近日，复旦大学、中国科学院相继在Nature上发表研究论文。

理论1和数值模拟2表明，热带气旋(tropical cyclones, TCSs)将随着海洋温度的上升而增强。尽管模型对预测的热带气旋强度达成了广泛的一致意见，但在除北大西洋以外的所有海洋盆地，观测到的热带气旋强度趋势仍然不确定北大西洋的飞机侦察数据大大减少了不确定性。传统的基于卫星的估计还不够准确，无法确定受暴雨、云层、海浪和浪花污染的TCS强度的趋势。

2022年11月16日，复旦大学王桂华团队在Nature在线发表题为「Ocean currents show global intensification of weak tropical cyclones」的研究论文,该研究发现在1991-2020年期间，基于来自表面漂移体的大量高度精确的洋流数据显示所有海洋盆地的弱TCSs(即热带风暴到基于萨费尔-辛普森尺度的1类TCSs)都增强。

这些漂移器将「holy sock」锥筒埋在15米深，以减少海气界面过程引起的偏差，从而精确测量近表面流，即使是在最具破坏性的塔下。全球海流速度呈~4.0 cm s−1 / 10年的强劲上升趋势，与TCS强度呈1.8 m s−1 / 10年的正趋势相对应。进一步分析表明，全球TCSs在整个强度分布上都有所加强。鉴于最先进的气候模型未能完全复制这些趋势，这些结果作为历史基线，对评估模型物理、模拟和预测至关重要。

除了对经济和社会的巨大破坏性影响外，TCSs在大气-海洋系统中发挥着重要作用。TCSs强度通常用10米高度的1分钟、2分钟或10分钟最大持续地面风速来定义。然而，这个参数不仅是出了名的难以预测，而且从观察结果中精确估计也极其困难。Dvorak技术是一种广泛用于从卫星图像估算TCSs强度的经验方法。在实际应用中，该技术首先从云模式和红外云顶温度估计最终T数(final T number, FT)，然后根据若干规则从FT中获得电流强度数(current intensity number, CI)，最后使用标准表将CI转换为最大持续风(maximum sustained wind, MSW)。由于FT估计的主观性、CI赋值和使用中的转换表的差异，即使基于相同的信息，不同机构对强度的估计也可能相差很大，特别是对于小于90 kt和大于125 kt的1分钟最大风速。因此，使用这种主观技术获得的「最佳轨迹」数据集中的TCSs强度对趋势分析具有很大的不确定性。

根据Batts的台风风场模型，通过漂流器的海流测量得出的弱热带风暴的风 | 图源：Nature

从海洋动力学中可以看出，TCSs与洋流之间存在着密切的关系，并得到了各种观测的证实，这些观测包括声学多普勒洋流剖面仪、机载消耗性洋流剖面仪、系泊和漂流浮标、电磁自主剖面探测浮标和表面漂浮物。虽然风速计在海气边界不明确的情况下无法发挥作用，但表面漂移器配备了标称15米流的锥管，不会受到海气界面过程(例如风和破浪)的强烈影响。从热带风暴到5类气旋的近地表电流响应已经提供了有力的证据。这表明考虑到表面漂浮者对大量直接近表面海流的测量，洋流观测可以提供对TCSs强度的替代估计。

与弱TCSs(定义为测量时最大持续风速在17 - 42米秒- 1之间的1分钟)相关的漂移记录超过85,000个，而强TCSs的漂移记录(5800个)要少得多。重要的是要确保有足够的漂移观测量来合成不同时间段的TCSs风场，从而分析TCSs强度的变化趋势。

弱热带风暴下的漂流器数据量统计和平均近地面洋流场 | 图源：Nature

在这项研究中，通过采用每变量十个事件的方法(EPV)作为样本量考虑的最小准则，研究人员确认此时在全局上，漂移记录足以合成弱TCSs的风场，但不足以合成强TCSs的风场。尽管弱TCSs占所有TCSs的70%，但用德沃夏克技术准确估计其强度要困难得多。在1991-2020年的每5年期间，研究人员将复合TCSs风与基于Batts台风风场模型的理论TCS风进行了比较，发现两者之间的差异很小(即小于0.5 m s−1)。具体来说，尽管前5年的漂移记录数量很少(7165条，其中约23%发生在最近5年)，但复合TCS风场仍然与理论TCS风场非常相似。这证明了所提出的方法在构建TCS风场和利用漂移电流测量估算TCS强度趋势方面的有效性和准确性。

弱热带风暴下漂流器测量的洋流速度在r7Rmax范围内的演变 | 图源：Nature

该研究通过漂流观测和基于卫星的TCSs诱导的海面冷却表明，弱TCs在近几十年增强了。这与从传统最佳轨迹数据集推断出的变化不同，传统最佳轨迹数据集只显示了强TCs的增强。弱TCs强度的增加与TCs发展的大尺度大气环境中观测到的趋势一致，特别是热力场(即势强和对流层中部相对湿度)。上层海洋热分层变化的贡献相当有限。最先进的气候模型没有模拟到观测到的弱TCs的增强，这对目前的模型物理和预测提出了挑战。由于绝大多数TCS都属于弱类别，研究人员发现弱TCS的增强有助于模型改进和TCS预测。

1991-2020年期间大尺度大气环境和上层海洋热力状况的线性趋势 | 图源：Nature

最重要的是，研究人员提出了另一种精确的方法来估计遥远海洋的TCS强度。在这一阶段，现有的漂移器数据将我们对全球TCS强度的检测限制在17-42米每秒的风速范围内，但TCS强度PDF的变化似乎意味着全球向更高强度的总体转移。在NWP(唯一拥有足够漂移数据的盆地)上，强TCs的洋流速度显示出每年约0.6 cm s−1的上升趋势。

弱TCs诱导的海面降温 | 图源：Nature

总的来说，这项研究表明随着时间的推移，越来越多的漂移数据积累，该研究使用方法有潜力揭示TCS强度的全谱变化。观察和识别TCS强度的这种光谱变化非常重要，无论是就其本身而言，还是对测试高分辨率模型而言。

11月17日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究团队与上海师范大学王文琴研究团队合作，在《自然》（Nature）上，发表了题为「THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize」的研究论文。科研人员经过坚持不懈的努力，在野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因Teosinte High Protein 9 (THP9)。

玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域，名为大刍草。它像杂草一样生长，种子外面包裹着坚硬的壳，无法直接食用。人类祖先早在9000年以前开始驯化玉米，逐步把杂草一样的野生玉米大刍草改造成了今天的玉米。如今，玉米已成为世界上最高产的农作物之一。玉米产量高，有效能量多，是最常用且用量最大的饲料之一，故有「饲料之王」的美称。随着人们生活质量提高，肉蛋奶需求增加，玉米的消费量日益增加，致使近年来玉米进口量不断提升。提高玉米蛋白含量是保障国家粮食安全的重大战略需求，也是保障我国畜禽养殖业和饲料加工业健康发展的重要途径之一。然而，野生玉米高蛋白形成的机理是长期以来悬而未决的难题，同时，控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因尚未找到。

科研团队于2012年进行玉米高蛋白供体材料的寻找、蛋白含量测定、遗传分析以及群体构建。实验发现，普通玉米自交系蛋白含量约为10%，而玉米祖先野生玉米在未施加氮肥条件下种子蛋白含量达30%，其含量是现代普通栽培玉米的3倍，表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。这些基因是什么，它们在野生和现代玉米中到底发生了什么改变？它们能否被挖掘用于提高现代玉米的蛋白含量？不同玉米自交系遗传变异大于人类与黑猩猩之间的差异，而9000年前的野生玉米与现代玉米的差异就更大了。

野生玉米THP9提高玉米蛋白含量和氮素高效利用效率 | 图源：中国科学院

为了充分利用野生玉米的基因资源，挖掘控制野生玉米高蛋白的优良变异基因，研究团队破解了高度复杂的野生玉米基因组。研究采用三代测序技术和三维基因组相结合的策略，摸索并拼装出既杂合又复杂的野生玉米单倍体基因组（Zea mays ssp. parviglumis, accession number Ames21814），用于野生玉米高蛋白基因的定位和克隆。科研人员经过艰苦攻关，连续创制了超过10代的遗传材料，构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体。在这一过程中，研究提取了超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定，测定了超过2万个样本的蛋白含量进行表型分析，并分别在回交群体的第4代BC4（n=500）、第6代BC6（n=1314）以及第8代BC8（n=1344）进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序以及精细的图位克隆，最终在野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。该基因编码天冬酰胺合成酶4 (ASN4)，ASN是氮代谢的中心，负责合成天冬酰胺。天冬酰胺在氮循环中具有核心作用，并在氨基基团的分子间转移反应中充当氮供体。因此，植物中的天冬酰胺水平与种子蛋白质含量密切相关。研究发现，野生玉米优良基因Thp9-T显著高表达，而B73和一些玉米自交系中含有Thp9的突变形式Thp9-B，导致ASN4的表达量较低。野生玉米优良基因Thp9-T导入玉米自交系B73后，使种子蛋白质含量增加约35%，根中氮含量增加约54%，茎中氮含量增加约94%，叶片中氮含量增加约18%，且生物量即植株整体重量增加。

此外，研究团队在三亚南繁基地开展了大规模田间试验，将野生玉米高蛋白基因Thp9-T杂交导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中，可显著提高杂交种籽粒蛋白含量，表明该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能；同时，在减少氮肥施用条件下，可有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒中氮含量水平，这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义。

THP9-T与BC7F3群体中高天冬酰胺和高蛋白含量的联系以及NILTeo和NILB73的表型比较 | 图源：Nature

本研究在野生玉米中发现一个控制高蛋白玉米形成的关键优异变异基因Thp9-T，其可以提高玉米中氮的同化效率从而有利于产生更多的蛋白质。研究表明，将Thp9-T导入现代玉米品种，提高了氨基酸水平，尤其是天冬酰胺，且在不影响粒重的情况下增加了种子蛋白质含量。同时，在大田试验中，本研究也验证了Thp9-T在高蛋白育种改良过程中具有重要作用，显著提高玉米栽培品种郑单958的籽粒蛋白含量，并在低氮条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，这为今后该基因的进一步推广应用奠定了坚实基础。

由于化肥的过度使用，野生玉米优良基因Thp9-T在长期的育种过程中未受到选择压力。本研究不仅成功克隆了野生玉米变异基因Thp9-T，利于现代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遗传改良，而且对未来减少化肥施用和保护生态环境具有重要指导意义，并为构建和实施新形势下的国家粮食安全战略，确保国家粮食安全和重要农产品有效供给，促进农业可持续发展提供新的解决方案。

研究工作得到中科院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、上海「超级博士后」激励计划的支持。齐鲁师范学院、山东农业大学、深圳农业基因组研究所、美国亚利桑那大学的科研人员参与研究。

论文链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05326-4

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05441-2

--iNature、中国科学院