新型合成微生物群落在消灭杂草的同时促进作物的健康生长

新型合成微生物群落在消灭杂草的同时促进作物的健康生长 华中农业大学的研究团队开发出了实验室培养的新型合成微生物群落（也称为 SynComs），这种群落本质上就像一个微型微生物群落，可以消灭杂草目标，同时促进作物的健康和生长。其中一种 SynCom 从杂草或小麦根瘤中分离出的细菌特别显示出了帮助行业减少除草剂使用的巨大前景。在对四种 SynComs（C1、C2、C3 和 C4）进行的温室比较研究中，C4 拔得头筹，它不仅能杀死危害小麦作物的有害稗草，还能促进谷物的健康和生长。研究小组指出："所有 SynComs 都能促进小麦生长，具体表现为土壤植物分析发育（SPAD）值和新鲜生物量的增加。与此同时，SynCom C4 与低剂量 Axial 除草剂结合使用时，可有效降低侵染杂草小金丝雀草的 SPAD 值和新鲜生物量。"在这些结果的鼓舞下，研究人员在一个连续多年遭受严重虫害的地区进行了大规模田间试验。他们试验了不同剂量的 Axial（25%、50%、75% 和 100%），发现了一个黄金区域，该区有可能显著减少用于这种主要作物的化学品。研究人员指出："C4与50%和75% Axial的组合通过减轻除草剂对小麦的副作用，显著改善了小麦的生长。杂草侵扰使50%和75% Axial剂量的谷物产量分别减少16%和25%。与单独使用 Axial 相比，将 Axial 与 C4 结合使用可挽回杂草侵扰下 22% 的谷物产量损失。""研究结果表明，除草剂与 SynComs 的组合在控制杂草和促进小麦生长方面具有协同效应，因此这种组合提供了一种可持续的生态友好型杂草控制策略"。自商业化以来，除草剂就毁誉参半，数以百计的合成化合物被广泛应用于集约农业，提高了产量，减少了人工劳动。然而，尽管除草剂被广泛用于控制破坏作物的植物，并具有促进生长的作用，但在越战期间，美国军方使用橙剂（以及紫、蓝、粉、绿和白剂）混合除草剂来去除树木叶片、破坏植被和作物后，除草剂对人类的毒性就变得非常明显了。1971 年，美国禁用了这种除草剂（比有毒杀虫剂滴滴涕早一年）。虽然美国对除草剂的使用进行了严格监管，但其使用会产生严重的连锁反应。就像人类肠道微生物群对整体健康的重要性一样，土壤中的微生物群对其维持的生命也至关重要。除草剂会减少土壤中循环养分的有机物，使这一独特的微生物群退化，从而降低作物产量。这反过来又会增加用于促进生长的化学品。不过，SynComs 也有自己的挑战，例如在释放到自然环境中时，会面临土壤中的竞争物种。随着时间的推移，合成微生物也可能因进化和横向基因转移而发生变化。(除草剂的使用也导致植物发展出抵抗反复化学攻击的机制）。在这项研究中，科学家们发现 C4 能显著促进小麦的生长，即使在没有 Axial 的情况下也是如此。在包括一种基于糖的新型除草剂、另一种来自"失败"抗生素的除草剂、甚至基于植物的泡沫等研究领域，这是一个充满希望的进展。研究人员指出："在田间条件下，即使与低剂量除草剂一起使用，C4 也能表现出理想的双重功能，既能控制小麦蚜虫，又能促进小麦生长。因此，将 SynComs 与低剂量除草剂结合使用有望成为一种可持续的环保除草策略。"这项研究发表在《土壤生态学通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：

绿色革命2.0：科学家利用人工智能创造碳捕捉植物

绿色革命2.0：科学家利用人工智能创造碳捕捉植物 索尔克研究所的科学家们正在利用一款名为 SLEAP 的人工智能软件来开发具有增强根系的植物，这些植物能够捕获和储存更多的碳，与全球应对气候变化的努力相一致。该工具大大提高了植物表型和基因型分析的效率和准确性，加快了有效碳封存植物的培育速度。资料来源：索尔克研究所为了设计这些拯救气候的植物，索尔克"利用植物计划"（Harnessing Plants Initiative）的科学家们正在使用一种名为SLEAP的先进的新型研究工具一种易于使用的人工智能（AI）软件，可以跟踪根系生长的多种特征。SLEAP 由索尔克研究员塔尔莫-佩雷拉（Talmo Pereira）创建，最初设计用于跟踪实验室中的动物运动。现在，佩雷拉与植物科学家、索尔克同事沃尔夫冈-布施（Wolfgang Busch）教授合作，将 SLEAP 应用于植物。SLEAP 和 sleap-roots 通过分析根的几何形状，预测植物根的不同部分如何相互连接。资料来源：索尔克研究所在发表于《植物表型组学》（Plant Phenomics）的一项研究中，Busch 和 Pereira 首次提出了一种使用 SLEAP 分析植物根系表型的新方案植物根系生长的深度和宽度、根系的庞大程度以及其他物理特性，而在使用 SLEAP 之前，对这些表型的测量非常繁琐。将 SLEAP 应用于植物已使研究人员建立了迄今为止最广泛的植物根系表型目录。此外，跟踪这些物理根系特征有助于科学家找到与这些特征相关的基因，以及多种根系特征是由相同基因决定的还是独立决定的。这样，索尔克团队就能确定哪些基因对他们的植物设计最有利。"这次合作真正证明了索尔克科学的特殊性和影响力，"佩雷拉说。"我们不只是'借用'不同学科的知识，而是真正把它们放在平等的地位上，以创造出比各部分之和更伟大的东西"。左起Talmo Pereira、Elizabeth Berrigan 和 Wolfgang Busch。资料来源：索尔克研究所在使用 SLEAP 之前，追踪植物和动物的物理特征需要耗费大量人力，从而减缓了科研进程。如果研究人员想要分析植物的图像，他们需要手动标记图像中属于植物和不属于植物的部分逐帧、逐部分、逐像素。只有这样，才能应用较早的人工智能模型来处理图像，并收集有关植物结构的数据。SLEAP 的独特之处在于它同时使用了计算机视觉（计算机理解图像的能力）和深度学习（训练计算机像人脑一样学习和工作的人工智能方法）。这两种方法的结合使研究人员能够在不逐个像素移动的情况下处理图像，而跳过中间的劳动密集型步骤，直接从图像输入跳转到定义的植物特征。第一作者 Elizabeth Berrigan 是 Busch 实验室的生物信息学分析师，她说："我们创建了一个在多种植物类型中验证过的强大协议，它减少了分析时间和人为错误，同时强调了可访问性和易用性 ，而且不需要对实际的 SLEAP 软件进行任何修改。"在不修改 SLEAP 基线技术的情况下，研究人员为 SLEAP 开发了一个可下载的工具包，名为sleap-roots（可在此处下载开源软件）。 有了sleap-roots，SLEAP 可以处理根系的生物特征，如深度、质量和生长角度。索尔克团队在多种植物中测试了sleap-roots软件包，其中包括大豆、水稻和油菜等农作物，以及模式植物拟南芥芥科开花杂草。在测试的各种植物中，他们发现基于SLEAP的新方法优于现有方法，注释速度快1.5倍，训练人工智能模型的速度快10倍，在新数据上预测植物结构的速度快10倍，而且准确率与以前相同或更高。这些表型数据，如植物根系在土壤中长得特别深，可以通过推断了解形成这种特别深的根系的基因。SLEAP 和 sleap-roots 可自动检测整个根系结构中的地标。资料来源：索尔克研究所这一步连接表型和基因型对于索尔克的任务至关重要，即创造出能更持久地保持更多碳的植物，因为这些植物需要根系设计得更深、更强壮。实施这一精确高效的软件将使"利用植物计划"能够以突破性的便捷和速度将理想的表型与目标基因联系起来。"我们已经能够创建迄今为止最广泛的植物根系表型目录，这确实加速了我们的研究，以创造出能应对气候变化的碳捕捉植物，"索尔克大学赫斯植物科学讲座教授布施说。"得益于 Talmo 专业的软件设计，SLEAP 的应用和使用非常简单，它将成为我实验室未来不可或缺的工具。"在创建SLEAP和sleap-roots时，可访问性和可重复性是Pereira考虑的首要问题。由于软件和sleap-ro ots工具包都是免费使用的，研究人员非常期待看到sleap- roots在世界各地的应用。他们已经开始与美国国家航空航天局（NASA）的科学家讨论，希望利用该工具不仅帮助指导地球上的碳吸收植物，还能研究太空中的植物。在索尔克，合作团队还没有准备好解散他们已经开始迎接新的挑战，利用 SLEAP 分析三维数据。在未来几年中，SLEAP 和sleap-roots 的完善、扩展和共享工作仍将继续，但其在索尔克"利用植物计划"中的应用已经在加速植物设计，并帮助研究所对气候变化产生影响。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家在中国桂皮中发现潜在的脱发治疗方法

科学家在中国桂皮中发现潜在的脱发治疗方法 他们之前发现，所谓的"爱的荷尔蒙"催产素通过上调真皮乳头细胞中的基因促进毛发生长，而这些基因在毛发的形成、生长和循环中起着关键作用。然而，通过皮肤注射催产素以激活毛发生长途径的一个问题是，催产素是一种相对较大的分子，因此无法被吸收。肉桂，更确切地说，是来自中国肉桂（桂皮）的肉桂酸。众所周知，肉桂具有广泛的保健功效，包括皮肤抗衰老作用，最近还发现肉桂酸通过对催产素受体的作用增强皮肤弹性。肉桂酸被广泛用于化妆品中，其分子量仅为催产素的一小部分。研究人员评估了肉桂酸对催产素和毛发生长相关基因表达的影响。用不同浓度的肉桂酸（0 至 2,000 微克/毫升）培养真皮乳头细胞。观察发现，1000 和 2000 微克/毫升的浓度会造成细胞损伤，超过 500 微克/毫升的浓度会严重抑制细胞增殖。不过，在浓度低于 500 微克/毫升时，可以观察到催产素和与毛发生长有关的基因的表达呈剂量依赖性增加。用肉桂酸处理毛囊器官组织可增加其"萌芽"长度，这表明肉桂酸处理可促进头发生长研究人员研制出了一种可以再生毛发的人体毛囊类器官（"毛囊球"）。使用类器官（本质上是一个微型器官）使研究人员能够同时将不同的细胞暴露于肉桂酸处理中，从而提供更大、更可靠的数据。他们在毛囊体上测试了 0、50、100 和 500 µg/mL 的浓度，持续时间长达 10 天。结果显示，肉桂酸浓度为 100 微克/毫升和 500 微克/毫升时，头发发芽长度在第八天时有显著增加，这表明最佳浓度就在这一范围内。催产素对毛发生长的影响增加了 1.3 倍，而肉桂酸对毛发生长的影响增加了 1.25 倍。"肉桂酸是一种具有促进头发生长特性的特殊成分，它的鉴定为提高生发产品的功效带来了巨大希望，"该研究的第一作者、云南师范大学工程学院副教授Tatsuto Kageyama说。"此外，对催产素信号介导的生发促进作用机理的新认识将为护发科学提供新的见解，并有助于在药物发现领域加速寻找以催产素受体表达为靶点的新药"。不过，大量购买食用中国肉桂没有任何好处。进一步的研究将侧重于脱发小鼠的实验，以确定通过皮肤施用肉桂酸的效果、所需剂量以及是否会产生任何副作用。不过，如果您想自己在家进行检测，柑橘类水果、葡萄、可可、菠菜、芹菜和黄铜类蔬菜（包括西兰花、球芽甘蓝、卷心菜、花椰菜、羽衣甘蓝、羽衣甘蓝和萝卜）中也含有肉桂酸。这项研究发表在《科学报告》杂志上。 ... PC版： 手机版：

“未来是真菌的”：科学家描绘北方生物多样性的新时代

“未来是真菌的”：科学家描绘北方生物多样性的新时代 在北方树木的光合作用组织（或称"食光组织"）中，以及在它们之间铺满地面的云状地衣和羽毛状苔藓中，都隐藏着真菌。这些真菌是内生菌，也就是说，它们生活在植物内部，通常是互利共生的。农业、生命与环境科学学院植物科学学院和理学院生态学与进化生物学系教授、Bio5 研究所成员贝齐-阿诺德（Betsy Arnold）说："植物就是生活在真菌的世界里。内生真菌对植物的健康至关重要，其作用方式尚不完全清楚，但我们从内生真菌中了解到的一般情况是，它们能很好地保护植物免受疾病侵袭，并帮助植物更好地抵御高温等环境压力。它们是我们对植物认识的一场重要革命的一部分。"在杜克大学的 François Lutzoni（左）和亚利桑那大学的 Betsy Arnold 的共同领导下，项目组乘坐 DeHavilland Otter 飞行器从一个湖飞到另一个湖，专家飞行员 Jacques Bérubé（中）为项目实地小组提供了前往偏远地点的通道。图片来源：Betsy Arnold十多年前，阿诺德和她的团队开始了长达一个月的探险，深入加拿大东北部的荒野，了解这些真菌物种如何适应不同的微环境，以及它们在未来气候变化下的生存状况。他们发现真菌之间存在巨大的多样性，而且它们以非常特殊的方式适应当地的条件，这意味着它们将对未来的气候变化非常敏感。由于真菌的健康与其宿主的健康密切相关，这些发现对未来北方森林和我们地球的整体健康都有影响。"北方森林是地球碳循环和水循环的核心，"阿诺德说。"我们的工作突出表明，它们是世界上一些进化最多样化的真菌内生菌的家园，而这些内生菌在其他地方是找不到的。"Cladonia 是一种地衣，在名为 Pleurozium 的苔藓地毯上方几英寸的地方长出一蓬白色的东西。与北方地带标志性的黑云杉（Picea）一样，它们也蕴藏着多种内生真菌，这些真菌在它们健康的组织中共生。图片来源：贝茜-阿诺德经过十多年的分析，他们的研究结果发表在《当代生物学》杂志上。"我们的合作研究揭示了北方生物群落中新发现的内生真菌的多样性及其对气候的敏感性，"该研究的共同第一作者大分修造（Shuzo Oita）说，他在阿诺德的实验室完成了博士学业，现在是住友化学株式会社的研究科学家。"内生真菌常常被忽视，因为它们存在于健康的植物组织中，但最近它们在生物多样性和生态系统中的重要性被揭示出来了"。她说，收集数据以得出这一结论是一项艰巨的工作，需要阿诺德和她的同事们进行她一生中最紧张的实地考察。阿诺德说，在2011年夏天的一个月时间里，该团队与一名专业飞行员签订了合同，"前往道路不通的地方"。六人小组穿越加拿大北部森林南部，一直到达北极苔原边缘，沿途将浮空器降落在湖泊中。贝齐-阿诺德和她的团队乘坐浮空器进入北美东部北方森林的偏远地区。从窗口望去，云杉从苔藓和地衣的地毯中生长出来，研究人员将在湖上降落。图片来源：贝茜-阿诺德他们在遍布地貌的偏远湖泊间起降了 36 次。通常情况下，他们在每个采样点停留大约 6 到 24 个小时。白天，他们收集健康的云杉树叶以及地面上新鲜的苔藓和地衣，边走边把科学宝藏装进密封袋中。他们还钻取年轮芯，希望揭示它们的过去，如树龄和野火暴露情况。他们还测量了各种森林特征，以了解植物在地形上的变化。到了晚上，当北极光在头顶闪烁时，他们在飞行员宿舍内的便携式实验室里处理样本。他们对新鲜组织进行表面消毒，为提取DNA做准备，并分离真菌培养物，以观察和记录样本中的菌株。阿诺德说："我们经常工作到凌晨两三点，然后睡上几个小时，再飞往下一个工地。"漫长的工作得到了回报："在真菌世界里，一小时的野外工作就是一年的特征描述和十年的潜在分析。在短短几周的时间里，我们就完成了大量的工作"。当他们从较温暖的南部地区前往较寒冷的北部地区时，他们以大约 100 英里的间隔重复采样。阿诺德说，他们还沿着一条纬度带取样，这条纬度带同样宽广，但代表的气候变化却很小。他们战略性地从这两个维度进行采样，以确保真菌生物多样性的任何差异都是由环境差异而非距离造成的。他们一起驾驶 DeHavilland Otter 飞机飞行了近 1500 英里，这架飞机就是他们的移动之家，他们经常用额外的油箱来分享旅行空间。Betsy Arnold 是植物科学学院的教授，同时也是西南地区首屈一指的真菌生物多样性收藏馆 Gilbertson 真菌标本馆的馆长。她在北方生物群落的工作是她全球范围研究、学生参与和全球合作的一部分，研究范围从非洲南部、南美洲到北极。图片来源：Jolanta Miadlikowska较早的研究考察了生物多样性与纬度之间的相关性，纬度通常被用作气候的替代物。阿诺德说，这些研究发现，一般来说，越靠近赤道，生命越多样化。例如，对于许多生物类群来说，热带雨林中的生物比北极苔原中的生物更加多样化。事实证明，北方地区的真菌并非如此简单。"我们的研究表明，北方真菌群落并不一定会像植物群落那样以可预测的方式随气候发生变化。"共同第一作者亚娜-乌仁（Jana U'Ren）说："相反，气候对这些真菌的影响在很大程度上取决于真菌种类和宿主。这意味着我们需要保护整个北方生物群落的植物及其真菌内生菌，而不仅仅是在一个地方，否则我们就有可能失去这些重要森林中至关重要的生物多样性和保护性真菌。"阿诺德认为，这些真菌内生菌对气候的特殊依赖性反映了它们与宿主共同进化的过程，也就是她所说的"研究与发展"，因为植物找到了理想的内生菌伙伴，并在这些严酷的北方地貌植物所面临的独特压力下依然繁茂生长。"世界各地都有内生菌，但不同环境中的内生菌各不相同。"阿诺德说："我们认为，与内生菌共生在某种程度上是植物在全球范围内克服环境挑战的方式，也就是与它们的内部真菌伙伴共生。关于单个内生真菌对单个植物的作用的信息并不多。因此，我们的研究具有奠基性意义，因为我们试图弄清这些内生菌是谁，它们是如何分布的，以及它们会如何随着气候的变化而变化。"她希望未来的研究能以他们的发现为基础："我们所知道的是，当这些森林发生变化时，我们正在失去生物多样性，而我们还不知道关键的功能要素是什么。"合作者弗朗索瓦-卢佐尼（François Lutzoni）表示同意，他是杜克大学生物学教授，与阿诺德共同主持了这项研究。卢佐尼说："这是我做过的最复杂的野外工作，也是最令人振奋的研究经历之一。记录不断变化的世界中的生物多样性是一项重要的研究。我们采集的标本都保存在标本馆中，因此对于了解物种、物种分布、物种基因以及物种栖息的生态系统如何随着时间的推移而变化具有持久的价值。反过来，标本馆服务于科学界的最佳方式就是与世界一流大学的研究实验室相结合。"在这种思想指导下，阿诺德目前正致力于利用亚利桑那州本土生长的内生菌来增强作物在这个不断变化的世界中的适应能力。阿诺德说："就像北方森林蕴藏着意想不到的多样性内生菌一样，亚利桑那州的植物也是如此。我们下一步要做的就是挖掘这些丰富而古老的内生菌，将其作为帮助植物茁壮成长的工具。最终，我们希望通过在全球范围内了解这些真菌，我们不仅能描绘出地球生物多样性的一个关键要素的过去和未来，而且还能利用我们当地的真菌，使农作物在有限的水资源和不断上升的气温条件下茁壮成长。可以说，未来就是真菌的未来。"编译来源：ScitechD... PC版： 手机版：