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突破！中国科学家成功克隆野生玉米变异基因，可有效促进玉米高产
【导读】
11月16日，中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所巫永睿课题组与上海师范大学生命科学学院王文琴课题组合作，在Nature杂志发表了新的研究论文，该研究利用trio-binning方法构建了大刍草TEOSINTE HIGH PROTEIN 9(THP9)的连续单倍型DNA序列，并通过图谱克隆，在9号染色体上鉴定了一个主要的高蛋白数量性状位点——大刍草高蛋白9 (teosinte HIGH PROTEIN 9, THP9)。THP9 -大刍草酸能提高氮素利用效率，这对于在低氮条件下促进高产是很重要的。总之，在低氮条件下，这些植株表现出了高于THP9-B等位基因的NUE，并显示出改善玉米种质的总体前景。
玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域，名为“大刍草”。它像杂草一样生长，种子外面包裹着坚硬的壳，无法直接食用。人类祖先早在9000年以前开始驯化玉米，逐步把杂草一样的野生玉米大刍草改造成了今天的玉米。如今，玉米已成为世界上最高产的农作物之一。玉米产量高，有效能量多，是最常用且用量最大的饲料之一，故有“饲料之王”的美称。随着人们生活质量提高，肉蛋奶需求增加，玉米的消费量日益增加，致使近年来玉米进口量不断提升。提高玉米蛋白含量是保障国家粮食安全的重大战略需求，也是保障我国畜禽养殖业和饲料加工业健康发展的重要途径之一。然而，野生玉米高蛋白形成的机理是长期以来悬而未决的难题，同时，控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因尚未找到。
科研团队于2012年进行玉米高蛋白供体材料的寻找、蛋白含量测定、遗传分析以及群体构建。实验发现，普通玉米自交系蛋白含量约为10%，而玉米祖先野生玉米在未施加氮肥条件下种子蛋白含量达30%，其含量是现代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。这些基因是什么，它们在野生和现代玉米中到底发生了什么改变？它们能否被挖掘用于提高现代玉米的蛋白含量？不同玉米自交系遗传变异大于人类与黑猩猩之间的差异，而9000年前的野生玉米与现代玉米的差异就更大了。
为了充分利用野生玉米的基因资源，挖掘控制野生玉米高蛋白的优良变异基因，研究团队破解了高度复杂的野生玉米基因组。研究采用三代测序技术和三维基因组相结合的策略，摸索并拼装出既杂合又复杂的野生玉米单倍体基因组（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。
科研人员经过艰苦攻关，连续创制了超过10代的遗传材料，构建出野生玉米和普通玉米自交系B73的高世代近等基因系群体。在这一过程中，研究提取了超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定，测定了超过2万个样本的蛋白含量进行表型分析，并分别在回交群体的第4代BC4（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆，最终在野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。该基因编码天冬酰胺合成酶4 (ASN4)，ASN是氮代谢的中心，负责合成天冬酰胺。天冬酰胺在氮循环中具有核心作用，并在氨基基团的分子间转移反应中充当氮供体。因此，植物中的天冬酰胺水平与种子蛋白质含量密切相关。
研究发现，野生玉米优良基因Thp9-T显著高表达，而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突变形式Thp9-B，导致ASN4的表达量较低。野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系B73后，使种子蛋白质含量增加约35%，根中氮含量增加约54%，茎中氮含量增加约94%，叶片中氮含量增加约18%，且生物量即植株整体重量增加。
此外，研究团队在三亚南繁基地开展了大规模田间试验，将野生玉米高蛋白基因Thp9-T杂交导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中，可显著提高杂交种籽粒蛋白含量，表明该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能；同时，在减少氮肥施用条件下，可有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒中氮含量水平，这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义。
本研究在野生玉米中发现一个控制高蛋白玉米形成的关键优异变异基因Thp9-T，其可以提高玉米中氮的同化效率从而有利于产生更多的蛋白质。研究表明，将Thp9-T导入现代玉米品种，提高了氨基酸水平，尤其是天冬酰胺，且在不影响粒重的情况下增加了种子蛋白质含量。同时，在大田试验中，本研究也验证了Thp9-T在高蛋白育种改良过程中具有重要作用，显著提高玉米栽培品种郑单958的籽粒蛋白含量，并在低氮条件下能有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平，这为今后该基因的进一步推广应用奠定了坚实基础。
由于化肥的过度使用，野生玉米优良基因Thp9-T在长期的育种过程中未受到选择压力。本研究不仅克隆了野生玉米变异基因Thp9-T，利于现代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遗传改良，而且对未来减少化肥施用和保护生态环境具有重要指导意义。
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论文信息：
标题：THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize
出版信息：Nature，16 November 2022
DOI：10.1038/s41586-022-05441-2
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北京林业大学《Nat. Commun.》：仿贝壳结构的柔性温度传感器
【导读】
目前商用热电偶和红外温度计难以实现可穿戴方式的温度准确监测，而基于热敏弹性体柔性传感器受益于可穿戴性，由于能够实现出色的人体皮肤适形贴合和温度响应，从而受到了广泛关注。另一方面，良好的皮肤适形性是把“双刃剑”，穿戴接触导致的应变因素对温度信号监测造成的干扰却不可忽视，而目前对器件整体结构优化设计和温度敏感层柔性化制备策略还有待进一步研究。
贝壳的微观结构具有典型的“有机-无机”层层交替特征，受力时能够通过相邻层间相对滑动发生局部形变并耗散大量能量，因此具有出色的力学稳定性。北京林业大学杨俊等受贝壳材料异质结构和层间高强度矿物桥连接的协同增韧效果等机制的启发，文中提出了一种简单高效的金属配位层间交联方法，能够提高异质相邻层界面互锁效果和促进平面内能量耗散，从而强化整体结构稳定性。利用层层自组装和冷压辅助工艺，将MXene纳米片与TEMPO氧化纳米纤维素掺杂的高结晶度聚乙烯醇薄膜，通过Fe(II)和羧基配位作用实现层间交联，获得不受形变干扰、同时具有优异的温度灵敏度（-1.32% ℃-1）和分辨率（0.3 ℃）、以及弯折耐久能力（20000次疲劳测试）的柔性热敏电阻弹性体。
为了更好地阐明非均质多层结构如何通过界面互锁实现应变不干扰机制，文中采用有限元模拟定量分析交替层间结构随垂直应力场的演化过程。通过对不同交联层数的异质弹性体力学（如穿刺、应力松弛和拉伸-卸载循环）和形变条件下的热响应行为的研究，发现伴随外加载荷，以配位键和氢键为主的界面桥接有利于应力向面内交联区域的扩散，从而抑制整体结构变化。
对于传统的金属基热电偶，温度的升高会提高原子的振动能，导致自由电子的碰撞增加，从而导致电阻随之增加。对于基于半导体的热敏电阻，其价带中的电子在高温下被激活并移动到导带，从而产生更多的载流子并降低电阻。与基于不同转导原理和器件集成技术制备的高度独立的温度传感器设计策略相比，本文采用热敏导材料（MXene 纳米片）在聚合物中构筑具有负温度响应系数的热阻导体网络，能够有效地弥补聚合物在高热灵敏性和力学性能之间的不匹配弊端，从而提高了温度响应能力。
这项工作体现了在结构设计和性能上的显著创新，在仿贝壳结构策略中强调有效的界面耦合和异质层间壁垒作用，实现平面内应力扩散和裂纹扩展抑制，阻碍了形变导致的传导通路形成，从而克服了柔韧性和热响应之间的矛盾。另外文中还验证了提出的界面互锁和异质弹性体结构策略对多种热敏介质的通用性和制备规模的可扩展性，实现了在多个场景中无信号失真的可穿戴热敏弹性体温度检测，在医疗电子、人工假肢和智能机器人等领域具有广阔的应用前景。
论文信息：
标题：A biomimetic laminated strategy enabled strain-interference free and durable flexible thermistor electronics
出版信息：Nature Communications，29 October 2022
DOI：10.1038/s41467-022-34168-x
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