下载客户端

一起来看！北林大近期科研进展~

2022-06-28 16:15

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

林学院科研团队在农林科学领域国际Top期刊发表封面文章

生物科学与技术学院计算生物学中心提出胁迫基因网络新理论

材料科学与技术学院生物质胶黏剂科研团队取得新进展

生态与自然保护学院在濒危动物重引入生物学领域取得新进展

环境科学与工程学院科研团队开展科技创新在污水处理与资源化方面取得重要进展

草业与草原学院团队在青藏高原退化高寒草地生态恢复理论和技术方面取得系统性成果

林学院科研团队在农林科学领域国际Top期刊发表封面文章

近日，林学院贾黎明教授课题组完成的关于无患子三萜皂苷生物合成分子调控机制的论文“Metabolome and transcriptome analysis reveals the transcriptional regulatory mechanism of triterpenoid saponin biosynthesis in soapberry (Sapindus mukorossi Gaertn.)”以封面文章形式（Front Cover）发表在农林科学领域国际Top期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（IF= 5.279，一区）上，森林培育学科博士研究生徐圆圆为第一作者，博士研究生赵国春为共同第一作者，贾黎明教授和陈仲副教授为通讯作者，北京林业大学为第一完成单位。

无患子是一种集日用化工、生物医药、生物质能源、绿化美化、生态修复和历史文化于一体的综合利用价值较高的多功能经济树种，其果皮富含三萜皂苷，是天然非离子型表面活性剂；同时，无患子皂苷还具有抗菌、抗肿瘤、保护心脑血管系统、杀虫等多种生物活性。目前，关于无患子三萜皂苷的研究主要集中在单个皂苷的提取、分离、结构鉴定及其药理活性研究等方面，而果皮皂苷成分及其变化规律、皂苷生物合成的分子调控机制等研究几近空白。针对上述问题，本研究选取无患子果实发育的8个关键时期，通过代谢组和转录组学联合分析，对无患子果皮皂苷成分及其动态变化规律、生物合成调控机制等进行了研究。结果表明：无患子果皮中共鉴定出54种三萜皂苷，其中25个在不同时期差异积累。基因注释得到了所有参与无患子三萜皂苷生物合成途径中22个关键酶的135个基因，包括49个皂苷元骨架合成候选基因和86个骨架修饰候选基因。通过Mfuzz聚类和加权基因共表达网络分析，获得了多个皂苷特异性模块/基因簇，并构建了参与皂苷生物合成的转录因子-基因调控网络。此外，酵母单杂和电泳迁移率试验等表明，SmbHLH2、SmTCP4和SmWRKY27可能通过调控SmCYP71D-3参与无患子果皮三萜皂苷的生物合成过程。该研究获得的三萜皂苷靶向代谢组学和高通量测序数据，增加了对无患子果皮三萜皂苷的认识，丰富了三萜皂苷生物合成途径的基因资源，可为无患子皂苷高值化利用及其生物合成途径的解析奠定前期理论基础，也为无患子良种选育和高效培育技术研究提供参考。

该研究得到了国家自然科学基金(32071793)和国家科技基础资源调查专项(2019FY100803)的资助。

生物科学与技术学院计算生物学中心提出胁迫基因网络新理论

近日，北京林业大学生物科学与技术学院计算生物中心研究人员在国际知名刊物《Horticultural Research》（IF：6.793，一区）上发表题为“An eco-evo-devo genetic network model of stress response”论文。北京林业大学为第一完成单位，博士研究生冯莉为第一作者，博士研究生姜鹏与硕士研究生董天宇为共同第一作者，邬荣领教授为通讯作者。本研究得到北京林业大学引进人才项目资助。

自然界所有生物在其生命过程中都会遭遇到胁迫。而面对胁迫做出应急反应，最大限度地减少细胞损害与生长损失，是生物进化的一个重要能力与标志。然而，胁迫反应是一个极其复杂的生物学过程，涉及通过信号接受、传导引发的各种基因转录、蛋白翻译、细胞分化与凋亡等一系列环节。传统的关于胁迫机理研究仅局限在这一系列环节中的一个方面或几个方面，对生物总体抵抗、适应胁迫的能力缺少一个综合性探讨与评价。

研究人员利用该团队早期提出的“功能图论”（functional graph theory），引进生态发育进化学（eco-evo-devo）元素，提出“胁迫网络”（stress network）新概念，并借助统计物理学方法开发出一套构建胁迫网络的计算方法与软件包。胁迫网络打破了传统的利用单个基因、单个蛋白、单个信号通道解释胁迫反应的研究方法，整合全基因组所有基因, 构建拓扑结构严密、功能运作协调的基因互作组网络（genetic interactome network），推进胁迫遗传学研究向现代系统生物学方向转变。

为了验证新理论的生物学意义，研究人员利用分布于我国新疆地区的耐盐胡杨，构建人工杂交群体与自然选择群体设计盐胁迫与对照生态学实验，通过连锁分析与全基因组关联分析，获得了一批相互佐证的、而传统方法无法得到的原创性结果。

研究发现，有些基因能独立影响胡杨盐胁迫反应，而有些基因必须依赖其他调控因子的作用才能发挥作用。传统的分析方法发现有些基因对盐胁迫反应的作用微小，但是胁迫网络模型发现，这些基因同时受到作用大小相当的正、负调节，正负相抵，使它们的作用无法彰显出来。发现的大部分基因互作，能通过生物信息分析所获得的对应蛋白互作加以验证。该研究不仅在理论上完善、提升了胁迫遗传研究理论与方法，更能为实际分子辅助育种提出精确的科学指导。利用胁迫网络，精准定位出基因调控路线图; 通过激活或抑制关键调控子，能释放、强化、优化目标基因的作用，从而改变生物对胁迫的反应能力，有效地提高生物在胁迫环境中的生长与产量。

北京林业大学生物科学与技术学院计算生物学中心在大数据遗传学研究前沿获得了一系列原创性成果。本次研究提出的“胁迫网络”概念对于进一步提升我校在该领域的学术影响力具有重要意义。

材料科学与技术学院生物质胶黏剂科研团队取得新进展

针对植物蛋白胶黏剂初粘性差、胶接耐久性差等问题，受牡蛎有机-无机杂化结构的启发，在胶黏剂体系构建杂化体系，在实现植物蛋白胶黏剂高强度、易涂布预压、防霉耐久胶接等的前提下，探索了胶黏剂功能化改性及其应用。

利用聚乙烯亚胺和纳米二氧化硅静电相互作用设计合成支化PEI-SiO2，后通过席夫碱反应接枝3, 4-二羟基苯甲醛制备DP@SiO2纳米杂化物，协同六氯环三膦腈改性植物蛋白胶黏剂。在提高胶黏剂初黏性和耐水胶接性能的同时，实现制备胶合板优异的预压性和防火阻燃等性能。该策略也为膜材料、凝胶材料和工程材料的增强和功能化改性提供了新思路和新方法。

利用2, 3-环氧丙基三甲基氯化铵和超支化聚酰胺为原料合成季铵盐化超支化聚酰胺（QHBPA）抗菌剂，与石墨烯纳米片（GNSs）通过阳离子-π相互作用，设计合成G-co-Q杂化物，与大豆蛋白、植酸构建基于非共价交联构建纳米相增强有机-无机杂化结构，制备高性能、多功能大豆蛋白胶黏剂。在提高胶黏剂耐水性的同时，实现胶黏剂强韧胶接、防霉抗菌、防火阻燃、导电等性能，并制备出具有电磁屏蔽性能木质复合材料，在木质复合材料功能化与高附加值应用具有潜力。

上述研究成果在Chemical Engineering Journal（IF：13.273）上发表学术论文2篇，题目分别为《Constructing SiO2 nanohybrid to develop a strong soy protein adhesive with excellent flame-retardant and coating ability》和《Preparation of a strong soy protein adhesive with mildew proof, flame-retardant, and electromagnetic shielding properties via constructing nanophase-reinforced organic–inorganic hybrid structure》。第一作者均为材料学院博士研究生徐业程，通讯作者为材料学院木材胶黏剂团队李京超讲师和高强教授，北京林业大学为第一完成单位，本研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金/面上项目（31722011 & 32071702）和北京林业大学杰出青年人才培育项目（2019JQ03004）的资助。

生态与自然保护学院在濒危动物重引入生物学领域取得新进展

野生双峰驼目前仅分布于我国蒙新区以及蒙古国西南部的戈壁、沙漠中，因其对极旱、贫瘠生境的适应而闻名，但迄今对其生存适应机制仍所知甚少。

我校生态与自然保护学院濒危动物重引入生物学团队持续在我国蒙新区新疆、甘肃等国家级自然保护区开展荒漠区濒危有蹄类普氏野马、赛加羚羊、双峰驼的重引入生物学研究工作，并获得了梁希林业科学技术奖自然科学奖二等奖、林业青年科技奖等一系列有显示度的成果。

本次研究基于双峰驼野生重引入种群及圈养种群的宏基因组数据，对不同生境下双峰驼肠道微生物的结构及功能进行了系统比较，发现野生双峰驼拥有更多与挥发性脂肪酸产生相关的微生物类群，而产甲烷菌和编码与甲烷代谢途径相关酶的基因则在圈养种群中显著富集，从而具有更高的能量利用效率。本研究从肠道菌群代谢角度揭示了野生双峰驼对极旱环境的适应机制，相关成果正式刊出于生物学一区TOP期刊Integrative Zoology，并被遴选为当期封面论文，在“编者按”中受到高度评价，并被期刊重点推荐，论文作者被授予“最佳作者”称号。

我校青年教师、首位“博新计划”入选者闫利平博士为论文第一作者，博士研究生唐丽萍、硕士研究生周智超为共同一作，张东教授为论文通讯作者。本研究得到北京林业大学杰出青年人才培养计划、人社部“博新计划”、中国博士后科学基金的支持。

环境科学与工程学院科研团队开展科技创新在污水处理与资源化方面取得重要进展

环境科学与工程学院科研团队在污水处理与资源化方面取得新进展。利用氮磷比调节及土著细菌来强化微藻处理猪场废水效能，相关成果发表在环境类Top期刊《Bioresource Technology》上；研究构建一套用于处理高含氮废水转化N2O的∆nosZ菌/MEC体系，相关研究成果发表在《Bioresource Technology》上；以导电碳布为载体材料运行AnDMBR确定其处理垃圾焚烧渗沥液的强化效率及反应器运行机理，相关研究成果发表在环境类Top期刊《Chemical Engineering Journal》上。

在水环境新污染物强化处理方面，环境科学与工程学院科研团队揭示了碘氧铋光催化剂表面和体相内光生载流子新的传递机制，为光催化氧化技术处理水体中抗生素类污染物奠定基础，相关研究发表在环境领域TOP类期刊《Journal of Hazardous Materials》上。研究团队采用水热还原和化学交联法构建了一种新型β-环糊精/还原氧化石墨烯-多壁碳纳米管三维宏观体，用于吸附水体中的萘普生，相关研究发表在《Separation and Purification Technology》上。

此外，环境科学与工程学院研究团队在生物质发酵能源化方面也取得重要进展。针对瘤胃微生物长期发酵玉米秸秆生产挥发性脂肪酸，相关研究成果发表在环境类Top期刊《Bioresource Technology》，为瘤胃微生物长期发酵玉米秸秆生产挥发性脂肪酸的应用提供了一条道路，对秸秆类生物质和缓解能源危机具有重要意义。

草业与草原学院团队在青藏高原退化高寒草地生态恢复理论和技术方面取得系统性成果

高寒草地占青藏高原总面积的60%以上，为上下游提供了十分重要的生态服务功能，对维系区域乃至全球的生态安全具有不可替代的作用。但是，高寒草地生态环境敏感、脆弱，极易出现生态环境退化问题，上世纪末青藏高原高寒草地90%呈现退化状态，部分地区（如三江源）出现了严重退化的次生裸地—“黑土滩”。高寒草地退化不仅影响了当地居民的生存和畜牧业发展，还危及到长江、黄河、澜沧江中下游地区的生态环境以及社会经济的可持续发展，甚至会威胁到东南亚地区的生态安全。加强退化高寒草地恢复机制及演替规律等基础理论研究，提出退化高寒草地生态恢复重建的有效措施，对于维护我国及周边国家生态安全、调节并维持全球气候稳定等方面具有极其重要的战略意义。

董世魁团队面向国家重大战略、社会经济可持续发展和国际科技前沿，持续10多年深耕青藏高原退化高寒草地生态恢复的理论与技术难题，以“退化成因解析—退化等级诊断—恢复技术甄选—恢复过程解析—恢复效果评价”为主线，从基础理论、应用技术及管理模式三个维度开展了多尺度、多要素、多方法、综合性、系统性、长期性研究，取得了一系列重要成果和进展。主要包括：1. 提出了“草地退化的内外因综合作用说”的观点，完善了高寒草地退化成因理论体系，该观点认为青藏高原草地退化是内因和外因综合作用的结果，生境脆弱性（地表组成物质的脆弱性和水热因子的匹配性差）是高寒草地退化的内部因素；自然环境变化（气候变暖、鼠虫害增加、水蚀风蚀和冻融剥蚀增强）和人为过度干扰（过度放牧、盲目开垦草地、采矿、修路、采金挖沙）是草地退化的外部因素；人文-自然耦合系统的崩解加速了高寒草地的退化进程；2.构建了基于草地植被盖度、生物量、高度、顶极群落优势植物比例等指标的高寒草地植被退化指数（GDI），补充了已有高寒草地植被退化评价体系的不足；构建了基于土壤物理、化学和生物性状的高寒草地土壤质量评价体系（SQI），解决了高寒草地退化程度判定中土壤指标的缺失问题；创建了高寒草地健康评价的活力—组织力—恢复力三维模型，实现了不同时空尺度、不同基况的高寒草地健康状况的数量化和图式化表征；3. 明晰了高寒草地退化的植被-土壤界面生态过程和效应，发现草地退化降低了植物多样性和土壤动物、微生物生物多样性并改变了草地植物、动物和微生物群落组成；高寒草地生态系统的土壤碳储量高达92%、植被碳储量约为8%；草地退化导致土壤中分解有机碳、氮的微生物及酶活性增加，土壤温室气体（CO2、CH4和N2O）排放通量明显增加，“黑土滩”型极度退化草地植物-土壤系统为碳源（净释放CO2）；4. 提出了青藏高原退化高寒草地“分区、分类、分级”的生态恢复技术模式，研发了基于“设计理论”的极度退化草地（“黑土滩”或“鼠荒地”）的人工草地建植恢复技术，筛选了适于极度退化草地恢复实用的多年生禾本科牧草（垂穗披碱草、多叶老芒麦、草地早熟禾等），比选了不同禾草的最佳混播群落设计，提出了维系多年生禾草混播群落稳定性的施肥、放牧和刈割调控技术；研发了基于“设计理论”+“自我设计理论”的重度退化草地土壤营养库和植被繁殖库活化技术，构建了基于土壤营养库和植被繁殖库活化及其耦合关系调控的重度退化草地生态恢复技术，更新、改进了传统的退化草地改良技术（补播、施肥等）；提出了基于“自我设计理论”的轻度和中度退化草地围栏封育等多元化生态恢复技术体系，丰富、发展了传统的退化草地改良技术（围栏封育或划区轮牧）；5.明晰了退化草地生态恢复的过程、时限及效益，发现退化天然草地土壤种子库对植被恢复更新的贡献较低，主要通过无性繁殖（根蘖、根茎）实现定植与恢复；人工恢复草地中土壤种子库对地上植物群落结构的维持具有重要作用，主要通过有性繁殖实现定植；“黑土滩”型极度退化人工促进恢复过程中，草地生态系统的稳定性、恢复力和多样性呈现时间波动性，恢复7-9年后出现植物群落丰富度、盖度、生物量以及土壤总碳、总氮、可利用态氮下降的趋势，土壤健康状况的恢复时限远大于植被健康状态的恢复；至少需要18年以上的时间才能使人工辅助恢复的极度退化草地生态系统的多样性和恢复力保持稳定；6.创建了自然生态-社会经济耦合的高寒草地适应性管理框架，有力支撑了退化高寒草地生态恢复和可持续利用实践，构建了基于牧户尺度、牧场、县域和区域等多个尺度的生态恢复工程效果评价体系，发现青藏高原（特别是三江源地区）“黑土滩型”极度退化草地建植人工草地可以提高生态服务功能价值，但未产生显著经济效益；禁牧、休牧和围栏封育对轻度和中度退化高寒草地“生态、生产、生活”功能的影响具有时空异质性；建立以牧户为基本生产单元的“人文-自然耦合系统”的草地适应性管理体制，可以充分发挥传统知识和牧民社区组织的基础作用，服务于退化草地生态恢复工程的有效实施和恢复成效的有力提升。

这些研究成果主要在BioScience、Global Environment Change、Soil Biology and Biochemistry、Agriculture, Ecosystems and Environment、Plant and Soil、Geoderma、Catena、Land Degradation and Development、Science of Total Environment、Ecological Indicators、Ecohealth、Ecological Engineering、Ecology and Society、生态学报等国内外高水平期刊发表（50余篇SCI期刊论文、20余篇中文核心期刊论文），并在Springer、科学出版社等国内外知名出版社发行专著4部，获得教育部科技进步一等奖1项、西藏自治区科技一二等各1项、青海省科技进步一等奖1项，为各级部门提供咨询建议4份，为青藏高原生态环境建设（尤其是三江源生态环境建设）、草地资源可持续管理和农牧民群众脱贫致富等生态环境和民生问题的有效解决提供了科技支撑，对遏制青藏高原地区草地生态环境继续恶化、恢复退化草地生态系统、改善草地的生态功能和生产水平、维护青藏高原及中下游地区的生态安全具有重要作用和意义。

往 / 期 / 精 / 彩