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[学术文献 ] 中国农大/神农种业实验室利用高时间分辨率转录组挖掘玉米耐寒基因 进入全文
International Journal of Biological Macromolecules
2025年3月24日，中国农业大学/神农种业实验室团队合作在国际知名期刊 International Journal of Biological Macromolecules在线发表了题为“Identification of the maize drought-resistant gene Zinc-finger Inflorescence Meristem 23 through high-resolution temporal transcriptome analysis”的研究论文。该研究利用高时序分辨率转录组分析技术，系统解析了玉米在干旱胁迫下的动态基因表达模式，鉴定出抗旱关键基因 ZmZIM23（Zinc-finger Inflorescence Meristem 23），并阐明了其通过调控水分利用效率、降低蒸腾速率和促进生物量积累来增强玉米耐旱性的机制。这一发现为理解玉米抗旱分子调控网络提供了重要理论依据，并为培育高抗旱玉米品种提供了新的分子靶点。玉米（Zea mays L.）是全球最重要的粮食作物之一，但其产量受到干旱胁迫的严重影响。随着全球气候变化导致降水模式的不确定性，提高玉米的抗旱性已成为农业科学的重要研究方向。传统的转录组研究往往受限于较少的采样时间点，无法准确捕捉基因表达的动态变化。在本研究中，研究人员采用 高时序分辨率转录组分析技术，在108个时间点对玉米幼苗进行了连续取样，并结合两轮干旱与复水处理，以模拟复杂的环境胁迫条件。研究结果显示，共鉴定到 8477个抗旱响应基因（DRGs），并通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）构建了 17个共表达模块，其中8个模块与干旱胁迫密切相关，为后续关键抗旱基因的挖掘提供了坚实的数据支持。在众多抗旱响应基因中，研究人员重点验证了关键基因 ZmZIM23 的功能。ZmZIM23 属于 TIFY 基因家族，其过表达转基因玉米在干旱条件下表现出更高的存活率、更低的叶片失水率及更高的生物量积累；同时，酵母单杂交（Y1H）和双荧光素酶（Dual-LUC）实验进一步证实，ZmWRKY40可转录调控 ZmZIM23与已知抗旱响应基因ZmCPK35的表达。研究还发现，玉米在不同的干旱阶段采取了不同的应对策略：从初期通过钙离子、活性氧及脱落酸信号的快速感知，到轻度干旱时激活ABA及非ABA依赖途径，再到中度和重度干旱时调控渗透物质的积累和启动抗氧化系统；此外，在第二轮干旱及复水后阶段，部分基因表现出响应更快、表达更强的特性，表明玉米可能存在“干旱记忆”机制。本研究不仅通过高时序转录组数据揭示了玉米在干旱胁迫下的动态基因表达和调控机制，而且为理解玉米抗旱分子调控网络提供了重要理论依据和基因资源。这些成果为培育高抗旱玉米品种提供了创新思路和实践方向，有望推动玉米遗传改良和抗旱育种技术的进一步发展。
[学术文献 ] 西班牙庞培法布拉大学开发基于 NK 细胞的癌症免疫疗法新途径 进入全文
Nature Immunology
2025年 3 月 21 日，西班牙庞培法布拉大学的研究人员在 Nature 子刊 Nature Immunology 上发表了题为：Enhancing human NK cell antitumor function by knocking out SMAD4 to counteract TGFβ and activin A suppression 的研究论文。研究表明，敲除 SMAD4 基因，能够通过对抗转化生长因子β（TGFβ）和激活素 A（activin A）对人类 NK 细胞的抑制作用，增强人类 NK 细胞的抗肿瘤功能。大多数实体瘤对 NK 细胞的渗透性较差，部分原因是肿瘤微环境（TME）中的肿瘤细胞和其他调节细胞产生的抑制性细胞因子——转化生长因子β（TGFβ）的影响。活化的 TGFβ 与 TGFβ Ⅱ型受体二聚体（TGFβRII）结合，随后募集并激活Ⅰ型受体（TGFβRI），形成四聚体受体复合物。经典的信号传导始于 SMAD2 和 SMAD3 受体的磷酸化，随后它们与 SMAD4 形成复合物并转移到细胞核，在那里它们调节细胞类型特异性转录因子、共激活因子和共抑制因子的活性。此外，SMAD2/SMAD3 还能与包括转录中介因子 1γ（TIF1γ 或 TRIM33）、IKKα 或 DROSHA 在内的其他伙伴相互作用，从而调节造血细胞或上皮细胞中 TGFβ 依赖性的细胞增殖和迁移。除了 SMAD2/SMAD3 之外，TGFβ 还能以一种依赖于环境的方式通过丝裂原活化蛋白激酶、PI3K/Akt 以及小 GTP 酶来传递信号。在 NK 细胞中，TGFβ 通过依赖于 SMAD2/SMAD3/SMAD4 的信号传导途径限制干扰素γ（IFNγ）的产生和细胞毒性，同时诱导组织驻留标志物（例如 Hobit、CD103、CD49a 和 TRAIL）的表达，且这一过程独立于 SMAD4。TGFβ 还能抑制 NK 细胞的增殖以及活化受体（NKp30 和 NKG2D）的表达，尽管其中的信号传导中间体尚不清楚。除了 TGFβ 外，SMAD4 还参与 TGFβ 超家族其他成员的信号传导，包括激活素（activin）和骨形态发生蛋白（BMP）。而激活素和骨形态发生蛋白对 NK 细胞抗肿瘤功能的影响研究甚少。在临床前研究中已对多种 TGFβ 通路抑制剂进行了评估，其中几种已推进到临床开发阶段。然而，系统性使用 TGFβ 抑制剂表现出依赖于肿瘤微环境和肿瘤类型的效果，通常需要与细胞毒性治疗（例如化疗或免疫治疗）联合使用，这会增加不良事件的风险。规避 TGFβ 对 NK 细胞功能抑制作用的替代方法，包括临床前研究中测试通过基因工程敲除 TGFβRII 或表达具有显性负性的 TGFβRII 。尽管在小鼠中，Smad4 缺失会损害 NK 细胞的成熟和稳态，且与 TGFβ 无关，但在遗传性出血性毛细血管扩张症患者中，杂合性 SMAD4 功能缺失突变对 NK 细胞库没有显著影响。因此，在这项新研究中，研究团队探索了在人类 NK 细胞中利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术敲除 SMAD4 ，是否能够增强其对 TGFβ 的抗性，并通过利用 TGFβ 驱动的组织驻留特性来增强其抗肿瘤效力。研究结果显示，SMAD4 基因敲除的 NK 细胞对 TGFβ 和激活素 A 的抑制具有抗性，保持了其细胞毒性、细胞因子分泌以及 IL-2/IL-15 驱动的增殖能力。无论是作为单一疗法还是与肿瘤靶向治疗性抗体联合使用，它们都表现出增强 NK 细胞的肿瘤浸润能力和肿瘤生长控制能力。值得注意的是，SMAD4 基因敲除的 NK 细胞的表现优于用 TGFβ 抑制剂处理的对照组 NK 细胞，这突显了维持 SMAD4 独立的 TGFβ 信号传导的益处。SMAD4 基因敲除使多种 NK 细胞平台对 TGFβ 具有抗性，包括 CD19-CAR NK 细胞、干细胞来源的 NK 细胞和 ADAPT-NK 细胞。总的来说，这些发现表明，敲除 SMAD4 是增强 NK 细胞抗肿瘤活性的一种通用且极具吸引力的新策略，为改进基于 NK 细胞的癌症免疫疗法开辟了新途径。
[学术文献 ] 农科院深圳基因组研究所揭示了小鼠诱导多能干细胞重编程效率的关键调控因子 进入全文
Advanced Science
2025年3月20日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所的赵云祥教授和李奎教授研究团队以“Genome-Wide Silencer Screening Reveals Key Silencer Modulating Reprogramming Efficiency in Mouse Induced Pluripotent Stem Cells”为题在《Advanced Science》上发表研究论文，揭示了小鼠诱导多能干细胞重编程效率的关键调控因子。研究团队利用Ss-STARR-seq技术在小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）和胚胎干细胞（mESCs）中进行了全基因组沉默子筛选，分别鉴定了89,596和115,165个沉默子。这些沉默子在基因组中广泛分布，主要与低表达基因相关，并且主要通过结合抑制性转录因子（TFs）发挥作用。研究发现，沉默子与H3K9me3组蛋白修饰显著相关，并且其功能与细胞类型特异性相关。研究还发现，沉默子与增强子之间可以相互转换，这种转换与细胞内转录因子浓度和表观遗传修饰的变化有关。通过敲除Nanog基因的沉默子NS1，显著提高了iPSCs的诱导效率，表明沉默子在调节多能性方面起着关键作用。此外，敲除Smad2基因的沉默子SS1和SS2，促进了mESCs的分化，进一步证实了沉默子在调控基因表达和细胞命运中的重要性。总的来说，这项工作首次全面揭示了小鼠基因组中的沉默子图谱，为理解沉默子在iPSCs诱导中的作用提供了重要证据。
[学术文献 ] 中科院提出“共生基因组育种”概念框架 进入全文
Cell
2025年3月20日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队在《Cell》期刊发表题为“Exploring the plant microbiome: A pathway to climate-smart crops”的长篇前瞻性综述展望(Perspective)。文章提出了“共生基因组育种”(hologenome breeding)的概念框架，即通过精准调控植物微生物群落，培育“气候智能型作物”(climate-smart crops)，在提高作物产量的同时，减少对环境的负面影响，从而推动农业可持续发展。当前，农业贡献了20%-25%的温室气体排放，仅合成氮肥的生产和使用就占全球排放的5%，并通过氨挥发、硝酸盐淋溶等加剧环境污染。尽管“绿色革命”通过高产作物品种与化肥农药使全球粮食产量翻番，但也导致作物对化肥依赖性增强、微生物共生功能退化等问题。数据显示，现代栽培作物与微生物的互利关系较野生近缘种显著降低，农田土壤碳库稳定性下降，农业系统韧性面临严峻考验。基于此，文章指出，植物与根际微生物构成的“共生功能体”(holobiont)是破解困局的关键——根际微生物不仅能调控植物的养分吸收和胁迫抗性，其代谢产物与残体更对土壤稳定碳库有重要贡献。然而，传统育种长期忽视植物-微生物协同进化形成的生态功能基因，导致“高产但脆弱”的恶性循环。王二涛团队提出的共生基因组育种框架，首次将植物-微生物互作介导的生态功能纳入育种体系。该框架通过整合植物基因型、根系分泌物和根际微生物组间的关联模型，实现植物-微生物互作过程的精细调控，以优化养分循环、增强作物抗性并加速土壤碳固存。文章提出了两种具体的共生基因组育种策略：一是通过植物育种调控根系分泌物，从而改变根际微生物组功能；二是设计合成微生物群落(synthetic community)或通过基因改造优化微生物功能，实现跨界信号传导，以定向调控共生功能体。针对环境异质性对植物-微生物互作过程的影响，文章提出农业精准微生物组工程策略，通过揭示特定环境下的植物-微生物互作机制，实现作物品种与微生物组的精准匹配。文章还强调，将农业管理措施与精准微生物组工程相结合，可通过调控土壤理化性质和生物学特性，优化植物-微生物互作，从而实现农艺和生态效益的协同提升。尽管植物-微生物互作研究已取得显著进展，但其田间应用仍面临挑战。由于根际微生物组对环境异质性高度敏感，微生物接种剂的实际效果存在不确定性。为此，文章强调了农业精准微生物组工程的重要性，并建议整合人工智能(AI)算法和高通量表型技术，实现对植物-微生物互作时空动态的精准预测和智能调控。文章指出，将微生物介导的生态功能视为新型植物性状，并将其整合到共生基因组育种体系中，有望为应对粮食危机、环境污染和气候变化等全球性挑战提供植物解决方案。
[学术文献 ] 西湖大学绘制人类复杂特征相关的细胞空间分辨图 进入全文
Nature
2025年3月19日，西湖大学杨剑团队在Nature在线发表题为“Spatially resolved mapping of cells associated with human complex traits”的研究论文，该研究绘制了与人类复杂特征相关的细胞的空间分辨图。组织内细胞的组成和空间组织对其功能至关重要，也可以作为其健康状况的指标。空间转录组学(ST)的进步使得能够描绘细胞在其天然空间位置的基因表达水平，为研究细胞空间组织和揭示相关生物学机制提供了一条有前途的途径。近年来，越来越多的研究利用干细胞技术来探索不同组织中细胞的空间组织。然而，在识别与复杂性状或疾病最相关的细胞以及绘制它们在组织内的空间分布图方面，仍然存在巨大的知识差距。为了识别性状相关的细胞或细胞类型，以前的研究提出了遗传学信息策略，将复杂性状(包括疾病)的全基因组关联研究(GWAS)数据与单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据整合。虽然这些方法可以精确定位性状相关的细胞，但由于在scRNA-seq数据中缺乏细胞空间位置信息，它们在绘制这些被鉴定细胞的空间分布图时遇到了挑战。原则上，这些基于scRNA-seq的方法可以应用于ST数据。然而，由于缺乏细胞空间坐标的建模和ST数据中的高水平技术噪声，它们在性状相关细胞的空间感知绘图中的能力有限。尽管以前的研究将空间域与复杂性状相关联，但这些分析不是单细胞分辨率，限制了它们描绘性状相关细胞空间分布的能力。因此，需要新的方法将ST数据整合到GWAS中，用于性状相关细胞的精细空间分辨作图。在这项研究中，研究人员介绍了gsMap，一种整合高分辨率ST数据和GWAS汇总统计的方法，用于性状相关细胞的空间分辨作图。利用覆盖25个器官的胚胎ST数据集，通过模拟GWAS数据评估了gsMap的特异性，并通过概括不同器官细胞和一系列复杂特征之间的已知关联评估了该方法的敏感性。将gsMap应用于brain ST数据集，生成了广泛的特征-脑细胞关联图，包含30种人类大脑相关的复杂特征。该研究将gsMap广泛应用于大脑复杂疾病研究，并绘制了神经元-疾病关联的空间分布图，为深入理解大脑复杂疾病的病理机制、探索精准的治疗靶点以及干预策略提供了新的视角与方法。
[学术文献 ] 农科院作科所组装蚕豆高质量基因组 进入全文
Genome Biology
2025年3月17日，中国农业科学院作物科学研究所特色农作物优异种质资源发掘与创新利用创新团队联合国内外多家单位，利用中国蚕豆特异种质VF8137，组装出了该种质11.81Gb大小的高质量参考基因组，提供了高质量精细物理图谱和注释，解析了蚕豆基因组进化特征、群体遗传结构与重要性状分子基础，发掘了蚕豆种质特异短翼瓣性状相关候选基因，为蚕豆适应性分化、基因挖掘、种质创新和育种改良提供了基因组资源及数据支撑。相关研究成果以“A special short-wing petal faba genome and genetic dissection of floral and yield-related traits accelerate breeding and improvement of faba bean”为题在线发表在《Genome Biology》上。蚕豆是一种粮菜饲绿肥兼用的春播区一年生或秋播区越年生的冷季食用豆类，因其营养价值丰富，产量潜力巨大，且具有显著生态优势，在农业可持续发展中发挥着重要作用。作为拥有超过1万年驯化历史的古老作物，蚕豆种质资源蕴藏着丰富的遗传多样性。然而，蚕豆庞大且复杂的基因组严重制约了其理论和应用研究。基于该基因组利用遗传定位分析，发掘出一个关键候选基因Vfab3G363000，结合功能注释、序列变异、表达差异和蛋白质结构变异分析等多方面的证据，表明该基因的突变导致了VF8137独特的短翼瓣性状，显著降低蚕豆的异交率，使其表现出自花授粉的特点；随后，还依托该基因组鉴定出一批与产量性状相关的基因和位点。这些基因的充分开发，将有助于缩短蚕豆品种的纯化周期，促进优异目标性状的快速固定，为低异交率、高产蚕豆种质创新和培育提供了宝贵的基因资源。同时，研究团队通过对558份全球蚕豆种质资源群体遗传结构和地理分化进行系统解析，从群体遗传学角度为中国蚕豆南北方生态分化的遗传演进提供了关键线索。
