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  近期,中国科学院生物物理研究所研究员王艳丽课题组和中国科学技术大学教授龚为民课题组合作,在NatureCommunications上,在线发表题为Structuralbasisfortwometal-ioncatalysisofDNAcleavagebyCas12i2的研究论文,报道Cas12i2-crRNA和Cas12i2-crRNA-DNA复合物的晶体结构,揭示Cas12i2对DNA的识别和切割机制,首次观察到CRISPR-Cas系统效应蛋白的RuvC催化结构域活性状态的结构。该研究揭示Cas12i2降解DNA的分子机理,有利于理解含有RuvC结构域的Cas蛋白的催化机制。  CRISPR-Cas系统是细菌和古菌中的获得性免疫系统,其中,Cas9和Cas12a是目前常用的基因编辑工具,RuvC结构域是Cas9与Cas12切割DNA的重要催化部位。因此,获得RuvC结构域,并结合底物DNA和金属离子的结构,对了解RuvC结构域的催化机制有重要意义。  此前,科学家发现V-I亚型效应蛋白Cas12i,Cas12i比目前用于基因编辑工具的Cas12a和Cas9分子量更小,有望成为新的基因编辑工具。据此可知,研究Cas12i的结构和功能有重要意义。该研究报道Cas12i2的crRNA结合状态、种子区域配对状态、催化状态三种不同状态的高分辨率结构。研究发现,只有当crRNA:DNA配对长度大于13nt时,Cas12i2的Helical-II结构域才会发生构象改变,导致底物结合通道打开,激活RuvC结构域;在高分辨率Cas12i2-crRNA-DNA三元复合物晶体结构中,RuvC结构域同时结合一段底物ssDNA和2个镁离子,揭示RuvC结构域双镁离子依赖的DNA切割机制,这是首次观察到RuvC结构域同时结合底物DNA和金属离子,展示其活性状态的结构。  此外,研究人员还研究Cas12i2的生化性质,揭示Cas12i2前体crRNA加工机制,发现前体crRNA的加工影响双链DNA切割活性。研究表明,Cas12i2具有PAM非依赖型的非特异性单链DNA的切割活性;种子区域的完美配对对于双链DNA的切割有重要意义,却不是单链DNA切割的必要条件。该研究对于基因编辑和核酸检测工具的开发具有重要意义。  中国科大博士生黄雪为论文第一作者,王艳丽、生物物理所高级工程师盛刚和龚为民为论文的共同通讯作者。研究工作得到科技部、国家自然科学基金及中科院的资助,并得到上海同步辐射光源(SSRF)及日本同步辐射光源(SPring-8)的技术支持。  论文链接Cas12i2的结构生物学研究。A.Cas12i2-crRNA-DNA三元复合物的整体结构;B.Cas12i2的RuvC结构域催化中心

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  近期,中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所研究员何玉科研究组在NatureCommunications上,发表题为NaturalantisensetranscriptsofMIR398genessuppressmicroR398processingandattenuateplantthermotolerance的研究论文。该研究组长期从事miRNA生物合成分子机制及其应用技术研究,曾在模式植物拟南芥和蔬菜作物白菜中识别出miRNA基因的天然反义转录本(naturalantisensetranscripts,NATs),新发表的论文首次报道miR398基因天然反义转录本调控miR398生物合成和植物抗热性的新机制,研究结果为学界深入探究生物体内基因沉默和表达调控机制,在实践中通过miRNA和天然反义转录本改良作物重要农艺性状提供科学依据。  在真核生物中,miRNA参与多种生命过程,天然反义转录本是一类广泛存在于动植物基因组中的编码或非编码的RNAs分子,与正义基因互补,在转录水平或转录后水平调节正义基因的表达。但是目前,学界尚不清楚天然反义转录本与miRNA之间的调控关系。研究人员通过分析白菜和拟南芥全基因组和转录组测序数据及相关数据库,发现一系列MIRNA基因的顺式天然反义转录本,包括白菜中的BrpMIR398b-1和BrpMIR398b-2及拟南芥中的MIR398b和MIR398c;通过分析MIR398b/c和NAT398b/c在拟南芥植株中的表达模式,发现MIR398b和MIR398c在维管束组织中分别与其反义基因NAT398b和NAT398c共表达。研究人员培育过表达NAT398b和NAT398c的转基因植株,发现其转基因植株中pri-miR398b或pri-miR398c表达量和miR398水平显著降低,miR398靶标基因CSD1上调。人为降低其反义基因NAT398b和NAT398c表达水平,则分别增加pri-miR398b或pri-miR398c和miR398的积累,引起miR398靶标基因的下调,结果表明,IR398反义转录本调控miR398的生物合成。RNA酶保护实验表明,NAT398b和NAT398c转录本分别与pri-miR398b和pri-miR398c形成双链结构。若增加NAT398b/c的表达,植株叶片中pri-miR398b/c降解速率增加,pri-miR398b/c的表达量显著降低,表明NAT398b和NAT398c分别降低pri-miR398b和pri-miR398c的稳定性。研究人员通过sRNA深度测序,发现一些21nt的nat-siRNA、人工过表达nat-siR398-1抑制pri-miR398b/c的表达。  为确认miR398基因天然反义转录本的生物学效应,研究人员检测过表达和knockdownNAT398b和NAT398c转基因植株的抗热性,结果表明,过表达NAT398b和NAT398c基因减弱转基因植株的抗热性,人工降低NAT398b和NAT398c基因的表达量则增强转基因植株的抗热性。上述研究显示,MIR398b/c反义转录本的存在削弱植物的抗热性,NAT398b/c通过调控miR398的生物合成来调控植物抗热性。  分子植物卓越中心博士毕业生李亚洁为论文第一作者,何玉科和分子植物卓越中心副研究员杨军为论文的共同通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金的资助。  论文链接MIR398b/c和它们的cis-NATs之间的调控模式图

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  W同位素是开展地球早期演化和核幔相互作用研究的重要工具,近年来已获重要研究进展。但是,开展地球样品的W同位素示踪研究具有挑战性,对分析技术有较高要求,其原因是地球样品的W同位素变化范围小,只有获取极高的W同位素比值测定精度,才能识别出不同样品W同位素比值的微小差异,一般要求182W/184W分析精度达到<5ppm(2RSD)。然而,适用于开展W同位素研究的幔源岩石(如玄武岩)W含量较低,通常仅为几十至几百个ppb量级,因此,需采用适当的化学分离技术,从较大量(>1g)的幔源岩石样品中分离出足够量的高纯度W(>0.5μg),从而满足多接收器等离子体质谱(MC-ICP-MS)或负离子热电离质谱(NTIMS)进行超高精度W同位素测试的需要,其中,NTIMS技术对W的纯度要求更高。   传统W纯化方法主要采用阴离子或阳离子交换树脂法,利用W在含氢氟酸的介质中形成氟络阴离子的特性,实现W与基体元素的分离。但是,由于Ti、Zr、Hf等高场强元素在含氢氟酸的介质中也能形成氟络阴离子,因此,采用传统的离子交换技术实现W与Ti、Zr、Hf等高场强元素的完全分离存在较大难度。此外,Ti在幔源岩石如玄武岩中为主量元素,含量较高,样品Ti/W比通常大于105,因此,实现Ti-W的完全分离具有挑战性。然而,无论采用MC-ICP-MS或NTIMS,尤其是NTIMS,Ti-W的彻底分离是高精度W同位素分析的先决条件。采用传统离子交换树脂法,一般需要进行3次甚至4次柱色谱分离;分离过程中,需要在解析W之前,采用大体积(>100mL)的含有醋酸或柠檬酸的淋洗液洗脱Ti,其耗时费力,且不利于降低流程本底。   针对上述问题,中国科学院地质与地球物理研究所科技平台系统研究员储著银及其合作者利用Ti、W、Zr-Hf在TODGA树脂柱上保留行为差异较大的特征,提出采用TODGA树脂柱进行Ti、W、Zr-Hf分离的方法。研究人员采用阴离子交换柱,将Ti-Zr-Hf-W作为一个整体与样品基体元素分离;采用TODGA树脂分离Ti、W、Zr-Hf。由于Ti在TODGA树脂上保留较弱,因此,仅需采用TODGA树脂小交换柱(0.6mL),即可实现Ti、W、Zr-Hf的完全分离。在采用8MHCl-0.01MHF将Ti-Zr-Hf-W上柱之后,仅需10mL3MHNO3-0.01MHF即可完全洗脱Ti,随后采用15mL3MHNO3-5%H2O2洗脱W(图1)。必要时(>1g样品),进一步采用TODGA树脂微柱(0.3mL),快速二次纯化W馏分。实际玄武岩标样N-TIMS分析结果表明(图2),该快速分离流程可满足超高精度W同位素分析的要求。相比于传统的多柱组合阴、阳离子交换树脂Ti、W、Zr-Hf分离方法,TODGA树脂法具有分离效果好、分离速度快、淋洗剂用量小、样品承载量大的优点。    相关研究成果以Achromatographicmethodforseparationoftungsten(W)fromsilicatesamplesforhigh-precisionisotopeanalysisusingnegativethermalionizationmassspectrometry为题,发表在AnalyticalChemistry上。  论文链接 图1.TODGA柱(0.6mL树脂,50-100μm)Ti-W-Zr/Hf分离流程 图2.NIST3163W溶液标样及USGSBHVO-2、GSJJB-3玄武岩标样W同位素测定结果。文献数据:1.Meietal.2018,JAAS;2.Kruijeretal.2018,CG;3.Petersetal.2019,GGR  

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  近期,中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员巫永睿研究组题在NatureCommunications上,在线发表题为Carotenoidsmodulatekerneltextureinmaizebyinfuencingamyloplastenvelopeintegrity的研究论文。该研究首次从自然群体中克隆到控制玉米硬/粉质胚乳形成的主效QTL——Ven1(Vitreousendosperm1),发现该基因的等位变异能够调控玉米胚乳中类胡萝卜素极性和非极性组分的含量。非极性胡萝卜素的增加延迟淀粉体膜的降解,阻碍蛋白体和淀粉粒的互作,从而影响硬质胚乳形成。  玉米籽粒硬/粉质胚乳是一对重要的农艺性状,影响玉米的收获、储藏、运输和食品加工。硬质胚乳形成取决于蛋白体(储存醇溶蛋白)和淀粉体间的紧密互作。在玉米胚乳发育过程中,胚乳外周区域蛋白体密集,淀粉粒小;中央区域蛋白体稀疏,淀粉粒大。当籽粒成熟脱水时,胚乳外周区域的蛋白体和细胞中其它内含物(细胞质、细胞器和细胞骨架等)交织在一起形成蛋白基质(proteinaceousmatrix),紧紧包裹住淀粉粒,形成致密的硬质胚乳;胚乳中央区域由于缺乏蛋白体,淀粉粒完全裸露,形成疏松的粉质胚乳。玉米胚乳硬粉质表型在自然群体中存在丰富的变异,从几乎完全硬质到完全粉质的材料均存在,然而,学界缺乏对控制其形成的QTLs及分子机制的了解。类胡萝卜素主要富集于硬质胚乳中,其组分和含量决定大多数玉米品种的颜色(从白色到橙红色变异;紫玉米由糊粉层累积的花青素引起)。虽然类胡萝卜素的含量在自然群体中的变异较丰富,但是可用于维生素A生物强化的优良等位变异较少。籽粒颜色和硬粉质程度在育种过程中明显受到人工选择,但是学界尚不清楚二者之间的内在联系。  研究人员利用普通硬质玉米自交系W64A和粉质玉米自交系A619,通过连续8代回交,构建A619背景下的硬质和粉质近等基因系NILW64A和NILA619。通过BSA测序、精细定位和RNAi遗传验证,克隆到影响硬质胚乳形成的主效QTL——Ven1。该基因编码β-胡萝卜素羟化酶3(β-carotenehydroxylase3,HYD3)在胚乳淀粉细胞中高表达,蛋白定位于淀粉体膜内侧。Ven1在粉质近等基因系NILA619中存在片段缺失且表达量低,导致β-胡萝卜素不能被羟化为下游的极性胡萝卜素,使其及上游的其它非极性胡萝卜素含量升高,从而改变淀粉体膜的物理化学性质。NILA619的淀粉体膜(内含淀粉粒)稳定性增强且不规则扩张,在胚乳细胞脱水过程中降解延迟,阻碍蛋白体和淀粉粒间的相互作用及蛋白基质网格(matrixgrid)的形成,籽粒成熟时则形成粉质胚乳。相反,硬质近等基因系NILW64A中Ven1高表达,非极性类胡萝卜素含量降低,淀粉体膜形态规则且易降解,有利于蛋白体及细胞质在淀粉粒表面的浓缩,形成致密的蛋白基质网格包围结构,这是硬质胚乳形成的重要基础。为证明非极性胡萝卜素过量累积是导致A619粉质表型的原因,研究人员对A619进行大规模EMS诱变,获得多个类胡萝卜素上游合成途径受到抑制的突变体材料,其共同特征是从粉质胚乳变成硬质胚乳,因此,命名为Ven1的抑制子(suppressorsofVen1A619,Ves)。通过GWAS分析,发现自然群体中还存在多个Ven1的修饰因子,即在不改变胡萝卜素成分的条件下,形成硬质胚乳。该研究揭示类胡萝卜素通过影响淀粉体膜的稳定性进而影响硬质胚乳形成的新的分子遗传机制,有利于培育高胡萝卜素硬质玉米品种。  分子植物卓越中心副研究员王海海和博士后黄永财为论文的共同第一作者,巫永睿为论文通讯作者。分子植物卓越中心博士生肖俏和黄兴、博士后李长生和向小利、助理研究员王琼、硕士生朱一栋、副研究员王婕琛、公共技术服务中心教师高小彦,上海交通大学副教授王文琴和美国亚利桑那大学院士BrianA.Larkins参与该研究。研究工作得到科技部、国家自然科学基金和中科院战略性先导科技专项等的支持。  论文链接类胡萝卜素调控玉米硬质胚乳形成模型

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  表型可塑性是生物应对复杂多变环境的一种适应,决定物种的适合度和分布范围。野生动物在自然环境中会面临周期性的环境温度波动。随着全球气候变暖,野生动物在夏季也会面临热浪的胁迫,以及极端气候条件的影响。面对周期性的低温或高温暴露,野生动物及其共生微生物如何适应这种变化的环境?低温或高温经历是否会提高动物应对环境变化的适应能力?  10月20日,中国科学院动物研究所王德华研究团队在mSystems上发表了题为GutMicrobiotaandHostThermoregulationinResponsetoAmbientTemperatureFluctuations的研究论文。研究发现数次面对低温或高温胁迫,野生动物及其肠道菌群更易适应这种环境胁迫,菌群及其代谢产物的动态变化赋予宿主应对温度波动时产热调节的可塑性,对于恒温动物提高在低温环境下的生存适合度至关重要。这是该研究团队自发现肠道菌群介导聚群行为产热的能量节省机制(Microbiome,2018),肠道菌群与去甲肾上腺素互作调控冷适应性产热(TheISMEJournal,2019),以及食粪行为通过维持微生物稳态调节宿主能量平衡和认知行为(TheISMEJournal,2020)等成果以来,在肠道微生物与野生动物能量代谢调节研究领域的又一新发现。  研究中,科研人员对长爪沙鼠(Merionesunguiculatus)进行高温(37oC)或低温(5oC)驯化2周,而后转入常温(23oC)2周,经过3个周期(共3个月)的驯化,发现周期性的温度驯化诱导食物摄入、静止代谢率、与代谢调节相关激素血清(甲状腺素)、体核温度等发生周期性波动变化,且末次温度驯化时食物摄入等指标的变化幅度小于初次驯化的结果。肠道菌群的β多样性随3次温度驯化而发生变化;特定菌如丁酸弧菌属(Butyricimonasspp.)和瘤胃球菌属(Ruminococcusspp.)随高温驯化发生周期性变化,而颤螺旋菌属(Oscillospiraspp.)仅对初次高温产生反应;这些特定菌的变化与代谢率等指标明显相关。进一步通过抗生素处理发现,降低肠道微生物后,这些动物面对低温胁迫时,因代谢和产热可塑性明显被抑制导致体温持续降低而死亡,而在高温条件下其存活则不受影响。抗生素处理的动物在低温下补充丙酸盐作为能量,可维持相对较低而恒定的体温。研究表明,经过周期性温度驯化,肠道菌群和宿主均表现出更强的适应能力,肠道菌群及其代谢产物的动态变化赋予宿主应对温度波动时产热调节的可塑性。  该研究揭示肠道菌群对宿主表型可塑性的调节作用,低温可能是驱动肠道菌群与恒温动物共生的关键信号,对于理解肠道菌群与宿主共生的进化具有重要的理论意义。动物所农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室动物生理生态学研究组博士研究生SaeidKhakisahneh和副研究员张学英为论文的共同第一作者,研究员王德华为论文通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金面上项目的资助。  论文链接 图1.长爪沙鼠的能量代谢表型和肠道菌群随周期性温度波动而发生可塑性变化图2.肠道菌群在小型哺乳动物应对环境温度波动维持体温中的作用

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  基于目标与需求导向的现代化生态系统监测体系,是生态系统保护与修复的重要组成部分,生态治理、生态规划和生态建设成效评估的重要手段。目前,生态监测体系面临生态系统管理和政策制定的顶层设计、标准化的监测手段和数据整合技术等方面挑战。  近期,中国科学院西双版纳热带植物园景观生态研究组副研究员白杨及其合作者以上海市生态保护红线实践为案例,提出针对“山水林田湖草”综合保护和系统评估的“天-空-地”一体化监测体系与评估框架,以遥感监测为基础,辅以空中和地面实况核查。该框架的特点为:全面性(监测指标能全面反映生态系统的结构、过程和功能)、连续性(监测指标长时间连续观测)、标准化(所有监测站点的监测指标选择与监测方式尽可能一致,便于数据整合)、公众参与性(生态监测涉及多方利益相关者,应与所有利益相关者进行协商,并使其参与生态监测的全过程)。  鉴于目前生态系统生态保护与生态修复需求,研究建议:建立统一的国家生态监测平台,汇总全国监测数据并形成网络化;建设标准化生态监测站,有效地整合不同站点数据;纳入利益相关者需求,将生态监测与科学研究、社区发展和政策制定相结合;监测指标应反映生态系统整体状态,包括生态系统结构、过程与功能;加大对生态监测的资金投入和站点建立,以获得更多更准确的监测数据用于科学评估;生态监测站点可作为科学研究与环境教育场所,提高公众参与力度。  研究成果以ImprovedecologicalmonitoringforurbanecosystemprotectioninChina为题,发表于EcologicalIndicators。  论文链接 标准化的“天-空-地”一体化生态监测体系

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