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  随着世界人口的不断增长和耕地环境的持续恶化,当前农业正面临着粮食短缺的严峻考验,预计到2050年,全球人口将达到100亿,而传统的育种手段将不能满足全球人口的粮食需求。CRISPR介导的植物基因组编辑技术可以对作物进行定点改造,进而实现作物的精准育种,因此,利用CRISPR加速作物的遗传改良有望成为解决粮食短缺问题的重要方法。  中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组一直致力于植物基因组编辑技术的创新及其在作物精准育种中的应用。近日NatureFood杂志在线发表了高彩霞和哥本哈根大学教授MichaelPalmgren为通讯作者的题为ACRISPRwayforacceleratingimprovementoffoodcrops的观点性文章(DOI:10.1038/s43016-020-0051-8)。文章简述了CRISPR及其相关衍生技术的发展,回顾了CRISPR技术在作物改良中的重要应用,介绍了CRISPR相关的最新技术突破。同时,文章预测了CRISPR技术将在作物合成生物学及作物驯化中发挥重要作用,文章最后还讨论了当前各国针对基因组编辑作物的监管政策。  本项工作得到国家自然科学基金及中科院战略性先导科技专项的资助。哥本哈根大学博士后张毅为该论文第一作者,高彩霞、MichaelPalmgren为共同作者。图:加速野生植物(如多年生牧草和树木)的驯化可以扩大粮食作物的多样性

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  植物修复技术(Phytoremediation)是近二十年来发展起来的一种主要用于清除土壤重金属污染的绿色生态技术。重金属超富集植物(hyperaccumulator)及植物修复技术是当前学术界研究的热点领域。与物理和化学修复技术相比,植物修复技术具有成本效益高、可原位施用、侵入性小、破坏性小等显著优点。  中国科学院华南植物园生态及环境科学研究中心博士生黄荣在导师李志安的指导下,选用5种Cd超富集植物(籽粒苋、青葙、龙葵、商陆和伴矿景天)对不同pH值(分别为5.93和7.43)的土壤进行了植物修复试验。除伴矿景天外,大多数超富集植物在酸性土壤中生长较好,生物量比在碱性土壤高19.59-39.63%。利用植物修复技术清除金属污染土壤的潜力取决于超富集植物的金属吸收能力、土壤性质和植物-土壤关系的相互适应度。在酸性土壤中,籽粒苋和青葙的Cd提取总量最高(分别为1.03mg/盆和0.92mg/盆)。在碱性土壤中,伴矿景天表现最好,主要是由于植物地上部镉的高积累量(541.36mgkg-1)。大多数植物在酸性土壤中的叶片Cd生物富集因子(BCF)均大于10,而在碱性土壤中则小于4。土壤镉的有效性是造成重金属提取能力差异的主要原因,在碱性和酸性土壤中,镉的有效性分别为5.02%和48.50%。在碱性土壤中,植物主要通过分泌更多的小分子量有机酸而不是通过改变土壤pH值来增加根际土壤有效Cd含量。在酸性土壤中,植物使土壤有效Cd略有下降。高钙、高锌、高铁的树种从土壤中提取的Cd较多,Cd与叶片中Ca、Zn、Fe的含量呈正相关。土壤有效钙、Mg2+、SO42-、Cl-在植物吸收Cd中不起关键作用。综上所述,植物提取修复技术对酸性土壤具有可行性,而伴矿景天更适合于修复碱性的镉污染土壤。  相关研究成果已发表于环境领域期刊ScienceofTheTotalEnvironment(《全环境杂志》)。该研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金面上项目和广东省自然科学基金项目等的资助。  论文链接图1不同超富集植物对不同土壤的适应机制。图2不同植物叶片中元素的皮尔逊相关分析。

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  微藻在食品饲料、医药保健、化妆品和生物质能源等诸多领域具有潜在应用价值,而生物污染是制约微藻规模化培养的瓶颈问题之一,其中以食藻性浮游动物的危害最为严重。目前,国内外关于这方面的研究均处于起步阶段,且多数研究还停留在单纯控制方法的筛选上,缺乏对浮游动物和微藻之间捕食关系的深入理解。  小球藻是一种有重要商业价值的微藻,然而在其规模化培养过程中常发生溃败。通过长期跟踪研究,中国科学院水生生物研究所胡强团队首次发现一种混合营养型鞭毛虫Poterioochromonasmalhamensis(马勒姆杯囊棕鞭藻)是小球藻规模化培养中的关键危害物,并从爆发频率、流行季节、危害范围和摄食特征等不同角度解析了该鞭毛虫在小球藻培养中的危害特点,同时探究了不同环境因素(温度、光照强度、pH值、CO2浓度等)对该鞭毛虫生长的影响。结果发现在培养基中通入高浓度CO2维持培养基低pH值,可以有效降低鞭毛虫细胞内pH值,从而实现对鞭毛虫的控制。为了进一步探究鞭毛虫与小球藻的相互作用机理,科研人员以鞭毛虫P.malhamensis和多株微藻为研究对象,分析小球藻的种类、生化组成、细胞大小、细胞壁厚度、生长速度以及与鞭毛虫的细胞数比例等对鞭毛虫摄食和生长的影响因素,结果表明鞭毛虫可以摄食自身体积以下的所有微藻。对于小球藻而言,微藻的细胞壁厚度和生长速率是影响鞭毛虫摄食的主要生物因素。此外,在此基础上,科研人员还分离到一株可以抵抗鞭毛虫捕食的抗性藻株,初步分析该抗性机制与小球藻细胞壁上某些由半乳糖胺组成的细胞壁结构的缺失有关。  以上研究对于了解浮游动物与微藻的摄食关系以及控制微藻培养中食藻性浮游动物污染十分重要。相关结果已产生SCI论文4篇,其中3篇发表于藻类期刊AlgalResearch,最近1篇题为FactorsaffectingthemixotrophicflagellatePoterioochromonasmalhamensisgrazingonChlorellacells的文章发表于国际原生生物学领域期刊JournalofEukaryoticMicrobiology。上述工作由水生所博士生马明洋(现为水生所博士后)、初级实验师魏朝军和王红霞共同完成,研究员胡强和副研究员龚迎春为共同通讯作者。上述研究得到国家重点科研计划项目(2018YFD0901504)、国家自然科学基金项目(31772419,31872201)、中科院项目(ZDRW-ZS-2017-2-2)、国家开发投资公司项目(Y841171Z02)资助。  文章链接:1234混合营养型鞭毛虫Poterioochromonasmalhamensis对小球藻的捕食与消化过程

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  大豆原产中国,栽培大豆约在5000年前从野生大豆驯化而来。大豆栽培在我国乃至世界的农业生产中都占据重要地位。大豆是典型的光周期极为敏感的短日照作物,单个品种或种质资源一般只适宜于纬度跨度较小的区域内种植。在驯化和改良过程中,大豆如何适应不同生态区环境是一个重要的科学问题。  近日,广州大学、澳大利亚塔斯马尼亚大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所、武汉理工大学等多家研究团队合作,发表了题为StepwiseselectiononhomeologousPRRgenescontrollingfloweringandmaturityduringsoybeandomestication的研究论文,发现Tof11和Tof12调控大豆开花期,对大豆驯化中的生态适应起到关键作用。  该研究首先利用基因组学、生物信息学和经典正向遗传学相结合的方法,发掘了两个长日照条件下控制开花期的关键位点Tof11和Tof12。分子机制解析表明,Tof11和Tof12通过调控LHY和E1基因控制大豆光周期开花,建立了完整的光周期调控分子网络(图)。群体遗传学发现,Tof11和Tof12发生了渐进式的变异和人工选择。其中,tof12-1的功能缺失突变首先被强烈选择,使栽培品种的开花期和成熟期普遍提前;tof11-1的功能缺失型突变发生于tof12-1之后,在tof12-1遗传背景上再次受到选择,从而进一步缩短了栽培大豆的开花期和生育期,因此提高了栽培大豆的适应性和种植。  该论文于3月30日发表在NatureGenetics杂志(DOI:10.1038/s41588-020-0604-7)。广州大学副教授芦思佳,讲师董利东、程群,博士后方超、孔令平、陈丽玉和中科院遗传发育所博士刘书林为文章的共同第一作者。广州大学教授孔凡江、刘宝辉,澳大利亚塔斯马尼亚大学教授JamesWeller,遗传发育所研究员田志喜和武汉理工大学教授袁晓辉为文章的共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学杰出青年基金、国家自然科学基金面上项目和广州大学高水平大学建设资金的资助。大豆光周期开花和产量形成的分子模式图

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  近日,中国科学院上海药物研究所研究员李佳团队与华东理工大学教授贺晓鹏团队在超分子组装材料的生物医学应用领域取得阶段性研究进展。相关成果在线发表于国际期刊《美国化学会志》(JournaloftheAmericanChemicalSociety)。  生物多肽是一类机体自身具有多重生物学功能的物质。多肽分子通过与受体的高亲和力结合参与调控了细胞增殖分化、能量代谢以及信号转导等生命过程,研究人员常利用天然多肽或者人工合成多肽进行疾病诊断、治疗以及药物开发等相关研究。但目前多肽的广泛应用受到了细胞渗透性和生物环境稳定性等因素的限制。  基于以上问题,李佳团队与合作单位合成了吡喃腈衍生物修饰的环糊精与萘溴/荧光素双修饰的诊断多肽,利用萘溴与环糊精的主客体自组装和随后发生的双亲性自组装,构建了可实现一系列功能的荧光激活型多肽微球(Spd-1,Spd-2,Spd-3,Spd-4)。其中,三种诊断多肽微球(Spd-1,Spd-2与Spd-3)促进了未组装荧光多肽探针(P1-P3)在细胞内的传递,大大增强了对细胞凋亡生物标志物(Caspase-3)和有丝分裂过程的荧光诊断与示踪。此外,利用该策略构建的抗菌多肽微球Spd-4实现了对金黄色葡萄球菌与大肠杆菌的增强荧光标记,并表现出对两种细菌更强的抑菌效果。该研究有效解决了以上提出的科学问题,证明了此类形貌可控的多肽微球体系有利于细胞摄取,同时具有良好的生物稳定性。  该研究工作主要在双方导师的指导下,由上海药物所李佳课题组博士后汪冠臻与合作单位博士研究生矫金彪以及胡习乐博士合作完成,并得到中科院院士、华东理工大学教授田禾,美国德克萨斯大学奥斯汀分校教授JonathanSessler、法国卡尚高等师范学校教授JuanXie的指导与支持。该项工作得到国家自然科学基金、上海市科学技术委员会国际合作计划重大项目的资助。  论文链接(A)多肽荧光探针1标记PA诱导的细胞凋亡。(B)多肽荧光探针2标记PA诱导的细胞凋亡。(C、D)多肽荧光探针3标记细胞有丝分裂。(E)环糊精增强了多肽探针4的杀菌能力。

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  近期,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队实验中采用黑磷纳米片复合材料,在近红外激光的诱导下,实现了局域表面等离子体增强的深部原位肺肿瘤光动力和光热的协同治疗。相关研究成果发表于《生物材料学报》(ActaBiomaterialia)。  作为一种新型的二维材料,黑磷纳米片以其独特的二维层状结构和0.3~2.0eV的层间带隙引起了人们的广泛关注。近年来,黑磷纳米片被广泛应用于光动力治疗(PDT)、光热治疗(PTT)以及载药释药等医疗研究领域。然而,黑磷纳米片在生物组织的光学透明窗口中的弱光吸收限制了具有强氧化性的单线态氧的产生和PTT治疗深部肿瘤的效率。将黑磷纳米片与其它纳米材料相结合,可以提高黑磷纳米片的PDT和PTT效率。但是,该方法目前鲜有报道。此外,黑磷纳米片具有良好的生物兼容性,并且在生物体内可以降解为对人体有益的磷酸根,无长期生物毒性。  该研究团队同香港中文大学合作,通过在黑磷纳米薄片(BPNSs)上组装金纳米双锥(GNBP)开发了一种新型纳米复合材料(BPNS-GNBP)。这种纳米复合材料可以通过金纳米双锥局部表面等离子体共振,在肿瘤治疗中同时提高黑磷纳米薄片的具有强氧化性的单线态氧的生成和光热转换效率。基于该双模态光治疗功能,BPNS-GNBP在体内外均表现出良好的抑瘤效果。  相关研究得到国家自然科学基金和上海市杨帆计划的支持。  论文链接BPNS-GNBP纳米复合材料的制备和局域表面等离子体增强PDT-PTT治疗的原理图

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