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[学术文献 ] 英国洛桑研究所综述作物生产面临挑战并提出结合基因编辑与人工智能提高产量 进入全文
Plant Communications
2025年5月28号，英国洛桑研究所（Rothamsted Research） Christophe Lambing团队于Plant Communications 在线发表了题为Integrating genome editing with omics, artificial intelligence and advanced farming technologies to increase crop productivity的综述文章。本综述概述了作物生产面临的当前挑战，探讨了传统作物育种的局限性与前景，并阐述了基因组编辑技术如何克服产量停滞问题。此外，还评估了当前作物基因组编辑的相关法规，并就如何将基因组编辑与其他先进技术整合以优化整个作物生产流程、突破产量停滞困境提出了策略见解。基因组编辑技术自20世纪初以来不断发展，从早期的诱变育种到TILLING技术，再到基于核酸酶的靶向突变系统（如ZFNs、TALENs）和革命性的CRISPR-Cas系统，为植物育种提供了越来越精准和高效的工具。近年来，碱基编辑、Prime编辑、线粒体与叶绿体基因组编辑以及表观基因组编辑等新技术的出现，进一步拓展了基因组编辑的应用范围，为改良作物性状、提高产量和增强抗性提供了更多可能性，推动了农业生物技术的快速发展。尽管CRISPR-Cas9基因组编辑技术在农业领域具有巨大潜力，但其在作物育种中的应用仍面临基因编辑试剂传递效率低、植物再生困难等瓶颈。目前，通过农杆菌介导的转化、原生质体瞬时表达、RNA病毒介导的转化、纳米颗粒和PEG介导的传递等多种方法尝试解决这些问题，但这些方法仍存在效率低、细胞损伤、物种特异性等限制。为提高转化效率和再生能力，研究者们设计了包含发育调节基因（DRs）的T-DNA载体以促进植物再生，但其组成型表达可能带来负面效应。作为替代，GRF4-GIF嵌合体的表达被证明可以有效提高植物再生效率，且与CRISPR-Cas9共传递时可产生具有生育能力的编辑植株。此外，将基因组编辑技术与快速育种系统结合，如ExpressEDIT方法，通过直接将Cas9和sgRNA应用于植物并快速筛选出不含Cas9但携带新性状的植株，也为解决再生瓶颈提供了新思路。全球对基因编辑作物的政策差异大，多数国家对转基因生物有限制。但目前，越来越多国家开始重新审视并调整政策，部分国家已将基因编辑作物排除在原有转基因法规之外，采用更灵活的监管方式。将基因组学与表型组学相结合，利用多组学和环境数据识别基因和调控途径，结合长读长DNA测序、植物表型组学平台和AI 技术，为作物改良提供支持。同时，利用机器人技术和人工智能实现精准农业，通过实时监测和智能决策，优化资源利用，提高作物产量和质量。基因组编辑技术在作物育种中具有巨大潜力，未来应将其与其他创新技术深度融合，加强生物技术、农学、工程学等多领域的合作，有效解决现代农业问题。随着法规政策的不断完善和技术的持续进步，基因组编辑技术有望在应对全球产量停滞、保障粮食安全和提高作物气候适应性等方面发挥重要作用。
[学术文献 ] 美国得克萨斯大学揭示CTEM在肿瘤免疫中作用机制 进入全文
Molecular Plant
2025年6月4日，美国得克萨斯大学研究团队在Nature发表题为“CREM is a regulatory checkpoint of CAR and IL-15 signalling in NK cells”的研究论文，研究通过单细胞转录组分析发现，在CAR-NK细胞过继转移至淋巴瘤小鼠模型后的效应功能高峰期，转录因子环磷腺苷反应元件调节因子（CREM）被显著诱导，且其表达与NK细胞活化和功能障碍特征同步升高；证实CAR激活和IL-15信号均能快速上调NK细胞中CREM表达，而CRISPR-Cas9介导的CREM敲除通过PKA-CREB信号轴和STAT3/STAT5依赖途径增强CAR-NK细胞的体外和体内抗肿瘤功能，提高其对肿瘤诱导免疫抑制的抵抗力；机制上，CREM通过表观遗传重编程（如ChIP-seq显示其广泛结合于细胞因子、细胞毒性分子及调控基因，ATAC-seq表明敲除后染色质可及性增加）直接抑制NK细胞效应基因（如GZMB、IFNG），同时上调耗竭相关基因，而靶向CREM可逆转这种抑制状态，显著提升CAR-NK细胞在血液瘤和实体瘤模型中的持久性、浸润能力及生存获益，且未观察到显著毒性，为增强CAR-NK疗法提供了新策略。
[学术文献 ] 美国传染病研究中心揭示HIV-1潜伏库大小与宿主基因表达之间的关系 进入全文
Nature Communications
2025年5月29日，美国传染病研究中心Rasmi Thomas研究团队在Nature Communications发表题为“Single-cell analyses identify monocyte gene expression profiles that influence HIV-1 reservoir size in acutely treated cohorts”研究论文，通过单细胞分析深入探究了HIV-1潜伏库大小与宿主基因表达之间的关系，揭示了单核细胞尤其是CD14+单核细胞的基因表达在调节HIV-1潜伏库中的关键作用。研究聚焦于急性感染早期即开始抗逆转录病毒治疗（ART）的患者群体，利用单细胞RNA测序技术对14名病毒抑制效果良好但HIV-1 DNA水平存在显著差异的男性患者的外周血单个核细胞进行分析，发现单核细胞活性特别是IL1B基因表达与HIV-1潜伏库大小呈显著负相关。进一步在包含38名男性患者的独立队列中验证了这一发现，证实了IL1B表达水平与HIV-1潜伏库大小的负相关性在不同祖先背景和HIV-1亚型中具有一致性。功能实验显示，IL1B能够激活NF-κB信号通路，这不仅促进了HIV-1的活跃感染，还诱导了抗病毒基因的表达从而抑制病毒扩散，表明IL1B可能是一种天然的潜伏逆转录激活剂，有助于减少ART治疗个体中的HIV-1潜伏库。此外，研究还发现单核细胞基因表达与中央记忆CD4+ T细胞频率之间存在相互作用，影响HIV-1潜伏库大小。该研究不仅增进了对HIV-1潜伏库形成机制的理解，还为开发新的HIV-1治疗策略提供了潜在靶点，强调了单细胞分析在揭示特定细胞类型在复杂疾病过程中的作用方面的价值。
[学术文献 ] 上海人工智能实验室等合作构建全球首个水稻生物育种大语言模型 进入全文
Molecular Plant
2025年5月28日，崖州湾国家实验室和上海人工智能实验室联合中国农业大学在Molecular Plant发表题为“SeedLLM·Rice: A Large Language Model Integrated with Rice Biological Knowledge Graph”的研究论文。详细解释了研究团队在2024年4月28日开发的中国首个种业大模型“丰登”(SeedLLM)，本文以水稻为例详细介绍了丰登的技术和实现原理，系统展示了该研究团队最新的全球首个专为水稻生物育种打造的大语言模型“丰登·水稻”（SeedLLM·Rice），并正式向全球开放了网站。模型深度融合水稻生物学知识图谱。大模型系统整合了全球超过140万篇中英文文献，覆盖该领域公开发表成果的98%以上。在此基础上，团队以腾讯发布的通义千问模型(Qwen2.5-7B)为基础，通过预训练与精调流程，成功开发了丰登水稻种业大语言模型。为全面评估模型能力，研究团队构建了一个大模型自动生成的水稻知识问答数据集SeedBench，共包含1,975对问答样本，涵盖问答生成、摘要提取、语言理解与多项选择等10类任务。自动化评估结果显示，丰登模型在准确率等指标上均显著优于通义千问等主流通用模型。此外，研究团队还联合水稻领域专家，设计了一个高质量人工评测数据集HumanDesignRiceQA，包含253道专业问题，聚焦基因功能、传统杂交育种、分子设计育种等核心主题。评测由来自326名评审参与完成，其中83人为水稻研究领域的资深专家。结果表明，丰登模型在答题质量上全面超越OpenAI GPT4及人类本科生平均水平，展现出其在农业垂直领域中的领先能力。为进一步提升模型的科研实用性，团队构建了全球首个水稻多组学知识图谱，整合了1879篇关于水稻转录组和蛋白质组的文献数据，系统汇聚基因表达水平、蛋白丰度与基因组功能注释信息。图谱包含超过40万个节点与157万条边，覆盖水稻研究中的关键知识单元与生物关系。丰登模型实现了图文协同推理，能够跨越纯文本的表达局限，调用结构化图谱执行精准查询、整合多维证据。例如，在面对“基因 AGIS_Os06g035130 是否具备环境响应能力”这一复杂问题时，模型可自动调用图谱中关联的3篇文献，并融合表达模式与功能注释信息，生成具备多组学支撑的专业回答。评估结果显示，图谱增强使丰登模型在专家级任务中的平均得分从67分跃升至85分，远超 DeepSeek-R1和OpenAI GPT-4o1等当前最先进的大语言模型，揭示了图谱与大模型融合以解析复杂水稻生物学知识的新路径。
[学术文献 ] 美国Salk Institute研究所公布全球首个大麻泛基因组 进入全文
Nature
2025年5月28日，《Nature》在线发表了来自美国Salk Institute研究所的Todd P. Michael为通讯作者题为“Domesticated cannabinoid synthases amid a wild mosaic cannabis pangenome”的研究论文。该研究通过构建包含193个基因组的全球首个大麻泛基因组，揭示了栽培大麻存在显著未开发的遗传多样性、性染色体演化新机制及大麻素合成途径的驯化特征。该研究颠覆了"大麻为单一种"的传统认知，证明其多样性远超预期。大麻（Cannabis sativa）是一种具有8000年栽培历史的多用途作物，兼具纤维、油料和药用价值。然而，20世纪初的全球禁令严重限制了其种质资源开发和育种进程，导致纤维应用潜力未能充分释放。尽管近年部分国家放宽管制，但大麻基因组的高杂合性（SNP >2%）和复杂转座元件（TE占比79%）阻碍了对其多样性本质的理解。此前研究仅基于少数参考基因组，无法全面解析种群结构、性染色体演化及次生代谢物合成的遗传基础。该研究基于144份样本（含78个单倍型解析染色体组）构建泛基因组，发现大麻存在至少五个遗传分化群：北美毒品型（MJ）、高CBD药用型（HC）、欧洲纤维型、亚洲纤维型及西藏野生型。其中西藏野生样本与所有栽培品系显著分化，证实亚洲存在未被描述的野生近缘种。此外，该研究发现近10万年内爆发的转座活性（LTR-RT占比50%）导致种群特异性结构变异（SV），SV区域占基因组20.6%。毒品型（MJ）基因组中，Ty3-LTR在重复区域富集，与纤维型形成显著分化。然而，尽管位于高变TE阵列中，四氢大麻酚酸合成酶（THCAS）和大麻二酚酸合成酶（CBDAS）基因呈现极低多样性，每个单倍型仅保留1个全长功能拷贝。最后，该研究还揭示李稀有丙基大麻素合成机制。研究发现酰基脂硫酯酶基因（ALT3/ALT4）的跨染色体复制与丙基大麻素（THCV/CBDV）合成相关。BKR基因的2-bp缺失导致功能丧失，促使丁酰基-ACP累积转化为丙基大麻素前体。综上所述，该研究首次绘制大麻泛基因组全景图，揭示各种种质的遗传分化表明全球大麻基因库仅部分被表征，为发掘抗逆、纤维品质改良基因提供新资源；破译大麻素合成酶的"高变环境-保守功能"悖论，为合规品种（THC<0.3%）分子设计奠定基础。同时该研究颠覆了"大麻为单一种"的传统认知，证明其多样性远超预期。
[学术文献 ] 哥伦比亚大学揭示细菌逆转录酶防御病毒机制 进入全文
Nature
2025 年 5 月 28日，美国蒙大拿州立大学微生物学与细胞生物学系Blake Wiedenheft与美国纽约州纽约市哥伦比亚大学生物化学与分子生物物理学系Samuel H. Sternberg研究团队在Nature发表题为“Protein-primed homopolymer synthesis by an antiviral reverse transcriptase”研究论文。研究团队发现，防御相关逆转录酶（DRT9）系统在病毒感染时能够合成一种特殊的DNA同聚物——多脱氧腺苷酸（poly-dA），这一过程由一个非编码RNA（ncRNA）模板引导，且合成的poly-dA与逆转录酶（RT）蛋白共价结合。研究通过筛选、突变分析、生化实验、冷冻电镜结构解析等方法，揭示了DRT9系统的功能和机制。实验结果显示，DRT9系统能够有效防御多种噬菌体，尤其是Tequatrovirus和Tequintavirus属的噬菌体，防御机制涉及程序性细胞死亡。DRT9系统在噬菌体感染时合成poly-dA，这一过程由RT蛋白的酪氨酸残基启动，且需要ncRNA中的多尿苷酸（poly-U）区域作为模板。冷冻电镜结构显示，DRT9 RT-ncRNA复合体形成六聚体结构，每个RT亚基与ncRNA的特定区域相互作用。DRT9的活性受到噬菌体编码的触发因子和宿主编码的抑制因子的共同调控，噬菌体T5的gp58蛋白能够激活DRT9系统，导致poly-dA积累和细胞死亡，而宿主核酸酶ExoI通常降解poly-dA，但在噬菌体感染时，gp58可能通过与ExoI竞争结合poly-dA的3′末端来阻止其降解。研究不仅扩展了对细菌免疫系统的理解，还揭示了逆转录酶在核酸合成和抗病毒防御中的新功能。
