华中农大近期科学研究进展

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开发出植物甲基化编辑工具


近日,华中农业大学棉花遗传改良团队在Advanced Science杂志在线发表了题为"CRISPR/dCas13(Rx) Derived RNA N6-methyladenosine (m6A) Dynamic Modification in Plant"的研究论文,开发出基于CRISPR/dCas13(Rx)的新型植物RNA甲基化编辑工具。

遗传信息的表达经历了一个复杂的调控过程,RNA上发生的各种变化会影响mRNA的代谢与功能。在mRNA的生命周期中,细胞可以通过写入或者移除动态可逆的RNA化学修饰来高效调节基因表达,从而迅速响应外界环境变化。已知RNA存在超过160种以上的修饰方式。其中,N6-甲基腺苷(m6A)是真核生物mRNA最普遍的内部修饰,可能引起mRNA配对、热动力和折叠性能的改变,从而影响RNA的可变剪接、翻译、细胞定位、稳定性以及与蛋白的相互作用,在调节植物生长发育和抗逆性中起着重要作用。以往对植物中m6A功能分析的研究,多数是利用遗传扰动如敲除、超表达方式进行的。然而,直接增加或删除m6A系统的任何关键组分会导致植物中m6A修饰的总体水平发生变化,产生的影响无法预测。因此,开发新型m6A定点编辑工具来调节动态可逆的m6A修饰,通过转录后调控途径来调控基因表达,可以为理解植物表观遗传调控和改善植物农艺性状提供了新的切入角度。

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作者将无RNA剪切活性的dCas13(Rx)作为靶向RNA的锚定蛋白,分别与甲基转移酶 GhMTA(靶向RNA甲基化编辑器,TME)或去甲基转移酶GhALKBH10(靶向RNA去甲基化编辑器,TDE)结合起来,开发出了可编程的m6A编辑工具TME和TDE。亚细胞定位和Western 印迹分析显示,TDE、TME以及阳性对照dCas13(Rx)均在植物细胞中成功表达并定位在植物细胞的特定区域。

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植物中可编程的m6A 编辑工具的设计

经遗传转化获得的编辑植株的蛋白组数据表明所有植株中dCas13d蛋白正常表达。在检测靶标基因GhECA1的蛋白表达水平时,发现目标基因GhECA1的蛋白在TDE编辑材料中出现不同程度的表达降低,而在多个TME编辑材料中出现不同程度的表达增加。因此,作者推测特定m6A位点修饰水平的改变与下游的蛋白表达之间可能存在因果关系。

研究结果进一步表明m6A编辑器TME和TDE能在棉花基因组中在内转录本GhECA1和GhDi19的目标位点有效增加或降低m6A修饰,在0至46nt的宽编辑窗口内均可以实现高效编辑。TDE编辑器明显降低了24%~76%的m6A水平,而TME编辑器则实现了m6A富集水平增加1.37倍~2.51倍。最重要的是,用TME编辑植物靶向GhDi19转录本会显著增加根长并增强抗旱性。作者通过对编辑GhECA1植株进行MeRIP-seq,RNA-seq以及ATAC-seq联合分析,进一步证明了该编辑工具有较好的编辑特异性和较低的脱靶效应。

基于以上研究,作者提出了一个完整m6A编辑平台的工作模型,以研究与作物产量、品质和抗逆性相关的特定m6A修饰位点的功能。首先利用单碱基分辨率的高通量测序技术,确定可能在植物生长、发育或抗逆过程中具有关键生物学功能的特定m6A位点。随后,m6A编辑工具在设计的gRNA引导下增加或降低特定的m6A修饰水平。获得经m6A编辑的突变体,并通过多代鉴定其表型,筛选出具有更好农艺性状的“理想植物”。

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植物可编程m6A编辑工具的工作流程

该研究是金双侠课题组在基因编辑工具开发和分子育种应用方面的又一新进展,前期,该课题组开发了Cas9, Cas12a, Cas12b, CBE, ABE, ABE8e, dCas9-TV, Cas13等工具,能够在靶标位点进行敲除、敲入、敲高、敲低、SNP点突变等精准修饰,并利用这些工具创制了棉籽无棉酚、高油酸、除草剂抗性、抗虫、彩色棉花等优异新种质,为棉花功能基因组研究和分子设计育种提供了完备的工具箱和技术体系。

华中农业大学博士生余露为本论文第一作者,华中农业大学张献龙院士与金双侠教授为论文的共同通讯作者,杨细燕教授以及新疆石河子大学聂新辉教授参与了本项目的设计和指导。Muna Alariq博士、李保奇博士、博士生Amjad Hussain、硕士研究生周慧芳、王琼琼博士、王福秋博士、王冠英博士、博士生朱相潜、博士生惠凤娇等参与了该项研究工作。





在供应链管理领域取得新进展


近日,华中农业大学经济管理学院洪宪培教授、周品副教授、博士生周美伶、硕士毕业生何芷璇在管理学期刊Production and Operations Management上发表题为“Centralization or Decentralization? The Effect of Cost Learning on Procurement Strategy”的研究论文。该研究探究了生产中的学习效应对供应链采购策略偏好的影响,为全球化背景下跨国公司的采购决策提供了借鉴意义。

采购一直是企业战略管理的关键职能,采购成本在企业运营成本中占据较大比重。随着跨国公司发展,越来越多的企业建立多个事业部(multiple local divisions)负责全球各地区的生产、销售活动。在商业实践中,常用的采购模式主要包括两种。一为集中采购,即由总部设定专门的部门负责各个事业部的统一采购;二为分散采购,即各个事业部能够自主进行采购。选择集中采购或分散采购是企业在采购时面临的关键决策。已有研究表明,集中采购模式具有采购折扣、更高效的资源分配等优势,通常会更受企业青睐。然而,在2013年,丰田汽车向雅马哈采购的发动机数量增加使得雅马哈发动机的生产成本降低。同年,丰田汽车将其原采用的集中采购模式转变为分散采购模式。丰田汽车采购模式的变化表明现有结论并不能完全解释企业实践,成本学习效应如何影响企业的采购决策值得深入探究。

因此,本文构建了由一个上游供应商和一个下游制造商组成的二级供应链模型。下游制造商具有多个事业部,且各事业部之间存在市场竞争。本文考虑了两周期的生产问题,成本学习效应会使得第二周期的生产成本降低。

不同于已有研究,分散采购也会受到制造商的青睐,这取决于市场竞争和成本学习效应之间的权衡。具体来说,当市场竞争较小时,随着学习效应的增强,制造商的最优采购策略会从集中采购模式转为分散采购模式;随着学习效应进一步增加,制造商将再次采用集中采购模式;当市场竞争较大时,随着学习效应的增强,制造商的最优采购策略从分散采购转为集中采购。

较高的成本学习效应能够实现供应链的双赢乃至多赢局面。当成本学习效应足够大时,当学习效应足够大时,制造商和供应商能够实现双赢局面,并且能够使得消费者和整个销售渠道从中受益。

华中农业大学经济管理学院洪宪培教授为该论文第一作者,周品副教授为论文通讯作者。香港科技大学Ying-Ju Chen教授参与了本研究。





在城市热岛效应的可持续缓解策略方面取得新进展


近日,华中农业大学园艺林学学院风景园林系城市生态健康诊断与蓝绿空间效能优化创新团队吴昌广副教授课题组在Sustainable Cities and Society上发表研究论文“Effectiveness of potential strategies to mitigate surface urban heat island: A comprehensive investigation using high-resolution thermal observations from an unmanned aerial vehicle”,解析了城市下垫面温度日间变化的精细化特征及环境驱动因素,为缓解城市地表热岛效应提供了新的科学依据和设计建议。

准确析取多样化城市景观元素及其空间形态特征对热环境的影响规律是明确城市降温设计策略的重要前提。然而,受到观测精度的限制,当前基于卫星反演的混合热像元难以精确捕捉异质化城市下垫面温度的时空分异,为探索城市空间特征的热效应及适应性设计带来了不确定性。利用无人机平台获取的亚米级地表温度(Land surface temperature,LST)数据及高精度三维空间信息,研究以武汉市为例在夏季日加热周期中评估城市空间形态特征、下垫面材质类型及大型蓝绿基础设施对建成环境内部热环境的综合影响,识别关键影响因子及其驱动机制,进而提炼改善城市热环境的高效设计策略。

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 研究技术路线

在建成环境内部,基于随机森林模型的结果显示,地块尺度的LST变化主要受2D景观组分尤其是绿地覆盖率的驱动。与之相反,在精细尺度的不透水活动空间层面,3D空间构型因其遮荫调控能力而主导LST变化,并以天空开阔度(Sky view factor,SVF)为最关键的增温因子且其效率阈值约为0.7。对于城市户外降温,该结果表明综合调控城市建筑及周边绿化的空间布局以扩大遮荫比以往单一强调增加绿地覆盖或降低建筑密度更加高效。此外,虽然基于卫星观测的大量研究通过构建缓冲区分析了具有不同斑块特征的大型蓝绿空间的最大冷却距离及强度,但在高精度无人机热红外观测分析视角下,该类空间对相邻建成环境内不同下垫面材质表面温度的影响不具有显著性。最后,针对空间层面的关键城市表面降温技术,研究提供了一套具有优先序列的设计策略框架,为城市规划设计师更高效地改善户外热环境提供决策辅助和技术支持。

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 城市空间形态特征对地块及其内部不透水活动空间LST的差异化热贡献

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关键热环境空间影响因子与地块及其内部不透水活动空间LST变化的部分依赖图(Partial dependence plot, PDP)分析

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大型蓝绿空间外部连续缓冲区的整体(a)及不同下垫面材质的平均LST变化(b)

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 城市地表热岛缓解的优先级设计策略框架

风景园林系博士研究生李思韬为论文第一作者,吴昌广副教授为通讯作者,湖北省规划设计研究总院、湖北省空间规划研究院等单位参与了该研究。