙烯信號(hào)負(fù)調(diào)控組分OsCTR2在響應(yīng)乙烯時(shí)快速發(fā)生的磷酸化變化作為信號(hào)激活和衰退的靈敏指標(biāo)，闡明了MHZ3在乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的雙重角色，即在沒(méi)有乙烯情況下MHZ3與乙烯受體互作促進(jìn)OsCTR2磷酸化，抑制信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；而在乙烯存在下，MHZ3與OsEIN2互作增強(qiáng)，穩(wěn)定OsEIN2使乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)處于激活狀態(tài)(圖1)。這項(xiàng)研究不僅為乙烯信號(hào)級(jí)聯(lián)的早期事件提供了重要見(jiàn)解，還可能為其他信號(hào)通路提供參考的概念范式(Lietal.,

NatCommun)。圖1

MHZ3調(diào)節(jié)乙烯信號(hào)開(kāi)關(guān)的工作模型在番茄中，防御激素茉莉酸主要調(diào)控植物對(duì)機(jī)械損傷、咀嚼式昆蟲(chóng)和死體營(yíng)養(yǎng)型病原菌的抗性反應(yīng)。李傳友團(tuán)隊(duì)與合作者發(fā)現(xiàn)乙烯信號(hào)途徑核心轉(zhuǎn)錄因子EIL在調(diào)控番茄品質(zhì)形成相關(guān)基因表達(dá)的同時(shí)，靶向激活茉莉酸代謝基因CYP94C1的表達(dá)，從而消減茉莉酸介導(dǎo)的抗性，回答了“為什么成熟的果實(shí)更容易受死體營(yíng)養(yǎng)型病原菌的侵害”。該研究不僅揭示了果實(shí)成熟過(guò)程中抗性降低的分子機(jī)理，而且為育種中解決品質(zhì)與抗性相矛盾的關(guān)系、減少采后損失提供了基因靶標(biāo)和技術(shù)手段(Yangetal.,

MolPlant)。煙素最初為從煙霧中鑒定的一類(lèi)有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的信號(hào)分子，調(diào)控植物的種子萌發(fā)、光形態(tài)建成、共生、環(huán)境適應(yīng)性等諸多過(guò)程。王磊團(tuán)隊(duì)與李家洋團(tuán)隊(duì)的王冰等人合作首次揭示了煙素信號(hào)途徑中的抑制蛋白SMAX1和SMXL2具有非轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性，發(fā)現(xiàn)了SMXL蛋白激活基因表達(dá)的新機(jī)制以及在煙素信號(hào)介導(dǎo)的紅光形態(tài)建成中發(fā)揮重要功能，對(duì)深入研究獨(dú)腳金內(nèi)酯以及其他激素信號(hào)途徑中關(guān)鍵抑制蛋白的新功能提供了借鑒(Changetal.,

MolPlant)。轉(zhuǎn)錄因子WUSCHEL(WUS)是維持植物莖尖分生組織中干細(xì)胞功能的核心因子，但是在轉(zhuǎn)錄后水平上，調(diào)控WUS蛋白穩(wěn)定性的分子機(jī)制仍不清楚。另外，植物莖尖分生組織大小與器官大小的分子聯(lián)系是仍未回答的科學(xué)問(wèn)題。李云海團(tuán)隊(duì)與合作者研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中具有肽酶活性的DA1可以切割WUS蛋白，影響WUS的蛋白穩(wěn)定性，從而調(diào)控莖尖分生組織和器官大小的重要機(jī)制。該研究首次揭示了DA1是調(diào)控WUS蛋白穩(wěn)定性的因子，同時(shí)揭示了DA1參與細(xì)胞分裂素信號(hào)途徑調(diào)控WUS蛋白穩(wěn)定性的分子機(jī)制，部分回答了大的莖尖分生組織可能產(chǎn)生大的組織器官的科學(xué)問(wèn)題，為提高作物產(chǎn)量提供了理論基礎(chǔ)(Cuietal.,

NatCommun)。植物三維結(jié)構(gòu)形成的核心是細(xì)胞分裂方向的精確控制。然而，目前對(duì)于控制細(xì)胞分裂方向的機(jī)制仍然未知，挖掘關(guān)鍵因子并解析其機(jī)制對(duì)于在細(xì)胞水平上重塑植物結(jié)構(gòu)具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。楊寶軍團(tuán)隊(duì)與合作者建立了植物細(xì)胞分裂篩選系統(tǒng)，測(cè)試超15000種化合物，獲得了影響植物細(xì)胞分裂方向的小分子化合物coral7；進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子SPL13調(diào)控植物細(xì)胞分裂方向，同時(shí)揭示了SPL分子模塊參與根系的時(shí)空形態(tài)重塑，為實(shí)現(xiàn)根系遺傳改良和重塑提供了關(guān)鍵位點(diǎn)(Yangetal.,

Science)。苔蘚植物是陸地植物的第二大類(lèi)群，地錢(qián)作為苔綱的代表植物，適合作為模式植物來(lái)進(jìn)行研究。李紅菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)鑒定到四個(gè)地錢(qián)MLO基因家族成員MpMLO1-4，其中MpMLO1在地錢(qián)精子囊成熟時(shí)特異表達(dá)于外被層頂端細(xì)胞，通過(guò)介導(dǎo)鈣信號(hào)誘導(dǎo)頂端細(xì)胞程序性死亡，使外界水進(jìn)入精子囊致其破裂釋放精子(圖2)。該研究揭示了苔蘚植物精子釋放分子機(jī)制，證明了MLO-鈣信號(hào)模塊在植物有性生殖演化中的功能保守性，為植物生殖相關(guān)研究提供重要依據(jù)與新視角，推動(dòng)對(duì)苔蘚植物生殖過(guò)程的深入理解與相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)一步探索(Caoetal.,

NatPlants)。圖2

MpMLO1通過(guò)啟動(dòng)精子囊外被層頂端細(xì)胞的凋亡調(diào)控地錢(qián)精子釋放在自然界，應(yīng)對(duì)機(jī)械脅迫造成的損傷，植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中形成了令人嘆為觀止的能力，但人們對(duì)損傷引發(fā)植物再生的原初信號(hào)及其轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制知之甚少。番茄是研究植物受傷反應(yīng)的經(jīng)典模式植物。李傳友團(tuán)隊(duì)與合作者以番茄為模式首次鑒定到誘發(fā)植物再生的原初受傷信號(hào)分子—再生因子REF1(REGENERATIONFACTOR1)，并系統(tǒng)揭示了REF1調(diào)控組織修復(fù)和器官再生的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，繪制了利用REF1大幅度提高作物育種效率的技術(shù)路徑。該研究是對(duì)植物受傷反應(yīng)機(jī)理的重要發(fā)展，不僅找到了誘發(fā)植物再生的原初受傷信號(hào)分子REF1，破解了困擾科學(xué)界幾個(gè)世紀(jì)的難題，而且為育種實(shí)踐中解決作物遺傳轉(zhuǎn)化效率低、物種和基因型依賴(lài)嚴(yán)重等瓶頸問(wèn)題提供了便捷普適的方案(Yangetal.,

Cell)。真核微生物的重金屬抗性分子機(jī)制研究具有多方面應(yīng)用價(jià)值，如輔助植物修復(fù)、根際鈍化、生物冶金等等，但真核微生物能否在重金屬誘導(dǎo)下快速進(jìn)化出更高抗性，還尚未可知。李小方團(tuán)隊(duì)最近的研究表明，以大型真菌為代表的真核微生物可以在數(shù)月時(shí)間尺度內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)鎘(Cd)誘導(dǎo)定向進(jìn)化，可將高抗性菌株的鎘抗性再次提高3倍。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因組測(cè)序和重測(cè)序進(jìn)一步探索了其極端抗性形成的潛在分子機(jī)制。該發(fā)現(xiàn)有助于從基因組水平上理解真核生物的Cd抗性，并為利用高抗性的大型真菌開(kāi)發(fā)生物修復(fù)工具奠定了基礎(chǔ)(Wangetal.,

JHazardMater)。02作物耐逆分子機(jī)理精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(PRMT)是一類(lèi)進(jìn)化上保守的蛋白家族，負(fù)責(zé)催化蛋白質(zhì)精氨酸甲基化。植物中PRMT通過(guò)基因轉(zhuǎn)錄以及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和逆境響應(yīng)等。曹曉風(fēng)團(tuán)隊(duì)與合作者開(kāi)展了PRMT6在番茄抗病毒方面的研究，發(fā)現(xiàn)了PRMT6介導(dǎo)病毒基因沉默抑制子VSR精氨酸甲基化參與植物抗病防御的新機(jī)制，拓寬了人們對(duì)植物PRMT功能的認(rèn)識(shí)(Zhuetal.,

CellHostMicrobe)。小麥白粉病是嚴(yán)重威脅我國(guó)糧食安全的重要病害。提高小麥的白粉病抗性，尤其是廣譜抗性，是當(dāng)前小麥抗病育種領(lǐng)域的重要任務(wù)和挑戰(zhàn)。劉志勇團(tuán)隊(duì)與趙玉勝團(tuán)隊(duì)圖位克隆了野生二粒小麥來(lái)源的抗白粉病基因Pm36，并發(fā)現(xiàn)該基因分布在野生二粒小麥的南部居群，沒(méi)有參與到小麥的進(jìn)化過(guò)程，在現(xiàn)代小麥基因庫(kù)中是缺失的，對(duì)目前已知的所有小麥白粉菌表現(xiàn)高抗至免疫。團(tuán)隊(duì)采用分子設(shè)計(jì)育種將Pm36基因?qū)氲轿覈?guó)小麥主產(chǎn)區(qū)主栽品種，創(chuàng)制出既高產(chǎn)又抗病的小麥新種質(zhì)ZKPm36，為培育廣譜抗白粉病小麥新品種提供了重要的基因資源和理論基礎(chǔ)(圖3)(Lietal.,

NatCommun)。圖3

小麥廣譜抗白粉病基因Pm36圖位克隆

為了適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境，植物進(jìn)化出一系列精密的機(jī)制。在逆境條件下，植物通過(guò)調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育及脅迫響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)，能夠更有效地適應(yīng)外部環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)與脅迫響應(yīng)之間的平衡。曹曉風(fēng)團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)AtPRMT3-RPS2B是冷凍脅迫的負(fù)調(diào)控因子，并篩選獲得顯性抑制基因PDCD2-D1，其在核糖體前體動(dòng)態(tài)組裝過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)控功能。該研究不僅揭示了核糖體翻譯在植物生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫響應(yīng)的表達(dá)平衡機(jī)制，也為作物生長(zhǎng)與抗逆的研究提供了理論基礎(chǔ)(Wangetal.,

NatCommun)。水稻直播因其成本低、方便而被廣泛采用，但其應(yīng)用主要受到秧苗活力低、對(duì)寒冷敏感的制約，最終導(dǎo)致糧食產(chǎn)量下降。水稻中轉(zhuǎn)錄因子OsbZIP01對(duì)水稻幼苗和成熟植物的光調(diào)控非常重要，姚善國(guó)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)OsbZIP01的兩個(gè)等位基因突變體vig1a和vig1b表現(xiàn)出極大增強(qiáng)的幼苗活力和耐冷性。進(jìn)一步的分析表明，OsbZIP01和OsbZIP18在多種重要的生物程序中協(xié)同發(fā)揮作用，通過(guò)它們的相互作用決定幼苗的建立、耐寒性和谷物產(chǎn)量。這些發(fā)現(xiàn)為同時(shí)提高水稻生產(chǎn)的秧苗活力、耐寒性和糧食產(chǎn)量提供了策略(Xiongetal.,

NatCommun)。03作物分子育種雜交水稻技術(shù)極大地提高了中國(guó)乃至世界的水稻產(chǎn)量，中國(guó)獨(dú)創(chuàng)的通過(guò)光/溫敏雄性核不育系的兩系法，簡(jiǎn)化了種子生產(chǎn)流程，節(jié)省了資源，成為水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用的主要途徑。曹曉風(fēng)團(tuán)隊(duì)、陳宇航團(tuán)隊(duì)與合作者揭示了TMS5突變致使環(huán)磷tRNA修復(fù)失敗、成熟tRNA無(wú)法循環(huán)再利用，從而導(dǎo)致溫敏不育的分子機(jī)理。該研究不僅有助于培育其他作物的溫敏核不育系，也為理解人類(lèi)和高等動(dòng)物的生殖生物學(xué)，尤其是在生殖健康和生育治療方面提供新的視角(Yanetal.,

CellRes)。雜交水稻的制種成本在不斷增加，亟需開(kāi)發(fā)一種適用于雜交稻機(jī)械化制種方法以實(shí)現(xiàn)雜交水稻制種的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。李云海團(tuán)隊(duì)與合作者尋找到了一個(gè)理想的籽粒大小調(diào)控基因GSE3，并揭示了其調(diào)控籽粒大小的分子機(jī)制；提出了快速改良目前生產(chǎn)中優(yōu)良雜交水稻親本，實(shí)現(xiàn)雜交水稻機(jī)械化制種的策略。該研究為其他重要作物的機(jī)械化制種提供了便捷的解決方案(Huangetal.,

NatPlants)。大豆作為全球重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物之一，是人類(lèi)優(yōu)質(zhì)蛋白和飼料蛋白的主要來(lái)源。目前我國(guó)大豆單產(chǎn)水平低，提高我國(guó)大豆單產(chǎn)刻不容緩，而種子大小是決定大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。田志喜團(tuán)隊(duì)利用全基因組關(guān)聯(lián)分析和QTL定位分析，確定了一個(gè)控制大豆籽粒寬度和粒重的基因GmSW17。該基因編碼去泛素化酶，可與另外兩個(gè)蛋白形成去泛素化模塊，具有去泛素化H2Bub活性，從而調(diào)控G1/S期轉(zhuǎn)換，影響細(xì)胞增殖和細(xì)胞擴(kuò)張，最終調(diào)控大豆種子發(fā)育；并發(fā)現(xiàn)在大豆馴化中GmSW17經(jīng)歷人工選擇但未在現(xiàn)代育種中固定。該研究明確了調(diào)控種子大小的分子機(jī)制，對(duì)利用分子設(shè)計(jì)育種培育高產(chǎn)大豆新品種具有重要意義(Liangetal.,

NatCommun)。小麥?zhǔn)侨澜缰饕募Z食作物之一，其產(chǎn)量主要由畝穗數(shù)、千粒重和穗粒數(shù)決定。穗發(fā)育關(guān)鍵基因挖掘及作用機(jī)制的研究尚處于初步階段。肖軍團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)穗發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期的轉(zhuǎn)錄組、染色質(zhì)可及性和多種組蛋白修飾測(cè)序，繪制了小麥穗發(fā)育過(guò)程的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄和表觀修飾圖譜，搭建了小麥穗發(fā)育過(guò)程的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；并與合作者搭建了小麥穗發(fā)育多組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(WSMOD)，為研究人員提供包括基因信息查詢(xún)、共表達(dá)分析、TRN預(yù)測(cè)、表觀圖譜繪制及突變體庫(kù)檢索等模塊在內(nèi)的“一站式”服務(wù)(圖4)(Linetal.,

MolPlant)。圖4

小麥穗部多組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站(WSMOD)04信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與分子發(fā)育microRNA在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)和多個(gè)生物學(xué)過(guò)程。從單細(xì)胞精度闡明microRNA的4D時(shí)空表達(dá)模式，將為相關(guān)研究提供重要的切入點(diǎn)。杜茁團(tuán)隊(duì)與合作者通過(guò)構(gòu)建熒光報(bào)告品系，并采用基于高分辨成像的單細(xì)胞解析方法，量化了線蟲(chóng)進(jìn)化保守的microRNA在整個(gè)胚胎發(fā)育中各個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄活性，并明確了細(xì)胞的身份和空間信息。該結(jié)果命名為“單細(xì)胞攝像機(jī)”(scCAMERA)，實(shí)現(xiàn)了在多細(xì)胞生物中對(duì)microRNA的表達(dá)解析，完成迄今最高分辨率和覆蓋率的時(shí)空解析，并以此揭示了多個(gè)microRNA的發(fā)育新功能，及其調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的基本作用模式，揭示了microRNA的胚胎發(fā)育4D表達(dá)及功能模式。該研究為系統(tǒng)發(fā)掘microRNA在發(fā)育過(guò)程中的功能，理解其基本功能模式提供參考和指導(dǎo)(Xuetal.,

NatCommun)。神經(jīng)元識(shí)別到細(xì)胞內(nèi)部的線粒體損傷時(shí)，會(huì)激活外周組織的線粒體未折疊蛋白反應(yīng)(MitochondrialUnfolded

ProteinResponse,UPRmt)，系統(tǒng)性的協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和機(jī)體健康。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育的功能已廣為人知。然而，TGF-β信號(hào)能否介導(dǎo)細(xì)胞非自主性UPRmt激活，并參與相關(guān)生理功能的調(diào)控仍有待進(jìn)一步研究。田燁團(tuán)隊(duì)揭示了TGF-β信號(hào)通路調(diào)控神經(jīng)-腸道的跨組織UPRmt激活的分子機(jī)制，并分析了TGF-β信號(hào)通路對(duì)于線蟲(chóng)壽命、免疫和脂質(zhì)代謝的調(diào)控作用(圖5)。由于TGF-β信號(hào)的高保守性，因此，在哺乳動(dòng)物中通過(guò)操縱TGF-β信號(hào)協(xié)調(diào)線粒體應(yīng)激信號(hào)，以調(diào)控機(jī)體的健康衰老將成為可能。同時(shí)，靶向特定神經(jīng)元中的感覺(jué)輸入或相應(yīng)受體，也可作為維持線粒體穩(wěn)態(tài)和平衡脂質(zhì)累積水平的一種有前景的途徑(Wangetal.,

NatCommun)。圖5

ASI-RIM神經(jīng)元軸通過(guò)TGF-β信號(hào)通路協(xié)調(diào)系統(tǒng)性線粒體應(yīng)激反應(yīng)PI3K-PI(3,4,5)P3-AKT信號(hào)通路在細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖、代謝和遷移等過(guò)程中起著重要的調(diào)控作用，該信號(hào)通路是癌癥中突變頻率最高的信號(hào)通路之一。然而，該信號(hào)通路在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中時(shí)空激活的亞細(xì)胞定位和調(diào)控機(jī)制仍不清楚。何康敏團(tuán)隊(duì)與合作者使用活細(xì)胞單分子熒光成像，結(jié)合脂質(zhì)分子探針設(shè)計(jì)、基因編輯、圖像分析等方法，揭示了黏著斑(focaladhesion)調(diào)控PI3K-PI(3,4,5)P3-AKT信號(hào)通路時(shí)空激活的新機(jī)制，該機(jī)制可能是細(xì)胞在基礎(chǔ)或生理狀態(tài)下，響應(yīng)細(xì)胞外環(huán)境激活PI3K-PI(3,4,5)P3-AKT信號(hào)的主要途徑(Wangetal.,

MolCell)。細(xì)胞外或細(xì)胞膜上的物質(zhì)通過(guò)囊泡運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞，會(huì)通過(guò)循環(huán)途徑再次回到細(xì)胞膜。然而，對(duì)于上千種不同的膜蛋白的循環(huán)途徑以及機(jī)制仍然知之甚少。何康敏團(tuán)隊(duì)利用耦合探測(cè)膜脂探針和多種成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了一條新的快速囊泡循環(huán)途徑CARP(clathrin-associatedfastendosomalrecyclingpathway)，CARP囊泡能夠以“kiss-and-run”的方式，與細(xì)胞膜發(fā)生數(shù)秒到數(shù)十秒的互作并再次回到細(xì)胞內(nèi)，其獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)與經(jīng)典的內(nèi)吞囊泡和循環(huán)囊泡均不同。CARP循環(huán)途徑在生成方式、膜融合方式、功能以及關(guān)鍵調(diào)控因子等方面，與經(jīng)典的循環(huán)途徑有所不同，可能是細(xì)胞內(nèi)一種新的循環(huán)機(jī)制(Xuetal.,

NatCellBiol)。獼猴屬的恒河猴和食蟹猴是生物醫(yī)學(xué)研究中使用最為廣泛的兩種非人靈長(zhǎng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物物種。已有研究利用體細(xì)胞核移植技術(shù)得到健康存活的食蟹猴，但恒河猴體細(xì)胞克隆時(shí)卻都遇到了困難。陸發(fā)隆團(tuán)隊(duì)與合作者建立了囊胚期的滋養(yǎng)層細(xì)胞置換技術(shù)，解決了克隆胚胎胎盤(pán)發(fā)育異常問(wèn)題，成功獲得健康存活的體細(xì)胞克隆恒河猴。該研究在國(guó)際上首次成功利用體細(xì)胞核移植技術(shù)得到健康存活的恒河猴，為理解靈長(zhǎng)類(lèi)體細(xì)胞核移植重編程過(guò)程和推動(dòng)構(gòu)建精準(zhǔn)遺傳修飾的恒河猴模型奠定了基礎(chǔ)(Liaoetal.,

NatCommun)?；蚓庉媱?dòng)物在生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，近年來(lái)，隨著基因編輯技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，基因編輯動(dòng)物的數(shù)量在過(guò)去十年間獲得了急速的增長(zhǎng)。然而，目前仍然缺乏對(duì)基因編輯動(dòng)物數(shù)據(jù)的整理、匯總以及標(biāo)準(zhǔn)化分析，限制了研究人員深入挖掘和利用這些數(shù)據(jù)的能力。張永清團(tuán)隊(duì)與合作者從本實(shí)驗(yàn)室的基因編輯猴和基因編輯犬出發(fā)，同時(shí)收集、整理并分析了目前具有家系全基因組數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)集，構(gòu)建了基因編輯動(dòng)物新發(fā)突變數(shù)據(jù)庫(kù)VDGE(/vdge)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因編輯動(dòng)物新發(fā)突變的標(biāo)準(zhǔn)化分析、整合和展示，為相關(guān)數(shù)據(jù)的深入挖掘和充分利用提供了一個(gè)綜合的信息平臺(tái)(Shietal.,

NucleicAcidsRes)。05神經(jīng)損傷與再生脊髓損傷導(dǎo)致病變部位產(chǎn)生纖維瘢痕，通常被認(rèn)為是神經(jīng)再生的障礙。戴建武團(tuán)隊(duì)將單細(xì)胞測(cè)序和譜系示蹤結(jié)合，系統(tǒng)分析脊髓損傷纖維瘢痕的細(xì)胞組成、分布、來(lái)源和功能。研究解析了脊髓損傷纖維瘢痕的細(xì)胞組成和來(lái)源異質(zhì)性，回答了一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期爭(zhēng)議的科學(xué)問(wèn)題，并進(jìn)一步闡明了不同來(lái)源纖維性瘢痕的分布和功能的差異，為針對(duì)不同纖維瘢痕特征進(jìn)行特異性調(diào)控奠定理論基礎(chǔ)(圖6)(Xueetal.,

NatCommun)。圖6脊髓損傷后纖維瘢痕異質(zhì)特征示意圖脊髓損傷對(duì)于成年哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)是一種毀滅性打擊，由于成體脊髓組織存在多種抑制再生因素，并且神經(jīng)細(xì)胞再生能力弱，最終導(dǎo)致?lián)p傷后脊髓功能的喪失。戴建武團(tuán)隊(duì)利用多組學(xué)技術(shù)描繪了脊髓細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)隨發(fā)育進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化，闡明了發(fā)育早期的脊髓ECM蛋白在調(diào)控脊髓神經(jīng)干細(xì)胞和脊髓類(lèi)器官中的重要作用。該研究工作從細(xì)胞外基質(zhì)的角度闡釋發(fā)育早期環(huán)境的重要作用，為促進(jìn)組織再生提供了新思路(Sunetal.,

CellStemCell)。另外，戴建武團(tuán)隊(duì)全面總結(jié)了當(dāng)前神經(jīng)電磁刺激技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，綜述了該技術(shù)的基本機(jī)制、輔助神經(jīng)電磁刺激的材料，以及這些材料在技術(shù)中的臨床前應(yīng)用，并展望了使用電磁刺激治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病所面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)(Sunetal.,

AdvMater)。06代謝與疾病哺乳動(dòng)物的生命起始于卵子和精子通過(guò)受精作用形成全能性的受精卵，經(jīng)過(guò)一系列的細(xì)胞分裂、八細(xì)胞期的極化、以及隨后的桑葚胚開(kāi)始的譜系分化，形成囊胚。然而，脂質(zhì)代謝對(duì)哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育的調(diào)控作用還不清楚。稅光厚團(tuán)隊(duì)與合作者開(kāi)發(fā)了一種可同時(shí)滿(mǎn)足低樣本量和高覆蓋率的靶向脂質(zhì)組學(xué)方法，系統(tǒng)地描繪了小鼠和人早期胚胎脂質(zhì)全景圖，闡明了脂質(zhì)不飽和度調(diào)控胚胎發(fā)育的功能與機(jī)制，為研究哺乳動(dòng)物植入前胚胎發(fā)育中內(nèi)源性脂質(zhì)的重塑提供了寶貴的資源，并為脂質(zhì)不飽和度調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育和植入提供了機(jī)制上的新的見(jiàn)解(圖7)(Zhangetal.,

NatCellBiol)。圖7小鼠植入前胚胎發(fā)育的階段特異性脂質(zhì)組學(xué)特征脂質(zhì)支撐著包括對(duì)胎兒生長(zhǎng)和發(fā)育至關(guān)重要的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等多種生理功能，既往關(guān)于母體和胎兒聯(lián)系的臍帶血研究沒(méi)有關(guān)注出生時(shí)脂質(zhì)分子對(duì)未來(lái)兒童代謝的深遠(yuǎn)影響。稅光厚團(tuán)隊(duì)與合作者對(duì)152例母嬰臍帶血樣本進(jìn)行了鞘脂組學(xué)分析，揭示了臍帶血神經(jīng)酰胺在調(diào)控出生體重和兒童時(shí)期代謝健康方面的潛在作用機(jī)制，表明臍帶血脂質(zhì)水平對(duì)于預(yù)測(cè)兒童期糖脂代謝健康具有重要的預(yù)測(cè)價(jià)值，可為糖脂代謝生命早期干預(yù)提供一定的理論依據(jù)，具有重要的臨床意義(Zhengetal.,

NatlSciRev)。代謝功能障礙相關(guān)脂肪性肝病(MASLD)漸進(jìn)且無(wú)癥狀，早期發(fā)現(xiàn)和干預(yù)機(jī)會(huì)少，迫切需要開(kāi)發(fā)用于MASLD進(jìn)展的有效診斷、分期和監(jiān)測(cè)的微創(chuàng)工具。稅光厚團(tuán)隊(duì)與合作者評(píng)估了血漿脂質(zhì)組在區(qū)分輕度纖維化和非纖維化MASLD患者中的診斷效用，并報(bào)道了在MASLD纖維化中，低密度脂蛋白(LDLs)上的硫苷酯可通過(guò)激活不同的循環(huán)免疫細(xì)胞群來(lái)調(diào)節(jié)肝臟炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)(Lametal.,

CellMetab)。肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)是一種常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病，其發(fā)病原因和機(jī)制仍未徹底闡明。許執(zhí)恒團(tuán)隊(duì)與合作者首次在散發(fā)型肌萎縮側(cè)索硬化癥(漸凍癥)患者中發(fā)現(xiàn)一個(gè)全新的肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)致病基因—PCDHA9；通過(guò)小鼠動(dòng)物模型證實(shí)PCDHA9致病點(diǎn)突變可以導(dǎo)致典型的漸凍癥表型；并對(duì)致病機(jī)制進(jìn)行了深入解析。該研究為本病尤其是散發(fā)型患者的遺傳咨詢(xún)提供了新的證據(jù)，也可能為未來(lái)的治療提供全新的靶點(diǎn)(Zhongetal.,

NatCommun)。顱咽管瘤是一種罕見(jiàn)但侵襲性較強(qiáng)的顱內(nèi)腫瘤，對(duì)周?chē)X組織的侵襲性以及由此引發(fā)的嚴(yán)重內(nèi)分泌和代謝并發(fā)癥，給臨床治療帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。吳青峰團(tuán)隊(duì)與合作者首次成功構(gòu)建了兩種自發(fā)性乳頭型顱咽管瘤的動(dòng)物模型，高度還原人類(lèi)顱咽管瘤特征，填補(bǔ)了以往研究中缺乏精準(zhǔn)動(dòng)物模型的空白；利用高通量篩選從大量化合物中鑒定出包括苯磺酸氨氯地平在內(nèi)的一系列具有潛在臨床應(yīng)用價(jià)值的抗腫瘤化合物；利用化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控下丘腦內(nèi)分泌神經(jīng)元的電活性。該研究首次驗(yàn)證了下丘腦神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)顱咽管瘤發(fā)展的雙向調(diào)控作用，進(jìn)一步深化了對(duì)腫瘤神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)。這一發(fā)現(xiàn)不僅為顱咽管瘤的治療開(kāi)辟了新的藥物開(kāi)發(fā)方向，也為其他類(lèi)型腦腫瘤治療策略的探索提供了研究范式。這項(xiàng)研究也促使我們重新審視已有藥物的潛在應(yīng)用價(jià)值(Lietal.,

SciTranslMed)。07農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境盡管中國(guó)在磷肥過(guò)度使用和磷相關(guān)水污染方面存在眾所周知的問(wèn)題，但作物和畜牧業(yè)生產(chǎn)對(duì)中國(guó)超越磷(P)的地球邊界的貢獻(xiàn)仍不明確。馬林團(tuán)隊(duì)和柏兆海團(tuán)隊(duì)通過(guò)在子流域尺度上使用耦合模型，估計(jì)從1980年到2017年，畜牧業(yè)生產(chǎn)使磷肥消費(fèi)量增加了五倍，磷損失加劇了兩倍。目前，中國(guó)的農(nóng)牧系統(tǒng)導(dǎo)致中國(guó)25個(gè)子流域磷肥使用量超過(guò)了所謂“合理”閾值30%(范圍為17%至68%)，水質(zhì)超過(guò)“安全”閾值45%(范圍為31%至74%)。改善農(nóng)牧系統(tǒng)將使所有子流域在2050年都保持在安全水質(zhì)范圍內(nèi)，并將磷的使用控制在合理的多代限值內(nèi)(圖8)(Liuetal.,

NatFood)。圖8

作物-畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)中磷(P)流動(dòng)示意圖及其對(duì)安全合理的磷行星邊界的影響農(nóng)田長(zhǎng)期過(guò)量施用氮肥，使土壤剖面中硝酸鹽累積風(fēng)險(xiǎn)增加。包氣帶既是硝酸鹽淋失的通道，也是其消減和轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所，其中反硝化微生物能將硝酸鹽轉(zhuǎn)為氣態(tài)氮排出。劉彬彬團(tuán)隊(duì)和胡春勝團(tuán)隊(duì)利用穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)結(jié)合擴(kuò)增子測(cè)序、功能基因定量技術(shù)，研究了華北平原集約化農(nóng)業(yè)地區(qū)0–9m土壤剖面異養(yǎng)反硝化微生物，利用宏基因組與高通量分離培養(yǎng)及鑒定技術(shù)相結(jié)合的方法，研究了其中反硝化細(xì)菌的種類(lèi)及功能。研究結(jié)果表明，表層土壤和深層環(huán)境樣品的活性反硝化微生物類(lèi)群和功能存在差異；發(fā)現(xiàn)了86個(gè)無(wú)法鑒定到種水平的反硝化細(xì)菌基因組；構(gòu)建了深層包氣帶反硝化細(xì)菌資源庫(kù)，并篩選出兩株屬于Pseudomonas屬的高效反硝化菌株。本研究加深了對(duì)厚包氣帶反硝化微生物組成和功能的認(rèn)識(shí)，為開(kāi)發(fā)減少地下水硝酸鹽污染的淋失阻控技術(shù)提供了新的依據(jù)(Zhangetal.,

EnvironSciTechnol)。中國(guó)對(duì)牲畜飼料，尤其是富含蛋白質(zhì)的飼料的進(jìn)口，給全球環(huán)境可持續(xù)性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。要在不突破環(huán)境界限的前提下實(shí)現(xiàn)中國(guó)食物和飼料的蛋白質(zhì)自給自足，需要綜合措施以及對(duì)中國(guó)食物系統(tǒng)的優(yōu)化。馬林團(tuán)隊(duì)與合作者提出整體食物系統(tǒng)創(chuàng)新策略，該策略由技術(shù)創(chuàng)新、空間綜合規(guī)劃和需求側(cè)方案三個(gè)部分組成，以降低對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)口的依賴(lài)，并促進(jìn)全球環(huán)境可持續(xù)性。研究發(fā)現(xiàn)，食物系統(tǒng)創(chuàng)新能夠填補(bǔ)近80%的中國(guó)未來(lái)蛋白質(zhì)缺口，同時(shí)減少57%-85%因農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)口而產(chǎn)生的環(huán)境影響。與2050年的基準(zhǔn)情景相比，實(shí)施這些創(chuàng)新措施還將減少22%-27%的溫室氣體排放，以及減少73%-81%人類(lèi)對(duì)氨的有害暴露。技術(shù)創(chuàng)新在填補(bǔ)蛋白質(zhì)缺口方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而作物-牲畜空間綜合規(guī)劃對(duì)于實(shí)現(xiàn)環(huán)境和健康目標(biāo)至關(guān)重要(Zhaoetal.,

NatFood)。在畜牧業(yè)生產(chǎn)的大背景下，氨氣(NH3)和氧化亞氮(N2O)排放問(wèn)題嚴(yán)峻，導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)酸化與全球變暖，給畜牧業(yè)的可持續(xù)管理帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。歐洲國(guó)家在控制畜牧業(yè)氨排放方面取得了顯著進(jìn)展；然而，這也致使糞便中銨離子(NH4+)積累增多，而NH4+有可能被微生物轉(zhuǎn)化為N2O。隨著氨減排政策(例如《國(guó)家排放上限指令》)的日益普及，NH4+積累現(xiàn)象正成為一個(gè)全球關(guān)注的問(wèn)題，并且給減少溫室氣體排放帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。馬林團(tuán)隊(duì)和王選團(tuán)隊(duì)借助15N標(biāo)記與宏基因組測(cè)序技術(shù)，深入探究了微生物對(duì)NH4+積累的反應(yīng)，并評(píng)估了其在糞便管理方面的全球影響。研究結(jié)果表明，通過(guò)減少氨排放來(lái)使糞便中的NH4+含量最大化，有助于減少源自豬糞和雞糞的全球N2O排放量，并揭開(kāi)背后微生物機(jī)制：細(xì)菌反硝化時(shí)碳獲取受限，遏制了N2O生成。這一成果為畜牧業(yè)環(huán)保指明新方向，養(yǎng)殖戶(hù)可調(diào)整管理策略，優(yōu)先處理豬糞、雞糞來(lái)挖掘減排潛力，助力全球環(huán)境改善，在保障畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，減輕溫室氣體與酸化危害(Caoetal.,

OneEarth)。二、關(guān)鍵技術(shù)與方法創(chuàng)新現(xiàn)代作物育種正邁入全新的基因組設(shè)計(jì)時(shí)代，以基因組編輯技術(shù)為主流的基因組靶向修飾工具引領(lǐng)了作物育種方式的顛覆性變革和作物育種效率的大幅提升。高彩霞團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于基因組編輯技術(shù)的自主創(chuàng)新，在精準(zhǔn)基因組編輯技術(shù)研發(fā)、作物基因組編輯育種方法以及種質(zhì)創(chuàng)新方面取得了系列成果。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了適合不同場(chǎng)景的基于環(huán)狀RNA的引導(dǎo)編輯系統(tǒng)CPEs(circularRNA-mediatedprimeeditors)，高效實(shí)現(xiàn)雙基因、三基因甚至四基因的引導(dǎo)編輯，幾乎沒(méi)有檢測(cè)到脫靶效應(yīng)。這種低脫靶效應(yīng)、高編輯效率的CPE系統(tǒng)為利用各種核酸酶開(kāi)發(fā)為新型引導(dǎo)編輯系統(tǒng)提供了通用范式，在生物研究、疾病治療和作物育種等多場(chǎng)景中將發(fā)揮巨大的潛力(圖9)(Liangetal.,

NatBiotechnol)。高彩霞團(tuán)隊(duì)綜述了各類(lèi)基因組編輯技術(shù)的基本原理和優(yōu)化策略，系統(tǒng)介紹了植物基因組編輯中使用的遞送方法，全面展示了以基因組編輯技術(shù)為代表的基因組靶向修飾工具在現(xiàn)代作物育種中的變革性作用；討論了基因組編輯技術(shù)未來(lái)的研究方向，展望了對(duì)植物基因組進(jìn)行精準(zhǔn)靶向修飾的多樣化場(chǎng)景，并探討了基因組編輯作物在應(yīng)用中可能面臨的問(wèn)題(Lietal.,

NatRevGenet)。圖9基于環(huán)狀RNA開(kāi)發(fā)的CRISPR-Cas12a引導(dǎo)編輯系統(tǒng)針對(duì)高溫逆境導(dǎo)致的番茄落花落果、品質(zhì)低下，水稻禿尖、癟殼等引起主要糧食和蔬菜作物大幅減產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，許操團(tuán)隊(duì)基于植物生理學(xué)經(jīng)典的源庫(kù)理論，展開(kāi)深入探索，發(fā)布了“環(huán)境智能型高產(chǎn)-穩(wěn)產(chǎn)作物設(shè)計(jì)育種新策略CROCS(Climate-responsiveoptimizationofcarbonpartitioningtosinks)”。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)高溫抑制碳同化物從源器官向庫(kù)器官分配，關(guān)鍵在于細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶表達(dá)受抑。為此，團(tuán)隊(duì)突破高效基因敲入技術(shù)，自主改造引導(dǎo)編輯器，精準(zhǔn)敲入熱響應(yīng)元件到番茄內(nèi)源基因啟動(dòng)子靶向區(qū)，使番茄在正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下和高溫逆境下產(chǎn)量大增和挽回?fù)p失，果實(shí)品質(zhì)也顯著提高；通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)拓展，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在水稻中也得到了同樣結(jié)果。這種CROCS環(huán)境智能育種全新策略建立了包括順式調(diào)控元件篩選、靶向位點(diǎn)選擇、瞬時(shí)表達(dá)驗(yàn)證、基因編輯器改造、種質(zhì)測(cè)產(chǎn)與性狀評(píng)價(jià)等一系列方法在內(nèi)的不同作物通用的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)快速育種技術(shù)體系，首次在主要糧食和蔬菜作物中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“順境增產(chǎn)，逆境穩(wěn)產(chǎn)”環(huán)境智能型作物種質(zhì)的快速創(chuàng)制，開(kāi)啟了環(huán)境智能型(Climate-smart)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物設(shè)計(jì)的新時(shí)代(Louetal.,

Cell)。面對(duì)雜草對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的威脅以及入侵植物所導(dǎo)致的環(huán)境危機(jī)等多樣化挑戰(zhàn)，對(duì)野生植物進(jìn)行群體水平上的基因控制已經(jīng)成為一種潛力巨大且具有革命性的策略。錢(qián)文峰團(tuán)隊(duì)在植物中成功開(kāi)發(fā)了一種名為CAIN(CRISPR-AssistedInheritanceutilizingNPG1)的基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在連續(xù)兩個(gè)人工雜交世代中表現(xiàn)出了顯著的高效遺傳(88%-99%)。CAIN的成功開(kāi)發(fā)有望為控制雜草數(shù)量