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科研动态 | 北林大近期科研进展扫描

2020-05-19 20:25

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

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我校“全国高校黄大年式教师团队”在生物多样性形成机制上取得重要研究进展

生物学院高宏波教授研究团队在植物前体mRNA的剪接机制研究上取得进展

林学院森林病理学研究团队在黄栌枯萎病菌致病性研究中取得进展

生物学院科研团队选育的‘北林5号杨’通过国家林木良种审定

水保学院科研团队在雨水资源化利用研究上取得新进展

高精尖中心王晓茹和毛建丰团队在林木生态基因组学领域取得新进展

雄安水专项水保团队：停课不停学防疫科研两不误

我校“全国高校黄大年式教师团队”在生物多样性形成机制上取得重要研究进展

我校森林经营教师团队对张广才岭、长白山、小兴安岭300公顷大样地中60余万株林木开展8-15年定位观测，并设置了涵盖东北天然林的地理网格状监测样地，大样地与网格样地共同构成了点面结合的研发平台。近日，团队在生物多样性形成机制研究领域取得了重要进展。

团队于2018年入选教育部“全国高校黄大年式教师团队”，2019年入选国家林业和草原局“国家林业和草原科技创新团队”。此项研究是在国家“十三五”重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、北京林业大学杰出青年人才培养计划等共同支持下开展的。

图1 大样地与网格样地构成点面结合的研发平台

团队通过研究，为东北森林生物多样性纬向梯度格局提供了机制性的解释。研究区横跨暖温带、中温带及寒温带，不同气候带之间的生态过渡区通常具有较大的环境变异性，从而导致较高的物种周转率。该研究检验了两个与北部温带森林区域有关的假设：β多样性响应于不同生态区之间的环境异质性而具有非单调纬向变化；生境过滤对β梯度的作用效应受区域物种库大小的影响。研究发现β偏差随纬度梯度表现出非单调变化模式，在50°N附近出现峰值，反映出树种的组成及分布在中温带与寒温带之间的过渡与转变；之后由于环境异质性的降低，在寒温带随纬度的增加迅速下降，支持了第一个假设。β偏差的非单调纬向格局主要受东北地区年降水、降水季节性及最干旱季降水控制，因此环境过滤是β梯度的重要驱动力。环境贡献大小对区域物种库具有明显的依赖性，环境对β偏差的影响随着区域物种库的增大而增大，支持了第二个假设。

图2 β偏差纬度梯度及其环境贡献随区域物种库大小的变化

这项研究进展以“Latitudinal gradients and ecological drivers of β-diversity vary across spatial scales in a temperate forest region”为题，发表在一区TOP期刊Global Ecology and Biogeography（IF：5.6）上。森林经理学科张春雨教授为论文的第一作者和通讯作者。

另外，团队通过分析和研究，为物种共存及群落构建机制研究提供了新的思路。SCIENCE杂志在创刊125周年之际，公布了125个最具挑战性的科学问题，其中“物种的多样性是由什么决定的”位列前25个被认为最重要的问题之一，凸显了破解物种多样性形成与维持机制的重要性与紧迫性。该研究以团队位于吉林蛟河的42公顷大样地复测数据、836个幼苗样方连续5年的动态监测数据为基础，阐明了生态位分化和负密度制约是影响东北针阔混交林树木存活的关键机制，值得关注的是二者的相对重要性在不同生活史阶段表现也不尽相同。

图3 树木存活对邻体身份及密度的响应

这项研究进展以“Abiotic niche partitioning and negative density dependence across multiple life stages in a temperate forest in northeastern China”为题，发表在生态学TOP期刊Journal of Ecology（IF：5.6）上。林学院16级博士姚杰为论文第一作者，赵秀海教授和张春雨教授为通讯作者。

生物学院高宏波教授研究团队

在植物前体mRNA的剪接机制研究上取得进展

近日，植物学国际著名期刊Plant Physiology（IF="6.305）上发表了生物学院高宏波教授课题组的题为“Secondary mutation-induced alternative splicing suppresses RNA splicing defect of the jing he sheng1 mutant ”的研究论文。

jhs1 ( jing he sheng 1 ) 是高宏波教授课题组经EMS诱变和筛选鉴定得到的突变体。JHS1 在DNA复制和损伤修复、植物分生组织维持和个体发育等过程中具有非常重要的功能，有关研究成果于2016年发表在Plant Physiology上。之前课题组的研究表明 jhs1 突变体由于内含子3’核心剪接信号发生突变诱导了内含子的选择性剪接，造成无义突变引起的mRNA降解和蛋白质翻译提前终止。

在最新的研究中，高宏波教授课题组进一步通过EMS诱变 jhs1 突变体并筛选抑制子的方法来研究 JHS1 的作用机制以及有关内含子3’剪接位点的选择机制。课题组首先发现了3个 jhs1 基因内抑制子。为了揭示基因内发生的二次突变恢复 jhs1 突变表型的分子机制，课题组对抑制子的DNA和mRNA序列进行了分析，发现基因内的二次突变导致了 jhs1 突变基因的又一次选择性剪接，并恢复了阅读框，使蛋白质可以翻译完全，并增加了一小段。通过总结和分析拟南芥基因组中内含子3’端剪接位点的序列及其规律，解析了这些突变影响内含子3’端剪接位点选择的原因。另外，插入的一小段氨基酸序列在蛋白质结构的非核心区，通过研究发现它对功能影响不大。

该项工作不仅从mRNA和蛋白质水平上揭示了基因内二次突变恢复 jhs1 突变表型的分子机制，还为研究内含子3’剪接位点的选择提供了材料，更为前体mRNA剪接过程中内含子3’剪接机制的研究提供了一种新的策略。

博士生李翼琼和刘小敏讲师为该论文的共同第一作者，高宏波教授为通讯作者。该工作得到了北京市自然科学基金和北京林业大学科技创新项目的资助。

生物学院科研团队选育的

‘北林5号杨’通过国家林木良种审定

日前，国家林业和草原局发布9号公告，由我校生物学院康向阳教授科研团队选育的‘北林5号杨’（编号：国S-SV-PB-003-2019），被审定为国家林木良种。这一良种适宜于纸浆材等纤维工业用材速生丰产林建设，其推广应用将为我国纤维工业用材生产带来新动力。

‘北林5号杨’

据介绍，‘北林5号杨’，雌株，具有干型通直、材积生长量大、纤维长、纤维素含量高、木质素含量低等特点。从山东冠县、山东高唐、河北威县以及山西太原等地无性系对比试验以及进一步的木材材性测试结果看，5年生时，‘北林5号杨’平均材积生长量可达5.54 m3/亩，比对照毛白杨1319、‘三毛杨10号’、‘三毛杨11号’分别高出171.6 %、91.7 %、45.4 %；纤维长度为0.929 mm，比对照毛白杨1319长36.4%；综纤维素含量为82.61%，比对照毛白杨1319高出1.7%；木质素含量为23.16%，比对照毛白杨1319低9.5%等，是优良的短周期纸浆材等纤维用材品种。

‘北林5号杨’是在国家科技支撑计划和国家林业局重点项目等课题的支持下完成的。其母本为银腺杨(Populus alba × P. glandulosa)，父本为毛白杨（P. tomentosa）优良无性系5050。是世界上首次通过授粉后施加秋水仙碱溶液处理诱导胚囊染色体加倍获得的杨树三倍体新品种（2n=3x=57）。新品种适宜种植的范围包括河北、山西中南部、山东西北部地区的平原和河谷川地等地。

杨树是我国重要造林树种，年采伐量占国产木材年产量的18.0%以上。依托速生优质国家良种建设杨树速生丰产林，对于缓解我国木材进口压力、减少天然林采伐、保护生态环境意义重大。此次，同时公布的还有西北杨2号等31个品种。均可在林业生产中使用，在适宜种植范围内推广。

林学院森林病理学研究团队

在黄栌枯萎病菌致病性研究中取得进展

近日，北京林业大学林学院森林病理学研究团队在 New Phytologist 发表了题为“The bZIP transcription factor VdAtf1 regulates virulence by mediating nitrogen metabolism in Verticillium dahliae (DOI: 10.1111/nph.16481)”的最新研究成果。该研究解析了黄栌枯萎病菌（大丽轮枝菌）bZip转录因子VdAtf1作为新的氮代谢调节因子控制致病过程的分子机制。

大丽轮枝菌是一种土传性植物病原真菌，世界范围内分布，其寄主范围多达400种以上，包括黄栌、紫荆、马铃薯、棉花和向日葵等，引起严重的植物维管束病害，造成巨大的经济和生态损失。该病原真菌代谢网络如何调控致病性的机制还尚未明确。

该研究团队发现大丽轮枝菌bZIP家族转录因子VdAtf1调控致病性的新机制。敲除该基因不影响病原菌对活性氧胁迫的敏感性，而参与了对活性氮的应答。生化数据表明VdAtf1参与控制了病原菌体内硝酸和铵的代谢平衡，并与氮代谢阻遏关键因子VdNut1形成反馈抑制达。进一步研究证明VdAtf1通过增强真菌细胞壁、抑制丙酮醛和甘油的过度积累和应答活性氮胁迫控制致病过程。此外，该研究还证实了禾谷镰刀菌FgAtf1也参与氮代谢，表明VdAtf1同源基因在调节真菌氮代谢功能上的保守性。该研究为阐明大丽轮枝菌致病机制提供了新的见解。

博士生唐晨为本论文第一作者，田呈明教授和Steven Klosterman研究员参与本研究，王永林教授为论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和“十三五”国家重点研发计划的资助。

该研究团队以黄栌枯萎病菌为研究对象，多年来致力于开展黄栌枯萎病菌微菌核形成与致病的分子机制研究，研究结果先后在Environmental Microbiology、Molecular Plant-Microbe Interactions、mSphere和Fungal Genetics and Biology等期刊上发表。

水保学院科研团队

在雨水资源化利用研究上取得新进展

我校水土保持学院张守红教授团队研发了城市雨水利用水文和经济耦合模型，研究了我国、美国和巴基斯坦不同气候区城市雨水利用工程节水、径流调控和经济可行性的变化规律，在城市雨水资源化利用研究领域取得新进展。

城市雨水资源化利用具有调控地表径流、降低城市内涝风险、缓解城市水资源危机等重要功能。探寻不同气候区、集雨区面积、蓄水池容积和不同用水情景下，雨水利用工程节水、径流调控功能和经济可行性变化规律，可为合理制定雨水利用政策和精确设计与评估雨水利用工程提供科学支撑。

该团队基于美国西雅图市降雨和不同用水情景数据，定量分析了降雨和用水数据序列长度和间精度、用水情景以及蓄水池调蓄算法等因素对城市雨水利用系统径流调控和节水效益模拟结果的影响，并确定了该市不同用水情景下的代表性时间序列长度。基于巴基斯坦5个不同气候区8个城市的降雨和用水数据，分析了雨水利用工程在不同用水情景下的节水、径流调控和经济可行性的变化规律。此外，该团队提出并验证一种可用于确定城市雨水收集利用系统模拟代表性时间序列长度的方法，采用该方法确定我国不同气候区12个城市代表性时间序列长度，并定量分析降雨特征（降雨量、年际变化、季节变化等）对代表性时间序列长度的影响。

以上研究成果以3篇论文的形式分别发表在环境科学与生态学领域一区期刊Journal of Cleaner Production（2篇）和二区TOP期刊Journal of Environmental Management（1篇），北京林业大学为第一和通讯单位。留学生Shahbaz Ali、硕士研究生岳桐葭和张守红教授分别为3篇论文第一作者，张守红教授为3篇论文的通讯作者。该工作得到国家水体污染控制与治理科技重大专项子课题（2017ZX07102-001）和北京林业大学热点追踪项目（2018BLCB04）资助。

高精尖中心王晓茹和毛建丰团队

在林木生态基因组学领域取得新进展

探究林木适应性变异的驱动和维持机制、预测种群对未来气候变化的响应对于理解森林树种多样性格局的产生、种群生态稳定性及指导林木种质资源的管理利用具有重要意义。

近日，我校林木分子设计育种高精尖创新中心王晓茹、毛建丰课题组在植物学重要刊物 New Phytologist 发表了题为“ Effects of landscapes and range expansion on population structure and local adaptation ”的研究论文。该研究重点在于解析群体演化历史及地理、生态因子对空间遗传格局和适应性的影响，着重展示了青藏高原东南缘特有森林类群高山松基因组变异的演化机制及对未来气候变化的反应。

物种的遗传多样性决定其适应环境变化的能力，而遗传变异格局受群体历史、地理及生态选择等多种因素的影响。解析各类因子，特别是自然选择的作用，是认知环境适应性遗传基础的前提。自然状态下，各类因子间的关联和互作十分复杂，从综合现象中剖分单一因素的贡献是群体基因组学研究的难题。

高山松是西藏东南缘重要的森林建群种，对维系该地域的生态系统功能至关重要。该团队多年来对高山松开展了系列群体遗传学研究，建立了其杂交起源和演化历史，但全基因组水平的变异模式和高原环境的选择印记尚待归纳。该研究利用4万个外显子捕获测序，结合全分布区内遗传-环境关联特征和景观空间分析策略，发现高山松的遗传变异呈现显著的地理结构，与群体扩张路线高度吻合，高山松从东向西迁入高原的过程中，种群遗传多样性水平逐步降低，有害突变清除效率也随之降低。伴随群体扩张产生的等位基因冲浪效应明显，对基因组上~39%的位点分化造成了影响，同时地理隔离和生态选择也留下了显著印记，特别是在控制地理作用的前提下，生态选择可解释基因组上~7%的变异，而对适应性相关位点的贡献可高达~20%。这些分析表明群体扩张历史和适应高原极端环境是造成高山松空间遗传格局的主要因素。

针对未来气候变化对种群动态影响的问题，研究人员进一步基于随机森林智能算法建立了高山松种群对未来气候变化的基因组响应模型，综合考虑显著的地理隔离、遗传组成及针叶树长世代周期等因素会限制物种对环境变化的适应能力，作者预测了未来气候模型下高山松种群的遗传-环境不匹配性及其可能导致的濒危。该研究为深入理解生物多样性的演化机制、解析林木群体基因组变异规律和预测高原特有、濒危植物类群动态提供了参考和指导。

a) 高山松典型生境

b) 基于全基因组外显子序列建立的高山松空间遗传结构

c）群体遗传多样性沿扩张路线的变化

d）未来气候模型下高山松种群的遗传组成与环境不匹配性分布示意图

北京林木分子设计育种高精尖中心博士后赵伟是该论文的第一作者，毛建丰和王晓茹为论文通讯作者，瑞典于默奥大学和美国佐治亚大学合作者参与了研究。本工作得到国家自然科学基金委和北京林木分子设计育种高精尖创新中心的资助，及瑞典于默奥大学北方超算中心（HPC2N）的支持。

雄安水专项水保团队

停课不停学防疫科研两不误

2020年注定是不平凡的一年。受疫情影响，水保学院水体污染控制与治理重大专项（京津冀板块）白洋淀与大清河流域（雄安新区）水生态环境整治与水安全保障技术研究与示范项目（2018ZX07110）白洋淀—大清河生态流量调控与水资源保障技术研究课题白洋淀—大清河流域水源涵养林结构优化与输水通道连通技术研究子课题团队采取了多种措施，防疫科研两不误。

1.积极防疫，强化青年使命担当

为了响应学校、学院疫情防控决策部署，团队教师开展主题为“聚焦疫情，同心抗疫”的线上交流活动，号召团队同学主动学习疫情防控相关知识，学习如何做好自身防护措施，指导大家科学理性看待舆论，安心居家科研，以高度的自律做到停课不停学，强化青年人的使命担当。

2.在线交流，团队科研氛围浓

疫情期间，该团队并没有停止科研的脚步。团队教师为同学们制定了周密的科研与学习计划。在老师们的带领下，同学们利用线上多个平台交流，灵活开展科研活动，实现“云科研”。老师们充分利用企业微信、腾讯会议等与大家进行交流，每周召开两次课题会，与同学们分享相关文献及各种学习资料，细致指导研究进展、修改试验方案，帮助同学们更好地进行线上学习、在家科研，尽可能降低疫情对科研学习进度的影响。

3.主动服务，解决学生实际困难

为了解决同学们急需的地质、地形、植被等数据问题，团队教师积极联系相关单位购买数据并传给学生，培训学生安装远程控制软件实现远程操作；为了解决团队部分学生未携带电脑、资料等问题，团队教师通过快递等多种方式将设备和资料送到学生手中；为了照顾即将毕业的团队同学，老师们定期连线毕业生，督促毕业生论文进度。

疫情虽然让大家隔离在家中，但该团队从实际出发，切实解决学生困难，保障学生在家安心学习和科研，始终保持防疫与科研齐头并进的良好的态势。该团队研究进展获得项目首席和课题负责人的肯定和赞扬。

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