广东省农科院在生物育种前沿技术领域取得多项新进展

“十四五”规划指出，要瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目，标志着我国生物育种技术研发及产业化迎来重要战略机遇。

近年来，我院紧跟国际科技前沿，聚焦生物育种核心技术攻关，在生物育种方法与技术研究领域获得多项突破。构建了首个CRISPER单碱基编辑数据库和Ribo-uORF数据平台；搭建了全自动在线磷酸化蛋白质组学分析技术平台；创新了质谱成像技术。系列科研进展为科技人员开展基因编辑技术及基因翻译调控等研究提供了便捷友好的新分析工具，解决了磷酸化蛋白质组学的技术瓶颈，在可视化视角和多维的信息深度方面促进了传统代谢组学发展。相关研究成果近期发表在Nucleic Acids Research，Trends in Plant Science，Green Chemistry等国际著名学术期刊，为我院生物育种科技创新提供重要支撑。

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水稻所发布Ribo-uORF数据库平台助力基因翻译调控研究

我院水稻所生物信息与大数据育种团队以第一署名单位与哈佛医学院合作完成题为“Ribo-uORF: a comprehensive data resource of upstream open reading frames (uORFs) based on ribosome profiling”的研究论文在国际学术期刊Nucleic Acids Research（中科院一区，IF=19.160）上在线发表。我院水稻所刘琦研究员为论文第一作者和通讯作者、彭歆博士为共同第一作者，哈佛医学院Richard I. Gregory教授为论文共同通讯作者。哈佛医学院、哈佛干细胞研究所、波士顿儿童医院血液/肿瘤科为共同参与单位。水稻所沈梦圆博士为平台搭建工作做出了重要贡献，李晨研究员、钱乾博士和邢俊连研究实习员等参与了本项研究的部分工作。

uORF（Upstream open reading frames）为位于CDS上游5'UTR区域的开放阅读框。翻译起始是RNA翻译的限速步骤，uORFs在真核生物mRNAs中普遍存在，通过调控翻译起始影响下游CDS的翻译。uORF的遗传变异在人类中与很多疾病有关。通过基因编辑操控uORF进而调节蛋白翻译水平，在作物分子设计育种和遗传改良中已被证明具有广泛的应用前景。基于深度测序Ribo-seq（ribosome profiling）和QTI-seq（quantitative translation initiation sequencing）能够对uORF进行全翻译组鉴定和定量分析，并促进对单个uORF调控功能的研究。目前NCBI等公共数据库中已收录了大量的Ribo-seq和QTI-seq数据集。然而，还没有专门的基于Ribo-seq的uORF综合数据平台。因此，迫切需要一个基于Ribo-seq和QTI-seq并提供用户友好分析工具的综合uORF数据平台，来帮助研究uORF介导的基因转录后调控。

该研究通过收集、整理和分析相关数据，构建了Ribo-uORF数据平台（http://rnainformatics.org.cn/RiboUORF），并在其中开发多种生物信息学分析软件和可视化工具，包括uORFscan、uORFvar、mRNAbrowse、UTR5viewer、uORFpeptide、RiboMeta等。目前版本包含6个物种1495个Ribo-seq和77个QTI-seq数据集的501,554个高可信度的uORF (actively translated uORFs)和107,914个uTIS（upstream translation initiation sites），整合了GWAS、eQTL和RNA修饰等18个公共数据集。Ribo-uORF提供了用户友好的交互界面，方便用户进行浏览和分析。Ribo-uORF对促进uORF在mRNA翻译和基因转录后调控的相关研究具有重要意义，后续2.0版本中将进一步添加水稻等作物uORF及其功能注释。

本研究得到了国家自然科学基金、广东省农业科学院科技人才引进专项基金、广东省水稻育种新技术重点实验室项目以及NIH基金的资助。

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基因中心在修饰蛋白质组学共性关键技术研发取得突破

我院基因中心以第一署名单位在国际学术期刊Green Chemistry（中科院一区，IF=11.034）在线发表题为“An eco-friendly, low-cost, and automated strategy for phosphoproteome profiling”的研究成果。我院基因中心作物品质控制与多组学技术创新团队在磷酸化修饰蛋白质组学共性关键技术研发获得突破，首次搭建全自动在线磷酸化蛋白质组学分析技术平台，解决了磷酸化蛋白质组学研究的一大瓶颈。我院基因中心张文洋博士和加拿大约克大学Cheuk-Kuen Lai博士为论文的共同第一作者，我院基因中心晏石娟研究员和加拿大约克大学K.W. Michael Siu教授为该论文的共同通讯作者。本研究工作得到了德国马普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie和加拿大约克大学Allan C. Hopkinson两位教授指导。

可逆的翻译后磷酸化修饰在蛋白质活性调节中起重要作用，参与调控多种生命过程。因此，对磷酸化修饰的全局表征和定量分析将有助于我们深入理解胞内代谢调控的分子机制。近十年来，液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）由于高灵敏度、高通量的优势，已成为蛋白质组学研究的核心工具。然而，由于磷酸化肽的丰度极低、电离效率差以及受非磷酸化肽的信号抑制，使得质谱无法直接分析磷酸化蛋白质组，在质谱分析前对磷酸化肽进行选择性富集这一环节非常关键。迄今已报道多种富集材料，提供了微球、磁性颗粒、微量离心柱等多种应用形式的商业化产品，但它们通常制造工艺复杂、无法重复使用，且需要繁琐的离线手动操作，对溶剂、耗材和人力消耗很大。随着磷酸化蛋白质组学向大群体样本发展，迫切需要开发一种性能优异，同时满足环保、经济的全新分析策略。

为此，研究团队研发了一种新颖、可重复使用的磷酸化肽捕获柱，并进一步将该捕获柱与商业nanoLC-MS/MS系统集成，设计独特的液路连接和运行程序，最终形成了首个集富集、洗涤、洗脱和梯度分析为一体的自动化在线磷酸化蛋白质组学分析平台（图1），可显著减少化学试剂、溶剂、耗材的使用并节省人力成本。在软件控制下，该技术体系可以自动连续地对多个样品进行队列分析，无需任何人为干预，得到具有高重现性和深度位点覆盖的结果，单针分析所鉴定的磷酸化位点数高达6,575（HeLa细胞）和3,471（玉米幼苗），发现了数百个尚未报道的磷酸化位点（图2）。这项技术还擅长表征具有不同磷酸化状态的多肽，这对于研究许多通过切换磷酸化修饰状态实现调控的蛋白质功能非常关键。随着磷酸化蛋白质组学向大规模、大数据的发展和低碳经济的到来，这项技术在农学及医学的群体样本研究中具有广阔的应用前景。

本研究得到了广东省重点研发计划、省特支计划科技创新拔尖人才项目、广东省农科院生物育种协同创新中心课题等多个科研项目资助。

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基因中心植物质谱成像技术入选Trends in Plant Science月度技术

我院基因中心作物品质控制与多组学技术创新团队以第一署名单位与德国马克思普朗克分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授团队合作在国际学术期刊Trends in Plant Science（中科院一区，IF=22.012）发表题为“Mass Spectrometry Imaging Techniques: A Versatile Toolbox for Plant Metabolomics”的Technology of the Month论文。我院基因中心殷志斌副研究员为论文第一作者，黄文洁为第二作者，晏石娟研究员和Alisdair R. Fernie教授为共同通讯作者。

传统的植物代谢组学旨在揭示特定条件下植物组织中含有的代谢物种类及其含量的全局特征，然而对植物组织中代谢物进行精准空间定位在阐明代谢物的合成、转运及调控机制方面具有重要意义。质谱成像（Mass spectrometry imaging，MSI）以其无需探针标记、非特异性检测、可一次分析同时获得多个代谢物分子的空间分布等优势，为传统代谢组学分析提供了全新的可视化视角和多维的信息深度。按照离子源不同，可将质谱成像技术分为基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）技术、二次离子质谱成像（SIMS imaging）技术、解吸电喷雾电离质谱成像（DESI-MSI）技术、激光溅射-电喷雾电离（LA-ESI-MSI）质谱成像等（图1）。随着质谱技术中各种采样/电离方法和质量分析器的不断提升，使得新兴MSI技术可以提供不同组织类型、空间分辨率、质量分辨率、分析速度、检测灵敏度等的定制分析。例如，利用MALDI-MSI技术可以获得玉米种子中糖类、氨基酸类、脂质类等多种代谢物随不同萌发时间的空间分布成像变化（图2）。通过这些功能性代谢物的组织特异性分布信息，可为作物种子的生长、发育和生物/非生物胁迫响应等调控机制提供更深入的见解。尽管目前新兴的MSI技术在植物代谢组学研究中的应用仍然较少，但随着高空间分辨质谱成像技术的不断发展和完善，相信该技术将会在植物单细胞研究中展现更广阔的应用前景。

萌发过程中代谢物的时空变化研究

本研究得到广东省重点领域研发计划、广东省“特支计划”科技创新青年拔尖人才、广州市“青年科技人才托举工程”项目等多个科研项目的资助。

原标题：《广东省农科院在生物育种前沿技术领域取得多项新进展》

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