小麦/玉米轮作田根际微生物多样性分析

[背景] 小麦/玉米轮作是中国粮食作物主要种植模式之一,目前对小麦/玉米轮作田根际土壤微生物差异变化缺乏全面的了解。[目的] 明确小麦/玉米根际土壤微生物差异变化并了解其潜在功能。[方法] 以小麦/玉米根际土壤为材料,运用细菌16S rRNA基因和真菌rDNA ITS基因测序,分析小麦/玉米根际土壤微生物多样性。[结果] 玉米季微生物丰富度高于小麦季,而多样性无明显差异。放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）为小麦季和玉米季根际土壤的优势细菌门,优势真菌门为子囊菌门（Ascomycota）。小麦季和玉米季共有细菌和真菌分别是631个和261个,小麦季特有细菌和真菌分别是38个和58个,玉米季特有细菌和真菌分别是25个和39个。LEfSe分析（LDA阈值为2）细菌和真菌表明,放线菌纲（Actinobacteria）和微囊菌目（Microascales）在小麦季富集,鞘脂单胞菌目（Sphingomonadales）和银耳纲（Tremellomycetes）在玉米季富集。小麦季、玉米季微生物代谢功能不同,与小麦季相比,玉米季养分循环的代谢通路丰富度较高,而参与氧化应激的代谢通路丰富度较低。[结论] 该研究结果对指导小麦/玉米轮作田管理具有理论和实践意义。     

梨果黑斑病菌AaCaMK基因克隆、生物信息学分析及其在侵染结构分化中的表达分析

[背景] 钙/钙调素依赖型蛋白激酶（Calcium/Calmodulin-Dependent Protein Kinase,CaMK）是真核生物细胞钙信号途径中钙调素下游的一类重要靶蛋白,对病原物生长、胁迫响应及致病性等具有重要的调控作用。[目的] 对梨果黑斑病菌互隔交链孢（Alternaria alternata）AaCaMK基因进行克隆、生物信息学分析,并对其在侵染结构分化过程中的基因表达情况进行分析,为进一步研究梨果黑斑病菌钙离子信号途径中AaCaMK对A.alternata侵染结构分化调控的分子机制提供一定的理论依据。[方法] 采用同源克隆法从A. alternata JT-03中克隆得到3个AaCaMK基因;通过TMHMM、ProtScale、SOPMA等软件对AaCaMK基因进行生物信息学分析;利用实时荧光定量PCR （RT-qPCR）技术分析AaCaMK在梨果黑斑病菌侵染结构分化过程中的表达情况。[结果] 克隆得到片段分别为1 212、1 200、2 349 bp的AaCaMK1、AaCaMK2和AaCaMK3基因;生物信息学分析表明,AaCaMK1、AaCaMK2和AaCaMK3均含有典型的蛋白激酶超家族催化结构域（PKC_Like Superfamily）,并且AaCaMK1和AaCaMK2共同含有CaMK类丝/苏氨酸蛋白激酶催化结构域（STKc_CaMK）,AaCaMK3含有LKB1/CaMKK类丝/苏氨酸蛋白激酶催化结构域（STKc_LKB1_CaMKK）;同源性分析表明,AaCaMK1、AaCaMK2和AaCaMK3分别与玉米大斑病菌CAK1、CAK2和CAK3的相似性高达94.32%、97.49%和86.57%;RT-qPCR分析表明,AaCaMK1、AaCaMK2和AaCaMK3在疏水及果蜡诱导A. alternata侵染结构分化过程中均显著上调表达（P<0.05）,而且果蜡诱导作用更显著。其中AaCaMK1和AaCaMK2在附着胞形成时期（6 h）表达量为对照的1.51倍和3.05倍,而AaCaMK3在侵染菌丝形成阶段（8 h）表达量最高,为对照的2.86倍,并且在果蜡诱导下,这3个基因在芽管伸长阶段（4 h）的上调表达量显著高于疏水界面。[结论] 钙信号中AaCaMK基因在疏水及果蜡诱导A.alternata侵染结构分化过程中发挥重要的调控作用。     

YPS1/YPS2失活改进酿酒酵母An-α菌株β-葡萄糖苷酶分泌表达

[背景] 工业酵母菌株的蛋白质表达通常存在表达量低、分泌效率低的问题。[目的] 考察失活Yapsin蛋白酶Yps1p和Yps2p对β-葡萄糖苷酶在酿酒酵母An-α菌株中表达的影响。[方法] 利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术,首先构建得到未折叠蛋白响应（Unfolded Protein Response,UPR）指示菌株An-α（leu2：：UPRE-lacZ）即An-αL,然后分别失活其YPS1和YPS2基因,导入以YEplac195为载体的β-葡萄糖苷酶表达质粒（简称BG）,进行生长和酶活分析评价。[结果] 菌株An-αL的YPS1和YPS2基因失活对其在酵母浸出粉胨葡萄糖（Yeast Extract Peptone Dextrose,YPD）培养基中的生长未造成明显的不利影响;导入质粒BG后将在酵母浸出粉胨纤维二糖（Yeast Extract Peptone Cellobiose,YPC）培养基中生长的最大OD₆₀₀分别提高了21.9%和7.4%;最大总酶活值为0.087 5和0.068 6 U/（mL·OD₆₀₀）,是对照菌株相应值的2.268倍和1.778倍;分泌比例提高了19.4%和22.2%;β-葡萄糖苷酶表达水平与β-半乳糖苷酶酶活水平所代表的UPR信号响应值之间呈现良好的相关性。[结论] YPS1和YPS2基因失活有助于改进酿酒酵母An-α菌株中β-葡萄糖苷酶的分泌表达。     

编辑MSTN半胱氨酸节基元促进两广小花猪肌肉生长

肌生长抑制素(myostatin,MSTN)是转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)家族成员之一,是一种肌肉生长抑制因子。解除MSTN的生长抑制功能是提高畜禽肌肉产量的一种有效途径。TGF-β的半胱氨酸节结构基元(cystine knot motif)能够稳定MSTN蛋白结构,对MSTN生物学功能的发挥具有重要调控作用。本研究应用CRISRP/Cas9基因编辑技术在两广小花猪肾细胞(Liang Guang small spotted pig kidney cells,LPKCs)中对MSTN基因外显子3进行编辑,破坏了其半胱氨酸节基元,以解除MSTN对靶基因的抑制功能。将流式分选获得的混合阳性MSTN编辑LPKCs作为供体细胞进行核移植和胚胎移植,获得8头MSTN基因编辑两广小花猪仔猪,其中2头存活至10日龄,经鉴定这2头均为基因编辑杂合子,它们在构成MSNT蛋白半胱氨酸节基元的两个半胱氨残基C106和C108编码序列附近分别发生碱基的缺失与替换,导致移码突变,使C106和C108突变为其他氨基酸。MSTN基因编辑两广小花猪杂合子肩部和臀部肌肉较为发达。H&E切片分析显示,MSTN基因编辑猪肌纤维横截面积显著减少,肌纤维数量显著增多。Western Blot分析结果显示,C106和C108缺失对MSTN蛋白表达无显著性影响,但显著促进其靶基因Myf5、MyoD和Myogenin等成肌相关因子的表达。本研究获得的基因编辑猪模型没有造成MSTN表达完全缺失,可保留MSTN其他生物学功能,在促进两广小花猪肌肉生长的同时还消除了MSTN完全缺失可能对小花猪造成的潜在影响。     

营养对褐飞虱生长和繁殖信号通路的影响

【目的】昆虫感知外界营养状态,在体内营养信号通过许多信号通路进行传递,进而调控昆虫的生长和繁殖。本研究旨在为营养调控褐飞虱Nilaparvata lugens生长和繁殖的分子机制作出初步探索。【方法】在不同营养条件［100%浓度饲料(全纯人工饲料D-97, 对照)、50%浓度人工饲料和25%浓度人工饲料］下饲喂褐飞虱3龄第2天若虫至成虫,统计体重、发育历期、存活率和每卵巢成熟卵量;利用荧光定量PCR检测羽化后第2天褐飞虱成虫不同组织(卵巢、脂肪体和其他组织)中IIS, TOR以及AMPK信号通路相关基因(InR1, InR2, AKT, FoxO, TOR, S6K, 4EBP, AMPKα,AMPKβ和AMPKγ)的表达量;利用Western blot方法检测羽化后第6天褐飞虱成虫卵巢和其他组织中Akt, FoxO和AMPK蛋白磷酸化水平;同时检测羽化后第6天褐飞虱成虫不同组织中的ROS水平以及不同龄期褐飞虱体内保幼激素(juvenile hormone, JH)和蜕皮激素(20-hydroxyecdysone, 20E)滴度。【结果】与饲喂100%浓度人工饲料的对照相比,用低浓度人工饲料饲喂褐飞虱至成虫导致5龄第2天至成虫体重显著降低,从3龄第2天若虫至成虫发育历期缩短,死亡率提高,每卵巢成熟卵量显著降低。取食低浓度人工饲料后,羽化后第2天成虫IIS, TOR以及AMPK信号通路相关基因InR2, TOR, 4EBP, AMPKα在卵巢、脂肪体和其他组织中, AKT, S6K和AMPKγ在脂肪体和其他组织中,以及InR1, FoxO和AMPKβ在其他组织中表达量较对照均显著下降,但卵巢中InR1, AKT, FoxO和AMPKγ的表达量相对稳定;羽化后第6天成虫卵巢和其他组织中AKT, FoxO以及AMPK的磷酸化水平显著增加。随着人工饲料饲喂浓度的降低,羽化后第6天褐飞虱成虫不同组织中的ROS水平显著增加。不同营养条件下褐飞虱4龄第2天若虫体内JH滴度无显著差异,低营养条件下5龄第2天若虫体内JH滴度较对照显著降低,而在羽化后第2天成虫体内JH滴度则较对照显著增加;低营养条件导致褐飞虱若虫以及成虫体内20E滴度均显著增加。【结论】褐飞虱在面临营养缺失的情况下,营养信号传导通路(IIS, TOR以及APMK通路)的关键基因表达均下降,而ROS水平显著上升,通过调节AKT, FoxO以及AMPK的磷酸化水平,进而影响JH以及20E的生物合成。     

利用CRISPR/Cas9系统检测果蝇细胞中组蛋白甲基化修饰对20E信号传导的调控

【目的】利用CRISPR/Cas9基因敲除系统在黑腹果蝇Drosophila melanogaster细胞中筛选并检测组蛋白甲基化修饰对蜕皮激素20 羟基蜕皮酮(20-hydroxyecdysone, 20E)信号传导的调控。【方法】通过Flybase网站分析并总结黑腹果蝇组蛋白甲基转移酶及其修饰位点;将5个组蛋白甲基转移酶基因［trr, Mes-4, ash1, Su(var)3-9和egg］的sgRNA插入到敲除载体pAc-sgRNA-Cas9骨架中并转染黑腹果蝇Kc细胞,利用TA克隆和测序鉴定突变位点。以Trr正调控20E初级应答基因Br-C的转录表达为阳性对照,利用qRT-PCR和Western blot检测该系统敲除靶基因的有效性;通过检测20E应答元件(20E response element, EcRE)双荧光素酶活性确定trr, Mes-4, ash1, Su(var)3-9和egg是否参与20E信号传导。【结果】果蝇组蛋白甲基化修饰主要发生在组蛋白H3的赖氨酸残基上,H3的精氨酸残基和组蛋白H4的甲基化修饰较少。trr敲除载体pAc-trr-sgRNA-Cas9转染Kc细胞后成功突变trr,降低H3K4三甲基化水平并阻断20E对其初级应答基因Br-C的转录诱导,证明该敲除系统的有效性。除trr之外,Mes-4和egg的敲除降低EcRE的双荧光素酶活性。【结论】插入靶标基因sgRNA序列的pAc-sgRNA-Cas9敲除载体在果蝇Kc细胞中可以有效快捷地突变靶基因。利用该敲除系统发现,除Trr之外,Mes-4和egg影响EcRE的活性而参与20E信号传导。本研究为昆虫细胞CRISPR/Cas9介导的基因敲除和组蛋白甲基化修饰调控20E信号传导的深入研究提供了理论依据与工作基础。     

城市主城区立体模型的构建与风环境模拟——以广州主城区为例

以22 km×21 km的广州主城区为例,以40 m建筑间距作为风道宽度低限、用容积高度对建筑高度赋值和垂向拔高为建模特色,概括构建了城市尺度的立体模型。在此基础上,分别模拟了广州主城区中性流条件下,弱风（2 m/s）和强风（5 m/s）、近地面10、25、50 m三个高度的风环境。模拟表明：来流5 m/s下主城区存在不同风速等级、不同平面形态以及不同高度面的风道;白云山、珠江新城等面积较大的地形或建筑高地形成了减速明显的背风区条带,并相互组合形成了重要的风口和具有较高基面的强风道;在不同高度上主城区风速均由周边向城市中心降低;风道风速强烈地依赖于风道走向,风道风速与走向夹角呈三次函数递减,两者拟合优度R²为0.512。模拟结果很好地呈现了城市尺度宏观地形白云山和建筑密集区相互间的作用,反映了城市尺度模型构建与模拟的优势。     

高寒草甸黄帚橐吾种群根际/非根际土壤可培养微生物群落特征

黄帚橐吾（Ligularia virgaurea）是高寒草甸常见的毒杂草,被认为是指示一个地区草地植被退化的重要物种,研究其根际/非根际土壤微生物在不同海拔梯度上的群落特征具有重要意义。以甘南州高寒草甸不同海拔梯度黄帚橐吾根际/非根际土壤可培养微生物为研究对象,采用稀释涂布平板法和最大可能数法（MPN）测定了土壤微生物的数量及土壤理化因子的变化。结果表明：细菌在微生物总数中占比最大,根际微生物数量随海拔升高呈先增加后减小的变化,非根际则表现为递增的趋势,微生物功能群在根际和非根际土壤中均逐渐增加;根际土壤的微生物和功能群数量均高于非根际土壤。RDA分析发现,土壤温度、有机碳、电导率、pH、全氮、全磷、速效氮及脲酶对根际/非根际土壤微生物数量及功能群变化影响较大。通径分析可知：根际土壤中,细菌和真菌受速效氮和有机碳影响较大,放线菌主要受土壤温度和电导率的影响;根际土壤固氮菌和氨化细菌决策系数速效氮 > 有机碳 > 全氮;根际和非根际土壤中硝化细菌的影响因子各不相同,根际土壤决策系数最大和最小分别为全磷和全氮,非根际则是pH和脲酶。     

家蚕CRISPR/Cpf1基因编辑系统建立

自CRISPR/Cas9基因编辑系统成功应用于模式生物以来,因其快速、高效、便捷等特点,广泛应用于基因功能研究、基因治疗和基因工程等研究领域。与此同时,CRISPR/Cas系统不断在微生物界的发现也加速了新的基因编辑工具的不断涌现。CRISPR/Cpf1是第二类 (Ⅴ型) 能够编辑哺乳动物基因组的CRISPR系统,相比于CRISPR/Cas9基因编辑系统,能够利用5′T-PAM富集区增加基因组覆盖率,具有其切割位点为粘性末端和更不易同源重组修复等诸多优势。基于此,本研究构建了能够在家蚕细胞表达的3个不同来源的CRISPR/Cpf1 (AsCpf1、FnCpf1和LbCpf1) 表达载体,选择高度保守的家蚕热休克蛋白基因BmHSP60和家蚕ATP酶家族BmATAD3A基因分别设计靶标gRNA,构建gHSP60-266R和gATAD3A-346R基因编辑载体。通过T7E1酶切分析和T克隆测序,鉴定3个Cpf1基因编辑系统AsCpf1、FnCpf1和LbCpf1对靶标基因BmHSP60和BmATAD3A的编辑效率。同时,利用Western blotting分析不同基因编辑系统敲除靶基因后对其BmATAD3A和BmHSP60蛋白翻译的影响。本研究成功构建了家蚕CRISPR/Cpf1基因编辑系统,能够在家蚕细胞中有效编辑家蚕基因组,为家蚕基因功能研究、基因工程和遗传育种开发了新技术与新方法。     

中欧组织间合作研究项目MIX-UP助力实现“碳中和”

随着全球塑料循环体系的变革升级,提高塑料的回收利用不仅可以减少塑料在生命周期中的碳排放,还可以解决废塑料潜在的生态环境危害。文中介绍了2019年国家自然科学基金组织间国际 (地区) 合作研究项目“废塑料资源高效生物降解转化的关键科学问题与技术 (MIXed plastics biodegradation and UPcycling using microbial communities,MIX-UP)”。该项目聚焦“塑料污染”这一全球化的问题,围绕中欧双方确定的“塑料生物降解菌群”研究领域,联合中欧双方14家优势科研单位,开展实质性的重大前沿合作研究。针对废塑料生物降解中存在的解聚与重塑两个难题,项目以难降解石油基塑料 (PP、PE、PUR、PET和PS) 以及生物可降解塑料 (PLA和PHA) 的混合废塑料作为研究对象,从塑料微生物降解途径解析及关键元件的挖掘与改造、塑料高效降解混菌/多酶体系的构建与功能调控、塑料降解物的高值化炼制途径设计与利用策略3个方面展开研究。本项目将突破废塑料生物降解转化中高效降解元件挖掘、塑料降解物高值化利用的关键科学问题与技术,探索一条废塑料资源化、高值化、循环化、低碳化的新塑料循环路线,建立以“降塑再造”为核心理念的废塑料生物炼制体系,丰富我国固废资源化生物技术利用平台。项目的实施不仅有助于提升我国塑料 (生物) 循环经济的理论基础和关键技术水平,还可以推动我国与国际科研院所的多边交流与合作,促进我国在生物技术领域的创新发展,助力我国碳中和目标的实现。