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[学术文献 ] 农科院深圳农业基因组研究所整合水稻种质资源 进入全文
Nature Communications
2025年4月3日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）联合山西农业大学、崖州湾国家实验室等单位在 Nature Communications上在线发表了题为"GWAS meta-analysis using a graph-based pan-genome enhanced gene mining efficiency for agronomic traits in rice"的研究论文。该研究通过整合7765份水稻种质资源，基于图形泛基因组的meta-GWAS分析，显著提高了水稻种质资源群体中挖掘产量相关基因的效率。这一成果不仅为大规模水稻种质资源利用提供了新的工具和思路，也为水稻高产分子设计育种提供了新的重要基因资源。丰富的水稻种质资源中积累了大量可以用来提高产量性状的优异自然变异。产量性状是复杂变异控制的复杂性状。目前对种质资源遗传变异尤其是复杂变异的解析尚不够深入，这一现状限制了产量性状相关基因的深入挖掘，进而影响了其在育种中的应用。围绕该科学问题，团队前期开展了深入系统的工作，包括：基于全球水稻核心种质资源，构建了基因组充分注释的水稻图形泛基因组和日本晴完整参考基因组，提高了复杂变异鉴定的准确度。基于泛基因组并深入解析了转座子变异、倒位变异和着丝粒序列变异等复杂结构变异对产量相关基因的影响，挖掘到了qTGW1.2a等多个产量新基因，为水稻种质资源挖掘和功能基因组研究提供了新平台。同时，突破了二等位GWAS挖掘产量基因传统研究方法的局限性，基于复等位变异GWAS挖掘到产量新基因TRGW6，以遗传学实验证明了复等位变异对产量性状有独立于二等位变异的剂量调控效应，并实现了产量性状的精准个性化设计。未被充分挖掘的产量稀有变异可能携带独特的遗传信息，在水稻高产性状调控中发挥重要作用。常见变异仅能解释部分遗传力，稀有等位基因的协同作用可能成为找回“遗传力缺失”的关键。团队前期基于10548份水稻资源进行了包含结构变异的稀有变异挖掘，并深入挖掘了产量等性状多个基因的稀有优异等位基因型，为水稻高产优异自然变异挖掘提供了新的重要资源。在本研究中，为了进一步克服传统GWAS方法对群体结构和样本量的敏感性，以及在低频变异分析和微效基因挖掘方面的局限性，进而整合更多大规模数据资源，实现对超大规模群体的高效基因挖掘。研究团队采用meta-GWAS策略，整合来自6个不同种质资源群体的7765份水稻种质资源基因型和表型数据，挖掘产量相关新基因。基于图形泛基因组，共鉴定了6,604,898个单核苷酸多态性和42,879个结构变异。通过对6个群体开展独立GWAS分析，并进一步整合进行meta分析，共鉴定出156个与关键农艺性状相关的遗传位点，其中116个仅能通过meta-GWAS鉴定得到，显著提高了QTL的检测能力和遗传力的解释率。在此基础上，成功挖掘了水稻粒宽和粒长性状相关的新基因GW10.2和GL11，并通过分子遗传学实验进行了功能验证。本研究为水稻种质资源的高效深入挖掘和遗传改良提供了新的思路和工具，也为水稻高产分子设计育种提供了宝贵的基因资源。
[学术文献 ] 农科院蔬菜花卉所构建植物发育发芽时空转录组图谱 进入全文
Nature Plants
2025年4月1日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所杨学勇研究员团队，联合华大生命科学研究院等研究团队，在Nature Plants发表了题为“Developmental innovation of inferior ovaries and flower sex orchestrated by KNOX1 in cucurbits”的研究论文。该研究利用华大的空间转录组技术Stereo-seq，首次构建植物发育花芽时空转录组图谱并重建其细胞谱系，揭示了黄瓜花居间分生组织活性驱动了花托加速生长，进而决定雌花发育与下位子房形成；提出膨大花托是葫芦科单性花与下位子房形成的关键演化创新。团队通过系统发育分析发现，被子植物中，两性花和上位子房是祖先性状，而单性花和下位子房则是在演化过程中多次独立产生的创新结构。有趣的是，在葫芦科植物中，两性花和下位子房这两种性状同步出现，提示它们可能来源于一次共同的进化事件。通过组织切片发现，黄瓜雌花在早期发育阶段，花原基内陷并伴随着“外周组织”的快速生长，将萼片、花瓣和雄蕊被推升至花顶，而发育的心皮则保留在花托内部，最终形成下位子房。推测决定下位子房形成的“外周组织”可能属于膨大的花托。为了深入解析黄瓜下位子房发育的基因表达网络，研究团队对不同发育阶段（S1-S8）的花芽及开花当天的子房组织共52份高质量样本进行了空间转录组分析。成功鉴定并注释了41个来自不同发育阶段的细胞群（clusters），为揭示黄瓜下位子房的发育机制奠定了坚实的基础。在植物发育过程中，细胞命运的逐步分化决定了器官的最终形态。借鉴哺乳动物胚胎发育轨迹分析方法，成功构建了黄瓜器官发生轨迹（TOFO）分析方法，精准描绘了细胞命运分化的动态过程：其中花居间分生组织（FIM）分化为花托以及连接组织（花托和心皮的结合处）。结合全基因组联系分析，发现黄瓜果实的主要果肉组织并非来自心皮，而是由花托发育而成，这为黄瓜及其他葫芦科作物的果实改良提供了新的观点和育种策略。进一步证实，具有类分生组织活性的花托的快速生长是下位子房形成的关键。利用TOFO轨迹分析鉴定了花托增殖过程中关键的调控因子——KNAT2-like1。该转录因子不仅参与花托早期发育，还在后续细胞增殖过程中发挥重要作用。此外，空间共表达模块分析发现KNAT2-like1、CRC和ER形成紧密的调控网络，促进细胞增殖并驱动花托的快速生长。在黄瓜中敲除该基因会导致大量雌花发生转变：花托发育停滞，并产生具有类似番茄上位子房的两性花。这表明该基因是花托发育的关键调控因子。进一步的遗传功能验证支持KNAT2-like1–CRC–ER调控模块在性别决定及下位子房形成中的协同作用。综上所述，本研究首次解析了包括新型KNOX1转录因子在内的关键基因在花托发育中的功能，证明其通过调控分生组织活性在性别决定与下位子房形成中发挥核心作用，并提出下位子房和花性别可能通过同一进化事件共同起源于葫芦科植物。这一发现不仅深化了对被子植物生殖器官演化的理解，也为未来的分子育种和作物改良提供了新方向。
[学术文献 ] 清华大学发现一种全新概念的染色质状态“转录阻抗” 进入全文
Nature Plants
2025年3月31日，清华大学生命学院孙前文实验室在Nature Plants发表题为“H3K36 methylation stamps transcription resistive to preserve development in plants”的研究论文，该研究发现一种全新概念的染色质状态——“转录阻抗”。与学界普遍认知的转录激活及转录沉默现象不同，转录阻抗位点具有与转录激活区域相似的染色质环境，包括富集了RNA聚合酶II（Pol II），组蛋白修饰H3K36me3和高度开放、松散的染色质状态，但其转录水平与转录沉默位点一致——几乎检测不到新生转录本(nascent transcripts)，综合呈现出一种“抵抗转录”的特征。该研究起始于分析拟南芥中不同H3K36甲基转移酶催化H3K36甲基化的差异。研究人员对不同的甲基转移酶突变体进行了H3K36me3的ChIP-seq分析，并意外发现与野生型Col-0相比，突变体sdg8中编码基因上的H3K36me3水平显著增加。随后根据突变体sdg8中H3K36me3水平的变化模式，研究人员对编码基因进行了分类，其中SDG8基因突变会导致C3类别的基因位点（约占总基因数的40%）表现出显著升高的H3K36me3水平，表明甲基转移酶SDG8存在抑制H3K36me3积累的功能。为了探究sdg8突变体中H3K36me3水平升高基因（C3基因）的转录状态，研究人员进行了新生转录本测序(NET-seq)。结果表明，无论在野生型还是sdg8突变体中，C3基因位点处几乎检测不到转录活性，这一结果与现有的H3K36me3增强转录延伸观点相悖。我们已知转录激活(Transcription Active，TA)区域为具有Pol II结合以及开放染色质状态（高信号的ATAC-seq）且转录水平较高的区域。与之相对应，研究人员将有Pol Ⅱ结合(Pol II ChIP-seq)和开放染色质状态(ATAC-seq)但Pol II转录信号极低（Pol Ⅱ Ser2P NET-seq水平）的区域定义为“转录阻抗”(Transcription Resistive，TR)区域。根据这一定义，研究人员在拟南芥基因组中鉴定到了4375个TA基因和12911个TR基因。TR和TA基因均与转录抑制性染色质标记（如H3K9me2、H3K27me1、H3K27me3等）呈负相关，但与转录活跃型染色质标记（如H3K4me3、H3K36me3等）呈正相关。有趣的是，TR基因相较于TA基因有更富集的H3K36me修饰，尤其是H3K36me3修饰。据统计，TR基因占拟南芥基因组中编码基因总数的47.5%，表现出类似于TA基因的活跃染色质状态，却只有极低水平的转录活性。研究人员还发现拟南芥中大量的“必需基因(essential genes)”处于转录阻抗状态，并且这种转录阻抗状态在拟南芥已知的5种H3K36me3甲基转移酶协同作用中维持平衡。进一步对单子叶植物水稻和哺乳动物小鼠的培养细胞进行类似的染色质状态分析发现，转录阻抗现象可能普遍存在于真核生物基因组中。此研究提出的“转录阻抗(Transcription Resistive)”概念突破了领域内长久以来形成的关于染色质状态“非活跃即沉默”的二元认知范式，鉴定出具有独特表观遗传标记与功能特性的第三类转录状态。这种处于“活跃”和“沉默”之间的中间态不仅重构了染色质功能分区理论，更揭示了基因表达调控网络的层级性，对染色质修饰的功能和基因组转录的状态进行了重新定义，开启了全新研究领域的序幕。
[学术文献 ] 以色列魏茨曼科学研究所揭示茄子果实色素转变机制 进入全文
Plant Communications
2025年3月25日，来自以色列魏茨曼科学研究所的Sayantan Panda及团队在《Plant Communications》发表了一篇题为《Molecular Mechanisms Driving the Unusual Pigmentation Shift in Eggplant Fruit Development》的研究论文。该研究揭示了茄子果实发育过程中独特的色素转变机制，即从早期积累的深红色花青素转变为后期积累的橙色柚皮素查尔酮。研究团队通过整合mRNA和miRNA表达数据，发现SPL6a、SPL10和SPL15转录因子以及MYB1和MYB2调控早期花青素的合成，而MYB12转录因子则控制后期柚皮素查尔酮的积累。此外，miRNA157和miRNA858分别负调控SPLs和MYB12的表达。研究还发现，miRNA157和miRNA858通过转录后调控影响茄子果皮的色素转变，提出了一个反馈调控模型，揭示了茄子果实发育过程中黄酮类代谢的分子调控网络。这一发现不仅阐明了茄子独特的色素变化机制，还为其他非跃变型果实的色素调控提供了新的研究思路，并为农业应用提供了潜在的改良方向。
[学术文献 ] 美国拜耳作物科学公司利用机器学习模型高效挖掘新启动子 进入全文
Frontiers in Plant Science
2025年3月19号，来自美国拜耳作物科学公司（Bayer Crop Science）的Ervin D. Nagy及团队在《Frontiers in Plant Science》发表了一篇题为《Computationally derived RNA polymerase III promoters enable maize genome editing》的研究论文。该研究通过计算衍生的RNA聚合酶III（Pol III）启动子，显著提高了玉米基因组编辑的灵活性和效率。研究团队利用机器学习模型从单子叶植物的U6和U3启动子中推导出37个新的Pol III启动子，并在玉米原生质体和植株中验证了其编辑效率。结果显示，27个新启动子的表现与传统U6启动子相当，且能够同时编辑玉米基因组中的27个独立位点。此外，通过多启动子驱动相同的CRISPR RNA（crRNA），研究团队在低效率靶点的编辑效率上实现了高达三倍的提升。这项工作不仅扩展了玉米基因组编辑的工具库，还为多靶点编辑和复杂性状改良提供了新的技术路径。
[学术文献 ] 河南大学利用原核编码CSP基因增强小麦抗旱能力 进入全文
Nature Plants
2025年3月27日，河南大学生命科学学院宋纯鹏教授研究团队以“Horizontally acquired CSP genes contribute to wheat adaptation and improvement”为题在《Nature Plants》杂志上发表研究论文，揭示了小麦适应性和改良中水平获得的CSP基因的作用。这项研究发现，三个编码冷休克蛋白（CSPs）的基因从细菌水平转移到小麦族（Triticeae），并促进了小麦的适应性和改良。研究团队通过实验和数据分析证实，这些水平获得的CSP基因在小麦中具有功能保守性，能够通过直接靶向一种1型金属硫蛋白基因来增加活性氧清除，从而在干旱条件下提高小麦的干旱响应和光合效率。研究还发现，来自节节麦（Aegilops tauschii）的CSP精英单倍型显著提高了小麦的干旱耐受性、光合效率和谷物产量。这些发现不仅为理解水平基因转移在作物适应和驯化中的作用提供了重要见解，还展示了通过水平基因转移引入的新微生物基因作为转基因作物育种和改良的稳定且自然优化资源的潜力。
