生物技术通报

水稻泛基因组学的发展与前景：重要工具与应用

贺文闯, 许强, 钱前, 商连光

2024, 40(10): 1-10. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0669

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与单个基因组不同，泛基因组一般是指包含一个物种或群体中全部基因组信息的数据集。近十年来，泛基因组学在水稻中已逐步成为研究热点，相关泛基因组成果和工具已在群体遗传学、进化生物学和生物育种实践等多个下游研究领域中获得广泛应用。本文聚焦于水稻泛基因组学的发展历程与应用前景，回顾了水稻泛基因组学的内涵发展和研究成果的时间线，总结了现有的水稻泛基因组代表性重要成果工具及其在多个领域中的主要应用，展望了其面临的挑战和发展前景。

基因组学研究助力马铃薯育种方式的变革

张春芝, 周倩, 吴瑶瑶, 尚轶, 黄三文

2024, 40(10): 11-18. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0695

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马铃薯是全球最重要的非谷物类粮食作物。杂交马铃薯育种，即将马铃薯由四倍体无性繁殖作物改造成二倍体种子作物，已经成为马铃薯领域的研究热点。过去十多年来，以二倍体为主要研究对象的马铃薯基因组学快速发展，进一步促进了马铃薯育种技术的变革。本文系统梳理了马铃薯基因组学发展的历程，以及基因组学研究如何助力解决杂交马铃薯育种的两个难题——自交不亲和与自交衰退，并推动马铃薯基因组设计育种体系的构建，使马铃薯育种迈向4.0时代。

RNA结构对RNA沉默效率的影响

赵建华, 高峰, 刘清艳, 郭惠珊

2024, 40(10): 19-29. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0857

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小RNA（small RNA，sRNA）介导的RNA沉默或RNA干扰（RNA silencing or RNA interference，RNAi）是真核生物基因表达调控的保守机制。内源或外源双链RNA（double-stranded RNA，dsRNA）被加工成sRNA，sRNA通过碱基互补配对识别靶标基因mRNA或DNA，通过降解mRNA、抑制翻译或者DNA甲基化在转录后或者转录水平调控基因表达。由于sRNA作用靶标特异性，RNAi技术被广泛地应用于基因功能研究、生物医药、作物分子设计育种以及开发新型农药等领域。自然界中sRNA能够在不同物种间传递并发挥作用，这一现象为RNAi应用技术的开发提供了理论基础。研究发现，dsRNA诱导RNAi的效率受多种因素影响，例如长度、剂量以及施用方式等。在细胞中，RNA结构的复杂性决定了其功能的多样性。本文概述了基于RNAi的作物病害防控技术的原理，包括宿主诱导的基因沉默（host-induced gene silencing，HIGS）技术、喷施诱导的基因沉默（spray-induced gene silencing，SIGS）技术和微生物诱导的基因沉默（microbe-induced gene silencing，MIGS）技术；总结了靶标RNA和sRNA结构影响RNAi效率的实验证据，以期加深对RNA结构影响RNAi效率地理解，为靶标筛选以及dsRNA设计提供经验，为开发高效RNAi技术提供参考；最后归纳了RNA结构检测和预测的代表性方法，为辅助设计高效诱导RNAi的dsRNA提供方法。

季节性因素调控小麦开花时间的分子与表观遗传机制

牛德, 何跃辉

2024, 40(10): 30-40. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0959

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小麦（Triticum aestivum, AABBDD）是全球范围内重要的粮食作物之一，也是我国仅次于水稻的第二大粮食作物。小麦的广适性和生态类型多样性与其开花时间密切相关，而开花时间也是决定小麦产量及品质的一个重要的农艺性状。冬季的持续低温和春夏的长日照是确保冬小麦适时开花结实的两个关键季节性因素，小麦分别通过春化作用路径和光周期调控路径来感知并响应这两种环境信号，从而适时开花结实。本文分别对小麦春化途径和光周期调控途径进行了概述，对目前研究不足进行了分析，并对今后的研究方向进行了展望。

植物线粒体基因组编辑研究进展

张硕, 阚俊虎, 周家伟, 武志强

2024, 40(10): 41-52. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0638

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线粒体是真核生物细胞内的半自主细胞器，具有自身的基因组（mtDNA），在生命活动中扮演重要角色。人类mtDNA突变与多种遗传疾病相关，而在植物中mtDNA高频重组产生的ORF基因常常与植株雄性不育表型相关。随着基因编辑技术的迅速发展，mtDNA编辑技术为研究和治疗线粒体疾病提供了有力工具。得益于mtDNA编辑工具的丰富，线粒体编辑技术也被广泛应用于植物线粒体基因组功能基因以及未知序列的研究中。相较于核基因组编辑，针对mtDNA编辑仍然面临一些限制因素。本文总结了mtDNA编辑技术的发展和研究现状，以及在植物领域利用这些编辑技术对mtDNA进行的研究进展，展望了在植物线粒体研究中的mtDNA编辑技术潜在优化思路以及应用潜力。

基于启动子编辑的作物育种

张洁萍, 关跃峰

2024, 40(10): 53-61. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0787

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为了应对人类对粮食的需求，基于重要基因编码区编辑以产生有利性状的研究不计其数。转录调控是控制基因表达的关键，包括作物重要的农艺性状的控制。顺式作用元件和反式作用因子之间的相互作用决定基因的时空表达模式和表达水平，重要的元件包括转录因子结合位点、增强子等在这个过程中发挥重要作用。其中启动子作为最大且最重要的顺式作用元件，对其进行改造从而改变相关基因的表达模式来创造作物有利性状是不同于编码区编辑育种的有效策略。目前，启动子编辑策略有两种应用的方式。其一是定向改造以生成确定的有利性状，其二是在特定的启动子区域内随机产生新的等位基因，根据表型进行选择，同时也产生新的变异资源。本文主要讨论了启动子编辑在作物中的应用，包括提高产量、改善品质以及增强对生物和非生物胁迫的耐受性，旨在关注农作物精准育种最新前沿，为启动子基因编辑技术的开发与应用提供研究思路和理论借鉴。

谷氨酸受体蛋白调控植物生长与胁迫应答的研究进展

陈梦娇, 李洋洋, 邬倩

2024, 40(10): 62-75. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0620

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植物谷氨酸受体（glutamate receptor-like, GLRs）是动物离子型谷氨酸受体（inotropic glutamate receptors, iGluRs）的同源蛋白，在开花植物中具有多个拷贝，常以功能冗余的基因家族形式共同调节植物生长发育和逆境应答过程。GLRs在植物中发挥作用的机制与其动物同源蛋白既有类似之处，但又表现出植物特异性。iGluRs在哺乳动物的神经系统中发挥重要作用。在iGluRs介导的神经传导中，由突触前膜释放的神经递质识别并结合突触后膜的iGluRs，iGluRs介导的阳离子内流引起突触后膜的去极化，形成动作电位的传递，构成神经传导的基础。过去20多年的研究发现，植物GLRs也可以作为离子通道蛋白，通过调节跨膜离子流行使功能。本文系统综述了植物谷氨酸受体的蛋白结构和演化特征，并对已报道的重要功能位点进行阐释；总结了近些年来对植物谷氨酸受体蛋白在植物生长发育不同时期，以及多种生物和非生物逆境应答中的功能的研究进展，并比较了其与动物iGluRs作用机制的异同；提出并梳理了该领域仍待解决的重要科学问题；最后展望了该蛋白家族在作物耐逆育种中的重要应用前景和价值，以期为改良作物耐逆性状提供线索。

基于质谱的未知次生代谢物结构解析研究进展与展望

纪宏超, 李正艳

2024, 40(10): 76-85. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0523

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次生代谢产物研究对于植物生长发育、环境适应以及人类健康和药物研发具有重要意义。液相色谱-质谱联用平台（LC-MS）已成为次生代谢研究的首选策略。然而，代谢物结构解析仍受限于标准谱图库覆盖度不足的问题。由于代谢物结构数据库的覆盖度远高于标准谱图库的覆盖度，通过人工智能方法建立代谢物结构与谱图之间的关联，从而实现基于质谱谱图搜索结构数据库是解决这一问题的有效途径。论文综述了通过深度学习技术和生物信息学方法建立代谢物结构与谱图之间联系的三种策略，包括通过结构预测谱图、通过谱图预测结构和通过已知推测未知，并介绍了每种策略解决问题的思路和代表方法。对于每种策略，论文讨论了其算法的优势和不足，以及在实际应用中可能遇到的挑战。此外，还探讨了在开发新算法和进行基准测试时应注意的因素，以及这些因素如何影响对算法的评估。最后，指出了融合更多正交信息是实现更加准确的代谢物注释的未来方向。

微生物-生物炭协同修复农业环境中的多元污染物

李冲, 杨亚楠, 王翠霞, 郑海鑫

2024, 40(10): 86-97. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0691

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农业环境污染对我国粮食生产构成了重大挑战，对其开展有效治理已刻不容缓。基于微生物的农业环境污染修复技术效率高、成本低，且不造成二次污染，是当前研究的热点。微生物耦合生物炭可进一步提高其消减环境污染物的效率，且取得了一定的效果。在此背景下，本文首先综述了功能微生物在修复环境污染物中的作用及生物炭负载微生物在当前环境修复中的应用现状，然后讨论了生物炭负载微生物技术在修复效率与资源利用方面的优势与面临的挑战。在此基础上，本文结合当前技术的发展提出微生物与生物炭协同修复技术可深入研究的方向，为了解相关修复技术的有效性及安全性提供依据。

微生物组分析方法与功能挖掘

高云云, 杨海飞, 吕虎杰, 刘永鑫

2024, 40(10): 98-107. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0788

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微生物是生命科学研究中不可或缺的重要资源，其研究对推动科学进步、促进人类健康和改善环境质量等具有重要意义。随着二、三代高通量测序技术的迅猛发展，我们对微生物世界的认知得到了极大提升，在面对大量的微生物组数据时，选择适当的分析方法以实现快速、准确的信息挖掘显得尤为关键。本文对近年来微生物组研究的进展进行了系统的回顾与分析，着重更新了扩增子、培养组和宏基因组等二代短读序宏基因组数据的分析工具，纳入了三代长读序宏基因数据的处理方案，并提出了标准化数据分析流程的必要性。此外，本文结合解析微生物组的实例案例，侧重介绍其在植物与根系微生物互作、微生物多样性等方面的应用实例，探讨了不同方法在微生物组构成、结构和功能分析中的优劣，展示了宏基因组数据挖掘在应用方面的潜力，以期拓宽宏基因组数据挖掘的研究思路。最后，本文指出了当前微生物组研究中的不足和面临的挑战，并展望了未来微生物组研究技术的标准化与流程化方面的发展趋势，以期加速微生物组的功能与应用的研究进程。

RNA甲基化与乙酰化修饰在植物生长发育过程中的研究进展

张严妍, 路笃贤, 左新秀, 李岩竣, 林金星, 崔亚宁

2024, 40(10): 108-121. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0327

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RNA修饰是一类重要的表观遗传修饰，它是指在RNA分子的碱基或核糖上添加化学修饰基团。RNA甲基化和乙酰化是其中两种关键的修饰类型，它们通过调控生物的遗传信息来行使重要的生物功能。这两种修饰均是由writers（编码器）、erasers（消码器）和readers（解码器）三类调控因子进行动态可逆的调控，对RNA剪接、转运、翻译、运输和降解等代谢过程产生至关重要影响。近年来，随着RNA修饰检测技术的发展，研究者在植物中发现了一些新的RNA修饰位点，并证实了RNA的甲基化和乙酰化修饰在植物的生长发育以及应对生物和非生物胁迫方面起着关键的作用。本文首先概述了RNA修饰的类型及其生物学特性，并在此基础上重点回顾了近年来关于RNA甲基化和乙酰化调控因子的研究进展，最后总结了RNA甲基化和乙酰化在植物生长发育和应对胁迫过程中的功能，并展望了RNA修饰在植物中的一些新的研究方向，以期为进一步开展植物中的RNA甲基化和乙酰化修饰相关研究提供理论依据和新思路。

植物响应盐碱胁迫的分子机制研究进展

冯凯月, 赵鑫焱, 李子妍, 邱江明, 曹一博

2024, 40(10): 122-138. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0410

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土壤盐碱化是制约全球农业发展的主要环境因素之一。培育耐盐碱作物是应对土壤盐碱化的根本措施，但目前仍面临基因、种质资源匮乏等挑战。挖掘耐盐碱新基因，阐明植物耐盐碱应答的分子机制对培育耐盐碱作物至关重要。盐碱胁迫包括中性盐胁迫和碱性盐胁迫，中性盐胁迫会产生渗透胁迫，Na⁺、Cl^-积累过量还会导致离子毒害，引起氧化胁迫等一系列次生胁迫。与中性盐胁迫相比，碱性盐胁迫还会引起高pH胁迫。论文综述了盐碱胁迫对植物生长发育的影响，总结了近十年植物耐盐碱应答机制的重要研究进展。包括植物对盐胁迫的感知与信号转导，以及植物响应中性盐胁迫和碱性盐胁迫引起的渗透胁迫、离子毒害、氧化胁迫、碳酸氢盐和碳酸盐胁迫、高pH胁迫的分子机制。在此基础上，还讨论了耐盐碱基因在作物育种方面的应用，并提出了提高植物耐盐碱性需要进一步研究的关键科学问题。旨在加深对植物响应盐碱胁迫分子机制的认识，为培育高产、优质的耐盐碱品种及提升盐碱地可开发利用率提供理论基础。

蛋白的翻译后修饰调控植物囊泡转运的研究进展

耿若涵, 王炳贺, 徐昌文, 钱虹萍, 林金星, 崔亚宁

2024, 40(10): 139-148. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0484

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蛋白质翻译后修饰是蛋白质合成后经历的一系列化学修饰过程，这些修饰能够显著影响蛋白质的结构、定位、稳定性和功能。在细胞生物学中，蛋白质翻译后修饰在几乎所有的细胞信号通路和调控网络中扮演着至关重要的角色，尤其是在囊泡转运这一细胞内物质运输的关键过程中，蛋白质翻译后修饰对于蛋白质的运输调控和信号传导具有决定性的影响。囊泡转运是指细胞内物质通过囊泡从一处运输到另一处的过程，这一过程涉及多个步骤，包括囊泡的形成、运输、融合等。在这个过程中，蛋白质的正确修饰和定位对于囊泡的形成和运输方向至关重要。本文首先介绍了几种重要的蛋白翻译后修饰的作用及分类，随后，系统地总结了蛋白质翻译后修饰在囊泡转运中的研究进展，为揭示细胞内囊泡转运的分子机制、深入研究膜蛋白生物学功能提供重要参考。未来，应进一步探索蛋白质翻译后修饰在植物囊泡转运中的具体机制，以及这些机制如何影响植物的生长发育和环境适应性。这一研究将为植物遗传改良和抗逆境育种提供新的策略和方法，有助于提高作物的产量和品质，增强植物对环境变化的适应能力。总之，通过深入研究这一领域，不仅有助于我们揭示植物细胞中特定蛋白质修饰的基本原理，还可能为改良作物性状和提高植物抗逆境能力提供新的策略。

蔬菜嫁接砧穗互作分子机制研究进展

王凤婷, 赵福顺, 乔凯彬, 徐珣, 刘金亮

2024, 40(10): 149-159. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0284

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嫁接技术是园艺作物增产、改良品质和增强抗逆性最经济有效的手段之一，其应用范围仍在不断扩大。除了要求嫁接技术不断提高外，还需进一步探索嫁接亲和性与砧穗互作的机制。嫁接成活包括一系列的生理、生化过程，嫁接激活、激素通路或参与维管束形成相关基因都有可能参与嫁接组织的再生重建，明确其调控机制具有重要意义。嫁接是砧木/接穗相互识别与作用的过程，砧穗间长距离信号传导是理解嫁接生理的基础。不同基因型的砧木/接穗嫁接组合，嫁接植株在生长发育、表型、产量及胁迫抗性方面表现不同。本文就蔬菜嫁接砧穗互作分子机制的研究进展进行综述，如嫁接成活、砧穗间遗传信号传递、嫁接与表观遗传变化及嫁接与基因表达，以期为深入研究蔬菜嫁接分子机制提供理论参考，为砧木选择和蔬菜种质材料创新提供指导。

细胞编程技术：助力高效细胞工厂的设计

琚康辉, 田晓雅, 王立, 陈晶瑜

2024, 40(10): 160-171. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-1227

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合成生物学是近年来蓬勃发展的一门涉及分子生物学、生物工程、微生物学、系统生物学等多个学科新型交叉学科，旨在利用生物学原理和工程方法创造全新的生物学系统和生物产品。合成生物学的发展也受到了高效“细胞工厂”理念的推动，这使得生物工程技术朝着工业化应用的方向迈出了重要一步。然而，受制于生产效率低、遗传不稳定、调控过程难等问题，如何获得转化效率高、鲁棒性强的“细胞工厂”仍然是合成生物学领域面临的重要任务。近年来，细胞工程和基因工程领域发展迅速，新型细胞元件、细胞底盘以及基因回路构造方式等技术逐渐成熟，其通过精确的基因编辑和调控，可实现对细胞的特定功能进行编程，例如增强细胞的代谢能力、改变细胞的分化路径以及设计新的细胞功能模块等，具有广泛的应用前景。本文从新型细胞元件、底盘细胞以及基因回路构造方式等角度，综述了近年来在细胞工程和基因工程领域发展迅速的细胞编程技术，这些技术的进步已经或者将要用于合成生物学的发展中，将会赋予工程菌更加强大的工作能力。

mitoTALENs植物线粒体基因编辑载体的构建方法

周家伟, 武志强

2024, 40(10): 172-180. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0657

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【目的】mitoTALENs植物线粒体基因编辑技术能够高效地实现线粒体基因的敲除，进而有效实现线粒体基因功能的研究，但mitoTALENs载体构建过程非常的繁琐复杂且目前仍没有较为系统完整的载体构建方法作为参考。为解决这个问题，结合前人已发表的及本实验室摸索出的方法对mitoTALENs载体构建的完整过程进行了详尽描述，为之后利用mitoTALENs技术进行植物线粒体基因功能研究的研究者们提供重要参考。【方法】以水稻线粒体WA352基因作为目的基因，利用其序列特异性区域设计了靶点TAL，首先采用Platinum gate TALEN assembly的两步组装技术分别构建了mitoTALENs的TALEN-left和TALEN-right载体，然后利用multisite LR反应将TALEN-left、TALEN-right及含有其他功能元件的进入载体和目的载体进行反应，生成最终的表达载体。【结果】第一步组装构建10个载体，第二步组装构建2个载体，最后通过multisite LR反应构建1个终表达载体。【结论】详细介绍了mitoTALENs载体的构建过程，为该技术使用者提供重要参考，以促进植物线粒体基因编辑研究领域的发展。

基于R-loop靶向编辑技术的R-loop功能位点高通量筛选系统

皮一飞, 宋新辉, 王淅琳, 李谨谨, 孙长斌, 徐炜

2024, 40(10): 181-190. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0613

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【目的】开发哺乳动物细胞R-loop靶向编辑技术，探究其在肿瘤细胞耐药性研究中的应用。【方法】构建无酶切活性的Cas9与具有R-loop水解活性的RNase H1融合蛋白dCas9-RNaseH1表达载体，用于实现对R-loop的靶向编辑。在HeLa细胞中稳定表达该融合蛋白，建立R-loop靶向编辑细胞模型。转染覆盖全基因组转录起始区域的sgRNA文库，构建R-loop筛选细胞库，筛选影响紫杉醇和顺铂耐药性的R-loop功能位点。【结果】筛选获得744个影响HeLa细胞耐药性的R-loop功能位点，覆盖了细胞周期、凋亡、信号传导等关键生物通路。其中，26个位点使HeLa细胞对这两种药物产生耐药性，8个位点使其对这两种药物敏感，提示可能存在共享的生物通路。功能验证显示，部分R-loop功能位点通过调节相关基因（如ZBTB20、SPON2、ACTRT1等）的表达来影响HeLa细胞对抗肿瘤药物的敏感性。【结论】成功开发出适用于哺乳动物细胞的R-loop靶向编辑系统，并建立高通量筛选平台。

高保真CRISPR/Cas9系统在家禽细胞中的编辑特性研究

焦丹荣, 马梦雪, 何柏水, 谢龙, 左二伟

2024, 40(10): 191-197. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0673

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【目的】高保真编辑器有望大范围降低传统CRISPR/Cas9系统在家禽基因编辑过程中发生的脱靶效应（off-target），但是其在家禽的应用目前仍然缺乏数据支持。为了评估高保真编辑器在家禽细胞中靶向（on-target）的编辑效果与脱靶特性，从而对家禽的分子遗传育种和种质资源利用提供有效参考。【方法】选取5种目前已被报道且具有较高精确性的高保真Cas9变体，分别与设计的sgRNA共同对鸡的DF-1细胞进行转染，收集阳性细胞进行基因测序，并对不同的高保真编辑器进行编辑效率与脱靶效应的平行对比。【结果】在针对禽流感抗性相关基因ANP32B和生殖相关基因DAZL的多个sgRNA测试中，eCas9维持较高的编辑活性的同时表现出了较低的脱靶效应。同时，在检测的多种高保真变体中，SuperFiCas9具有最低脱靶效应，但是在家禽DF-1细胞的基因编辑中会发生明显的编辑效率下降。【结论】多种高保真编辑器在家禽细胞内均展现编辑活性，其中eCas9编辑器具有高效、低脱靶的特性，可作为鸡重要经济性状的遗传改良和分子育种工作的优选高保真编辑工具。

木质素单体跨膜转运的技术研究进展

毛馨艺, 兰芸, 张准, 张叶卓, 金琪, 赵美棋, 曾子柽, 李晔

2024, 40(10): 198-207. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0312

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木质素（lignin）作为一种重要的可再生资源，主要集中在植物的次生细胞壁中，在植物的营养物质运输、机械支持和病原体防御等生理过程中发挥着关键作用。木质素的形成过程包括3个主要环节：单体的胞内合成、跨膜转运以及胞外聚合。深入探究木质素单体跨膜转运的分子机制，对揭示细胞壁形成分子机制及木材改良具有重要意义。基于此，本综述从转录组学、基因工程、点击化学、荧光显微成像、分子模拟等技术角度，对木质素单体跨膜转运的相关进展和最新技术进行了梳理和总结，阐述了木质素单体跨膜转运相关研究的新技术和存在的技术瓶颈，并对比分析了不同技术之间的优缺点，最后提出了木质素单体跨膜转运机制研究中仍存在的问题和面临的挑战。相信随着成像技术、结构生物学、人工智能等科技的飞速发展，将为进一步阐明木质素单体跨膜转运的分子机理提供有效的技术手段。期望本综述为木质素单体的相关研究提供新的思路和方法。

组学技术在生防芽胞杆菌的应用进展

许沛冬, 易剑锋, 陈迪, 陈浩, 谢丙炎, 赵文军

2024, 40(10): 208-220. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0498

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芽胞杆菌（Bacillus spp.）是全世界应用最广泛的生防微生物菌种资源之一，在基因组学成为普遍性基础学科的时代，转录组、蛋白质组、代谢组等多组学技术的联用成为深入揭示芽胞杆菌生物学特性和生防机制研究的重要手段。目前NCBI数据库共计发布了10 813个芽胞杆菌全基因组序列，其中装配注释完整的共1 842个，占总数量的17.04%。对芽胞杆菌基因组与比较基因组的分析发现，次级代谢产物基因簇是芽胞杆菌基因组中最具有保守性，又具有特异性的部分，它们既是天然产物的重要来源，也在细菌间以及细菌与环境的相互作用和生命周期中扮演着重要角色。截至目前，对于芽胞杆菌的相关研究，多采取整合组学模式和生物信息学计算方法，聚焦于芽胞杆菌的抗性形成、生物膜形成、定殖、促生、诱导植物抗逆性等机制。随着研究的不断深入，芽胞杆菌生防过程中的基因调控机制、蛋白质表达和代谢途径将进一步解析，这将有助于发现新的生防活性物质和优化生防策略。本文综述了转录组、蛋白质组、代谢组等多组学技术在芽胞杆菌上的研究进展，以期为芽胞杆菌生防作用机制的解析以及生防菌株改良的深入研究提供参考。

环境病原微生物研究数据库及数据挖掘方法

王尚, 冯凯, 李曈, 王洁, 顾松松, 杨兴盛, 李春格, 邓晔

2024, 40(10): 221-232. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0402

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环境生物安全与社会稳定、人类健康及国防安全等多个关键领域密切相关。鉴于气候变化以及人类活动对生态系统不断加大的压力，未知病原体从环境中溢出的风险显著增加。当前的研究方法多集中于已知病原体的检测与分析，然而，组学技术及其相关生物信息学技术的快速发展与应用，为识别未知环境病原体及预警潜在的环境健康风险提供了新的机遇与解决方案。这些技术的发展不仅促进了对微生物与动物、人类以及环境之间相互作用关系的理解，更是实现“同一健康（One Health）”理念的重要组成部分。本文概述了全球变化对环境病原体逸出的影响及其引发的健康风险，从数据存储、数据分析到数据挖掘三个维度对生物信息学在环境病原体研究中的应用与进展进行了深入探讨，对当前领域内存在的问题进行了剖析，并对未来利用大数据进行环境病原体检测与风险评估的应用前景进行了展望。

基于CRISPR/LanCas9的水稻基因编辑系统的开发和优化

李欣格, 王美霞, 王晨阳, 马桂根, 周常勇, 王亚南, 周焕斌

2024, 40(10): 233-242. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0475

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【目的】在水稻中建立CRISPR/LanCas9 和 CRISPR/SLanCas9基因编辑系统，扩展CRISPR/Cas基因编辑工具箱。【方法】将来自动物乳酸杆菌KCTC 3501的LanCas9进行密码子优化，并且进一步通过蛋白融合重组LanCas9和SpCas9的活性结构域形成嵌合体SLanCas9，分别构建CRISPR/LanCas9和CRISPR/SLanCas9编辑工具；以OsWRKY45、OsCPK4、OsCPK6、OsCPK7、OsMPK8、OsGSK3、OsGSK4为靶基因，在NGG PAM或者NAG PAM设计20 nt或者24 nt的sgRNA，通过水稻遗传转化，检测分析其编辑效率。【结果】LanCas9在水稻中可以识别NGG PAM，结合20 nt的sgRNA编辑效率更高，对OsWRKY45基因的编辑效率为25.00%；融合的SLanCas9不仅能够识别NGG PAM，在NAG PAM位点也有一定的编辑效率，在不同PAM位点的编辑效率分别可达100%和39.58%。此外，SLanCas9还具有多重基因编辑能力，在NGG PAM位点的多重基因编辑效率高达74.07%。【结论】开发了具有自主知识产权的新型CRISPR/LanCas9和CRISPR/SLanCas9基因编辑技术。

转录组与代谢组联合分析揭示大豆GmERD15c参与盐胁迫下类黄酮的生物合成

韩乐乐, 宋文迪, 边嘉珅, 李阳, 杨双胜, 陈紫怡, 李晓薇

2024, 40(10): 243-252. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0373

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【目的】大豆GmERD15c是ERD15转录因子家族成员之一，探究盐胁迫下转GmERD15c基因大豆株系的基因表达及物质代谢情况，揭示其与大豆耐盐性的关系。【方法】以转GmERD15c基因大豆株系及其受体大豆‘东农50’为材料，经盐胁迫处理后，采取根部进行转录组学和代谢组学分析。【结果】盐胁迫前后差异代谢物在类黄酮合成通路变化较大，胁迫后的代谢产物二氢山奈酚、儿茶素和槲皮素含量发生显著变化，且槲皮素含量在转GmERD15c基因株系中更高。同时，转录组学与代谢组学联合分析发现，GmERD15c基因与类黄酮生物合成相关酶关系密切。【结论】盐胁迫下，大豆GmERD15c基因可能通过调控类黄酮合成相关的酶类进而影响类黄酮的生物合成，而类黄酮可以减轻盐分引起的氧化应激，为后续揭示GmERD15c基因的耐盐机制提供了新线索。

一个影响酪氨酸代谢藜麦突变体的鉴定

姜宇舢, 兰倩, 王芳, 姜亮, 裴成成

2024, 40(10): 253-261. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0301

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【目的】利用收集的藜麦植株颜色突变体，测定该突变体的代谢组成，分析代谢通路之间变化和转化规律，构建出该突变体代谢变化基本模型，为进一步鉴定和克隆影响藜麦重要代谢通路的关键遗传位点提供材料基础。【方法】利用正向遗传学手段，从藜麦常规品种‘藜红1号’（Red Quinoa 1, RQ1）后代中，筛选到一植株和穗部红色消退而绿色加深（green quinoa 1, gq1）的自然突变株作为材料，与其原始亲本RQ1相比较，利用非靶向代谢组学鉴定灌浆时期幼穗差异代谢成分，通过KEGG（Kyoto encyclopedia of genes and genomes）代谢途径分析和差异代谢物关联分析，揭示GQ1基因突变引发的关键代谢通路的变化。【结果】经过连续4个世代的遗传分析表明，gq1突变体植株颜色变异能够稳定遗传，且是由单个遗传位点控制。与其原始亲本RQ1相对比，在藜麦gq1突变体中检测到了409个差异代谢物，其中含量升高的代谢物有110个，299个代谢物含量降低。代谢组学分析发现，在藜麦gq1突变体中，对植物次级代谢有着重要影响的酪氨酸和以其为核心衍生出的其他代谢产物发生了整体性的降低。此外，包括6种人体必需氨基酸在内的多种氨基酸和TCA循环中的成分，在gq1突变体发生了显著的减少。【结论】通过对这些差异代谢进行KEGG代谢途径富集分析，表明GQ1基因突变造成了以酪氨酸为核心的初级代谢组分和次级代谢组分整体降低，意味着该基因可以成为协同优化藜麦初级代谢和次级代谢的关键遗传位点。

转录组与代谢组分析不同生长时期金线莲类胡萝卜素的积累

梁婉凤, 曾菁菁, 胡若群, 曹佳玉, 郑涛, 李銮, 仇明月, 梁晓英, 陈莹

2024, 40(10): 262-274. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0408

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【目的】探究不同生长时期金线莲叶片中的类胡萝卜素的变化规律，解析其类胡萝卜素积累分子机制。【方法】选取不同生长时期（三月龄S3，六月龄S6，十月龄S10）金线莲叶片，采用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）和高通量转录组测序（RNA-seq）对不同生长时期的金线莲叶片进行分析。【结果】代谢组学结果表明参与叶片中类胡萝卜素合成的差异代谢物有23个，包括新黄质素、葡萄黄素、叶黄素和卡洛黄素等，转录组学结果表明差异代谢酶基因有21个，包括CYP97C1、CCD8、NCED、ZEP、PDS等，预测了ERF、MYB、C2H2、WRKY和bZIP等5种转录因子参与调控金线莲叶片类胡萝卜素的合成；并且进行了实时荧光定量PCR验证（RT-qPCR），实验表明选取的8个参与类胡萝卜素合成的酶基因在不同时期中的表达趋势与转录组学测序结果一致。【结论】金线莲不同生长时期ERF、MYB、C2H2等5种转录因子参与类胡萝卜素合成调控，与CYP97C1、CCD、NCED等5种关键差异酶基因关联明显，他们共同调控脱落酸醛、玉米黄质和叶黄素等6种关键差异代谢物。

UgRNA/Cas9多基因编辑法恢复根际细菌农用功能的研究

李明坤, 毕美营, 张天航, 吴翔宇, 杨培儒, 应明

2024, 40(10): 275-287. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0446

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【目的】长期的化学耕作导致根系微生物的农用功能退化，以植物根部分离得到的一株无功能短小芽胞杆菌（Bacillus pumilus）为研究对象，探究恢复其农用功能的方法。【方法】采用一种新型的CRISPR/Cas多基因编辑系统UgRNA/Cas9，突变B. pumilus全基因组碳分解代谢物阻遏顺式作用元件CRE，改变该菌的碳源选择性。【结果】通过基因测序发现，LG3145的碳代谢和次级代谢途径的部分基因CRE位点发生了缺失、增添、转换、颠换等类型的突变。通过比较代谢组学和转录组学分析，LG3145所吸收的大部分碳源通过磷酸戊糖和氨基酸代谢途径进入了次级代谢通路，使细胞产生了细胞色素、表面活性素和杆菌素等非核糖体肽类抗菌素。经过UgRNA/Cas9编辑后，LG3145可以定殖于植物根系，促进小麦等农作物生长，提高植株的抗病菌能力。【结论】LG3145全基因组CRE序列的突变改变了菌体碳代谢流方向，使该细菌与植物之间形成了有益的互作关系。

基于大规模RNA-seq数据绘制猪RNA编辑图谱的研究

龙佳佳, 刘玮玮, 范新浩, 黎旺长, 杨小淦, 唐中林

2024, 40(10): 288-295. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0455

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【目的】A-to-I RNA编辑是一种由ADAR酶家族介导的共转录/转录后修饰，系统绘制猪的RNA编辑图谱，为猪的分子育种提供候选靶标。【方法】收集16种猪组织的3 461个RNA-seq数据，采用生物信息学方法检测猪RNA编辑位点。【结果】共检测到130 989个RNA编辑位点，其中，A-to-I RNA编辑位点有124 208个。A-to-I RNA编辑位点特征分析表明，98.2%的位点位于重复区域，且主要位于猪特异性的SINE反转录转座子区域的PRE-1/Pre0_SS元件内。只有12.3%的A-to-I RNA编辑位点具有编码意功能。最后，本研究分析了7种组织（脂肪、大脑、大肠、小肠、骨骼肌、肝和肺）的特异性A-to-I RNA编辑位点，脂肪组织特异性位点宿主基因的功能富集分析表明，这些基因在与细胞脂质代谢过程、脂质代谢过程、硫酯代谢过程等相关的信号通路中富集。在这些通路中，与脂肪沉积相关的基因有PDK1、ACSL1和PDE3B等。【结论】绘制了猪的RNA编辑位点图谱，为猪的分子育种提供了候选靶点。

基于转录组学挖掘兽疫链球菌内源表达元件及高产透明质酸应用

赵锐, 狄靖宜, 张广通, 刘浩, 高伟霞

2024, 40(10): 296-304. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0541

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【目的】构建兽疫链球菌内源性表达元件文库，并探究其在提高透明质酸产量中的应用。【方法】通过对兽疫链球菌发酵指数期和平台期进行转录组测序分析，初步筛选32种高、中、低3种强度的启动子与RBS组合（表达元件PR）；进一步利用绿色荧光蛋白基因转录水平及荧光强度来验证PR元件的强度；最后，利用筛选到的较强元件PR31过表达透明质酸合成关键基因hasA, hasB, hasC, hasD, hasE，并采用2 L发酵罐评价强表达元件在提高透明质酸产量的效果。【结果】上述基因的相对转录水平分别提高至原来的8.17、7.32、3.72、39.48、9倍。其中，过表达hasA及hasD后，透明质酸产量相对于野生型分别提高了43％和31％，达到5.654 g/L和5.283 g/L。【结论】成功构建了兽疫链球菌内源表达元件文库，可用于透明质酸合成途径强化及竞争途径弱化等代谢工程改造。

基于计算设计的GH11家族木聚糖酶CDBFV的热稳定性改造及潜在机制研究

韩雪, 张阿娜, 王海燕, 辛凤姣, 谷天一, 王钰璐

2024, 40(10): 305-314. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0384

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【目的】瘤胃真菌Neocallimastix patriciarum GH11家族木聚糖酶CDBFV在饲料、食品等领域具有良好应用前景，提高其热稳定性对其生产应用十分重要。【方法】使用分子动力学模拟、机器学习等策略设计潜在CDBFV热稳定性突变体，在大肠杆菌和毕赤酵母中进行异源表达纯化，测定最适反应条件、比酶活和85℃孵育3 min后相对剩余活力，通过结构分析明确热稳定性提高机制。【结果】位于CDBFV N端基序³⁶GNNS³⁹具有较高柔性，对其改造设计的单突变体N37P和N38V在85℃孵育3 min后，相对活力分别降低至70.3%和55.1%，较野生型（48.7%）提升了21.6%和6.5%；进而，在相对活力提升显著的N37P基础上叠加已报道优势突变体N88G，构建双突变体N37P/N88G，其相对活力达到了73.4%，较野生型提高了24.7%；此外，将N37P/N88G在毕赤酵母中进行了分泌表达，在85℃处理3 min后，相对活力达到了88.8%；结构分析表明，N37P突变的引入使得CDBFV形成了新的氢键相互作用，降低活性位点附近柔性，并干预了糖基化形成，进而提高了热稳定性。【结论】成功得到了高耐热双突变体N37P/N88G，为提高GH11家族木聚糖酶的热稳定性改造提供了新的思路和方法，有望推动CDBFV在饲料工业等高温环境下的广泛应用。

表达猴痘病毒表面蛋白 A35R和E8L稳转细胞株的构建与应用

金浙东, 李惠宜, 包汶鑫, 崔彩霞, 袁运生

2024, 40(10): 315-322. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0366

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【目的】构建稳定表达猴痘病毒（Mpox virus, MPXV）表面蛋白A35R和E8L的稳转细胞株，用于定性或定量分析相应猴痘表面蛋白的抗体或互作分子与细胞表面A35R或E8L结合活性。【方法】运用基因重组技术，构建表达A35R或E8L的慢病毒表达载体，以HEK-293T作为宿主细胞，通过慢病毒转染技术形成稳定表达并定位在细胞表面A35R或E8L的稳转细胞株。采用Western Blot及细胞免疫荧光检测工程化细胞株中A35R或E8L的表达及蛋白定位情况，并运用流式细胞术验证稳转细胞与抗血清中多克隆抗体的结合能力。分别从表达A35R或E8L的稳转细胞中筛选出单克隆细胞株，并以单克隆稳转细胞作为工具定量分析商业化抗猴痘A35R或E8L单克隆抗体与细胞表面A35R或E8L的结合活性。【结果】成功构建稳定表达A35R或E8L并定位至细胞膜上的HEK-293T稳转细胞，经过单克隆化筛选，建立4株单克隆细胞株，其中2株稳定表达A35R（A35-2C10和A35-4E3）和2株稳定表达E8L（E8-6和E8-8）。筛选出的单克隆细胞在定量分析抗猴痘A35R或E8L的单克隆抗体结合活性方面显示出良好的拟合度。【结论】通过慢病毒转染技术构建的表达猴痘表面A35R或E8L的稳转细胞株可以作为通用研究工具，应用于抗A35与E8L中和抗体、核酸适配体或互作分子等相关分子与相应抗原结合活性的定性或定量分析。

2024, 40(10): 323-323.

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