突破水稻育種瓶頸

不同農(nóng)藝性狀之間常常存在一種此消彼長的權(quán)衡效應(yīng)（trait trade-off），如植物高產(chǎn)與抗病、高產(chǎn)與高品質(zhì)、產(chǎn)量因素間的負(fù)相關(guān)性等。權(quán)衡效應(yīng)使這些優(yōu)異性狀難以兼得，也使作物育種難以突破瓶頸。水稻是最重要的主糧作物之一，其產(chǎn)量主要由三個核心要素決定：穗數(shù)、每穗粒數(shù)、粒重。然而，這三個性狀在水稻中通常呈負(fù)相關(guān)。IPA1（Ideal Plant Architecture 1）是我國科學(xué)家鑒定到的一個可調(diào)控水稻株型的主效基因，調(diào)控水稻多方面生長發(fā)育過程，對抗病性和環(huán)境適應(yīng)性也有重要調(diào)控作用。其功能獲得基因型ipa1-1D和ipa1-2D可使穗部增大、無效分蘗減少、莖稈粗壯、根系發(fā)達(dá)，顯著提高產(chǎn)量，已廣泛應(yīng)用于優(yōu)良水稻品種的培育。然而IPA1是一個典型的多效性基因，在增大穗部的同時使分蘗數(shù)降低。也就是說，增加IPA1在水稻中的表達(dá)量可增加水稻每穗粒數(shù)，使水稻的穗子變大，但是同時會使每棵水稻長出穗子的數(shù)量（分蘗數(shù)）降低，極大地限制了它的增產(chǎn)潛力。如果能只提高IPA1在穗部的表達(dá)水平，使其只增大穗部，而不影響穗數(shù)，甚至增加穗數(shù)，就能進(jìn)一步提高水稻的產(chǎn)量，讓“魚”和“熊掌”可以兼得。為突破IPA1多效性造成的穗部和分蘗的制約關(guān)系，科學(xué)家們提出使用平鋪刪除（tiling deletion）的方法改造IPA1的順式調(diào)控區(qū)，從中發(fā)掘出一個可以同時提高分蘗數(shù)和穗粒數(shù)的編輯材料IPA1-Pro10及其對應(yīng)的54bp關(guān)鍵順式作用元件。這樣就可以調(diào)控其在幼穗、莖基部等各組織中的表達(dá)水平，實現(xiàn)不同表型的特異性調(diào)控，從而打破產(chǎn)量因素之間的負(fù)效應(yīng)。IPA1-Pro10具有穗重和穗數(shù)同時增加、株高變高、莖稈和根系粗壯的表型。經(jīng)田間小區(qū)測產(chǎn)鑒定，IPA1-Pro10與對照品種中花11相比能夠增產(chǎn)15.9%，大大提高了水稻產(chǎn)量。（Nature Biotechnology,2022, doi.org/10.1038/s41587-022-01281-7）

芒果是如何成熟的？

果實不僅在植物繁殖擴(kuò)散中起到至關(guān)重要的作用，而且也為人類的健康提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。果實成熟伴隨著風(fēng)味物質(zhì)（酸、甜、香等）、果實硬度和外觀顏色等一系列生理生化的變化。這些生理生化過程通常受到內(nèi)外因素的共同調(diào)控。芒果是世界最受歡迎的熱帶水果之一，被譽(yù)為“熱帶水果之王”。由于芒果果實成熟后期乙烯含量顯著累積，長期以來芒果一直被認(rèn)為是典型的躍變型果實。然而，研究人員在調(diào)查芒果成熟過程的生理變化時，發(fā)現(xiàn)芒果成熟期經(jīng)歷的時間差異很大、早熟和晚熟現(xiàn)象很明顯，且果實內(nèi)源激素乙烯在不同品種中（尤其是早熟和晚熟品種）差異明顯，特別是在一些晚熟品種中乙烯的含量很低?？茖W(xué)家們以典型晚熟芒果品種凱特芒果實為研究材料，深入調(diào)查了果實發(fā)育不同階段形態(tài)、生理和代謝物的變化規(guī)律以及基因表達(dá)譜的改變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在果實成熟過程中乙烯釋放量處于較低水平，沒有明顯的躍變趨勢，然而脫落酸（ABA）在果實成熟過程中大量累積，與果實成熟進(jìn)程高度關(guān)聯(lián)?；趯嶒灲Y(jié)果，該研究提出了ABA調(diào)控凱特芒果實成熟的一種潛在模型，即隨著芒果果實發(fā)育和成熟，內(nèi)源ABA含量逐漸增加，誘導(dǎo)MiHY5等轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，并進(jìn)一步激活蔗糖代謝、果實軟化、β－類胡蘿卜素積累和淀粉降解等果實成熟相關(guān)通路基因的表達(dá)，進(jìn)而介導(dǎo)芒果果實成熟。此項研究為芒果果實成熟調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了新見解。（Horticulture Research,2022, 9:uhac102）

分工不同的螞蟻大腦大不相同

螞蟻起源于1.4億年以前的白堊紀(jì)，現(xiàn)存約2萬多個物種。它們廣布于除極地冰原以外的所有陸地生態(tài)系統(tǒng)，是生物演化歷程中最成功的動物類群之一。社會性是螞蟻成功的基石。在螞蟻的社會中，存在著明確的分工，也就是品級分化，如工蟻和繁殖蟻。雖然工蟻和蟻后具有同樣的二倍體基因組，但卻表現(xiàn)出明顯的形態(tài)、生理和行為的分化。多數(shù)螞蟻物種的工蟻沒有繁殖能力，它們只負(fù)責(zé)打理巢穴的事務(wù)，而繁殖任務(wù)是由繁殖蟻來承擔(dān)的。未交配的繁殖蟻有翅，交配后雄蟻死亡，雌蟻翅膀脫落，成為真正的蟻后。著名昆蟲學(xué)家惠勒（William Morton Wheeler）最早在1910年提出社會性昆蟲“超個體”（superorganism）這個概念。他指出，整窩螞蟻是一個“超個體”，每個螞蟻都是這個超個體的一個“細(xì)胞”，工蟻是它的“體細(xì)胞”，而繁殖蟻是它的“生殖細(xì)胞”。為了揭示螞蟻品級分化的內(nèi)在機(jī)制，近來，我國科學(xué)家以法老蟻（Monomorium pharaonis）為模式生物，通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)開展研究，獲得了涵蓋法老蟻工蟻、處女繁殖蟻、蟻后、雄蟻4種全品級大腦的高質(zhì)量單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，制作出了世界上首個全面覆蓋一個螞蟻社會中所有分工角色的單細(xì)胞圖譜。通過比較法老蟻四種成體大腦的細(xì)胞組成，研究者發(fā)現(xiàn)工蟻與雄蟻的大腦是極度特化的。其中負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)記憶的高級大腦中樞蘑菇體細(xì)胞和負(fù)責(zé)處理氣味信息的細(xì)胞在工蟻里豐度極高，而負(fù)責(zé)處理視覺信息的視葉細(xì)胞在工蟻里的豐度則很低。雄蟻大腦的細(xì)胞組成趨勢則相反，視葉細(xì)胞豐度很高，而蘑菇體細(xì)胞和處理嗅覺信息的細(xì)胞豐度則顯著降低。處女繁殖蟻和蟻后的大腦則處于中間形態(tài)，絕大多數(shù)的細(xì)胞類群豐度都居中。這意味著工蟻是更傾向于嗅覺感知的動物，它們也有發(fā)達(dá)的蘑菇體，有更好的學(xué)習(xí)記憶能力和高級認(rèn)知功能，能夠處理復(fù)雜信息，擁有更為靈活的行為策略。而雄蟻視覺系統(tǒng)極度發(fā)達(dá)，嗅葉和蘑菇體卻相對不發(fā)達(dá)，這可能與其僅擔(dān)負(fù)交配職責(zé)而完全不參與蟻巢其他工作的行為相關(guān)。處女繁殖蟻和蟻后具有中間形態(tài)的大腦，意味著它們具有相對全面的行為模式，可以在必要時擔(dān)負(fù)各種職責(zé)，它們的大腦可能更接近螞蟻社會性起源之前的祖先狀態(tài)。正是因為不同品級個體的大腦有不同方向和程度的特化，彼此之間又功能互補(bǔ)，執(zhí)行不同的社會行為和功能，整個蟻群才能同時擁有生殖、育幼、覓食、防御等全面的功能。蟻群也因此而最終成為一個真正意義上的“超個體”。自然選擇作用上升到了蟻群這一更高的組織層次。螞蟻得以在1.4億年的生存競爭中獲得優(yōu)勢，演化成為地球上極具優(yōu)勢的動物類群。（Nature Ecology&Evolution, 2022, doi.org/10.1038/s41559-022-01784-1）

江西發(fā)現(xiàn)野生純種大鯢種群

對物種種群的了解和對物種的正確劃分是瀕危物種保護(hù)的基礎(chǔ)。缺乏科學(xué)認(rèn)識和指導(dǎo)的保護(hù)行動可能反而會加速物種的滅絕。雖然國內(nèi)高度重視中國大鯢的保護(hù)，并采取了有力的保護(hù)行動，但這均是基于學(xué)界長期對其“一個物種”的認(rèn)知。然而，近年來基因組技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用卻讓動物學(xué)家得知，中國大鯢由5—8個遺傳分化顯著的物種組成（線粒體分化時間估計近似人與黑猩猩、大猩猩之間的差異）。多年來的大鯢商業(yè)經(jīng)濟(jì)化養(yǎng)殖造成了全國范圍內(nèi)的人為物種遷移和雜交，引入種群的增殖放流行動加速了需要被保護(hù)群體的遺傳混雜。中國大鯢的保護(hù)陷入極大的困境之中。野生純種自然種群難覓，大量混合個體囤積在商業(yè)養(yǎng)殖場中。不科學(xué)的保護(hù)行動反而加速了過去未被認(rèn)識的小種群物種的滅絕。盡管過去已正式描述了兩個物種，即傳統(tǒng)的中國大鯢（Andrias davidianus）和新近恢復(fù)有效性的華南大鯢（A. sligoi），然而無論是這兩個已定名的國內(nèi)大鯢物種還是其他未被描述的物種，其物種分布范圍和種群大小都不得而知，這也讓目前的保護(hù)行動難以開展。尋找到未受到雜交污染的大鯢原生種群，進(jìn)而確定各物種的分布和瀕危狀況，是突破當(dāng)下保護(hù)困境的關(guān)鍵。經(jīng)過長期不懈的努力，科學(xué)家在江西九嶺山國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了純種大鯢野生種群。綜合形態(tài)學(xué)和遺傳分化證據(jù)，研究人員將其描述為一新種——江西大鯢（Andrias jiangxiensissp. nov.）?；蚪M水平數(shù)據(jù)（簡化基因組SNPs）分析顯示，該種群遺傳分化顯著且未受到其他省區(qū)大鯢的雜交污染。采用標(biāo)記－重捕的方法，為期18個月的野外監(jiān)測共記錄成體、亞成體和新孵化的幼鯢在內(nèi)的700余尾個體，并連續(xù)兩年觀察到野外繁殖現(xiàn)象。成體和亞成體的目擊頻率顯著高于保護(hù)區(qū)外的目擊頻率，甚至高于日本大鯢和美洲大鯢的野外目擊頻率。江西大鯢是目前我國首個遺傳身份明確且野外穩(wěn)定繁殖的大鯢純種種群，同時也是我國首個可記錄大鯢完整自然生活史的野外種群，為系統(tǒng)收集物種的基礎(chǔ)生物學(xué)和棲息地生態(tài)學(xué)資料等提供了寶貴的機(jī)會。這些基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)是評估其瀕危程度、制定相應(yīng)保護(hù)行動計劃的重要依據(jù)。純種江西大鯢的發(fā)現(xiàn)為中國大鯢的保護(hù)帶來了希望，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步在全國范圍內(nèi)的重點(diǎn)關(guān)注保護(hù)區(qū)中開展系統(tǒng)的野外調(diào)查，有望發(fā)現(xiàn)更多類似的純種野生群體，避免物種在被描述前就走向滅絕。（Zoological Research, 2022, 43(3):469-480）

于絕境中保護(hù)全球最瀕危的龜鱉類物種

斑鱉（Rafetus swinhoei）是地球上現(xiàn)存體型最大的鱉類物種，其背甲長度可達(dá)1.5米、體重可達(dá)115公斤。斑鱉也是目前最瀕危的龜鱉類物種。在2019年初，全球已經(jīng)明確記錄的斑鱉個體僅4只，分別保存于我國（一雌一雄）和越南（2只但性別不明）。2019年4月，存活于我國的唯一一只確定性別的雌性斑鱉個體死亡，使該物種的保護(hù)繁育和拯救工作幾乎陷入絕境，斑鱉的未來和持續(xù)生存受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。盡管2020年底越南再度發(fā)現(xiàn)1只雌性斑鱉，為物種的種群恢復(fù)重燃希望，但斑鱉瀕臨滅絕的現(xiàn)狀依然存在。長江下游和太湖流域的斑鱉種群在2019年后實際上已宣告生物學(xué)滅絕，而紅河流域的斑鱉種群也僅在越南確定有3只（含1只雌性個體）。目前，尋找野外幸存斑鱉的工作仍在艱難進(jìn)行中，這是拯救斑鱉的關(guān)鍵。國內(nèi)動物學(xué)家一直不遺余力地在云南境內(nèi)紅河流域探尋野外可能幸存的斑鱉，并繼續(xù)尋求與越南有關(guān)方面的合作。為了避免雌性斑鱉基因組遺傳信息永遠(yuǎn)丟失，也為了推動斑鱉的調(diào)查和保護(hù)工作的繼續(xù)，研究人員在雌性死亡斑鱉的病理解剖檢查過程中采集了該個體的組織樣品，成功組裝出了該個體染色體水平的高質(zhì)量參考基因組序列。組裝的基因組大小為2.24Gb，Scaffold N50長度為131.98Mb。研究人員預(yù)測出了26646個高質(zhì)量的蛋白編碼基因，還通過染色體分析明確了其ZZ/ZW的性別決定系統(tǒng)?；诙喾N數(shù)據(jù)集和系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建算法，研究人員發(fā)現(xiàn)斑鱉與中華鱉（Pelodiscus sinensis）親緣關(guān)系密切，兩者于5440萬年前開始分道揚(yáng)鑣。種群歷史分析表明斑鱉的有效群體在歷史上呈現(xiàn)出連續(xù)下降的趨勢，這與其遺傳雜合度和遺傳多樣性低相一致。比較基因組學(xué)分析表明，一些與自噬、DNA損傷反應(yīng)和生長過程相關(guān)的核心基因發(fā)生正選擇或快速進(jìn)化，暗示它們在斑鱉長壽命和大體型等過程中具有重要的功能。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)與牙齒形成相關(guān)的一些基因在斑鱉基因組中是缺失的，這部分解釋了它們無牙表型的遺傳基礎(chǔ)。 斑鱉全基因組遺傳信息的解析和分析，為該物種保留了全基因組信息（雌性斑鱉ZW雜合子全基因組遺傳信息尤為珍貴）。存留這些信息有助于設(shè)計更為靈敏、專一、特異有效的遺傳分子探針，幫助動物保護(hù)學(xué)家們在野外調(diào)查中利用環(huán)境DNA方法快速檢測、尋找、發(fā)現(xiàn)和識別更多潛在的野生斑鱉個體。（Molecular Ecology Resources, 2022, 22(5):1972-1985）