#你不知道的科学那些事儿# 【杜鹃花要“下山”,更要“变香”】“花中此物似西施,芙蓉芍药皆嫫母”,白居易这首诗中描述的正是美艳不可方物的杜鹃花。作为我国十大传统名花之一,杜鹃花极具观赏价值,在国内外更是享有“无鹃不成园”的美誉,园林应用广泛,受到世界多国的青睐。

然而,我国虽为杜鹃花野生资源大国,但对其研究起步较晚。近年来,国内园艺科研工作者开始不断探索,力争在杜鹃花的世界舞台上闯出一片天地。

近日,浙江大学园林研究所与中国科学院昆明植物研究所等单位合作,对杜鹃花属马银花亚属的马银花开展基因组测序,获得了高质量基因组,并且揭示了杜鹃花低海拔适应性以及花香相关的合成通路与基因,对于高山植物驯化和花香育种具有重要的指导意义。相关成果发表于《植物生物技术杂志》。

高质量基因组成为重要参考

杜鹃花又称映山红、满山红、山石榴,是杜鹃花科杜鹃花属植物的总称,种类繁多,是木本植物大属。全世界杜鹃花逾1000种,分布于欧洲、亚洲和北美洲,尤以亚洲最多,有850种。

“原产于中国的就有500多种,尤其集中于云南、西藏和四川三省区的横断山脉一带,是世界杜鹃花的发祥地和分布中心。”该论文第一作者、浙江大学园林研究所副研究员王秀云在接受《中国科学报》采访时介绍。

曾经鲜有人问津的杜鹃花,在18世纪被西方来的“植物猎人”引种到了世界各地,杜鹃花开始进入西方园林并逐渐占据重要地位。尤其在英国,从街头小院、门廊到大小庄园,都有杜鹃花的身影,用整整一季的绚烂点缀了艳丽多彩的春天。

杜鹃花被誉为“花中西施”,近年来,在城乡园林绿化、环境美化和盆栽观赏等方面应用广泛,促进了国内杜鹃花产业的发展。但仍长期存在着应用品种单一的问题,国内杜鹃花育种总体尚处于起步阶段。

因此,充分地利用我国丰富的野生资源,摸清其遗传背景就显得十分重要。

“我们以杜鹃花属马银花亚属的代表种马银花作为测序材料,这是一种非常具有代表性的植物,对于开展杜鹃花的适应性研究意义重大。”该论文通讯作者、浙江大学园林研究所教授夏宜平告诉《中国科学报》。

虽然测序技术已经飞速进步,但马银花基因组组装仍有一定的困难。“因为马银花杂合率预估约1.55%,属于高杂合基因组,我们对组装的参数进行了很长时间的摸索,在基因组注释上下了大功夫。”该论文共同通讯作者、中国科学院昆明植物研究所研究员章成君在接受《中国科学报》采访时表示。

最终,克服重重困难,他们测序组装获得马银花高质量基因组549Mb,contig N50为1.2Mb,染色体挂载率为99.05%,注释到41264个基因,基因组注释完整度达96%。

“这次获得的基因组质量非常高,是杜鹃花目中高质量基因组之一。”夏宜平表示,为国内外同类研究提供重要参考。

找到“下山”难的原因

杜鹃花属大致可分为高海拔杜鹃和低海拔杜鹃两大类,高海拔杜鹃种类占了85%左右,而老百姓平日里比较常见的是低海拔杜鹃。

“高海拔杜鹃开花很美,本应有更大的发展空间,却面临着‘下山’难的困境,尽管已有前人开展相关研究,但目前还没有把高海拔杜鹃移栽到低海拔地区的大规模成功案例。”夏宜平说,比如马缨杜鹃就完全无法应用到城市里,哪怕海拔2000米的昆明也栽种不了。

在城市绿化应用中,杜鹃花是一种重要的装饰资源,为丰富城市绿地系统生态多样性起着重要作用。夏宜平指出,杜鹃花“耐热”能力较差,随着全球变暖,在城市种植过不了炎热夏季,难以适应低海拔气候环境,严重制约了杜鹃花园林应用的多样性。

不仅如此,在夏宜平看来,杜鹃“耐寒”问题也要解决,很多低海拔杜鹃也去不了北方,比如春鹃、毛鹃等就无法在华北地区存活,而这些都是城市绿化中非常好的资源。

打破“界限”成了当务之急。为了探索适应性的分子机制,他们最先选择了最典型的两个代表:麂角杜鹃和马银花。后因麂角杜鹃变异度太高,而马银花性状相对稳定,最终团队确定马银花为研究对象。

“马银花亚属属于低海拔杜鹃花类群,但是却在表型上与高海拔杜鹃有许多相似之处,比如拥有与高海拔类群相似的叶片革质、常绿等特性,是非常好的研究材料。”王秀云说。

通过与已测序的高海拔马缨杜鹃和圆叶杜鹃开展基因组比较分析,他们发现马银花扩张的基因家族显著富集到生物胁迫和非生物胁迫等多个逆境响应通路,其中转录因子NAC基因家族扩张可能对于马银花低海拔适应性起到重要作用。

夏宜平补充道,而马缨杜鹃和圆叶杜鹃等高海拔杜鹃因为没有这样一个进化过程,所以不能适应低海拔的逆境。

另外,进一步分析表明串联复制是马银花逆境响应基因扩张的主要方式。

“这些发现对于高海拔杜鹃‘下山’驯化有指导意义,对杜鹃花城市应用价值很大,也为其他的木本植物研究提供重要参考。”夏宜平说。

“香与不香”的秘密

杜鹃花以千姿百态、花色斑斓、种类繁多等优点备受人们喜爱。不过,目前栽培的杜鹃几乎都没有花香,造成了这一重要观赏性状的缺失。

“而马银花亚属多数种类具有花香,是研究杜鹃花香演化的良好材料。”章成君表示,通过对马银花香气的成分进行详细分析表明,萜类物质是其重要的花香成分。

“萜类物质是由萜类合酶(TPS)催化合成的,我们发现马银花TPS基因家族显著扩张,比其他杜鹃都要多,尤其是b类TPS具有较高的表达丰度。”王秀云介绍,他们测了两个高表达的TPS,发现它们的合成物质与马银花花香的两个最主要合成物质非常一致,表明这两个基因是合成花香的关键基因。

这项成果还有一个亮点,团队研究发现,TPS-b并不是传统认为的单萜合酶,根据其定位不同,可以合成单萜或倍半萜。体外TPS-b酶活分析显示,TPS-b既能以GPP为底物催化合成单萜,又能以FPP为底物合成倍半萜;但是体内酶活测定显示,定位于质体的TPS-b主要合成单萜,定位于细胞质的TPS-b主要合成倍半萜。

“而且,我们通过对不同杜鹃花的进化分析发现,相对于其他杜鹃花而言,马银花分化时间更早,但遗传变异少,呈现出保守的进化形式。”王秀云表示,这也证实了他们之前从形态学上得出的观点。

杜鹃花TPS-b同源基因的进化分析研究证明,杜鹃花香并不是马银花在与其他杜鹃分化后获得的,而是其他杜鹃花在进化过程中,可能由于TPS基因丢失或碎片化从而失去了花香。

“掌握了杜鹃产生花香的分子机制,我们就可以培育出有花香性状的杜鹃,将来不仅是‘春色满园关不住’,花香也关不住,香气四溢的杜鹃会更符合中国人的审美意趣。”夏宜平表示。

在章成君看来,他们此次组装的基因组基本达到了国际上的“金标准”。“有了这个高质量基因组,为我们未来品种的鉴定、分子标记辅助选种育种奠定坚实基础,也可以更好地保护植物新品种的知识产权。”

“接下来,团队将开展定向育种研究,找到关键的‘耐热’‘耐寒’调控基因,直接通过基因编辑的手段,培育出更具广泛适应性的杜鹃花,为杜鹃花在城市园林绿化中开辟更加广阔的发展前景。”夏宜平说。https://t.cn/A6IEwWib

【 从“一枝独秀”到“百花齐放”

从“单一养殖”到“虾贝虫藻”】
无棣县海洋经济实现高质量发展新嬗变
近日,记者跟随渤海水产的工作人员,去拍摄无棣县盐田虾出虾时的喜人场景。朝阳初升,虾池里波光粼粼,潮湿的海风裹挟着收获的喜悦,让人心醉。鳞次栉比的虾池里踯躅着几只叫“等”的鸟,时而轻啄水面,时而翘首远望,时而静静等待,让人产生一种时光恍惚之感,放松自在,诗意盎然。远处就是堆积如山的盐堆,洁白的盐堆与近处的虾池遥相呼应。开车行驶在盐池坝上,随处可见的是盐的结晶,如冰似雪布满了滩涂。此景正应“天空之镜”之美誉,绝非妄言。
这里景美,虾更美。
渤海水产的盐田虾,正成为一种美好的传说。“体色清亮,肉质紧糯、口感鲜甜、野生品质”,被广大消费者青睐。渤海水产养殖基地采用生态养殖方式,充分利用盐田特有的生态系统,尽量减少人为干预,保证盐田内生态系统的正常运作。在盐田生态系统中,初级海水养殖盐田虾,初级卤水养殖丰年虫等盐田虾的优质饵料,中级卤水提取溴素,饱和卤水制盐,苦卤提取钾镁,实现了盐田虾养殖尾水零排放,盐田生态系统各板块之间承接,凸显了海水的梯度利用与人类工业活动的完美融合。”养殖厂厂长张荣岐说。
渤海水产脊岭岛盐田虾是无棣县坚持向海、向洋、向未来,强力实施“耕海牧渔、走向深蓝”海洋发展战略,扎实推进“海洋强县”建设,持续壮大“虾贝虫藻鱼”特色渔业经济,培育打造“水港网高”现代海洋产业打造的一张靓丽名片。2020年,无棣县被自然资源部确定为全国海域自然资源统一确权登记试点县,建立海洋环境资源公益损害修复制度的经验做法在全省推广。
发展到现在,无棣县的渔业发展呈现出井喷式发展新气象。水产养殖面积达45.6万亩,其中海水养殖43.6万亩、淡水养殖2万亩、工厂化养殖30万平方米。创建农业部水产健康养殖示范场6处(友发、海城、友成、海缘、神力、渤海水产)、省级水产健康养殖示范场2处(沃达、正海);建成省级底播型海洋牧场2处(新创、正海),海参(友发)、半滑舌鳎(海城)、螠蛏(渤海水产)、对虾(海缘)省级原良种场共4处;通过无公害水产品认证24个(对虾、蛏、蛤、舌鳎、梭子蟹、海参、南美白对虾、牡蛎、大口黑鲈、鲈等),绿色食品认证14个(南美白对虾、海参、半滑舌鳎、三友梭子蟹、日本对虾、鲈鱼等),有机认证3个(虾、冻虾仁、冻虾),地理标志产品2个(汪子岛鳎麻鱼、无棣卤虫卵),国家地理标志证明商标2个(滨州金蚝、滨州文蛤)。2020年实现全县水产品总产量152399吨、渔业经济总产值50.37亿元、海洋生产总值58.88亿元,分别增长8.25%、8.32%、5.77%。先后荣获全省海洋经济先进县、首批省级海洋生态文明示范区、农业部渔业健康养殖示范县等称号。
近年来,无棣县以承担渔业项目为契机,先后实施了现代渔业园区建设、现代渔业发展平台、“海上粮仓”及海洋牧场等涉渔项目,规划建设了友发海参养殖区、海城工厂化养殖区、黄河岛休闲渔业区、沃达健康高效养殖示范区,形成了“虾贝虫藻鱼”特色渔业经济产业集群。虾产业。南美白对虾作为无棣水产养殖支柱产业,目前全县养殖面积达到28万亩,年产量5.6万吨。其中,友发公司与省海洋生物研究院合作开展工厂化循环水高位池对虾高效养殖试验示范,产量由之前的亩产几十斤提升到亩产3000多斤,建成华北海水苗种良种繁育中心、3.5万亩南美白对虾健康高效养殖示范基地、1万亩渔光一体产业园。海阔水产现代渔业经济园区建设项目,计划新建工厂化育苗养殖车间6.4万平方米,目前已建成2万平方米,共培育南美白对虾仔虾102亿尾、标粗苗26亿,培育半滑舌鳎、马面鲀规模约2000平方米。贝产业。依托正海集团,与中国海洋大学包振民院士合作,成立“正海院士工作站”,打造国内一流的贝类产业示范基地;与国家海洋局第三研究所林祥志教授合作,开发贝类苗种繁育1.5万平方米,年培育贝苗30亿尾。累计投放贝类苗种200亿粒,对牧场资源进行直接修复,并积极探索牡蛎三倍体、帘蛤等贝类新品种养殖实验,并延伸产业链,推进贝壳粉、蚝油等贝类产品深加工,全力打造国家级海洋牧场。目前,贝类品种主要涉及四角蛤、文蛤、毛蚶、牡蛎等,总面积10万亩,年产量10万吨。抓好省重大项目“渤海贝仓”建设,累计投资超3亿元,建成了贝类“北繁中心”、综合大厦、5万亩贝类设施化养殖基地、贝类清洁生产和育肥基地,已培育美国帘蛤、牡蛎等贝类苗共12000方水体,同步开展培育养殖贝类所需的饵料金藻、角毛藻。虫产业。无棣拥有盐田65万亩,其中卤虫宜生面积30万亩,年捕获鲜卵1000余吨,年产值1.5亿元,成为世界卤虫养殖和加工中心地区,无棣卤虫卵成为国家地理标志产品。引进美国马里兰大学奥迪教授、鲁东大学邹宁教授,建立了省现代海洋产业(卤虫)技术创新中心,共同实施微藻培养与卤虫增养殖试验项目,建成1万亩高产优质卤虫养殖示范基地,成虫与虫卵亩产量翻倍增长。藻产业。友发公司与天津科技大学、省海洋生物研究院合作共建山东省盐田卤虫与微藻开发工程技术协同创新中心。悦翔生物与无棣鲁东大学海洋研究院共同建设了滨州市微藻工业工程技术研究中心、烟台微藻工程技术研究中心,先后开展了裂殖壶藻高效培养与DHA油脂提取精制项目,具备年生产2100吨微藻干粉、540吨DHA油脂、920吨粉末油脂的能力;针对裂殖壶藻高效培养与DHA藻油提取项目,正海集团与西安油脂设计院、北京化工大学、中国海洋大学、厦门大学联合开发进行科技攻关。岳湖农牧与无棣鲁东大学海洋研究院进行藻类的研发合作,开发和研制出了具有世界领先水平的优势产品小球藻,海洋饵料微藻养殖示范园区项目一期工程已建成,年产小球藻达300吨;俊棣农牧与无棣鲁东大学海洋研究院合作开发小球藻,占地90亩的微藻养殖基地已建成。鱼产业。海城集团拥有省级半滑舌鳎原种场,建成半滑舌鳎工厂化循环水养殖车间6万平方米、苗种繁育车间2.5万平方米,生产的半滑舌鳎通过绿色食品认证,荣获12项国家实用新型专利。沃达水产加州鲈鱼养殖水体6.4万立方米,放苗35万尾,每池7000尾,每池年产量9000斤,总产能45万斤左右,效益显著。海缘引进海马亲本1万多尾,开展海马苗种培育,日繁育量达1000多尾,目前已繁育海马苗种6万多尾。汪子岛鳎麻鱼成为国家地理标志产品。
突出模式创新,推动多元发展。全县对虾优势主导地位日益巩固,进一步打破了粗放养殖的局面。积极推广对虾“135”二茬分级接续养殖技术,推广沿海分级养殖面积,繁育优质对虾苗种,提高对虾养殖产量。截至目前,全县推广“135”模式南美白对虾养殖2500余亩,效果良好。养殖品种也趋向多元化,由以往相对单一的对虾养殖扩大到半滑舌鳎、海参、缢蛏、梭子蟹、淡水鱼类等多个品种。同时,积极推行新品种、新模式养殖,重点推进斑石鲷、加州鲈鱼、石斑鱼等新品种规模化养殖。2020年,友发水产引进了金虎斑、珍珠龙胆、云龙斑、红斑等不同品种石斑鱼及斑石鲷开展育苗,育苗规模达6000方水体,苗种均运往南方销售,海肠子养殖试验成功,创建2处海肠子养殖基地;青岛农业大学海洋学院在友发养殖基地开展了三疣梭子蟹、金刚虾等品种的养殖试验,取得良好效果,正在扩大养殖面积,效益凸显;海缘与中国水产科学院东海水产研究所张东博士合作,开展了海马选育及池塘养殖试验项目,已顺利通过验收;海阔开展了珍珠龙胆、老虎斑等石斑鱼的养殖,其中池塘养殖面积100亩、工厂化车间养殖面积8000平方米;小泊头镇建军养殖场养殖鳄鱼90多条,2020年8月26日取得水生野生动物人工繁育许可证和经营利用许可证,是滨州市第一家鳄鱼养殖企业。正海集团利用省重大项目建设开展杂色蛤繁育试验,效果显著,正在进行大面积推广。(张相安 张静)

EIN 2021 艺术分享|大自然的收集者

德国材料设计艺术家师,纺织雕塑家Beatrice Oettinger.

善于从自然里寻找素材:野生植物,种子,花等作为创作材料,
创新的材料给传统的纺织带来新的艺术表达.

Beatrice Oettinger很好地发现每种材料的独特性,
将种子、花瓣缝进苎麻纤维织成的布料之中,半透明的布料透露出植物的形态,仿佛植物就生长在其中。


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