氮素是蛋⽩质、核酸以及叶绿素等⽣命过程关键有机分⼦的基本组成元素，是所有⽣物体所必需的。⾃然界氮⽓占空⽓的 78%。植物是⽣态系统的⽣产者，却不能直接利⽤氮⽓，其⽣⻓依赖外源的含氮化合物。为满⾜农作物⽣产需求，全球约 1-2%的化⽯能源被⽤来⽣产氮肥。⼤量化肥的施⽤造成严重环境污染。在⾖科植物-根瘤菌共⽣固氮中，根瘤菌将游离态的氮⽓固定成结合态的氮化合物供植物⽣⻓，使⾖科植物的⽣⻓不依赖环境中的氮肥。我将围绕菌根共⽣和⾖科植物-根瘤菌共⽣固氮，介绍植物与共⽣微⽣物之间的营养交换和信号识别，展望植物-微⽣物共⽣在农业⽣产中应⽤和挑战。

DNA 磷硫酰化（PT）修饰是发⽣在 DNA ⻣架上的第⼀例⽣理修饰，其中 DNA 磷酸⼆酯键的⾮桥连氧原⼦被硫原⼦取代。与传统限制-修饰系统中 DNA 甲基化修饰不同，DNA 上的 PT 修饰呈现细胞间的异质性。在单链 DNA 的 PT 修饰细胞防卫系统中，SspE 蛋⽩可以利⽤ PT DNA 修饰（由 SspABCD 蛋⽩编码）作为识别标签完成敌我 DNA 的区别。没有核酸酶活性的 SspE 蛋⽩对宿主 DNA 上 PT 修饰位点呈现更⾼的亲和⼒，借此 PT 修饰能够引发 SspE 的⼀系列变化: 增强 SspE N 端的 GTP ⽔解酶活性、触发 SspE 蛋⽩由“闭合-开放”构象的变化、SspE 从宿主 DNA 的解离以及 SspE C 端核酸酶的激活。这⼀系列的变化使得 SspE 在攻击外源噬菌体 DNA 的同时不会误伤宿主⾃身的 DNA，从⽽完成“⾃我-⾮我 DNA”鉴别。在双链DNA 的 PT 修饰细胞防卫系统中，DndABCDE 蛋⽩完成双链 DNA 的PT 修饰, ⽽形成复合体的 DndFGH 则在噬菌体 DNA 上转位的同时，会产⽣形成复合体的三个单体蛋⽩都缺乏的转位酶活性，同时启动偶联的核酸酶活性来切割噬菌体 DNA。⾃体 DNA 经过 PT 修饰后会抑制 DndFGH 复合物的转位酶及其核酸酶活性⽽幸免⾃体免疫。同时，我们还发现了⼀种特异性切割 PT DNA 的限制酶系，并从中鉴定出特异性识别 PT 位点的蛋⽩结合域(SBD), 经过泛选后的⼀个结合域 SBD 有望成为单链 DNA/RNA 编辑和检测的新的阅读器。两个维度对基于 PT DNA 修饰的细胞防卫系统及其特异性切割PT DNA 的限制酶系开展了系统性应⽤的尝试：⾸先，基于 Ssp 系统的⾼效噬菌体抗性及其感应 DNA 磷硫酰化修饰的防御机制，通过Ssp 抗噬菌体优良模块的基因组整合、噬菌体识别受体突变和噬菌体复制关键基因缺失多举措并⾏，我们获得了抗噬菌体⼤肠杆菌（Engineered Phage Resistant E. coli strain, EPR）菌株。即使在⾼浓度多噬菌体存在情况下，EPR 菌株仍然能够保持⽬标产物蛋⽩的⾼效表达以及与改造前同样的⽣⻓特征，并具有遗传稳定性。这⼀策略有望拓展到其他细菌菌株的抗噬菌体改造，为实验室和⼯业发酵中噬菌体污染难题提供解决⽅案。第⼆，利⽤ PT DNA-SBD 的相互作⽤关系，体内诊断、单链 DNA/RNA 基因或病毒编辑，以及 S-寡聚反义核苷酸药物由微⽣物进⾏合成⽣物学⽣产有望获得新的突破。

保障国家粮⻝安全要靠科技进步。随着中国全⾯进⼊⼩康社会，⼈们对⾁蛋奶需求迫切，蛋⽩质需求缺⼝⼤幅增加，导致了⽟⽶和⼤⾖等粮饲兼⽤作物的⼤量进⼝，威胁⻝物安全。⽟⽶是重要的饲料作物。本次报告将从⼤⻝物观⻆度，介绍解决粮⻝安全的多种路径，⽟⽶⻆⾊和重要性，⽟⽶产业科技存在的问题，以及如何⾛出⼀条符合“中国国情”的特⾊发展之路。