近日，復旦大學、中國科學院相繼在Nature上發表研究論文。
復旦大學
理論1和數值模擬2表明，熱帶氣旋(tropical cyclones, TCSs)將隨著海洋溫度的上升而增強。儘管模型對預測的熱帶氣旋強度達成了廣泛的一致意見，但在除北大西洋以外的所有海洋盆地，觀測到的熱帶氣旋強度趨勢仍然不確定北大西洋的飛機偵察數據大大減少了不確定性。傳統的基於衛星的估計還不夠準確，無法確定受暴雨、雲層、海浪和浪花污染的TCS強度的趨勢。
2022年11月16日，復旦大學王桂華團隊在Nature在線發表題為「Ocean currents show global intensification of weak tropical cyclones」的研究論文,該研究發現在1991-2020年期間，基於來自表面漂移體的大量高度精確的洋流數據顯示所有海洋盆地的弱TCSs(即熱帶風暴到基於薩費爾-辛普森尺度的1類TCSs)都增強。
這些漂移器將「holy sock」錐筒埋在15米深，以減少海氣界面過程引起的偏差，從而精確測量近表面流，即使是在最具破壞性的塔下。全球海流速度呈~4.0 cm s−1 / 10年的強勁上升趨勢，與TCS強度呈1.8 m s−1 / 10年的正趨勢相對應。進一步分析表明，全球TCSs在整個強度分布上都有所加強。鑑於最先進的氣候模型未能完全複製這些趨勢，這些結果作為歷史基線，對評估模型物理、模擬和預測至關重要。
除了對經濟和社會的巨大破壞性影響外，TCSs在大氣-海洋系統中發揮著重要作用。TCSs強度通常用10米高度的1分鐘、2分鐘或10分鐘最大持續地面風速來定義。然而，這個參數不僅是出了名的難以預測，而且從觀察結果中精確估計也極其困難。Dvorak技術是一種廣泛用於從衛星圖像估算TCSs強度的經驗方法。在實際應用中，該技術首先從雲模式和紅外雲頂溫度估計最終T數(final T number, FT)，然後根據若干規則從FT中獲得電流強度數(current intensity number, CI)，最後使用標準表將CI轉換為最大持續風(maximum sustained wind, MSW)。由於FT估計的主觀性、CI賦值和使用中的轉換表的差異，即使基於相同的信息，不同機構對強度的估計也可能相差很大，特別是對於小於90 kt和大於125 kt的1分鐘最大風速。因此，使用這種主觀技術獲得的「最佳軌跡」數據集中的TCSs強度對趨勢分析具有很大的不確定性。
從海洋動力學中可以看出，TCSs與洋流之間存在著密切的關係，並得到了各種觀測的證實，這些觀測包括聲學都卜勒洋流剖面儀、機載消耗性洋流剖面儀、系泊和漂流浮標、電磁自主剖面探測浮標和表面漂浮物。雖然風速計在海氣邊界不明確的情況下無法發揮作用，但表面漂移器配備了標稱15米流的錐管，不會受到海氣界面過程(例如風和破浪)的強烈影響。從熱帶風暴到5類氣旋的近地表電流響應已經提供了有力的證據。這表明考慮到表面漂浮者對大量直接近表面海流的測量，洋流觀測可以提供對TCSs強度的替代估計。
與弱TCSs(定義為測量時最大持續風速在17 - 42米秒- 1之間的1分鐘)相關的漂移記錄超過85,000個，而強TCSs的漂移記錄(5800個)要少得多。重要的是要確保有足夠的漂移觀測量來合成不同時間段的TCSs風場，從而分析TCSs強度的變化趨勢。
在這項研究中，通過採用每變量十個事件的方法(EPV)作為樣本量考慮的最小準則，研究人員確認此時在全局上，漂移記錄足以合成弱TCSs的風場，但不足以合成強TCSs的風場。儘管弱TCSs占所有TCSs的70%，但用德沃夏克技術準確估計其強度要困難得多。在1991-2020年的每5年期間，研究人員將複合TCSs風與基於Batts颱風風場模型的理論TCS風進行了比較，發現兩者之間的差異很小(即小於0.5 m s−1)。具體來說，儘管前5年的漂移記錄數量很少(7165條，其中約23%發生在最近5年)，但複合TCS風場仍然與理論TCS風場非常相似。這證明了所提出的方法在構建TCS風場和利用漂移電流測量估算TCS強度趨勢方面的有效性和準確性。
該研究通過漂流觀測和基於衛星的TCSs誘導的海面冷卻表明，弱TCs在近幾十年增強了。這與從傳統最佳軌跡數據集推斷出的變化不同，傳統最佳軌跡數據集只顯示了強TCs的增強。弱TCs強度的增加與TCs發展的大尺度大氣環境中觀測到的趨勢一致，特別是熱力場(即勢強和對流層中部相對濕度)。上層海洋熱分層變化的貢獻相當有限。最先進的氣候模型沒有模擬到觀測到的弱TCs的增強，這對目前的模型物理和預測提出了挑戰。由於絕大多數TCS都屬於弱類別，研究人員發現弱TCS的增強有助於模型改進和TCS預測。
最重要的是，研究人員提出了另一種精確的方法來估計遙遠海洋的TCS強度。在這一階段，現有的漂移器數據將我們對全球TCS強度的檢測限制在17-42米每秒的風速範圍內，但TCS強度PDF的變化似乎意味著全球向更高強度的總體轉移。在NWP(唯一擁有足夠漂移數據的盆地)上，強TCs的洋流速度顯示出每年約0.6 cm s−1的上升趨勢。
總的來說，這項研究表明隨著時間的推移，越來越多的漂移數據積累，該研究使用方法有潛力揭示TCS強度的全譜變化。觀察和識別TCS強度的這種光譜變化非常重要，無論是就其本身而言，還是對測試高解析度模型而言。
中國科學院
11月17日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心巫永睿研究團隊與上海師範大學王文琴研究團隊合作，在《自然》（Nature）上，發表了題為「THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize」的研究論文。科研人員經過堅持不懈的努力，在野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品質形成和氮素高效利用的關鍵變異基因Teosinte High Protein 9 (THP9)。
玉米的祖先起源於南美洲墨西哥南部的巴爾薩斯河流域，名為大芻草。它像雜草一樣生長，種子外面包裹著堅硬的殼，無法直接食用。人類祖先早在9000年以前開始馴化玉米，逐步把雜草一樣的野生玉米大芻草改造成了今天的玉米。如今，玉米已成為世界上最高產的農作物之一。玉米產量高，有效能量多，是最常用且用量最大的飼料之一，故有「飼料之王」的美稱。隨著人們生活質量提高，肉蛋奶需求增加，玉米的消費量日益增加，致使近年來玉米進口量不斷提升。提高玉米蛋白含量是保障國家糧食安全的重大戰略需求，也是保障我國畜禽養殖業和飼料加工業健康發展的重要途徑之一。然而，野生玉米高蛋白形成的機理是長期以來懸而未決的難題，同時，控制玉米總蛋白含量和氮素高效利用的關鍵基因尚未找到。
科研團隊於2012年進行玉米高蛋白供體材料的尋找、蛋白含量測定、遺傳分析以及群體構建。實驗發現，普通玉米自交系蛋白含量約為10%，而玉米祖先野生玉米在未施加氮肥條件下種子蛋白含量達30%，其含量是現代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控制高蛋白含量的關鍵基因。這些基因是什麼，它們在野生和現代玉米中到底發生了什麼改變？它們能否被挖掘用於提高現代玉米的蛋白含量？不同玉米自交系遺傳變異大於人類與黑猩猩之間的差異，而9000年前的野生玉米與現代玉米的差異就更大了。
為了充分利用野生玉米的基因資源，挖掘控制野生玉米高蛋白的優良變異基因，研究團隊破解了高度複雜的野生玉米基因組。研究採用三代測序技術和三維基因組相結合的策略，摸索並拼裝出既雜合又複雜的野生玉米單倍體基因組（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），用於野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。科研人員經過艱苦攻關，連續創製了超過10代的遺傳材料，構建出野生玉米和普通玉米自交系B73的高世代近等基因系群體。在這一過程中，研究提取了超過4萬個樣本的DNA進行基因型鑑定，測定了超過2萬個樣本的蛋白含量進行表型分析，並分別在回交群體的第4代BC4（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）進行了3次大規模高蛋白遺傳群體的測序以及精細的圖位克隆，最終在野生玉米中克隆到首個控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。該基因編碼天冬醯胺合成酶4 (ASN4)，ASN是氮代謝的中心，負責合成天冬醯胺。天冬醯胺在氮循環中具有核心作用，並在氨基基團的分子間轉移反應中充當氮供體。因此，植物中的天冬醯胺水平與種子蛋白質含量密切相關。研究發現，野生玉米優良基因Thp9-T顯著高表達，而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突變形式Thp9-B，導致ASN4的表達量較低。野生玉米優良基因Thp9-T導入玉米自交系B73後，使種子蛋白質含量增加約35%，根中氮含量增加約54%，莖中氮含量增加約94%，葉片中氮含量增加約18%，且生物量即植株整體重量增加。
此外，研究團隊在三亞南繁基地開展了大規模田間試驗，將野生玉米高蛋白基因Thp9-T雜交導入我國推廣面積最大的玉米生產栽培品種鄭單958中，可顯著提高雜交種籽粒蛋白含量，表明該基因在培育高蛋白玉米中具有重要的應用潛能；同時，在減少氮肥施用條件下，可有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒中氮含量水平，這對於在低氮條件下促進玉米高產、穩產具有重要意義。
本研究在野生玉米中發現一個控制高蛋白玉米形成的關鍵優異變異基因Thp9-T，其可以提高玉米中氮的同化效率從而有利於產生更多的蛋白質。研究表明，將Thp9-T導入現代玉米品種，提高了胺基酸水平，尤其是天冬醯胺，且在不影響粒重的情況下增加了種子蛋白質含量。同時，在大田試驗中，本研究也驗證了Thp9-T在高蛋白育種改良過程中具有重要作用，顯著提高玉米栽培品種鄭單958的籽粒蛋白含量，並在低氮條件下能有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒氮含量水平，這為今後該基因的進一步推廣應用奠定了堅實基礎。
由於化肥的過度使用，野生玉米優良基因Thp9-T在長期的育種過程中未受到選擇壓力。本研究不僅成功克隆了野生玉米變異基因Thp9-T，利於現代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遺傳改良，而且對未來減少化肥施用和保護生態環境具有重要指導意義，並為構建和實施新形勢下的國家糧食安全戰略，確保國家糧食安全和重要農產品有效供給，促進農業可持續發展提供新的解決方案。
研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、中國博士後科學基金、上海「超級博士後」激勵計劃的支持。齊魯師範學院、山東農業大學、深圳農業基因組研究所、美國亞利桑那大學的科研人員參與研究。
論文連結：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05326-4
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05441-2
--iNature、中國科學院