华中农业大学近期科学研究进展

环境与生物分析课题组在非生物合成抗体研究方面取得新进展

近日，华中农大资源与环境学院环境与生物分析课题组在非生物合成抗体研究方面取得新进展，相关成果在线发表在国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces，题为“Abiotic Synthetic Antibodies to Target a Specific Protein Domain and Inhibit Its Function”。

Bt杀虫剂的使用和转Bt作物的种植已成为农业害虫管理的重要组成部分。尽管Bt蛋白的生物安全性仍存在诸多争议，但公众高度关注的与Bt蛋白释放、残留和迁移相关的环境生态和健康风险问题不容忽视。评估不同环境和生物介质中Bt蛋白的存在和水平是研究Bt蛋白环境命运和归趋的先决条件。因此，开发一种选择性识别Bt蛋白的亲和试剂显得尤为重要。聚合物纳米颗粒，作为一种新型的非生物亲和配体，在蛋白质的分离、纯化以及生物毒素的去除方面显示出独特的优越性。

课题组前期在Journal of American Chemical Society上发表了题为“Synthetic Polymer Affinity Ligand for Bacillus thuringiensis (Bt) Cry1Ab/Ac Protein: The Use of Biomimicry Based on the Bt Protein–Insect Receptor Binding Mechanism”的研究论文。该论文通过模拟Bt Cry1Ab/Ac蛋白与烟草天蛾中肠类钙粘蛋白受体Bt-R1之间的识别机制，建立了一种以Bt蛋白抗原表位为作用靶标的聚合物纳米颗粒定向合成及筛选方法。尽管该方法得到的聚合物仿生亲和配体对Bt Cry1Ab/Ac蛋白具有高亲和力，但是其吸附容量较低，这对其实际分析应用是不利的。

在此基础上，本研究报告了一种新的基于理性设计和化学定向进化相结合的非生物合成抗体研制策略。该策略基于Bt Cry蛋白-昆虫中肠类钙粘蛋白受体复合物的晶体结构和热点区域分析，选择与Bt Cry蛋白关键暴露热点互补的功能单体，合成得到一个小而聚焦的水凝胶共聚物纳米颗粒文库，通过化学定向进化方法得到一种对Bt Cry1Ab/Ac蛋白具有pH敏感、亲和力大、选择性高、吸附容量大、结合速度快、重复性好的非生物合成抗体APhe-NP23。通过APhe-NP23与Bt Cry1Ac胃蛋白酶水解多肽的亲和吸附、潜在多肽丙氨酸定点突变和缺失突变以及聚合物纳米颗粒对Bt Cry1Ac与其类钙粘蛋白受体Bt-R1和SeCad1b受体结合域的蛋白-蛋白抑制研究，明确了非生物合成抗体与Bt蛋白的结合界面，证实了合成抗体APhe-NP23与天然受体Bt-R1和SeCad1b在Bt蛋白表面具有相同的受体结合区域。我们相信这种基于热点的理性设计是创建靶向功能蛋白特定结构域的非生物蛋白亲和试剂的通用方法。亲和配体通常是高信息含量的生物制剂，它们的结构和功能是由氨基酸或寡核苷酸序列决定的。相反，本研究中得到的非生物合成抗体是一种缺乏序列特异性的统计共聚物，该结果是对结构随机性和生物特异性并不相互排斥这一概念的重要贡献。

博士研究生程巧连为该论文的第一作者，刘名茗教授和美国加州大学欧文分校Kenneth J. Shea教授为该论文的共同通讯作者。

全文链接：
https://pubs./doi/10.1021/acsami.2c02287
https://pubs./doi/10.1021/jacs.8b01710

油菜团队与生物信息团队合作揭示抗根肿病基因适应性演化机制

近日，华中农大油菜团队张椿雨教授、杨庆勇教授课题组与沈阳农业大学朴钟云教授团队合作研究成果以“R gene triplication confers European fodder turnip with improved clubroot resistance”为题在Plant Biotechnology Journal发表。研究利用抗根肿病的欧洲芜菁ECD04参考基因组，解析芸薹属根肿病抗性基因的演化历程，为十字花科作物抗根肿病基因的克隆、标记开发，以及抗性育种提供了重要参考。

根肿病（Clubroot），被称作“十字花科癌症”，是一种由根肿病菌（Plasmodiophora brasicae）引起的一种土传性病害，通常会导致作物根系形成大量的肿瘤，从而阻碍作物从土壤中吸收养分与水分，严重者整株作物枯死。十字花科包含许多重要的蔬菜、油料和饲料作物，在我国分布广、面积大，影响非常广泛，对稳定安全供给粮油、推进三产融合、助力乡村振兴等方面有重要作用。我国每年约320~400万公顷十字花科作物遭受根肿病的危害，发病严重的地区损失可达到60%以上甚至绝收，因此根肿病的防治已经成为一个重要的战略问题，从源头选育根肿病抗性品种被认为是控制根肿病蔓延最有效的策略之一。目前发现的根肿病抗性基因大多来自芸薹属A基因组，其中大部分的抗性位点来源于欧洲芜菁。但高质量的抗根肿病（Clubroot Resistance，CR）材料的参考基因组的缺乏严重阻碍了对A基因组中抗性基因的作用机制理解和育种实践中的挖掘与利用。

研究人员在研究中选用了具有多个抗性位点的ECD04抗根肿病欧洲芜菁，采用第三代PacBio测序技术结合染色体构象捕获（Hi-C）技术，成功组装了“ECD04”的基因组，获得了染色体水平的参考基因组序列（图1），并将已报道的28个抗根肿病位点进行了系统地整合，鉴定到62个抗根肿病候选基因，并通过转基因和接菌实验验证了两个位点中的候选基因CRA3.7.1和CRA8.2.4对根肿病抗性的功能（图2）。该研究通过比较基因组学和系统发育分析发现多个候选CR基因均来自祖先基因组的U区段（图3）。通过与盐芥基因组的共线性分析发现，CRA3.7.1和CRA8.2.4在芸薹属三倍化之前的祖先基因组中已经存在。比较基因组学分析结果进一步表明，感病的白菜和油菜基因组的CRA3.7.1和CRA8.2.4序列存在大片段的结构变异以及转座子插入，可能与其抗性的缺失有关。

图1 欧洲芜菁ECD04的基因组和Hi-C交互图谱

图2 CRA8.2.4位点抗根肿病的功能验证

图3 根肿病抗性基因的系统发育树

基于以上结果，研究提出芸薹属作物根肿病抗性基因的进化演化模型（图4）：全基因组三倍化使得祖先基因组中的抗性基因加倍，增强了植株对根肿病的抗性。在芸薹属植物与病菌长期互作和进化过程中，三种互作模式共同存在：1）宿主与病菌达到了动态平衡状态，抗根肿病基因受到强烈正选择而一直保留；2）宿主中根肿病抗性逐渐增加，限制了根肿病菌扩散直至逐渐消失，最终导致抗根肿病基因功能丧失；3）人类的活动使得芸薹属植株传播到其它没有根肿病的地区，导致抗性基因功能逐渐丧失。

图4 芸苔属植物进化过程中根肿菌抗性基因的演化模型

华中农大信息学院已毕业博士杨植全（现广州大学博士后）和植物科学技术学院已毕业博士江莹芬（现安徽省农业科学院作物研究所副研究员）为论文共同第一作者。植物科学技术学院张椿雨教授、信息学院杨庆勇教授和沈阳农业大学园艺学院朴钟云教授为该论文通讯作者。作物遗传改良国家重点实验室周永明教授、李再云教授在该研究过程中提供了重要指导和帮助。

论文链接：
https:///10.1111/pbi.13827

在微生物氧化有机硒和单质硒研究方面取得新进展

近日，华中农大生命科学技术学院、农业微生物学国家重点实验室环境微生物王革娇教授团队在国际学术期刊Science of the Total Environment发表了微生物氧化有机硒和单质硒的最新研究成果，首次证明了微生物参与土壤有机硒的氧化，增加土壤硒的生物有效性和植物可利用性，为植物富硒提供了新的思路。

硒（Se）是生命必需的微量元素，其中人体已发现25种硒蛋白，具有抗氧化、抗癌、抗病毒、提高免疫力等多种功能；硒对克山病、癌症、阿尔兹海默症等多种疾病具有治疗和预防作用。植物主要吸收氧化态硒，且富硒农业土壤中以还原态有机硒为主，但硒氧化的研究薄弱，微生物是否会氧化有机硒并如何影响植物吸收硒等尚不清楚。

该研究从含硒土壤中分离获得四株硒氧化细菌，分别为戴尔氏菌Dyella sp. LX-1和LX-66，以及红杆菌Rhodanobacter sp. LX-99和LX-100。在纯培养条件下，菌株均可氧化硒代蛋氨酸(SeMet)、硒代胱氨酸(SeCys2)、硒脲和单质硒Se(0)生成亚硒酸盐，有机硒的氧化速率显著高于单质硒的氧化速率。在灭菌酸性或碱性土壤中，硒氧化细菌均显著促进有机硒和单质硒的氧化。此外，在富硒土壤中，分别添加四株硒氧化细菌后，均显著增加了土壤中水溶性硒(SOL-Se)、可交换及碳酸盐结合硒(EXC-Se)的含量，显著提升了土壤硒的生物有效性。华中农业大学生命科学技术学院、农业微生物学国家重点实验室研究生罗雄和汪依婷为共同第一作者、郑世学教授和李明顺副教授为共同通讯作者。

该工作是继课题组2021年在Science of the Total Environment（https:///10.1016/j.scitotenv.2021.148294，第一作者朱达辉、通讯作者郑世学）发表农杆菌T3F4氧化单质硒并促进小白菜富硒后的又一进展。此外，该团队近年在微生物硒氧化方面获批了5项国家发明专利。这些研究证实微生物广泛参与了有机硒和单质硒的氧化，进而增加土壤硒的生物有效性和植物可利用性，为植物富硒产业提供了新的思路。另一方面，该研究结果打通了硒的生物地球化学循环中的重要一环。

论文链接：

https://www./science/article/pii/S2090123222000984

在水稻吸收甲基汞领域取得新进展

近日，华中农大资源与环境学院刘玉荣教授课题组在水稻吸收甲基汞领域取得新的进展，相关成果以“Important roles of thiols in methylmercury uptake and translocation by rice plants”为题发表在Environmental Science & Technology上。

图一 巯基对水稻吸收和转运甲基汞影响示意图

甲基汞(MeHg)具有强神经毒性，可通过食物链在生物体内累积和放大，从而威胁人类健康，食用大米是人类摄入MeHg的一个主要途径。MeHg的生物有效性受环境因子，如低分子量巯基化合物（半胱氨酸Cys等）等溶解性有机质影响。此外，稻米中的MeHg主要是以与Cys的结合态存在，从而可推测巯基化合物在水稻甲基汞积累过程中发挥着重要作用。然而，Cys等巯基化合物对水稻吸收和转运MeHg的影响及相关分子机制此前尚不清楚。

通过研究典型的低分子量巯基化合物对水稻MeHg吸收和转运的影响，课题组发现水稻根系能迅速吸收MeHg，这一过程受体系中巯基化合物类型和浓度的影响。Cys的存在促进了根对MeHg的吸收和向地上部的转运；谷胱甘肽只能促进MeHg的吸收而不能促进转运；相反，PEN显著抑制了MeHg的吸收和转运。通过分析用13C标记的Cys，研究发现水稻对MeHg的吸收与Cys在根系中的积累有关。通过转录组学比较分析，课题组发现了74个基因发生显著变化，其中3个基因在Cys的作用下进一步上调，由此推断金属硫蛋白和硫转运蛋白相关基因可能参与水稻对MeHg的吸收。这些发现增加了对水稻吸收MeHg的认知，为稻田汞污染调控提供了重要的理论依据。

资源与环境学院博士研究生郝芸芸为论文第一作者，刘玉荣教授为通讯作者，美国橡树岭国家实验室顾宝华教授、华中农业大学王创教授，冯娇副研究员、黄巧云教授、本科生朱玉杰、严若群等也参与了该项研究。

原文链接：

https://pubs./doi/10.1021/acs.est.2c00169