深耕基础研究 勇攀科技高峰——中国科学院分子植物科学卓越创新中心探索发展之路

文章总结了中国科学院分子植物科学卓越创新中心(以下简称“分子植物卓越中心”)的发展历程,包括学科发展脉络以及抓住历史机遇的机构改革情况,介绍了分子植物卓越中心的战略定位(面向世界科技前沿和国家重大需求)和重大科研成果,透视成果背后的科学家精神内核,以期为相关领域及类型的科研院所改革创新发展提供借鉴。

植物调控盐胁迫下细胞壁完整性的分子机制

植物细胞壁不仅起着支撑和保护细胞的作用,还被认为是植物抵抗逆境胁迫环境的第一道屏障。作为限制农业生产的一个主要非生物胁迫因子,盐胁迫能造成植物细胞壁的组分和结构发生改变,而植物可以通过细胞壁完整性感受器如CrRLK1Ls、LRXs和WAKs等蛋白来感知这些变化并启动下游盐胁迫响应。在细胞内,植物通过盐胁迫诱导的Ca~(2+)内流、植物激素等信号促进细胞壁多聚糖合成和修饰相关基因的表达,从而有助于维持细胞壁的完整性,增强植物盐胁迫适应性。本文概述了植物初生细胞壁多聚糖的主要组分和各组分之间的相互结合关系,并且阐述了盐胁迫对细胞壁各组分的影响,以及盐胁迫下植物感知和维持细胞壁完整性的分子机制,最后讨论了盐胁迫下细胞壁完整性感知和调控研究领域还需要解决的科学问题。

植物类胡萝卜素的代谢调控及储存转运研究进展

类胡萝卜素是植物体内广泛存在的一类天然色素,一般由8个异戊二烯单元首尾相连而成的C40萜类化合物及其衍生物组成。在植物中,类胡萝卜素除了赋予植物器官呈色以外,在体内还执行着多项重要的生物学功能。近年来,虽然类胡萝卜素生物合成途径较为清晰,但是类胡萝卜素的代谢调控以及在体内的储存和转运机制还不明确。本文简要概述了类胡萝卜素的生物合成、代谢调控、储存定位和萜类物质转运蛋白等方面的研究进展,总结了介导类胡萝卜素转运的分子及鉴定转运体的方法,以期为研究类胡萝卜素的合成和转运提供参考。

新型低能耗植物工厂蔬菜高效栽培关键技术研究与进展

研发新型低能耗植物工厂蔬菜高效栽培技术集成系统,实现植物工厂数字化平台的互联网+人工模拟气候环境下设施栽培蔬菜所需的温度、相对湿度、气流组织、循环混合风量、二氧化碳气调、高光效LED模组补充光照、多层光导纤维自然光传导、全角度及分层平移自然光照受控追光装置系统、精量灌溉+精准施肥自动混合水肥一体化及成分分析专家决策模型,实现植物需水量及液肥营养成分的实时监测和相应预测。从而有效解决设施作物生长过程中的水、肥、气、光同补技术关键,最大限度发挥植物的生长潜能,可以达到设施作物高效栽培、周年不断连续规模化生产且系统运行低能耗的效果。

中国微重力科学研究回顾与展望

微重力科学主要研究微重力环境中物质运动的规律,以及不同重力环境中重力对物质运动的影响.中国微重力科学研究起步于20世纪60年代,兴起于80年代中后期,经过多年发展,目前已初具规模,在一些重要方向具有明显特色和一定优势.本文回顾了中国微重力科学研究的早期历程,评述了近年来中国微重力科学研究进展,特别是利用实践十号科学实验卫星、天宫二号空间实验室等空间平台开展的微重力科学与技术应用研究取得的最新成果,并对中国载人空间站时代微重力科学发展的前景予以瞻望,推动微重力科学与应用研究在中国的快速、可持续发展.

植物响应盐碱胁迫的分子机制

随着工业化的快速发展,土壤盐碱化的问题严重制约着作物的产量及种植范围,成为阻碍农业发展亟待解决的问题。植物的盐碱胁迫主要是指土壤中的中性盐以及碱性盐离子对植物的生长发育过程中产生不利影响的一种非生物胁迫。盐碱胁迫与碱胁迫都会改变植物体内外的渗透平衡,引起离子毒害与氧化毒害等,pH所形成的碱胁迫危害往往大于中性盐所造成的危害,碱胁迫会改变植物体内的pH,并降低植物对营养元素的吸收、特别是可溶性铁。本文总结了盐碱胁迫对植物的危害,植物对盐碱胁迫的感知,通过活性氧(ROS),SOS途径,多种植物激素,表观修饰等一系列方式来响应并适应环境的盐碱胁迫,最终降低盐碱胁迫对植物的危害以及植物响应盐胁迫与碱胁迫过程中存在的共同分子机制。

中国科学院合成生物学重点实验室

近年来,合成生物学的兴起和迅速发展引起了国内外科技界的高度重视,相继建立了一些合成生物学的相关研究机构。美国的合成生物学工程研究中心成立于2006年,随后加州大学伯克利分校、麻省理工学院等成立了各自的合成生物学中心。英国自2009年建立第一个合成生物学研究中心以来,又建立了7个多学科交叉的合成生物学研究中心和1个产业中心,有超过30所大学成立了大大小小的合成生物学研究中心。

生物对逆境环境的适应和抗逆分子育种

我国人口占世界人口17%,耕地面积约占世界耕地面积的7.8%。根据国家统计局2021年数据,全国19.18亿亩耕地面积中旱地占50.33%,水浇地占25.12%,水田占24.55%;其中约10%的耕地已受到土壤盐渍化的影响。

数字植物:科学内涵、瓶颈及发展策略

当前,各类组学技术、基因组编辑技术及超性能计算能力的飞速发展正使得植物科学从描述性、定性研究向精细定量研究乃至理性设计的转变。在这个过程中,数字植物的研究应运而生。数字植物通过对植物生长发育过程多尺度、多生理生化现象的系统定量模拟,以实现植物整个生命周期的“数字化”。数字植物将为定量植物科学研究、植物设计及改造提供理论工具。数字植物的发展将支持新代谢通路、基因调控网络的设计,乃至植物理想基因系统的设计,从而为以提升作物产量和优化作物品质为目标的植物合成生物学提供设计工具。本文在分析当前构建数字植物遇到的瓶颈的基础上,提出发展数字植物所需要的关键措施,即:构建植物生长发育基本模型;获得同化物在各器官间分配的代谢数据;创建模块模型耦联方法;建立数字植物研究公共平台;发展表型数据与机理模型相结合的方法;以水稻为模式植物,开展数字植物指导的分子设计育种;建立支持数字植物的人才培养及储备策略。利用数字植物定量模拟和设计植物是未来植物合成生物学发展的趋势,数字植物指导下的作物栽培和育种也是精准农业和智慧农业的必然要求。

药用植物黄芩的生物学研究进展及展望

黄芩为唇形科黄芩属多年生草本植物,在中国具有悠久的药用历史。许多研究表明,黄酮化合物是黄芩的主要活性物质,尤其是根部的黄芩素、汉黄芩素及其苷类,具有抗肿瘤、抗病毒、抗炎、抗氧化、护肝及神经保护等药理活性。本文从化学成分、活性物质的药理、生物技术、组学、代谢生物学和合成生物学研究等方面进行了总结,讨论了黄芩及黄芩属其他植物在现代医学中开发的价值、意义以及存在的问题,以期为其他传统药用植物的开发利用提供借鉴。

植物感应干旱信号的机制

干旱导致渗透胁迫,是造成作物减产的主要自然灾害。自达尔文时代,科学家开始探索植物感知和应答干旱胁迫的机制。现已阐明胁迫激素脱落酸信号途径,并逐步获得植物感知干旱和渗透胁迫的一些线索。本文总结了近年来干旱和渗透信号在植物中感知和传导的研究进展,对干旱胁迫可能的输入信号以及植物潜在的感知方式进行阐述,并提出了干旱胁迫信号研究中尚需解决的核心科学问题,期望为解析植物干旱信号感知和作物抗逆遗传改良提供线索。

植物SUMO化修饰研究进展

SUMO化修饰是一种高度保守的蛋白质翻译后修饰。在SUMO化酶系统的协同作用下,成熟的SUMO分子以异肽键的方式结合到靶蛋白上,调控靶蛋白稳定性、活性、定位等。同时,发生SUMO化修饰的蛋白在SUMO特异蛋白酶的作用下发生去SUMO化反应,使SUMO重新进入循环过程。已知SUMO化修饰参与了植物胁迫响应、生长发育、开花等重要生理过程的调控。本文主要介绍了植物SUMO化修饰途径及其调控的生物学过程,并讨论蛋白组学方法在SUMO化修饰底物鉴定的进展及问题。

中科院分子植物卓越中心等揭示肠道微生物介导的药物耐受新机制

近日,《自然-代谢》(Nature Metabolism)在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心姜卫红研究组等撰写的研究论文"Inactivation of the antidiabetic drug acarbose by human intestinal microbial-mediated degradation" . 该研究发现了肠道微生物介导的药物分解代谢途径及关键酶,揭示了糖尿病一线药物阿卡波糖降解及耐药的新机制.

植物天然化合物的从头生物合成技术

合成生物学在未来的植物药物开发领域有着巨大的潜力。近年来,植物天然化合物的合成途径解析方面涌现了许多重量级的研究成果。植物天然化合物的应用非常广泛,几乎涉及我们生活的方方面面,如药物、食品、日用化学品、化妆品等。植物天然化合物的结构多样。

CRISPR/Cas9编辑MeHNL基因创制低生氰糖苷木薯

【目的】木薯(Manihot esculenta Crantz)中含有潜在毒性的生氰糖苷,其食用安全性受到影响且导致加工成本增加。因此,利用生物技术开展低生氰糖苷木薯的培育具有重要意义。【方法】利用CRISPR/Cas9技术对木薯醇氰酶基因MeHNL进行了编辑。该基因编码催化生氰糖苷分解的α-羟基腈裂解酶,编辑靶点位于第1个外显子上,通过农杆菌介导的稳定转化获得了27株阳性植株。【结果】测序分析显示,其中26个株系被编辑,编辑效率高达96.3%。编辑类型主要包括碱基的插入和缺失,少数为碱基替换和大片段缺失。氰化物检测试剂盒染色和HPLC测定分析表明,编辑株系中的氢氰酸和生氰糖苷含量均显著降低。与非编辑植株相比,编辑植株的叶片细长,暗示了MeHNL可能对木薯的生长发育产生影响。【结论】利用CRISPR/Cas9技术获得了低氰化物的木薯种质,为开展生氰糖苷代谢影响木薯生长发育的研究提供了材料。

基于YOLOv5m和CBAM-CPN的单分蘖水稻表型参数提取

为快速获取单分蘖水稻植株的形态结构和表型参数,该研究提出了一种基于目标检测和关键点检测模型相结合的骨架提取和表型参数获取方法。该方法基于目标检测模型生成穗、茎秆、叶片的边界框和类别,将所得数据分别输入到关键点检测模型检测各部位关键点,按照语义信息依次连接关键点形成植株骨架,依据关键点坐标计算穗长度、茎秆长度、叶片长度、叶片-茎秆夹角4种表型参数。首先,构建单分蘖水稻的关键点检测和目标检测数据集;其次,训练Faster R-CNN、YOLOv3、YOLOv5s、YOLOv5m目标检测模型,经过对比,YOLOv5m的检测效果最好,平均精度均值(mean average precision,mAP)达到91.17%;然后,应用人体姿态估计的级联金字塔网络(cascaded pyramid network,CPN)提取植株骨架,并引入注意力机制CBAM(convolutional block attention module)进行改进,与沙漏网络(hourglass networks,HN)、堆叠沙漏网络模型(stacked hourglass networks,SHN)和CPN模型相比,CBAM-CPN模型的预测准确率分别提高了9.68、8.83和1.06个百分点,达到94.75%,4种表型参数的均方根误差分别为1.06 cm、0.81 cm、1.25 cm和2.94°。最后,结合YOLOv5m和CBAM-CPN进行预测,4种表型参数的均方根误差分别为1.48、1.05、1.74cm和2.39°,与SHN模型相比,误差分别减小1.65 cm、3.43 cm、2.65 cm和4.75°,生成的骨架基本能够拟合单分蘖水稻植株的形态结构。所提方法可以提高单分蘖水稻植株的关键点检测准确率,更准确地获取植株骨架和表型参数,有助于加快水稻的育种和改良。

虎耳草属的资源分类及育种进展

虎耳草属(Saxifraga Tourn. ex L.)资源丰富且分布广泛,全球有440~500个种,其分类一直受到植物学家的关注。该属具有重要的观赏和药用价值,欧洲多国非常重视其观赏资源的开发利用。虎耳草属的品种培育距今已有150多年的历史,到2022年国际虎耳草协会(The Saxifrage Society)网站收录了1 692个品种,但只有1个品种来自中国。可见,我国虽然是虎耳草属的多样性中心之一,但对其观赏资源的开发利用远远落后于欧美甚至日本。该文从虎耳草属的种质资源、分类概况、育种进展等方面进行综述,并简要介绍该属资源的利用现状,为今后我国虎耳草属的分类、育种及应用提供借鉴。结果表明:(1)虎耳草种质资源丰富,但属下系统演化关系仍存在诸多问题,有待整合形态和系统发育学手段开展系统而深入的研究。(2)该属品种主要通过杂交育种和变异筛选的方式育成,英国、捷克共和国、德国、荷兰为培育品种最多的国家。(3)我国对该属的品种选育工作起步晚,育成品种少且育种方式单一。

空间生命学科发展战略研究

空间生命学科是一门致力于研究在空间环境条件下生命起源、演化及其分布,生命现象及其规律的学科.该学科从理论和实验两个层面深入探讨生命起源和早期演化机制,同时也探索地外天体生命的宜居性、存在形式等基本科学问题.随着中国空间站、嫦娥工程和天问系列等大科学计划的实施,中国空间生命科学研究进入了一个高速发展阶段.本文对空间生命领域的发展态势进行了梳理,提炼出了中国未来空间生命学科的重点发展领域,并针对学科布局进行优化,旨在推动空间生命科学研究的高质量发展.

4个六道木品种花挥发性成分分析

采用固相微萃取(SPME)及气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术对六道木(Abelia spp.)品种‘Francis Mason’、‘Ruby Anniversary’、‘Sparkling Silver’、‘Edward Goucher’的花挥发性成分进行分析。结果显示:4个六道木品种花挥发性成分分别有23、22、24和21种,其中,萜烯类化合物分别有16、14、14和18种;4个六道木品种的花挥发性成分包含萜烯类、醇类、醛类、酯类、酮类和烷烃类6类化合物,其中,在‘Francis Mason’和‘Sparkling Silver’中检测到这6类化合物,在‘Ruby Anniversary’中未检测到酮类化合物,在‘Edward Goucher’中未检测到醇类和醛类化合物。4个六道木品种花挥发性成分的共有成分有11种,其中,D-α-蒎烯和β-蒎烯的相对含量较高,苯甲醛在‘Francis Mason’、‘Ruby Anniversary’和‘Sparkling Silver’中的相对含量也较高。综上所述,供试4个六道木品种间的花挥发性成分存在明显差异。

木薯镁离子转运蛋白家族基因的鉴定及生物信息学分析

【目的】镁离子转运蛋白(magnesium transporters,MGT)是重要的镁离子运输体,通过分析木薯MeMGT家族基因的基本信息及所编码蛋白质的物理化学特性,为进一步研究其功能提供指导。【方法】通过同源序列比对,从木薯基因组数据库中筛选出13个MeMGTs基因,分别将其命名为MeMGT2;1-MeMGT10;2。运用生物信息学方法对这些基因进行染色体定位分析、保守序列功能预测和系统发育树分析,并对所编码的蛋白质理化性质和结构功能进行预测。【结果】染色体定位分析显示13个MeMGTs基因分布在8条染色体上,基因的外显子数量在4-13个之间。组织表达模式分析表明MeMGTs基因在不同发育阶段表达水平不同,其中MeMGT4;2主要在须根和储藏根中表达,推测该基因可能主要在根的发育过程中发挥作用;MeMGT7主要在木薯叶片、中脉及茎中表达,推测其可能主要在镁离子的长距离运输过程中发挥作用。顺式作用元件预测结果显示MeMGTs基因的启动子序列中含有大量光响应和激素响应元件,暗示其受多种因子调控。分析木薯与部分模式植物MGT基因家族的系统发育树,发现这些蛋白被分为5类。蛋白序列特征分析显示MeMGTs蛋白均为亲水性蛋白,具有2个跨膜结构和保守的镁转运蛋白三肽基序Gly-Met-Asn(GMN),且不含信号肽。蛋白磷酸化分析表明MeMGTs基因家族具有丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸磷酸化位点,该基因家族的蛋白可能通过这些位点发挥作用。【结论】MeMGTs基因表达受光、激素、干旱和低温响应等多种元件调控,可能在木薯的生长发育和逆境胁迫中发挥用。