黑龙江省农垦科学院

2020年，是决胜全面建成小康社会、决战脱贫攻坚的收官之年。农业生产持续发展，农村经济全面繁荣，农民生活显著改善。这其中，农业科技的贡献居功至伟。这一年，虽然遭受新冠肺炎疫情冲击，但农业科学家并未停下研究的步伐。他们用卓越的研究和执着的精神为农业、农村、农民带去丰硕的科研成果，在希望的田野上写下了浓墨重彩的一笔。

为此，中国科学报梳理和盘点这一年中国农业科学家发表的部分重要论文成果，以飨读者。

l 破解优质蛋白玉米育成之谜

《自然—通讯》1月7日

主要作者：上海交通大学教授王文琴团队和中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队进展亮点：深入解析了优质蛋白玉米选育的基因组结构变异基础，全面挖掘了潜在的硬质胚乳修饰因子。发现了一些与多个胚乳修饰因子遗传位点紧密相连的候选基因，这些基因具有结构变异和表达水平改变等遗传特征。提出了解释优质蛋白玉米硬质胚乳形成的分子机制模型。

点评：构建了高质量优质蛋白玉米基因组，鉴定出具有结构变异和表达差异的候选基因，这将会促进优质蛋白玉米胚乳修饰因子分子标记开发和分子育种。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-019-14023-2

l 揭示重要抗盐碱机制

《自然—通讯》1月10日

主要作者：中国农业大学教授蒋才富团队

进展亮点：报道了一个玉米抗盐碱数量性状基因ZmNSA1，可调控盐碱胁迫下玉米地上部钠离子稳态，揭示了EF-hand蛋白调控盐碱胁迫下钠离子稳态的新机制。ZmNSA编码一个含有EF-hand结构域的钙离子结合蛋白，并能负调控MHAs的表达和抗盐碱应答。在盐碱胁迫下，细胞内钙离子浓度升高，钙离子结合ZmNSA1并促使其被26S蛋白酶体途径降解，上调MHA2和MHA4表达，促进根部氢离子外排，从而增强质膜Na+/H+反向转运体SOS1的活性，促进钠离子稳态，增强玉米对盐碱胁迫的耐受性。点评：揭示了一种新的EF-hand蛋白解码钙离子信号机制，解析了它在玉米抗盐碱应答中的作用机制，是作物抗盐碱基础研究领域的重要成果。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-019-14027-y

l 发现水稻产量和氮肥利用效率协同调控新机制

《科学》2月7日

主要作者：中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员傅向东团队与三个实验室联合攻关

进展亮点：以封面文章的形式报道了赤霉素信号传导新机制提高水稻产量和氮肥利用效率的研究成果。从携带“绿色革命”基因sd1的水稻品种93-11中，筛选到一个产量性状（分蘖）对氮素响应不敏感的突变体，并克隆了控制水稻氮肥高效利用的关键基因NGR5。NGR5不仅通过介导H3K27me3组蛋白修饰参与氮营养促进植物生长发育过程，而且能与植物生长抑制因子DELLA蛋白互作；DELLA蛋白能竞争性结合赤霉素受体GID1蛋白，抑制赤霉素介导的NGR5蛋白降解，进而增加NGR5蛋白稳定性。

点评：该成果找到了一条既能提高产量又能降低化肥投入、减少环境污染的育种新策略，为培育“少投入、多产出、保护环境”的绿色高产高效新品种奠定了理论基础，并提供了有育种应用价值的基因资源。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aaz2046

l 揭示被子植物早期复杂演化历史

《自然—植物》2月24日

主要作者：四川大学教授刘建全联合华北理工大学、哈佛大学、兰州大学等

进展亮点：该研究对两种早期演化分支的水生植物代表种（芡实和金鱼藻）进行了基因组测序，揭示了被子植物早期的复杂演化历史。被子植物的五个主要演化分支——金鱼藻、睡莲类（芡实为代表）、木兰类、单子叶植物和核心双子叶植物——早期都经历了独立的多倍化事件，芡实最近还经历了一次基因组三倍化。

无油樟和睡莲类依次是其他被子植物的姐妹群，同时推测金鱼藻是真双子叶植物的姐妹群。研究发现，除杂交外，不完全谱系筛选可能是早期被子植物辐射分化过程中，引起主要分支之间基因树或核基因组—叶绿体基因组系统发育树分支关系不一致的主要原因。

点评：该研究对于阐明被子植物中主要分支的演化次序和生境转变，同时为后续生命之树，特别是水生被子植物适应性演化、不同类群加倍事件的研究都提供了基本框架，为认识被子植物早期辐射演化历史提供了证据。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0594-6

l 白羽扇豆高质量基因组发布

《自然—通讯》2月26日

主要作者：中国农业科学院研究员程锋团队和福建农林大学教授许卫锋团队

进展亮点：成功组装了磷高效利用模式作物白羽扇豆的染色体水平高质量基因组，揭示了白羽扇豆低磷适应的特征与其基因扩张与亚基因组优势关联。

白羽扇豆经历了与芸薹属等异源多倍体物种类似的全基因组三倍化事件，导致亚基因组优势现象。白羽扇豆的自身碳固定、排根发育建成、土壤磷活化和内部磷利用等四个先后调控途径的多个相关基因发生显著扩张和特异性低磷诱导表达。其中，生长素稳态调节关键基因对于排根形成至关重要，抑制其表达可大大减少排根形成。

点评：该研究对磷高效利用作物的筛选与培育具有重要的参考价值。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14891-z

l “液体黄金”霍霍巴油可借油菜合成

《科学—进展》3月11日

主要作者：华中农业大学教授郭亮团队、陈玲玲团队联合国外5家单位合作完成

进展亮点：完成油料作物霍霍巴的高质量参考基因组，并解析了霍霍巴种子中蜡酯合成途径。

蜡酯的合成主要是通过脂酰辅酶A还原酶FAR将脂酰辅酶A还原成脂肪醇。然后，在蜡酯合成酶WS的作用下，脂肪醇与脂酰辅酶A发生酯化反应生成蜡酯。

蜡酯主要富集在种子的子叶中，而含量极少的三酰甘油则主要富集在种子的胚轴。种子不同部位的转录组分析表明，参与蜡酯合成的相关基因在子叶中的表达量远高于胚轴中的表达量。这些基因在空间上的表达差异，可能是造成蜡酯及三酰甘油在霍霍巴种子中存在明显分布差异的主要原因。

点评：深入了解霍霍巴蜡酯合成机制，为霍霍巴品种改良提供了理论基础。高芥酸油菜种子中脂肪酸的组成正好符合霍霍巴中相关酶的底物偏好性，这使得在高芥酸油菜种子中合成霍霍巴油成为可能。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aay3240

l 大豆驯化过程中开花的进化和选择

《自然—遗传》3月30日

主要作者：广州大学教授孔凡江和刘宝辉团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员田志喜团队

进展亮点：揭示大豆驯化过程中开花的进化和选择机制。发掘了两个长日照条件下控制开花期的关键位点Tof11和Tof12。这两个位点发生了渐进式的变异和人工选择。其中，tof12-1的功能缺失突变被强烈选择，并在栽培品种中被迅速固定下来，从而使栽培品种的开花期和成熟期普遍提前。

tof11-1的功能缺失型突变发生于tof12-1之后，在tof12-1遗传背景上再次受到选择，从而进一步缩短了栽培大豆的开花期和生育期，提高了栽培大豆的适应性。

点评：该研究不仅首次系统确认了光周期开花是作物核心的驯化性状，而且进一步完善了长日照条件下大豆光周期的分子调控网络，阐明了大豆适应高纬度生态环境的遗传基础，还发现了大豆驯化过程中同源基因的逐步进化与选择的分子机制。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41588-020-0604-7

l 找到小麦“癌症”克星

《科学》4月10日

主要作者：山东农业大学农学院教授、山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家孔令让团队

进展亮点：团队从小麦近缘植物长穗偃麦草中首次克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7，且成功将其转移至小麦品种中，首次明确并验证了其在小麦抗病育种中不仅具有稳定的赤霉病抗性，而且具有广谱的解毒功能。

点评：Fhb7基因的发现和抗病机制解析对水稻、玉米等作物育种同样具有重要意义。作为禾谷类作物种质改良和创新的难得基因，其在育种领域的推广应用，将有力提升我国农作物种质资源创新水平，为产业提质增效、确保国家粮食安全提供重要保障。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aba5435

l 20个水稻品种的参考表观基因组图谱发布

《自然—通讯》5月27日

主要作者：华中农业大学教授李兴旺和李国亮团队

进展亮点：全面系统地描绘了20个水稻品种的表观参考基因组图谱。产生了多达500多套组学数据，覆盖20个有代表性的水稻品种及其多个组织，包括58个基因表达数据、32个全基因组DNA甲基化图谱、354个各种组蛋白修饰数据、58个全基因组开放染色质区域图谱。

基于此，从水稻表观基因组图谱中定义了15种染色质状态。水稻中存在大量具有增强子活性的启动子，这些启动子不仅调控相邻基因的表达，还可以作为增强子，通过染色质远程相互作用，调控远端与其互作基因的表达。

点评：该研究完成了水稻顺式调控元件和染色体状态的注释，鉴定到的籼粳稻之间染色体状态差异为研究水稻品种分化和环境适应性的提供了独特视角，也为全面解析水稻基因组结构提供重要资源。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16457-5

l 全球间套作增产模式获进展

《自然—植物》6月1日

主要作者：中国农业大学教授张福锁院士团队

进展亮点：间套作管理措施的综合应用在全球尺度上形成了增产效应不同的两种管理模式。

其中一种为高投入—高产出玉米间套作管理模式，通过玉米与矮杆谷类作物搭配，采用条带种植、分期播种、充足养分投入等管理措施，较单作具有更大的增产效应，在中国广泛应用。

另一种是低投入—低产出间套作管理模式，通过豆科作物与矮杆谷物混作或单行交替种植，采用同种同收、较低养分投入等管理措施，增产效应较低，该模式在欧洲广泛应用。

高投入—高产出玉米间套作模式的增产效应是低投入—低产出间套作模式的4倍。两种间套作模式较单作均具有节肥增产的优势。

点评：间套作不仅能满足低投入农业的生态目标，也是高投入农业中持续保障粮食安全的有效途径。在中国广泛应用的玉米间套作模式具有更大的增产效应，值得全球借鉴。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0680-9

l 马铃薯杂交种子在接近

《自然—遗传》9月28日

主要作者：中国农科院深圳农业基因组研究所研究员黄三文团队等

进展亮点：首次测序完成杂合二倍体马铃薯基因组，提供了迄今最完整的杂合马铃薯基因组、最全面的马铃薯单体型比较分析。

为构建高质量的参考基因组以及对单体型进行比较分析，该研究提出了高准确率HiFi read与遗传群体测序、HiC测序相结合的技术路线，克服了“重复序列” 和“高杂合”这两个障碍，成功组装了染色体级别的单体型，为复杂基因组的解析提供了借鉴。

在二倍体马铃薯RH中检测到了22134个有害突变。有害突变散布在两套基因组中，与其他类型的变异呈马赛克式分布，并且有害突变还有可能与优良基因紧密连锁，很难通过传统杂交的方法彻底淘汰有害突变。

点评：为马铃薯二倍体育种提供基因组学支持，有助于利用基因组学和合成生物学方法快速打破马铃薯育种中的障碍，构建优良的二倍体自交系。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41588-020-0699-x

l 揭示水稻中重要二萜的代谢机制

《自然—植物》12月8日

主要作者：海南大学教授罗杰团队

进展亮点：利用水稻自然群体进行代谢物全基因组关联分析，在水稻7号染色体成功定位鉴定了一个控制单环二萜自然变异的基因簇DGC7。该基因簇由1个萜烯合成酶及2个CYP450酶组成，在质体中催化形成5,10-二酮-蓖麻烯，一种具有潜在医用价值的重要二萜。DGC7受到茉莉酸甲酯介导的表观调控因子JMJ705直接调控，并能提高水稻对于白叶枯病的抗性。

点评：揭示了水稻单环二萜基因簇自然变异的生化基础及其在水稻抗病方面的作用，为作物遗传改良提供了新资源。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-020-00816-7

l 揭示豆科植物与根瘤菌共生固氮分子机制

《自然》12月10日

主要作者：中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王二涛团队

进展亮点：揭示豆科植物因皮层细胞获得SHR-SCR干细胞分子模块，而具有结瘤固氮的能力，使其有别于非豆科植物，回答了“为什么豆科植物能与根瘤菌结瘤固氮”的科学问题。

植物干细胞关键转录因子SCR在豆科植物的皮层细胞表达，另一个干细胞关键转录因子SHR在维管束表达后移动到皮层细胞，使豆科植物皮层细胞获得了SHR-SCR分子模块。该干细胞分子模块赋予豆科植物皮层细胞分裂能力，能够被根瘤菌的共生信号激活，诱导豆科植物苜蓿的皮层分裂，形成根瘤。

点评：发现了控制豆科植物根瘤共生固氮的关键分子模块，加深了人们对共生固氮的理解，为非豆科植物皮层细胞命运的改造奠定了基础，并为今后减少作物对氮肥的依赖，实现农业生产的可持续发展提供了新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-3016-z

本文转自中国科学报，作者是张晴丹李晨