原标题：华中农大近期科学研究进展
来源：华中农业大学
在猪体细胞克隆重编程障碍研究取得新进展
近日，我校动物科学技术学院、动物医学院苗义良团队与生命科学技术学院陈振夏团队合作揭示了猪克隆胚胎发育过程中组蛋白甲基化H3K9me3、H3K27me3以及DNA甲基化的重编程障碍，以及克服上述重编程障碍并促进猪克隆胚胎发育的两种新方法。研究成果以“TDG is a pig-specific epigenetic regulator with insensitivity to H3K9 and H3K27 demethylation in nuclear transfer embryos”为题在Stem Cell Reports发表。
近年来，伴随CRISPR/Cas9基因精确编辑体系的发展，克隆技术在猪分子育种上的应用潜力逐渐显现，一批与优势经济性状和抗病性状相关的克隆猪模型被纷纷创制。而由于猪和人类生理结构的相似性，克隆猪模型还可应用于人类器官再造和疾病病理研究，这都反映出猪克隆技术在农业育种和生物医学领域存在巨大的应用前景。非瘟疫情影响下，克隆技术还能应用于地方种、引进种和新培育猪品种的种质资源保存。
不过自克隆羊“多莉”诞生以来，哺乳动物克隆胚胎早期发育的高损率（克隆囊胚率仅10-15%，受精囊胚率可达30-80%）和极低的出生效率（克隆动物约1-2%，受精动物可达40-60%）一直是限制克隆技术推广应用的瓶颈问题。目前的主流观点认为，受体卵母细胞对供体细胞基因组存在天然的重编程障碍,导致克隆胚胎出现表观遗传修饰的异常富集和相应基因的异常表达，而寻找克服重编程障碍的有效方法一直是突破猪克隆技术应用壁垒的研究热点。
本研究首次结合近年来开发的低细胞量转录组测序（Smart-seq）技术，从全基因组层面鉴定了猪克隆胚胎在合子基因组激活阶段（4细胞期）异常表达的基因和基因组区域。同时，利用低细胞量的全基因组DNA甲基化测序（PBAT-seq）和染色质免疫共沉淀测序（ULI-NChIP-seq）技术，确定了上述异常表达的基因启动子和基因组区域中存在高水平富集的DNA甲基化和组蛋白甲基化H3K9me3、H3K27me3。最重要的是，针对这些重编程障碍，该研究开发了两项有效提高猪克隆胚胎发育能力的新方法：1）联合使用显微注射技术在克隆胚胎中过表达H3K9me3的去甲基化酶KDM4A，并向胚胎培养液中添加H3K27me3编写酶抑制剂GSK126；2）使用诱导表达与DNA去甲基化相关的胸腺嘧啶糖基化酶TDG的供体细胞株构建克隆胚胎。上述克服途径均不同程度地调整了猪克隆胚胎基因和基因组区域的异常表达，并最终使克隆胚胎的囊胚率提高近两倍。
在猪体细胞克隆重编程障碍研究取得新进展
近日，我校动物科学技术学院、动物医学院苗义良团队与生命科学技术学院陈振夏团队合作揭示了猪克隆胚胎发育过程中组蛋白甲基化H3K9me3、H3K27me3以及DNA甲基化的重编程障碍，以及克服上述重编程障碍并促进猪克隆胚胎发育的两种新方法。研究成果以“TDG is a pig-specific epigenetic regulator with insensitivity to H3K9 and H3K27 demethylation in nuclear transfer embryos”为题在Stem Cell Reports发表。
近年来，伴随CRISPR/Cas9基因精确编辑体系的发展，克隆技术在猪分子育种上的应用潜力逐渐显现，一批与优势经济性状和抗病性状相关的克隆猪模型被纷纷创制。而由于猪和人类生理结构的相似性，克隆猪模型还可应用于人类器官再造和疾病病理研究，这都反映出猪克隆技术在农业育种和生物医学领域存在巨大的应用前景。非瘟疫情影响下，克隆技术还能应用于地方种、引进种和新培育猪品种的种质资源保存。
不过自克隆羊“多莉”诞生以来，哺乳动物克隆胚胎早期发育的高损率（克隆囊胚率仅10-15%，受精囊胚率可达30-80%）和极低的出生效率（克隆动物约1-2%，受精动物可达40-60%）一直是限制克隆技术推广应用的瓶颈问题。目前的主流观点认为，受体卵母细胞对供体细胞基因组存在天然的重编程障碍,导致克隆胚胎出现表观遗传修饰的异常富集和相应基因的异常表达，而寻找克服重编程障碍的有效方法一直是突破猪克隆技术应用壁垒的研究热点。
本研究首次结合近年来开发的低细胞量转录组测序（Smart-seq）技术，从全基因组层面鉴定了猪克隆胚胎在合子基因组激活阶段（4细胞期）异常表达的基因和基因组区域。同时，利用低细胞量的全基因组DNA甲基化测序（PBAT-seq）和染色质免疫共沉淀测序（ULI-NChIP-seq）技术，确定了上述异常表达的基因启动子和基因组区域中存在高水平富集的DNA甲基化和组蛋白甲基化H3K9me3、H3K27me3。最重要的是，针对这些重编程障碍，该研究开发了两项有效提高猪克隆胚胎发育能力的新方法：1）联合使用显微注射技术在克隆胚胎中过表达H3K9me3的去甲基化酶KDM4A，并向胚胎培养液中添加H3K27me3编写酶抑制剂GSK126；2）使用诱导表达与DNA去甲基化相关的胸腺嘧啶糖基化酶TDG的供体细胞株构建克隆胚胎。上述克服途径均不同程度地调整了猪克隆胚胎基因和基因组区域的异常表达，并最终使克隆胚胎的囊胚率提高近两倍。
▲猪克隆胚胎在合子基因组激活阶段的重编程障碍和克服途径
我校动科动医学院副研究员刘鑫和王涛博士、生命科学技术学院陈露博士后为论文的共同第一作者，我校苗义良教授和陈振夏教授为论文通讯作者。本研究受到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。
论文链接：
https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(21)00489-6
开发大片段插入删除变异鉴定工具
近日，我校生物信息团队杨庆勇课题组联合新加坡国立大学Sung Wing-Kin（宋永健）课题组研究成果以“Calling large indels in 1047 Arabidopsis with IndelEnsembler”为题在Nucleic Acids Research发表。研究开发出高性能的大片段插入删除变异（InDel）鉴定工具‘IndelEnsembler’，使大片段InDel鉴定准确性由45%提高到84%。
遗传变异是指一个群体中个体之间DNA序列的差异，主要包括点突变（SNP/单核苷酸多态性）、小片段InDel和结构变异（包括大片段InDel、染色体倒位、易位和拷贝数变异）。SNP被广泛应用于群体遗传学研究和疾病相关基因的研究。然后越来越多的研究表明，SNP并不能解释所有的表型差异，在人类中有超过1000种疾病由结构变异导致。
据介绍，大量的遗传学和分子生物学证据表明大片段InDel在解释影响一系列重要农作物的表型变异中起主要作用。例如，黄瓜基因组上一个大片段DNA序列拷贝数变化可以决定黄瓜的性别，包含该变异的黄瓜产量约为普通黄瓜的15倍。蟠桃因其果形独特，味甜多汁而受到人们喜爱，研究发现蟠桃基因组中含有一个1.67 Mb的倒位，而普通桃中则没有。但是，目前鉴定到的表型相关的大片段InDel的数量远远小于SNP，其主要原因是现有的方法不能精确的鉴定基因组上的大片段InDel。该研究通过整合四个已发表的方法开发出高性能的大片段InDel鉴定工具IndelEnsembler，并将其应用于由1047个拟南芥品系构成的自然群体中，通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定到与重要性状相关的、新的大片段InDel。
据介绍，大量的遗传学和分子生物学证据表明大片段InDel在解释影响一系列重要农作物的表型变异中起主要作用。例如，黄瓜基因组上一个大片段DNA序列拷贝数变化可以决定黄瓜的性别，包含该变异的黄瓜产量约为普通黄瓜的15倍。蟠桃因其果形独特，味甜多汁而受到人们喜爱，研究发现蟠桃基因组中含有一个1.67 Mb的倒位，而普通桃中则没有。但是，目前鉴定到的表型相关的大片段InDel的数量远远小于SNP，其主要原因是现有的方法不能精确的鉴定基因组上的大片段InDel。该研究通过整合四个已发表的方法开发出高性能的大片段InDel鉴定工具IndelEnsembler，并将其应用于由1047个拟南芥品系构成的自然群体中，通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定到与重要性状相关的、新的大片段InDel。
相比于目前鉴定InDel性能最佳的两个软件GRIDSS和Manta，IndelEnsembler在不同物种及不同测序深度下均有很好的性能。相比于拟南芥中已开发的工具AthCNV，IndelEnsembler在鉴定缺失变异（DEL）和重复变异（DUP）时准确性分别提高一倍和30%。
大片段InDel在拟南芥基因组上分布不均匀且与转座子的分布呈现极显著正相关，80-96%的染色体着丝粒区域被InDel覆盖。大片段InDel倾向于分布在基因间区以及非编码基因上。拟南芥基因组上有13,102个基因受到大片段InDel的影响，但是这些基因主要是未知功能的基因，说明大片段InDel影响的基因大部分为非核心基因。现有研究表明，非核心基因与水稻、玉米等重要农作物的适应性、品质和驯化等性状密切相关。此外，大片段InDel影响的基因更多的分布在基因组上的串联重复区域，说明基因组上的串联重复区域为不稳定区域会积累更多的变异。
有48.91%的DEL与周围的SNP具有低连锁不平衡（LD），说明IndelEnsembler鉴定到了大量新的基因组变异，为挖掘影响拟南芥性状相关的基因组变异提供了重要资源。该研究鉴定到的一段377 bp的DEL造成开花期相关基因FRI第一个外显子上65 bp的缺失，含有该缺失的材料开花期提前。另外该研究还鉴定到AT1G11520基因上的一段182 bp缺失，含有该缺失的材料开花期推迟。值得注意的是，上述两段缺失不能在同一个材料中出现而且所有北瑞典地区的材料AT1G11520基因上均含有该182 bp的缺失。这些结果说明拟南芥中仍然存在不少未知的基因组变异，IndelEnsembler鉴定到的大片段InDel可以作为拟南芥中表型相关的基因组变异数据集的一个补充。
据悉我校信息学院博士研究生刘东旭和新加坡国立大学Ramesh Rajaby博士为该论文共同第一作者，信息学院杨庆勇副教授和新加坡国立大学宋永健教授为该论文通讯作者。该研究数据分析工作得到华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室生物信息计算平台支持和帮助，得到国家重点研发计划（2017YFE0104800），国家自然科学基金（32070559）等项目资助。
论文链接：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab904/6395340
提出稻虾模式可持续发展策略
近日，我校植物科学技术学院农业生态研究团队发表综述，讲述了中国稻虾模式的发展故事，全面分析了稻虾模式的环境生态效应、经济效应和社会效应，提出了中国稻虾模式可持续发展的原理与技术策略。研究成果以“Crayfish–rice integrated system of production：An agriculture success story in China. A review”为题发表在Agronomy for Sustainable Development上。
▲中国稻虾模式的面积分布
中国农业正在寻求可持续的增产以解决粮食问题。传统的“高投入、高污染”的农业生产模式给资源和环境带来了巨大的负担。目前，中国正在推动农业生产方式向资源节约和绿色发展方向转变，近年来，稻虾综合种养模式因其显著的经济效益在我国得到了迅速发展。本文中，我们利用统计数据、文献综述，结合本团队多年长期定位试验研究结果，回顾了稻虾综合种养模式在中国的起源和发展，并将中国稻虾综合种养模式与世界其他地区的类似农业模型进行了比较，全面综述分析了稻虾综合种养模式在生态、经济、社会方面的效应，以便对其进行客观评价，并得出了三个主要结论。首先，尽管最初引进的小龙虾来自美国，但稻虾综合种养模式在中国的快速发展使中国迅速成为世界上最大的小龙虾生产国，中国的小龙虾产量占世界产量的90%以上，成为小龙虾加工和餐饮行业的领导者。其次，中国特有的稻虾种养模式促进了水稻种植向优质、绿色生产体系的转型。最后，稻虾综合种养模式对稻田系统的土壤质量、水分和养分循环、害虫限制和生物多样性发展产生了积极影响。稻虾综合种养模式成为中国农业生产绿色转型的一个成功案例。基于以上分析，本文提出了稻虾综合种养模式可持续发展的生态原理和技术策略，这些结果也可为世界范围内其他种养系统的绿色可持续发展提供参考。
▲稻虾模式可持续发展原理与技术策略
农业生态研究团队经过20多年稻田综合种养模式的研究，提出了稻田综合种养绿色发展的理论体系，构建了“双水双绿”稻虾、稻鸭综合种养模式，出版了《湖北省“双水双绿”产业发展战略研究》专著，发表相关研究论文34篇。
植物科学技术学院农业生态团队江洋副教授为论文第一作者，曹凑贵教授为通讯作者。上述研究获得国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等项目的共同资助。
论文链接：https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s13593-021-00724-w.pdf
