南农前沿

原标题：南农前沿 | 近期科研成果扫描

来源:南京农业大学

农学院/前沿交叉研究院

吴玉峰教授课题组在DNA表观修饰领域取得重要进展

动物医学院

粟硕教授团队在动物冠状病毒进化与流行病学领域取得新进展

生命科学学院

强胜教授课题组在生物除草剂创制研究中取得重要进展

农学院

杨守萍教授团队在大豆质核互作雄性不育机理研究中取得重要进展

生命科学学院

章文华实验室在水稻钾转运蛋白活性调控及其在耐盐性中的作用研究中取得新进展

园艺学院

房婉萍教授团队揭示茶园间作绿肥对土壤多功能抵抗力提升的重要机制

资源与环境科学学院

张瑞福教授和宣伟教授课题组合作鉴定根际木霉促进植物根系发育的活性物质雪松烯并揭示其调控分子机制

资源与环境科学学院

沈其荣院士团队揭示过量施氮肥影响作物和微生物肥料“亲密”互作的分子机制

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农学院/前沿交叉研究院吴玉峰教授课题组在DNA表观修饰领域取得重要进展

2022年1月3日，我校农学院/前沿交叉研究院吴玉峰教授课题组在国际著名学术期刊Genome Biology在线发表了题为“N4-acetyldeoxycytosine DNA modification marks euchromatin regions in Arabidopsis thaliana”的研究论文。该研究首次在高等植物（拟南芥、水稻、玉米）和动物（人、小鼠）基因组DNA中鉴定到胞嘧啶乙酰化修饰(N4-acetyldeoxycytosine，4acC)，并初步揭示其表观生物学功能。研究结果拓宽了表观遗传的研究领域，丰富了基因转录表达的表观调控网络。

DNA和RNA上存在多种多样的化学修饰，如5mC/m5C、6mA/m6A等。目前，在生物基因组DNA上已鉴定到至少17种化学修饰，而在RNA上鉴定到的化学修饰种类则多达170余种。其中，多种化学修饰类型在DNA和RNA上同时存在，它们对基因转录调控、细胞命运的决定、生长发育及响应环境信号等过程起到关键的调控作用。因此，发现新型核酸修饰并揭示其表观调控作用对于解释生命体系的复杂性和多样性具有重要的科学意义。

该研究分别在拟南芥和玉米中绘制了4acC修饰图谱，发现4acC修饰主要分布于拟南芥常染色质区域，在蛋白编码基因的转录起始位点(TSS)附近丰度最高，其修饰丰度与基因转录表达水平呈显著正相关。此外，相关性分析表明4acC与活性组蛋白标记（如H3K4me2/3、H3K36me3、H3K9ac等）显著共定位，但与5mC分布相互独立，它们交互作用共同参与基因转录表达调控。

拟南芥基因组DNA 4acC修饰分布模式图

该论文的署名单位为南京农业大学，青年教师王帅和博士生谢海蓉、毛飞为共同第一作者，吴玉峰教授为通讯作者。康奈尔大学Jian Hua教授、南京农业大学高夕全教授和熊波教授、江苏省农业科学院靳红梅教授参与了该研究。南京农业大学杨东雷教授和马洪雨教授分别在实验材料和质谱检测中提供了帮助。该研究得到了国家自然科学基金（32000207）、江苏省自然科学基金（BK20180525）、中央高校基本科研业务费（KJQN202101，JCQY201901）、作物遗传与种质创新国家重点实验室创新项目和江苏省现代作物生产协同创新中心的资助。

论文链接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02578-7

动物医学院粟硕教授团队在动物冠状病毒进化与流行病学领域取得新进展

动物医学院粟硕教授团队以南京农业大学为主要完成单位，联合农业部动物疫病预防控制中心、比利时鲁汶大学等单位在生物信息学专业期刊Molecular Biology and Evolution在线发表了题为Phylogeography reveals association between swine trade and the spread of porcine epidemic diarrhea virus in China and across the world的研究性论文（论文链接：https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msab364/6482749searchresult=1），论文系统解析了猪流行性腹泻病毒(porcine epidemic diarrhea virus，PEDV)的进化传播特征以及影响病毒扩散传播的潜在因素。多种人和动物冠状病毒在全球持续爆发和流行，说明目前在动物冠状病毒的起源、生态学、进化和传播方面还有大量空白。

PEDV是猪群中有较大危害和广泛流行的一种冠状病毒，可以引起所有日龄猪只呕吐、腹泻，并在哺乳仔猪产生高的死亡率。PEDV变异毒株出现使得猪流行性腹泻在全球范围内大规模流行，而影响PEDV在中国和全球持续进化和传播的主要因素尚不清楚。因此，研究团队基于长期积累的PEDV基因组数据，结合全球和中国生猪调运数据，以及气温、养殖密度等多种环境和社会因素构建数学模型，进一步明确了影响PEDV在中国和全球传播扩散的地理枢纽和重要动力学特征。

PEDV的传播动力学模型

以及影响病毒扩散的潜在因素相关性分析

研究发现，在中国，生猪调运等因素可能在PEDV的传播扩散中发挥重要的作用，而广东省和河南省是PEDV在中国传播的重要枢纽地区。在全球范围内，美国和中国存在最丰富的PEDV谱系。美国流行的PEDV具有广泛的多样性，并且是将PEDV引入日本、韩国、中国和墨西哥等国家的全球扩散枢纽。此外发现，生猪贸易和养殖规模也是影响PEDV在全球范围传播扩散的重要因素。鉴于全球家畜贸易日益增长，该研究结果对预防和遏制家畜冠状病毒的流行传播扩散具有重要意义。同时，该研究模型和方法对未来防控其他重要病毒在家畜中的传播扩散具有重要参考价值。该研究得到了国家重点研发计划项目课题“畜禽冠状病毒的流行传播特征与遗传演化规律研究（2021YFD1801101）”和江苏省六大人才高峰高层次人才项目（NY-045）的资助。

论文链接：

https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msab364/6482749searchresult=1

生科院杂草研究室强胜教授课题组在生物除草剂创制研究中取得重要进展

2021年12月14日，南京农业大学杂草研究室强胜教授课题组在期刊Journal of Advanced Research上发表了题为“Structure-based ligand design and discovery of novel tenuazonic acid derivatives with high herbicidal activity”的研究论文。当前，化学除草剂的研发已由传统的非定向研发发展到现在的通过解析化学分子与作用靶点互作机制来实现高效定向分子设计的新阶段。利用自然界中化学结构多样、生物活性丰富、作用靶点独特的天然产物，借助计算生物学模拟合成研发新型生物源除草剂已成为除草剂开发的一个重要途径。

图1.基于配体设计来发现

具有高除草活性的新型TeA衍生物流程图

该课题组于上世纪90年代在生物防治紫茎泽兰致病菌中发现TeA毒素，并利用其研发生物源除草剂，发现其具有广谱杀灭大多数单双子叶杂草、活性高（20-80ppm可以杀死杂草）、作用速度快（2-3天）、降解迅速低残留、结构简单等特点，有潜力开发为防除紫茎泽兰及其它杂草的生物除草剂。进一步系统开展了产毒条件、作用靶点和杀草机制、毒素生物合成工艺和化学合成工艺的研究。首次明确了TeA是一种全新的来源于真菌的光系统II抑制剂，其作用靶点是光系统II的D1蛋白。分子互作模型显示，在TeA和D1相互作用过程中D1蛋白上的256位氨基酸起着关键的作用，但其绑定行为不同于其他经典的光系统II抑制剂（如敌草隆和阿特拉津）。TeA与靶标杂草的D1蛋白结合后，会阻断光合电子传递链活性，引起过能量化，导致叶绿体活性氧迅速爆发，引起细胞死亡和组织坏死，最终迅速杀死杂草。相关研究成果已在Plant Cell Environ、BBA-Bioenergetics等国际著名期刊上发表论文30余篇，获得中国国家发明专利5项（ZL00112560.5，ZL03132322.7，ZL200510038263.2，ZL200610038765.X和ZL201410175454.2），日本发明专利1项（专利号4982384），美国专利2项（US8921274和US9926573）和欧洲发明专利1项（EP1997803）。目前，已经成功研发出25%TeA 水剂（商品名丁羟咯酮），并获得了农业部田间药效批准证书，并推动商业化。

图2.TeA及其3种具有高结合能衍生物的化学合成路线

该论文基于TeA与拟南芥作用靶点D1蛋白的分子互作模型，以TeA为先导物对其5位的烷基侧链进行分子修饰，设计了一系列衍生物，通过分子对接和参数分析了数十个结构修饰化合物分子，从中筛选出3个高结合能的候选化合物（图1）。进一步基于实验室建立的合成方法（专利ZL200610038765.X和ZL201810359759.7）化学合成了3个化合物（图2），并对其进行了构效关系的研究和除草活性的验证，最终获得了2个高除草活性的化合物仲戊基TeA和仲己基TeA，其除草活性是TeA的2倍以上，显示出非常好的商业化前景（图3.）。

图3。以紫茎泽兰（A.adenophora）为例

对3个候选化合物进行除草活性和构效关系验证

该论文的署名单位为南京农业大学，在读博士生王赫和已毕业硕士生姚沁为共同第一作者，强胜教授和陈世国教授为共同通讯作者，研究生郭妍婧和张倩、南京大学王忠长研究员、研究室外籍客座教授Reto Strassor和Bernal Valverde、以及波兰华沙大学的Hazem M. Kalaji教授为共同作者。

该研究得到了国家重点研发计划（2017YFD0201300）、江苏省农业自主创新项目（CX(21)3093）、江苏省研究生科研创新计划（KYCX19_0617）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jare.2021.12.001。

农学院杨守萍教授团队在大豆质核互作雄性不育机理研究中取得重要进展

农学院杨守萍教授团队在大豆质核互作雄性不育机理研究中取得重要进展。2021年12月4日在Journal of Experimental Botany上在线发表了题为“Confirmation of GmPPR576as a fertility restorer gene of cytoplasmic male sterility in soybean” (https://doi.org/10.1093/jxb/erab382)的研究论文。

杂种优势利用是提高作物产量的有效途径，质核互作雄性不育在杂种优势利用中具有重要作用。大豆中通过“三系”杂交种生产体系已培育30余个杂交大豆新品种，但是CMS/Rf系统的分子机理研究不够深入，目前尚未见到大豆CMS基因和育性恢复基因Rf被克隆的报道。

该研究对不育系NJCMS1A的育性恢复基因进行遗传定位，确定育性恢复基因位于从Glyma.16G161600到Glyma.16G163400这19个基因的基因组区段。在含有育性恢复基因的恢复系NJCMS1C和不含育性恢复基因的不育系NJCMS1A及其保持系NJCMS1B中分别扩增这19个基因的基因组序列，通过序列比对初步缩小候选育性恢复基因的范围，确定育性恢复基因可能是PPR家族基因GmPPR576（Glyma.16G161900）和GmPPR552（Glyma.16G162100）或二者之一。在多个恢复系、不育系和保持系中获得候选育性恢复基因的序列，通过序列比对、单倍型分析和系统发育分析进一步确定候选育性恢复基因可能是GmPPR576（Glyma.16G161900）。大豆N8855是NJCMS1A雄性不育细胞质供体，N8855的育性正常，说明其本身携带育性恢复基因，具有天然的CMS/Rf系统，如果破坏其中的育性恢复基因Rf的功能，则可导致N8855发生雄性不育。利用CRISPR/Cas9技术成功敲除大豆N8855中的候选育性恢复基因GmPPR576，基因编辑植株发生雄性不育，证明候选育性恢复基因GmPPR576是NJCMS1A的育性恢复基因。育性恢复基因的确定对于通过“三系”杂交种生产体系实现大豆杂种优势利用具有重要的理论和实践意义。

该论文的署名单位为南京农业大学，博士生王枟刘和贺亭亭为共同第一作者，农学院杨守萍教授为通讯作者，盖钧镒院士提供了指导，赵团结教授参加了部分研究，博士后丁先龙和硕士生张琪琪、杨龙树、博士生聂智星参加了部分实验。

该研究得到了国家重点研发计划（2016YFD0101500，2016YFD0101504）、中央高校基本科研业务费专项资金（KYT201801）、长江学者和创新团队发展计划（PCSIRT_17R55）、江苏省研究生科研创新计划（KYCX18_0651）的资助。

候选育性恢复基因的确定和单倍型分析

CRISPR/Cas9基因编辑载体的

构建和基因编辑植株的突变类型

CRISPR/Cas9介导的

GmPPR576基因编辑大豆的花粉碘染

生命科学学院章文华实验室在水稻钾转运蛋白活性调控及其在耐盐性中的作用研究中取得新进展

近日，章文华实验室在水稻钾转运蛋白活性调控及其在耐盐性中的作用研究中取得新进展。该项研究成果于2021年12月8日在PNAS在线发表(DOI number 10.1073/pnas.2114347118)。生科院和作物遗传与种质创新国家重点实验室博士生宋腾钊为第一作者，章文华教授、李文钰博士为通讯作者，博士生施一渊等参与此工作。另外，井文、沈立轲、林峰副教授也参与了该研究。研究工作受国家自然科学基金委项目、中央高校基本业务费等资助。

钾是动植物细胞生命活动中的必需元素。植物在盐渍土壤里生长，维持细胞内K+稳态十分重要。但是，盐胁迫下植物K+吸收和调控机制仍知之甚少。

为了揭示水稻在盐胁迫下维持细胞内K+稳态和K+/Na+的调控机制，生科院章文华实验室在前期工作中鉴定了K+转运蛋白的编码基因OsHAK21调控水稻耐盐性（Shen等, 2015）。在此基础上，他们筛选到OsHAK21互作蛋白，细胞色素b5（OsCYB5-2），它定位在内质网膜。通过在酵母和植物（拟南芥和水稻）中转基因证明OsCYB5-2通过OsHAK21加强对细胞内K+稳态和耐盐性的调控作用。

他们的研究还发现，高盐诱导OsHAK21-OsCYB5-2互作增强。OsCYB5-2结合OsHAK21不仅增强了OsHAK21对K+的亲和力，也减轻了高盐环境中Na+对OsHAK21转运活性的抑制，稳定盐胁迫下OsHAK21介导的K+吸收，限制Na+进入细胞；从而维持了水稻细胞内K+/Na+平衡。OsCYB5-2的调节功能依赖其自身结合heme(血红素)。该论文揭示了植物HAK蛋白翻译后调控的新机制，阐明了细胞器之间互作，特别是通过其上的OsHAK21和OsCYB5-2蛋白之间互作在水稻耐盐中的重要作用，为水稻耐盐的遗传改良工程提供了分子基础。

OsHAK21-OsCYB5-2互作调控水稻耐盐性的模式图

园艺学院房婉萍教授团队揭示茶园间作绿肥对土壤多功能抵抗力提升的重要机制

近日，房婉萍教授团队在Science of the Total Environment杂志在线发表了题为Tea plantation intercropping green manure enhances soil functional microbial abundance and multifunctionality resistance to drying-rewetting cycles的研究论文，揭示了茶园间作绿肥对土壤多功能抵抗力的提升效应。该研究为茶园间作绿肥改善茶树鲜叶化学成分含量提供了地下部理论依据，并从土壤功能微生物层次揭示了茶园间作绿肥对土壤多功能抵抗力提升的重要机制，能够为茶园可持续发展提供适宜的多样化种植模式。

近年来，气候变化引起更加频繁的干湿交替干扰，进一步影响土壤生态系统功能和农业生产。间作绿肥作为一种古老的农业管理措施，可以有效提高茶园土壤的物理、化学和生物肥力。然而，间作绿肥对茶园土壤抵抗干湿干扰能力的影响尚未见报道。本研究以大田4年不同绿肥种植模式下（茶树单作、茶树大豆间作、茶树大豆+紫云英间作）茶园土壤为试验材料，探讨了其对土壤干湿交替干扰抵抗力的影响。研究以高通量qPCR和C、N、P养分循环相关酶活性来表征土壤微生物功能基因丰度和生态系统的多功能性。研究结果表明，与单作茶园相比，茶园间作大豆和茶园间作大豆+紫云英的多功能性抵抗力均得到显著提升。随机森林分析表明，茶园土壤多功能抵抗力的主要驱动力并不是功能基因多样性，而是功能基因丰度。结构方程模型进一步证明，茶园间作绿肥可提高土壤特性介导的C循环相关功能基因的丰度，并最终提高茶园土壤对干湿扰动的多功能抵抗力。因此，茶园间作绿肥是维持茶园多功能抵抗力的有效途径，有利于在干湿交替干扰下维持土壤养分供给能力和茶园生产。

本研究工作以南京农业大学茶树生物学实验室为第一单位。园艺学院房婉萍教授为该论文的通讯作者，王婷博士为论文第一作者，博士研究生段玉和硕士研究生刘国栋为同等贡献作者。本研究得到了国家自然科学基金（31972460，31870680），国家现代农业（茶叶）产业技术体系（CARS-19），常州市科技支撑项目（CE20212017）和江苏高校优势学科建设工程资助项目的资助。

资环学院张瑞福教授和宣伟教授课题组合作鉴定根际木霉促进植物根系发育的活性物质雪松烯并揭示其调控分子机制

木霉菌能够显著促进根系发育和植物生长、防控土传病原菌，是重要的农用微生物制剂。然而除了其分泌的植物激素，对其分泌的促进植物根系发育的其他活性物质所知很少。从事根际微生物研究的张瑞福教授课题组和从事植物根系发育研究的宣伟教授课题组合作开展交叉研究，鉴定了微生物肥料菌种木霉分泌的促进根系发育的雪松烯，并揭示了其调控植物侧根发育的分子机制，近日在Plant Cell Environment上发表了题为“The volatile cedrene from Trichoderma guizhouense modulates Arabidopsis root development through auxin transport and signaling” 的研究论文。

该研究通过固相微萃取与气相质谱相结合的方法鉴定出木霉菌NJAU4742的挥发性物质中倍半萜类是含量最为丰富，进一步使用纯品验证显示其中的雪松烯能显著促进植物生长和根系发育。进一步使用遗传学实验，药理学实验以及使用各种标记材料证明了雪松烯通过提高植物生长素的运输，促进生长素信号响应，诱导下游GATA23的表达，进而刺激侧根的起始和长出。木霉菌分泌的雪松烯诱导植物侧根形成和主根伸长的发现为微生物代谢物的生物技术应用开辟了新的途径。鉴定根际微生物分泌的促根活性物质，有望开发为新型促根剂肥料，增强作物根系发育和养分吸收利用效率，促进农业绿色发展。

资环学院博士研究生李宇聪和师资博士后邵佳慧为论文并列第一作者，张瑞福教授和宣伟教授为论文共同通讯作者，两个课题组的其他老师和研究生也参与了该研究。本研究得到国家自然科学基金、中央基本科研业务费等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1111/pce.14230

资源与环境科学学院沈其荣院士团队揭示过量施氮肥影响作物和微生物肥料“亲密”互作的分子机制

氮肥是作物产量的重要保障，然而农业生产上过量施用氮肥会带来土壤酸化等不利影响。氮肥过量会降低豆科植物共生根瘤菌的结瘤固氮，但氮肥对于广泛存在的根际益生菌与作物互作的影响仍然未知。根际益生芽孢杆菌是微生物肥料的主要生产菌种，揭示氮肥施用对根际益生芽孢杆菌与植物互作的影响，有利于科学指导化肥和微生物肥料的配施。

近日，植物学领域著名期刊《Plant Physiology》正式刊发了沈其荣院士团队张瑞福教授课题组的最新研究成果“Nitrogen fertilization modulates the beneficial rhizosphere interactions through signaling effect of nitric oxide”。该研究以微生物肥料典型生产菌种根际益生贝莱斯芽孢杆菌SQR9为对象，发现SQR9在作物根际的定殖量受到氮肥施用量的显著影响，其中适量施用氮肥，能显著提高菌株SQR9在作物根际的定殖数量，而施氮量不足或过量施用都会导致其定殖量下降。

研究发现氮肥不同用量通过反硝化过程产生的一氧化氮（NO）气体是调控SQR9根际定殖的关键信号，表现为低浓度NO促进而高浓度NO抑制SQR9的根际定殖。进一步研究揭示了NO通过影响SQR9胞外基质γ-多聚谷氨酸的合成而调节其生物膜形成和根际定殖。适量施氮条件下强化的益生菌根际定殖可促进其植物益生功能发挥，最终提高作物的氮素利用效率。本研究阐明了氮肥施用调控有益菌根际定殖与功能发挥的信号效应与机制，可为通过合理施肥增强植物-益生菌互作和提高氮素利用效率提供理论指导。

该研究得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程和江苏省自然科学基金等项目的资助。硕士生康安（已毕业）和张楠副教授为共同第一作者，张瑞福教授为通讯作者，沈其荣院士、邹建文教授等参与了该项研究。张瑞福教授课题组近年来围绕微生物肥料功能菌株芽孢杆菌SQR9的益生机理及其与植物的互作机制，在根际定殖与成膜机制、促生物质挖掘、诱导植物系统抗性和拮抗土传病原菌机制等方面取得了一系列成果，相关工作发表在Nature Communications、Cell Reports、Microbiome等国际权威学术期刊。

论文链接：https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiab555/6447517?searchresult=1#

来源 | 南京农业大学新闻网

编辑 | 郭嘉宁