萤火虫如何发光？培育可可树起源于五千年前、旧南极冰芯带来过去的故事、蜜蜂也可以社会化 | 一周论文新鲜读

3.11

本周值得读

来自《自然》旗下期刊的最新发表，我们为您精选呈现。

1. 利用羊水所制类器官可模拟孕晚期发育

2. 揭示萤火虫的发光机制

3. 冰卫星木卫二产氧量或少于此前预期

4. 旧南极冰芯或带来过去二氧化碳含量的新信息

5. 蜂群思维帮助蜜蜂解决复杂谜题

6. 追溯可可驯化的传播

7. 一步到位沉默一个小鼠胆固醇基因

干细胞 | 利用羊水所制类器官可模拟孕晚期发育

Single-cell guided prenatal derivation of primary fetal epithelial organoids from human amniotic and tracheal fluids

Nature Medicine

《自然-医学》发表的一项研究报告，羊水样本中收集的细胞可生成多种不同组织类型的类器官，而无需终止妊娠。这些类器官或提供了了解孕晚期发育的手段，有助于对先天畸形的研究。

类器官是一种利用人类干细胞制造的三维模型，类似于类胎儿组织。目前获取用于妊娠建模的类器官的方法（大多取自死后的胎儿组织）涉及法律和伦理问题，通常只能在受孕后20-22周内使用，这限制了对孕晚期发育的研究。

英国伦敦大学学院的Mattia Gerli、Paolo De Coppi 和同事评估了从人类羊水中收集的上皮细胞，这些羊水取自12次妊娠（孕期16周到34周之间）的产检。利用单细胞测序，作者描述了这些细胞的性质，识别并分离出了胎儿胃肠道、肾源和肺源的上皮细胞。为了探索这些细胞是否可用于产生类器官，作者培养了这些细胞，观察到它们开始增殖并自组织成三维类器官，在2周内可见。他们发现，这些细胞会形成组织特异性原生胎儿类器官，即小肠、肾脏和肺，并显示出来源组织的功能性特征。作者能够利用这一技术，从患先天性膈疝的胎儿的羊水和气管液细胞中，产生再现这种疾病某些特征的肺类器官。

Gerli、De Coppi和同事认为，他们的发现展示了产生胎儿类器官的一种替代方法，无需终止妊娠，解决长久以来的伦理顾虑，并可用于研究妊娠晚期阶段。他们表示，这种方法或能为在妊娠期间自体衍生胎儿原生类器官提供一个机会，可有助于开发先进的产前模型和个性化疗法，并有助于改善父母辅导。他们指出，还需要进一步研究验证这些发现的转化影响。

遗传学 | 揭示萤火虫的发光机制

Key homeobox transcription factors regulate the development of the firefly’s adult light organ and bioluminescence

Nature Communications

《自然-通讯》发表的一项研究阐释了萤火虫发光器官的发育以及萤火虫如何控制它们发光。研究结果让我们进一步理解了负责该结构发育和演化的遗传调控因子和过氧化物酶的结合作用。

萤火虫的发光器官叫“灯笼”（lantern），负责它们标志性的发光行为，这能协助年幼萤火虫抵御捕食者，也能帮助成年萤火虫传达求偶信息。每个萤火虫物种都有一种独特的发光模式来发现合适的配偶，一些会同步发光，一些不会。不过，我们对成年萤火虫发光器官的形成一直缺乏理解。

中国华中农业大学的付新华、Xinlei Zhu解码了水萤属雷氏萤（Aquatica leii）的基因组，并揭示了其发光器官的发育和生物发光的遗传学信息。他们发现，在昆虫发育中有完善功能的同源异形框（homeobox）基因家族的成员，也对这个成年发光器官的形成至关重要。这些基因会首先帮助发光器官在腹部内准确定位。此外，它们还会打开关键光产生基因的表达，包括荧光素酶和过氧化物酶。

研究结果或增进我们对萤火虫如何产生和控制它们发光器官的理解。

行星科学 | 冰卫星木卫二产氧量或少于此前预期

Oxygen production from dissociation of Europa’s water-ice surface

Nature Astronomy

《自然-天文学》发表的一篇文章认为，木星的冰卫星木卫二（Europa）拥有的氧可能少于此前假设，这些发现会影响木卫二海洋的潜在宜居性。

木卫二冰壳下有一个内部液态海洋，具有潜在的宜居条件。该卫星表面不断受到辐射轰击，辐射将冰壳分解成氢和氧，其中大部分从表面散失逃逸到了太空中，或留下来形成木卫二的大气。这些大气气体和离子的丰度（及其在星球表面产生的速率）大多是通过遥感观测推断而来，有很大不确定性。

美国普林斯顿大学的Jamey Szalay和同事分析了2022年9月29日朱诺号飞越木卫二的数据，当时它从木卫二表面上空353公里高处飞过。利用朱诺号上的木星极光分布实验（JADE），作者提取了不同拾取离子（大气中性离子与高能辐射或其他离子碰撞破裂产生的带电粒子）的丰度。从这些数据中，他们计算出木卫二表面每秒约产生12公斤的氧。这位于此前模型预期的低端——这些模型预测每秒产生的氧大约在5-1100公斤。

作者认为，他们的结果表明木卫二表面的氧可能低于此前预期，这意味着支持木卫二海洋宜居性的范围较窄。

地球科学 | 旧南极冰芯或带来过去二氧化碳含量的新信息

Reconciling ice core CO₂ and land-use change following New World-Old World contact

Nature Communications

《自然-通讯》发表的一篇论文指出，人类活动的变化或导致16世纪大气二氧化碳含量下降，原因是公元1450-1700年新旧大陆交流期间美洲大规模土地利用的变化。研究结果基于一个南极冰芯的数据，该冰芯可追溯至约500年前。

已知工业化会导致人类活动改变大气二氧化碳含量，但这种情况可能也存在于工业化前。这方面的一个例子是旧大陆（这里指欧洲）和新大陆（美洲）在16世纪产生交流后，大流行暴发导致人口减少。这或许导致了大规模土地荒废，让植被得以重新生长，大气中的碳被再吸收，以及大气二氧化碳含量的下降。过去2000年里的二氧化碳冰芯记录揭示了人为导致的大气二氧化碳含量空前增加的背景信息。但是，大气二氧化碳的历史变化在某些时期并不明确，比如公元1600年左右。

英国南极调查局的Amy King和同事测量了Skytrain冰芯的二氧化碳含量，该冰芯的钻取时间为2018-2019年，地点为西南极冰盖边缘，深度达104米，可追溯至公元1454-1688年。他们发现，二氧化碳含量在公元1516-1670年以每十年0.5 ppm的速度逐渐减少，并推断土地碳汇为每十年2.6 PgC（petagrams of carbon千兆克碳）。作者认为，这种逐步减少的趋势与16世纪新旧大陆交流后美洲因土地利用改变导致的二氧化碳含量下降的模拟趋势一致。

作者指出，冰芯记录能为工业化前人类如何影响大气组成提供背景信息。

动物行为 | 蜂群思维帮助蜜蜂解决复杂谜题

Bumblebees socially learn behaviour too complex to innovate alone

Nature

一篇《自然》论文认为，熊蜂能教会彼此极为复杂、无法独自学会的新行为。在这项研究中，用糖作为奖励教会一只蜜蜂解决谜题，它会继续训练其他蜜蜂完成这一任务。这些发现提供了证据表明蜜蜂可以社会化学习一些具备一定复杂度的行为，这种能力此前被认为是人类独有的。

社会化习得并长期存在的行为被称为文化。越来越多的证据表明，和人类文化一样，动物文化也可以累积，此过程中后续行为建立在此前行为的基础上。人类累积文化的过程包含着极为复杂、任何个体在一生中都无法独立发现的行为。然而这类行为尚未在非脊椎动物物种中得到展现。

熊蜂是社会性昆虫，已知它们能够通过社会化学习习得非自然行为——例如拉绳或滚球等，以获取奖励。英国谢菲尔德大学的Alice Bridges、Lars Chittka和同事设置了一个谜题盒任务，研究熊蜂是否能从蜂群中其他成员处学会更复杂的行为。他们设计了一个两步的谜题盒，其中熊蜂需要先移除一个障碍物，让旋盖开启，露出蔗糖溶液奖赏。未经训练的熊蜂无法通过反复试验独立解决谜题。实际上，训练示范蜂完成任务大约需要两天，通常需要在第一步就给出奖励。但未经训练的蜜蜂不需要在第一步后获得奖励，就从示范蜂那里学会了打开两步谜题盒。

这些发现提供证据表明，熊蜂能够进行社会化学习，可能有能力传承文化。

植物科学 | 追溯可可驯化的传播

A revisited history of cacao domestication in pre-Columbian times revealed by archaeogenomic approaches

Scientific Reports

可可树（Theobroma cacao）的豆子（cocoa）可用于制作巧克力、酒和可可脂，而《科学报告》发表的一篇论文显示，可可树或至少在5000年前就通过贸易路线从亚马孙盆地传播到了中南美洲的其他地区。这一发现基于对古代容器的残留物分析，揭示了不同可可树品种如何繁育，提示可可制品在古代中南美洲文化中的使用比之前认为的更普遍。

现代可可树学名的含义为“众神的食物”，是全球最重要的作物之一。已知一共有11个遗传种群，包括广泛使用的克里奥罗（Criollo）种和特立尼达（Trinitario）种。虽然公认可可树最早在亚马孙盆地上游驯化，但一直不清楚它在其他文化中的使用是如何在整个中南美洲传播。

法国AGAP研究所的Claire Lanaud和同事分析了时间跨度在约5900年前至400年前的19种前哥伦布文化的352个陶器的残留物，地区覆盖了厄瓜多尔、哥伦比亚、秘鲁、墨西哥、伯利兹和巴拿马。作者通过确定是否能检测到古代可可DNA和现代可可树品种中存在的三种甲基黄嘌呤（温和的兴奋剂）成分——可可碱、茶碱、咖啡碱——来判断古代可可树残留物的存在。作者还利用76个现代可可树样本的遗传信息确定了这些陶器中发现的古代可可的祖先，或能揭示古代品种如何实现多样性和传播。

结果显示，在至少5000年前，可可在亚马孙盆地驯化后就开始沿太平洋海岸大量培育，古代品种的高度多样性提示遗传上有差异的品种被放在一起培育。作者指出，在厄瓜多尔瓦尔迪维亚沿海地区发现了起源于秘鲁亚马孙的可可基因型，说明这些文化长久以来一直有交流。秘鲁品种还在从哥伦比亚加勒比海岸出土的文物中检测到。作者认为，综上结果表明，可可品种在不同国家广泛扩散，在被不同文化的使用过程中被交叉培育以适应新的环境。

他们总结道，对可可遗传史和多样性的进一步理解或帮助现代可可品种抵御各种威胁，如疾病和气候变化。

生物科技 | 一步到位沉默一个小鼠胆固醇基因

Durable and efficient gene silencing in vivo by hit-and-run epigenome editing

Nature

《自然》发表的一项小鼠研究展示了无需永久性基因组编辑，也可对一个控制胆固醇水平的基因做到长效抑制。这一靶向表观遗传沉默（不用直接改变DNA序列就可改变基因功能）的效果在小鼠中持续近1年，令循环胆固醇水平下降。研究结果展示了表观遗传沉默治疗疾病的潜力。

改变疾病相关基因的表达有望治疗人类疾病。基因组编辑方法已经取得了一些成功，但有人担心破坏DNA引入序列变化可能会导致不需要的变异或意料之外的脱靶活性。表观遗传编辑是一个有吸引力的替代方案，它改变修饰DNA的化学组却不改变基因序列，但持续沉默目标基因仍难以实现。

意大利IRCCS圣拉斐尔科学研究所的Angelo Lombardo和同事描述了一种方法以沉默小鼠Pcsk9基因，这个基因会产生一个蛋白质，能促进一种称为低密度脂蛋白的胆固醇的蛋白受体降解。他们筛选了能识别目标基因的不同DNA结合平台，发现锌指蛋白效果最好。然后他们使用脂质纳米粒子递送表观遗传编辑装置到小鼠的血流，脂质纳米粒子进而循环到肝脏。一次注射表观遗传修改器能实现有效、持续沉默小鼠的Pcsk9基因，几乎减半了循环PCSK9蛋白水平长达330天（实验结束时）。进一步改进他们的方法可降低PCSK9水平至传统基因编辑的水平（高达75%）。

作者指出这些发现是一种概念验证，还需要更多研究。他们认为经过进一步评估，这一平台或可为开发使用表观遗传沉默的疗法建立基础。

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