张瑞福教授课题组揭示了微生物肥料菌种芽孢杆菌应对植物免疫防卫实现根际定殖的新策略
利用喷雾诱导基因沉默（SIGS）防治作物病害的理论基础被揭示
资环院丨张瑞福教授课题组揭示了微生物肥料菌种芽孢杆菌应对植物免疫防卫实现根际定殖的新策略
根际微生物是植物的第二基因组，对植物的生长和健康具有重要作用，其中的根际促生菌是微生物肥料的主要生产菌种，是支撑农业绿色发展的重要投入品。肥料微生物生存于根际土壤，作用于植物根系，其在植物根表的高效定殖是发挥植物益生作用的前提。植物会通过免疫防卫反应抵抗微生物的定殖和侵染，其中识别非己成分而产生的活性氧爆发是植物免疫的第一道屏障，有效应对植物免疫防卫才能够高效定殖。然而，对植物免疫的研究一直以来都围绕着病原微生物和其共生菌（如根瘤菌和菌根真菌）展开，对于与其结合紧密但非共生的根际促生菌（同时也是微生物肥料的主要生产菌种）如何应对植物根系免疫并成功定殖还不清楚。
4月17日，植物环境互作领域权威期刊《Plant Cell & Environment》在线发表了农业微生物资源团队关于有益芽孢杆菌根际定殖过程中应对植物免疫防卫氧爆发策略的最新研究成果（Bacillus velezensis tolerance to the induced oxidative stress in root colonization contributed by the two-component regulatory system sensor ResE）。植物能够识别细菌所产生的保守微生物相关分子模式（Microbe-associated molecular pattern, MAMP）产生基础免疫，并伴随着活性氧的爆发。细菌的鞭毛多肽flg22是目前研究最为透彻的MAMP，文章比较了多个病原菌与益生菌、尤其是芽孢杆菌的flg22序列，发现决定flg22的免疫激发效应的关键氨基酸位点在有益芽孢杆菌中比较保守，进一步实验发现有益芽孢杆菌flg22能够引发黄瓜、拟南芥叶片、根系的活性氧爆发。然而与病原菌不同的是，活体的有益微生物能够激发植物活性氧爆发，而活体的病原菌由于多方面的免疫抑制和逃逸策略，并未激发植物的活性氧爆发，但有益芽孢杆菌却能够比病原菌耐受数倍浓度的活性氧。该研究发现，芽孢杆菌的一类保守的双组份调控系统ResDE参与了对活性氧的耐受，缺失了ResDE系统的芽孢杆菌突变体活性氧耐受能力和根际定殖水平显著降低，但对活性氧产生缺失的植物突变株定殖无影响，证实ResDE通过参与活性氧的耐受进而促进了芽孢杆菌的根际定殖。
该研究表明，益生芽孢杆菌与病原细菌在应对植物活性氧爆发问题上采用了不同的策略，病原菌通过主动关闭或者逃逸植物的活性氧爆发，而益生芽孢杆菌由于其生活在根表而不侵染至根内，更倾向于耐受活性氧。该研究成果为肥料微生物定殖的调控提供了理论参考。
资环学院博士研究生张慧慧为论文第一作者，中国农科院农业资源与农业区划研究所刘云鹏副研究员与南农大资环学院张瑞福教授为论文共同通讯作者，该研究同时得到国家自然科学基金、中国农科院创新工程的资助。
植保院丨利用喷雾诱导基因沉默（SIGS）防治作物病害的理论基础被揭示
近日，由我校植物保护学院牛冬冬课题组和加州大学河滨分校Hailing Jin团队在Plant Biotechnology Journal杂志合作发表了题为“Spray-induced gene silencing for disease control is dependent on the efficiency of pathogen RNA uptake”的研究论文。该研究通过比较致病真菌、卵菌和非致病真菌对dsRNA吸收效率，发现灰霉病菌、核盘菌、立枯丝核菌、黑曲霉菌和大丽轮枝菌能够有效吸收dsRNA，有益真菌绿木霉菌吸收dsRNA效率较低，而胶孢炭疽菌却不能吸收dsRNA。致病疫霉对dsRNA的吸收效率较低，病原菌的不同细胞类型和发育阶段也影响dsRNA的吸收效率。
作物病害绿色防控对保障我国粮食安全和农业可持续发展具有重大意义。近年，随着对小RNA生物学功能研究的逐步深入，发现小RNA在植物与病原菌互作中具有关键调节功能，其中小RNA跨界调控成为领域内的研究热点，实现了小RNA穿梭转运机制的重要理论突破，并逐渐发展了以跨界RNAi技术为基础的喷雾诱导的基因沉默（Spray-Induced Gene Silencing, SIGS）。SIGS是通过体外合成靶向靶标致病因子的双链RNA（double-stranded RNA, dsRNA），喷洒在植物表面，从而抑制病害的发生，实现病害的绿色防控。然而SIGS防治作物病害的理论基础还不清楚。
使用荧光素标记的YFP-dsRNA检测多种真菌对dsRNA的吸收效率
通过防病效果检测发现，SIGS对dsRNA吸收效率高的病原菌具有较好的防治效果，可以显著抑制病害的发生。相反，SIGS无法抑制吸收效率低或不能吸收dsRNA病原菌的致病力。此外，为了检验dsRNA对作物的保护作用的持久性，该研究对dsRNA处理后不同时间段防治番茄灰霉病的效果进行了检测，发现dsRNA处理7天后仍对灰霉病具有较好的防病作用（图2），表明SIGS在防治大田病害方面具有广阔的应用前景。
目前，SIGS介导的病害防治已经有成功案例，本研究发现病原菌对dsRNA的吸收效率是应用SIGS的瓶颈。未来如何通过进一步优化传递载体或其它途径，提高病原菌对dsRNA的吸收效率，从而拓展SIGS的应用领域。此外，如何增强环境中RNA稳定性，对应用SIGS防治大田病害也至关重要。
我校植物保护学院牛冬冬副教授和加州大学河滨分校Hailing Jin教授为该论文共同通讯作者，南京农业大学为论文第一完成单位，已毕业博士研究生乔露露为论文第一作者。该研究得到了江苏省农业科技自主创新基金等项目资助。
近日，《Frontiers in Cell and Developmental Biology》期刊在线出版了题为“Podophyllotoxinexposure affects organelle distribution and functions in mouse oocytes”的研究论文。该论文共同第一作者为动物科技学院2018级本科生卢平双与谢澜萍，通讯作者为孙少琛教授。该研究工作得到动物科技学院国家级SRT项目《鬼臼毒素对卵母细胞发育的影响及机制》与国家重点研发计划的资助。鬼臼毒素是从主要分布于我国甘肃等地的植物华鬼臼根茎提取的木脂类成分，并具有明显的抗肿瘤活性。然而报道显示鬼臼毒素对机体具有潜在的生殖毒性。先前研究表明鬼臼毒素在体细胞以及卵母细胞中均能够抑制微管蛋白活性，破坏微管组装，而该研究发现除了对细胞骨架的影响以外，鬼臼毒素暴露能够导致卵母细胞内质网、高尔基体等细胞器分布的异常（图1），进而破坏膜泡运输等过程，从而干扰卵母细胞成熟过程中蛋白的合成、分选转运以及降解过程。该研究拓展了鬼臼毒素对动物机体细胞毒性的认识。该论文作者为动物科技学院2020年国家级SRT项目组成员、2018级本科生卢平双、谢澜萍、孔潇含，小组成员自大一下学期便进入孙少琛教授实验室学习，在其指导下独立承担和完成该课题。该文是孙少琛教授指导本科生参与SRT科研项目并独立发表的第2篇论文，此前2016级本科生张丽萍与李力枢以共同第一作者在《ReproductiveToxicology》发表论文并以此为基础获得挑战杯全国大学生课外学术科技作品国家级三等奖。近年来动物科技学院高度重视本科生的综合素质培养，通过一系列措施提高本科生的科研创新能力并取得明显成效。农学院丨我校多倍体团队揭示多倍体农作物具有广泛适应能力的秘密
近日，南京农业大学多倍体团队在PNAS上发表了题为“DNA hypomethylation in tetraploid rice potentiates stress-responsive gene expression for salt tolerance”的研究文章，从DNA甲基化和转录水平揭示了基因组多倍化如何增强水稻在盐胁迫环境中的适应能力。基因组多倍化（全基因组加倍）在植物的进化过程中普遍发生。许多植物包括重要农作物都是多倍体，如六倍体小麦、四倍体棉花和马铃薯等。虽然水稻，大豆和玉米等作物是二倍体，但它们在进化过程中也经历过至少一次全基因组加倍事件。有研究表明，基因组多倍化会增强植物对不利环境的适应，扩大其生存范围。全基因组加倍也会引起表观遗传修饰和转录水平的改变，然而这些变化如何增强植物在胁迫环境中的适应能力仍不清楚。该研究发现与二倍体水稻相比，四倍体水稻减少钠离子的吸收，在盐胁迫环境中有更强的存活能力。在四倍体水稻中，基因组的许多位点包括逆境胁迫相关基因的DNA甲基化水平下降（图1A）。盐处理后，低甲基化状态导致四倍体水稻中盐胁迫相关基因（茉莉酸合成和信号转导基因等）更大幅度地激活（图1B），积累更多的茉莉酸-异亮氨酸。同时，四倍体水稻中逆境胁迫相关基因的激活会诱导邻近转座子的激活，引起转座子区域甲基化水平升高，以抑制转座子，维持基因组的稳定性（图1B）。四倍化后DNA甲基化水平下降加强对逆境胁迫的响应，而逆境胁迫后甲基化水平升高抑制转座子和临近的逆境胁迫相关基因的表达。这种反馈调控作用增强了四倍体水稻对盐胁迫的适应能力。在去除盐胁迫后，四倍体水稻会部分恢复低甲基化状态（与二倍体相比）（图1C）。当再次受到盐处理时，四倍体水稻中逆境胁迫相关基因的激活幅度仍明显高于二倍体水稻（图1D）。而且，两种不同四倍体水稻都呈现这种DNA甲基化和逆境胁迫相关基因表达的调控机制，表明其普遍性。该研究首次解析了多倍体水稻增强耐盐性的表观遗传机制，为多倍体物种在进化中增强环境适应性提供了新的分子机理。南京农业大学博士研究生王龙飞为文章的第一作者，德克萨斯大学奥斯汀分校教授、南农兼职教授Z. Jeffrey Chen为论文的通讯作者，南京农业大学资源与环境科学学院赵方杰教授，农学院宋庆鑫教授，博士生曹帅、王珮同和路克宁为共同作者。农学院丨南京农业大学多倍体团队揭示大豆进化与驯化的表观遗传调控规律
近日，南京农业大学多倍体团队在Plant Cell上发表了题为“Altered chromatin architecture and gene expression during polyploidization and domestication of soybean”的研究文章，该研究整合三维基因组、染色质可及性、组蛋白修饰、DNA甲基化和转录组，深入解析了在大豆多倍化、二倍化与人工驯化过程中，三维基因组结构重塑如何协同表观遗传修饰调控基因表达和重要农艺性状。基因组多倍化（全基因组复制）是物种形成和进化的重要驱动力，在自然界中广泛存在。大豆（Glycine max）是典型的古多倍体，其祖先与菜豆（Phaseolus vulgaris）祖先分化后，又经历一次全基因组多倍化并伴随着缓慢的二倍化过程，导致近75％的基因以多拷贝形式存在。在约6000-9000年前的东亚地区，野生大豆被驯化为栽培大豆，其农艺性状发生显著改变。然而，在大豆多倍化、进化和驯化过程中，表观遗传在调控基因表达和重要农艺性状中的作用仍然知之甚少。真核生物的基因组在细胞核内折叠成不同程度的高级结构，如区室结构（A/B compartments）、拓扑结构域（TAD）和染色质环（chromatin loop）等。该研究通过比较大豆与菜豆，发现多倍化导致基因组三维结构发生显著改变，促进了拓扑结构域（TAD）的产生。而在长期二倍化过程中，染色体断裂部位更容易发生在TAD的边界，并且会造成显著的染色体互作变化。与其他基因相比，大豆基因组中全基因组重复基因更多分布在区室A（A compartments），并且呈现更强的染色质互作、更高的染色质可及性和表达水平。进一步的研究揭示染色质互作会协同染色质可及性、组蛋白修饰和DNA甲基化调控重复基因之间的偏向表达。在人工驯化过程中，驯化选择区域倾向于发生在区室B （B compartments），而品种改良选择区域更易发生在区室A（A compartments）。野生大豆和栽培大豆之间染色质互作的变异会显著促进基因表达的变化，并且形成染色质环的基因受到更强烈的人工选择。这些结果表明人工驯化导致的三维基因组结构变异可能有助于重要农艺性状的改良。该研究通过多组学分析揭示了大豆多倍化与驯化过程中三维基因组结构的变化和调控作用，为大豆的进化和驯化的表观遗传调控研究提供了新观点。南京农业大学农学院博士研究生王龙飞为文章的第一作者，宋庆鑫教授为论文的通讯作者。南京农业大学硕士研究生贾光红、博士研究生蒋欣羽和曹帅为共同作者。
