该研究针对小麦赤霉病大流行及其造成的严重真菌毒素污染问题，以及小麦抗赤霉病种质资源匮乏现状，通过在微生物中鉴定赤霉病毒素高效脱毒代谢路径，并利用遗传转化、分子生物学、生物化学等方法，解析微生物来源的毒素脱毒基因显著提高小麦抗赤霉病毒素积累的作用及机制，为小麦抗赤霉病毒素生物育种及毒素源头防控提供了新的基因资源和更有效的策略。
赤霉病是由病原镰刀菌引起的全球性真菌病害，是目前影响我国小麦高产稳产的首要病害。小麦中抗赤霉病种质资源匮乏，抗病机理复杂，严重阻碍了抗病育种进程。赤霉病的大流行，不仅造成粮食减产，同时导致严重的镰刀菌毒素污染问题，威胁食品和饲料安全。已知的小麦赤霉病菌，都能产生对人、畜有毒的镰刀菌毒素。其中，脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deoxynivalenol，DON），俗称呕吐毒素，是小麦及其制品中最主要的真菌毒素。基于酶催化的C3-异构化是目前已知消除DON毒素危害最为彻底的方式。同时，DON毒素作为关键毒力因子，是镰刀菌在小麦中扩展性侵染所必须的。因此，DON 毒素可作为控制赤霉病的关键靶点，而毒素脱毒基因是具有直接应用价值的抗赤霉病基因资源。
该研究首先通过对高效脱毒菌Devosia sp. D6-9基因组分析，鉴定了参与DON毒素异构化脱毒的完整代谢路径。通过计算机模拟和位点突变，揭示了脱毒酶通过严格立体选择实现DON异构化的潜在分子机制。毒性分析结果表明，DON毒素异构化脱毒产物3-异构-DON对小麦没有明显毒性，且不能作为毒力因子促进镰刀菌在小麦中的扩展。
进一步研究发现，在小麦中同时表达细菌中参与异构化脱毒两步反应的基因，能够显著提高小麦抗赤霉病扩展和抗毒素积累的能力，连续多代的温室和田间抗性鉴定结果一致，且没有影响受体品种农艺性状。生物学和化学实验证据表明，细菌脱毒基因赋予了小麦通过异构化脱毒DON毒素的能力，从而减少了DON毒素在植株中的积累，相应减缓了镰刀菌在植株中的扩展蔓延，使植株表现出赤霉病抗性（见下图所示）。
A，脱毒菌中DON毒素异构化代谢路径；B，异构化脱毒消除了DON毒素的毒性及其作为毒力因子的作用；C，异构化脱毒基因通过增强小麦抗毒素积累和抗扩展能力提高赤霉病抗性
华中农业大学植物科学技术学院博士后何伟杰博士为第一作者，张静柏副教授为通讯作者，廖玉才教授和讲座教授武爱波研究员等参与了该研究。
研究通过正向遗传学克隆了调控莴苣重要驯化性状-刺发育的关键基因WS1，结合遗传转化、RNA-Seq、DAP-Seq等技术，详细阐述了莴苣刺的发育机制，为野莴苣资源利用及从头驯化提供了理论依据。
栽培莴苣(Lactuca sativa)由野莴苣(L. serriola)驯化而来，刺的消失是莴苣的重要驯化性状之一。野莴苣又称刺莴苣，英文名为prickly lettuce，茎和叶上有尖锐的刺。刺的存在不利于收获、清洗和食用，影响消费者的感官评价，从而降低消费者购买欲，也限制了对野生种质资源的利用。探究莴苣刺发育的这一重要的驯化性状、克隆控制基因并揭示其参与的调控网络，对解析刺的形成机理提供了新见解，为野莴苣资源利用及从头驯化奠定了理论依据。
本研究发现野莴苣的刺是表皮细胞形成的无腺体及木质化的多细胞尖锐突起；野莴苣的刺有茎和叶脉均有刺、只有叶脉有刺和无刺的三种分布类型，栽培莴苣全植株均表现为无刺。茎和叶脉均有刺的野莴苣中，还存在刺密度的变化。研究以茎叶均有刺的野莴苣与栽培无刺莴苣为亲本，构建F2分离群体。作者利用BSA+RNA-seq方法，结合图位克隆、序列分析以及转基因功能验证，发现调控野莴苣刺发育的基因是一个编码WUSCHEL-related homeobox (WOX)的转录因子，将该基因命名为WOX-SPINE 1 (WS1)。栽培莴苣中，WS1基因的第一个外显子插入一个CACTA的转座子，使WS1基因丧失功能，导致栽培莴苣无刺。
作者进一步利用BSA+RNA-seq方法结和图位克隆以及RNAi转基因功能验证，发现WS1表达量的差异调控野莴苣刺密度的多态性，表达量的差异是启动子活性的差异造成的。此外，作者通过转基因互补实验验证了来自CGN04800的WS1等位基因调控叶脉刺而茎无刺的性状。
作者通过分析转录组的差异表达基因，筛选到一个TCP家族的基因LG4347241，是WS1调控的下游靶基因，其突变体的刺突消失、刺变软不易断裂、形态畸形，与野莴苣坚硬的刺形成鲜明对比。
WS1在莴苣驯化过程中受到了明显的选择。WS1和水稻中调控表皮毛发育的OsWOX3B可能都继承了来自共同祖先调控毛状体发育的保守功能。莴苣中3个WS1的同源基因在莴苣属和菊苣属分化后发生了复制，但只有WS1是唯一调控莴苣刺发育的基因，类似于水稻中OsWOX3和OsWOX3B的进化模式。
刺的丢失是莴苣驯化的重要事件之一。该研究通过对刺发育调控基因的遗传克隆，为莴苣驯化研究提供了遗传证据，为野生资源在莴苣育种中的有效利用奠定了基础并丰富了植物刺发育的调控机制。
华中农业大学园艺林学学院、果蔬园艺种质创新与利用全国重点实验室博士研究生孙培楠为该论文第一作者，陈炯炯副教授为通讯作者。华中农业大学园艺林学学院、果蔬园艺种质创新与利用全国重点实验室匡汉晖教授、王昕研究员参与了该工作。华中农业大学园艺林学学院硕士研究生李维波，博士研究生博士研究生吴智浩，已毕业硕士研究生袁焕然、潘江鹏也参与了该工作。
论文系统解析了行道树树形特征与街谷几何结构耦合对环境热舒适性的动态影响，为城市街谷绿化缓解行人热暴露风险提供了新的科学依据和实践指导。
行道树种植是改善城市街谷小气候和提升行人热舒适性的重要策略，厘清不同类型街谷中行道树树形特征与环境热舒适性的关联机制对选择行道树树种具有重要意义。研究针对“行道树树形-街谷几何结构-行人热感觉”耦合效应，构建了行道树调控环境热舒适的综合评估框架，通过引入考虑时间动态变化的室外热舒适加权指数（Weighted Outdoor Thermal Comfort Autonomy, OTCAw），量化评估不同树形特征对各类街谷的热舒适改善潜力以及叶面积密度(Leaf area density, LAD)、冠幅(Crown diameter, CD)、树高(Tree height, HT)、分枝点高度(Trunk height, TH)四个树木形态因子的贡献度，进而识别改善行人热舒适性的行道树树形与街谷类型最佳组合模式。
研究团队以武汉为案例城市，在对行道树形态特征调查基础上构建了45种具有代表性的树木形态，并结合4种不同街谷高宽比（H/W=1.0、1.5、2.0、3.0）和2种街谷走向（东西、南北），生成了184个树木形态特征与街谷几何形态组合方案。采用城市微气候模拟软件ENVI-met，模拟预测了夏季典型高温日不同情景方案下街谷行人水平生理等效温度（Physiological equivalent temperature, PET）在早7点至晚9点的逐时动态变化特征。并基于上述综合评估框架，量化不同树木形态因子对街谷环境热舒适的权衡与协同关系，提出了最优的树木形态组合，以及相应的修剪策略和种植优先级，以适应武汉市不同类型街谷环境热舒适改善需求。该项研究提供了一个实用的气候适应性设计方法，辅助设计师更有效地选择和种植行道树以优化城市街谷的热环境。
风景园林系博士研究生肖乾坤为论文第一作者，硕士研究生樊萱、郭雅耘为共同作者，吴昌广副教授为论文通讯作者，武汉市园林科学研究院和武汉市林业工作站参与了研究工作。
研究结果表明，水稻DNA甲基化在雄配子发生过程中存在动态重编程现象，直接影响雄配子发育相关基因表达和生殖，并发现一组表观调控因子在此过程中具有特异的功能。该研究为解析水稻生殖发育基因组重编程和植物表观遗传修饰的跨代遗传机制具有重要意义。
高等生物配子发育过程和受精后表观遗传修饰会经历重编程。哺乳动物生殖过程中存在两次广泛的 DNA去甲基化现象，这使得亲本表观变异很难传递到后代。与哺乳动物不同，植物配子形成和受精后胚发育过程中并没有广泛的 DNA甲基化的去除，只存在局部的重置现象。另外，哺乳动物生殖细胞系在胚胎发生的早期阶段（即减数之前）就已经确定了，而植物雄性和雌性细胞系衍生于顶端分生细胞，以二倍体性母细胞的形式启动，经减数后产生单倍体小孢子。雄性小孢子随后进行有丝，产生营养细胞和生殖细胞。生殖细胞进一步进行有丝产生两个精细胞从而形成成熟的花粉粒。以往的研究表明，植物精细胞中DNA甲基化修饰与体细胞和卵细胞都具有很大差异。但是，目前尚不清楚植物DNA甲基化在雄配子发育中的重编程过程、机制及其在生殖中的功能。
研究团队获取并分析了水稻小孢子母细胞、单核小孢子和精细胞的DNA甲基化组和转录组数据。研究表明，DNA甲基化重塑始于雄性减数后；非CG序列（即CHG和CHH序列，H =A，G或T）甲基化，尤其是CHG序列的甲基化 （mCHG）在水稻雄性配子体发生过程中的发生了广泛的动态变化。mCHG水平首先在小孢子中升高，但随后在精细胞中降至最低水平。
为了探究mCHG在花粉发育过程中的重塑机制，作者探究了负责维持CHG序列的甲基化转移酶CMT3a和CMT3b功能，发现CMT3a在水稻孢子体发育过程中高水平表达，然而在几个水稻品种的精细胞中其表达量处于较低水平。相反，CMT3b在营养组织中的表达水平很低，但其在生殖细胞（包括小孢子母细胞、小孢子和精细胞）中显著表达。cmt3a突变后小孢子母细胞中的mCHG基本完全消失，其功能与之前在营养组织中的研究结果一致。但是cmt3a中 mCHG在精细胞中并没有完全消失（相对于小孢子母细胞）。cmt3b突变导致了小孢子和精细胞中mCHG的明显缺失，但在小孢子母细胞中并不明显。并且cmt3b小孢子mCHG水平与野生型精细胞类似，说明CMT3b控制是小孢子mCHG的上升。同时，作者进一步解析了CMT3a和CMT3b在受精过程中的作用，表明CMT3a/3b不同程度参与合子表观基因组的重建。
图1. cmt3a和cmt3b突变影响小孢子母细胞（Me）、小孢子（UM）和精细胞（S）中DNA甲基化水平
由于mCHG通过正反馈回路与组蛋白甲基化H3K9me2密切相关，作者探究了H3K9me2去甲基化酶JMJ706和JMJ707在花粉发育中对mCHG的影响。作为水稻中负责H3K9me2去甲基化酶，二者高度同源，且JMJ707在精细胞中高量表达。分析发现，双突变体jmj706/707中小孢子母细胞和精细胞中一些基因组位点（主要是转座子及转座子相关基因）上mCHG降低。推测JMJ706和JMJ707可能参与降低精细胞中mCHG水平，促进相关功能基因表达。
综上所述，该研究分析了水稻小孢子母细胞、小孢子和精细胞的全基因组DNA甲基化，并研究了一组染色质调节因子在此过程中的功能，揭示了DNA甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶在mCHG重塑中的不同功能，并表明mCHG重塑对雄配子发生和受精具有重要意义。也为研究表观变异通过雄配子传递到后代的可能性提供了数据。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北省洪山实验室已毕业李雪博士和博士研究生朱波为文章第一作者，周道绣教授为通讯作者，赵毓教授、熊立仲教授、吴昌银教授为本研究提供了指导和帮助。博士研究生刘潜、赵峰、叶淼淼也参与了该研究工作。
