王丹丹,唐雨婷,馬月輝,王立剛,潘登科,蔣琳
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用ZBED6基因敲除豬研究心臟發育的分子機制
王丹丹,唐雨婷,馬月輝,王立剛,潘登科,蔣琳
(中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所,北京 100193)
【】ZBED6基因是一個調控肌肉生長發育的轉錄因子,為了探討 ZBED6 在心肌生長發育中的調控機制,利用RNA Sequencing(RNA-Seq)技術比較ZBED6基因敲除巴馬小型豬(ZBED6-KO)和同日齡正常巴馬小型豬(ZBED6-WT)的心臟組織轉錄組,挖掘ZBED6基因的敲除對家豬心臟組織發育及基因表達的影響。【】利用t-test對ZBED6-KO豬和ZBED6-WT豬心臟組織大小的表型特征進行顯著性分析,利用實時熒光定量PCR對ZBED6基因的靶基因IGF2的表達量進行定量。通過制作石蠟組織切片對心肌進行組織學分析,比較其組織結構的差異。提取ZBED6-KO豬和ZBED6-WT豬心臟組織的總RNA,以Illumina Hiseq 2000平臺進行RNA-Seq分析。以豬Sus_scrofa10.2為參考序列,用轉錄組的標準流程篩選ZBED6-KO豬和ZBED6-WT豬心臟組織中的差異表達基因,對差異基因進行GO和IPA富集分析。隨機選擇9個差異表達基因,利用實時熒光定量PCR驗證RNA-Seq結果的可靠性。【】ZBED6-KO豬心臟重以及IGF2表達量均顯著高于ZBED6-WT豬(<0.05),與ZBED6-WT豬相比,ZBED6-KO豬肌纖維的寬度較寬,結締組織較少,ZBED6基因的敲除對家豬心臟的生長發育有一定的促進作用;測序結果顯示,各樣本獲得至少10 G的數據量,每個樣本clean ratio、Q30 data均達到90%以上,其中62.8%-80.1%的reads能比對到豬的基因組上,表明測序飽和度良好,測序數據真實可靠;對測序數據進行分析,篩選到 184個差異基因,其中上調的基因114個,下調的基因70個,注釋的141個,未注釋的43個;差異基因層次聚類分析顯示,ZBED6-KO組(x1、x3、x6)的3個個體表達模式相似,ZBED6-WT組(x2、x4、x5)的3個個體表達模式相似;GO和IPA富集分析得到13個顯著的GO條目,33條顯著的pathway通路,差異基因主要富集在免疫反應、肌肉發育和RhoA信號等相關的通路;qRT-PCR 檢測9個差異表達基因的表達模式與RNA-Seq分析結果一致,證實了RNA-Seq結果的可靠性。【】首次以ZBED6-KO巴馬小型豬為模型,利用RNA-Seq技術探究了ZBED6敲除對心臟發育和功能的影響,豐富了ZBED6 對心臟發育和功能的研究。
ZBED6;基因敲除;RNA-Seq;心肌發育;差異表達基因
【研究意義】豬肉是人類攝取蛋白質的第一來源,尤其對于中國而言,更是在國民經濟中有著至關重要的地位。但是中國對家豬育種改良起步比較晚,在此方面比較落后。巴馬小型豬是地方選育出來的小型豬品系,其心臟等各臟器結構與人極為相似,因此作為重要的大動物模型被應用于生命科學研究,并且得到了較好的開發利用[1]。ZBED6是新近發現的一個能夠調控IGF2表達和肌肉生長的轉錄因子,其調節肌肉生長發育等功能引起了廣泛關注[2-3]。ZBED6已經被證明是包括人類在內的胎盤類哺乳動物的進化物,并且與發育類疾病相關[3-4]。本試驗以ZBED6基因敲除巴馬小型豬為試驗載體,從體內水平研究轉錄因子ZBED6在心肌中的功能,進一步解析該轉錄因子調控肌肉生長發育等重要生物學功能的分子機理,從而為研究相關疾病提供理論基礎,同時為瘦肉型家豬的育種改良做出貢獻。【前人研究進展】在家豬中,IGF2基因的內含子3檢測到一個突變位點G→A,該突變導致骨骼肌中IGF2的表達量上調3倍,IGF2的上調對肌肉生長、心臟大小以及脂肪沉淀有重要的影響[3, 5]。ZBED6在不同物種的細胞和成體水平都有一定的研究,細胞水平研究顯示,ZBED6能抑制小鼠和牛肌原細胞中IGF2的表達水平,抑制肌管的形成,最終導致肌肉細胞的生長發育受阻[2, 6-11];成體水平上的研究顯示,ZBED6基因的遺傳變異與綿羊的眼肌面積、尾脂重、背部肌肉厚、背最長肌重等主要胴體性狀顯著相關[12]。【本研究切入點】目前ZBED6基因在家豬方面的研究比較缺乏,ZBED6基因影響家豬心肌發育的分子機制,目前尚未有相關報道。【擬解決的關鍵問題】本試驗以ZBED6基因敲除巴馬小型豬為載體,對ZBED6-KO豬和ZBED6-WT豬的心臟組織進行表型特征鑒定、組織學分析以及轉錄組水平分析,以期揭示ZBED6在心臟發育中的調控機制,為進一步揭示ZBED6的分子調控機制提供更多依據。
試驗于2016—2017 年在中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所畜禽遺傳資源創新實驗室完成。
本試驗中的ZBED6基因敲除(ZBED6-KO)巴馬小型豬和同日齡正常巴馬小型豬(ZBED6-WT)來自于中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所大興豬場實驗基地,ZBED6基因的敲除由中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所潘登科課題組利用CRISPR/Cas9技術完成。
對3頭ZBED6-KO豬(x1、x3、x6)和3頭ZBED6-WT豬(x2、x4、x5)進行屠宰,稱取心臟重量,同時采集心臟組織樣品,一份置于RNA-later中,用于RNA的提取;一份于4%多聚甲醛中固定,用于組織切片的制作。
1.3.1 心臟組織總RNA提取與反轉錄 使用Qiagen公司的組織RNA提取試劑盒進行心臟組織RNA的提取,操作步驟參照該試劑盒使用說明書。將每個樣品的1 μg RNA采用TaKaRa公司的RT-PCR kit試劑盒(TaKaRa,大連,中國)進行反轉得到cDNA。
1.3.2 定量引物的設計及合成 下載NCBI網站上IGF2基因mRNA序列,同時選用GAPDH作為內參基因,利用軟件primer 5.0設計引物(表1)。引物由上海生工生物工程股份有限公司合成。
1.3.3 qRT-PCR 用SYBR Green Master Mix(TaKaRa,大連,中國)試劑,cDNA作為模板,利用ABI7500 實時熒光定量儀(Applied Biosystems, Forest City, CA, SA)對cDNA進行基因表達分析,每個樣品設置三個生物學重復,每個基因(包括內參)的3個Ct值的平均值作為該基因的平均Ct值;差異表達基因的qRT-PCR表達量計算采用2-ΔΔct方法。
將心肌組織切割成大小約1 cm3小組織塊,置于4%多聚甲醛溶液中固定24 h,然后進行修塊、脫水、石蠟包埋,將石蠟包埋組織作4 μm厚的連續切片,H.E染色,中性樹膠封片,切片鏡檢拍照[13]。
1.5.1 總RNA提取 RNA提取方法同1.3.1,通過Agilent 2100 bioanalyzer檢測RNA的濃度和RIN值,濃度>100 ng·μl-1,總量≥2.0 μg,且RIN值>8.0,則可用于后續轉錄組分析。
1.5.2 RNA-seq建庫及測序 根據Illumina TruSeq RNA樣品制備試劑盒操作說明書[14]進行RNA-seq測序所需的cDNA文庫的構建。
嚴格按照TruSeq PE Cluster Kit v3-cBot-HS試劑盒說明,使用cBot Cluster Generation系統對含有索引接頭的樣品進行聚類。形成cluster之后在Illumina Hiseq 2500測序平臺分別對上述樣品進行讀長為125bp的雙末端測序。
1.5.3 轉錄組測序原始數據的質控 原始數據質控:使用NGSQC Toolkit v2.3.3軟件對原始reads進行過濾,去除接頭序列,reads末端的低質量堿基(Phred質量值<20),以及過濾后長度小于25 bp的reads。
1.5.4 測序reads的比對與拼接 reads比對與拼接:從Ensemble數據庫下載豬參考基因組以及基因組注釋文件。用TopHat v2.0.11軟件[15]將質控后的clean data比對到參考基因組上。然后用Cufflink軟件[16]進行轉錄本的組裝。用Cuffmerge將所有樣本的轉錄本及參考基因組組裝成新的注釋文件,用于后續分析。

表1 本研究采用的 qRT-PCR 鑒定引物
1.5.5 差異表達基因的篩選及層次聚類分析 用Cufflink軟件的Cuffdiff包對ZBED6-KO豬和對ZBED6-WT豬心臟組織進行差異基因分析。用FDR法進行多重校正,篩選同時滿足FDR<0.05和Fold change>2的基因作為顯著表達基因。
利用R包中的聚類分析程序對ZBED6-KO豬和ZBED6-WT豬心臟組織差異表達的基因進行層次聚類分析[17]。
1.5.6 差異表達基因的GO和IPA富集分析 采用g:Profiler在線分析軟件進行差異表達基因GO富集分析[18],按照富集倍數(Fold-enrichment)從小到大的原則,使用<0.05作為顯著富集基因的閾值;將差異表達基因導入IPA軟件,通過“Core Analysis”和“Enrichment Analysis”獲得pathway通路,根據-ln (-value)值的大小進行排序,使用-ln(-value)>1.30(<0.05)作為顯著富集基因的閾值。
隨機選取9個差異表達基因采用qRT-PCR方法,檢驗RNA-seq結果的準確性。方法同1.3。
統計分析結果如圖1所示,ZBED6-KO豬的心臟重高于ZBED6-WT豬,且差異顯著(<0.05),由此可知ZBED6基因的敲除對家豬心臟的生長發育有一定的促進作用。
IGF2在ZBED6-KO豬和ZBED6-WT豬心臟組織中的相對表達量結果如圖2所示,ZBED6-KO組IGF2的表達量高于ZBED6-WT組,且差異顯著(<0.05)。

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心臟組織的H.E染色(圖3)結果表明,與ZBED6- WT豬相比,ZBED6-KO豬的肌纖維較寬,結締組織較少,說明ZBED6的敲除在一定程度上促進家豬心肌的發育。

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各樣本的測序所得原始數據組成如表2所示。每個樣本測序獲得至少10 G的數據量,各樣本clean ratio和Q30 data都在90%以上。測序數據符合后續生物信息分析要求。
通過Tophat比對,mapping結果如表3,62.8%—80.1%的reads能比對到豬的基因組上,可以進行下一步分析。

表2 轉錄組測序數據質量檢測分析

圖3 心肌切片(H.E染色 100×)

表3 轉錄組測序基因組比對分析
本研究共鑒定到25 213個基因,以FDR<0.05,Fold Change>2的標準進行篩選,得到184個差異基因,篩選結果如圖4所示,其中上調的基因114個,下調的基因70個,注釋的(已知)141個,未注釋的(未知)43個。
利用ZBED6-KO豬和ZBED6-WT豬心臟組織之間的差異基因進行聚類分析。結果如圖5所示:x4和x5首先聚在一起,然后和x2再聚在一起,x1和x3首先聚在一起,然后和x6再聚在一起。這表明ZBED6-KO組(x1、x3、x6)的3個個體表達模式更相似,ZBED6-WT組(x2、x4、x5)的3個個體表達模式更相似,證明實驗樣品和RNA-seq數據都是可靠的。
對獲得的差異表達基因進行功能注釋和通路富集分析,共富集到13個顯著的GO條目,33條顯著的pathway通路。GO term中篩選到了肌肉發育相關和免疫反應相關等生物學進程(表4)。根據IPA分析篩選到RhoA信號、Cdc42信號、肝纖維化、上皮連接信號、肌動蛋白細胞骨架的信號等相關的pathway通路(表5)。

圖4 差異表達基因數統計

圖5 184個差異表達基因的聚類結果

表4 差異基因富集的前10個GO分類
為了驗證RNA-seq測序得到數據的準確性,隨機選取IFIT3、MX1、ISG12(A)、P2RY1、TNNT1、MYL7、XAF1、CEL、ATP1A2共9個基因進行qRT-PCR驗證,以GAPDH作為內參基因,結果如圖6所示。RNA-seq測序得到的各樣品基因表達的FPKM值是由Reads比對數統計得來,qRT-PCR得到基因表達量是目的基因相對內參基因的相對表達量,這兩種結果無法直接比較,且無法計算兩種方法得到的表達量相關性。但ZBED6-KO組和ZBED6-WT組之間的差異倍數是具有可比性的,本研究將RNA-seq得到的FPKM值進行校正,即log2(fold_change)。因此根據兩種方法得到的差異表達倍數來計算RNA-seq和qRT-PCR之間的相關性,判斷兩種方法的結果是否一致,結果如圖6所示,qRT-PCR得到的9個基因的表達模式與RNA-seq得到的結果一致,進一步證實了RNA-seq測序的準確性。

表5 差異基因IPA富集前14條代謝信號通路

qRT-PCR 中的誤差線表示平均值的標準差(n=3)
ZBED6作為新的轉錄因子,自2009年被首次發現后,該基因就獲得了高度關注[2, 3]。在小鼠、肉牛、綿羊等不同物種上對ZBED6的轉錄調控機制以及功能進行了不同程度的研究[2, 6-11],但在豬上的研究仍是空白,ZBED6影響心肌生長發育的分子機制也不是很清楚;近年來隨著高通量測序和基因編輯技術CRISPR/ Cas9的發展及成熟,使得以轉基因豬為模型研究ZBED6的分子功能成為可能[19-21]。
前人研究顯示ZBED6基因能夠抑制IGF2的表達,IGF2表達量的上調對心肌大小有重要的影響[3]。本研究利用qRT-PCR分析IGF2在心臟組織中的相對表達量,結果顯示,ZBED6-KO組IGF2的表達量顯著高于ZBED6-WT組,與小鼠、肉牛中的結果一致[2, 6-11, 22];表型特征鑒定結果顯示ZBED6-KO豬的心臟比ZBED6-WT豬重,組織學分析結果顯示ZBED6的敲除使家豬心肌肌纖維變粗,結締組織減少,都說明了ZBED6的敲除在一定程度能夠促進家豬心臟的生長發育。通過 RNA-seq 測序,在ZBED6-KO豬和ZBED6-WT豬心臟組織中得到184個差異表達基因,這些基因主要參與了肌肉系統進程、肌動蛋白細胞骨架、RhoA 通路及免疫反應等與肌肉發育相關的生物學過程和通路。
在肌肉發育相關途徑中的上調基因主要有:CSRP3、LMCD1、ATP1A2、TNNT1,下調基因主要有:NPPA、P2RY1、HMCN2、KCNA5、PTGER3、MYL4、MYL7,說明ZBED6基因可能通過影響上述基因及其所在的通路調控心臟組織的發育和功能。
CSRP3是一個與心肌生長發育密切相關的基因,編碼CRP3蛋白,表達與橫紋肌及與肌源性分化相關組織,因此在心肌和骨骼肌組織中特異性表達[23-25]。CSRP3的表達與肌分化過程一致,是一個肌發生的正調節因子[23-25],并且其表達與肌分化過程一致,是一個肌發生的正調節因子[24]。細胞質CRP3 作為支架蛋白,與α肌動蛋白[26]、β-血影蛋白表達(t-cap)[23]及肌原纖維(Z-線)[27]相互作用,具備肌肉發育監管的結構特性。研究顯示,CSRP3 缺陷小鼠顯示擴張型心肌病(DCM)特征性癥狀的心衰[24]、增生性心肌炎及心臟功能紊亂的臨床特征[24, 28]。本試驗中CSRP3在ZBED6-KO豬心臟組織中的表達量是ZBED6-WT豬的1.96倍,推測ZBED6基因的敲除使家豬心臟組織中CSRP3 基因表達量明顯升高,促進肌纖維和心肌的發育。
NPPA在肌肉系統進程及免疫反應等多個生物學過程和通路都有富集到,該基因在人上稱為心房鈉尿肽(ANP),在心臟中表達量最高,目前已經有研究顯示,ANP在拮抗心臟肥大、減弱心肌收縮、利鈉和利尿、血管舒張和重塑、脂類代謝等方面有重要作用[29-30]。ANP通過拮抗心臟成纖維細胞轉化生長因子-H(TGF-h),進而抑制心肌纖維化和肥大。ANP通過與心肌細胞和血管平滑肌細胞膜上的相應受體結合,引起細胞內環一磷酸鳥苷(cGMP)水平上調,抑制外源性Ca2+內流和肌漿網Ca2+釋放,使細胞內Ca2+減少導致血管擴張和減弱心肌收縮[31]。NPPA在ZBED6-WT豬心臟組織中表達量是ZBED6-KO豬的8.56倍,推測ZBED6基因的敲除導致家豬NPPA表達量明顯降低,從而促進心臟組織心肌的發育及收縮。
RhoA作為信號分子開關調節一系列生物學功能,具有調控細胞骨架重排、誘導心肌肥厚、心肌細胞分化和血管平滑肌肥大等功能[32-33],其中MYL7、MYL4、CDC42EP2是RhoA通路中的關鍵基因。MYL7、MYL4都屬于肌球蛋白(心肌收縮蛋白),在心臟發育和收縮功能中起著至關重要的作用,促進心肌細胞增殖分化[34]。Cdc42 是一個由CDC42EP2基因編碼,與腎素相關的小G蛋白,在心臟、肝臟、腫瘤組織、胰腺中均有表達,Cdc42主要促進細胞的生長發育和增殖,通過控制肌動蛋白的骨架重組來調節細胞骨架[35-36]。在小鼠中發現,將其神經脊細胞Cdc42 特異性敲除時,可以引起細胞骨架的重構受阻,而且細胞的遷移也變得緩慢[37];在Cdc42 敲除小鼠中發現Cdc42 對肌動蛋白絲狀偽足的形成以及遷移功能具有重要的調節作用,Cdc4在 AngiotensinⅡ誘導的心肌肥大模型中有促肥大的作用[38-39]。本試驗中MYL7和MYL4在ZBED6-KO豬心臟組織中的表達量均顯著低于ZBED6-WT豬,與前人研究以及ZBED6-KO豬心臟重高于ZBED6-WT豬的表型鑒定結果不一致;CDC42EP2在ZBED6-KO豬心臟組織中的表達量是ZBED6-WT豬的2.16倍,推測ZBED6基因的敲除導致家豬CDC42EP2表達量明顯上調,CDC42EP2通過編碼Cdc42 蛋白,從而促進家豬心臟的生長發育,與前人研究結果一致;MYL7、MYL4、CDC42EP2基因表達量的變化說明ZBED6基因敲除對心臟發育和功能的影響較為復雜,其調控機制需進一步研究。
差異基因富集分析顯示,ZBED6基因敲除后影響了家豬免疫反應相關的生物學進程,富集到的主要基因有MYH6、OAS1和OAS2。2-5'寡腺苷合成酶OAS是細胞內的抗病毒蛋白,在哺乳動物先天性免疫系統中有重要作用[40-41]。研究顯示,豬源OAS1和OAS2蛋白能抑制腦炎病毒在細胞中的增殖活性,而且能有效抑制子代病毒感染細胞,抑制子代病毒的增殖,降低子代病毒的數量,具有顯著抑制病毒感染細胞的生物學特性[41-42]。本試驗中OAS1、OAS2在ZBED6-KO豬心臟組織中的表達量分別是ZBED6-WT豬的2.21倍、2.29倍,推測ZBED6基因的敲除導致家豬OAS1、OAS2表達量上調,能夠增強家豬抗病毒的能力。
按照功能將組成心臟的蛋白分為收縮蛋白和調節蛋白,其中肌球蛋白和肌動蛋白屬于收縮蛋白,原肌球蛋白和肌鈣蛋白屬于調節蛋白[43]。MYH6是肌球蛋白重鏈,對心肌肥厚和心肌病有著重大影響[44]。有研究表明,在肥厚性心肌病和擴張性心肌病人體中MYH6的表達量下調1.74和2.88倍[44];本試驗中,MYH6在ZBED6-KO豬心臟組織中的表達量均低于ZBED6-WT豬,這可能是導致ZBED6-KO豬心臟重量高于ZBED6-WT豬的重要原因。
與ZBED6-WT豬相比,敲除ZBED6基因顯著提高了家豬心臟重量,引發心臟組織發育的關鍵基因IGF2的表達量顯著升高,心肌肌纖維變粗,結締組織減少。RNA-Seq結果顯示ZBED6基因敲除巴馬小型豬和正常巴馬小型豬共篩選到184個差異表達基因,其中上調基因114個,下調基因70個;差異表達基因的GO分析和IPA富集分析顯示肌肉發育、免疫反應、RhoA信號和肌動蛋白細胞骨架的信號等相關的通路被顯著富集到。因此,ZBED6基因可能通過上述生物學過程和通路影響了心臟組織的發育和功能。
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(責任編輯 林鑒非)
Studying the Molecular Mechanism of Heart Development by Using ZBED6 Gene Knockout Pig
WANG DanDan, TANG YuTing, MA YueHui, WANG LiGang, PAN DengKe, JIANG Lin
(Beijing Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193)
【】The ZBED6 gene is a transcription factor that regulates muscle growth and development. In order to investigate the regulatory mechanism of ZBED6 in myocardium growth and development, this study was designed to compare the transcriptome of cardiac tissue obtained from Bama miniature pig between the ZBED6 knockout group (ZBED6-KO) and the wild type group (ZBED6-WT) and to find out the effect of ZBED6 gene knockout on the development and gene expression profile of pig heart tissue. 【】The phenotypic characteristics of ZBED6-KO and ZBED6-WT pig tissues were analyzed by t-test and the expression level of the target gene IGF2 of the ZBED6 gene was quantified by real-time quantitative PCR (q-PCR). Comparing the differences in histological level of tissue structure were performed by paraffin section method. The total RNA was isolated from ZBED6-KO group and ZBED6-WT group. RNA-Seq analysis was performed on Illumina Hiseq 2000 platform. The differentially expressed genes between ZBED6-KO and ZBED6-WT heart tissues were screened by the method of RNA-Seq Pig Sus_scrofa10.2 was used as the reference sequence. Differentially expressed genes were enriched and analyzed with IPA software. 9 differentially expressed genes were randomly selected to verify the reproducibility of RNA-Seq results by q-PCR. 【】The heart of ZBED6-KO pig had a larger measured data in weight than ZBED6-WT, which also had a higher expression profile of IGF2 than the latter. Compared with ZBED6-WT pig, ZBED6-KO pig had wide muscle fiber width and less connective tissue. The results suggested that the knockout of ZBED6 gene could promote the growth and development of porcine heart. The sequencing results showed that at least 10 G data were obtained and the clean ratio, Q30 data were more than 90%, of which 62.8% -80.1% of the reads mapped to the pig genome. All of these indicated sequencing was well saturation and the sequencing data was reliable. By analyzing sequencing data, 184 different genes were indicated which contained 114 up-regulated genes and 70 down-regulated genes. Among the 184 genes, there were 141 intact function annotation genes and 43 non-annotated genes. Differential gene hierarchical clustering analysis showed that, the similar expression pattern was detected in ZBED6-KO group (x1, x3, x6), which was also happen to ZBED6-WT group (x2, x4, x5). GO and IPA enrichment analysis obtained 13 significant GO terms, 33 pathways. The difference gene was mainly enriched in the immune response, muscle development, RhoA signal and other related channels. The expression pattern of 9 differentially expressed genes was consistent with the results of RNA-Seq analysis. 【】In this study, ZBED6-KO Bama miniature pig was first time to use as the model. We used RNA-Seq technique to explore the effects of ZBED6 gene knockout on cardiac development, which enriched the research of ZBED6 on myocardium development and function.
ZBED6; gene knockout; RNA-Seq; myocardial development; differentially expressed genes
2017-09-01;
2018-01-05
北京市自然科學基金(6164040)
王丹丹,Tel:13051379070;E-mail:2462568500@qq.com。
潘登科,Tel:13911961972;E-mail:pandengke2002@163.com。通信作者蔣琳,Tel:18612147071;E-mail:jianglin@caas.cn