南农前沿 | 近期科研成果扫描_南京农业大学

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近期科研扫描

植保院吴益东教授团队

破译甜菜夜蛾P450介导阿维菌素抗性新机制

南京农业大学

资环院生态系统生态学课题组

揭示气候变化促进土壤有机碳分解的新机制

南京农业大学

动科院孙少琛教授研究团队

揭示小G蛋白（单体GTP酶）RAB家族对卵母细胞成熟以及精子发生过程的重要功能

南京农业大学

园艺院陈劲枫教授团队

在甜瓜属染色体进化机制方面取得新进展

南京农业大学

资环院汪鹏教授课题组

①发现自由基效应是影响稻田土壤镉释放的重要作用机制

②揭示稻田土壤中毒性砷化合物（二甲基一巯基砷）的动态变化规律和作用机制

植物保护学院吴益东教授团队破译甜菜夜蛾P450介导阿维菌素抗性新机制

近日，南京农业大学吴益东教授团队在重要国际学术期刊PLoS Genetics上发表题为“Genome mapping coupled with CRISPR gene editing reveals a P450 gene confers avermectin resistance in the beet armyworm”的最新研究成果。该研究构建了首个高质量染色体水平的甜菜夜蛾参考基因组，通过基因图位克隆、基因编辑和体外功能表达等多种手段揭示了甜菜夜蛾细胞色素P450氧化酶通过单个氨基酸突变对阿维菌素类杀虫剂产生抗性的新机制。

害虫抗药性是农业生产的全球性制约因素之一，快速鉴定抗药性基因对于抗性害虫种群的监测和治理至关重要。细胞色素P450是昆虫体内一类重要解毒代谢酶，昆虫能够过量表达一个或多个P450解毒酶对杀虫剂产生抗性。每种昆虫具有100个左右的P450基因，因此P450抗性基因的鉴定和抗药性机制解析极具挑战性。

甜菜夜蛾是一种间歇性暴发成灾的全球性害虫，由于长期依靠喷洒杀虫剂进行防治，该害虫已对包括阿维菌素在内的多种杀虫剂产生了高水平抗药性。为了破译甜菜夜蛾对阿维菌素产生抗性的分子机制，本研究首先利用Illumina和PacBio测序技术获得了甜菜夜蛾染色体水平基因组，并构建遗传作图群体将抗性基因定位于在17号染色体15-16 Mbp区间、由9个CYP9A亚家族P450基因首尾相连组成的基因簇（图1）。

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为了确定抗性基因，采用CRISPR/Cas9基因编辑技术对甜菜夜蛾抗性品系体内长达130 kb 的CYP9A基因簇进行整体敲除和分段敲除，通过反向遗传证据锁定了该基因簇中CYP9A186基因与甜菜夜蛾对阿维菌素的高水平抗性具有因果关系（图2）。

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进一步分析发现，甜菜夜蛾抗性品系CYP9A186在底物识别区域SRS1中携带F116V突变。通过离体功能表达研究证实，CYP9A186野生型不能代谢阿维菌素，而CYP9A186突变型（F116V）获得了对阿维菌素的解毒代谢能力，从而使甜菜夜蛾抗性品系对阿维菌素产生高水平抗性（图3）。

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本研究运用基因编辑与遗传定位相结合的新策略，快速鉴定了介导杀虫剂抗性的P450基因，明确P450基因通过功能获得性突变（gain of function mutation）导致害虫抗药性发生的分子机制。该研究成果不仅为甜菜夜蛾代谢抗性基因监测预警、抗性治理策略制定以及新型杀虫剂研发提供重要依据，同时为昆虫抗药性新基因的快速鉴定提供了一套可复制的解决方案。

南京农业大学植物保护学院吴益东教授、杨亦桦教授为论文共同通讯作者，左亚运博士为第一作者，张峰教授、施雨博士、管放博士、张建鹏博士生以及丹麦哥本哈根大学René Feyereisen教授和美国干旱地区农业研究中心Jeffrey A. Fabrick研究员参与了此项研究。该研究得到了国家自然基金项目（31572030）和国家科技基础资源调查计划项目（2018FY101103）的资助。

论文链接：https://网址未加载/10.1371/journal.pgen.1009680

资源与环境科学学院生态系统生态学课题组揭示气候变化促进土壤有机碳分解的新机制

近日，北卡罗来纳州立大学、南京农业大学、美国农业部和海南大学等单位合作，首次发现气候变暖和臭氧浓度升高通过改变根系性状及其共生真菌（即丛枝菌根真菌，AMF）的组成，激发微生物分解土壤有机碳，该成果于7月9日在国际权威学术期刊《Science Advances》在线发表。资环学院生态系统生态学课题组仇云鹏博士为本文的第一作者。

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气候变暖和臭氧（O3）浓度升高是全球气候变化的重要组成部分，可以显著影响植物生长与植物-微生物相互作用，但其对生态系统功能的影响尚不清楚。

气候变暖通常会促进微生物活性，增加有机物分解，而高O3浓度会破坏植物气孔功能，减少植物光合作用，且迫使植物利用部分光合作用产物用于修复臭氧损害的细胞组织。因此，一般推测温度和O3浓度同时升高可能在促进土壤有机碳分解的同时减少光合产物向地下分配，从而限制陆地生态系统作为碳库的能力。然而，直接的实验证据甚少，相关的生态学机制更不清楚。

该研究基于美国北卡罗来纳州立大学的长期定位试验，发现在免耕的大豆农业生态系统中，增温与高臭氧浓度增加了植物胁迫，减少光合产物向地下分配，改变植物根系性状与营养获取策略。为了确保营养获取，植物调整了根系结构与AMF的组成：为维持吸收面积，以牺牲根的“强度”为代价，根变得更细更疏松，菌丝也变细，由此导致根与菌丝更为脆弱，周转速率加快，增加能量源并激发微生物分解土壤有机碳；同时，AMF群落中具有更高养分吸收能力的Paraglomus属相对丰度增加，而具有土壤有机碳保护能力的Glomus属相对丰度降低。这些结果揭示了气候变化改变根系性状与菌根真菌组成从而加速土壤有机碳分解的新机制。

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大气增温与臭氧浓度升高激发土壤有机碳分解

美国北卡罗来纳州立大学Shuijin Hu和H. David Shew教授, 美国农业部Kent O. Burkey和Richard W. Zobel教授，以及海南大学郭梨锦博士参与了此项研究。资环学院生态系统生态学实验室张艺博士为共同通讯作者。生态系统生态学实验室近年来主要研究陆地生态系统功能及其对全球变化的响应，在碳、氮、磷营养元素循环方面取得一系列研究成果，有多篇论文发表于Nature Geoscience, Ecology Letters, Global Change Biology等生态学顶级期刊上。

论文链接：https://advances.网址未加载/content/7/28/eabe9256

动物科技学院孙少琛教授研究团队揭示小G蛋白（单体GTP酶）RAB家族对卵母细胞成熟以及精子发生过程的重要功能

近日，我校动物科技学院孙少琛教授团队在生殖生物学科顶级学术期刊《Human Reproduction Update》（5年影响因子18.96，学科排名1/83）在线发表了题为The multiple roles of RAB GTPases in female and male meiosis的综述论文，全面概括和阐述了小G蛋白（单体GTP酶）RAB家族对卵母细胞成熟以及精子发生过程的重要功能。动物科技学院硕士研究生单蒙蒙为该文第一作者，孙少琛教授为通讯作者，该工作得到了国家重点研发计划的资助。

哺乳动物细胞内含有多种RAB家族蛋白，其位于细胞质中，通过结合GDP失活，结合GTP激活。RAB家族成员主要参与促进和调节运输小泡的停泊和融合，起到分子开关作用。此外，RAB家族蛋白还被发现位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，主要调节SNAREs复合体的形成。RAB家族蛋白还能协同众多效应因子，参与运输小泡的聚集和靠近靶膜。另有研究表明，冠状病毒感染患者的母体胎盘界面的囊泡运输出现异常，RAB蛋白表达发生显著变化，这也表明了RABs蛋白对于哺乳动物生殖生理的重要调控作用。

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近年来，RAB家族蛋白在卵母细胞及精子发生过程中的研究较为活跃，取得了较大的进展。本综述首先阐述了RAB家族蛋白对生殖细胞形成过程中遗传物质的精准分配、受精作用和胚胎形成发育的重要作用。在卵母细胞中，RAB蛋白参与纺锤体组装、动粒-微管附着、染色体排列、纺锤体迁移和卵子-胚胎过渡等过程。在精子形成过程中，RAB蛋白参与细胞骨架的重构、高尔基体介导的顶体形成、精子细胞形态变化。同时，囊泡外分泌相关的顶端体反应和透明带反应以及受精作用都离不开RAB蛋白的调控。最后，论文对RAB家族蛋白在生殖细胞中的分子调控机制、对囊泡转运和细胞器功能的作用途径，以及RAB家族蛋白之间的相互作用做了展望。

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孙少琛教授课题组近年来致力于研究RAB家族蛋白在卵母细胞成熟过程中的作用。研究结果证实RAB23协同KIF17参与卵母细胞微管乙酰化与微丝组装（Development, 2019; Mol Hum Reprod, 2019）；RAB8通过ROCK通路参与卵母细胞纺锤体迁移与高尔基体分布(Biol Reprod, 2019)；RAB7调控了卵母细胞内DRP1介导的线粒体功能(FASEB J, 2020)。相关研究成果均发表在生殖生物学、发育生物学等学科权威期刊。

论文链接：https://academic.网址未加载/humupd/advance-article-abstract/doi/10.1093/humupd/dmab019/6316035?redirectedFrom=fulltext

园艺学院陈劲枫教授团队在甜瓜属染色体进化机制方面取得新进展

近日，我校园艺学院陈劲枫教授团队在国际知名杂志《ThePlant Journal》上在线发表了题为“Reconstruction of ancestral karyotype illuminates chromosome evolution in the genus Cucumis” 的研究论文，该研究利用本实验室开发的高度可定制化的oligo-painting技术，构建了一个包含甜瓜属祖先核型的进化框架，并重建了这些物种起源的进化轨迹和机制，回答了七条黄瓜染色体如何从十二条祖先染色体演化的这一科学问题，增进了对染色体的进化可塑性的认识。同时，该研究为其他植物进行染色体进化的相关研究建立一个典型应用案例。

由复杂的染色体重排驱动的核型动态构成了进化遗传学的一个基本问题。比较基因组学可以建立一个基于系统发育学的进化框架，从而重建形成当今植物核型的进化事件。这个进化框架无疑可以成为揭开物种起源和驯化之谜的关键。然而，物种进化事件的重建一直是一项具有挑战性的工作，特别是在植物王国中。模式物种和作物的基因组测序项目的快速增加，引发了人们对进化事件本质的强烈兴趣。然而，许多物种的基因组资源有限，特别是非模型植物, 使得重建这一框架更具挑战性。

甜瓜属（Cucumis）属于葫芦科（Cucurbitaceae），包含约66 物种，包括在全球范围内广泛分布的重要经济作物，黄瓜（C. sativus，2n = 2x = 14）和甜瓜（C. melo，2n = 2x = 24）。尽管这些物种和人类之间存在着长达千年的关联，但这些物种和野生近缘物种之间的起源关系和进化事件仍然不清楚，构建一个基于系统发育学的进化框架可以阐明这个问题，将为祖先如何演化成现存的甜瓜属物种提供新的见解。

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本研究在实验室已发表的oligo-painting 技术基础上（Plant Journal，doi: 10.1111/tpj.14600），使用高度可定制化的比较oligo-painting（comparative oligo-painting，COP），可视化了代表性甜瓜属物种的精细基因组结构，构建了一个包含祖先核型进化框架，从而阐明了这些物种核型起源的的进化事件，并证明了甜瓜属祖先核型（n = 12）通过频繁的杂交和系谱/物种特异性基因组重组而演化为现存的甜瓜属物种基因组。研究结果表明，甜瓜属核型的分区进化可塑性的主要位于近着丝粒区域，这些区域由于其脆弱性而在染色体进化中扮演重要作用。同时，对于黄瓜和甜瓜染色体的起源-进化提供了新的认识。

本研究工作以南京农业大学为第一单位。南京农业大学园艺学院陈劲枫教授和娄群峰教授为该论文的通讯作者，南京农业大学园艺学院博士生赵勤政为论文第一作者，博士研究生王盼乔和秦晓东、青年教师程春燕和虞夏清，李季副教授等参与了该研究。本研究得到了国家重点研发计划（2018YFD1000804）、国家自然科学基金（31430075）、江苏省重大品种创制（PZCZ201719）和江苏高校优势学科建设工程资助项目的资助。

全文链接：https://onlinelibrary.网址未加载/doi/10.1111/tpj.15381

资源与环境科学学院汪鹏教授课题组

①发现自由基效应是影响稻田土壤镉释放的重要作用机制

②揭示稻田土壤中毒性砷化合物（二甲基一巯基砷）的动态变化规律和作用机制

近日，南京农业大学汪鹏教授课题组前期揭示了金属硫化物之间形成的原电池（voltaic cell）是控制稻田土壤排水过程中镉释放的重要作用机制（Huang et al., Environ. Sci. & Technol. 2021, 55, 1750-1758）。

稻田具有周期性交替的土壤淹水还原和排水氧化过程，这些过程对土壤镉有效性以及水稻籽粒镉的积累有着重要的影响。在土壤淹水还原阶段，硫酸盐还原会导致亲硫重金属（包括镉）生成难溶的金属硫化物，会显著降低土壤镉的有效性；在土壤排水氧化阶段，硫化镉会重新氧化溶解，导致土壤镉的释放，镉的有效性大幅提高。然而，目前对排水氧化过程中土壤镉释放机制及影响因素的认识尚不清楚。在土壤淹水阶段，无定形铁氧化物会发生还原溶解，释放大量游离的亚铁离子，能与硫酸盐还原产生的S2-/HS-结合生成硫化亚铁（FeS）。在土壤氧化阶段，FeS与硫化镉能形成原电池，影响硫化镉的氧化溶解，同时，FeS氧化能产生羟基自由基（OH），这一过程是否会影响硫化镉的氧化溶解，目前也不是很清楚。

围绕以上问题，汪鹏教授课题组通过一系列土壤培养试验，土壤胶体原位表征和稳定同位素标记试验，以及光谱和能谱等分析方法，揭示了自由基（free radical）直接氧化作用是影响硫化镉氧化溶解的另一个重要作用机制。在土壤氧化阶段，FeS主要通过三种作用来影响硫化镉的氧化溶解（图1）。首先，在土壤氧化的初始阶段，FeS与CdS之间能形成原电池，该效应能抑制CdS的氧化溶解。其次，随着土壤氧化的进行，FeS氧化产生羟基自由基，改变了FeS的电化学势，从而削弱甚至逆转了原电池效应。第三，产生的羟基自由基能直接氧化CdS，促进了CdS的氧化溶解。随着土壤氧化的进行，第三种效应逐渐起主导作用，从而导致土壤镉释放大幅增加。

金属硫化物之间的原电池效应和FeS氧化介导产生的自由基效应是控制稻田土壤氧化阶段镉释放的重要作用机制，是导致不同土壤镉释放速率存在差异的重要原因。这些研究结果对认识稻田土壤镉的生物地球化学过程有着重要的意义，这些机制不仅适用于稻田环境，还适用于厌氧-好氧循环交替的体系以及河流沉积物、湿地土壤等环境体系，对元素的生物地球化学循环过程有着重要的影响。

南京农业大学

自由基效应对稻田土壤硫化镉氧化溶解的影响

该研究成果以“Free Radicals Produced from the Oxidation of Ferrous Sulfides Promote the Remobilization of Cadmium in Paddy Soils During Drainage”为标题发表在Environmental Science & Technology上，南京农业大学博士研究生黄辉为该论文第一作者，汪鹏教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目的资助。

文章链接：https://网址未加载/10.1021/acs.est.1c00576

近日，南京农业大学资源与环境科学学院汪鹏教授课题组首先合成了甲基巯基砷标准物质，建立了利用传统的高效液相色谱串联电感耦合等离子体质谱仪（HPLC-ICP-MS）分析及保存土壤孔隙水中甲基巯基砷种类的方法。

稻米是人体无机砷摄入的主要来源，而砷在水稻土中的化学形态多样，且不同形态砷的毒性及生物有效性截然不同。因此，水稻土中不同形态砷的迁移转化过程对水稻籽粒中砷的积累及其安全具有重要意义。近期，相关研究发现稻田土壤中除了存在无机砷（如无机三价砷及五价砷）与甲基砷[如一甲基砷及二甲基砷（DMA）]外，还广泛存在着巯基砷化合物，包含无机巯基砷及甲基巯基砷，其中二甲基一巯基砷（DMMTA）具有高毒性。然而目前关于二甲基一巯基砷在稻田土壤中的生物地球化学过程及其在稻米中的积累等尚不清楚。

南京农业大学

稻田土壤中二甲基一巯基砷（DMMTA）的动态变化

汪鹏教授课题组结合实验室微宇宙培养试验和大田试验，研究了不同砷污染水稻土孔隙水中二甲基一巯基砷的动态变化及籽粒积累。研究发现，淹水条件下，二甲基一巯基砷为土壤孔隙水中主要的甲基巯基砷形态，其浓度占溶解态砷的1 ~ 34%，且其产生及动态变化由DMA控制。通过微生物专性抑制剂，发现DMMTA的产生主要由硫酸盐还原菌介导，而其消亡主要由产甲烷菌介导，即厌氧条件下，土壤中无机砷倾向先甲基化为DMA，再巯基化为DMMTA；在厌氧后期，DMMTA由于产甲烷菌的脱甲基作用而消亡。在好氧条件下，DMMTA会氧化脱巯基化为DMA（图1）。大田试验发现，DMMTA也是大田土壤中孔隙水中主要的甲基巯基砷形态，且DMMTA能在水稻籽粒中积累，施加硫肥和秸秆还田都能导致籽粒中DMMTA增加。这些结果表明，DMMTA是水稻土中重要的砷形态，可在水稻籽粒中积累，会对食品安全和人体健康构成威胁。

该研究成果以“Dynamics of di-methylated monothioarsenate (DMMTA) in paddy soils and its accumulation in rice grain”为标题发表在Environmental Science & Technology上，博士生戴军为该论文第一作者，汪鹏教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金及国家重点研发计划项目的资助。

文章链接：https://pubs.网址未加载/doi/10.1021/acs.est.1c00133