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合成生物学赋能:从学科发展到产业转化

中国科学院院刊 2024年第5期39卷 851-861页

作者：熊燕马雪晴陈大明刘晓赵国屏中国科学院上海营养与健康研究所上海生命科学信息中心上海200031 中国科学院大学北京100049 中国科学院上海营养与健康研究所生物医学大数据中心上海200031 中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海200032

合成生物学通过引入工程科学“自下而上”认识生命体系的理念,在生命科学研究中采用“设计—构建—测试—学习”迭代的研究范式,并在基因组和系统生物学的基础上,构建工程化的新生命体系,为生命科学提供了“从创造到理解”的新途径,不... 详细信息

合成生物学通过引入工程科学“自下而上”认识生命体系的理念,在生命科学研究中采用“设计—构建—测试—学习”迭代的研究范式,并在基因组和系统生物学的基础上,构建工程化的新生命体系,为生命科学提供了“从创造到理解”的新途径,不仅颠覆了从整体到局部的“格物致知—还原论”的传统研究策略,还开启了理解生命本质的“建物致知”新文化。同时,合成生物学将生物技术由“模拟自然过程”和“遗传工程改造”上升至“定量理性设计”和“标准化构建测试”的高度,推动生物工程和代谢工程朝着对标生命过程的高效率、普适性的工程化“重编程”,甚至是“从头构建”的新高度,以实现“建物致用”的目标。文章梳理了合成生物学近年来在生命科学基础研究中“建物致知”方面的重要进展,列举了其在化工、医药、食品、环境等应用领域中“建物致用”的具体案例,展现了合成生物学对人类社会全面发展正在发挥的重大影响,强调了为确保合成生物学的健康、快速发展,构建会聚生态系统与治理体系的重要性。

关键词：合成生物学赋能会聚创新生态系统

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肠芯片在宿主-微生物互作中的研究进展

生物工程学报 2024年

作者：李向阳史鹏程张乐王慧尤晓颜赵国屏河南科技大学食品与生物工程学院中国科学院天津工业生物技术研究所中国科学院上海植物生理生态研究所中国科学院上海营养与健康研究所中国科学院深圳先进技术研究院

人体肠道是一个复杂的生态系统，富含多样的微生物群落，这些微生物群落在营养吸收、药物代谢和机体免疫等方面发挥着关键作用。随着微流控技术和器官芯片技术的不断发展，肠芯片已经成为模拟宿主-微生物互作的有力工具。这些微型化的... 详细信息

人体肠道是一个复杂的生态系统，富含多样的微生物群落，这些微生物群落在营养吸收、药物代谢和机体免疫等方面发挥着关键作用。随着微流控技术和器官芯片技术的不断发展，肠芯片已经成为模拟宿主-微生物互作的有力工具。这些微型化的生物系统能够在体外模拟人体肠道的复杂生理环境，为研究肠道微生物与宿主之间的相互作用提供了一个独特的平台。本文首先介绍了人体肠道的生理特点，概述了微流控器官芯片集成多细胞组分、生物流体、氧气梯度、机械力学等微环境因素在体外重塑肠道微生理系统的优势，然后阐述了衡量体外肠芯片构建成功与否的关键性能指标，并综述了芯片上肠-微生物互作模型在肠道微生态研究、疾病模拟和药物评价方面的研究进展，最后讨论了其存在的局限和未来的发展趋势。通过对上述内容的总结，以期为应用肠芯片深入研究肠道微生物与宿主的相互作用提供参考。

关键词：肠道微流控肠芯片宿主-微生物互作病理生理学

维生素C工业废母液对不结球白菜氮素利用及品质的影响

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生态学杂志 2024年第8期43卷 2448-2454页

作者：葛小艺高明夫徐慧辽宁大学生命科学院沈阳110036 中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳110016 新疆库车市现代农业科创中心新疆库车842000

促进作物对氮肥的吸收和同化对提高作物产量、改善品质至关重要。目前,低分子量有机质对植物利用土壤氮素的影响研究鲜有报道。本研究目的在于探究以小分子有机酸为主要成分的维生素C工业废弃液古龙酸母液(RAE)在不结球白菜(Brassica ca... 详细信息

促进作物对氮肥的吸收和同化对提高作物产量、改善品质至关重要。目前,低分子量有机质对植物利用土壤氮素的影响研究鲜有报道。本研究目的在于探究以小分子有机酸为主要成分的维生素C工业废弃液古龙酸母液(RAE)在不结球白菜(Brassica campestris ssp. chinensis)利用土壤氮素过程中发挥的作用。结果表明:施用RAE后,氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率和氮肥表观利用率分别提高171.2%、57.9%、46.1%和86.1%;施用RAE显著促进了植株生长,叶片总氮积累量和生物量分别提高60.7%和57.9%;同时,叶绿素含量提高16.7%,可溶性蛋白和游离氨基酸含量分别提高65.4%和15.1%,且亚硝酸盐还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶表达水平上调,表明光合作用得到强化,显著促进了无机氮同化;RAE能够显著提高氮肥利用率,在增加作物产量的同时,还可以改善作物品质。本研究为RAE的资源化利用提供了科学依据,并为提高氮肥利用率带来一种具有潜在应用前景的有机增效剂。

关键词：有机酸不结球白菜氮肥同化氮肥利用率

一种天然共生细菌通过酸化伊蚊肠道抑制蚊媒病毒感染传播

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科学通报 2024年第21期69卷 3070-3072页

作者：高涵胡文倩王四宝新基石科学实验室中国科学院昆虫发育与进化生物学重点实验室中国科学院分子植物科学卓越创新中心中国科学院植物生理生态研究所上海200032

登革热、寨卡热、基孔肯雅热、西尼罗热和黄热病等蚊媒病毒传染病,每年导致全球数亿人感染,对全球公共卫生构成了严峻威胁^([1]).登革热和寨卡热是两种最具代表性的蚊媒病毒传染病,登革热是传播最广的虫媒病毒,在全球100多个国家感染流... 详细信息

登革热、寨卡热、基孔肯雅热、西尼罗热和黄热病等蚊媒病毒传染病,每年导致全球数亿人感染,对全球公共卫生构成了严峻威胁^([1]).登革热和寨卡热是两种最具代表性的蚊媒病毒传染病,登革热是传播最广的虫媒病毒,在全球100多个国家感染流行,每年引发约4亿人感染^([2]).据世界卫生组织(WHO)统计显示,在过去20年中,登革热的全球发病率显著上升,已经成为全球严重的公共卫生负担.2000~2019年,世界卫生组织记录了全球报告病例的10倍激增.自2023年初以来,全球范围内登革热病例激增,已蔓延到以前未受登革热影响的地区.

关键词：基孔肯雅热感染传播蚊媒病毒全球公共卫生登革热虫媒病毒共生细菌报告病例

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光合作用系统模型与作物高光效改良

生命科学 2024年

作者：刘扶桑宋青峰于桂朝毛林雄朱新广植物分子遗传国家重点实验室中国科学院分子植物科学卓越创新中心中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所荷兰瓦赫宁根大学作物系统分析中心植物科学系

提高光合效率是提高作物产量的有效手段。然而光合系统的复杂性使得单纯利用遗传手段鉴定提高光合效率的有效靶点无论从时间还是从成本上都极高。构建并利用多尺度光合系统成为当前鉴定控制光合效率核心靶点的重要手段。本文回顾了近年... 详细信息

提高光合效率是提高作物产量的有效手段。然而光合系统的复杂性使得单纯利用遗传手段鉴定提高光合效率的有效靶点无论从时间还是从成本上都极高。构建并利用多尺度光合系统成为当前鉴定控制光合效率核心靶点的重要手段。本文回顾了近年来光合系统模型的主要研究进展和主要应用实例，并进一步探讨了提高作物产量的光合作用系统模型未来的发展和应用方案。

关键词：光合作用光能利用效率系统模型数字植物产量

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2023年整合生物学领域发展态势

生命科学 2024年第1期36卷 2-10页

作者：张学博孟晶刘晓朱成姝江源阮梅花熊燕陈大明中国科学院上海生命科学信息中心中国科学院上海营养与健康研究所上海200031 同济大学附属第一妇婴保健院上海200092 中国科学院大学北京100049

自20世纪中叶以来,生命科学研究逐渐从单一的生物个体水平延伸到细胞、分子、基因等不同层次。面对生物体的复杂性和多样性,跨层级、多维度、全周期的生命结构与功能研究日益受到重视,整合生物学应运而生,旨在揭示生物体内部各种层次之... 详细信息

自20世纪中叶以来,生命科学研究逐渐从单一的生物个体水平延伸到细胞、分子、基因等不同层次。面对生物体的复杂性和多样性,跨层级、多维度、全周期的生命结构与功能研究日益受到重视,整合生物学应运而生,旨在揭示生物体内部各种层次之间的相互关系和调控机制,以期深入了解生物体的功能和行为。回顾数十年整合生物学的发展历程,多学科交叉的工具为其提供了有力的支撑,跨层级的功能涌现现象是其研究的关键节点,其理论基础则在于揭示了非线性、不确定性和异质性等复杂科学特征,为生命健康解决方案的赋能提供了基础。2023年,整合生物学在研究生命系统的涌现现象、健康及生态环境方面取得了突破性进展,加深了我们对生命系统整体知识体系的理解,也促进了对生物体在健康和疾病状态下的生理和病理变化的全面了解。展望未来,整合生物学或将以更为综合的整体视角,深入解析生命系统的复杂性、临界条件的变化、无序与有序状态的转化过程,进而促进人类对于生命本质的更深认知,创新前所未有的技术策略。

关键词：整合生物学涌现跨层级多维度

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水毛花种子萌发特性的差异及休眠解除方法

植物生态学报 2024年第5期48卷 638-650页

作者：袁涵钟爱文刘送平彭焱松徐磊中国科学院庐山植物园江西九江330000 南昌大学生命科学学院南昌330031

水毛花(Schoenoplectiella triangulata)是一种广泛应用于湿地植被恢复中的挺水植物,探究不同地区水毛花种群种子的萌发特性与休眠特性对其种质收集和科学利用至关重要。该研究测定了水毛花种子形态特性、萌发特性的种群间差异,并对其... 详细信息

水毛花(Schoenoplectiella triangulata)是一种广泛应用于湿地植被恢复中的挺水植物,探究不同地区水毛花种群种子的萌发特性与休眠特性对其种质收集和科学利用至关重要。该研究测定了水毛花种子形态特性、萌发特性的种群间差异,并对其休眠机制进行探索,结果显示:(1)水毛花的种子存在生理休眠,其形态、千粒质量和吸水特性在种群间存在显著差异。(2)光照和变温条件有助于水毛花种子的萌发。(3)低温沙藏、低温水藏和常温沙藏有助于水毛花种子休眠的解除;氟啶酮和赤霉素处理均有助于打破水毛花种子的休眠,但在不同地区水毛花种群间存在差异。(4)不同地区水毛花种群间种子形态特性、萌发特性以及休眠特性的差异与采集地的环境因子相关。该研究结果表明水毛花种子应用于湿地生态修复时应考虑种源的问题,在播种前对其进行适当处理可以提高发芽率和生态修复成效。

关键词：莎草科水毛花种子萌发种子休眠层积

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植物重金属镉积累调控机制及其应用研究进展

植物生理学报 2024年第2期60卷 185-210页

作者：彭佳师王娅婷王梦琦卢玲丽汪鹏李柱李赛陈思颖孟栓顾天宇徐文忠晁振飞黄煜琪金崇伟晁代印陈彩艳吴龙华滕应赵方杰龚继明湖南科技大学生命科学与健康学院重金属污染土壤生态修复与安全利用湖南省高校重点实验室湖南湘潭411201 中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室上海200032 浙江大学环境与资源学院教育部环境修复与生态健康重点实验室杭州310058 南京农业大学资源与环境科学学院作物遗传与种质创新国家重点实验室南京210095 中国科学院南京土壤研究所中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室南京210008 中国科学院亚热带农业生态研究所中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室长沙410125 湖南农业大学农学院长沙410128 中国科学院植物研究所北方资源植物重点实验室北京100093

镉(Cd)容易通过食物链对人体产生毒害,其引起的“痛痛病”是人类历史上重要的公共卫生事件。Cd是我国当前土壤中的主要无机污染物,“镉大米”等事件仍时有发生,严重威胁粮食安全和人体健康。植物作为初级生产者,是人体Cd暴露的的主要途... 详细信息

镉(Cd)容易通过食物链对人体产生毒害,其引起的“痛痛病”是人类历史上重要的公共卫生事件。Cd是我国当前土壤中的主要无机污染物,“镉大米”等事件仍时有发生,严重威胁粮食安全和人体健康。植物作为初级生产者,是人体Cd暴露的的主要途径。因此,阐释Cd向植物迁移、在植物体内的转运以及植物的Cd耐受机理,并依此指导低Cd作物的遗传改良和Cd污染环境的植物修复就具有重要的意义。本文综述了近10年来人们在植物Cd积累的调控机理、应对Cd污染的作物改良以及植物修复等方面的基础研究和应用成果,同时也探讨了该领域未来亟待解决的一些重要科学问题以及作物遗传改良设计的途径。

关键词：镉低镉作物育种植物修复重金属超积累修复型作物

水稻孕穗期耐冷调控的分子及生理机制研究进展

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中国水稻科学 2024年

作者：随晶晶赵桂龙金欣卜庆云唐佳琦东北林业大学生命科学学院黑龙江大学生命科学学院中国科学院东北地理与农业生态研究所大豆分子育种重点实验室

水稻孕穗期低温胁迫会破坏生殖器官功能，使花药发育受损、花粉育性降低，最终导致水稻结实率下降、产量降低。一些生长调节物质如：可溶性糖、活性氧、植物内源激素ABA和GA的含量都与水稻孕穗期耐冷性密切相关。本文系统总结了水稻孕... 详细信息

水稻孕穗期低温胁迫会破坏生殖器官功能，使花药发育受损、花粉育性降低，最终导致水稻结实率下降、产量降低。一些生长调节物质如：可溶性糖、活性氧、植物内源激素ABA和GA的含量都与水稻孕穗期耐冷性密切相关。本文系统总结了水稻孕穗期低温胁迫对水稻花药发育的影响、生长调节物质的变化，以及水稻应答孕穗期低温胁迫的已定位的QTL和克隆的孕穗期耐低温调控基因的功能解析，以期为水稻孕穗期耐低温品种育种改良和材料创制提供理论指导。

关键词：水稻孕穗期耐冷性生长调节物质数量性状基因座(QTL) 孕穗期耐冷调控基因