【2021年科研成果回顾二】 生命科学学院在基础研究领域发表高水平研究论文30余篇
2021年，生命科学学院坚持内涵式发展, 凝心聚力，立足学科发展前沿，科学研究连续实现重要突破。发表高质量G1期刊研究论文8篇，G2期刊研究论文20余篇。G2研究成果如下：
1. FifBase: a comprehensive fertility-associated indicators factor database for domestic animals
2021年1月，廖明帜教授团队在《Briefings in Bioinformatics》杂志上在线发表了题为“FifBase: a comprehensive fertility-associated indicators factor database for domestic animals”的研究型论文。发布了针对家禽家畜繁殖力影响因素的综合数据库FifBase。通过对猪、牛、鸡等十个物种繁殖力相关的高通量测序数据与文本数据整合分析，细致全面地挖掘了与繁殖力相关的基因及其环境因素。在此基础上建立了家禽家畜繁殖力相关基因注释分析生物信息平台，该平台收录了10个物种的繁殖力信息，包含基因的染色体位置、别名、基因结构、基因描述、文本信息、环境因素、基因功能、Pathway通路信息、表达信息、PPI网络、基因组可视化等10余种信息。该平台一方面为家养动物的繁殖育种研究提供数据支撑，另一方面为研究人员探索这些基因的功能及其在畜牧业方面的潜在应用提供了参考。
原文链接：https://doi.org/10.1093/bib/bbaa432
2. Ectopic overexpression of a membrane-tethered transcription factor geneNAC60from oilseed rape positively modulates programmed cell death and age-triggered leaf senescence
2021年2月，江元清教授团队在《Plant Journal》发表研究型论文。揭示了油菜中一个跨膜NAC转录因子BnaNAC60在调控程序性细胞死亡与叶片衰老上的功能与分子作用机制。叶片衰老引起营养物质的转移与循环再利用，与作物的产量与品质以及抗逆性密切相关。该工作首次揭示了甘蓝型油菜中的一个跨内质网膜的NAC家族的转录因子BnaNAC60通过结合与激活PCD、活性氧以及叶绿素代谢相关基因BnaNYC1、BnaRbohD、BnaNYE1、BnaVPEs的转录，正调控PCD与叶片衰老进程，为深入理解油菜叶片衰老与调控营养元素转移利用提供了借鉴。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15057
3.The mechanism of sugar export from long conifer needles
2021年2月，Johannes Liesche教授团队与丹麦科技大学Tomas Bohr教授团队合作在《New Phytologist》在线发表研究型论文。提出长针叶植物蔗糖输出的机理。该研究将解剖分析和数学模型及糖运输速率相结合，揭示蔗糖如何从针叶植物叶片中有效输出。数学建模显示，韧皮部解剖结构限制了蔗糖在长针叶中输出。然而，研究者鉴定了两种可以克服这种限制的机制：（1）运输管道的分组；（2）针尖糖代谢和输出的昼夜节律变化。韧皮部中的蔗糖转运效率对叶片的功能有着显著影响。本文所描述的针叶树的蔗糖输出限制也可能在其他植物类群中存在，比如禾本科植物和被子植物树木。
原文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.17302
4.AtSTP8,an endoplasmic reticulum-localized monosaccharide transporter from Arabidopsis,is recruited to the extrahaustorial membrane during powdery mildew infection
2021年3月，刘杰教授课题组在《NewPhytologist》在线发表研究型论文。该研究通过对拟南芥STP（sugar transporter protein）家族14个成员的亚细胞定位进行分析，发现ER定位的AtSTP8在白粉菌侵染过程中被招募到EHM。AtSTP8具有广谱的糖转运活性。过表达AtSTP8能够促进拟南芥对白粉菌的感病性并增加叶片的己糖含量。该研究首次发现定位于EHM的糖转运蛋白，研究结果为进一步解析寄主细胞糖分跨EHM转运过程及其作用机制奠定基础。
图1. AtSTP8定位于外吸器膜EHM
原文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.17347
5.Structural and functional studies of SF1B Pif1 from Thermus oshimai reveal dimerization-induced helicase inhibition
2021年3月，生物大分子结构与功能团队在《Nucleic Acids Research》发表研究型论文。揭示了在进化上保守的Pif1解旋酶在维持细胞核和线粒体基因组稳定性的结构基础。从原子水平揭示了Pif1解旋酶发挥功能的机制。首次报道了该类解旋酶，在与作用底物—单链 DNA 复合时可形成稳定的二聚体，并且该二聚化抑制其解旋酶活性。不同于已发现的调节类型，揭示了解旋酶调节机制的多样性。
原文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkab188
6.Crystal structures of N-terminally truncated telomerase reverse transcriptase from fungi
2021年4月，生物大分子结构与功能团队在《Nucleic Acids Research》发表研究型论文。阐明了在细胞衰老、癌症的出现和发展以及干细胞更新的能力中起着关键作用的端粒酶结构与功能。首次报道了来自白色念珠菌和热带念珠菌的端粒酶和复合体的结构。发现念珠菌 TERT 蛋白在存在或不存在 PK/TWJ 的情况下仅执行一轮端粒添加，并显示标准的逆转录酶活性。C-末端结构域采用至少两种极端构象并进行构象相互转换，从而调节催化活性。鉴定了尚未报道的一个保守的三级结构基序，命名为 U-基序，与逆转录酶域相互作用，对催化活性至关重要。
原文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkab261
7.Linking phylogenetic niche conservatism to soil archaeal biogeography, community assembly and species coexistence
2021年5月，韦革宏教授研究团队在《Global Ecology and Biogeography》在线发表了研究型论文。本研究以中国西北河西走廊地区五种生态系统（农田、森林、湿地、草原和荒漠）为对象，探究了土壤古菌生态位的系统发育保守性与其地理分布、群落组装和物种共存之间的联系。研究发现，古菌类群对年平均降雨量具有最强的系统发育信号响应，并且年平均降雨量是古菌群落构建的最主要驱动因子。系统发育多样性与群落组装过程显著相关，随机性过程随系统发育多样性的增加而降低。此外，古菌群落的共发生关系随年平均降雨量的增加而增加。该研究证明了系统发育保守性驱动的古菌的生物地理分布、群落组装过程和物种共存，为从系统发育角度预测全球变化背景下古菌的进化适应性奠定了理论基础。
原文链接：https://doi.org/10.1111/geb.13313
8. A mechanism coordinating root elongation, endodermal differentiation, redox homeostasis and response
2021年5月，植物根发育与逆境发育生物学团队《The Plant Journal》在线发表研究型论文。该研究发现，scr突变体根的伸长区细胞活性氧积累，氧化还原的平衡受到了破坏。植物受到非生物胁迫可以引起ROS的积累，而ABA是参与非生物胁迫的主要激素。在scr突变体中引入ABA合成缺陷突变体aba2，发现提高了scr耐受氧化胁迫的能力，增强了分生区细胞的有丝分裂活性，增长了伸长区表皮细胞的长度，显著缓解了其短根的表型。在scr突变体中引入根部还原性较强的突变体upb-1也得到了类似的结果。进一步研究表明，scr伸长区中升高的过氧化氢含量主要是由于在伸长区特异表达的过氧化物酶基因Peroxidase3的表达下调引起。值得指出的是，在scr aba2和scr upb1双突中，scr突变体造成的干细胞巢和基本组织的缺陷依然存在，说明SCR促进根细胞伸长与维持干细胞通过不同的机制。该研究结果创新性地揭示了在根的发育中，SCR能不依赖SHR，而独立的通过协调氧化胁迫响应和氧化还原平衡来促进根细胞的伸长和分化，对于阐明植物非生物逆境胁迫响应与根生长发育的关系具有重要意义。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15361
9.Exploring transcriptional switches from pairwise,temporal and population RNA-Seq data using deepTS
2021年5月，马闯教授团队在《Briefings in Bioinformatics》发表研究型论文。报道了一款从转录组数据中挖掘转录本转换（Transcriptional Switch; TS）事件及其关联遗传变异的生物信息学分析软件deepTS。基于玉米大规模转录组数据整合分析，发掘出500多个与干旱胁迫相关的TS事件；发现TS事件的发生具有较强的组织特异性；鉴定出2,600多个和TS事件关联的sQTL位点，部分sQTL可能通过染色质远程互作的方式影响下游基因表达，进而诱导TS事件的发生。deepTS的源码和Docker镜像文件可从https://github.com/cma2015/deepTS获取。
原文链接：https://doi.org/10.1093/bib/bbaa137
10.The domain of unknown function 4005(DUF4005) in an Arabidopsis IQD protein functions in microtubule binding
2021年5月，郁飞教授团队在《JournalofBiologicalChemistry》期刊在线发表研究型论文，发现拟南芥IQD家族蛋白中的DUF4005结构域具有微管结合功能，揭示了植物IQD家族蛋白与微管互作的新机制。微管的动态变化在细胞形态建成及植物的生长发育中发挥关键作用。微管动态受到多种类型微管结合蛋白的复杂调控。植物特有的IQD蛋白家族中多个成员以微管结合蛋白的方式发挥功能，但是IQD蛋白结合微管的机制尚不明确。该研究证明了拟南芥IQD家族成员ABS6/AtIQD6蛋白C端的未知功能结构域DUF4005是一个新的微管结合结构域，并鉴定出DUF4005中微管结合的必需序列，发现拟南芥中过表达DUF4005导致多种与微管功能缺陷相关的植物发育表型，为植物IQD蛋白的微管结合机制提供了新见解，对于深入研究微管动态的调控机制具有重要参考价值。
原文链接：DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.100849
11.RSVdb: a comprehensive database of transcriptome RNA structure
2021年5月，陶士珩教授团队在《BRIEFINGS IN BIOINFORMATICS》发表研究型论文。研究人员开发了一种化合物——硫酸二甲酯(DMS)，用于在转录组水平上有效地探测RNA结构。提出了一个数据库，RSVdb （https://taolab.nwafu.edu.cnirsvdb/)，用于浏览和可视化转录组RNA结构。RSVdb包括来自8个物种的178个样本的626225个经验证的DMS反应活性的RNA，支持4个主要功能:信息检索、研究综述、结构预测和资源下载。用户可以搜索感兴趣的物种、研究、转录本和基因；浏览测序质量控制数据和RNA结构信息统计图表；在不同的实验处理中，在硅胶和DMS约束下预览和在线预测RNA结构，并下载RNA结构数据供物种和研究使用。总之，RSVdb为RNA结构研究提供了参考，也为今后在转录组水平上研究RNA结构功能提供了支持。
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32382747/
12.Stochastic community assembly decreases soil fungal richness in arid ecosystems
2021年6月，韦革宏教授研究团体在《Molecular Ecology》在线发表了研究型论文。本研究以中国西北部河西走廊地区数据集（森林、草地、湿地、沙漠和农田）为研究对象，探究了土壤真菌的生物地理分布、群落构建和物种共发生模式。研究发现，土壤真菌的丰富度随随机性构建过程的增加而降低。与自然生境相比，农田土壤真菌群落表现出更强的距离-衰减关系和更宽的生态位宽度，且更强烈地受到随机构建过程的影响。此外，干旱度是影响真菌丰富度、β-多样性和物种共发生模式的最重要环境因素。本研究发现的真菌丰富度与群落构建过程的强相关关系，进一步增加了对旱区土壤真菌在气候变化和土地利用程度下的共发生模式和多样性维持机制的理解。
原文链接：https://doi.org/10.1111/mec.16047
13.deepEA: a containerized web server for interactive analysis of epitranscriptome sequencing data
2021年8月，马闯教授团队在《Plant Physiology》在线发表文章，报道了可用于RNA修饰数据整合分析的一站式平台deepEA，助力转录组学数据挖掘与知识发现。deepEA集原始 RNA 修饰测序数据比对、质控、RNA修饰区域鉴定、功能注释及可视化等功能于一体，提供用户友好的、可交互式的、协作式的生物信息学平台。deepEA还可整合其它组学信号（如：转录、翻译），基于机器学习在全转录组水平跨品系、跨物种预测m6A修饰。作为开源平台，deepEA的源码和Docker镜像文件可从https://github.com/cma2015/deepEA。
原文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiaa008
14.Modified expression of TaCYP78A5 enhances grain weight with yield potential by accumulating auxin in wheat (Triticum aestivum L.)
2021年9月，赵惠贤教授研究团队在《Plant Biotechnology Journal》在线发表研究型论文，报道了通过改进TaCYP78A5基因表达模式增加小麦千粒重和单株产量的新方法。提高粮食产量一直是作物育种的首要目标，而增加千粒重是提高作物产量的重要途径之一。该研究首次报道了通过在子房表皮局部过表达TaCYP78A5，能够促进子房生长素积累和母性表皮细胞增殖，增加籽粒增大潜力；避免了TaCYP78A5组成型过表达引起的植株顶端优势加剧、结实降低现象，最终实现了千粒重和单株产量同步增加。研究结果为小麦作物改良和高产分子育种提供了一种新思路。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13704
15.Endogenous Bos taurus RECQL is predominantly monomeric and more active than oligomers
2021年9月，生物大分子结构与功能团队在《Cell Reports》发表研究型论文。报道了在活细胞中单体 RECQL解旋酶比寡聚体/二聚体形式更丰富，挑战了长期以来对单体 RECQL 功能的普遍认识。首次报道单体 RECQL可像BLM 解旋酶一样有效地展开分子内 G 四链体 DNA。这些发现对理解内源性 RECQL 寡聚结构及其调控具有重要意义，值得重新审视活细胞中 RecQ 家族解旋酶的其他成员的寡聚状态及调控机制。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109688
16.Genome optimization via virtual simulation to accelerate maize hybrid breeding
2021年10月，马闯教授团队与中国农业大学王向峰教授团队合作在《Briefings in Bioinformatics》在线发表研究型论文。提出“基因组优化设计”助力玉米智能育种的新策略。该策略通过算法模拟虚拟基因组（Virtually optimized genome），尽可能多地聚合育种群体中目标表型的优势基因组片段或有利等位基因，并估算出每个育种材料对虚拟基因组的贡献情况，进而辅助育种家筛选合适的材料并进行后续的杂交实验。该策略为育种家提供了品系选择及育种改良的新视角，进一步结合基因组选择（GenomicSelection）以及双单倍体（Doubled Haploid, DH）技术，有望以最少的遗传材料、最短的育种周期，最大限度地聚合优势等位基因，从而加速遗传增益的获取速度，加快玉米杂交育种进程。
原文链接：https://doi.org/10.1093/bib/bbab447
17. Soil multitrophic network complexity enhances the link between biodiversity and multifunctionality in agricultural systems
2021年10月,韦革宏教授研究团队在《Global Change Biology》在线发表研究型论文。揭示了土壤生物多样性在支持和维持农业系统生态系统功能中的重要性。农田土壤生物多样性与生态系统功能(biodiversity–ecosystem function, BEF)之间存在显著正相关关系，并且BEF关系的强度受土壤生物类型的影响。具体而言，与体积较小或在较低营养水平的土壤生物(如古生菌、细菌、真菌和光养原生生物)相比，体积较大或在较高营养水平的土壤生物(如无脊椎动物或原生动物捕食者)呈现出较弱或不存在BEF关系。且土壤多营养级间复杂的共生网络增强了土壤生物多样性和生态系统功能之间的联系。该研究在预测地下多营养生物对农田生态系统功能的影响方面取得了重要进展，并强调应将土壤多营养网络复杂性视为提高集约利用下生态系统生产力和可持续性的关键因素。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.15917
18.Trophic interrelationships drive the biogeography of protistan community in agricultural ecosystems
2021年10月，韦革宏教授研究团队在《Soil Biology and Biochemistry》在线发表了研究型论文。本研究以中国东部农田邻近土壤旱地和水田两种生态系统为对象，探究原生动物群落的生物地理分布和驱动因素（非生物或生物因素）。研究发现，原生动物的alpha和beta多样性在玉米田中主要由细菌多样性驱动，而在水稻田中主要由真菌驱动；网络分析也表明，原生动物在玉米田中与细菌的连通性较高，而在水稻田中与真菌的连通性较高；另外，在玉米田中，细菌主要与原生动物中的消费者类群相关，而在水田中，真菌主要与原生动物中的光合类群相关。与玉米田相比，原生动物在水稻田中的多样性较底，但具有更强的环境适应性和系统发育保守性。这项研究为生物因素（营养相互关系）在驱动不同农业生态系统土壤原生生物群落生物地理格局中的重要性提供了新的见解。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071721003199
19.Responses of soil bacterial community structure and function to dry–wet cycles more stable in paddy than in dryland agricultural ecosystems
2021年11月，韦革宏教授研究团体在《Global Ecology and Biogeography》在线发表了研究型论文。本研究以中国东部旱田和水田为研究对象，通过微宇宙试验探究了农田微生物在干湿交替下的响应模式。研究发现，干湿交替显著改变了旱田和水田细菌群落多样性、群落结构和功能，并且水田在扰动下具有更高的稳定性。此外，旱田细菌群落在扰动下的系统发育保守性高于水田。作者探究了扰动下农田生态系统功能稳定的维持机制，发现在扰动下仍保持稳定的细菌类群对农田生态系统功能的维持至关重要。本研究揭示了农田土壤细菌群落和功能在干湿交替下的响应模式和维持机制，为预测未来气候变化下农田微生物和功能的响应提供了理论依据。
原文链接：https://doi.org/10.1111/geb.13433
20.Core microbiota drive functional stability of soil microbiome in reforestation ecosystems
2021年12月,韦革宏教授研究团队在《Global Change Biology》在线发表研究型论文。揭示核心微生物群在维持土壤微生物群功能稳定性中的生态作用对于可持续生态系统功能至关重要；然而，在微生物生态学中，特别是在生态恢复的背景下，缺乏对整个土壤剖面的研究。本研究通过高通量扩增子和宏基因组测序，揭示了核心微生物群落是维持再造林生态系统中土壤微生物群落功能稳定的关键。其中，具有相似生态偏好的核心类群对土壤功能稳定性有重要贡献，退耕还林显著降低了土壤微生物群落的功能稳定性，且土壤微生物群落的功能稳定性在退耕还林土壤垂直剖面上呈现出显著的变化。该研究加强了我们对土壤微生物群落功能稳定性驱动因素的理解，呼吁应将核心微生物群作为一个关键因素纳入旨在增强和维持生态系统功能稳定性和可持续性的政策管理中。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.16024
编辑：黄海瀛
终审：王存