在高维数据模式分类研究领域取得新进展
近日，华中农大信息学院王玉龙教授和理学院陈洪教授机器学习团队在IEEE Transactions on Cybernetics在线发表了题为“Generalized and Discriminative Collaborative Representation for Multiclass Classification”的研究论文。研究人员利用高维数据的内在本质低维结构信息提出了具有高可解释性、强判别性、高效率的高维数据模式分类方法。
高维数据广泛存在于科学研究和社会生活的各个领域中，如高维生物基因表达数据、高维医学图像数据、互联网中的高分辨率图像（视频）数据。然而，高维数据往往会引起“维数灾难”，降低算法性能，并带来巨大的存储和计算负担。如何利用高维数据的内在结构信息克服上述困难，进而建立高效的高维数据学习方法及理论已成为机器学习领域的热点课题，具有重要的理论和应用价值。
本研究通过挖掘和利用高维数据的内在本质多低维子空间结构，设计了基于广义协同表示（Generalized Collaborative Representation）的高维数据模式分类一般框架，从更高层次分析不同表示分类方法的共同属性和差异，并给出了相应的理论分析，阐明了其分类原理和内在机制。为了进一步提升表示系数的辨识度和算法的分类性能，基于该框架设计了一种判别表示高维数据分类方法（Discriminative Representation based Classification, DRC）。该方法同时具备可解释性高、判别性强和效率高等优点。其分类与识别流程如下图。
高维数据模式分类与识别流程
此外，研究人员揭示了高维数据空间分布情况与DRC算法分类性能的关系，并建立了相应的理论保证。该项成果有助于深入理解高维数据的内在结构与模式识别的关系，为高维数据学习和其他机器学习任务的研究提供指导。
本研究是继2019年在IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence和2020年在IEEE Transactions on Cybernetics发表原子表示高维数据学习相关成果后，该团队在高维数据人工智能方法研究领域取得的新进展。信息学院王玉龙教授为论文第一作者，理学院陈洪教授为论文通讯作者。
论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9210834v
发表两篇关于细菌第二信使分子c-di-AMP信号调控系统研究的前沿综述
近日，国际期刊FEMS Microbiology Reviews及Nucleic Acids Research上分别发表了由华中农大生命科学技术学院何进教授研究团队所撰写的长篇综述论文：“A decade of research on the second messenger c-di-AMP”及“Cyclic di-AMP, a second messenger of primary importance: tertiary structures and binding mechanisms"，对c-di-AMP信号分子的调控功能研究具有重要指导意义。
细菌和古菌之所以具有顽强的生命力，能在地球上绝大多数环境中存活，很大程度上归功于其精良而高效的信号调节系统。这些系统包括趋化性信号响应系统，双组分系统，群体感应系统和第二信使分子调节系统等。其中，环状核苷类第二信使分子调节系统在细菌和古菌信号传导中发挥着非常重要的作用。当细胞表面的受体接收到细胞外信号（可以称为“第一信使”）时，它们可以调节细胞内各种合成酶和/或水解酶的活性，从而改变第二信使分子的浓度。接着，信号受体分子通过感知第二信使分子浓度的变化，迅速调控细胞内相应的代谢途径以适应环境的改变。第二信使通过充当“转换器”或“放大器”的作用，将外界信号转化为细菌和古菌细胞内的信号，通过“内循环”，调节细胞应对各种环境刺激的变化。
作为核苷类第二信使分子（包括cAMP、cGMP、c-di-AMP、c-di-GMP、c-GAMP、 (p)ppGpp等）中的重要成员，c-di-AMP（环二腺磷酸苷）由两分子的ATP在腺苷酸环化酶的作用下合成，并可被特异性的磷酸二酯酶降解。c-di-AMP通过与特定的蛋白质或核糖开关（riboswitch）受体结合，调节细菌和古菌的多种重要生理功能，如维持细胞渗透平衡、调节中心代谢、检测DNA损伤、影响生物被膜的形成及控制芽胞发育等。同时，c-di-AMP在调控细菌对环境的适应性及诱发动物宿主的免疫反应等方面亦具有极其重要的作用。近十年来,何进教授课题组一直致力于核苷类第二信使分子c-di-AMP、c-di-GMP及(p)ppGpp调控功能研究，并在此领域取得了一系列研究进展。
在11月25日正式出版综述论文“A decade of research on the second messenger c-di-AMP”中，何进教授团队全面地总结了c-di-AMP十多年来的研究进展，归纳了c-di-AMP代谢酶与受体的系统进化及其分布规律，讨论了c-di-AMP与受体结合调控细菌与古菌生理功能的信号通路，发现了c-di-AMP在维持革兰氏阳性细菌细胞渗透平衡中的关键作用等。文章还展望了c-di-AMP信号系统未来的研究方向及发展趋势，如对c-di-AMP区室化效应的揭示，对c-di-AMP转运子的发掘，以及对c-di-AMP信号通路与其他信号系统间的交互作用的探究等。
该论文第一作者为生物学博士后流动站印文博士，何进教授为论文通讯作者。美国国家生物技术信息中心Michael Y. Galperin教授及台湾中兴大学教授/华中农大兼职教授周三和为论文的共同作者。
此前，何进教授团队与Michael Y. Galperin及周三和教授亦共同在Nucleic Acids Research上发表了题为“Cyclic di-AMP, a second messenger of primary importance: tertiary structures and binding mechanisms”的综述文章。何进教授与印文博士为该论文的共同第一作者，何进教授、Michael Y. Galperin教授及周三和教授为共同通讯作者。该论文主要从结构生物学角度探讨了c-di-AMP不同构型及其与蛋白质和核糖开关（riboswitch）受体产生特殊相互作用的机制：如详细分析了调控c-di-AMP合成和信号传导结构域的三级结构及其与c-di-AMP结合的机制，讨论了c-di-AMP分子与不同蛋白质和核糖开关受体结合的方式及其变化规律，分析了c-di-AMP与其受体蛋白之间的七种非共价的non-covalent–π相互作用方式，比较了c-di-AMP和c-di-GMP与各自受体结合的特点，以及结合方式对细菌不同生理功能的调控机理等。
新型第二信使分子c-di-AMP在微生物学领域中具有令人瞩目的研究前景，以上两篇综述对于c-di-AMP信号分子的调控功能研究具有重要的指导意义。
论文链接：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkaa112/5755886
https://academic.oup.com/femsre/advance-article/doi/10.1093/femsre/fuaa019/5849004
在污水处理研究领域取得新进展
近日，华中农大水产学院渔业资源团队在Chemical Engineering Journal在线发表题为“Synergistic simultaneous nitrification-endogenous denitrification and EBPR for advanced nitrogen and phosphorus removal in constructed wetlands”的研究论文，研究人员在人工湿地中实现了高效的氮磷去除效果，研究成果为人工湿地在尾水治理的应用提供了新思路。
EBPR与SNED结合型人工湿地功能细菌分布情况及氮磷去除途径
循环水养殖是水产养殖的一种重要的养殖模式。其中，保证养殖水环境健康是实现该养殖模式的关键。而与多种尾水处理单元相比，人工湿地污水处理系统具有运转维护方便、运行费用低且兼具美学及生态学价值等优点，因此十分适合用于处理养殖尾水。然而氮磷去除效率不高却是困扰人工湿地进一步推广应用的主要问题之一。因此，提高人工湿地氮磷去除效率对维持水环境质量、保证水产品安全具有重要价值。
鉴于此，该研究在间歇曝气人工湿地中建立一种强化生物除磷技术（EBPR），结合同时硝化-内源反硝化反应（SNED）进行高效的氮和磷去除。本研究以普通砾石为基质，利用前置厌氧阶段、间歇曝气和周期性放磷策略，仅通过3周，即在人工湿地中成功建立了富集聚磷菌（PAOs）的生物膜，实现了92.68%磷酸盐去除率。经研究讨论，该工艺条件下的人工湿地中，同时硝化-内源性反硝化(SNED)是主要脱氮途径。与传统硝化反硝化脱氮途径相比，该反应途径显著降低了脱氮反应中对氧和碳源的需求，即使在碳源限制的条件下，系统也能达到96.21%的总氮（TN）去除。
通过设置对照试验，研究者还发现EBPR与SNED结合的人工湿地与普通间歇曝气人工湿地相比，磷和氮的去除率分别提高了73%和48%。研究者还在化学计量分析的基础上，阐述了各种功能微生物脱氮除磷的贡献率。本研究中获得的结果理论将有助于开发新的工程方法，以提高人工湿地的脱氮除磷性能，对养殖尾水处理工艺的开发具有借鉴性意义。
水产学院博士研究生王洁为论文第一作者，水产学院何绪刚教授和侯杰副教授为论文共同通讯作者。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472033727X
在番茄种子萌发调控机制研究中取得新进展
近日，华中农大园艺植物生物学教育部重点实验室番茄团队在Journal of Experimental Botany上发表题为"MAPK11 regulates seed germination and ABA signaling in tomato by phosphorylating SnRKs"的研究论文，该研究鉴定了番茄种子萌发基因MAPK11，揭示了该基因控制番茄种子萌发的分子机理，为种子萌发研究提供了新的视角。
种子是生命的起始，对植物的生命进程具有重要的作用。种子通过感知外界的环境变化打破休眠，从而开始生命的进程，帮助植物躲避不利的环境条件。植物激素能调控种子的休眠和萌发，脱落酸（ABA）促进种子的休眠，而赤霉素（GA）能刺激种子的萌发。研究种子的萌发及其对激素的响应具有重要的意义。
本研究克隆鉴定了番茄种子萌发基因MAPK11，发现该基因正调控ABA合成关键基因NCED1的转录，促进ABA的合成，从而负调控种子的萌发。同时，研究发现MAPK11超表达转基因系的种子萌发对ABA高敏感，磷酸化蛋白组学分析发现MAPK11能影响SnRK2.2的磷酸化，从而调控ABA信号通路，影响番茄的种子萌发。
此外，研究发现，MAPK11能和SnRK1蛋白互作，并磷酸化SnRK1的Ser-29。转基因功能验证结果表明SnRK1正调控番茄的种子萌发。进一步研究表明SnRK1和ABI5蛋白互作，负调控ABI5的转录，从而参与ABA信号通路，调控番茄的种子萌发。本研究揭示了MAPK11在种子萌发中起着重要作用，为种子萌发的调控和作物遗传改良提供了理论支持。
华中农大园艺林学学院博士后宋建文为论文第一作者，叶志彪教授和张俊红教授为论文通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/jxb/eraa564
由于篇幅所限，今天所分享的仅为近期华中农业大学科学研究成果的一部分。更多科研动态，欢迎点击文末“阅读原文”，浏览华中农业大学南湖新闻网科学研究专题进一步了解。
文 | 李伟夫 印文 王洁 宋建文
原标题：《华中农大近期科学研究进展》