旨在利用同源序列克隆法，克隆出结瘤相关基因nodD和大豆血红蛋白基因lba。以串联的方式将nodD和lba基因连接到lac启动子的下游，通过DNA重组技术构建出带有发光酶基因luxAB的重组载体pTR-Plac-nodD-lba。通过三亲本杂交方法构建转基因费氏中华根瘤菌(Sinorhizobium fredii)，Western blot试验证明导入基因能够进行表达。将初始菌株和基因工程菌株侵染大豆幼苗后进行固氮酶活的测定。测定结果表明，转基因工程菌株均能够提高固氮酶效率，导入串联基因的工程菌株在提高固氮酶活性上比导入lba和nodD基因的工程菌株高出4%和15.1%。
随着基因测序技术的发展,植物基因组数据越来越丰富,其中的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism,SNP）数据由于具有高密度、高通量和易于自动化分析等特点而被广泛用于分子标记的开发和应用。竞争性等位基因特异性PCR（kompetitive allele-specific PCR,KASP）技术是近些年来发展起来的一种主要基于SNP的高通量基因分型技术。该技术由于其高通量、低成本和可操作性强等优点而在农作物性状改良等领域具有很大的应用潜力。本文介绍了KASP技术的发展、原理和方法步骤,综述了该技术在主要农作物的种质资源鉴定、分子标记辅助育种、基因定位和种子纯度鉴定等遗传育种中的应用,并讨论了该技术的优缺点,以期为今后农作物育种研究提供参考依据。
AP2/ERF（APETALA2/ethylene responsive factor）转录因子家族均含有1-2个由60个左右的氨基酸所构成的AP2/ERF结构域。按照AP2/ERF结构域的个数以及是否含有其他结构域，将其分为AP2（APETALA2）、乙烯响应因子（ERF）、脱水响应元件结合蛋白（DREB）、RAV和Soloist五个亚家族。该家族在植物生长发育以及响应生物胁迫和非生物胁迫等方面起重要作用。概括了AP2/ERF转录因子的结构功能特点，以及近年来AP2/ERF家族蛋白参与植物生长发育以及对逆境响应等方面的进展，为该类转录因子今后的研究提供帮助。
TIFY蛋白是植物中一类特异性转录因子。根据其保守结构域的不同可分为4个亚家族：TIFY、JAZ、ZML和PPD。通过回顾近年研究成果,从TIFY蛋白的结构、分布及在调控植物的生长发育,响应各种逆境胁迫和不同激素信号等方面的生物学功能进行综述,旨在为TIFY蛋白家族的深入研究与利用奠定理论基础。
空间分辨代谢组学即整合质谱成像和代谢组学技术,对动/植物组织和细胞中内/外源性代谢物的种类、含量和差异性空间分布进行精准测定。质谱成像技术因其具有无标记、非特异、高灵敏度、高化学覆盖、元素/分子同时检测等优势,被广泛应用于动/植物组织中各类代谢物、多肽和蛋白的时空分布研究。首先介绍了代谢组学和质谱成像技术的研究现状,然后重点综述了空间分辨代谢组学在动物组织、植物组织和单细胞水平上的前沿应用。最后展望了空间分辨代谢组学技术的现有瓶颈和未来发展方向。空间分辨代谢组学是继代谢组学之后又一门新兴的分子成像组学技术,能够无标记、可视化检测动物组织中外源性药物的吸收、分布、代谢和排泄,以及植物组织中多种代谢产物的生物合成、转运途径和积累规律。该技术将推动靶向药物发现、病理机制解析和动植物生长发育密切关联的空间代谢网络调控等前沿应用研究。
次生代谢产物的生物学作用被认为是高等植物生存和进化的关键。类异戊二烯（Isoprenoids）化合物作为植物中极为丰富的一类次生代谢物,在植物信号转导、适应气候、繁殖及防御等方面具有多种生理功能。此外,植物类异戊二烯化合物还广泛应用于制药、天然乳胶、香料及有机合成等工业领域,具有重要的经济价值。异戊烯基转移酶（Prenyltransferase,PT）是连接上游甲羟戊酸和磷酸甲基赤藓糖途径与下游不同结构类异戊二烯生物合成分支点的关键酶,因此异戊烯基转移酶及其基因在整个类异戊二烯生物合成与调控过程中具有重要地位。本文介绍了植物类异戊二烯生物合成通路、异戊烯基转移酶基因克隆与分析、酶功能鉴定及其系统分类,并介绍了其在针叶树中的研究进展,旨在为植物类异戊二烯化合物生物合成与调控机制的进一步研究提供帮助,同时为针叶树种产脂和抗生物逆境的分子水平研究指明相关方向。
ABC转运蛋白,即腺苷三磷酸结合盒转运蛋白（ATP-binding cassette transporter）是具有多种功能且分布极为广泛的膜蛋白质家族。它的主要功能是利用ATP水解产生的能量来实现对底物的跨膜转运,ABC超家族蛋白转运体普遍存在于细菌、真菌,线虫,果蝇、植物、哺乳动物等几乎所有生物体内。大多数ABC 转运蛋白最初是通过研究真核生物体耐药性（多效耐药和多药耐药）而被发现的。目前针对ABC转运蛋白在细菌致病性中所发挥作用也有广泛的研究。本文综述了ABC 转运蛋白的结构、转运机制和ABC转运蛋白在细菌致病性过程中的作用,讨论了深入研究ABC转运蛋白作用机制对细菌性疾病防治的意义及存在问题。ABC转运蛋白相关的细胞表面或分泌因子很可能是抗菌疗法或疫苗开发的作用靶点,为细菌性疾病的预防提供了新的思路。
单细胞转录组测序是一种在单细胞水平上研究基因表达的技术。多孔板法和液滴法是目前应用于植物研究的两类主要的单细胞转录组技术。首先概述了植物单细胞转录组测序的技术原理和数据分析流程,然后介绍了植物单细胞转录组的研究进展,重点阐述了单细胞转录组测序技术在鉴定植物细胞类型、揭示细胞演化轨迹和构建细胞间调控网络中的应用。单细胞转录组测序技术可为植物领域的研究提供新视角,有助于识别和理解复杂组织中关键的细胞生物学过程。
合成生物学是一门新兴交叉前沿科学，在生命科学、能源科技、医疗健康、材料化工和农业科技等领域具有广阔的应用前景，研究其发展现状对政府部门、科学界和产业界协同推进合成生物学发展具有重要意义。本文对全球合成生物学政策、科研和产业现状进行了系统梳理，结合我国合成生物学发展现状及存在问题，提出我国合成生物学发展的策略建议。研究表明，（1）合成生物学进入了全球共识、合作与竞争的快速发展时期，各国通过自上而下的研发体系助力合成生物学的科学研究和应用创新，产生了许多具有领域特征的新技术和新应用。（2）我国正加速完善合成生物学顶层设计，领域内也取得了系列原始发现和创新成果，但仍存在中长期发展规划滞后、科研创新能力不足、应用研发主体错位和产业应用场景拓展局限等问题。（3）建议从加强宏观政策引领、构建高效研究体系、培育优质产业主体和拓展成果应用场景等层面推动我国合成生物学发展。
四引物扩增受阻突变体系PCR（Tetra-primer amplification refractory mutation system PCR,Tetra-primer ARMS PCR）技术是一种在普通PCR基础上发展起来的单核苷酸多态性（SNP）分型技术。该项技术综合了扩增受阻突变体系（Amplification refractory mutation system,ARMS）和四引物PCR（tetra-primer PCR）技术的优点,是对等位基因特异性PCR法的改良。它具有操作简便、分型快速、费用低廉等特点,在国内外生命科学领域尤其是遗传育种领域的应用越来越广泛。本文介绍了四引物扩增受阻突变体系PCR的技术原理及优势、结果检测手段和反应体系改进方法,并在此基础上对该技术在遗传育种研究中的应用进行综述。
获得包含基因组全序列的参考基因组是对物种进行基因组学研究和利用的前提。大多数被子植物经历过全基因组复制或多倍化以及随后的染色体重排、丢失,很多植物还经历过重复序列大规模扩张,导致了基因组大小的剧烈膨胀,这些事件塑造了植物基因组复杂的特征和广泛的多样性,也在一定程度上导致了植物基因组组装的诸多难题。本文将植物基因组按照简单、高杂合、高重复、高倍性基因组和泛基因组进行分类,介绍不同类型的基因组适用的组装策略及应用效果,并对新测序技术在组装中的应用趋势进行展望。
基于质谱技术的代谢组学分析,已广泛用于不同生物样本中小分子代谢物的定性、定量研究,以揭示细胞在受到外源性刺激后发生的内源性代谢变化。由于生物样本成分复杂,所含的代谢物极性跨越大,覆盖范围从水溶性到脂溶性,从而需要多种前处理提取方法和与之匹配的不同色谱质谱条件,来准确获取目标成分的定性、定量信息。因此,小分子代谢物结构与理化性质的多样性,在一定程度上制约了生物样本中整体代谢轮廓信息的高通量获取。重点介绍并讨论不同类型代谢物的前处理提取方法研究进展,以及相应代谢物的液相色谱质谱分析条件。
制定耐药判定标准的意义在于对药敏试验结果进行解释,以选择合适的药物和最佳的给药方案对动物进行治疗,是控制耐药性产生的重要手段。目前许多发达国家都成立了制定耐药判定标准的机构,其中最具影响力和权威的是美国临床和实验室标准协会以及欧盟药敏试验标准委员会两大机构。中国耐药性监测的研究起步较晚,主要借鉴美国临床和实验室标准协会所设立的耐药判定标准。2017年,在欧洲临床微生物和感染病学会和欧洲药敏试验委员会的支持下中国成立了华人药物敏感性试验委员会。近年来,在中国兽医药品监察所的带领下,各研究机构人员在耐药判定标准及耐药性监测方面也取得了突破性的进展,为控制中国抗菌药物耐药性的发展奠定了坚实的基础。本文首先介绍了耐药判定标准的定义和意义,为微生物研究者提供基本的理解;然后分别综述美国临床和实验室标准协会与欧盟药敏试验标准委员会的基本情况,并比较两者在兽用抗菌药物耐药判定标准制定上的差异;最后对中国兽用抗菌药物耐药性监测和耐药判定标准制定方面的成果进行分析总结。总体来说,中国在兽用抗菌药物耐药性控制方面处于稳步增长状态,已经制定的许多耐药判定标准对控制耐药性的发展具有重要意义。但仍有许多兽用抗菌药物缺乏相应的耐药判定标准,需要更多的研究者在未来找到更加快速、简便和准确的方法,不断填补、更新兽用抗菌药物的耐药判定标准。
近年来,CRISPR-Cas9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）基因编辑系统已经成功应用于多种微生物中。由于CRISPR-Cas9系统仅受PAM（protospacer adjacent motif）位点NGG的限制,因此理论上CRISPR-Cas9系统可以编辑基因组中任何含NGG的位点或基因,但研究发现该系统对影响微生物生长及代谢的关键靶基因改造时会出现效率降低,甚至是无法获得突变株的现象。前期已有大量研究报道了降低CRISPR-Cas9系统脱靶效应的策略,但依然未能有效解决编辑效率降低的问题。因此,本研究通过使用不同拷贝数的质粒调节Cas9、gRNA的表达和同源臂浓度使其协同发挥基因编辑功能,建立了更加高效的双质粒CRISPR-Cas9系统。试验结果表明,该系统对大肠杆菌pfkA（6-phosphofructokinase isozyme 1）、pfkB（6-phosphofructokinase isozyme 2）、zwf（glucose-6-phosphate 1-dehydrogenase）单基因敲除最高效率达到100%;在nagABE基因簇位点通过替换引入甘油激酶基因glpK（glycerol kinase）的效率为10%。相比于单质粒CRISPR-Cas9系统,优化的双质粒系统成功进行了pfkB基因的敲除及glpK基因的整合,且将pfkA、zwf基因的敲除效率分别提升了31%和63%。突变株与野生株之间碳源代谢的差异进一步表明基因敲除效率与基因特殊活性相关。结果证明,过量的靶基因同源臂和gRNA的过表达可以有效提升CRISPR-Cas9系统在大肠杆菌中的编辑效率。
近年随着持续而又复杂环境的改变,自然界中生物和非生物胁迫频繁爆发,多种逆境胁迫严重影响了植物的正常生长和发育,尤其是农作物产量。逆境胁迫下植物体内代谢物的重塑是其基因与环境因素共同作用的结果,是植物体生理表型与体内生化水平的直接体现,逆境胁迫下代谢组的重塑很大程度上反映了植物体对逆境胁迫的响应和防御。代谢组学的兴起,为研究植物体内不同组织及其在不同逆境胁迫下代谢物的重塑提供了可靠的研究手段,同时代谢组与基因组、转录组、蛋白组以及表型组的整合,尤其是代谢组与基因组整合形成的代谢组-基因组关联分析在揭示植物响应及适应逆境胁迫的遗传基础、提高农作物产量以及培育耐受逆境胁迫品种等方面具有重要作用。本文综述了逆境胁迫下植物代谢组学的研究方法、逆境胁迫下植物代谢组重塑的多样性以及逆境胁迫下植物代谢组的遗传基础研究进展,并展望了应用代谢组学研究植物逆境生物学的应用前景和局限性。
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是目前广泛使用的塑料之一,其废弃物污染已成为全球性的环境问题之一。PET水解酶可在较温和条件下将PET水解为单体对苯二甲酸和乙二醇,利用酶法降解PET为解决“白色污染”问题提供了一种比较环保的可能性。主要从三维结构,催化机制及降解能力这3方面对4种PET水解酶：角质酶、PETase、脂肪酶及MHETase进行梳理总结,重点阐述了角质酶和PETase的分子改造进展,并对实现PET废弃物高效酶法降解的关键科学问题进行了展望,以期为开发更加高效的PET水解酶提供参考依据。
MYB是真核生物体内最大的转录因子家族之一,其成员在植物的生长发育、次生物质代谢、生物及非生物胁迫应答等多种生理过程中发挥重要作用。MYB基于特定的功能域与靶基因相互识别,对相关基因的表达进行调控,从而影响植物的发育及代谢过程。目前,MYB类转录因子家族部分成员的功能已经得到解析,涉及次生代谢、生物及非生物胁迫中的功能及表达调控等方面,本文基于以上研究进展进行综述,为MYB类转录因子的深入研究提供借鉴。
单细胞RNA测序（Single cell RNA sequencing,scRNA-Seq）已经广泛应用于细胞分化、肿瘤微环境及多种疾病病因学研究。目前,由于scRNA-Seq具有低捕获率、高噪声、高变异性等特点,通过优化数据分析方法提高测序结果准确性已经成为测序领域的研究热点。对近年来数据分析过程中利用的数学方法进行了总结,讨论了数据分析的优势及存在的问题,以期为新算法的开发和应用提供参考,逐步提高测序结果的可靠性。
基因编辑技术是指对目标基因进行“编辑”,实现对特定基因片段的删除、插入和替换的一项技术。如今该技术已经被广泛应用于细菌、真菌、动物和植物等领域,其中成簇的规律间隔的短回文重复序列及其相关系统（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated proteins,CRISPR/Cas system）作为第三代编辑技术,其效用远超于前两代并因此在近年来迅猛发展。简要介绍了锌指核酸酶（Zinc-finger nucleases,ZFNs）、转录激活子样效应因子核酸酶（Transcription activator-like effectors nucleases,TALEN）和CRISPR/Cas共3种基因组编辑技术的作用机理,并总结CRISPR/Cas系统的功能、局限性以及其在作物育种上的应用,最后对基因编辑作物的未来进行展望。
随着人民生活水平的提高,在追求水稻高产的同时,优质已成为育种家的育种目标和消费者的关注重点。水稻品质包含碾磨品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质四类指标,本文从水稻品质的遗传与改良两方面展开论述,回顾了水稻品质的遗传与育种改良研究进展,介绍了已克隆的稻米品质相关基因或QTL的功能及其在稻米品质改良中的应用。最后,在此基础上分析了现阶段水稻品质的遗传与改良存在的问题并对未来研究方向作了展望。
土地盐碱化是导致作物产量降低的重要影响因素之一。在盐胁迫下,植物进化出一系列应对盐胁迫的策略,其中,离子转运蛋白在植物应对盐胁迫的过程中发挥着举足轻重的作用。HKT1转运蛋白是一类具有转运Na+功能的离子转运蛋白,主要定位在维管束组织附近,广泛存在于单子叶植物和双子叶植物中,参与植物体内Na+的长距离运输,调节植物中Na+浓度,有助于维持植物体内的离子平衡。分别讨论了不同植物中HKT1蛋白的功能以及相应的调控过程,总结了HKT1参与Na+长距离运输的作用模型。通过综合近年来对HKT1的研究,合理运用分子育种等手段,以期为增加农作物的耐盐胁迫能力,提高农作物的质量和产量奠定理论基础。
微生物能够产生多种具有生物活性的天然次级代谢产物,这些次级代谢产物在医疗、农业和食品领域有着广阔的应用前景。分子生物学、生物信息学和测序技术的发展为次级代谢产物的挖掘奠定了理论基础,并提供了作工具。近年来,对微生物次级代谢产物的研究越来越多。传统的方法已经难以得到令人满意的结果,对微生物进行分子水平的操作将会是新的方向,如对次级代谢产物生物合成基因簇的调控。综述了新发现的次级代谢产物、提高次级代谢产物产量的策略,通过运用次级代谢产物生物合成基因簇异源表达、核糖体工程、表观遗传调控、代谢调控以及调控转录翻译水平等方法,挖掘新的次级代谢产物、提高次级代谢产物产量,旨在为新药的挖掘提供了突破点。
褪黑素是一种在生物体内广泛存在的吲哚胺类化合物,参与植物的多种生理和生化过程。近年来研究认为褪黑素可以不同程度地增强植物的抗逆性,但对其作用机理仍知之甚少。通过两种褪黑素的施用方法,详细研究了褪黑素对于玉米根系发育和抗旱性的影响。首先,采用水培根灌褪黑素的方法对玉米幼苗的根系和生长状况进行分析,结果表明施加褪黑素显著提高多种玉米幼苗根系参数,包括根长、根表面积、根体积和侧根数目等。其次,采用盆栽浸种褪黑素的方法,对叶片相对含水量、光合作用、抗氧化酶活性、地上部分生物量等进行测定,结果表明在干旱胁迫条件下,褪黑素浸泡种子的处理方式能够提高植株的光合速率、气孔导度和蒸腾速率,增强抗氧化酶活性以及降低活性氧和丙二醛含量,证明褪黑素促进植物根系发育,减轻氧化损伤,缓解光合抑制,改善植物水分状况,从而提高植物抗旱性。
ERF家族是植物所特有的APETALA2 / 乙烯响应因子（APETALA2 / ethylene-responsive factor,AP2 / ERF）转录因子家族的一个主要亚家族,其成员结构特点是仅含有 1个58-60 个氨基酸组成的AP2 / ERF结构域。有关该家族成员的大多数研究集中在与寒、旱等非生物胁迫方面,最近越来越多的研究表明ERF在植物抵御病虫侵害等生物胁迫方面也发挥着重要作用。ERF亚家族成员通过结合下游互作基因启动子区域的GCC box元件,从而激活或抑制这些病程相关基因的表达。同时ERFs参与水杨酸（salicylic acid,SA）、茉莉酸（jasmonic acid,JA）、乙烯（ethylene,ET）及过氧化氢（H2O2）等多种激素的信号途径,通过相互促进/拮抗高效协调体内不同激素抵御病原菌的入侵,提高植物的抗病、抗虫性。本文综述了ERF 转录因子的结构功能特点、在不同植物抗生物胁迫中的调控方式,以及其通过协调不同激素信号途径相互作用来提高植物抗病虫的最新研究进展,并对其应用前景进行了展望。
