2024-05-15
研究(jiu)背(bei)景(jing)
在當今全球(qiu)糧食安(an)全與(yu)生態(tai)環境保護的雙重挑戰下，農業(ye)生產(chan)的可(ke)持續性(xing)成(cheng)為(wei)了亟待(dai)解決的關鍵問題。農藥作(zuo)為(wei)保障(zhang)作(zuo)物產(chan)量、防治(zhi)病蟲害的重要手段，其(qi)廣泛(fan)應用(yong)雖顯著提高了農業(ye)生產(chan)效(xiao)率，但(dan)同時也(ye)帶(dai)來了環境污染、生物多樣性(xing)下降及農產(chan)品殘留等嚴峻問題，對生態(tai)系統的健康與(yu)人類健康構成(cheng)了潛在威脅。因此，探(tan)索科學合理的農藥使用(yong)策略，減少其(qi)負(fu)面影響，是實現(xian)綠色農業(ye)轉(zhuan)型的迫切需(xu)求。 近(jin)年(nian)來，生(sheng)態領(ling)域(yu)多組(zu)(zu)學(xue)技(ji)術的(de)(de)(de)迅猛發展(zhan)為(wei)深入理(li)解農(nong)(nong)藥(yao)在環境(jing)中(zhong)的(de)(de)(de)行為(wei)效(xiao)應及其對生(sheng)態系(xi)統(tong)多層面(mian)影響提(ti)供(gong)了革命性的(de)(de)(de)工具。通過整合基因組(zu)(zu)學(xue)、轉錄組(zu)(zu)學(xue)、蛋白質組(zu)(zu)學(xue)和代謝組(zu)(zu)學(xue)等多組(zu)(zu)學(xue)數據，研(yan)究人員能夠從分子到生(sheng)態系(xi)統(tong)尺度全面(mian)解析農(nong)(nong)藥(yao)暴露下生(sheng)物體的(de)(de)(de)響應機制。生(sheng)態領(ling)域(yu)多組(zu)(zu)學(xue)在農(nong)(nong)藥(yao)研(yan)究中(zhong)的(de)(de)(de)應用，不僅有(you)助于優化農(nong)(nong)藥(yao)管理(li)策(ce)略(lve)，促進環境(jing)友好(hao)型農(nong)(nong)藥(yao)的(de)(de)(de)研(yan)發，而(er)且對推動農(nong)(nong)業(ye)可持(chi)續發展(zhan)、維護生(sheng)態平(ping)衡具有(you)重(zhong)要意義，是(shi)當前農(nong)(nong)業(ye)生(sheng)態學(xue)研(yan)究的(de)(de)(de)前沿和熱點方(fang)向。
多組學(xue)在農藥研究中的應用思(si)路(lu)
通過多組學方法(fa)的(de)(de)(de)綜(zong)合(he)應用，可以系(xi)統地描繪出農藥在生(sheng)態系(xi)統中的(de)(de)(de)作用模式、生(sheng)物(wu)體的(de)(de)(de)響應機制以及環境影響，為制定更加科(ke)學合(he)理的(de)(de)(de)農藥管理策略和開(kai)發(fa)新型低(di)毒高效農藥提供堅實(shi)的(de)(de)(de)理論基礎和技(ji)術支持。 1.基因組學 農(nong)藥(yao)抗性(xing)基因的鑒定：通過(guo)測(ce)序農(nong)作物或害蟲的全基因組(zu)，識別與農(nong)藥(yao)抗性(xing)相關的基因變異或過(guo)表達區(qu)域，為抗性(xing)機制研究提供基礎。 微(wei)生(sheng)物資源(yuan)(yuan)發掘：分(fen)析參(can)與農(nong)藥降解的微(wei)生(sheng)物基(ji)因(yin)(yin)組，尋找新(xin)的降解酶編碼基(ji)因(yin)(yin)，為生(sheng)物降解技術開發提供候選基(ji)因(yin)(yin)資源(yuan)(yuan)。 2.轉錄組學 響(xiang)應機(ji)(ji)制解析：利用RNA-seq技術監測農(nong)藥(yao)處(chu)理前后生物體（如作物、害蟲或環境(jing)微(wei)生物）的(de)轉(zhuan)錄水平變化，揭示農(nong)藥(yao)作用下的(de)基因表達調控(kong)網絡，了(le)解生物對農(nong)藥(yao)的(de)響(xiang)應機(ji)(ji)制。 抗(kang)性(xing)表達譜分(fen)(fen)析：分(fen)(fen)析抗(kang)性(xing)與敏(min)感個體或種群在農藥暴露下的轉錄組差異，探究抗(kang)性(xing)形成的分(fen)(fen)子(zi)基礎。 3.蛋白質組學 功(gong)能(neng)蛋(dan)白(bai)鑒定(ding)：通過質譜(pu)技術分析農(nong)藥處理樣本中的蛋(dan)白(bai)質組成和(he)修飾狀態，鑒定(ding)關鍵功(gong)能(neng)蛋(dan)白(bai)及信號(hao)通路(lu)，直(zhi)接關聯到農(nong)藥的生物效應(ying)和(he)代謝過程(cheng)。 4.代謝組學 生(sheng)物(wu)(wu)體代(dai)謝(xie)策略：分析農(nong)(nong)藥暴露前后生(sheng)物(wu)(wu)體內(nei)代(dai)謝(xie)物(wu)(wu)的(de)變化(hua)，系(xi)統地(di)描繪農(nong)(nong)藥處理前后生(sheng)物(wu)(wu)體或(huo)環境樣(yang)本中的(de)小分子(zi)代(dai)謝(xie)物(wu)(wu)變化(hua)。有助于識(shi)別關鍵(jian)代(dai)謝(xie)途徑的(de)擾動，比如能量代(dai)謝(xie)、抗氧化(hua)防御系(xi)統及次(ci)生(sheng)代(dai)謝(xie)的(de)激活，對于理解農(nong)(nong)藥的(de)生(sheng)理效(xiao)應(ying)、毒性機制及生(sheng)物(wu)(wu)體適應(ying)策略至(zhi)關重(zhong)要。 5.宏基因組學與宏轉錄組學 環境(jing)影響(xiang)(xiang)評估：研究農藥施用對土(tu)壤、水體等生態(tai)系統(tong)中微生物群落結構和(he)功能的影響(xiang)(xiang)，通過分析(xi)宏基因組和(he)宏轉錄組數據，評估生態(tai)系統(tong)的響(xiang)(xiang)應與恢(hui)復能力。
多組學案例分享(xiang)
案例1 文章題目： 期刊：Nature Microbiology 影響因(yin)子(zi)：30.964 技術手段：16S rRNA基因V3-V4區和ITS序(xu)列測序(xu)、真(zhen)核轉錄組測序(xu) 研究內容： 稻(dao)曲病是(shi)(shi)由活體營養型病菌(jun)Ustilaginoidea virens引起的(de)水(shui)稻(dao)穗部真菌(jun)病害，目前(qian)在全球范圍內的(de)水(shui)稻(dao)主(zhu)產(chan)區均有(you)不(bu)同(tong)程(cheng)度發(fa)病。稻(dao)曲病的(de)流(liu)行(xing)不(bu)僅導(dao)(dao)致水(shui)稻(dao)大幅減(jian)產(chan)，而且(qie)會在穗部積累嚴重(zhong)危害人畜(chu)健(jian)康的(de)生物(wu)毒素(su)，嚴重(zhong)影響稻(dao)米產(chan)量(liang)(liang)、品(pin)質和(he)(he)食品(pin)安全。化(hua)學防(fang)治是(shi)(shi)目前(qian)防(fang)治稻(dao)曲病的(de)主(zhu)要(yao)手段(duan)，但過(guo)量(liang)(liang)或不(bu)合理(li)施用藥劑不(bu)僅會帶來(lai)農(nong)藥殘留超標(biao)的(de)風險(xian)，同(tong)時也(ye)會對稻(dao)田有(you)益生物(wu)產(chan)生威脅、誘導(dao)(dao)病原(yuan)菌(jun)的(de)殺菌(jun)劑抗藥性，其生態(tai)風險(xian)一直(zhi)備受爭(zheng)議(yi)。為了研發(fa)安全、環保和(he)(he)有(you)效(xiao)的(de)稻(dao)曲病控(kong)殘減(jian)毒防(fang)控(kong)技(ji)術，科研團(tuan)隊在實驗室與田間同(tong)時開展攻關，以期挖(wa)掘到(dao)有(you)價值的(de)潛在線索(suo)。 水稻穗部與其常駐關鍵菌群之間存在代(dai)謝防御(yu)機制，抑病水稻穗部的(de)(de)關鍵菌群通過(guo)調控(kong)寄主穗部支鏈(lian)氨基酸的(de)(de)產生來抵(di)御(yu)病原菌的(de)(de)侵染(ran)。基于支鏈(lian)氨基酸誘(you)導的(de)(de)微生物菌劑開發或外(wai)源(yuan)支鏈(lian)氨基酸應用可能是(shi)綠色(se)防控(kong)稻曲病的(de)(de)有效(xiao)途徑。 研究路線： 結果展示： 案例2 文章題目： 期刊：Chemical Engineering Journal 影響因子：13.273 技(ji)術手段(duan)：細菌完成圖、轉錄組(zu)測(ce)序、蛋白(bai)組(zu)測(ce)序、代謝(xie)組(zu)產物檢(jian)測(ce) 研究(jiu)內容： 農藥在(zai)保(bao)障糧食安(an)全方面發揮著重(zhong)要作用，但(dan)對食品(pin)安(an)全、生(sheng)態保(bao)護和人(ren)類健(jian)康構成(cheng)潛在(zai)威脅。通過微生(sheng)物活性降解農藥，作為一(yi)種安(an)全、環境(jing)(jing)友好(hao)、實(shi)用的消除(chu)農藥殘留(liu)的方法，越來(lai)越受到(dao)人(ren)們的關(guan)注。雖然(ran)已經(jing)從環境(jing)(jing)中分離出(chu)許多擬除(chu)蟲菊酯(zhi)（一(yi)種農藥）降解微生(sheng)物，并提出(chu)了幾種降解途(tu)徑，但(dan)總體而言，編碼擬除(chu)蟲菊酯(zhi)及其代謝產物降解酶(mei)的基因仍有待研究(jiu)。 擬(ni)除蟲菊(ju)酯(zhi)通常被認為(wei)是比毒性更強的有(you)機氯(lv)和有(you)機磷農藥更環保的替(ti)代(dai)品，其中β-氯(lv)氰(qing)菊(ju)酯(zhi)（β-CY）占(zhan)全(quan)國擬(ni)除蟲菊(ju)酯(zhi)市場的50%以上。由于過(guo)量噴灑，β-CY殘留在水果(guo)和蔬菜、河流和土壤中均(jun)被檢測到，這可能對人類(lei)和環境建庫產(chan)生(sheng)長期影響。本研(yan)究旨(zhi)在研(yan)究從綿羊瘤胃食(shi)糜中分離的一種細(xi)菌(jun)(jun)GW-01（蠟(la)樣芽(ya)孢桿菌(jun)(jun)）降解β-CY的相關(guan)酶(mei)基因(yin)以及代(dai)謝途徑(jing)。 研究路線： 結果展示： 案例3 文章(zhang)題目： 期刊：Horticulture Research 影響(xiang)因子：8.7 技術手段：微(wei)生物組，代謝組等 研究內容： 由于農藥、化(hua)肥(fei)的(de)(de)過度使用以及工業“三(san)廢”的(de)(de)排(pai)放，導致(zhi)土(tu)壤鎘(ge)污(wu)染(ran)日趨嚴重(zhong)，鎘(ge)是土(tu)壤中(zhong)最常見的(de)(de)高毒(du)性(xing)重(zhong)金屬(shu)污(wu)染(ran)物(wu)。蘋(pin)果是世界上(shang)最重(zhong)要(yao)的(de)(de)經濟水果之(zhi)一(yi)，種(zhong)植(zhi)面積大，生(sheng)長周期長，巨大的(de)(de)時空跨(kua)度使其容易遭受鎘(ge)污(wu)染(ran)，嚴重(zhong)威脅蘋(pin)果生(sheng)長發育和品(pin)質安全。多巴胺(an)具(ju)有較強的(de)(de)抗氧化(hua)能力，在植(zhi)物(wu)響(xiang)應逆(ni)境脅迫中(zhong)具(ju)有重(zhong)要(yao)作用。然(ran)而，關于多巴胺(an)調(diao)控蘋(pin)果鎘(ge)脅迫的(de)(de)研(yan)究較少。 本研(yan)究利(li)用土(tu)壤(rang)(rang)微(wei)生物(wu)組和(he)代(dai)謝(xie)組聯合(he)分析(xi)，研(yan)究了多(duo)巴胺(an)對鎘(ge)(ge)脅迫下蘋果植(zhi)株(zhu)生長的(de)影響(xiang)。研(yan)究發現，多(duo)巴胺(an)可以(yi)增強植(zhi)株(zhu)光合(he)作用，激活活性氧清除系(xi)統(tong)，降(jiang)低(di)植(zhi)株(zhu)體內活性氧水平；抑制鎘(ge)(ge)吸收基因的(de)表達(da)，促進鎘(ge)(ge)解毒(du)基因的(de)表達(da)，減(jian)少植(zhi)株(zhu)鎘(ge)(ge)積累，從而(er)緩解鎘(ge)(ge)脅迫對植(zhi)株(zhu)生長的(de)抑制。此外(wai)，多(duo)巴胺(an)顯著改變了土(tu)壤(rang)(rang)代(dai)謝(xie)物(wu)的(de)組成以(yi)及根際(ji)微(wei)生物(wu)群(qun)落多(duo)樣性。研(yan)究結果有助于今后深入研(yan)究多(duo)巴胺(an)調控(kong)蘋果鎘(ge)(ge)脅迫的(de)功能機(ji)制，也為果園(yuan)土(tu)壤(rang)(rang)重金屬治理提供了新(xin)的(de)思路和(he)策(ce)略。 研究路線： 結果展示：
