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整合团队凝心聚力 凝炼方向攻艰克难

时间:2020/05/16 12:55:00  来源:   作者:   点击:

——植物保护学院科研团队建设有成效


新万博MAX登录新一届领导班子自2019年12月初正式组建以来,着眼于凝练学科方向、整合科研团队工作,通过原有科研团队的述职、外聘专家的建议、团队内部的协调等系列工作,于2020年初正式整合为七大科研团队:粮作害虫团队(李有志、杨中侠、谭琳、丁文兵、贺华良、邱林、李志文、薛进、王玉生)、粮作病害团队(戴良英、刘二明、丁中、周倩、王运生、唐前君、李魏、陈武、朱宏建、王冰、钟杰、任佐华、叶姗、刘敬)、园艺害虫团队(黄国华、曾爱平、王星、刘劲军、于欢、张永生、陈功)、园艺病害团队(易图永、洪艳云、宋娜)、生防资源挖掘与农药高效应用团队(廖晓兰、李晓刚、杨海君、何可佳、张亚、刘双清、石力)、杂草防控团队(潘浪、刘开林、刘祥英、胡利锋、罗坤、刘敏)、生物信息学团队(袁哲明、周玮、李兰芝、代志军、陈渊、胡媛)。经过近五个月的努力,重新整合的科研团队由分散的多点研究有机融合形成为资源、优势互补,统一部署,集中力量攻克同一科学问题的科研链,争取在国内乃至世界范围内把具体某种病虫草害做出特色,做成招牌,打破之前博而不精的局面。目前新组建的团队蓬勃发展,取得了初步成效,在各领域内Top期刊上发表论文8篇,具体情况简述如下。

 

一、粮作害虫团队描述了白背飞虱的趋冷行为及其可被TRPA1通道蛋白调控的分子机制

粮作害虫团队由李有志教授领衔,聚焦于水稻害虫灾变机制、绿色防控模式构建与应用研究。近期在水稻重要害虫白背飞虱趋冷行为及温度感受方面的研究取得重要进展:

白背飞虱(Sogatella furcifera Horváth)是水稻上的一种重要害虫。我国白背飞虱每年春季随西南气流从东南亚越冬区域或我国部分南方稻区北迁,秋季又东北气流回迁南方稻区越冬,其迁飞过程与低空急流的时空动态相关。昆虫的迁飞过程包括起飞、运行和降落三个阶段,起飞后可主动爬升到600~1500米高度,迁飞种群多在200~1000米高度成层,层厚达几十米到几百米。夜间飞行的昆虫往往在逆温层顶或稍上强烈的风切变带中成层,这里的气温要比地面气温高5~10℃。白背飞虱一般在傍晚地面温度25℃左右时频繁起飞,然后爬升至高空逐渐形成迁飞层。但白背飞虱迁飞层高度远高于夜间逆温层所在的高度,其迁飞层的大气温度约为16℃左右,已逼近其自身的低温飞行阈值。另,团队在田间观察发现,常有大量白背飞虱呆在水稻冠层,甚至在盛夏正午阳光的直射下也不转移至阴凉区域。对比上述两种行为发现,白背飞虱在不同条件下对温度偏好可能有不同的选择。因此,激发了团队对白背飞虱温度选择偏好及温度感受分子机制的兴趣。

团队成员首先独创了一种可观察体型较小昆虫对温度选择的装置,利用该装置可灵活设置不同的温度区间或不同的温度升降梯度(图A)。其次,团队对比分析了几种昆虫的温区选择偏好行为,主要有白背飞虱、褐飞虱(Nilaparvata lugens Stál,可远距离迁飞,夏季迁飞高度比白背飞虱低200~500m)、灰飞虱(Laodelphax striatellus Fallén,疑似可远距离迁飞)、黑肩绿盲蝽(Trialeurodes vaporariorum,稻飞虱的伴迁天敌,迁飞高度可能接近逆温层高度)、烟粉虱(Bemisia tabaci,迁飞高度约150~200m)。结果发现,三种稻飞虱都表现出趋冷行为(图B),即偏好选择装置的低温端,只是不同飞虱的趋冷速度有所差异,而黑肩绿盲蝽(图B)和烟粉虱未表现出明显的趋冷行为。

为了明确白背飞虱趋冷行为的分子机制,我们选择分析了一系列与温、湿度感受、重力感受等相关的靶标基因,最终发现瞬时受体电位离子通道(transient receptor potential)家族成员中的TRPA1基因可调控白背飞虱的趋冷行为。当利用RNAi技术抑制TRPA1 mRNA水平时,白背飞虱的趋冷行为显著加快(图C)。当利用TRPA1蛋白的激活剂处理时,白背飞虱的趋冷行为显著减缓,而其蛋白抑制剂的效果与RNAi的效果相似(图D)。综合上述结果推测,TRPA1蛋白可能为白背飞虱的热感受体;团队成员将继续尝试鉴定白背飞虱的冷感受体,及可能与迁飞行为之间的关系。

昆虫迁飞研究领域的研究多关注大气动力学等环境因素对迁飞高度的影响。本研究创新性的从昆虫温度感受出发,探讨了稻飞虱高空迁飞层形成可能的原因,研究成果对于拓展研究和深入解析稻飞虱迁飞行为,以及其他昆虫的迁飞行为具有重要的参考意义。同时,趋冷行为相关靶标基因的鉴定,可促进从迁飞行为调控的角度开发害虫防控新策略,进而可能实现将迁飞性稻飞虱截停在东南亚越冬区域,从源头上拒之于国门之外。

该研究结果以“A novel negative thermotaxis behavior in rice planthoppers is regulated by TRPA1 channel”为题,论文于2020年4月5日正式发表在农林科学大类一区(Top期刊)“Pest Management Science”上。

新万博MAX登录为第一完成单位,作者均为水稻害虫团队骨干成员及学生。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ps.5846

 

二、粮作病害团队在《Annual Review of Plant Biology》发表作物广谱抗病育种综述论文

粮作病害团队由戴良英教授领衔,聚焦于作物抗病基因资源挖掘、作物与微生物互作、粮作病害综合防控及粮作线虫致病机制等方面的研究。近期该团队成员在作物广谱抗病基因分类、作用机制及其育种方面发表重要综述:

植物病害降低了作物的产量与质量,威胁全球粮食安全,因此选育抗病品种是作物育种的主要目标之一。广谱抗性(Broad-Spectrum Resistance, BSR)可使作物对一种以上病原物或者一种病原物的多个小种或株系具有抗性。对一种以上病原物具有抗性称之为SNS(species-nonspecific)BSR,对一种病原物的多个小种或株系具有抗性称之为RNS(race-nonspecific)BSR。当前研究鉴定到的SNS BSR蛋白和RNS BSR蛋白可归类为模式识别受体、NLR蛋白和病程相关蛋白等7类。

目前,利用这些BSR蛋白人们主要通过R蛋白的聚合、R蛋白与QTL的聚合、感病基因的编辑、更改免疫受体结构与表达等7方面进行作物的抗病育种。然而,在利用BSR基因进行抗病育种时人们仍然面临抗病性与产量平衡以及抗性能否持久等问题的挑战。

2020年3月20日,植物保护学院教师李魏博士以第一作者在国际知名年评期刊《Annual Review of Plant Biology》(影响因子18.9)上在线发表题为“Exploiting Broad-Spectrum Disease Resistance in Crops: From Molecular Dissection to Breeding” 的综述论文,新万博MAX登录为第二单位。

原文链接:https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-arplant-010720-022215

 

三、园艺害虫团队阐明囊泡病毒感染宿主幼虫的神经钙调磷酸酶应答模式

园艺害虫团队由黄国华教授领衔,聚焦于园艺害虫多样性及其系统调控研究工作,重点关注园艺害虫与其自然天敌的分类鉴定、识别监测、成灾规律和绿色防控,以及昆虫囊泡病毒的分子致病机制与制剂研发等方面,近期在重要害虫甜菜夜蛾对囊泡病毒感染响应机制方面取得重要进展,简述如下。

(一)囊泡病毒(ascovirus)是一类环状双链DNA昆虫病毒,主要感染鳞翅目、双翅目昆虫的幼虫。在野外,囊泡病毒主要依靠寄生蜂的产卵行为在宿主个体间传播。被囊泡病毒感染的幼虫血淋巴会由澄清的透明状变成浑浊的奶白色。本课题组于2012年在湖南长沙分离获得第一株中国本土的囊泡病毒毒株——烟芽夜蛾囊泡病毒3h株(Heliothisvirescensascovirus 3h, HvAV-3h)。经过室内毒力测定,该毒株的感染对甜菜夜蛾、棉铃虫、斜纹夜蛾的幼虫均有高致死率(>95%),是一株极具生防潜力的昆虫病毒毒株。

为了明确囊泡病毒对宿主幼虫的致病机制,我们以HvAV-3h的天然分离宿主——甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)为研究对象,通过转录组筛选得到两个甜菜夜蛾编码的神经钙调磷酸酶(calcineurin, CaN)亚基基因(SeCaN-SubASeCaN-BP)。对这两个基因的原核表达产物进行活性分析,我们发现SeCaN-SubA具有典型的CaN活性,且在pH值为3.8时活性最高,同时它的活性必须依靠金属离子(Ca2+Ni2+Mn2+)来展现。SeCaN-BP则未展现出磷酸酶的活性。

进一步的分析检测表明,HvAV-3h的感染会导致甜菜夜蛾体内的CaN的活性明显升高,且SeCaN-SubA的转录水平也会上调,而SeCaN-BP的转录本仅在HvAV-3h感染的甜菜夜蛾体内能检测到。

为了探明SeCaN-SubA与SeCaN-BP在甜菜夜蛾体内的组织特异性,我们分别将健康的和HvAV-3h感染后不同时间点的甜菜夜蛾幼虫解剖,并对各组织内CaN的活性、SeCaN-SubASeCaN-BP的转录和表达进行检测。结果表明,SeCaN-SubA和SeCaN-BP均在脂肪体中表达量最丰富,表皮次之,中肠和血淋巴中表达量较少;囊泡病毒大多堆积于血淋巴中,脂肪体次之,中肠和表皮组织少被感染。SeCaN-SubA和SeCaN-BP组织特异性相似,提示着二者之间可能存在互作。


为了验证SeCaN-SubA与SeCaN-BP是可能存在的互作关系,我们利用杆状病毒表达系统分别表达了SeCaN-SubA和SeCaN-BP。CaN活力检测结果表明,SeCaN-BP虽然没有CaN活性,但将其与SeCaN-SubA混合后,能够显著提升SeCaN-SubA的酶活性。进一步的免疫共沉淀也表明了SeCaN-SubA与SeCaN-BP之间存在蛋白互作。

cyclosporin A(CA)和FK-506(FK)为CaN抑制剂,喂食甜菜夜蛾幼虫并接种HvAV-3h,检测不同处理下甜菜夜蛾体内HvAV-3h的复制以及CaN的调控应答。结果表明,抑制宿主CaN活性会导致HvAV-3h的复制受到抑制;HvAV-3h的感染能够抵御部分抑制剂的作用。

这些结果表明,囊泡病毒的感染会刺激甜菜夜蛾幼虫编码SeCaN-BP,而SeCaN-BP能够辅助SeCaN-SubA展示其CaN的活性。病毒能够直接的或间接的从宿主上调的CaN活性中获利——帮助病毒更快的进行DNA的复制。

该研究结果以“Altering of host larval (Spodopteraexigua) calcineurin activity in response to ascovirus infection” 为题,论文于2020年2月11日正式发表在农林科学大类一区(Top期刊)“Pest Management Science”上。

新万博MAX登录为第一完成单位,作者均为园艺害虫团队骨干成员。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ps.5615


 (二)细胞凋亡是多细胞生物为维持自身正常的生长而调控的细胞或组织的程序性死亡。同时,细胞凋亡也是生物在病原微生物感染后作出的常见应答反应。相较哺乳动物,昆虫的细胞凋亡研究相对滞后。

本研究以甜菜夜蛾为研究对象,对甜菜夜蛾编码的4个caspase蛋白(SeCasp-1、-6、-7、-8)进行了功能分析,为后续甜菜夜蛾与囊泡病毒的互做研究奠定基础。我们首先利用杆状病毒表达系统,对4个SeCasp蛋白进行了真核表达,并利用融合与SeCasp蛋白两端的His-tag和Flag-tag进行Western blotting检测。结果表明,4个SeCasp蛋白均与预期大小一致,但未见明显的切割。

进一步的caspase活性分析表明,SeCasp-1具有类似人类caspase-1、-3、-4、-6、-8、-9的活性;SeCasp-6具有类似人类caspase-2、-3、-4、-6、-8、-9的活性;SeCasp-7具有人类caspase-2、-3、-4、-6的活性;SeCasp-8仅具有人类caspase-8的活性。

以双氧水(H2O2)、放线菌素D(ActD)和地塞米松(DEX)分别作为细胞凋亡诱导剂,对甜菜夜蛾脂肪体细胞系(SeFB细胞)进行凋亡诱导后,分别检测不同诱导剂处理下SeFB细胞中SeCasp基因的表达调控。结果表明,4个SeCasp基因的表达均会随着诱导剂的施用而上调,其中SeCasp-1最为敏感,SeCasp-6次之,SeCasp-7最迟钝。

 

以大肠杆菌、苏云金芽孢杆菌、囊泡病毒和杆状病毒分别感染3龄甜菜夜蛾幼虫,并检测4种病原微生物感染后甜菜夜蛾体内SeCasp基因的转录调控情况。结果表明,SeCasp-1对苏云金芽孢杆菌的感染敏感,SeCasp-6对杆状病毒的感染敏感,SeCasp-7SeCasp-8对病原微生物的感染均不敏感。

该研究结果以 “Identification of four caspase genes from Spodopteraexigua (Lepidoptera: Noctuidae) and their regulations toward different apoptotic stimulations” 为题,论文于2020年4月13日在线发表在农林科学大类一区(Top期刊)“Insect Science”上。

新万博MAX登录为第一完成单位,作者均为园艺害虫团队骨干成员。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1744-7917.12741

 

四、生防资源挖掘与农药高效应用团队阐述马拉硫磷在我国蔬菜和水果中的残留行为和膳食风险

该团队由廖晓兰教授领衔,立足于保障农产品质量安全及农药使用安全,主要开展生物防治、农药制剂、农药残留及风险评估等方面研究。近期在我国特色小宗作物用药、残留限量标准制定及膳食风险评估等方面的研究取得了重要进展,简述如下:

当前,我国特色小宗作物用药存在品种短缺、乱用、滥用等现象,并由此引起残留超标、农产品质量安全等问题,为解决我国特色小宗作物“无药可用”的难题,农业农村部通过制定相关政策鼓励企业及科研单位登记和研究特色小宗作物用药,并通过组织制定其残留限量标准以减少国际贸易争端。马拉硫磷(malathion)为非内吸广谱杀虫剂,因毒性低、降解快、杀虫效果优异等特性在全球广泛使用。目前中国登记的马拉硫磷有近700个制剂产品,广泛应用于水稻、棉花、茶树、蔬菜、水果等作物防治刺吸口器及咀嚼口器昆虫。2017年,中国农业农村部撤销了有机磷类农药乙酰甲胺磷和甲胺磷在蔬菜、瓜果、茶叶等作物上的登记,马拉硫磷作为同类可用产品将扩展其使用范围,其对农产品质量安全和消费者健康所构成的潜在风险也将备受关注。樱桃番茄、青花菜、桑葚、蔓越莓、无花果等五种蔬菜和水果在我国种植广泛,使用马拉硫磷可防治多种虫害,我国暂未制定其最大残留限量值(MRL),而残留限量是农药残留监测和各国贸易技术壁垒最关键的判定标准

团队成员通过在我国樱桃番茄、青花菜、桑葚、蔓越莓、无花果等蔬菜和水果主要种植区域开展45%马拉硫磷乳油的田间残留试验并采集样品,同时建立了马拉硫磷在樱桃番茄、青花菜、桑葚、蔓越莓、无花果等蔬菜和水果上的残留分析方法,对马拉硫磷在各作物代表性种植区域的残留消解动态和最终残留量进行了分析,并根据我国不同年龄段人群的膳食量进行了长期膳食风险评估,参照风险评估结果制定了马拉硫磷在上述五种农产品上的残留限量标准和安全合理使用准则,从而为保护消费者健康和环境安全提供了重要的科学依据。结果显示,马拉硫磷在各作物中的残留量随时间的延长而逐渐降低,施药5 d后的消解率可达80.92%~95.71%,10 d后残留量即分别低于其定量限(LOQ),消解半衰期为1.10~2.15 d,证明马拉硫磷为易降解农药。最后一次施用45%马拉硫磷乳油后,各作物中的最终残留量在<0.01~0.58 mg/kg之间,且随施药剂量和施药次数的增加而增加。根据各蔬菜和水果的长期膳食风险评估结果,中国各类人群对马拉硫磷的国家估算每日摄入量(NEDI)为0.021~0.549 μg/(kg bw·d),风险商值(RQ)为0.007%~0.18%之间,均低于100%,表明马拉硫磷在各蔬菜和水果中的膳食摄入风险较低,为可接受的安全水平。

根据上述研究结果及我国的生产实际需要,给出两点建议:一是使用45%马拉硫磷乳油防治蔬菜和水果中的虫害,按最高推荐剂量、最多施药2次、安全间隔期(PHI)分别为3, 7, 5, 5, 5 d;二是马拉硫磷在樱桃番茄、青花菜、桑葚、蔓越莓和无花果中的MRL值分别暂定为1, 1, 1, 1, 0.2 mg/kg,可确保我国不同人群的膳食安全性。该研究首次系统性推荐制定了马拉硫磷在我国多种作物上的安全间隔期和最高残留限量值,其结果对规范马拉硫磷的安全合理使用、保障农产品质量安全和消费者健康具有重要意义,同时,相关国家标准的制定也为解决农产品国际贸易壁垒提供了重要的科学依据。

该研究结果以“The degradation behaviour, residue distribution, and dietary risk assessment of malathion on vegetables and fruits in China by GC-FPD”为题于2020年1月正式发表在农林科学大类一区(Top期刊)“Food  Control”上。新万博MAX登录为论文第一完成单位,湖南省农药检定所、农业农村部农药检定所及中国科学研究院生态环境中心为合作完成单位,博士研究生刘一平为论文第一作者(目前在中南大学从事博士后研究),刘双清副教授为共同第一作者,廖晓兰教授和李晓刚教授为共同通讯作者。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956713519303433

 

五、杂草防控团队揭示了内生菌增强棒头草对精喹禾灵抗性的机制及解草啶作用新机制

杂草防控研究团队由潘浪副教授领衔,聚焦于杂草生物学及杂草绿色防控技术研究与应用研究。近期该团队在杂草抗药性机制及安全剂解毒机制的研究方面取得重要进展,简述如下:

(一)杂草对除草剂的抗性机制通常被认为包括杂草靶标位点的突变、解毒代谢作用和隔离作用增强。内生植物能促进植物生长,增强植物对非生物胁迫的耐受性。迄今为止,内生菌如何影响杂草对除草剂的抗性还没有报道。

本研究监测了我国部分地区棒头草对精喹禾灵的抗药性,对棒头草内生菌进行分离,测定了内生菌对精喹禾灵的降解,利用接种技术将内生菌接种到敏感棒头草,研究内生菌对棒头草抗精喹禾灵的影响,喷洒杀菌剂抑制杂草内生菌,研究杀菌剂对精喹禾灵耐药性的影响,以期阐明内生菌对杂草抗药性的内在影响。

结果表明我国棒头草对精喹禾灵产生一定程度的抗药性。其中,来自四川省青神县的种群抗性指数最高。四川省青神抗性种群的精喹禾灵降解内生菌数量和降解速率(图a)均高于敏感种群(图b)。四川省青神抗性种群分离的KT4菌株降解速率最高,鉴定为鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp)。KT4内生菌接种后增强了敏感棒头草对精喹禾灵的抗性。精喹禾灵与春雷霉素或井冈霉素的联合处理可抑制内生菌生长,降低了抗性种群对精喹禾灵的抗性水平。该研究首次报道内生菌增强杂草对除草剂的抗药性,为杂草抗药性机制研究开辟新思路。


该研究结果以“Endophytes enhance Asia minor bluegrass (Polypogon fugax) resistance to quizalofop-p-ethyl”为题,论文于2020年4月14日正式发表在农林科学大类一区(Top期刊)“Plant and Soil”上。

新万博MAX登录为第一完成单位,作者均为杂草生物学及防控研究团队成员及学生。

原文链接:https://doi.org/10.1007/s11104-020-04509-0

 

(二)除草剂安全剂是一类特殊的化合物,能够保护禾本科作物免受除草剂的药害,提高除草剂的选择性,但不降低除草活性。目前,添加安全剂的除草剂已经占到市场份额的30%以上。解草啶是为提高氯乙酰酰胺类除草剂对水稻的选择性而专门开发的安全剂,主要用于减轻丙草胺对水稻的药害。尽管解草啶应用已有多年,但是其作用机理依然未被阐明。


此研究发现丙草胺的使用导致水稻产生了严重的脂质过氧化和氧化破坏,解草啶能显著减轻这种氧化破坏。

研究证实解草啶不会影响水稻对丙草胺的吸收,但是会加快丙草胺在水稻体内的代谢速率。通过转录组测序及qRT-PCR验证,发现解草啶能诱导水稻体内一系列与除草剂代谢相关的基因,包括4个P450基因CYP71Y83、CYP71K14、CYP734A2 和 CYP71D55,2个 GST 基因 GSTU16 和GSTF5。

该研究首次报道了解草啶的作用机理除与其能增强水稻对除草剂的代谢之外,还与其能提高水稻的抗氧化防御能力有关。

研究论文“Effects of fenclorim on rice physiology, gene transcription and pretilachlor detoxification ability” 近日在植物学主流期刊“BMC Plant Biology”上发表。

新万博MAX登录为第一完成单位,作者均为杂草生物学及防控研究团队成员及学生。

原文链接:

https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-020-2304-y

 

六、生物信息学团队助力新冠病毒疫情防控,评估了武汉封城效应与各省市防控成效

生物信息学团队由袁哲明教授领衔,重点致力于数据分析与决策技术(特别是有监督机器学习数据分析整体框架)、农业生物组学数据分析(特别是作物全基因组分子辅助选择育种、农业微生物与作物互作组学数据分析)、农业数据采集与决策(特别是水稻病虫害预测预报)等研究工作。近期助力新冠病毒疫情防控,在评估武汉封城效应与各省市防控成效方面取得进展:

研究先基于2019年春运若干城市到发旅客实数与百度迁徙指数,较准确估计出一个百度迁徙指数约为56137人。再依2020年逐日百度迁徙指数与各省市确诊病例数据,发现影响非武汉地区后期累计感染病例的两个关键因子:1月19日前来自武汉的 "种子病例数"(感染率低但传播力强,考虑感染-确诊平均10天的延后,以1月29日累计确诊病例表示),1月20日~1月26日从武汉迁入人数(感染率高但传播力弱,1月20日宣布人传人后公众防护意识加强)。藉此简单有效回归模型指出:1)武汉封城推迟或提前3天,至3月1日非武汉地区确诊病例将增加35.21%或减少30.74%~48.59%。2)武汉至少有56916人感染(这是迄今最接近官方报告50339人的估计)。3)省级层面,贵州、河南、湖南防控较好,黑龙江、广东、山东、四川、江西稍弱;地市级层面,黄冈、咸宁、恩施、荆门防控较好,鄂州、随州、孝感、宜昌稍弱。研究表明,武汉封城加上全国范围内的交通管制与社交隔离对控制COVID-19在中国大陆的蔓延有决定性影响,大数据已经并将继续在公共卫生领域发挥重要作用。

该研究结果以“A simple model to assess Wuhan lock-down effect and region efforts during COVID-19 epidemic in China Mainland”为题,于2020年5月1日被JCR一区期刊“Bull World Health Organ”(IF6.818)正式录用。    

新万博MAX登录为第一完成单位,第一作者与通讯作者为生物信息学团队骨干成员及学生。

原文链接:http://dx.doi.org/10.2471/BLT.20.254045

 

植保院贺华良、李魏、于欢、刘开林、胡利锋、张亚、袁哲明供稿)

 

  
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