原标题：南农前沿 | 近期科研成果扫描

　　来源:南京农业大学

　　农学院

　　植物激素与基因编辑团队在提高水稻氮肥利用效率和产量方面取得进展

　　植保院

　　张正光课题组揭示稻瘟病菌致病力的高效因素

　　园艺院

　　侯喜林教授团队在不结球白菜基因组研究上取得重要进展

　　资环院

　　朱毅勇教授团队在水稻细胞膜质子泵研究方面取得新进展

　　资环院

　　土壤微生物与有机肥团队在土壤群落结构稳定性研究方面取得重要进展

　　园艺院

　　陈劲枫教授团队揭示异源多倍化过程中亚基因组优势形成重要机制

　　资环院

　　汪鹏教授课题组揭示植物吸收Cr(VI)的分子机制

　　生科院

　　强胜教授团队发明基于消减杂草群落的稻-麦连作田精准生态控草技术

　　农学院

　　植物激素与基因编辑团队在提高水稻氮肥利用效率和产量方面取得进展

　　近日，农学院植物激素与基因编辑团队在植物学领域国际权威期刊The Plant Cell发表了题为"Natural Allelic Variation in a Modulator of Auxin Homeostasis Improves GrainYield and Nitrogen Use Efficiency in Rice"的研究论文，探明的N-DNR1-Auxin-OsARF分子模块丰富了对氮素-生长素-氮肥利用效率的认识，从分子水平上揭示了生长素稳态调控氮肥利用效率的机制。

　　氮肥是促进作物产量增加的要素之一。然而，近年来氮肥使用量的攀升并未带来农作物产量的大幅提高，经济效益和生态效益反而呈下降趋势。如何提高氮肥利用效率已成为农业生产中亟待解决的问题。培育氮肥高效利用的作物新品种是降低生产成本、减少环境污染、大幅增加生态效益的有效途径。本研究利用华粳籼74 为背景的水稻单片段代换系材料，结合重叠群作图和图位克隆技术从籼稻中分离到氮高效利用基因DNR1，该基因编码吡哆醛磷酸依赖型的氨基转移酶，负向调控生长素的合成。已有报道证实生长素能够调控植物的氮肥利用效率，但具体分子机制尚不清晰。该研究发现，外界氮源能够通过调控DNR1基因的表达水平来改变水稻体内的生长素含量，从而影响生长素信号途径响应基因OsARFs对下游氮代谢相关基因的激活能力，最终实现对水稻氮肥利用效率的调控。

　　Figure 1. Model of How Rice NUE and Yield are Regulated by the DNR1-Auxin-OsARFs Module in indica and japonica Rice Varieties.

　　DNR1的启动子序列在籼、粳水稻亚种间存在520 bp的差别，这导致籼稻与粳稻的氮肥吸收速率的显著差异；籼稻中DNR1indica等位基因的低表达导致籼稻中生长素含量升高，使之具有更高的氮肥利用能力。将粳稻品种和DNR1敲除系种植在不同施加氮肥量的大田中，DNR1敲除系均能增产8%-25%，这表明，DNR1在提高粳稻氮肥利用效率上极具应用潜力和价值。

　　本项研究工作以南京农业大学农学院作物遗传与种质创新国家重点实验室为第一单位。南京农业大学农学院博士研究生张思宇、硕士研究生朱丽梅、沈成波和牛津大学吉喆博士为并列第一作者；南京农业大学农学院李姗教授和华南农业大学王少奎教授是本文共同通讯作者；中科院遗传与发育生物学研究所傅向东研究员、牛津大学Nicholas Harberd教授及南京农业大学吴巨友教授等参与了该研究的部分工作。本项研究得到了中国科协第五届青年人才托举项目、南京农业大学高层次人才引进启动经费、中央高校基本业务费和BBSRC的资助。

　　园艺院

　　侯喜林教授团队在不结球白菜基因组研究上取得重要进展

　　2020年12月28日，南京农业大学侯喜林教授团队在不结球白菜基因组学研究中取得重要进展，相关成果以“A chromosome-level reference genome of non-heading Chinese cabbage [Brassica campestris(syn. Brassica rapa) ssp. chinensis]”发表于Horticulture Research上。该成果经过10多年的深入研究，揭示了不结球白菜维生素C和硫代葡葡糖苷营养物质的代谢机制，为优良性状分子设计育种奠定了坚实基础。同时也为国内外同行提供了不结球白菜的高水平参考基因组数据。

　　不结球白菜，俗称青菜、小白菜，原产中国，是最受大众喜爱的蔬菜之一，栽培面积由2005年的800万亩上升到现在的2,100万亩左右，已成为我国第三大蔬菜作物。该研究以不结球白菜‘苏州青’为材料，利用最新的测序手段，获得396.83Mb近完整的高质量的染色体级基因组，并对其功能进行注释，其ContigN50 2.83Mb。此基因组质量高于现有其它白菜基因组。根据这一新基因组，研究发现重复序列占全基因组的比例约为53%，并且注释得到了48,158个蛋白质编码基因。比较基因组分析证实，不结球白菜经历了一个与其他十字花科物种共享的全基因组三倍化(WGT)事件，这发生在与拟南芥共享的WGD事件之后，为研究芸薹属芸薹种亚种之间分化提供重要的依据。对维生素C和硫代葡萄糖苷(GSLs)合成和代谢途径相关基因进行了鉴定和比较分析，得到了串联复制导致的基因拷贝数变异，并且GSL基因在白菜基因组中发生了高度扩张。联合转录组分析，对相关基因的表达进行了探究，揭示了不结球白菜维生素C和硫代葡葡糖苷营养物质的代谢调控机制。

　　本项研究工作以作物遗传与种质创新国家重点实验室/农业农村部华东地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室/园艺作物种质创新与利用教育部工程研究中心为第一单位，百迈客生物科技有限公司为第二单位。南京农业大学园艺学院侯喜林教授为该论文的通讯作者，李英教授和刘高峰博士后为同等贡献第一作者，南京农业大学刘同坤、张昌伟副教授，肖栋、陈飞讲师和百迈客生物科技有限公司的马立明、郑洪坤参与了该研究工作。本项研究得到了国家重点研发计划(2016YFD0101701)、国家大宗蔬菜产业技术体系(CARS-23-A-06)、国家自然科学基金(31872106)和国家青梗菜良种重大科研联合攻关项目(111821301354052283)的资助。

　　植保院

　　张正光课题组揭示稻瘟病菌致病力的高效因素

　　近日，南京农业大学植物保护学院张正光课题组在New Phytologist发表题为“Auxilin-like protein MoSwa2 promotes effector secretion and virulence as a clathrin uncoating factor in the rice blast fungus Magnaporthe oryzae”的研究论文。报道了稻瘟病菌辅助因子MoSwa2调控COPII囊泡的解聚，介导效应子的外泌，进而抑制寄主活性氧的迸发，促进稻瘟病菌在水稻中的成功定殖。该研究揭示了囊泡运输调控效应子胞内转运的机制。

　　稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)引起的稻瘟病是水稻上的毁灭性病害，威胁着全球水稻产量和粮食安全。在稻瘟病菌与水稻互作过程中，病菌分泌大量的胞外效应子抑制水稻的免疫。尽管已知稻瘟病菌效应分子主要通过BIC (Biotrophic Interfacial Complex)和EIHM (Extra-Invasive Hyphal Membrane)结构分泌出菌体，但是其在胞内如何转运至BIC 和EIHM 的机制仍不十分清楚。已有研究发现稻瘟病菌SNARE 蛋白MoSyn8参与囊泡的转运过程，进而调控细胞质效应分子的分泌，但不参与质外体效应分子的分泌(Qi et al., 2016)；而胞吞相关蛋白MoEnd3调控不同胞质效应子的分泌(Li et al., 2017)，表明效应子胞内转运的过程是精密而复杂的。COPII囊泡作为外泌过程中的重要运输工具，主要负责内质网新合成蛋白向不同细胞器或者胞外空间的运输，其动态平衡维持着细胞内物质的正常转运。然而，稻瘟病菌COPII囊泡是否调控效应子的分泌还不清楚。

　　原来，细胞内的囊泡运输过程，正如两军交火时的军事运输系统一样，各种具有动力的不同运输工具(COPII、COPI和CCV囊泡)装载着所运输的特异性货物(即囊泡上的货物分子)，在辅助因子的精细交通管制下，按照指定的行驶路线抵达目的地后，完成货物的装卸。该研究发现，辅助因子MoSwa2和MoSec24是一对“狼狈为奸”的“搭档”，在它们的密切合作下，运输攻击寄主的“武器”效应子的能力会大幅度提高，从而对寄主进行毁灭性攻击：辅助因子MoSwa2与COPII囊泡组分MoSec24互作，有效调控COPII囊泡的解聚，避免囊泡的聚集，导致“交通拥堵”的现象。MoSWA2基因的敲除导致胞内囊泡的大量聚集，效应子外泌受阻，从而无法抑制寄主的免疫反应，致使侵染菌丝的扩展受抑制，这与MoSEC24基因的敲除表型一致。进一步质谱分析胞外蛋白发现，MoSwa2调控大量氧化还原酶类效应子的外泌，并从中鉴定到一个具有FAD氧化酶活性的质外体毒性效应子MoSef1。

　　此项研究率先在稻瘟病菌中揭示囊泡转运调控效应子外泌，抑制寄主免疫的分子机制，研究结果不仅有助于认识病原菌的致病机理，同时对解析稻瘟病菌与水稻互作的分子机理具有重要参考价值。

　　稻瘟病菌辅助因子MoSwa2调控囊泡解聚促进效应子分泌模式图

　　南京农业大学植物保护学院刘木星副研究员为第一作者，张正光教授为通讯作者。该校郑小波教授和张海峰教授参与了该研究。美国路易斯安娜州立大学的Ping Wang教授提供了指导。该研究得到国家自然科学基金面上项目、青年项目和创新团队项目的资助。

　　资环院

　　朱毅勇教授团队在水稻细胞膜质子泵研究方面取得新进展

　　2月2日，南京农业大学资环学院朱毅勇教授团队在水稻细胞膜质子泵研究方面取得新进展。研究发现，在水稻中过表达细胞膜质子泵OSA1既可以促进根系对氮素等养分的吸收，又可以增大叶片的气孔开度，从而提升了水稻的氮素利用效率和光合作用速率，显著提高了水稻的产量。这一研究为农作物养分高效利用提供了理论基础，也为减少因过度施肥造成的环境污染问题及减缓温室效应提供了新的思路。

　　该研究成果在线发表于Nature Communications。南京农业大学资环学院张茂星博士（名古屋大学博士后）、北京大学王愔研究员、南京农业大学生命科学学院陈熙副教授、南京农业大学许飞云博士（现为福建农林大学博士后）为本论文共同第一作者，南京农业大学朱毅勇教授和日本名古屋大学木下俊則（Toshinori Kinoshita）教授为论文共同通讯作者。南京农业大学、上海交通大学、杭州师范大学、安徽科技学院、山西农业大学、中国农业科学院、日本名古屋大学和中部大学、德国李比希大学等相关合作单位的课题组师生参与了论文的部分工作。本研究得到了国家重点研发项目（2017YFD0200200/0200206）、国家自然科学基金(NSFC31471937)、日本科技部低碳技术研究与发展项目(JPMJAL1011)、日本先进科学领域研究项目(15H05956、20H05687)和安徽省自然科学基金(1608085MC59)的资助。

　　资环院

　　土壤微生物与有机肥团队在土壤群落结构稳定性研究方面取得重要进展

　　近日，南京农业大学资环院土壤微生物与有机肥团队在土壤微生物特殊性功能决定群落稳定性研究方面取得新进展，创新性提出并验证了一种新的评估微生物群落稳定性的平均变异度指数，提出土壤微生物的氮磷代谢的特殊性生态功能和相关细菌类群在维持微生物群落稳定中的重要作用，对破译土壤微生物多样性和系统生态功能之间的关系具有重要的指导意义。

　　传统的群落稳定性评价主要基于抵抗力（Resistance）和回复力（Resilience）两个指标，该研究基于目前土壤微生物群落研究主要利用高通量测序并产生大量数据的情况，该研究提出并验证的平均变异度指数（Average Variation Degree, AVD），将群落稳定性指数化，该模型具有不受组内样本数量限制的优点。

　　研究发现，随土壤微生物多样性下降，群落平均变异度指数提高，稳定性降低。构建随机森林机器学习模型分析了微生物群落的功能基因组成，发现土壤“氮代谢”和“磷代谢”相关的功能基因是决定群落稳定性的最关键功能；同时，构建功能基因共现网络发现这些关键功能基因也是网络关键枢纽成员，这些枢纽功能基因随微生物多样性下降而减少，导致共现网络模块性降低，稳定性下降。进一步对“氮磷代谢”功能基因进行物种注释，发现所有细菌类群的相对丰度都随微生物多样性下降而降低，其中以硝化螺旋菌属（氮代谢）和芽单胞菌属（磷代谢）为代表的类群可能是维持土壤微生物群落稳定的核心成员。

　　土壤微生物与有机肥团队张瑞福教授课题组近年来围绕农田土壤微生物多样性以及根际微生物群落结构和功能装配方面开展了一系列研究工作，研究成果阐明了土壤微生物组结构和功能的主要驱动因素（Soil Biology and Biochemistry, 2015 & 2016; Environmental Microbiology, 2016; Microbiome, 2018），揭示了微生物组特殊性功能决定群落装配过程的新机制（Nature Communications, 2019），提出了作物根际微生物组结构装配的功能补偿机制（Soil Biology and Biochemistry, 2020）。

　　资环院

　　汪鹏教授课题组揭示植物吸收Cr(VI)的分子机制

　　近日，南京农业大学资源与环境科学学院汪鹏教授团队揭示植物吸收Cr(VI)的分子机制。

　　研究采用反向遗传学的技术路线对模式植物拟南芥潜在的Cr(VI)吸收转运蛋白进行筛选，发现硫酸盐转运蛋白基因Sultr1;1和Sultr1;2的突变会显著提高拟南芥对Cr(VI)的耐性，而磷酸盐转运蛋白基因Pht1;1和Pht1;4以及钼酸盐转运蛋白基因MOT1的敲除则对拟南芥的Cr(VI)敏感性无显著影响。酵母异源表达结果表明Sultr1;1和Sultr1;2均具有Cr(VI)的转运活性，但后者的转运活性要远高于前者。进一步的Cr(VI)吸收实验发现，敲除Sultr1;1基因仅在Cr(VI)浓度较高时会稍微降低根部对Cr(VI)的吸收，而敲低Sultr1;2基因（-40%）显著降低了根部对Cr(VI)的吸收，这两个基因的双敲除突变体则几乎丧失了对Cr(VI)的吸收能力。反之，过量表达Sultr1;2基因显著提高拟南芥体内Cr的积累。结果表明，硫酸盐转运蛋白Sultr1;2是负责拟南芥Cr(VI)吸收的主要转运蛋白。

　　该研究成果以“The high-affinity sulfate transporter Sultr1;2 is a major transporter for Cr(VI) uptake in plants”为题，在线发表在Environmental Science & Technology上。徐仲瑞博士为第一作者，汪鹏教授为通讯作者。该研究得到国家重点研发专项基金（2016YFD08004002）资助。

　　园艺院

　　陈劲枫教授团队揭示异源多倍化过程中亚基因组优势形成重要机制

　　近日，我校园艺学院陈劲枫教授团队在《Advanced Science》（中文期刊名：《尖端科学》，2019年影响因子15.84）在线发表了研究论文“Whole-Genome Sequence of Synthesized Allopolyploids in CucumisReveal Insights into the Genome Evolution of Allopolyploidization”（doi:10.1002/advs.202004222）。该研究历经20多年，围绕甜瓜属人工异源四倍体新物种“金瓜”（gocumber）开展了系统深入研究，完成了世界首例人工合成异源多倍体全基因组测序，揭示并初步阐明了在异源多倍化物种形成三个阶段中，种间杂交的作用最为显著，以及亚基因组优势形成机制等多倍体研究重要科学问题，对于加强植物多倍化研究及作物育种利用具有重要意义。

　　早在2000年，陈劲枫教授将栽培黄瓜（Cucumis sativusL., 2n=14）与野生酸黄瓜（C. hystrixChakr., 2n=24）进行种间杂交，通过胚胎拯救和染色体加倍，首创了甜瓜属人工异源四倍体新物种“金瓜”并命名为Cucumis hytivusChen and Kirkbr.，建立了利用种间变异进行黄瓜遗传改良的途径，申请获得了国家发明专利（专利号：CN1279009A；CN1111349C）。在此基础上，项目组通过进一步将金瓜和栽培黄瓜杂交和多次回交，创制了异源三倍体、单体异附加系和渐渗系等一系列特异染色体工程材料，为黄瓜遗传育种提供了全新的种质资源。

　　本研究利用PacBio+BioNano+Hi-C+Illumina多层级的策略完成了首个人工合成多倍体的染色体水平基因组组装，并对其亚基因组进行了精确区分。在项目组前期解析了酸黄瓜基因组的基础上，本研究通过比对亲本栽培黄瓜和野生酸黄瓜基因组发现，虽然两个亲本的绝大部分基因组均在金瓜基因组中得以保留，来自栽培黄瓜的亚基因组具有明显的亚基因组优势现象，表现为丢失的序列更少，同源基因的表达水平更高。

　　进一步以种间杂种F1、金瓜初世代S0和其他早期世代（S4~S13）开展的比较基因组学分析显示，异源多倍体化过程中的三个重要阶段（种间杂交、基因组加倍和二倍体化）对异源多倍体基因组的作用各不相同，以种间杂交的作用最为显著。也就是说，多倍体中被广泛发现的亚基因组优势现象在种间杂交过程中就已经基本确定了，并在后续的进化过程逐渐累积。而在二倍体化过程中，基因组的变化也主要发生在最初的几个世代（S0~S3），之后只有少数位点的改变。

　　世界人口继续快速增长，全球气候快速变化，极端事件持续频发使农业生产面临前所未有的挑战。通过多倍体途径创制新型的高产、高效、环境友好、适应性广的作物新品种已成为农业生产、环境保护和人类社会可持续发展的紧迫需求。尽管已有大量的多倍体植物研究和应用成果，但是由于现存的天然多倍体大多已存在成千上万年，对于从头创制新型多倍体作物的借鉴价值非常有限。本研究对人工合成的多倍体新物种金瓜进行了耐热性与抗南方根结线虫鉴定，结果表明，金瓜不仅表现出明显的杂种优势（生长力旺盛、营养价值高），同时还具有很强的环境适应性，能够在炎热的南京越夏生长，是利用多倍体化开发作物新品种的典型案例。

　　本研究工作以南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室为第一单位。南京农业大学园艺学院陈劲枫教授为该论文的通讯作者，青年教师虞夏清博士为论文第一作者，博士研究生王盼乔、李季副教授、博士研究生赵勤政和中国热带农业科学院纪长绵副研究员为同等贡献作者。本研究得到了国家重点研发计划（2018YFD1000804）、国家自然科学基金（31902006；31902007）和江苏高校优势学科建设工程资助项目的资助。

　　生科院

　　强胜教授团队发明基于消减杂草群落的稻-麦连作田精准生态控草技术

　　近日，南京农业大学杂草研究室在农业领域顶尖期刊《Agronomy for Sustainable Development》发表题为Reduction in weed infestation through integrated depletion of the weed seed bank in a rice-wheat cropping system的研究论文，该研究基于课题组长期研究揭示的杂草种子长期适应在稻田生态系统的灌溉水流传播规律，针对杂草发生的根源土壤种子库，应用拦网清洁灌溉水源（截流）和网捞漂浮杂草种子（网捞）两种简单的物理生态措施配合减次化学除草的“降草”“减药”稻麦连作田精准生态控草技术，真正实现杂草防控的标本兼治。

　　实施6年，杂草种子库规模下降51%，稻-麦两季的杂草发生量显著下降53%。与常规5-6次除草方法控草相当或更优，但减少2-3次化除(减少化学除草剂用量可达40%)，还降低30%的除草成本，真正实现了利用物理生态技术“降草”而“减药”的目的。该研究以麦田优势杂草日本看麦娘为指标对象，利用矩阵模型模拟监测其生活史动态规律，首次使大田杂草防治定量化。

　　江阴试验田概况

　　不同控草措施下土壤杂草种子库随时间的变化

　　该论文以张峥博士为第一作者，强胜教授为通讯作者，毕业博士生李儒海、赵灿为共同作者。该研究是在始于2000年历经8年的江苏南通长期小区试验基础上，首次在大田试验应用研究的成功案例。为基于消减杂草群落的稻-麦连作田精准生态控草技术在我国稻田生态系统杂草防控中大范围推广应用提供了理论依据。为发展该生态控草技术，团队开展了稻田生态系统杂草子实漂浮、传播动态规律、适应机制等系统的应用基础研究，分别发表在Agronomy for Sustainable Development（2018）、Agriculture, Ecosystems & Environment（2019）、Pest Management Science（2014，2017，2020a,b）等农业和植保领域顶级期刊。主持制定了江苏省稻田生态绿色控草技术地方标准。核心技术申请及获得国内国际专利4件。后续已经在江苏金坛、宿迁、淮安、昆山、兴化以及安徽繁昌、白湖等多地以及面上开展了大田示范和推广，并取得了成功。

　　目前，我国农田杂草防除主要依赖化学除草剂，但长期过量施用化学除草剂导致了杂草抗药性的发生，带来了环境污染、农产品的安全问题，降低了农田生物多样性。杂草防治又到了发展的“十字路口”，直接威胁到粮食生产安全和农业可持续发展。2021年中央1号文件再次强调有害生物的绿色防控，该精准生态控草技术无疑为落实中央精神提供了操作性强、可复制可推广的绿色控草技术支撑。

　　来源｜南农新闻网

　　编辑 | 郭嘉宁