該研究突破傳統(tǒng)生防線蟲覓食行為分類框架，為生物防治因子行為調(diào)控與綠色防控技術(shù)發(fā)展提供了重要理論基礎(chǔ)。百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)服務(wù)。

長(zhǎng)期以來，昆蟲病原線蟲（有益線蟲）的覓食行為被概括為“巡游型”?（主動(dòng)搜索）與“伏擊型”?（埋伏等待），這一劃分在害蟲生物防治領(lǐng)域被廣泛沿用。然而，這一看似清晰的分類，在面對(duì)真實(shí)復(fù)雜環(huán)境時(shí)卻逐漸顯露出解釋不足的問題。該研究從生態(tài)實(shí)際出發(fā)，發(fā)現(xiàn)線蟲并非“性格固定”，而是能夠在特定信號(hào)作用下靈活調(diào)整覓食策略，從而提出其行為具有連續(xù)變化的可塑性特征。這一認(rèn)知突破，使人們重新審視經(jīng)典的二分模型，為行為生態(tài)學(xué)提供了更貼近自然情境的理論框架。

研究的關(guān)鍵切入點(diǎn)來自一個(gè)看似不起眼的信號(hào)——寄主昆蟲釋放的揮發(fā)性物質(zhì)丁基羥基甲苯（butylated?hydroxytoluene，BHT）。團(tuán)隊(duì)通過化學(xué)生態(tài)學(xué)與行為學(xué)的交叉研究發(fā)現(xiàn)，這一氣味信號(hào)能夠顯著“激活”線蟲，使其運(yùn)動(dòng)更活躍、跳躍更頻繁，并更敏銳地朝向寄主移動(dòng)。原本以“伏擊”為主的線蟲，在這一信號(hào)作用下會(huì)表現(xiàn)出更主動(dòng)的覓食方式，從而大幅提升在復(fù)雜環(huán)境中尋找隱蔽寄主的能力。這一過程揭示，寄主并非被動(dòng)對(duì)象，而是能夠通過化學(xué)信號(hào)主動(dòng)影響寄生者行為，在生態(tài)系統(tǒng)中形成動(dòng)態(tài)互動(dòng)關(guān)系。

在機(jī)制層面，研究進(jìn)一步從行為調(diào)控角度出發(fā)，通過對(duì)暴露于BHT的線蟲進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，解析了溶酶體相關(guān)神經(jīng)通路在這一過程中所起的作用。結(jié)果表明，寄主揮發(fā)物信號(hào)能夠通過影響線蟲體內(nèi)相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)與代謝狀態(tài)，進(jìn)而改變其神經(jīng)活動(dòng)與行為輸出。研究成功將化學(xué)信號(hào)、能量代謝與行為響應(yīng)建立起關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)了從生態(tài)現(xiàn)象到生理調(diào)控的跨層級(jí)認(rèn)知整合。在應(yīng)用基礎(chǔ)層面，該研究為生物防治技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。通過利用寄主揮發(fā)物或模擬信號(hào)對(duì)線蟲進(jìn)行“生態(tài)預(yù)激”?，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生防線蟲行為的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，從而提升其在隱蔽性或鉆蛀型害蟲（如紅棕象甲、番茄潛葉蛾等）防控中的效率，減少化學(xué)農(nóng)藥依賴，推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。這一成果不僅拓展了生物防治的技術(shù)邊界，也為農(nóng)業(yè)生物安全提供了新的科學(xué)支撐。

關(guān)于作者

吳升晏，福建農(nóng)林大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院教授，農(nóng)林生物安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研骨干。入選福建省高層次人才（B類）、福建省引才“百人計(jì)劃”，并榮獲2025年福建省青年五四獎(jiǎng)?wù)碌仁鈽s。主要從事入侵生物生態(tài)學(xué)與害蟲綠色防控研究，聚焦昆蟲病原線蟲（有益線蟲）與寄主昆蟲互作機(jī)制，以及其在生物防治中的應(yīng)用。近五年，主持（完成）國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、省部級(jí)課題等科研項(xiàng)目10項(xiàng)，以通訊作者或第一作者在PNAS、Soil Biology and Biochemistry、Journal of Pest Science、Pest Management Science等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文10余篇，提出“以蟲治蟲”生態(tài)防控理念，研發(fā)新型“釋線劑”制劑并推廣應(yīng)用，致力于構(gòu)建安全高效的害蟲生物防治體系。作為臺(tái)灣籍科研工作者，積極促進(jìn)閩臺(tái)生態(tài)防控領(lǐng)域的科技交流與合作。

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百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序服務(wù)。

研究背景

大豆是全球重要的植物蛋白來源，但其單產(chǎn)遠(yuǎn)低于水稻、小麥等主糧作物。上世紀(jì)“綠色革命”通過推廣半矮稈品種大幅提升了谷物產(chǎn)量，卻也導(dǎo)致了對(duì)氮肥的嚴(yán)重依賴，帶來環(huán)境問題。與谷類作物不同，大豆作為豆科植物，具備與根瘤菌共生固氮的獨(dú)特能力，可從大氣中獲取70%以上的氮需求。這意味著，大豆的“綠色革命”無(wú)法簡(jiǎn)單復(fù)制谷物路徑——我們需要在不過度施肥的前提下，同時(shí)解決三個(gè)問題：如何改良株型以提高產(chǎn)量？如何增強(qiáng)根瘤固氮能力？如何提升水溶性蛋白含量這一關(guān)鍵品質(zhì)指標(biāo)？

長(zhǎng)期以來，能夠同時(shí)調(diào)控這些性狀的關(guān)鍵基因始終未被充分挖掘，制約了高產(chǎn)品種的選育進(jìn)程。尋找既能優(yōu)化株型、又能促進(jìn)固氮的“黃金基因”，正是推動(dòng)大豆實(shí)現(xiàn)可持續(xù)綠色革命的核心突破口。

研究結(jié)果

? 敲除GmGID1-2改良大豆株型并提高產(chǎn)量和種子含油量

該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)過表達(dá)GmGID1-2會(huì)顯著增加大豆的株高，而敲除則使株高降低，同時(shí)增加莖稈直徑和強(qiáng)度、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)?(三粒莢和四粒莢顯著增多)?和種子數(shù)，從而提高單株種子重量與大豆產(chǎn)量，并提升種子含油量。進(jìn)一步結(jié)合表型數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，GmGID1-2與DELLA蛋白互作調(diào)控大豆株高，并通過影響與分枝、固碳作用和脂肪酸代謝等相關(guān)的通路及基因表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控大豆分枝數(shù)和種子含油量。

圖1 敲除GmGID1-2改良大豆株型并提高產(chǎn)量和種子含油量

? 敲除GmGID1-2增強(qiáng)大豆根瘤固氮

基于敲除GmGID1-2后大豆莢和種子數(shù)顯著增加并引起DELLA蛋白積累，以及DELLA在其他豆科植物中可促進(jìn)根瘤菌侵染與根瘤共生的作用，推測(cè)在GmGID1-2敲除突變體中，為大豆提供主要氮源的根瘤固氮作用也相應(yīng)增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，突變體中的根瘤數(shù)目和干重、固氮酶活性以及植株氮含量均顯著提高。進(jìn)一步分析表明，敲除GmGID1-2促進(jìn)了根瘤菌侵染、根瘤共生和固氮相關(guān)基因的表達(dá)。

圖2 敲除GmGID1-2增強(qiáng)大豆根瘤固氮

? 大豆GmGID1-2的優(yōu)異等位變異和一因多效功能

分析GmGID1-2的自然變異發(fā)現(xiàn)，在課題組264份大豆資源及大豆公共數(shù)據(jù)庫(kù)中，其編碼區(qū)均未鑒定到導(dǎo)致基因功能喪失或氨基酸變化的序列變異；而啟動(dòng)子區(qū)局部關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，Gm_36396036位點(diǎn)與大豆株高顯著關(guān)聯(lián)。該位點(diǎn)將GmGID1-2啟動(dòng)子分為Pro-C和Pro-T兩種類型，其中，Pro-C型啟動(dòng)子的大豆株高更矮、產(chǎn)量和種子含油量更高，且GmGID1-2基因表達(dá)量更低，與GmGID1-2敲除株系表型一致。在Pro-C優(yōu)異單倍型的遺傳背景下敲除GmGID1-2，可進(jìn)一步提高大豆的產(chǎn)量、種子含油量和根瘤固氮。

大豆GmGID1-2的優(yōu)異等位變異和一因多效功能

研究總結(jié)

該研究系統(tǒng)解析了GmGID1-2的一因多效性，挖掘到可同時(shí)改良大豆株型、產(chǎn)量和根瘤固氮的優(yōu)異等位變異，并創(chuàng)制了更優(yōu)異的新等位基因。GmGID1-2的優(yōu)異等位基因不僅能改良大豆株型和產(chǎn)量，還可顯著增強(qiáng)莖桿強(qiáng)度、根瘤固氮能力和種子含油量，為可持續(xù)性農(nóng)業(yè)發(fā)展提供寶貴的基因資源和理論依據(jù)。

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該研究測(cè)序策略：構(gòu)建了涵蓋駱駝（21個(gè)組織）與牛（33個(gè)組織）的單細(xì)胞/單核轉(zhuǎn)錄組圖譜，并整合已發(fā)表的牛、羊、豬、小鼠及人多組織單細(xì)胞數(shù)據(jù)，開展跨物種比較分析。研究發(fā)現(xiàn)，駱駝不僅保留了與牛真胃同源的腺囊胃室，還演化出特有的血管平滑肌細(xì)胞，可能為其高效血壓調(diào)節(jié)提供細(xì)胞基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究不僅為畜禽適應(yīng)性進(jìn)化提供新見解，也為人類代謝疾病研究提供了跨物種比較框架。百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)空間轉(zhuǎn)錄組BMKMANU?S1000服務(wù)。

研究背景

對(duì)多腔胃哺乳動(dòng)物進(jìn)行細(xì)胞與分子特征分析，有助于深入理解消化與代謝系統(tǒng)的進(jìn)化機(jī)制。駱駝進(jìn)化出了一套獨(dú)特的多室分布式消化策略，與牛的集中式消化模式形成鮮明對(duì)比。二者在消化與代謝系統(tǒng)中所展現(xiàn)的物種特異性細(xì)胞組成及分子特征差異，這引出了一個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問題：多腔胃動(dòng)物適應(yīng)性進(jìn)化的細(xì)胞基礎(chǔ)是什么？

研究結(jié)果

? 駱駝與牛的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜構(gòu)建

該研究對(duì)駱駝的21種組織（160,682個(gè)細(xì)胞）和牛的33種組織（264,472個(gè)細(xì)胞）進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）或單核RNA測(cè)序（snRNA-seq），共注釋出124種細(xì)胞類型，其中59種為駱駝和牛所共有?；阼b定出的15,324個(gè)直系同源基因，研究者整合了兩個(gè)物種的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，肝細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞和上皮細(xì)胞在物種間表現(xiàn)出較高的相似性，而生殖細(xì)胞的相似性較低，這可能與其作為進(jìn)化速率最快的細(xì)胞類型有關(guān)。本結(jié)果系統(tǒng)揭示了駱駝多種組織的細(xì)胞類型組成，并刻畫了兩種物種間對(duì)應(yīng)細(xì)胞類型的保守性與異質(zhì)性。

圖1. 細(xì)胞圖譜構(gòu)建

? 多腔胃結(jié)構(gòu)細(xì)胞的異質(zhì)性分析

多腔胃是駱駝和牛高度特化消化道的標(biāo)志性特征。為探究駱駝與牛胃腔中細(xì)胞類型組成及其基因表達(dá)模式的保守性與差異性，作者針對(duì)胃腔單細(xì)胞數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，通過比較胃部結(jié)構(gòu)性細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)胞的聚類由組織來源決定，而非物種。

駱駝腺囊（GS）與第三胃室（C3）識(shí)別出一個(gè)獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)模塊，其中包含SOX8、UNCX等調(diào)控因子，促進(jìn)細(xì)胞增殖與遷移。駱駝GS與真胃具有共同起源，但已獲得獨(dú)特的特化特征。保守的細(xì)胞和分子特征使GS在發(fā)育過程中能夠執(zhí)行類似真胃的核心功能。同時(shí)，GS與C3中以高表達(dá)促增殖和遷移基因?yàn)樘卣鞯莫?dú)特上皮亞型，代表了關(guān)鍵的譜系特異性創(chuàng)新。

因此，作者提出GS從共同的祖先胃結(jié)構(gòu)演化而來，隨后在駱駝中經(jīng)歷特定特化過程，這一過程可能由這些新型細(xì)胞類型驅(qū)動(dòng)，以支持其獨(dú)特的器官發(fā)生和功能維持。駱駝第一胃室（C1）上皮缺乏乳頭結(jié)構(gòu)，正向選擇基因的細(xì)胞偏向性表達(dá)模式表明，自然選擇在塑造駱駝和牛C1上皮細(xì)胞的特征。C1上皮的細(xì)胞類型具有保守性，且成纖維細(xì)胞是三種物種中形成C1上皮乳頭狀結(jié)構(gòu)差異的主要細(xì)胞類型。

圖2.?多室胃結(jié)構(gòu)細(xì)胞的跨物種比較分析

? 駱駝與牛對(duì)營(yíng)養(yǎng)吸收與代謝的偏好研究

為評(píng)估前胃特化對(duì)植物性飼料利用的影響，作者提取了駱駝和牛的小腸及肝臟單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行跨物種比較。

結(jié)果表明，駱駝肝細(xì)胞高表達(dá)脂酸代謝基因（如ACSL4、ACSL5、ACOX1）和PPAR信號(hào)通路相關(guān)基因，顯示出更強(qiáng)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存能力；而牛肝細(xì)胞則高表達(dá)藥物代謝和淀粉蔗糖代謝基因，可能更適應(yīng)飲食波動(dòng)及飼料中的外源性物質(zhì)處理。

在腸道方面，牛腸上皮細(xì)胞中有機(jī)鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因上調(diào)，利于吸收瘤胃微生物產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸；駱駝腸細(xì)胞則高表達(dá)水通道蛋白基因，與其干旱適應(yīng)機(jī)制相符。這些發(fā)現(xiàn)共同表明，駱駝與牛在營(yíng)養(yǎng)吸收與代謝方面存在明顯差異，且駱駝肝臟在長(zhǎng)鏈脂肪酸代謝上更具優(yōu)勢(shì)，可能有助于避免過度脂肪沉積。

圖3. 駱駝與牛肝臟、小腸單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)比較

? 腎臟血管平滑肌細(xì)胞（VSMCs）異質(zhì)性分析

為探究與駱駝腎臟獨(dú)特功能相關(guān)的主要細(xì)胞類型及其分子特征，作者聚焦于駱駝腎臟的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，鑒定出一類特殊的血管平滑肌細(xì)胞，并將其命名為S100A4+VSMCs。該細(xì)胞高表達(dá)血管緊張素II受體基因AGTR1，而收縮相關(guān)基因（如MYH11）表達(dá)較低。比較分析顯示，S100A4+VSMCs未在小鼠、豬、牛及人等哺乳動(dòng)物的腎臟中被發(fā)現(xiàn)，表明其可能為駱駝所特有。

作者進(jìn)一步采集駱駝腎臟組織進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，證實(shí)了S100A4+VSMCs在腎臟中的實(shí)際存在，并發(fā)現(xiàn)其主要分布于腎小球的入球與出球小動(dòng)脈區(qū)域。與典型的收縮型VSMCs相比，S100A4+VSMCs被預(yù)測(cè)具有更高的分化程度。通過受體?配體共定位分析，研究提示這兩類血管平滑肌細(xì)胞亞型之間存在直接相互作用，且可能通過DLK1?NOTCH3信號(hào)軸介導(dǎo)。S100A4+VSMCs可能通過調(diào)節(jié)腎小球入球與出球小動(dòng)脈對(duì)血管緊張素II的局部反應(yīng)，在血壓調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。

圖4. 駱駝腎臟中S100A4+VSMCs的鑒定

研究總結(jié)

該研究構(gòu)建了駱駝與牛的多組織單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并提供了駱駝腎臟的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，為解析物種特異性生物學(xué)特征及其進(jìn)化歷程提供了重要資源。基于胃、腎臟及肝臟等關(guān)鍵消化代謝器官的跨物種比較，研究不僅驗(yàn)證了駱駝胃部的起源假說，還揭示了特定細(xì)胞類型的基因表達(dá)變化如何幫助駱駝肝臟避免過度脂肪沉積。

此外，作者在駱駝腎臟中發(fā)現(xiàn)了一類新型血管平滑肌細(xì)胞，該細(xì)胞可能在腎臟適應(yīng)干旱、高鹽環(huán)境的過程中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。綜上所述，該研究從分子與細(xì)胞層面闡釋了駱駝適應(yīng)性進(jìn)化的內(nèi)在機(jī)制，為理解哺乳動(dòng)物器官系統(tǒng)的進(jìn)化與功能多樣化提供了新的視角。

關(guān)鍵步驟與實(shí)戰(zhàn)要點(diǎn)

1、讀取數(shù)據(jù)

原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖：

第一列為基因ID,?第五列及以后為各個(gè)樣本的表達(dá)量數(shù)據(jù)，數(shù)值以FPKM表示。

讀取數(shù)據(jù)命令如下：

rawdata=

read.csv(?‘AllSample.genes_expression.csv’,???header=T)

2、數(shù)據(jù)清洗

原始數(shù)據(jù)中包含一些不參與分析的列，以及某些基因的表達(dá)量在所有樣本中均為零，需要在分析前去除。

操作代碼如下：

#將第一列數(shù)據(jù)作為行名保存
row.names(rawdata)<-rawdata$?Gene_ID
#刪除第一列位置信息和第四列正負(fù)鏈的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行行列轉(zhuǎn)置?tmp<-t(rawdata[,c(-1,-2,-3,-4)])
#刪除在所有樣本中表達(dá)量均為0的基因?cleandata<-tmp[,colSums(tmp!=0)>0] 這樣我們就得到了一個(gè)“干凈”的樣本×基因表達(dá)矩陣，便于后續(xù)分析。

3、PCA?分析

R語(yǔ)言內(nèi)置的prcomp()函數(shù)可以快速完成PCA計(jì)算，代碼如下：

data.pca<?-prcomp(cleandata,center=T,?scale.=)
#cleandat????為進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)集
#center?一個(gè)邏輯值，控制變量是否應(yīng)該移位到零中心
#scale.一個(gè)邏輯值，控制是否對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化
prcomp??函數(shù)的返回值是一個(gè)特殊的對(duì)象，可以利用summary?函數(shù)來查看分析的結(jié)果。

具體參數(shù)：
#Standard???????deviation?標(biāo)準(zhǔn)差，其平方為方差=特征值
#Proportion????of????Variance方差貢獻(xiàn)率
#Cumulative????????Proportion?方差累計(jì)貢獻(xiàn)率
輸出結(jié)果包括各主成分的標(biāo)準(zhǔn)差、方差貢獻(xiàn)率等，幫你判斷應(yīng)該保留多少主成分。

4、數(shù)據(jù)可視化

使用ggplot2包，輕松將PCA結(jié)果轉(zhuǎn)換為直觀的散點(diǎn)圖。
#加載ggplot?軟件包?library(ggplot2)
#根據(jù)PC1?及PC2生成散點(diǎn)圖，由于ggplot在繪圖時(shí)只接收數(shù)據(jù)框格式的數(shù)據(jù)集，因此需要使用as.data.frame函數(shù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
ggplot(?as.data.frame(?data.pcaSx),aes(x=PC1,y=PC2))+?geom_point()
圖片生成：

一張清晰的PCA圖就誕生了！樣本分布、組間差異一目了然。

核心要訣與進(jìn)階之路

PCA圖不僅能展示樣本聚類，還能通過顏色、形狀區(qū)分不同實(shí)驗(yàn)組，助力發(fā)現(xiàn)潛在離群樣本或批次效應(yīng)，是表達(dá)數(shù)據(jù)分析的必備技能！如想學(xué)習(xí)更多生信分析技能，請(qǐng)登錄百邁客生物云課堂知識(shí)庫(kù)，在線學(xué)習(xí)更多生信分析技巧。

該研究證明了部分腸道菌群與IgAN的之間的機(jī)制關(guān)系，為開發(fā)針對(duì)微生物群的食物干預(yù)措施改善IgAN提供科學(xué)依據(jù)。百邁客生物為該研究提供了全長(zhǎng)16S?rRNA測(cè)序服務(wù)。

研究背景

IgA腎病（IgAN）是全球最常見的免疫介導(dǎo)的原發(fā)性腎小球疾病，每年每10萬(wàn)成年人中至少有2.5例發(fā)病。具有顯著的終身進(jìn)展至終末期腎?。‥SRD）的風(fēng)險(xiǎn)，約20%-40%的IgAN患者會(huì)在10至20年內(nèi)進(jìn)展至終末期腎病。因此迫切需要發(fā)現(xiàn)有效的治療靶點(diǎn)和新的干預(yù)策略。

一般來說，人類腸道中居住著數(shù)以萬(wàn)億的細(xì)菌，這些細(xì)菌以膳食營(yíng)養(yǎng)為燃料，可合成多種生物活性化合物。這些微生物代謝物進(jìn)一步向體內(nèi)遠(yuǎn)處的器官發(fā)出信號(hào)，使它們能夠與激素和免疫系統(tǒng)以及宿主的新陳代謝及其他功能相連接，腸道與宿主免疫系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用影響著身體功能，這些功能將其與其他器官聯(lián)系起來，并導(dǎo)致它們之間形成“軸”。

慢性腎臟病通常是進(jìn)行性且不可逆的，腸道微生物群作為環(huán)境與人類之間的橋梁，在慢性腎臟疾病的發(fā)生和進(jìn)展中發(fā)揮著根本性作用。IgA?腎?。↖gAN）與腸道微生物群的平衡息息相關(guān)。然而，目前還不清楚腸道微生物群的變化是否會(huì)減弱IgAN或影響其進(jìn)展。

研究結(jié)果

? IgAN引起腎損傷和腎功能下降

根據(jù)以上研究背景，作者首先確認(rèn)了IgAN小鼠模型的成功建立。通過分析小鼠腎臟IgA免疫熒光染色，與對(duì)照組相比，IgAN組腎小球IgA（p?<?0.001）、C3（p?<?0.01）和IgG（p?<?0.001）沉積顯著增加。PAS染色顯示，IgAN組腎小球系膜細(xì)胞增生、系膜基質(zhì)增多及基底膜增厚。腎功能指標(biāo)評(píng)估顯示，與對(duì)照組相比，IgAN組小鼠血尿素氮（BUN）（p?<?0.001）、尿酸（UA）（p?<?0.01）、血清肌酐（Scr）（p?<??0.01）、血白蛋白（BAL）（p?<?0.05）及尿蛋白/肌酐比值（ACR）（p?<??0.001）水平顯著增加，IgAN組腎功能顯著下降，這可能與腎臟結(jié)構(gòu)損傷有關(guān)。

? IgAN引起腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂和多樣性失衡

通過構(gòu)建IgAN動(dòng)物模型，作者發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，IgAN組的α多樣性分析均顯著降低。此外，采用非加權(quán)組平均法聚類（UPGMA樹）分析、非度量多維尺度分析（NMDS）和主坐標(biāo)分析（PCoA）進(jìn)行相似性聚類分析。結(jié)果顯示，IgAN組與對(duì)照組表現(xiàn)出明顯的微生物聚類，兩組間存在清晰的分組，表明IgAN誘導(dǎo)了微生物群落的轉(zhuǎn)變。

為識(shí)別IgAN腸道微生物群的有效特征，作者進(jìn)行了LEfSe（線性判別分析效應(yīng)大小)。發(fā)現(xiàn)在屬水平上，IgAN組中另枝菌屬（Alistipes）、鏈球菌屬（Streptococcus）、文肯菌屬（Rikenella）、埃希氏菌屬（Escherichia?Shigella）和乳酸桿菌（Lactobacillus）的豐度顯著增加。

相對(duì)應(yīng)的種水平豐度也發(fā)生了顯著的升高或降低，以上結(jié)果表明，IgAN誘導(dǎo)了腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂和多樣性失衡。

? IgAN引起腸道屏障損傷和腸道B細(xì)胞免疫失衡

隨后作者采用蘇木精-伊紅（H&E）染色法評(píng)估了各組治療小鼠的結(jié)腸完整性，以確定IgAN引起的腸道通透性變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)照組小鼠的黏膜上皮完整，固有層內(nèi)腺體豐富且排列致密有序，肌層結(jié)構(gòu)清晰。與此同時(shí)，IgAN模型小鼠的腸道腺體結(jié)構(gòu)疏松，局部出現(xiàn)松散，肌層增厚，并伴有輕微的淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)。此外，通過對(duì)腸道通透性指標(biāo)的評(píng)估發(fā)現(xiàn)，IgAN組小鼠血清中的二胺氧化酶（DAO）（p?<?0.001）、D-乳酸（D-LA）（p?<??0.01）和脂多糖（LPS）（p?<?0.01）水平顯著升高，尤其是在DAO水平上，這表明IgAN模型小鼠的腸道通透性增加。

通過評(píng)估B細(xì)胞活化因子和IgA水平，企圖闡明了IgAN的免疫失衡機(jī)制。結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，IgAN組小鼠的B細(xì)胞活化因子（BAFF）（p?<??0.001）和增殖誘導(dǎo)配體（APRIL）（p??<??0.001）水平顯著升高。IgA水平也異常升高（p?<?0.01），這表明B細(xì)胞過度活化導(dǎo)致IgA穩(wěn)態(tài)失衡。

總結(jié)來說，IgAN模型小鼠的腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致其腸道屏障完整性降低和B細(xì)胞IgA分泌失衡。

? COS可重塑IgAN小鼠模型的菌群失調(diào)

隨后，作者為探索調(diào)節(jié)IgAN的特定微生物群是否能改善疾病進(jìn)展，應(yīng)用了COS對(duì)IgAN中失調(diào)的微生物群進(jìn)行靶向調(diào)節(jié)。α多樣性比較結(jié)果顯示，經(jīng)不同劑量COS干預(yù)后，IgAN小鼠模型的腸道微生物群整體得到恢復(fù)。β多樣性分析（PCoA和PLS-DA）表明，與對(duì)照組相比，COS干預(yù)后的腸道微生物群表現(xiàn)出顯著改變，其結(jié)構(gòu)向?qū)φ战M方向轉(zhuǎn)變。

腸道微生物群組成分析顯示，不同劑量COS干預(yù)后富集的微生物群存在差異：COS-L組主要富集未分類的毛螺菌科（unclassified?Lachnospiraceae）、支原體屬（Anaeroplasma）、振蕩桿菌屬（Oscillibacter）、嗜木糖真桿菌群（Eubacterium?xylanophilum?group）和單球?qū)伲∕onoglobus）；而COS-H組主要富集未培養(yǎng)的擬桿菌目細(xì)菌（uncultured?Bacteroidales?bacterium）、理研菌屬（Rikenella）、臭味桿菌屬（Odoribacter）和乳酸桿菌屬（Lactobacillus）。

與此同時(shí)發(fā)現(xiàn)：COS-L（低劑量殼寡糖）和COS-H（高劑量殼寡糖）均有效抑制了IgAN模型中顯著增加的微生物豐度，由此，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IgAN模型腸道微生物群的反向平衡調(diào)節(jié)。

? 靶向微生物調(diào)控減輕腸道屏障損傷，并且對(duì)IgA發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用

此外，作者進(jìn)一步探討了調(diào)節(jié)特定微生物群落對(duì)腸道屏障和黏膜免疫的影響。結(jié)果顯示，COS干預(yù)組顯著改善了腸道通透性指標(biāo)。對(duì)D-LA和LPS的改善效果呈劑量依賴性，其中COS-H組的改善效果最佳。陽(yáng)性對(duì)照組也顯示出對(duì)IgAN模型引起的腸道損傷的改善。H&E染色還顯示，COS干預(yù)導(dǎo)致結(jié)腸結(jié)構(gòu)清晰完整，腸腺排列規(guī)則，趨于正?；?。

同時(shí)，COS干預(yù)緩解了IgAN模型中B細(xì)胞過度活化引起的IgA失衡。顯著降低了小鼠血清中BAFF（COS-L組，p?<??0.001；COS-H組，p?<?0.001）和APRIL（COS-L組，p?<?0.001；COS-H組，p?<?0.001）的水平。COS-H組的IgA水平顯著降低（p?<?0.05）。總結(jié)來說，針對(duì)IgAN中特定微生物群落的靶向調(diào)節(jié)可抑制APRIL和BAFF的過表達(dá)，從而對(duì)IgA發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。

? IgAN患者糞菌移植會(huì)引起模型小鼠產(chǎn)生腎損傷

采用人類微生物群相關(guān)HMA-IgAN小鼠模型探討小鼠模型與人類微生物群的差異，并計(jì)劃驗(yàn)證IgAN誘導(dǎo)的人體腸道微生物群演變對(duì)小鼠腎功能的影響。腎免疫熒光顯示，HMA-IgAN小鼠腎小球IgA（p?<?0.01）、C3（p?<?0.01）和IgG（p?<?0.001）沉積與IgAN模型小鼠觀察到的結(jié)果相似。PAS染色顯示，HMA-IgAN小鼠腎小球系膜細(xì)胞顯著增生伴炎性浸潤(rùn)，與IgAN模型組相似。與HMA-HC組相比，HMA-IgAN小鼠表現(xiàn)出與IgAN模型相似的腎損傷，血尿素氮（BUN，p?<?0.05）、尿酸（UA，p?<??0.05）、血肌酐（Scr，p?<?0.001）和尿白蛋白/肌酐比（ACR，p?<?0.01）顯著升高。

這些結(jié)果表明，IgAN狀態(tài)下的腸道微生物群可誘導(dǎo)成功構(gòu)建IgAN小鼠模型，并導(dǎo)致宿主腎損傷，其損傷程度與IgAN小鼠模型觀察到的損傷相當(dāng)。

? HMA-IgAN小鼠模型重現(xiàn)了腸道菌群失調(diào)

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：與HMA-HC組相比，HMA-IgAN組小鼠腸道微生物群的α多樣性顯著降低。β多樣性分析顯示，兩組的聚類之間存在明顯的分化。兩組的微生物群特征也存在顯著差異。在屬水平上，HMA-IgAN小鼠表現(xiàn)出擬桿菌屬（Bacteroides）、未培養(yǎng)的擬桿菌目細(xì)菌（uncultured?Bacteroidales?bacterium）、丹毒絲菌屬（Erysipelatoclostridium）和厭氧梭菌屬（Anaerofustis）的增加。相對(duì)應(yīng)的種水平豐度也發(fā)生了顯著的升高或降低，以上結(jié)果表明，HMA-IgAN小鼠模型可以誘導(dǎo)腸道微生物群多樣性（ACE、Shannon和Chao1指數(shù)）的紊亂以及微生物群落結(jié)構(gòu)的改變。

? COSF增加了HMA-IgAN小鼠模型腸道菌群多樣性，并且維持了腸道穩(wěn)態(tài)

最后，作者在IgA腎?。↖gAN）小鼠模型中，進(jìn)一步給予COS和COSF（殼寡糖制劑）進(jìn)行干預(yù)。結(jié)果顯示，COS和COSF干預(yù)皆顯著增加了HMA-IgAN小鼠腸道微生物群的α多樣性指數(shù)，從而增加了腸道微生物群的豐富度。聚類結(jié)果顯示，HMA-IgAN組的樣本與對(duì)照組和干預(yù)組的樣本明顯分離，干預(yù)組樣本傾向于與對(duì)照組相似。采用LEfSe分析比較了HMA-HC組、HMA-IgAN組、COS干預(yù)組和COSF干預(yù)組之間的差異微生物群，并鑒定了各組的差異微生物群。在屬水平，COS可富集雙歧桿菌（Bifidobacterium）和羅斯氏菌（Roseburia）。COSF組富集的微生物群包括普氏菌（Alistipes）、未分類的振蕩螺菌科（Oscillospiraceae）、臭味桿菌（Odoribacter）、里肯氏菌（Rikenella）和未培養(yǎng)的瘤胃菌。

相對(duì)應(yīng)的種水平豐度也發(fā)生了顯著的升高或降低，結(jié)合前期介紹的IgAN模型組COS干預(yù)后的微生物變化，可得出結(jié)論：COS和COSF能夠平衡兩個(gè)模型中特定微生物群的失調(diào)。

? COSF可改善HMA-IgAN小鼠模型的腎功能修復(fù)

最后作者發(fā)現(xiàn)COS與COSF（殼寡糖制劑）皆顯著改善了HMA-IgAN小鼠模型的各項(xiàng)腎功能指標(biāo)，顯著降低了UA（p?<?0.05）、Scr（p?<?0.01）、BUN（p?<?0.05）和ACR（p?<?0.001）水平。

腎小球PAS染色結(jié)果顯示，COS和COSF干預(yù)顯著降低了IgA（COS,?p?<??0.001;?COSF,?p?<?0.001）、C3（COS,?p?<?0.05;?COSF,?p?<?0.01）和IgG（COS,?p?<?0.01;?COSF,?p?<?0.01）的沉積，并對(duì)系膜細(xì)胞增殖和基質(zhì)擴(kuò)張具有明顯的抑制作用，其中COSF組在腎小球系膜區(qū)增殖方面顯示出更顯著的改善。

總結(jié)來說，COSF干預(yù)可通過靶向調(diào)節(jié)HMA-IgAN小鼠模型內(nèi)的特定微生物群落來增強(qiáng)腎功能。

研究總結(jié)

該研究采用IgAN和人類微生物群相關(guān)模型來研究IgAN對(duì)腸道微生物群改變的影響以及腸道微生物群的可能會(huì)觸發(fā)?IgAN的機(jī)制。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)了殼聚糖?（COS）和COS制劑（COSF）具有微生物群靶向功能，可增強(qiáng)腸道屏障和腎功能的作用。這些結(jié)果表明，IgAN可導(dǎo)致α多樣性降低和腸道微生物群的結(jié)構(gòu)改變。同時(shí)，腸道也出現(xiàn)了B細(xì)胞免疫失衡和緊密連接蛋白水平降低（ZO-1和Occludin）。而COS/COSF可通過靶向調(diào)節(jié)富集腸道屏障和粘膜免疫相關(guān)微生物群來增強(qiáng)腸道ZO-1表達(dá)，減少B細(xì)胞活化因子（BAFF）和增殖誘導(dǎo)配體（APRIL）過表達(dá)，從而減少IgAN中的腎損傷。

總之，該研究證明了部分腸道菌群與IgAN的之間的機(jī)制關(guān)系，為開發(fā)針對(duì)微生物群的食物干預(yù)措施改善IgAN提供科學(xué)依據(jù)。

以上內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，侵刪

該研究為這一難題提供了全新解決方案：神經(jīng)肽SP（Substance?P）可通過重塑腸道菌群、促進(jìn)菌群代謝物肌醇生成，同步改善DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎與焦慮樣行為。這項(xiàng)研究不僅首次闡明了“SP-腸道菌群-肌醇-海馬體信號(hào)通路”的完整調(diào)控鏈，更以多組學(xué)技術(shù)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膭?dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其機(jī)制，為IBD合并精神障礙的治療開辟了新賽道。百邁客生物為該研究提供了非靶向代謝組和16S?rRNA測(cè)序服務(wù)。

研究背景

炎癥性腸?。↖BD）包含潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病，是一種慢性腸道炎癥疾病，患者焦慮發(fā)生率高達(dá)?30%、抑郁發(fā)生率達(dá)?25%，但腸道外的精神癥狀常被忽視。腸-腦軸介導(dǎo)腸道炎癥與精神癥狀的關(guān)聯(lián)，腸道微生物群及其代謝物通過腸?–?腦軸調(diào)控腦功能，但硫酸葡聚糖鈉（DSS）誘導(dǎo)的腸道菌群變化如何影響情緒相關(guān)中樞系統(tǒng)尚不明確。

神經(jīng)肽P物質(zhì)（SP）在腸-腦軸各層面均有表達(dá)，已被證實(shí)具有抗炎、神經(jīng)保護(hù)作用，且能改善DSS誘導(dǎo)的急性結(jié)腸炎，但SP是否通過腸道微生物群調(diào)控腸道屏障功能和中樞神經(jīng)系統(tǒng)以改善焦慮樣癥狀，尚未明確。

研究結(jié)果

SP改善DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎癥狀

該研究采用DSS處理成功誘導(dǎo)出結(jié)腸炎小鼠模型。為評(píng)估SP在結(jié)腸炎發(fā)病機(jī)制中的作用通過靜脈注射SP干預(yù)，從“腸道病理-腸道屏障-炎癥因子-行為學(xué)”?多維度驗(yàn)證SP的保護(hù)作用。

SP處理顯著降低疾病活動(dòng)指數(shù)（DAI），減輕體重下降，恢復(fù)結(jié)腸長(zhǎng)度，降低脾臟?/?體重比。HE染色顯示，SP處理組結(jié)腸黏膜上皮完整、隱窩結(jié)構(gòu)正常，黏膜下層無(wú)明顯水腫和炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，組織學(xué)評(píng)分顯著低于DSS組；透射電鏡觀察到SP修復(fù)DSS導(dǎo)致的腸上皮細(xì)胞間隙增寬、微絨毛縮短卷曲。腸道屏障功能修復(fù)AB-PAS染色顯示SP緩解DSS誘導(dǎo)的杯狀細(xì)胞減少；免疫熒光證實(shí)SP上調(diào)腸道黏液屏障關(guān)鍵成分MUC-2的表達(dá)；FITC-葡聚糖檢測(cè)表明SP降低腸道通透性，減少外來物質(zhì)滲漏。Luminex檢測(cè)顯示，SP顯著降低結(jié)腸組織中TNF-α、IL-1β、IL-6、IFN-γ等促炎因子水平，且SP單獨(dú)處理組無(wú)明顯異常癥狀。

DSS撤藥后腸道炎癥消退，SP仍能改善殘留焦慮樣行為，表明其對(duì)腸腦軸的調(diào)控不依賴腸道炎癥緩解，具有獨(dú)立性。

圖1 SP改善DSS誘導(dǎo)小鼠的結(jié)腸炎癥狀及焦慮樣行為

SP可減輕DSS誘導(dǎo)小鼠的海馬損傷及神經(jīng)炎癥

海馬損傷可影響情緒調(diào)節(jié)中樞的功能，進(jìn)而導(dǎo)致抑郁和焦慮等精神障礙。通過組織學(xué)染色、細(xì)胞標(biāo)記與細(xì)胞因子檢測(cè)，探究SPSP在減輕神經(jīng)炎癥中的作用。

SP顯著減輕DSS誘導(dǎo)的海馬體神經(jīng)元丟失、核固縮、尼氏小體減少等病理?yè)p傷，維持神經(jīng)元形態(tài)完整。檢測(cè)了海馬組織中炎癥介質(zhì)的濃度，結(jié)果顯示，SP顯著降低了DSS處理小鼠海馬中IL-1β、?TNF?-α、IL-9、?IFN?-γ、IL-13、IL-6、G-CSF、GM-CSF、?MIP?-1β和IL-12P70的水平，但提高了IL-4、IL-5和IL-10的水平，結(jié)果表明，SP通過調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子與抗炎因子之間的平衡，減輕了DSS誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)炎癥。

為探究SP對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞/星形膠質(zhì)細(xì)胞的影響，統(tǒng)計(jì)了各組海馬區(qū)這兩種細(xì)胞的數(shù)量。發(fā)現(xiàn)SP減少DSS誘導(dǎo)的Iba-1陽(yáng)性小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量（抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化），增加GFAP陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量（防止星形膠質(zhì)細(xì)胞丟失）；Western?blot證實(shí)SP降低M1型小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物iNOS的表達(dá)，上調(diào)星形膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物GFAP的表達(dá)。合理推斷，SP通過減輕結(jié)腸炎小鼠海馬區(qū)的病理?yè)p傷和神經(jīng)炎癥，改善了其焦慮樣行為，這可能與抑制小膠質(zhì)細(xì)胞向M1表型極化及防止星形膠質(zhì)細(xì)胞丟失有關(guān)。

圖2 SP減輕DSS誘導(dǎo)小鼠的海馬損傷及神經(jīng)炎癥反應(yīng)

SP改善DSS誘導(dǎo)小鼠腸道菌群失調(diào)并改變微生物組功能

探究SP是否通過腸道菌群發(fā)揮作用，通過16S?rRNA測(cè)序分析SP對(duì)DSS誘導(dǎo)菌群失調(diào)的調(diào)控作用，結(jié)合PICRUSt2預(yù)測(cè)菌群代謝功能。

與DSS誘導(dǎo)組相比，SP對(duì)腸道菌群豐富度和多樣性均未產(chǎn)生顯著影響，PCoA分析顯示CON組、DSS組和DSS+SP組之間存在顯著差異，表明細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異。在門水平，SP?顯著提高厚壁菌門（Firmicutes）相對(duì)豐度，降低擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形菌門（Proteobacteria）豐度。在科水平，SP?增加毛螺菌科（Lachnospiraceae）、鼠桿菌科（Muribaculaceae）豐度，降低擬桿菌科（Bacteroidaceae）、腸桿菌科（Enterobacteriaceae）豐度。在屬水平，DSS+SP組中擬桿菌屬（Bacteroides）和擬桿菌亞屬（Alistipes）的相對(duì)豐度降低，而unclassified_Lachnospiraceae、unclassified_Muribaculaceae和?Lachnospiraceae_NK4A136_group的相對(duì)豐度上調(diào)。PICRUSt2預(yù)測(cè)顯示，SP顯著激活肌醇磷酸代謝、膽汁分泌、NOD?樣受體信號(hào)通路等功能模塊，抑制戊糖磷酸途徑、生物膜形成等DSS誘導(dǎo)的異常功能模塊。

圖3 SP可改善DSS誘導(dǎo)小鼠的腸道菌群失調(diào)并改變微生物組功能

SP通過調(diào)節(jié)腸道菌群預(yù)防DSS誘導(dǎo)的腸道損傷及焦慮樣障礙

為驗(yàn)證腸道菌群是否為SP發(fā)揮作用的必需環(huán)節(jié)，進(jìn)行了抗生素耗竭實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。ABX處理14天成功構(gòu)建偽無(wú)菌小鼠模型后，SP對(duì)DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎癥狀（DAI、體重、結(jié)腸長(zhǎng)度、腸道結(jié)構(gòu)）和焦慮樣行為的改善作用顯著減弱，表明SP的保護(hù)作用依賴腸道菌群。

同時(shí)進(jìn)行了糞便微生物移植（FMT）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，F(xiàn)MT-DSS+SP組表現(xiàn)出更輕的體重下降、更低的DAI、緩解結(jié)腸縮短以及降低的脾臟/體重比，腸道黏膜損傷減輕，杯狀細(xì)胞數(shù)量增加，TNF-α、IL-6等促炎因子水平降低，MPO活性減弱。FMT-DSS+SP組小鼠海馬神經(jīng)元損傷也得到了緩解，促炎因子（TNF-α、IL-1β）mRNA表達(dá)降低，抗炎因子IL-4表達(dá)升高，小膠質(zhì)細(xì)胞M1表型（iNOS、CD80）表達(dá)降低，M2表型（CD206）表達(dá)升高，星形膠質(zhì)細(xì)胞GFAP表達(dá)上調(diào)。此外腸道菌群結(jié)構(gòu)也與FMT-DSS組存在顯著差異，厚壁菌門、未分類鼠桿菌科等有益菌群豐度升高，擬桿菌屬等有害菌群豐度降低。

直接證實(shí)SP的保護(hù)作用依賴腸道菌群，排除SP直接穿過血腦屏障發(fā)揮作用的可能，明確菌群是SP調(diào)控腸腦軸的核心“中間人”。

圖4 SP以腸道微生物群依賴性方式預(yù)防DSS誘導(dǎo)的腸道損傷及焦慮樣障礙

圖5 FMT實(shí)驗(yàn)表明SP通過調(diào)節(jié)腸道菌群減輕了DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎和焦慮樣行為

SP通過調(diào)控腸道菌群影響海馬基因表達(dá)，涉及NF-κB和GABAergic/Ca2?信號(hào)通路

通過轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析FMT處理小鼠海馬體的差異表達(dá)基因，結(jié)合WB、免疫熒光染色，明確SP調(diào)控菌群后對(duì)腦內(nèi)信號(hào)通路的影響。

RNA-seq顯示，F(xiàn)MT-DSS與FMT-CON組存在436個(gè)差異表達(dá)基因（DEGs），F(xiàn)MT-DSS+SP組與FMT-DSS組存在387個(gè)DEGs，其中158個(gè)基因?yàn)楣餐{(diào)控基因。KEGG分析顯示DSS組NF-κB通路激活，而SP通過菌群抑制其激活。qRT-PCR和Western?blot證實(shí)，SP降低海馬組織中IKBα、p65?的mRNA表達(dá)及p-p65、p-IKBα的蛋白表達(dá)；免疫熒光顯示SP減少小膠質(zhì)細(xì)胞中p-IKBα陽(yáng)性信號(hào)，抑制小膠質(zhì)細(xì)胞NF-κB通路激活。KEGG分析顯示SP激活神經(jīng)活性配體-受體相互作用和Ca2?信號(hào)通路。qRT-PCR顯示SP上調(diào)海馬組織中Gabra1、Gabra3、Gabrb2、Camk2d等基因表達(dá)；Western?blot證實(shí)SP增加GABA_A?Rα1、GABA_B?R2、GAD65（GABA?合成關(guān)鍵酶）和CaMKII（鈣濃度傳感器）的蛋白表達(dá)。

免疫熒光顯示SP增強(qiáng)星形膠質(zhì)細(xì)胞中GABA_A?Rα1和CaMKII的陽(yáng)性表達(dá)；流式分選細(xì)胞RNA-seq顯示，SP抑制小膠質(zhì)細(xì)胞中NF-κB通路相關(guān)基因富集，促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞中GABA能突觸和鈣信號(hào)通路相關(guān)基因富集。

圖6 SP通過調(diào)節(jié)腸道微生物組影響海馬基因的表達(dá)

SP增強(qiáng)腸道微生物源性代謝物肌醇的富集

腸道菌群通過代謝物介導(dǎo)腸腦軸溝通，采用非靶向代謝組學(xué)分析DSS、DSS+SP、CON三組小鼠的結(jié)腸內(nèi)容物代謝譜，篩選SP調(diào)控的關(guān)鍵代謝物。

PLS-DA分析顯示，三組代謝譜存在顯著分離，DSS+SP組代謝表型更接近CON?組，表明SP可逆轉(zhuǎn)?DSS?誘導(dǎo)的代謝紊亂。共鑒定出395個(gè)差異代謝物，其中肌醇（inositol）是SP干預(yù)后升高最顯著的代謝物之一，且富集于肌醇磷酸代謝、半乳糖代謝等通路。

Spearman相關(guān)性分析顯示，肌醇水平與有益菌群呈正相關(guān)，與結(jié)腸炎嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)，提示肌醇可能是菌群介導(dǎo)?SP?保護(hù)作用的關(guān)鍵?“信使分子”。

圖7 SP可增強(qiáng)腸道微生物群源代謝物肌醇的富集

肌醇給藥可改善DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎及焦慮樣障礙

通過飲水給予DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠2%肌醇干預(yù)，驗(yàn)證肌醇是否能單獨(dú)模擬SP的雙向保護(hù)作用。

肌醇顯著抑制DSS誘導(dǎo)的體重丟失和DAI升高，恢復(fù)結(jié)腸長(zhǎng)度，修復(fù)腸道上皮損傷，上調(diào)E-cadherin，降低結(jié)腸組織中IL-1β、IL-6、TNF-α的mRNA表達(dá)。肌醇處理組在開放場(chǎng)試驗(yàn)中移動(dòng)距離、中央?yún)^(qū)域活動(dòng)增加，在高架十字迷宮中開放臂停留時(shí)間和進(jìn)入次數(shù)增加，焦慮樣行為緩解。肌醇緩解?DSS?誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)元核固縮和尼氏小體丟失，降低海馬組織中促炎因子（IL-6、IL-1β、TNF-α）mRNA?表達(dá)，升高抗炎因子IL-10表達(dá)；減少Iba-1陽(yáng)性小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，促進(jìn)GABA合成與受體表達(dá)，增加星形膠質(zhì)細(xì)胞及GAT1免疫陽(yáng)性表達(dá)。而單獨(dú)補(bǔ)充肌醇組與對(duì)照組（CON）相比，未觀察到明顯的腸道病理學(xué)和行為學(xué)改變。綜上，這些數(shù)據(jù)表明肌醇可能是SP發(fā)揮有益效應(yīng)的關(guān)鍵候選代謝物。

圖8 腸道代謝物肌醇介導(dǎo)SP對(duì)DSS誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸炎及焦慮行為的保護(hù)作用

肌醇在SP對(duì)DSS誘導(dǎo)小鼠焦慮樣行為的作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用

用肌醇合成抑制劑L-690330干預(yù)，驗(yàn)證肌醇是否為SP發(fā)揮作用的必需分子；同時(shí)通過體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證肌醇對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞的直接調(diào)控作用。

L-690330處理后，SP對(duì)DSS小鼠的抗焦慮作用及海馬體保護(hù)效應(yīng)被顯著逆轉(zhuǎn)。肌醇水平升高：FMT-DSS+SP組小鼠海馬體與血清中肌醇濃度顯著高于FMT-DSS組，證實(shí)菌群衍生的肌醇可進(jìn)入血液循環(huán)并作用于大腦。體外細(xì)胞驗(yàn)證：①?小膠質(zhì)細(xì)胞（BV-2）：100μM肌醇可顯著降低LPS誘導(dǎo)的TNF-α、IL-1β、IL-6?等促炎因子表達(dá)，無(wú)細(xì)胞毒性；②?星形膠質(zhì)細(xì)胞（C8D1A）：肌醇可逆轉(zhuǎn)LPS誘導(dǎo)的GABA受體及CaMKII蛋白表達(dá)下調(diào)，激活GABAergic/Ca2?信號(hào)通路。

明確肌醇在SP調(diào)控通路中的“不可替代”地位，同時(shí)證實(shí)肌醇可直接調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞功能，完善“菌群代謝物?–?腦”的調(diào)控鏈條。

圖9 肌醇在SP對(duì)DSS誘導(dǎo)小鼠焦慮樣行為的作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用

研究總結(jié)

SP通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)有益菌群產(chǎn)生肌醇；肌醇進(jìn)入循環(huán)后作用于海馬體，一方面抑制小膠質(zhì)細(xì)胞NF-κB促炎通路，減輕神經(jīng)炎癥；另一方面激活星形膠質(zhì)細(xì)胞GABAergic/Ca2?信號(hào)通路，增強(qiáng)抗焦慮神經(jīng)傳導(dǎo)；最終實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)腸炎的腸道保護(hù)與焦慮樣行為的神經(jīng)調(diào)節(jié)，形成“SP-腸道菌群-肌醇-海馬體”的完整調(diào)控軸。

該研究通過創(chuàng)新的數(shù)據(jù)整合方法，將深度單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)與空間基因表達(dá)數(shù)據(jù)相結(jié)合，首次實(shí)現(xiàn)了在大麥組織中以細(xì)胞分辨率解析超過40,000個(gè)基因的表達(dá)圖譜。該研究揭示了大麥從分生組織及器官起始細(xì)胞命運(yùn)決定到特定花器官起始過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄事件與時(shí)空軌跡，闡明了大麥花序和花器官發(fā)育的遺傳調(diào)控基礎(chǔ)，為未來精準(zhǔn)定向改良大麥農(nóng)藝性狀提供了全新的研究工具和理論基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序服務(wù)。

研究背景

禾本科植物的花序是復(fù)合結(jié)構(gòu)，包含一系列作為干細(xì)胞巢的分生組織。這些分生組織在身份和壽命上各不相同，產(chǎn)生分支或分裂形成最終產(chǎn)生種子的花分生組織。在分生組織內(nèi)部，特定的細(xì)胞類型由位置信息和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域性活性所決定。然而，目前的技術(shù)難以獲取基因表達(dá)譜的精確時(shí)空信息，從而限制了對(duì)這些局部微環(huán)境及復(fù)雜發(fā)育過程的理解。盡管已有一些單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)可用于禾本科物種，但要推斷復(fù)雜組織內(nèi)細(xì)胞的起源和命運(yùn)，仍需依賴已知標(biāo)記基因的表達(dá)譜進(jìn)行間接推測(cè)。

研究結(jié)果

深度單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)

本研究首先通過深度單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）技術(shù)，分析了參考品種“Golden?Promise”在特定發(fā)育階段的營(yíng)養(yǎng)莖尖分生組織和幼穗細(xì)胞，獲得了超過16,000個(gè)高質(zhì)量單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組信息，出于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目紤]，通過比較完整組織和原生質(zhì)體組織的bulk?RNA-seq數(shù)據(jù)去除了原生質(zhì)體分離過程中誘導(dǎo)產(chǎn)生的差異基因，并鑒定出代表維管束、原套、內(nèi)體層和分裂細(xì)胞等不同譜系的細(xì)胞集群。

圖1. 大麥發(fā)育尖端的器官形成

空間基因表達(dá)數(shù)據(jù)

然后，研究進(jìn)一步通過高分辨率多重單分子RNA熒光原位雜交技術(shù)，在組織切片上以納米級(jí)精度定位和定量了86個(gè)已知或預(yù)測(cè)標(biāo)記基因的表達(dá)，并構(gòu)建了空間表達(dá)矩陣。最終，研究者開發(fā)了一種定制化的數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法，將空間有限的smRNA-FISH數(shù)據(jù)作為錨點(diǎn)，與全面的scRNA-seq數(shù)據(jù)集進(jìn)行整合，成功地預(yù)測(cè)了組織切片上所有48,904個(gè)大麥基因在每個(gè)細(xì)胞中的表達(dá)水平，并構(gòu)建了用戶友好的在線圖譜BARVISTA。這一系列工作說明，整合單細(xì)胞與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)能夠以前所未有的時(shí)空分辨率重建大麥分生組織發(fā)育的動(dòng)態(tài)基因表達(dá)圖譜。

圖2. 植物SAM中原基形成和分生組織結(jié)構(gòu)的模型，以及發(fā)育中的花序示意圖

研究總結(jié)

該研究的核心意義在于成功開發(fā)并驗(yàn)證了一種可靠的數(shù)據(jù)整合與插補(bǔ)策略，彌補(bǔ)了當(dāng)前空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)通量有限和單細(xì)胞測(cè)序缺乏空間信息的鴻溝。所構(gòu)建的BARVISTA在線數(shù)據(jù)庫(kù)和虛擬顯微切割工具，使研究人員能夠直觀地探索大麥發(fā)育過程中的基因表達(dá)模式，并精準(zhǔn)解析特定細(xì)胞群體的表達(dá)特征。這項(xiàng)成果不僅為深入理解植物分生組織維持、器官起始和花發(fā)育的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)大框架，也為分子層面精準(zhǔn)表征復(fù)雜突變體表型、鑒定關(guān)鍵調(diào)控因子開辟了新途徑。

以上內(nèi)容來源于iPlants，侵刪

該研究通過田間試驗(yàn)結(jié)合宏基因組、理化分析及結(jié)構(gòu)方程模型，系統(tǒng)解析了?“稻?–?川芎輪作”?模式降低川芎鎘積累、提升活性成分的分子與微生態(tài)機(jī)制，為道地中藥材安全優(yōu)質(zhì)種植提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐與理論依據(jù)。百邁客生物為該研究提供了宏基因組測(cè)序服務(wù)。

研究背景

川芎，作為活血行氣、祛風(fēng)止痛的經(jīng)典中藥材，在中醫(yī)臨床及現(xiàn)代中成藥制劑中應(yīng)用廣泛。然而，隨著土壤環(huán)境污染問題日益顯著，川芎中鎘元素含量超標(biāo)現(xiàn)象屢見不鮮，不僅嚴(yán)重影響藥材質(zhì)量與臨床用藥安全，也制約了川芎產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在植物降鎘領(lǐng)域，現(xiàn)有研究多集中于施用改良劑、篩選低積累品種或利用植物修復(fù)等。探尋一種既能有效阻控鎘吸收，又能兼顧藥材產(chǎn)量、品質(zhì)與種植效益的農(nóng)藝措施，成為產(chǎn)業(yè)與科研共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

對(duì)此，國(guó)錦琳教授團(tuán)隊(duì)率先將研究視角聚焦于川芎道地產(chǎn)區(qū)廣泛沿用的水稻-川芎輪作（Rice-Chuanxiong?rotation,?RC）模式與傳統(tǒng)種植模式的差異，深入探究這一差異化種植方式背后的生態(tài)效應(yīng)及其應(yīng)用價(jià)值。

研究結(jié)果

該研究采用多學(xué)科整合方法開展系統(tǒng)性探究：首先在四川鎘污染農(nóng)田設(shè)置?“稻?–?川芎輪作（RC）”?與?“川芎連作（CC）”?對(duì)照試驗(yàn)，追蹤川芎全生育期生長(zhǎng)指標(biāo)；隨后通過HPLC測(cè)定活性成分、ICP-MS分析鎘含量、宏基因組解析根際微生物群落；結(jié)合土壤理化性質(zhì)檢測(cè)、酶活性分析，最終利用PLS-SEM模型構(gòu)建?“微生物?–?功能?–?土壤性質(zhì)?–?鎘積累”?調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)：

• 輪作顯著提升川芎品質(zhì)與安全性，使川芎根莖鎘含量降低46%（遠(yuǎn)低于藥典?1mg/kg?限值），活性成分藁本內(nèi)酯A含量提升44%，且不影響根莖產(chǎn)量；
• 根際微環(huán)境重塑是關(guān)鍵，輪作顯著富Geobacter、Nitrospira等7個(gè)功能屬，增強(qiáng)碳氮代謝等29條通路；
• 土壤理化性質(zhì)介導(dǎo)降鎘，輪作使土壤pH提升6%-16%、有機(jī)質(zhì)增加?13%-48%，通過吸附與絡(luò)合作用抑制鎘吸收；
• 調(diào)控機(jī)制明確，PLS-SEM模型證實(shí)，輪作通過招募特定微生物→強(qiáng)化碳氮代謝→提升土壤pH與有機(jī)質(zhì)→最終降低鎘積累，該路徑擬合度?0.6957；
• 輪作雖未降低土壤有效態(tài)鎘，但通過改變微生物功能與土壤性質(zhì)阻斷鎘向植株轉(zhuǎn)運(yùn)；
• 根際微生物多樣性在收獲期顯著高于連作，且脫氫酶、蔗糖酶等關(guān)鍵酶活性提升?541%-143%，進(jìn)一步佐證土壤健康改善；
• 輪作還降低了連作中富集的致病與促鎘積累微生物（如Ralstonia、Burkholderia），減少土傳病害風(fēng)險(xiǎn)。

研究總結(jié)

該研究首次揭示了稻芎輪作（RC輪作）模式在降低川芎鎘富集方面的成效與核心機(jī)理。此模式不僅能大幅降低川芎的鎘含量，還能在保障川芎總產(chǎn)量的同時(shí)，顯著推動(dòng)其有效成分的積累，達(dá)成“控鎘、增產(chǎn)、提質(zhì)”的三重目標(biāo)。研究闡明其核心優(yōu)勢(shì)機(jī)制：稻芎輪作通過重構(gòu)根際微生物群落，富集碳氮代謝相關(guān)的有益功能微生物，進(jìn)而提升土壤pH值與有機(jī)質(zhì)含量，觸發(fā)了“根際微生物→微生物功能→土壤性質(zhì)→植物鎘積累”的級(jí)聯(lián)調(diào)控效應(yīng)，從源頭阻斷了鎘元素向川芎植株的遷移與富集。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，稻芎輪作模式無(wú)需額外投入化學(xué)材料、不產(chǎn)生環(huán)境副作用、易于在產(chǎn)區(qū)集成推廣，是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行且效益顯著的生態(tài)農(nóng)藝解決方案。該研究成果的發(fā)表，標(biāo)志著在解決中藥材重金屬超標(biāo)問題上取得了重要進(jìn)展，為川芎乃至其他根莖類中藥材的綠色、安全、規(guī)范化生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)和極具前景的實(shí)踐模式，對(duì)保障中藥材質(zhì)量安全、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、保護(hù)耕地生態(tài)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

以上內(nèi)容來源于成都中醫(yī)藥大學(xué)，侵刪

該研究系統(tǒng)繪制了陸地棉進(jìn)化路線圖，并揭示了染色體大尺度變異如何調(diào)控種群遺傳多樣性和環(huán)境適應(yīng)性的遺傳機(jī)制。這一研究不僅挖掘出纖維品質(zhì)改良的關(guān)鍵遺傳靶點(diǎn)，還為創(chuàng)造優(yōu)異的棉花種質(zhì)開辟了新的路徑。百邁客生物為該研究提供了基因組測(cè)序、組裝服務(wù)！

研究背景

棉花是全球性重要經(jīng)濟(jì)作物，既是紡織工業(yè)的核心原料，也兼具重要的油用和飼用價(jià)值。我國(guó)作為全球最大的原棉生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)、進(jìn)口國(guó)和紡織品服裝出口國(guó)，棉花產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位舉足輕重。

然而，長(zhǎng)期區(qū)域化集中種植和人工選擇導(dǎo)致陸地棉遺傳多樣性嚴(yán)重降低、品種同質(zhì)化問題日益加劇，疊加極端氣候頻發(fā)與病蟲害壓力，給棉花穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和持續(xù)育種創(chuàng)新帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。系統(tǒng)解析陸地棉馴化與環(huán)境適應(yīng)的分子演化軌跡，深入挖掘種質(zhì)資源中尚未被充分利用的優(yōu)異遺傳位點(diǎn)，是破解上述瓶頸的關(guān)鍵。

研究?jī)?nèi)容

從野生到栽培：結(jié)構(gòu)變異揭示陸地棉的演化路徑與馴化代價(jià)

研究團(tuán)隊(duì)基于107份陸地棉代表性種質(zhì)構(gòu)建高質(zhì)量泛基因組，系統(tǒng)解析了其基因組結(jié)構(gòu)與演化特征。首次精細(xì)描繪了5S和45S?核糖體DNA（rDNA）的高度復(fù)雜組織，發(fā)現(xiàn)5S?rDNA序列多樣性顯著高于已報(bào)道作物；同時(shí)揭示了LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在染色體上的區(qū)室化分布特征，其中Athlia亞族的插入可追溯至約400萬(wàn)年前。功能分析表明，盡管可變基因家族在數(shù)量上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但核心基因卻主導(dǎo)基礎(chǔ)細(xì)胞生命過程，可變基因則富集于脂質(zhì)與甾醇代謝等適應(yīng)性相關(guān)通路。

尤為重要的是，通過比較半野生種與栽培種發(fā)現(xiàn)，半野生棉特有基因顯著富集于防御相關(guān)激素通路且保持較高頻率，而栽培棉中約65%的特有基因?yàn)榈皖l等位基因（≤5%）。分析發(fā)現(xiàn)馴化過程中部分抗逆遺傳潛力被削弱，同時(shí)人工選擇促進(jìn)了稀有有利變異的保留與積累，研究結(jié)果為突破當(dāng)前品種同質(zhì)化瓶頸提供了關(guān)鍵遺傳資源與理論依據(jù)。

圖1 5S rDNA和45S rDNA分析

研究首次在陸地棉種內(nèi)鑒定到A03與A09染色體間的大尺度相互易位。該結(jié)構(gòu)變異起源于野生群體，并在加勒比海岸的地方種中高頻固定（96.3%），而在中美洲地方種（僅17.4%）和現(xiàn)代栽培品種中幾乎缺失（0%）。該易位類型明顯不同于其他異源四倍體棉種（AD2–AD7）及典型陸地棉材料（如N244）的祖先染色體構(gòu)型。此類染色體結(jié)構(gòu)變異清晰地揭示陸地棉馴化過程中存在兩個(gè)獨(dú)立的遺傳多樣性中心——加勒比海岸與中美洲，且表明現(xiàn)代栽培種主要繼承來自中美洲譜系，而加勒比海岸特有的染色體結(jié)構(gòu)在馴化過程中被丟失。

圖2 A03-A09易位的鑒定及驗(yàn)證

進(jìn)一步研究表明，在栽培陸地棉形成之前，野生/半野生陸地棉曾經(jīng)歷三個(gè)階段的結(jié)構(gòu)變異積累。以這些結(jié)構(gòu)變異為遺傳標(biāo)記，可將陸地棉劃分為32種單倍型，而現(xiàn)代栽培種僅來源于其中一個(gè)單倍型，遺傳基礎(chǔ)極為狹窄。基于上述研究成果，團(tuán)隊(duì)在基因組層面重構(gòu)了陸地棉從“尤卡坦半島起源→危地馬拉擴(kuò)散→全球傳播”的三階段馴化與傳播路徑。

圖3 陸地棉三段式馴化路徑

陸地棉在馴化與擴(kuò)散過程中并非孤立演化，而通過與海島棉多次自然雜交，持續(xù)引入外源遺傳物質(zhì)。這些來源于種間漸滲的基因組片段廣泛分布于全基因組中，其長(zhǎng)度顯著超出既往認(rèn)知范圍，并顯著富集于功能活躍區(qū)域，尤其與開花時(shí)間等關(guān)鍵適應(yīng)性性狀密切相關(guān)。進(jìn)一步的地理分布與系統(tǒng)發(fā)育分析表明，加勒比海岸及中美洲地區(qū)是種間基因流動(dòng)的熱點(diǎn)區(qū)域，而現(xiàn)代栽培棉可能通過繼承特定的漸滲組合以獲得新環(huán)境適應(yīng)能力。

圖4 陸地棉半野生棉及栽培種中海島棉漸滲片段分析

基因?qū)殻航Y(jié)構(gòu)變異揭示“隱藏”的抗病與高產(chǎn)密碼

研究還揭示陸地棉泛基因組中廣泛存在與抗病密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)變異，尤其在NLR基因富集區(qū)域形成高度動(dòng)態(tài)的“可變熱點(diǎn)”。在馴化過程中，栽培棉顯著丟失了NLR多樣性，但部分關(guān)鍵亞家族（如CNL）兼具核心保守性與結(jié)構(gòu)可塑性，可能為其持續(xù)的抗病適應(yīng)能力提供支撐。基于存在/缺失變異（PAV）的GWAS不僅驗(yàn)證了已知抗黃萎病位點(diǎn)VWA10，還鑒定到新抗性位點(diǎn)VWD11，其抗性單倍型與一個(gè)受病原誘導(dǎo)表達(dá)的TNL基因緊密關(guān)聯(lián)。該位點(diǎn)在黃河流域棉區(qū)顯著富集，且在育種進(jìn)程中抗性持續(xù)增強(qiáng)，并伴隨TIR結(jié)構(gòu)域多樣性提升，提示在長(zhǎng)期病原壓力下信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模塊發(fā)生了功能分化。

圖5 陸地棉泛NLR分析

利用陸地棉核心種質(zhì)群體開展了PAV-GWAS，共鑒定出69個(gè)與纖維品質(zhì)和衣分相關(guān)的遺傳位點(diǎn)，其中62個(gè)為傳統(tǒng)SNP-GWAS無(wú)法檢測(cè)的新位點(diǎn)，凸顯了PAV在挖掘“隱藏”遺傳變異方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。整合eQTL分析發(fā)現(xiàn)，多個(gè)PAV直接調(diào)控關(guān)鍵基因的表達(dá)，例如D02染色體上鑒定到的一個(gè)新QTL通過85?bp缺失和103?bp插入共同調(diào)控基因N244D02G000230，從而影響衣分性狀；值得注意的是，其低衣分但高黃萎病抗性的Hap.A單倍型在現(xiàn)代中國(guó)主栽品種中頻率顯著上升，反映了育種中對(duì)抗性與產(chǎn)量的權(quán)衡選擇。此外，在A07染色體鑒定到一個(gè)同時(shí)調(diào)控纖維強(qiáng)度與種子大小的多效性PAV位點(diǎn)，其806bp插入導(dǎo)致WD40類基因N244A07G024740內(nèi)含子延長(zhǎng)，過表達(dá)該基因可促進(jìn)種子發(fā)育。研究還揭示PAV區(qū)域內(nèi)部基因整體表達(dá)偏低，但部分特有基因（如遠(yuǎn)緣雜交材料中的CesA7）對(duì)纖維品質(zhì)提升具有關(guān)鍵作用。

圖6?PAV-GWAS揭示“隱藏”的QTL

倒位育種：機(jī)遇與連鎖累贅

研究還系統(tǒng)繪制了陸地棉中127個(gè)大尺度倒位的全基因組分布圖譜，揭示其在抗蟲性與纖維色澤等重要性狀中的關(guān)鍵作用。在A06染色體上，一個(gè)3.9?Mb的倒位顯著提升葉片表皮毛密度（與抗蟲相關(guān)），并進(jìn)一步鎖定候選基因?N244A06G021950；而在A07染色體，Lc1位點(diǎn)所決定的棕色纖維表型由兩種不同的倒位單倍型控制，其通過調(diào)控類黃酮通路核心基因?GhTT2?的表達(dá)水平，實(shí)現(xiàn)纖維顏色的梯度變化。值得注意的是，這兩個(gè)功能倒位均與區(qū)域內(nèi)數(shù)百個(gè)基因緊密連鎖，導(dǎo)致在選擇高抗蟲性或理想纖維色澤時(shí)，可能無(wú)意中引入大量非目標(biāo)性狀基因即“連鎖累贅”。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了傳統(tǒng)育種中性狀改良所面臨的潛在代價(jià)，也提出在泛基因組時(shí)代亟需結(jié)合結(jié)構(gòu)變異精細(xì)圖譜，發(fā)展“打破不利連鎖、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)編輯”的新策略，以充分釋放倒位所攜帶的育種潛力。

圖7 陸地棉倒位變異圖譜的構(gòu)建

研究總結(jié)

綜上所述，該研究不僅為理解陸地棉的進(jìn)化歷程提供了寶貴的信息，也為未來棉花品種改良指明了方向。通過整合多方面的研究成果，團(tuán)隊(duì)成功重構(gòu)了陸地棉從尤卡坦半島起源到危地馬拉擴(kuò)散再到全球傳播的三階段馴化與傳播路徑。同時(shí)，研究還強(qiáng)調(diào)了種間漸滲的重要性，指出它為現(xiàn)代栽培棉帶來了新環(huán)境適應(yīng)能力。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于提高棉花產(chǎn)量和質(zhì)量，應(yīng)對(duì)氣候變化和病蟲害挑戰(zhàn)具有重要意義。最后，研究團(tuán)隊(duì)提出結(jié)合結(jié)構(gòu)變異精細(xì)圖譜發(fā)展“打破不利連鎖、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)編輯”的新策略，以充分釋放倒位所攜帶的育種潛力。

以上內(nèi)容來源于iPlants，侵刪

該研究揭示了玉米中一個(gè)關(guān)鍵的表觀遺傳調(diào)控因子mop1在塑造減數(shù)分裂重組圖景中的核心作用。通過高分辨率的全基因組重組圖譜分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，mop1功能的缺失會(huì)以一種性別特異性的方式改變重組事件的發(fā)生位置，其背后的機(jī)制是通過調(diào)控一類被稱為“微型反向重復(fù)轉(zhuǎn)座子”（MITEs）的特殊DNA元件的甲基化水平，從而在特定的基因組位、尤其是遺傳多樣性高的區(qū)域“點(diǎn)燃”新的重組熱點(diǎn)。百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及分析服務(wù)！

研究背景

減數(shù)分裂重組是地球上有性生殖生物多樣性的基石。在細(xì)胞分裂形成配子（如花粉和卵細(xì)胞）的過程中，來自父母本的同源染色體像舞伴一樣配對(duì)、交換遺傳物質(zhì)片段，這一過程被稱為“重組交換”（Crossover,?CO）。它不僅打亂并重排了基因，創(chuàng)造出新的遺傳組合，還像“分子膠水”一樣確保染色體在分裂時(shí)能被正確地分離，避免了毀滅性的遺傳錯(cuò)誤。然而，這個(gè)過程并非隨機(jī)發(fā)生，而是受到一套極其精密的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)所控制。在玉米這樣基因組龐大且復(fù)雜的作物中，重組事件往往集中在特定的“熱點(diǎn)”區(qū)域，而廣闊的基因組區(qū)域則鮮有重組發(fā)生，如同“冰封”的大陸，這極大地限制了育種家利用優(yōu)異基因資源的能力。近年來，表觀遺傳學(xué)，尤其是DNA甲基化，被認(rèn)為是調(diào)控重組的關(guān)鍵因素之一，但其具體機(jī)制仍充滿謎團(tuán)。

研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

1、mop1改變雌雄減數(shù)重組格局

構(gòu)建群體與CO定位

• 作者在B73×Mo17雜交背景下，做了4個(gè)BC1群體：雌WT、雌mop1、雄WT、雄mop1，共423個(gè)個(gè)體。
• 全基因組3×深度重測(cè)序，利用~1.9?SNP/kb的密度，HMM調(diào)用出4048個(gè)CO，其中60%的CO區(qū)間<5kb，分辨率很高。

CO?總數(shù)的性別差異（Fig.1d）

• 雌性：WT和mop1每減數(shù)平均CO數(shù)基本相同（約19條，差異不顯著）。
• 雄性：mop1?CO數(shù)略低于WT（約18vs19.4，P=0.058，接近顯著）。
• WT中雌雄CO數(shù)相似；但在mop1中，雄性顯著低于雌性，說明mop1參與調(diào)控雌雄間的重組差異。

染色體尺度的CO分布（Fig.1c,?1e）

用Marey?map畫出遺傳距離與重組率曲線，結(jié)果顯示全基因組的重組率形狀在WT與mop1間總體相似，也與雌雄之間大體相似。但放大單條染色體后，可以看到：尤其在雌mop1中，多條染色體（1,4,5,6,7,8,9）在臂區(qū)CO增加，在著絲粒周CO減少；雄mop1也在多條染色體呈現(xiàn)類似趨勢(shì)。

結(jié)論：mop1對(duì)總CO數(shù)影響相對(duì)溫和，但會(huì)在局部區(qū)域重排CO峰谷，且這種效應(yīng)具性別特異性。

圖1?雄性mop1突變體與雌性mop1突變體相比，交叉（CO）數(shù)量減少。

2、CO相關(guān)序列motif的變化

篩選“高分辨率CO”

作者只選CO區(qū)間<2?kb的1835個(gè)CO，分別來自四個(gè)群體（雌WT?484、雌mop1?417、雄WT?431、雄mop1?503），用來做motif分析。

主要發(fā)現(xiàn)（Fig.2）

• 前五大motif都是富C/G或富A/T的短重復(fù)序列，和之前在玉米、小麥、水稻中CO常見motif一致。
• 定量統(tǒng)計(jì)顯示一個(gè)細(xì)節(jié)：富GC的motif（前三個(gè)）的出現(xiàn)頻率在雄mop1中明顯比雄WT低；富AT的motif（后兩個(gè)）在雌mop1中的出現(xiàn)頻率高于雌WT。

解讀：mop1使雄性CO更少落在GC-rich區(qū)，而讓雌性CO更偏向AT-rich（往往更開放）區(qū)域，體現(xiàn)出性別特異的序列/染色質(zhì)偏好變化。

圖2?在雄性mop1突變體中，G/C相關(guān)基序的頻率降低，而在雌性mop1交叉互換（COs）中A/T相關(guān)基序的頻率增加。

3、序列多態(tài)性與CO的關(guān)系

SNP密度與CO

• 在雌mop1的CO區(qū)間中，SNP密度明顯高于雌WT；雄性則無(wú)顯著差別。
• 把全基因組細(xì)分不同SNP密度區(qū)間，統(tǒng)計(jì)CO頻率：

雌WT：CO?頻率在~7?SNP/kb?達(dá)峰；

雌mop1：峰值移動(dòng)到~13?SNP/kb；

SNP>20/kb?時(shí)CO頻率接近0，呈明顯“倒?U?型”，存在上限閾值。

InDel與CO

• mop1與WT之間，CO區(qū)域的InDel數(shù)量/長(zhǎng)度無(wú)顯著差別。
• CO對(duì)InDel的容忍度很低：4?InDel/kb左右達(dá)到峰值，達(dá)到12個(gè)?InDel/kb時(shí)幾乎沒有CO，說明InDel比SNP更干擾重組。

結(jié)論：存在一個(gè)“適中多態(tài)性”窗口，既不能太低（重組驅(qū)動(dòng)力不足），也不能太高（同源配對(duì)困難）。在雌mop1中，這個(gè)SNP閾值被顯著抬高（從7→13?SNP/kb），說明RdDM缺失讓雌性減數(shù)更能容忍高多態(tài)背景下的CO。

圖3?mop1基因，尤其在雌性個(gè)體中，傾向于在遺傳多樣性較高的區(qū)域引入新的交叉（CO）位點(diǎn)。

4、CO與轉(zhuǎn)座子，尤其MITEs的緊密關(guān)系

CO與基因/TE的位置關(guān)系（Fig.4a）：1835個(gè)高分辨率CO中，約69%位于基因體或2kb上下游，其中44.3%同時(shí)與TE重疊。

不同TE類型與CO的相關(guān)性（Fig.4b–c）：按1Mb窗口算CO數(shù)與TE覆蓋度：CO與LTR/Gypsy強(qiáng)負(fù)相關(guān)（主要在周圍冷區(qū)）。與LINE、TIR、Helitron、MITE均正相關(guān)，其中MITE的正相關(guān)最強(qiáng)。

MITEs與CO直接重疊的比例（Fig.4d）：隨機(jī)選1835個(gè)等長(zhǎng)區(qū)：僅1.5%與MITE重疊；而CO區(qū)中：雌WT：33.8%CO?與MITE重疊；雌mop1：升到39.3%；雄WT：31.8%；雄mop1：34.7%。?說明：CO極度偏愛MITEs，且mop1尤其在雌性中進(jìn)一步加強(qiáng)這種偏好。

哪類MITE更“吸CO”？（Fig.4e）：在MITE子家族中，**DTA（hAT類）和DTH（Tourist/PIF-Harbinger類）**最常與CO重疊，占比明顯高于其他子家族。

CO熱點(diǎn)與冷點(diǎn)（Fig.5）

• CO熱點(diǎn)：重組率≥全基因組均值5倍的5kb區(qū)間?？倲?shù)在四個(gè)群體為391–525個(gè)。它們多數(shù)位于染色體兩端：39.1%?在前10Mb，63.9%在前20Mb。熱點(diǎn)2kb區(qū)內(nèi)，~65%附近有MITEs，而附近是LTR的比例很低。
• CO冷點(diǎn)：≥1Mb無(wú)任何CO的大區(qū)間。四個(gè)群體分別有~1167–1310個(gè)，絕大多數(shù)位于著絲粒周，且在不同群體間高度保守。冷點(diǎn)幾乎都與LTR?retrotransposons重疊，與MITEs卻很少重疊。

總結(jié)：MITEs≈重組熱點(diǎn)的標(biāo)志；LTR?retrotransposons≈穩(wěn)定冷點(diǎn)骨架。mop1通過調(diào)控MITEs，精細(xì)地改寫了部分熱點(diǎn)，而不改變那些“固有冷點(diǎn)”。

圖4 交叉變異（COs）與微RNA元件（MITEs）相關(guān)聯(lián)，在mop1突變體中觀察到更高的富集程度

圖5 交叉位點(diǎn)（CO）在MITE序列附近富集，而冷點(diǎn)則與LTR逆轉(zhuǎn)座子相關(guān)聯(lián)

5、mop1通過MITEs上的局部去甲基化+開放染色質(zhì)引入新CO

CO區(qū)DNA甲基化總體特征（Fig.6a）

• 與隨機(jī)區(qū)相比，CO附近的CG/CHG甲基化大幅降低（CG:?23.8%vs78.3%；CHG:?12.4%vs60.4%），說明CO天然偏向低甲基化區(qū)域。
• CG/CHG：mop1和WT在CO區(qū)沒有顯著差異。
• CHH：WT中CO區(qū)CHH與隨機(jī)區(qū)相當(dāng)，而在mop1中顯著降低。也就是mop1主要在CO區(qū)進(jìn)一步清空CHH甲基化。

DMR與CO的重疊情況（Fig.6b–c）

在雄mop1與WT花藥甲基化數(shù)據(jù)中，作者找到3189個(gè)CG?DMR、4800個(gè)CHG?DMR、13864個(gè)CHH?DMR，其中大多數(shù)是低甲基化（hypo）。這些成千上萬(wàn)DMR中，與CO±2kb重疊的不到1%，其中CG：9/2749；CHG：30/4110；CHH：101/12061。且這些與CO重疊的DMR，絕大部分都位于?基因2kb上下游區(qū)域。

這些DMR上到底是哪些TE？（Fig.6d）在“DMR+CO”雙重重疊的TE中，MITEs占比最高，明顯高于僅有DMR或無(wú)DMR/CO的TE。這說明：mop1引起的CO變化主要集中在MITEs，尤其是靠近基因的MITEs上。

MITEs上的甲基化&組蛋白標(biāo)記分組分析（Fig.6e–f）

• 按是否與DMR/CO重疊，把MITEs分4類：既有DMR又有CO；有DMR無(wú)CO；無(wú)DMR有CO；都沒有。
• 結(jié)果：在mop1中，類別1的MITEs?CHG/CHH甲基化降低最明顯；同時(shí)，類別1上H2A.Z、H3K27ac、H3K56ac、H3K9ac活性標(biāo)記最高；完全沒有DMR/CO的MITEs這些標(biāo)記最低。即：“真正變成CO熱點(diǎn)”的MITEs=低甲基化+高H2A.Z+高?H3乙酰化+位于基因附近。

49kb典型區(qū)域的可視化例子（Fig.6g）

• 染色體9上49?kb區(qū)間中有兩個(gè)CHH低甲基化DMR：
• 紅框：一個(gè)DMR?同時(shí)有?MITE+CO，且H2A.Z、H3?acetylation高，H3K27me3低，mop1中還伴隨CG/CHG降低；
• 藍(lán)框：另一個(gè)DMR也有MITE，卻沒有CO，CG/CHG一直高，且H3K27me3高、H3Ac低。
• 這對(duì)比說明：?jiǎn)慰緾HH降低不夠，還要配合整體開放染色質(zhì)（低CG/CHG+高H2A.Z/H3Ac+低H3K27me3），MITEs才會(huì)真實(shí)變成CO熱點(diǎn)。

圖6 mop1可能通過局部降低具有開放染色質(zhì)標(biāo)記的MITE序列上的DNA甲基化水平
引入新的交叉（CO）位點(diǎn)

6、基因表達(dá)和CO干涉：ASY4下調(diào)，但干涉基本不變

RNA-seq：減數(shù)基因表達(dá)變化

• 在幼花藥中，mop1vsWT?共有186個(gè)上調(diào)、199個(gè)下調(diào)DEG。
• 若只看41個(gè)減數(shù)相關(guān)基因：只有軸蛋白ASY4顯著下調(diào)；ZYP1、ZIP4接近顯著下調(diào)。
• 這些基因負(fù)責(zé)軸/聯(lián)會(huì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)和CO干涉，Arabidopsis中它們?nèi)笔?huì)讓CO向染色體臂端偏移。

DEG與DMR、CO的關(guān)系

只有極少部分DEG附近有?DMR，且沒有任何CO與這些DEG的DMR?重疊，說明?MITEs去甲基化帶來的新CO不必然改變附近基因的轉(zhuǎn)錄。

CO干涉分析

作者用crossover?coefficient（CoC）分析干涉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)：mop1雌雄的干涉與WT基本無(wú)顯著差異，只是雌mop1干涉略有減弱趨勢(shì)。因此，CO干涉變化不是驅(qū)動(dòng)CO重排的主要原因。

解釋：mop1的主要作用，是通過局部改變MITEs的表觀狀態(tài)+略微削弱軸/SC?組件來調(diào)整CO的位置，而不是大幅改變CO總數(shù)或經(jīng)典的干涉模型。

研究總結(jié)

在機(jī)制層面，mop1通過RdDM通路主要清除基因附近MITEs的CHH（并部分?CG/CHG）甲基化，在本就偏開放的MITE區(qū)促進(jìn)H2A.Z和H3?acetylation富集，從而讓這些TE成為新的CO熱點(diǎn)。性別差異：這一作用在雌性中更強(qiáng)——雌mop1?不僅保留CO總數(shù)，還把CO推向高SNP、MITE富集的開放區(qū)域，提高了對(duì)序列多態(tài)性的容忍度。結(jié)構(gòu)蛋白貢獻(xiàn)：mop1還伴隨軸蛋白ASY4下調(diào)，可能進(jìn)一步改變CO在染色體上的分布，而對(duì)CO干涉整體影響不大。

在應(yīng)用前景方面，提示可以通過精細(xì)調(diào)控MITEs附近的甲基化/表觀狀態(tài)，而不是粗暴打掉全基因組甲基化，來在作物中局部提升重組率；有望用于玉米及其他TE-rich作物中打破連鎖拖帶、提高育種重組效率、利用“中度多態(tài)區(qū)域”的隱藏遺傳變異。

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