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中国科学院遗传与发育生物学研究所

战略定位和发展目标

面向我国粮食安全、人民健康的重大战略需求和生命科学与农业生态学前沿，攻克遗传与发育生物学和农业资源高效利用领域重大科学和关键技术问题，在国家科技创新体系中发挥骨干和引领作用，成为遗传与发育生物学原始创新研究基地、生物高新技术研发基地、优秀人才培养基地和国内外具有重要影响力与核心竞争力的研究所，作为现代农业和生命健康领域国家战略科技力量，服务国家科技和社会经济发展。

2021年，中国科学院遗传与发育生物学研究所 (以下简称“遗传发育所”) 共发表SCI论文511篇，申请授权专利104项，软件著作权6项，审定（登记）作物新品种8项，植物新品种权4项，年度品种推广面积600余万亩。发表的论文中，通讯作者论文279篇，CNS论文10篇，论文平均影响因子超过9；科学家们在异源四倍体野生稻快速从头驯化、水稻氮高效利用关键基因克隆鉴定、植物抗病小体作用机制解析、水稻图形基因组、植物基因编辑、人的生命周期的代谢规律等方面的研究取得了多项重要突破。

植物生物学研究

生长发育分子机理

植物生存有赖于体内不同激素信号间复杂交互作用。脱落酸 (Abscisic acid, ABA) 与油菜素甾醇 (Brassinosteroids, BR) 是两类重要的植物激素，前者与植物对环境胁迫的响应紧密相关，被视为典型的“逆境激素”，后者在促进植物生长发育中具有重要功能。储成才研究组发现ABA与BR之间存在协同交互作用，且其协同作用部分依赖ABI3-OsGSR1模块的分子机制，该研究为全面阐明逆境激素与促生长激素间的复杂交互作用提供了新的切入点 (Li et al., Nature Plants, 2021)。活性氧 (Reactive Oxygen Species, ROS) 是多细胞生物有氧代谢的必然产物，长期以来被认为是一种导致细胞病变和死亡的危险化学分子。许操研究组发现植物可以“变废为宝”，利用ROS作为有益的发育信号激发转录因子蛋白质相分离，控制茎尖干细胞命运转换进而决定开花。该项研究发现了一种全新的蛋白质相分离机制，第一次将ROS、蛋白质相分离和干细胞命运决定三个重要的生物学现象和科学问题建立了分子联系并阐明了机制，更新了人们对植物干细胞命运决定机制的认识，为使用交叉学科知识解析复杂生物学机制提供了范例 (Huang et al., Nature Chemical Biology, 2021)。

植物光合作用产生的碳水化合物用于维持地球上的生命和生态系统，植物叶绿体内的蛋白质大部分直接或间接参与光合作用，这些蛋白质的稳态主要由两类蛋白质调控：一类是负责蛋白质折叠的分子伴侣，另一类是负责蛋白质降解的蛋白酶体。刘翠敏研究组与合作者从莱茵衣藻叶绿体内纯化了完整的ClpP蛋白酶复合体，首次阐明了真核细胞叶绿体中ClpP复合体的三维结构和催化机理，同时也发现了辅分子伴侣素Cpn11/20/23的全新生化功能。该项研究为深入理解分子伴侣素与蛋白酶相互配合共同调节质体内蛋白质稳态，提供了崭新的科学视角 (Wang et al., Nature Plants, 2021)。

氮素是植物需求最大的营养元素，但氮肥过量施用会导致水体富营养化和土壤酸化等环境污染，因此提高农作物氮素利用效率对实现农业可持续发展至关重要。储成才研究组通过对全球不同地理区域52个国家110份早期水稻农家种进行全面的农艺性状鉴定，利用全基因组关联分析技术鉴定到水稻氮高效基因OsTCP19，并揭示了氮素调控水稻分蘖发育过程的分子基础。有意思的是，由于化肥的过量施用，我国现代水稻品种这一氮高效基因类型几乎全部丢失。通过杂交方法将其重新引入现代水稻品种，在减氮条件下，氮肥利用效率可提高20%–30%，这一成果在氮高效农作物品种培育及实现农业绿色可持续发展上具有重大意义 (Liu et al., Nature, 2021)。

调控氮高效利用的关键基因（Liu et al., Nature, 2021）

耐逆分子机理

高温环境下，植物会表现叶柄和下胚轴伸长等一系列表型，即高温形态建成。曹晓风研究组利用遗传学、染色质组学、转录组学和生物化学等研究手段，揭示了拟南芥组蛋白H3K27me3去甲基化酶REF6/JMJ12参与拟南芥高温响应的分子机制，证明了表观遗传修饰因子与转录因子协同作用调控基因表达从而响应环境信号的重要作用。该研究揭示了植物高温形态建成的表观遗传调控机制，同时为表观遗传修饰的动态调控与关键转录因子的结合协同调控基因转录提供了直接的证据 (He et al., National Science Review, 2021)。

作物病虫害是农业生产的重要制约因素，严重威胁我国食品安全。抗病蛋白通过感知病原菌的存在，迅速启动防卫反应，保护植物免受侵害，是农作物稳产高产的重要保障。抗病蛋白ZAR1在体外被激活后能组装成一个五聚体的复合物——抗病小体。周俭民研究组、陈宇航研究组、何康敏研究组与合作者通过植物免疫学、膜生物学、单分子成像和结构生物学等多学科交叉手段，阐明了抗病小体的生化功能，揭示了抗病蛋白激活下游免疫反应的分子机制。抗病小体作用机制的解析，利于设计更广谱、持久的新型抗病蛋白，对发展绿色农业具有指导意义 (Bi et al., Cell, 2021)。

分子设计育种

我国在水稻育种中取得了辉煌的成就，但仍然迫切需要新策略来应对未来的粮食挑战。当前的栽培稻是从祖先二倍体野生稻经过数千年的人工驯化而来，驯化过程在改良重要农艺性状的同时造成了遗传多样性的大量丢失。李家洋研究组、梁承志研究组和高彩霞研究组合作提出并验证了异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，该策略旨在最终培育出新型多倍体水稻作物，从而大幅提升粮食产量并增强作物对环境变化的适应性。该项研究开辟了全新的作物育种方向，是一项领域重大突破性进展，对未来创制和培育新的作物种类从而保障粮食安全具有重要意义 (Yu et al., Cell, 2021)。李家洋受邀发表社论文章，对作物育种所面临的严峻挑战及可能的应对策略与研究方向进行了探讨，指出植物株型改良、提高光合作用效率、控制植物中的能量流动和分配、提高农药与化肥等农业资源的利用效率、发展垂直农业技术、提高农作物食味品质与营养价值，是未来重要的研究方向 (Yu and Li, National Science Review, 2021)。

基因组与基因组编辑技术

基因组结构变异 (SV) 和基因拷贝数变异 (gCNV) 是动植物中主要的遗传变异来源，全面准确地鉴定和分析水稻中的SV和gCNV对于挖掘优异等位基因、提高育种效率具有重要意义。梁承志研究组与合作者通过对33个具有遗传多样性的水稻进行高质量基因组构建和比较基因组分析，首次构建了“水稻高质量泛基因组和图形基因组”，阐明了SV和gCNV在塑造水稻环境适应性和驯化方面的生物学意义 (Qin et al., Cell, 2021)。

重要农作物精准基因组编辑对加快农作物遗传改良进程具有重要意义，引导编辑技术能够在基因组的靶位点处实现精准的片段插入、删除及碱基的任意替换。高彩霞研究组与李家洋研究组合作开发了高效设计pegRNA以及提高植物引导编辑效率的新策略，发现基于熔解温度的引物结合序列设计与双重共编辑策略可提升引导编辑效率，并开发了植物pegRNA设计网站PlantPegDesigner (http://www.plantgenomeediting.net/)，该网站可以为使用者提供完整的pegRNA选择、设计与推荐方案，方便使用者快速设计高活性pegRNA。该项研究极大简化了在植物中获得高效pegRNA的过程，为实现植物基因组功能解析和作物精准育种提供了强有力的技术支撑 (Lin et al., Nature Biotechnology, 2021)。

脱靶效应是基因组编辑技术应用转化时需要解决的一个重要科学问题，然而引导编辑系统在体内是否存在全基因组范围的脱靶尚不清楚，亟待全面与系统的评估。高彩霞研究组在植物细胞及个体两个水平上对引导编辑系统的脱靶效应进行了深入和系统的评估，揭示引导编辑不存在全基因组脱靶效应，也不会对内源逆转录过程产生影响 (Jin et al., Nature Biotechnology, 2021)。高彩霞应邀在Cell撰写“基因组编辑助力作物改良和未来农业”综述，总结了植物基因组编辑的流程，重点描述了传统育种无法实现的基于基因组编辑的植物改良的最新进展，提出了植物基因组编辑面临的挑战和未来展望 (Gao, Cell, 2021)。

植物引导编辑的研发及特异性研究 (Lin et al., Nature Biotechnology, 2021; Jin et al., Nature Biotechnology, 2021)

动物生物学研究

胚胎发育

生命体的构建始于胚胎发育，其调控过程高度动态复杂。胚胎发育研究的一个重要切入点是追踪关键调控蛋白在各个细胞和各个时刻的表达模式。杜茁研究组综合活体成像、细胞鉴定、谱系追踪和单细胞荧光定量方法，实现了在原位和单细胞注释精度，量化了数百个转录因子的4D蛋白动态表达图谱。基于图谱，研究初步阐明了细胞命运图式逐级建立的调控逻辑、揭示了经典调控基因的新功能和趋同分化新调控因子、发现了细胞的发育历史对其功能的塑造和多样性形成产生重要影响，以及细胞发育调控状态的转变呈现高度非定向性。该项研究为解析胚胎发育的分子调控规律提供了完整、精确和标准化信息，为“表达启示型”基因发育功能研究、调控状态-功能的定量生物学研究和单细胞-全胚胎-多维度的系统生物学研究奠定了基础 (Ma et al., Nature Methods, 2021)。

神经发育、损伤与再生

哺乳动物的下丘脑由功能复杂的核团构成，作为中枢神经系统最为复杂的脑区之一，高度多样化下丘脑神经元通过调控自主神经、内分泌和行为控制哺乳动物的内稳态。吴青峰研究组绘制了下丘脑的动态发育图谱，并重构了从放射状胶质细胞 (RGCs)、中间前体细胞 (IPCs)、新生神经元到肽能神经元的下丘脑发育谱系树，提出了“级联放大论”来阐释神经元多样性发生的新规律。该项研究有助于理解下丘脑的动态发育过程及高度多样化的神经元的命运决定，为治疗厌食、嗜睡、失眠等神经系统疾病提供了研究基础和新思路 (Zhang et al., Cell Stem Cell, 2021)。吴青峰研究组还揭示小鼠下丘脑的伸展细胞在生理状态下大多处于静止状态，但在神经损伤后可以进行自我更新和再生；伸展细胞在原癌基因激活以后迅速进入高速增殖状态，在下丘脑基底部产生出颅咽管留样肿瘤，显示其具有再生和成瘤能力。该项研究有助于通过操纵伸展细胞的生物学特征来调节下丘脑功能，揭示临床相关肿瘤的发病机制，并为诊疗提供指导 (Mu et al., Nature Communications, 2021)。

戴建武研究组与合作者报告了胶原/纤维蛋白线性支架材料，具有可拉伸特性、粘附行为和基质细胞衍生因子-1α /紫杉醇时空传递能力，能够募集内源性神经干/祖细胞，在脊髓损伤修复中显示出巨大的前景 (Chen et al., ACS Nano, 2021)。另外，戴建武研究组系统总结了团队研发的具有自主知识产权的胶原蛋白神经再生支架产品，产品在脊髓损伤治疗的从基础研究到临床转化的研究成果，以及脊髓损伤再生修复研究领域的最新进展，展望了该研究领域存在的挑战和未来发展趋势，为脊髓再生研究和应用转化提供了重要指导 (Shen et al., Advanced Functional Materials, 2021)。

衰老与代谢

遗传信息是否可以记忆生物体所经历的环境胁迫，并将“适应性”的变化传递给后代，促使后代预知未来的压力挑战？田烨研究组以线虫为模型，发现了一个全新的跨代遗传现象：神经元的线粒体应激通过神经与生殖腺的信号交流，提高生殖腺中线粒体DNA (mtDNA) 的拷贝数，促进后代继承更多的mtDNA，继而引发mtDNA与核基因组DNA (nDNA) 的比例失衡，激活了后代个体的线粒体未折叠蛋白反应 (UPRmt)。这种神经-生殖腺的信号交流是通过Wnt信号通路介导，使后代意外获得了更多的mtDNA以及线粒体应激反应，从而赋予了后代更强的抗逆能力和更长的寿命。该研究揭示了mtDNA拷贝数在跨代遗传效应中被忽视的作用，也拓展了Wnt信号参与mtDNA拷贝数的机制研究 (Zhang et al., Nature Cell Biology, 2021)。

神经元线粒体应激的记忆跨代遗传的机制 (Zhang et al., Nature Cell Biology, 2021)

一直以来，学术界对膳食中的哪种宏量营养素是导致肥胖的关键因素始终存在争议。John Speakman研究组在前期研究中揭示了食物中的脂肪是导致小鼠肥胖的元凶，同时发现低蛋白含量 (5%) 食物并没有导致小鼠摄食量和体重的增加。研究团队进一步探究了更低蛋白含量 (1%, 2.5%) 食物对小鼠能量代谢的影响，发现低蛋白引起较低体脂，并证实该表型部分依赖于mTOR信号通路。该项研究为人类通过节食手段减肥提供了全新的可能 (Wu et al., Cell Metabolism, 2021)。代谢率和体重的关系非常密切，John Speakman研究组参与的一项大规模国际合作研究准确测量了人类从出生到老年的代谢率的高峰和低谷，首次揭示了全生命周期的代谢规律。研究结果表明婴儿单位体重消耗的卡路里可以比成人的代谢率高50%，此后以每年约3%的速度递减直到20多岁，随后稳定下来直至60岁，60岁后代谢率开始真正缓慢下降 (Pontzer et al., Science, 2021)。大熊猫具有异常低的代谢率，其基因组中一个调控甲状腺激素合成的关键基因DUOX2发生了突变，John Speakman研究组与合作者使用基因组编辑方法创建了与熊猫相同的DUOX2突变体小鼠，这些小鼠的代谢表型有显著变化。这项工作使用基因组编辑方法，证明关键内分泌相关基因的单核苷酸突变导致代谢表型发生深刻适应性变化，这在生态学和进化中具有重要意义 (Hu et al., National Science Review, 2021)。John Speakman研究组还系统地评估了在清除肠道菌群情况下小鼠各个器官对葡萄糖摄取能力的变化以及各自对血糖清除的贡献，揭示了肠道菌群缺失小鼠的棕色脂肪组织Brown Adipose Tissue (BAT) 对葡萄糖摄取和血糖清除的重要作用，发现了在清除肠道菌群的条件下BAT中葡萄糖代谢途径可以与产热途径分离，这将为肠道-BAT代谢轴对糖尿病影响的研究提供新的思路 (Li et al., Nature Communications, 2021)。

应用研究

双季早粳品种在我国水稻育种中一直是一个空白，李家洋研究团队以分子精准设计育种作为技术支撑，研发了“中科发早粳1号”，实现了中国双季早粳稻“零的突破”，填补了双季早粳品种在中国水稻生产中的空白。2021年7月19日江西省上高县举行测产观摩会，测定该品种平均亩产为567.64公斤。该品种可将我国优质新粳米的上架期提前2—3个月，具有重大应用前景。

大豆是我国重要的粮油饲兼用作物，但对外依存度长期保持在80%以上。选育耐盐碱大豆，有效利用这些盐碱地资源，是提高我国大豆生产能力的新途径，对保障我国粮食安全具有重大意义。田志喜研究团队选育的TZX-1736、TZX-805实收测产亩产分别达264.8公斤和263.3公斤，比全国大豆2020年平均亩产（132.4公斤）提高近1倍，测产专家组认为耐盐碱大豆新品系为深耕盐碱地和充裕大粮仓提供了核心科技要素。

针对环渤海地区1000万亩盐碱荒地，李振声研究团队提出利用环渤海地区盐碱地种植耐盐牧草建立“滨海草带”的设想。2021年长穗偃麦草耐盐种质创制和应用初显成效，研究团队建立了一套完整的创制、繁育和种植长穗偃麦草的技术体系，在东营建立了200亩种苗基地，明年预计繁殖3000—5000斤种子、可以满足1000亩地的种子需求；开展了长穗偃麦草牧草收割、青干草晒制和打捆、青贮饲料制作、湖羊舍饲喂养与放牧等试验，获得了一批耐盐碱优质种质材料，为打造滨海草牧业带，推进农业绿色循环发展奠定基础。

农产品国际贸易对土地利用效率和氮素利用效率的影响复杂而深远。马林和柏兆海研究团队根据全球各区域环境强度的变化和双边贸易的发展，分析了中国食物需求对国内和国际资源环境的影响，并针对限制发展和快速发展不同情景进行了敏感性分析，该项研究可为我国农产品贸易资源环境代价的全球谈判、生产与贸易的权衡分析决策提供理论和定量依据（Zhao et al., Nature Sustainability, 2021)。此外，研究团队还刻画了全球农业生产的累积生产效率分布曲线，基于该曲线提出了农产品高效生产集聚度和集聚生产力两个新的农业生产效率评价指标；分析了农产品贸易对全球耕地、氮肥、畜禽养殖和饲料氮利用效率的影响，以及贸易优化程度变化规律，结果表明作物蛋白贸易提高了全球耕地利用效率和氮肥偏生产力。总的来说，贸易对资源利用的混合影响表明有必要重新考虑贸易模式并提高其最优性（Bai et al. Nature Food, 2021)。