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  由中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱健康研究员领衔的研究团队在植物基因组编辑领域再次取得重要进展。研究人员采用修饰后的DNA片段作为供体,在水稻上建立了一种高效的片段靶向敲入和替换技术,高至50%的靶向敲入效率将极大地方便植物的研究和育种。相关研究成果已于2020年7月6日在线发表在国际顶级生物技术期刊NatureBiotechnology上。  近年来,CRISPR/Cas介导的植物基因组定点编辑技术在农作物基因功能研究和精准育种中发挥了重要作用,展现了广阔的发展潜力和应用前景。然而,CRISPR/Cas介导的植物基因组定点敲除技术只能在基因组特定位点产生随机插入和删除,精准的片段插入和替换的效率一直很低,极大地限制了其在植物研究和育种上的应用。因此,迫切需要建立更高效的植物基因组片段插入和替换技术体系。  植物基因组编辑是朱健康研究组的重点研究领域,他们在近几年来获得了一系列的进展。作为该领域的重大难题,片段的靶向敲入和替换一直是他们的一个重要研究目标,也一直在围绕这一目标努力。  在成功地建立了病毒介导的同源重组(HDR)和各类单碱基编辑技术等多种方法的同时,他们也开始尝试在供体DNA片段上寻找突破点,以克服现有方法效率低、应用范围窄等缺陷。  核酸修饰在人的RNAi疗法和核酸疫苗等医学领域有广泛的应用。朱健康研究组通过尝试,发现将供体片段同时进行硫代修饰和磷酸化修饰后,能极大地增强CRISPR/Cas9引导的靶向敲入效率。  研究团队先后在14个基因位点上成功靶向敲入了各类调控元件,包括翻译增强子、转录调控元件,甚至整个启动子,供体片段最长达2049bp。通过对1393株各类T0代基因编辑水稻植株的分析发现,该方法的敲入效率可高达47.3%,平均效率为25%。高效的敲入效率甚至可以同时在四个位点上实现多基因靶向敲入。可以预计,该技术的建立将使靶向敲入成为一项和靶向敲除一样的常规实验,被各个植物研究和育种单位广泛应用。  在此基础上,朱健康研究团队又巧妙地设计了一种片段精准替换的策略,称之为重复片段介导的同源重组(TR-HDR)方法。常规的HDR频率极其低下,但他们在前期的实验中发现,基因组上串联重复片段间的HDR频率非常高。他们利用这一现象,通过将修饰的片段靶向敲入至目标位点后,人为制造这种串联重复结构,诱导TR-HDR去实现片段替换。采用该技术,他们在五个基因位点上实现了片段替换和原位的Flag标签蛋白的精准融合,效率最高达到了11.4%。这一技术突破将非常有助于植物学研究,并大大促进农作物定向遗传改良的进程。  中科院分子植物卓越中心朱健康研究员是该文章通讯作者,陆钰明副研究员和博士生田益夫为该文章共同第一作者。该工作得到中科院的相关经费资助。

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  中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室研究人员在光纤锁模激光器信噪比提升技术上取得进展,提出一种基于Lyot滤波效应的非线性相移抑制技术,实现了光纤锁模激光器信噪比(SNR)的提升。相关成果发表在optical&lasertechnology上。  在高功率拍瓦激光系统中,种子激光脉冲的SNR是至关重要的参数,前端输入脉冲的信噪比直接影响了整个系统的信噪比。目前应用于神光II拍瓦前端的是商用飞秒固体锁模激光器,其信噪比约为90dB,无法采用光纤锁模激光器的原因之一在于其信噪比无法与固体锁模激光器相比。光纤锁模激光器在固体介质中传播距离更长,在较高的峰值功率密度条件下,自相位调制(SPM)引起的非线性相移会严重影响脉冲的频谱和时域特性。当累积的非线性相移无法控制或补偿时,导致的脉冲分裂会极大地影响脉冲的SNR。  研究人员提出了一种提高锁模光纤激光器SNR的新方法。通过改变激光谐振腔中保偏光纤之间的连接角度产生Lyot滤波效应,针对性地抑制了光纤锁模激光器中强非线性相移在锁模光谱上产生的Kelly边带,提高了锁模光纤激光器的信噪比。与其他光谱滤波方法相比,Lyot滤波方案具有插入损耗小,结构简单,调制深度和透射峰波长可调等优点,在不影响锁模孤子形状的前提下,能更有效地对Kelly边带进行抑制。实验表明,当光纤连接角从0°增加到6°时,输出脉冲的信噪比增加8dB。具有高信噪比性能的光纤锁模激光器,有望在未来的高功率激光系统中取代固体激光器作为新一代种子光源。  论文链接 图1光纤连接角度为0°和10°时,Lyot滤波器透过曲线对Kelly边带的抑制图2实验中不同角度下的脉冲时域波形和锁模光谱图3实验中熔接角度分别为0°和6°的时域波形对比

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  红豆杉是庭园树种,被广泛栽培。狭义红豆杉科植物包括红豆杉属、白豆杉属、穗花杉属、榧树属和澳洲红豆杉属。在野生状态下,很多红豆杉科植物属于濒危珍稀物种。穗花杉属现今仅有5~6个现生种,被世界自然保护联盟(IUCN)列为严重濒危珍稀物种。  化石证据显示,红豆杉科演化历史漫长,其祖先类群在侏罗纪最早期已出现,并在侏罗纪和白垩纪可能已具有一定的多样性。但具有研究价值的红豆杉科化石有限,尤其是保存了繁殖器官的化石材料更加缺乏,使得研究人员对红豆杉科现生属起源和早期演化的认知较为匮乏。  近日,中国科学院南京地质古生物研究所、美国芝加哥植物园、美国橡树泉园林基金会与耶鲁大学森林与环境学院等合作,研究我国东北中-晚侏罗世道虎沟生物群中的一类红豆杉科化石。通过比较形态学证据和形态谱系分析,均支持这些化石属于现生的穗花杉属。研究表明,与银杏类似,穗花杉代表了另外一种起源时间可追溯到中-晚侏罗世(距今约1.6亿年)的植物“活化石”,在近1.6亿年来其形态几乎未发生变化。相关研究成果在线发表在《国家科学评论》(NationalScienceReview)上。  该植物化石产自内蒙古宁城道虎沟村的道虎沟化石层。化石末级小枝近对生,几乎展布在同一平面,叶呈线状披针形,交互对生,叶正面具明显凸起的中脉,背面中脉、两条气孔带和两条叶边缘带明显;种子着生结构单生于小枝叶腋,由一个顶生的种子和一个短而裸露的种柄构成,种子基部有约5对交互对生的苞片。化石的这些形态特征和现生穗花杉非常相似。  研究进一步采用13组形态特征对包括狭义红豆杉科现生种和化石种、三尖杉属现生种在内的10个类群进行系统发育分析,分别采用完全基于形态学数据的传统方法和以分子系统发育树为骨架的分子骨架法,分析结果证实道虎沟这一植物化石可归入现生穗花杉属。内蒙古东部中-晚侏罗世道虎沟化石层中发现的这一植物化石证实,穗花杉的起源时间至少可追溯至约1.6亿年前。  “活化石”概念出现于达尔文所著的《物种起源》。“活化石”反映的形态演化迟滞现象是演化生物学有趣的科学问题之一。我国现代植物多样性丰富,其中不乏起源古老的科属和孑遗类群。根据化石记录,我国的珍稀植物滇桐、珙桐、青钱柳和水杉等最早的化石记录可追溯至新生代早期;台湾杉、雪香兰等可追溯至早白垩世。该研究证实穗花杉和银杏一样,最早化石记录可追溯至侏罗纪,是植物“活化石”。研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项(B类)、美国国家科学基金、中科院青年创新促进会等的资助。  论文链接 

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  俯冲带是地球最重要的地球化学分异场所之一。由于在流体与熔体中的活动性不同,元素在俯冲过程中常发生分异,进而造成岛弧玄武岩(IAB)不同同位素体系之间解耦。IAB常显示出Nd-Hf同位素的解耦,归因于俯冲板片释放熔体并交代地幔楔的过程中Nd比Hf具有更高的活动性。Sr与Nd在流体、熔体体系中均具有明显不同的元素活动性,按照Nd-Hf同位素解耦的机理,岛弧玄武岩中也应该容易出现Sr-Nd同位素的解耦,但实际情况是在岛弧玄武岩中较难以观察到Sr-Nd同位素解耦的现象。  针对上述问题,中国科学院广州地球化学研究所博士后于洋、研究员黄小龙及其合作者对阿尔泰南缘哈巴河地区的一套与准噶尔洋北向俯冲过程有关的晚泥盆世-早石炭世基性岩墙(361±4~359±5Ma)进行了系统的地球化学研究。  研究结果表明,哈巴河地区的基性岩墙可以根据地球化学成分特征及时空展布关系分为四类(图1)。第一类与第四类岩墙具有Nd-Hf同位素解耦的特征,来源于受俯冲沉积物熔体交代的亏损地幔源区的部分熔融(图2);第二类与第三类岩墙具有相对亏损的Sr-Nd-Hf-Pb同位素特征,其微量元素组成显示其源区分别受到来自俯冲沉积物的流体及俯冲洋壳的熔体交代。  第一类基性岩墙位于第四类基性岩墙南部,二者具有与相似的Nd-Hf-Pb同位素组成,但第一类基性岩墙又显示出较高的87Sr/86Sr初始值,反映俯冲沉积物在浅部因斜长石的分解释放出高Sr/Nd熔体,导致其具有Sr-Nd同位素解耦的特征(图2b)。该现象同样发生在现代俯冲的马里亚纳弧和西爪哇地区,其前弧玄武岩和玻安岩均显示出比典型岛弧玄武岩更高的87Sr/86Sr初始比值(图3),表明俯冲沉积物在前弧位置普遍经历了大规模Sr丢失,而残留沉积物在弧下深度脱水及熔融将产生低Sr/Nd比值的流体和熔体。因此典型岛弧玄武岩并不会显示出Sr-Nd同位素解耦现象。该研究为解释岛弧岩浆缺失Sr-Nd同位素解耦提出了新的成因机制,为理解俯冲带地球化学分异过程提供新思路。  相关成果发表在国际地学专业期刊Lithos上。研究受国家自然科学基金、香港研究资助项目等资助。  论文链接 图1.中国阿尔泰地质简图及样品分布图图2.哈巴河镁铁质岩墙Sr-Nd-Hf-Pb同位素特征图3.马里亚纳岛弧及西爪哇前弧玄武岩、玻安岩及岛弧玄武岩Sr-Nd同位素特征

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  自2011年开始,中国科学院地理科学与资源研究所研究员张扬建团队扎根在西藏那曲地区的高寒草甸,建立了藏北高原草地生态系统研究站(海拔4600m,拉萨站那曲研究基地)。围绕高原生态安全屏障建设和保护的国家需求、及全球变化适应和应对的学科前沿,研究团队克服高寒、缺氧等自然条件,在那曲相继建立了气候变暖、CO2加富、放牧和禁牧平行对比、水氮联网、及地空遥感对接等一系列研究平台。  气候变化影响着地球生态系统的许多方面,然而其对生态群落系统发育和功能特性的影响尚不清楚。为此,研究团队在高寒草地开展了多年的增温实验,研究了草地植物群落在分类、系统发育和功能水平上对环境变暖的响应。他们发现低水平增温对植物物种丰富度和系统发育/功能群落结构均无影响,而高水平增温显著降低了物种丰富度。增温幅度越高,环境过滤作用越强,最终导致物种组成和群落结构发生变化。高增温过滤掉与现存物种在功能上不相似或远亲的物种,驱动系统发育/功能群落结构从过度分散向随机。研究强调需要结合系统发育和功能的特性,以获得对气候变暖下植物群落反应的更全面的理解。  全球环境变化正在改变着陆地生态系统。过去的研究多关注生态系统层面的响应,而植物群落对全球环境变化的反应了解较少。通过在藏北高原高寒草甸进行多年的模拟CO2浓度升高(+100ppm)和N添加野外控制实验,研究人员发现CO2和N添加对高寒草甸物种多样性、群落结构和生物量具有协同作用。单独添加CO2和N没有改变群落生物量、物种多样性和物种组成;而同时添加两种资源显著提高了群落生物量,降低了多样性,改变了群落物种组成。物种多样性的下降,主要归因于CO2+N增加了生物量,降低了土壤水分,促使一些个体大和比叶面积小的物种丢失。研究指出高寒草地群落生物量和群落结构可能受到大气CO2和土壤N营养的共同限制。  研究结果近期在线发表于国际生态学期刊JournalofEcology和NewPhytologist上。地理资源所副研究员朱军涛为论文第一作者,张扬建和美国佐治亚理工学院教授蒋林为论文通讯作者,参加单位还包括华东师范大学和中山大学等。上述研究获得国家重点研发计划项目、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金项目、地理资源所可桢杰出青年计划、生态系统网络观测与模拟重点实验室青年团队项目以及美国国家科学基金项目等资助。图1气候变暖改变了草地植物多样性和群落结构 图2大气CO2和土壤N营养共同调控了草地生物量和群落结构

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  在全球气候变化背景下,强降雨及暴雨等极端降雨事件频次和强度都将增加,由此导致的径流增加可携带流域及周边城市大量悬浮物、营养盐、重金属和有机污染物等进入湖库水体,必将对湖库物理化学过程及生态系统结构和功能产生影响。  在国家自然科学基金与中国科学院前沿重点项目的资助下,中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员张运林团队在千岛湖利用原位高频浮标和遥感数据开展了强降雨事件对水库生态环境的影响研究。研究结果显示,千岛湖在2009-2014年间,强降雨事件引发的高浑浊区水体面积范围为41.3km2到148.1km2不等,雨后河口悬浮物浓度(6.6±1.0mg/L)显著高于雨前(3.7±1.3mg/L)。其中遥感影像观测到2010年2月21日至3月12日的一次较大的降雨事件造成千岛湖高浑浊区面积高达148.1km2,约占水库面积的四分之一,最远辐射距离可达13.3km。高浑浊区面积、悬浮物浓度与降水量存显著正相关,随降雨强度增加而增加。  研究还发现,强降雨可以引发千岛湖河口区水体的完全混合,彻底摧毁温跃层,改善水体的溶解氧水平;大雨和中雨可以显著降低水体的热稳定性,扩大混合范围,同时对表层水体的复氧具有积极的促进作用,特别是中雨还会诱发原本的单温跃层结构转变为双温跃层结构。降雨对水体分层的弱化作用主要通过降低表层水温和增加径流、提高物理扰动强度来实现。此外,在过渡区和深水区的观测结果显示,这些区域的热力分层状态仅对暴雨事件具有明显响应,而且从上游输送来的大量有机物滞留于温跃层内部,不能被快速地输移和分解,从而消耗溶解氧,恶化底层水体化学环境。  相关研究结果发表在水文领域刊物JournalofHydrology和HydrologicalProcesses上。基于遥感估算模型估算得到的降雨前和降雨后新安江总悬浮浓度和高浑浊区的空间分布

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广州地化所揭示岛弧岩浆Sr-Nd同位素解耦缺失机制
地理资源所高寒生态系统研究取得进展
强降雨等水文过程对水库生态系统的影响研究获进展
研究发现内耳干细胞调控新机制