基于前体供给途径遗传改造提高褐黄孢链霉菌纳他霉素的产量

纳他霉素(natamycin)是一种高效、广谱、安全的抗真菌剂,广泛应用于食品防腐与医药领域。纳他霉素可由多种链霉菌发酵产生。它是以乙酰辅酶A、丙二酰辅酶A及甲基丙二酰辅酶A为前体经Ⅰ型聚酮合酶(polyketide synthase,PKS)催化合成的多烯大环内酯类化合物。本研究以纳他霉素产生菌——褐黄孢链霉菌为研究材料,分别对不同前体分子供给途径中的关键酶进行过表达,并确定影响纳他霉素产量的关键前体供给途径。研究结果发现：通过过表达乙酰辅酶A合成酶(acetyl-CoA synthase,ACS)加强乙酰辅酶A合成途径,以及通过过表达甲基丙二酰辅酶A变位酶(methylmalonyl-CoA mutase,MCM)加强甲基丙二酰辅酶A合成途径,重组菌株纳他霉素产量分别比野生型菌株提高了44.19%和20.51%。共过表达ACS和MCM,重组菌株纳他霉素产量获得进一步提升(达1123.34mg/L),比野生型菌株提高了66.29%。上述发现为通过前体代谢工程的策略构建纳他霉素工业高产菌株提供了参考,也为其他聚酮类天然产物高产工程菌株的构建提供了借鉴。     

数字细胞模型的研究及应用

组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义,因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍,重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用,进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势,对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍,最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。     

菌物:死海不死（英文）

东非裂谷北端的死海位于以色列和约旦之间。它代表了我们这个星球上最深的洼地,在众多的水体中,它的盐度最高,高达33%。如今,在死海南部的盐被用于工业回收。约旦河是死海的主要水源。由于农业和工业大量使用死海的水,以及自然蒸发,其水位每年减少约1 m。自古以来死海一直以其治疗的功能而闻名,近年来死海已成为一个旅游圣地(马察达,谷木兰)。"死海"的名字意味着不适宜居住和致命的地方。到目前为止,只有较低等的微生物(细菌、真菌、藻类)在死海中生存。为了找到更高级的生物,如丝状真菌,一个国际研究小组(以色列、乌克兰、德国)共同对死海中的高级真菌进行分离鉴定;在不同的水质类型、矿化度和孵化温度条件下,在琼脂培养皿中测试其生长特性、酶活性和染料的降解作用(自我清除活性的指示反应)。总之,作为假设,许多不同分类系统和生态群丝状真菌的菌株都已被鉴定,并针对其生长特性、酶活性和染料降解能力进行研究。正如题目所言:死海不死!由此,《旧约》称之为"盐海",不是"死海",所以,我们可以确信的说:"圣经毕竟是正确的"。     

Constraint line methods and the applications in ecology

With increasing data availability in the big data era, many traditional statistical analyses based on the mean or median are insufficient or inappropriate to elucidate the complex patterns of variation. This is particularly the case when multiple factors are involved and the bivariate scatter occurs as scatter clouds. In such circumstances, constraint line (or envelope) method could be an alternative and effective tool to extract the data boundaries, thus improves our understanding of the complex relationships between limiting factor and response factor. Here, we synthesize the major findings and achievements in the field of applying the constraint line method in ecology. Specifically, we first describe the history and development of the constraint line method. We then discuss the techniques to establish the constraint lines with examples, and discuss the applications and implications of the constraint lines in species distribution, population performance, and optimization problem. We suggest simultaneously application of both constraint lines and regression techniques to the same datasets to achieve a comprehensive understanding of ecological process and underlying mechanisms. Such combined methods should be used with special attention to the role of spatial heterogeneity and scale dependency. We also discuss in detail the potential applicability of the constraint line method in studying the linkages between ecosystem services, and land system design.     

京津冀城市群人-地、人-水与人-碳交互胁迫关系及其叠加效应

随着社会、经济效益的不断增加及国际影响力的不断增大，京津冀正在向世界级城市群迈进。而快速的城市增长与资源环境的交互胁迫效应严重制约了京津冀地区的可持续发展，因此，明确城市增长与不同资源环境要素的相互作用机制并采用有效的措施，是实现京津冀地区发展和保护共生的关键。目前针对城镇化与单一种资源环境要素交互作用的研究较多，但对城镇化与不同资源环境要素相互作用的叠加效应的关注很少。针对土地、水资源与能源这三种明显限制京津冀地区发展的资源要素，综合考虑了供给侧与需求侧特征，分析了人-地、人-水与人-碳的相互作用关系，解析了京津冀地区城镇发展与不同资源环境要素交互胁迫作用及其叠加效应。结果表明：2002-2017年，1、城市群整体水平上，人-地、人-水和人-碳关系总体上均呈"强协调"或"弱协调"交替变化的状态；2、城市尺度上，不同城市的人-地、人-水和人-碳交互关系存在明显时空分异。多数城市都曾面临土地、水资源或能源的胁迫影响，尤其是河北的一些城市（石家庄、邯郸、承德、衡水、邢台、唐山及保定等）在有些年份面临土地、水资源或能源的"强胁迫"影响；3、从京津冀地区整体水平上看，不存在多种资源要素的叠加胁迫影响，但是，城市群内部多数城市在有的年份同时面临土地、水资源或能源两种以上资源要素的叠加胁迫影响。因此，要协同改善京津冀地区资源环境的胁迫，需要全面考虑不同空间尺度之间，不同城市之间，以及不同资源要素之间的叠加影响机制，有针对性的提出政策与措施。     

约束选择在小麦育种中的应用研究

对小麦杂种后代进行了约束选择,以无约束选择、单项选择为对照。试验结果表明:约束选择对选择性状的促进和约束性状的控制都有较好的效果。一对正相关的性状被约束者可保持在原平均数稍高水平;负相关的约束者则保持在原平均数略低水平。在对产量的选择中,约束选择的实际效果一般比无约束的为好,其中以约束株高选择产量的效果最佳。最后对约束选择的应用问题作了讨论。     

石羊河流域自然植被对生态系统服务的约束效应

石羊河流域生态环境退化,生态屏障功能减弱,提高该地区生态系统的服务功能具有重要意义。植被的生长状况是影响生态系统服务供给的重要因素,定量的探讨分析植被与生态系统服务之间的关系十分必要。以石羊河流域为研究区,采用约束线法,分析了植被对产水量、土壤保持及固碳3个生态系统服务的约束效应;同时,计算了2015年这3个生态系统服务潜力的空间分布及石羊河流域综合潜力分布格局。结果表明:(1)植被覆盖度与产水量、土壤保持之间的约束线呈开口向下抛物线型,即随着植被覆盖度的增加,约束效应逐渐减小,后逐渐增大;与固碳服务呈正凸型,即:植被覆盖度能有效的约束固碳,且成比例增加约束效应;(2)植被覆盖度对产水量、土壤保持及固碳服务的约束效应存在时空异质性;(3)石羊河流域三种服务的提升潜力均呈西南高东北低、高服务值与高潜力值并存的分布特征,其中东大河、西大河、西营河及古浪河是流域生态服务的主要供给者和服务潜力提升的主要贡献者。     

基于酶约束的代谢网络模型研究进展及其应用

基因组尺度代谢网络模型已经成功地应用于指导代谢工程改造,但由于传统通量平衡分析法仅考虑化学计量学和反应方向约束,模拟得到的是理论最优结果,对一些现象如代谢溢流、底物层级利用等无法准确描述。近年来人们通过在代谢网络模型中引入新的蛋白量、热力学等约束发展了新的约束优化计算方法,可以更准确真实地模拟细胞在不同条件下的代谢行为。文中主要对近年来提出的多种酶约束模型进行评述,对酶约束引入的基本思路、酶约束的数学方程表示及优化目标设定、引入酶约束后对代谢通量计算结果的影响及酶约束模型在代谢工程菌种改造中的应用等进行了全面深入的介绍,并提出了已有各种方法存在的主要问题,展望了相关方法的未来发展方向。通过引入新的约束,代谢网络模型能够更精确模拟和预测细胞在环境和基因扰动下的代谢行为,为代谢工程菌种改造提供更准确可靠的指导。     

中国中东部平原亚热带湿润区湖泊营养物生态分区

湖泊营养物生态分区是实现湖泊分区控制的前提和基础。以中国中东部平原亚热带湿润区为案例区,根据区域特点,从自然地理要素、生态系统和人类活动三方面建立指标体系,对各指标进行归一化得到各指标数据的分值;采用AHP方法确定各指标的权重值,结合各指标分值计算栅格尺度上湖泊营养物生态分区综合评价分值;根据研究区域DEM数据划分小流域,将栅格尺度的湖泊营养物生态分区综合评价分值投影到小流域尺度上,采用双约束空间聚类算法对小流域尺度上湖泊营养物生态分区评价分值进行聚类得到湖泊营养物生态分区结果。结果表明:(1)AHP可以用来确定复杂指标体系中各指标的权重,适合用于确定湖泊营养物生态分区指标体系中各指标的权重;(2)采用双约束空间聚类进行湖泊营养物生态分区,保证了分区结果在空间上的连续性和评价分值上的接近性;(3)根据自然地理条件、土地利用和人类活动强度的不同,可以将中东部平原亚热带湿润区划分为长江中下游平原湖区、湘赣平原丘陵湖区、湘渝山地湖区、四川盆地湖区、川西—大巴山山地湖区5个营养物生态区。     

切枝对三峡库区两种榕属乔木生物量积累和枝供给的影响

榕（Ficusmicrocarpa L.）和黄桷树（Ficus virens Ait.var.sublanceolata（Miq.）Corner）是在三峡库区广泛栽植的优良绿化树种.在三峡库区诸多公路、铁路修建和移民搬迁城镇建设等工程建设后的生态恢复和环境改善中,需要大量的榕和黄桷树.榕和黄桷树的繁殖通常采用切枝扦插的营养繁殖方式进行.因种苗培育的需要,对榕和黄桷树进行切枝时常发生,并且为了尽快获得大的种苗,通常切取榕和黄桷树植冠下部的大枝条用于种苗培育.切枝导致植株大量光合叶组织损失,对榕和黄桷树的总体光合生产和生物量积累会发生影响,同时,也会影响新枝的生长和发生数量以及植株再次提供切枝的能力.为了明确切枝对榕和黄桷树生长的影响,对切枝后榕和黄桷树的生物量积累和枝供给进行了研究,目的在于阐明在三峡库区亚热带气候条件下,生长速度比较快的榕和黄桷树是否可以在每年1次的切枝后很好恢复,从而能够可持续地提供切枝用于种苗培育.实验中对榕和黄桷树1a切枝1次,连续进行了3a.实验共设置了4个切枝强度（从植冠下部开始,分别切去植冠长度0%（对照）、20%、50%和70%范围内的所有枝条）和两个切枝处理季节（春季切枝和秋季切枝）.实验结果表明,切枝会减少榕和黄桷树地上部分生物量增量,生物量增量减少的程度与切枝强度呈正相关;并且,每年连续进行的切枝使地上部分生物量增量减少加剧.实验发现,在20%、50%和70%的3个切枝强度中,高切枝强度可以保证在第1次切枝处理中获得高的枝收获量,但并不能保证在第2次和第3次切枝处理中也能获得高的枝收获量.与春季切枝处理相比,秋季切枝处理使榕和黄桷树获得更高的地上部分生物量增量,从而获得更高的枝收获量.就植株地上部分生物量增量和枝收获量而言,切枝强度对二者的影响并不因切枝季节不同而表现出差异.研究表明,对于本实验研究中采用的榕和黄桷树植株,当切枝强度高于20%时,每年1次的切枝不能使榕与黄桷树植株的生长完全恢复.如果切枝每年进行1次,为保证能够可持续地获得切枝并且对植株的生长不造成过大影响,对于本研究中所采用的榕和黄桷树植株而言,最适的切枝强度应低于20%.