华中农大近期科学研究进展

在数字化免扩增常温条件下检测多种食源性致病菌研究上取得新进展

近日，华中农业大学食品科学技术学院食品安全快速检测团队在Nature Food期刊上发表了题为“Multiplexed food-borne pathogen detection using an argonaute-mediated digital sensor based on a magnetic-bead-assisted imaging transcoding system”的研究论文。该研究通过构建一种数字化免DNA扩增的核酸检测方法，实现对三种食源性致病菌的多重和超灵敏检测。

在这项研究中，团队提出了一种嗜常温CbAgo辅助的数字化核酸检测平台（d-MAGIC），可以实现对三种食源性致病菌的数字化多重核酸检测（如下图）。作者通过使用磁珠来构建磁珠-酪胺-链霉亲和素复合物（MBs-TA-SA）作为数字化荧光编码载体，当有靶标DNA存在的情况下，能够激活CbAgo的两步切割反应使得猝灭的荧光探针被切割而恢复荧光，MBs-TA-SA复合物能够结合被生物素修饰的荧光基团从而使自身携带上荧光作为信号的读取载体。通过对所捕获图像中磁珠的不同荧光编码状态，即可实现对靶标菌的数字化读出。同时，团队为了精准地对磁珠状态进行解码，还开发了一个名为“Panda”的AI算法平台。该平台准确地对磁珠进行分类、评分和计数，保证了本平台数据读出的准确性和稳定性。

该可编程检测平台的研发是常温条件下对单一和多重食源性致病菌数字化检测研究的重大进步，它在无扩增情况下对10 CFU ml−1菌DNA显示出高灵敏度。该平台具有几点关键创新：（1）通过将具有可编程核酸切割能力的CbAgo与磁珠和人工智能相结合，实现了对三种食源性致病菌的同时数字化、免扩增和超灵敏检测。（2）微米磁珠作为数字化和编码载体简化了传统数字化流程（液滴数字化PCR），并由于其超顺磁性而具有极强的抗干扰性。（3）该平台开发基于人工智能的图像识别在优化检测系统中具有关键作用。通过创建曲线识别算法，实现了高效的解码和定量信号分析。（4）均一的磁珠与原位酪胺信号放大系统的整合提供了大量的结合位点，使得荧光信号更容易富集在其表面实现信号监测，从而大大减少了对传统DNA扩增技术的依赖。

该平台具有扩展到临床核酸检测潜在价值，也具有与便携式设备结合开发即时检测设备潜力，有望服务于有关人民生命健康的相关产业。

食品科学技术学院博士研究生王治潘与硕士研究生程芯瑞（现上海交通大学生物医学工程学院博士研究生）为该论文共同第一作者，陈翊平教授为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研究发展计划等的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s43016-024-01082-y

发布智能育种平台AutoGP

近日，华中农业大学李林教授团队联合陈洪教授团队在Plant Communications在线发表了题为“AutoGP: An Intelligent Breeding Platform for Enhancing Maize Genomic Selection”的论文。该研究推出了智能育种平台AutoGP (http://autogp.hzau.edu.cn)，将高质量SNP筛选、轻便的田间表型采集系统，以及功能完备的GS功能模块相结合，为育种者提供了简便、可靠的育种工具。通过玉米CUBIC群体验证，AutoGP能够筛选出最优的组配亲本，为加速作物改良和简化育种流程提供了新路径。

在气候变化和全球人口增长的双重挑战下，加快高产作物品种的开发迫在眉睫。尽管GS领域已积累了丰富的基因型和表型数据，并开发出高精度的机器学习模型，但这些技术距离育种者的实际应用仍有较高门槛。为解决这一问题，李林教授团队研发了AutoGP智能育种平台，旨在简化GS技术的应用流程，更好地服务于育种实践。AutoGP集成了高质量SNP筛选、轻便的田间表型采集系统，以及功能完备的GS功能模块，为育种者提供了一体化解决方案。

该方案包括高质量SNP筛选与精准智能设计育种芯片、便携轻简式田间表型提取和设计完备的GS智能设计功能模块三方面。

相比全基因组研究，针对特定功能基因的深入研究更具针对性和实用价值。本研究构建了一个基因分型系统，专注于与关键农艺性状（如开花期和株高）密切相关的高置信度功能基因。通过液相微阵列测序，成功识别出5,061个功能基因，并提取了与这些性状高度相关的高质量SNP。这些SNP不仅增强了对性状的解释力，还揭示了基因在复杂网络中的交互作用。借助AutoGP平台，育种者可以轻松低成本利用这些高质量SNP，实现更精准的基因组预测。这种方法兼具高效性和成本效益，在减少所需遗传特征的同时，大幅提升了预测的准确性和可靠性。

传统的手动表型分析不仅耗时长、重复性差，还需高强度劳动且容易出错。为提高效率，本研究开发了一套完整的田间表型提取流程，包括通过微信小程序进行数据采集，3D高斯泼渐算法重建玉米植株，点云分割算法或交互式分割方法提取表型。借助AutoGP平台，用户只需一部智能手机，即可快速获取详细的玉米植株点云模型及表型信息，如玉米高度、叶片数量和叶夹角。这一流程显著提升了田间表型数据获取的效率与准确性。育种家只需要一部手机即可实现田间表型采集与数据保存、管理、检索、以及后续的设计育种。

AutoGP提供了五个核心功能模块：模型训练、表型预测、集成训练与预测、最优亲本选择，以及集成训练与选择。用户可以从模型库中灵活选择五种机器学习模型（SVM、XGBoost、GBDT、MLP和RF）或四种常用深度学习模型（DeepGS、DLGWAS、DNNGP和SoyDNGP），以确定最适合的GS模型。此外，AutoGP还配备了环境信息嵌入模块，支持模型训练、表型预测及集成训练与预测。这一模块的引入使用户能够针对不同地区开展统一模型的表型预测，从而显著提升模型的适应性与实用性。

华中农业大学陈洪教授团队博士生吴昊、赵亮和李林教授团队博士生韩瑞为该论文的共同第一作者；李林教授、李伟夫副教授为该论文的共同通讯作者。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346225000021

在肠道微生物调控仔猪肠道免疫成熟方向开展系列研究取得新进展

近日，华中农业大学动物科学技术学院、动物动物医学院彭健教授和魏宏逵副教授团队在Advanced science杂志在线发表了题为“Gut Microbiota-Derived Hyocholic Acid Enhances Type 3 Immunity and Protects Against Salmonella enterica serovar Typhimurium in Neonatal Rats”的研究论文，解析了生命早期肠道微生物定殖调控肠道3型免疫发育的机制。

仔猪死亡率高是困扰全球养猪业重要行业问题，而仔猪肠道免疫系统不成熟是导致仔猪死亡的重要原因。现有的研究已经揭示了猪肠道免疫系统发育的基本规律，但对天然淋巴细胞这一类重要免疫细胞在仔猪肠道中的发育特征、免疫功能，以及肠道微环境与微生物互作调控天然淋巴细胞发育的机制尚知之甚少。近年来，彭健教授和魏宏逵副教授团队针对上述问题开展了系统研究，获得一系列重要的新发现。该团队首次描绘了仔猪肠道3型天然淋巴细胞（ILC3）在哺乳期的发育图谱，揭示了3~4周龄是仔猪肠道ILC3发育的关键窗口期。证实了ILC3在产毒素大肠杆菌感染早期时快速扩增，是产生IL-17A和IL-22等具有清除病原菌，维持肠稳态功能的细胞因子的重要来源（Veterinary Sciences，2024）；此外，还证实了包括ILC3在内的3型免疫细胞通过产生IL-17A等细胞因子，在促进哺乳期动物肠道产生抗菌肽，维持肠屏障功能，提升抗病力中发挥重要功能（Emerging Microbes & Infections，2024）。

众所周知，肠道氧环境是肠道菌群的重要塑造者。该团队研究发现，通过消耗新生仔猪肠道氧气，可促进肠道微生物定植和成熟，从而加速肠道免疫发育和抗病力形成，是提高仔猪肠道健康状态的重要手段，但具体作用机制尚未阐明。针对上述问题，该团队鉴定出罗伊氏乳杆是促进肠道3型免疫细胞发育的关键微生物。罗伊氏乳杆菌高表达胆盐水解酶，将初级胆汁酸代谢生成猪胆酸，通过抑制法尼醇X受体来下调甲基转移酶WTAP表达，降低RORγt的RNA m6A修饰并提高其mRNA稳定性，从而促进γδT17和ILC3细胞的发育。通过在新生期补饲兼性厌氧菌消耗肠道氧气来增加罗伊氏乳杆菌丰度，或者直接补饲罗伊氏乳杆菌均能有效提高肠道抵抗病原菌感染能力，显著降低死亡率。

这项研究从肠道微生物调控宿主表观遗传修饰角度阐明了早期微生物定殖促进肠道免疫发育的新机制，为深入理解幼龄动物肠道免疫发育的调控机制提供了新视角，也为靶向肠道微生物调控仔猪免疫力提供了全新思路。

华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院2022级在读博士生杨志鹏及2023届博士黄宁宁为该系列论文第一作者，魏宏逵副教授为论文通讯作者，彭健教授参与项目指导。

原文链接如下：

1. Gut Microbiota-Derived Hyocholic Acid Enhances Type 3 Immunity and Protects Against Salmonella enterica Serovar Typhimurium in Neonatal Rats. https://doi.org/10.1002/advs.202412071

2. Type 3 immune response protects against Salmonella Typhimurium infection in the small intestine of neonatal rats. https://doi.org/10.1080/22221751.2024.2417867

3. Developmental patterns of intestinal group 3 innate lymphoid cells in piglets and their response to enterotoxigenic Escherichia coli infection. https://doi.org/10.1186/s13567-024-01418-3

由于篇幅有限，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。

END

文 | 王兆艳 吴昊 董克

编辑 | 匡敏

审校 | 蒋朝常 徐行 晏华华 杨正莲

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原标题：《华中农大近期科学研究进展》

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