2024-05-15
研究背景
在当今全球粮食安全与生态环境保护的双重挑战下，农业生产的可持续性成为了亟待解决的关键问题。农药作为保障作物产量、防治病虫害的重要手段，其广泛应用虽显著提高了农业生产效率，但同时也带来了环境污染、生物多样性下降及农产品残留等严峻问题，对生态系统的健康与人类健康构成了潜在威胁。因此，探索科学合理的农药使用策略，减少其负面影响，是实现绿色农业转型的迫切需求。 近年来，生态领域多组学技术的迅猛发展为深入理解农药在环境中的行为效应及其对生态系统多层面影响提供了革命性的工具。通过整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多组学数据，研究人员能够从分子到生态系统尺度全面解析农药暴露下生物体的响应机制。生态领域多组学在农药研究中的应用，不仅有助于优化农药管理策略，促进环境友好型农药的研发，而且对推动农业可持续发展、维护生态平衡具有重要意义，是当前农业生态学研究的前沿和热点方向。
多组学在农药研究中的应用思路
通过多组学方法的综合应用，可以系统地描绘出农药在生态系统中的作用模式、生物体的响应机制以及环境影响，为制定更加科学合理的农药管理策略和开发新型低毒高效农药提供坚实的理论基础和技术支持。 1.基因组学 农药抗性基因的鉴定：通过测序农作物或害虫的全基因组，识别与农药抗性相关的基因变异或过表达区域，为抗性机制研究提供基础。 微生物资源发掘：分析参与农药降解的微生物基因组，寻找新的降解酶编码基因，为生物降解技术开发提供候选基因资源。 2.转录组学 响应机制解析：利用RNA-seq技术监测农药处理前后生物体（如作物、害虫或环境微生物）的转录水平变化，揭示农药作用下的基因表达调控网络，了解生物对农药的响应机制。 抗性表达谱分析：分析抗性与敏感个体或种群在农药暴露下的转录组差异，探究抗性形成的分子基础。 3.蛋白质组学 功能蛋白鉴定：通过质谱技术分析农药处理样本中的蛋白质组成和修饰状态，鉴定关键功能蛋白及信号通路，直接关联到农药的生物效应和代谢过程。 4.代谢组学 生物体代谢策略：分析农药暴露前后生物体内代谢物的变化，系统地描绘农药处理前后生物体或环境样本中的小分子代谢物变化。有助于识别关键代谢途径的扰动，比如能量代谢、抗氧化防御系统及次生代谢的激活，对于理解农药的生理效应、毒性机制及生物体适应策略至关重要。 5.宏基因组学与宏转录组学 环境影响评估：研究农药施用对土壤、水体等生态系统中微生物群落结构和功能的影响，通过分析宏基因组和宏转录组数据，评估生态系统的响应与恢复能力。
多组学案例分享
案例1 文章题目： Phyllosphere microbiome induces host metabolic defence against rice false-smut disease 期刊：Nature Microbiology 影响因子：30.964 技术手段：16S rRNA基因V3-V4区和ITS序列测序、真核转录组测序 研究内容： 稻曲病是由活体营养型病菌Ustilaginoidea virens引起的水稻穗部真菌病害，目前在全球范围内的水稻主产区均有不同程度发病。稻曲病的流行不仅导致水稻大幅减产，而且会在穗部积累严重危害人畜健康的生物毒素，严重影响稻米产量、品质和食品安全。化学防治是目前防治稻曲病的主要手段，但过量或不合理施用药剂不仅会带来农药残留超标的风险，同时也会对稻田有益生物产生威胁、诱导病原菌的杀菌剂抗药性，其生态风险一直备受争议。为了研发安全、环保和有效的稻曲病控残减毒防控技术，科研团队在实验室与田间同时开展攻关，以期挖掘到有价值的潜在线索。 水稻穗部与其常驻关键菌群之间存在代谢防御机制，抑病水稻穗部的关键菌群通过调控寄主穗部支链氨基酸的产生来抵御病原菌的侵染。基于支链氨基酸诱导的微生物菌剂开发或外源支链氨基酸应用可能是绿色防控稻曲病的有效途径。 研究路线： 结果展示： 案例2 文章题目： Mechanism of β-cypermethrin metabolism by Bacillus cereus GW-01 期刊：Chemical Engineering Journal 影响因子：13.273 技术手段：细菌完成图、转录组测序、蛋白组测序、代谢组产物检测 研究内容： 农药在保障粮食安全方面发挥着重要作用，但对食品安全、生态保护和人类健康构成潜在威胁。通过微生物活性降解农药，作为一种安全、环境友好、实用的消除农药残留的方法，越来越受到人们的关注。虽然已经从环境中分离出许多拟除虫菊酯（一种农药）降解微生物，并提出了几种降解途径，但总体而言，编码拟除虫菊酯及其代谢产物降解酶的基因仍有待研究。 拟除虫菊酯通常被认为是比毒性更强的有机氯和有机磷农药更环保的替代品，其中β-氯氰菊酯（β-CY）占全国拟除虫菊酯市场的50%以上。由于过量喷洒，β-CY残留在水果和蔬菜、河流和土壤中均被检测到，这可能对人类和环境建库产生长期影响。本研究旨在研究从绵羊瘤胃食糜中分离的一种细菌GW-01（蜡样芽孢杆菌）降解β-CY的相关酶基因以及代谢途径。 研究路线： 结果展示： 案例3 文章题目： 期刊：Horticulture Research 影响因子：8.7 技术手段：微生物组，代谢组等 研究内容： 由于农药、化肥的过度使用以及工业“三废”的排放，导致土壤镉污染日趋严重，镉是土壤中最常见的高毒性重金属污染物。苹果是世界上最重要的经济水果之一，种植面积大，生长周期长，巨大的时空跨度使其容易遭受镉污染，严重威胁苹果生长发育和品质安全。多巴胺具有较强的抗氧化能力，在植物响应逆境胁迫中具有重要作用。然而，关于多巴胺调控苹果镉胁迫的研究较少。 本研究利用土壤微生物组和代谢组联合分析，研究了多巴胺对镉胁迫下苹果植株生长的影响。研究发现，多巴胺可以增强植株光合作用，激活活性氧清除系统，降低植株体内活性氧水平；抑制镉吸收基因的表达，促进镉解毒基因的表达，减少植株镉积累，从而缓解镉胁迫对植株生长的抑制。此外，多巴胺显著改变了土壤代谢物的组成以及根际微生物群落多样性。研究结果有助于今后深入研究多巴胺调控苹果镉胁迫的功能机制，也为果园土壤重金属治理提供了新的思路和策略。 研究路线： 结果展示：
