资环学院张瑞福教授课题组揭示植物“呼救”招募根际益生菌的机制

生科学院章文华教授团队在脂质信号研究领域取得重要突破

园艺学院王长泉教授团队揭示H3K27me3修饰调控月季花瓣数的分子机制

体育部孙福成副教授成果揭示儿童青少年高强度间歇性运动促进全生命周期身心健康

农学院万建民院士团队在小型化CRISPR-Cas系统研究中取得新进展

资环学院张瑞福教授课题组提出根际微生物组分类新标准及其利用策略

张瑞福教授课题组揭示植物“呼救”招募根际益生菌的机制

3月1日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了沈其荣院士团队张瑞福教授课题组与中国农业科学院农业资源与农业区划研究所合作最新研究成果（Nonpathogenic Pseudomonas syringaederivativesand its metabolites trigger the plant “cry for help” response toassemble disease suppressing and growth promoting rhizomicrobiome）。研究揭示了植物“呼救”招募根际微生物的机制，可以为基于“去毒”病原菌开发“植物疫苗”诱导植物抑病性提供思路。

植物受到病原菌侵染后会招募根际的益生微生物，形成具有防控病害、促进植物生长等功能的天然抑病土壤，这种现象被称为“呼救（cry for help）”反应，在多种作物和模式植物上得到广泛验证和认可。然而经典的“呼救”反应需要接种能够引起植物发病的微生物才能诱导，这导致该理论在农业生产上不具有应用可行性，而且呼救招募的机制也不清楚。

该研究以多种能够引起植物免疫反应但缺乏致病能力的病原菌Pseudomonas syringae DC3000突变菌株为研究材料，发现缺失全部效应因子的菌株D36E，虽然失去了致病能力，但是可以诱导植物招募根际有益菌，从而使根际形成长达数个栽培周期的抑病土壤。进一步通过根系分泌物和根际微生物组分析，结合大规模根际微生物分离培养，发现根系分泌物中肉豆蔻酸含量降低，促进根际招募益生菌Devosiasp.，并且明确了该过程是天然抑病土壤形成的关键。虽然模式引发型免疫（PTI）激发菌株D36E能够诱导植物“呼救”反应，但是激发植物效应因子引发型免疫（ETI）的菌株却不能够诱导植物“呼救”反应，因此推测PTI的激活是诱导“呼救”反应的关键，而ETI能够抑制该反应，进一步研究明确了PTI激发子flg22可以诱导植物“呼救”反应，而典型的ETI激发菌株D36EavrRpt2则抑制植物“呼救”反应，这些结果明确了植物免疫对“呼救”反应的调控作用。该研究不仅揭示了植物“呼救”招募根际微生物的机制，也为以“去毒”病原菌开发为“植物疫苗”诱导植物抑病提供了思路。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所刘云鹏研究员和博士毕业生张慧慧为论文共同第一作者，南京农业大学资环学院张瑞福教授和荀卫兵副教授为论文共同通讯作者，沈其荣院士对本研究提出指导。该研究同时得到国家重点研发计划、中国农业科学院科技创新工程、中国农业科学院青年创新专项资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-46254-3

章文华教授团队在脂质信号研究领域取得重要突破

3月6日，国际权威学术期刊The Plant Cell在线发表了我校生命科学学院章文华教授研究团队完成的题为“Nonspecific phospholipases C3 and C4 interact with PIN-FORMED2 to regulate growth and tropic responses in Arabidopsis”的研究论文。该研究揭示了脂质分子通过调控生长素信号来调节植物向性运动的分子机制。

脂质是细胞膜的重要组分，不仅构成细胞膜结构，还可以通过与外部蛋白质、荷电高分子物质的相互作用，从而完成细胞对外界信号的感知与转导。由于人们对脂质生物学功能重要性的认识不断加深以及生物探针、质谱技术的不断革新，脂质生物学作为生物学的一个重要分支逐渐引起了科研工作者的重视。生长素极性运输对植物器官的形成、发育及抗逆应答至关重要。负责生长素转运的载体蛋白均定位于细胞膜。近些年，生科院植物逆境生理与分子遗传改良团队在脂质如何影响生长素转运及调控机制方面取得一系列重要突破。其中，研究发现磷脂酶D（PLD）产生磷脂酸（PA）结合靶标PINOID（PID）激酶，增强其磷酸化生长素输出转运蛋白PIN2活性，提高了PIN2外运生长素能力和植物耐盐性（PlantCell,2019）；甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPAT）来源的溶血磷脂酸（LPA）通过调控靶标PIN1,调节植物胚胎发育和抗逆应答过程（PNAS,2022）。然而，脂质如何调控植物向性运动及其相关的分子机制，仍然未知。

该团队最新研究发现拟南芥非特异磷脂酶（NPC）参与调控植物向重力性和避盐反应过程。拟南芥基因组共有6个基因编码NPC蛋白。其中，NPC3、NPC4和NPC5以基因簇形式存在。利用CRISPR-Cas9技术获得npc3 npc4的双突变体，其表现为生长发育迟缓、向重力反应减弱以及生长素分布失衡等表型。深入研究表明，在外源信号（重力、高盐等）刺激下，NPC3/4被激活，促使其与PIN2结合并产生二酰甘油（DAG），后者进一步代谢生成信号分子PA，调控PIN2的囊泡降解过程，从而促使生长素非对称分布的形成，最终促进根的弯曲生长。有意思的是，在向性运动过程中，NPC3/4来源的PA在根部呈现非对称分布；该分布特征在其他脂质分子未被发现。综上所述，该研究发现了脂质调控植物向性运动的关键代谢酶，丰富了人们对脂质分子功能的新认知，也为作物抗逆遗传改良提供了重要基因资源和理论依据。

论文第一署名单位为南京农业大学，博士生李腾为论文第一作者，张群教授为论文通讯作者。章文华教授和密苏里大学圣路易斯分校的王学敏教授指导了该项研究。植物逆境生理与分子遗传改良团队的袁静娅副研究员、博士生张淑娟、硕士生李雪冰和江苏省农业科学院贾倩茹博士、密苏里大学圣路易斯分校的姚帅兵博士参与了该项研究。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金面上项目、江苏省自主创新项目和中央基本业务费等项目资助。

论文链接：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae071/7619587?searchresult=1

王长泉教授团队揭示H3K27me3修饰调控月季花瓣数的分子机制

近日，南京农业大学园艺学院王长泉教授团队在The Plant Journal杂志发表了题为“Telo boxes within the AGAMOUS second intron recruit histone 3 lysine 27 methylation to increase petal number in rose (Rosa chinensis) in response to low temperatures”的研究成果，该研究从月季Rosa chinensis‘Old Blush’的AGAMOUS基因中鉴定到Telo boxes在低温下招募H3K27me3修饰，随后抑制AGAMOUS表达使得月季在低温下花瓣数目增加。

月季四季连续开花，其花色艳丽、花型丰富、寓意美好，是最受欢迎的花卉之一。其中，月季的花型极为丰富，可分为单瓣型、半重瓣型、半剑瓣型、绒球型等十余种。其中重瓣型月季品种花瓣数目较不稳定，受环境变化影响很大，但是其具体调控机制尚不明确。

该研究首先通过不同温度处理，确定了月季花瓣数目随着温度降低而逐渐增加，即花瓣数与环境温度负相关。随后通过对花发育相关基因进行荧光定量分析，发现月季中AGAMOUS基因表达水平随温度降低而显著降低。进一步研究发现，AGAMOUS表达水平受内含子影响，且AGAMOUS第二个内含子中的Telo boxes对其温度响应是必须的。

在拟南芥中，Telo boxes能够招募PRC2复合体对靶基因进行H3K27me3修饰。因此，该团队通过ChIP-PCR实验，进一步发现AGAMOUS的表达与H3K27me3修饰水平负相关。进一步实验表明，AGAMOUS第二个内含子中的Telo boxes能够与TRB蛋白结合，且TRB蛋白能与PRC2复合体中的核心组分CLF直接互作，从而实现了其对PRC2复合体的招募，进而实现低温下H3K27me3修饰。

基于上述研究结果，论文提出了AGAMOUS内含子响应温度信号，调控月季花瓣数目的工作模型。AGAMOUS内含子通过Telo boxes响应低温信号，Telo boxes与CLF-TRB蛋白复合体结合，招募H3K27me3修饰，进而抑制了AGAMOUS表达，导致低温条件下月季花瓣数目的增多。

南京农业大学园艺学院王长泉教授和刘金义副教授为该论文的共同通讯作者，助理研究员陆俊、博士生王伟男、范春国为本文的共同第一作者，钟山青年研究员孙晶晶和博士生袁国振及硕士研究生郭雨含、郁昕雨和常宇飞参与了部分研究。本项目受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家种质创新重点实验室开放课题和博士后基金等项目的资助。

南京农业大学月季研究团队致力于月季种质资源收集、评价与功能基因挖掘，利用多组学技术挖掘到20多个月季特色功能基因，创制了100多份月季新种质，在光周期、温度和激素调控月季生长发育等研究方面取得重要进展，在Plant Physiology、Horticulture Research、The Plant Journal、Journal of Experimental Botany等期刊发表研究论文10余篇。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16691

孙福成副教授成果揭示儿童青少年高强度间歇性运动促进全生命周期身心健康

近日，我校体育部儿童青少年健康与运动研究团队孙福成副教授采用文献计量学方法，借助CiteSpace、VOSviewer、Pajek和Bibliometrix等工具，检验了儿童青少年高强度间歇性运动（HIIE）研究的热点和前沿。结果发现该领域的新兴主题为执行功能、高强度间歇性训练、心率变异性和胰岛素抵抗等；校本环境的低容量高强度训练、心理健康、运动强度效益的时间进程，以及心脏代谢危险因素等是该主题的前沿研究领域。相关研究成果“Frontiers and hotspots of high-intensity interval exercise in children and adolescents:text mining and knowledge domain visualization”在医学（生理学）国际权威期刊Frontiers in Physiology上发表。

在世界范围内，肥胖、2型糖尿病和动脉粥样硬化等代谢类疾病及其新的和潜在的重要危险因素不断发生，已然成为亟待解决的公共健康难题。儿童（《儿童权利公约》将其定义为18岁以下的所有人）和青少年（WHO将其定义为生命的第二个十年，即10至19岁）代谢类慢性疾病是由一系列社会生态、环境和遗传等多种因素造成的。根据早期研究，超过37%现在的肥胖儿童将成为肥胖的成年人，当前这种情况还在加剧。另外，儿童青少年时期一旦发展为代谢类疾病在进入成年期后不太可能发生逆转，尤其是12岁以后仍然肥胖的儿童进入成年期后有很大的代谢综合征危险。实际上，很多看似成年期发生的代谢类疾病起源于儿童和青少年，这一时期的运动习惯很容易会迁移到成年期。例如，内皮细胞功能紊乱是预测心血管疾病和死亡率的关键因素，其发展一直可以追溯到儿童时期。

WHO建议儿童青少年每天至少进行60分钟的中度至剧烈体力活动，以预防潜在的成年期和老年期心血管疾病风险，但很少有儿童和青少年符合此类指南。因此，在儿童和青少年缺乏身体活动以及慢性疾病负担日益增加的背景下，研究人员考虑通过高强度间歇运动（HIIE）纠正不活跃生活方式风险的可行性。HIIE是指一种反复进行短到长的高强度运动并穿插恢复期的方法，通常需要“全力以赴”或接近峰值摄氧量的强度进行。由于HIIE被认为是一种节省时间且有趣的运动干预策略，而且不需要昂贵的专门设备或设施，因此成为生理学者推荐的促进心理健康，心肺健康，改善心脏代谢和心血管疾病危险因素的一级预防策略。

本研究采用文献计量学方法，主要检验了HIIE在儿童青少年队列中的研究热点和前沿趋势。（1）小容量校本环境的HIIE研究。包括科学运动方案对儿童青少年队列血流介导的扩张、心率变异性、以及餐后收缩压和静息脂肪氧化的积极影响。（2）认知益处的时间进程。尤其在特殊环境下，科学运动方案与认知表现及其潜在的治疗益处。（3）累积强度的潜在证据。运动强度在改善高脂餐后血管功能，对宏观和微血管功能的独立影响，以及胰岛素敏感性的时间进程等。（4）无症状儿童青少年的心脏代谢危险因素。HIIE在降低心脏代谢风险Z评分，以及心肺健康方面的益处等。

本研究得到江苏省社科基金（21TYD003）和江苏省“十四五”重点项目（Ta/2021/09）的资助。我校体育部孙福成副教授为论文的独立作者。该研究得到英国Exeter 大学公共健康与运动科学学院儿童健康与运动研究中心Craig Williams教授和Alan Barker副教授的指导和帮助，包括对论文整体框架的建设性意见，论文草稿的批评性反馈等；以及Exeter大学博士研究生黄蓉和刘勇在文献检索和整理等方面的协助。

文章链接：

https://doi.org/10.3389/fphys.2024.1330578

万建民院士团队在小型化CRISPR-Cas系统研究中取得新进展

由CRISPR-Cas系统引起的基因组编辑革命浪潮中，CRISPR-Cas9系统及其衍生的精准编辑工具（包括碱基编辑和引导编辑）因其简单高效的特点，极大地加速了作物遗传育种的进程。基因组编辑工具在作物基因组工程上的应用通常依赖于农杆菌介导的遗传转化，该过程受到作物品种以及植物组织培养条件的诸多限制。因此通过植物病毒载体递送基因组编辑工具，绕过组织培养直接获得基因组编辑过的植株受到越来越多的关注。由于植物病毒自身的载荷限制，常规的CRISPR-Cas系统(Cas9和Cas12a)恐难以胜任，科研人员迫切需要体积紧凑且高效的CRISPR-Cas系统和相关衍生工具。包括Cas12f (Cas14, 400-700aa)和CasΦ (Cas12j, 700-800aa)在内的多种小型Cas效应蛋白被挖掘并开发成基因组编辑工具。尽管前人的研究证实了CRISPR-Cas12j在水稻中的编辑活性，但整体效率仍然偏低，并且尚未对其递送潜力进行进一步的探索。近日，万建民院士团队开发了高效可拆分的CRISPR-Cas12j2基因组编辑工具，提高了其在水稻中的编辑效率，并展示了Cas蛋白拆分策略未来用于开发新型递送技术方面的潜力。

研究者首先通过crRNA的茎环结构优化筛选出了综合效率最优且最为保守的Cas12j2crRNA-TACG茎环变体，Cas12j2使用该crRNA变体产生的整体效率相比于原始crRNA获得了2倍的提升。随后研究者通过实验证实了Cas12j2对于孵育温度的敏感性。研究者进一步优化了Cas12j2系统的表达，通过单转录本STU（Single Transcript Unit）协调Cas12j2蛋白和相关crRNA的表达，以此为基础结合高效crRNA变体和最优spacer长度（18nt）创制的Cas12j2-STU.v2，在大幅提高Cas12j2的编辑效率的同时，也大大缩减了表达盒的体积并且简化了相关载体的构建流程。相比于前人常用双启动子分别驱动Cas蛋白和核酶介导crRNA加工的形式，无论是单靶点编辑还是多靶点编辑，STU表达形式都显示出了约5倍的编辑效率提升。Cas12j2-STU.v2在再生水稻植株中的编辑效率高达78.8%，该结果相比之前的研究报道有显著的提高。在Cas12j2-STU.v2基础上引入高效Cas12j2变体（nCas12j2）创制的Cas12j2-STU.v4，在部分编辑位点上又获得了1.2到2.4倍的编辑效率提升。进一步通过蛋白结构分析，在Cas12j2蛋白的RecⅡ柔性区域引入拆分位点，将其分成两个组分。两组分通过内含肽完成在细胞内的“顺式”剪接，其中在S511拆分位点，拆分后的Cas12j2在水稻原生质体中获得了与未拆分形式相当的编辑效率，为未来通过病毒载体传递完整的CRISPR-Cas系统奠定了技术基础。

该研究成果于2024年03月14日在线发表于植物学知名期刊Plant Communications （DOI:https://doi.org/10.1016/j.xplc. 2024.100881）。南京农业大学在读博士生孙岩、胡健健和在读硕士生胡智超为本文共同第一作者，万建民院士和李超教授为共同通讯作者。南京农业大学刘裕强教授、周时荣教授和西北农林科技大学李停栋教授等也参与了部分研究工作。该研究得到农业农村部、江苏省自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项、海南省种业实验室和生物育种钟山实验室等项目资助。

张瑞福教授课题组提出根际微生物组分类新标准及其利用策略

根际微生物能在进化过程中与植物形成功能丰富的共生体（holobiont），对宿主植物的营养和健康发挥着重要的作用，被称为植物的第二基因组。微生物、宿主植物和根际环境之间错综复杂的相互作用对精准调控植物与根际微生物组的关系提出了极大的挑战。当前根际微生物的利用方式主要是分离优异菌种开发微生物肥料或微生物农药等生物制品，然而如何从整体层面上充分利用整个根际微生物组？如何从外源施用益生菌转变到原位发挥根际微生物组的内在功能？如何促进根际微生物对作物的“被动服务”向根际的“主动服务”转变？目前没有提出明确的思路和策略。

绝大部分根际微生物都是来源于土壤，因此过去认为根际微生物组整体上受土壤环境因素驱动，然而近年来随着根际微生物组研究的突破性进展，越来越多的研究表明部分根际微生物的装配是植物遗传性状。近日，国际著名期刊《新植物学家》（New Phytologist）在线发表了沈其荣院士团队张瑞福教授课题组与中国农业科学院农业资源与农业区划研究所合作的观点综述（Viewpoint）“Dissection of rhizosphere microbiome and exploiting strategies for sustainable agriculture”，该观点综述以分类利用为导向，根据装配的主要驱动因素将根际微生物组分为由土壤性质决定的根际可变微生物组（environment-dominated variable microbiome）和由植物基因决定的根际可遗传微生物组（plant genetic-dominated heritable microbiome）。

该综述对已有发表数据进行了分析，初步估算了两类微生物组在主要作物根际的比例，发现根际微生物组中绝大部分类群（高于96.5%）是由土壤性质决定的，提出可以通过合理的土壤管理措施精准调控根际可变微生物组结构和功能以支撑农业绿色发展。根际微生物中可遗传部分占比很小（低于3.5%），但发挥着对植物的重要特异性功能（比如养分转化和胁迫耐受等），可通过育种手段利用这些根际微生物的功能，通过鉴定控制根际可遗传微生物的作物基因，培育“根际微生物组协同”（rhizosphere microbiome-assisted crop breeding）的作物新品种，“一劳永逸”的利用这类根际微生物。综述还对两种根际微生物组的利用策略目前存在的挑战和未来研究重点进展了分析展望，本文将对充分利用根际微生物组促进农业绿色发展提供理论指导和路径选择。

南京农业大学资环学院荀卫兵副教授和中国农业科学院农业资源与农业区划研究所刘云鹏研究员为论文共同第一作者，南京农业大学资环学院张瑞福教授为论文通讯作者。该研究得到国家重点研发计划等项目资助。

论文链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.19697