年12月11日星期
五 主编/肖洁编辑/胡璇子校对/何工劳Tel:(010)62580618E-mail押news@ 综合 氮刚好,花才开 姻本报记者李晨 开花时间早晚是衡量作物生育期的关键指标之
一,是氮肥及多种环境因素共同作用的结果,对作物产量和品质形成起着至关重要的作用。
至今为止,人们对氮素调控植物开花的分子遗传机制所知甚少。
日前,南京农业大学教授徐国华课题组在《当代生物学》发表了最新研究论文。
该研究发现,氮素对水稻抽穗开花的影响十分复杂,是谷氨酰胺而不是无机铵直接诱导水稻开花,氮素过少和过多均会抑制开花。
氮肥多一定会贪青晚熟? 论文通讯作者徐国华告诉《中国科学报》,氮肥是农作物高产优质的重要保障,但是氮肥的大量生产和施用不仅增加能源消耗和生产成本,加剧土壤酸化、水体富营养化和温室气体排放等资源生态环境问题,而且导致作物开花延迟、贪青晚熟、病虫害增加、产量降低、氮肥利用效率下降。
“因此,探究氮素调控开花的网络通路对于明晰植物营养与环境的相互作用机制,培育花期适宜、高产、稳产、氮吸收高效的品种,具有十分重要的理论和应用价值。
”徐国华说。
植物的生长大致可分为营养生长阶段和生殖生长阶段。
开花就是植物体从营养生长阶段转入生殖生长阶段的标志性行为。
开花之后,植物对氮的吸收量大大下降。
“生产中有一种为人所熟知的现象,就是多施氮肥会造成植物贪青晚熟。
”徐国华解释说,很多植物都会在氮肥增加的情况下,保持绿油油的状态,生长旺盛,却迟迟不开花不结果。
中国农业大学资源与环境学院教授袁力行在接受《中国科学报》采访时说,贪青晚熟是农作物生产中的一种普遍现象。
过量施氮情况下,作物的生育期延长,其产量和品质均会受到不良影响,但背后的机制一直不为人所了解。
为了深入研究这一现象,徐国华带领团队对800多个水稻种质材料或品种进行了分析对比实验。
结果发现,其中,高氮肥条件下贪青晚熟的材料近60%;高氮肥条件下依旧提前开花的占10%~20%;还有20%~30%的水稻材料不为高氮肥所动,按时开花。
“原来高氮肥造成贪青晚熟只是一个主要现象,而不是全部。
这不像我们想象的那么简单,植物的先天适应能力还是很复杂的。
”徐国 高氮和低氮施肥条件下不同水稻品种在生育期的差异。
南京农大供图 华说。
“聪明”的水稻 “聪明”的植物究竟如何适应土壤中氮含量的变化,保持内部的生理平衡? 硝(NO3-)和铵(NH4+)是植物从土壤中吸收的最为主要的两种氮源。
旱地土壤强力的硝化作用促使绝大多数植物,如拟南芥,主要依赖于硝;而淹水或强酸性土壤环境中生长的植物,如水稻,则主要吸收铵。
“植物吸收无机氮到体内后,最终转化成蛋白质。
”徐国华说,氮从无机变有机最重要的第一步产生的就是谷氨酰胺这种氨基酸,“这是一种非常重要的初级产物”,以此为基础,再转化成其他氨基酸和蛋白质。
“从无机氮变成有机氮的过程叫做氮的同化。
”论文第一作者、博士生张抒南说,氮同化基因参与了该过程关键酶的合成。
谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶就是相应的氮同化基因合成的,这些酶催化了无机氮和有机氮之间的转换,例如无机的铵态氮通过氮的同化作用合成谷氨酰胺。
“谷氨酰胺正是无机氮和有机氮之间的中枢因子之
一。
”张抒南说。
不仅如此,他们的研究还证明,是谷氨酰胺,而并非环境中存在的无机铵态氮,直接诱导植物开花。
“我们在‘日本晴’这个水稻品种中发现,开花和施氮水平、植株体内总氮含量没有直接的相关性,并不是施的氮肥越多,开花越晚。
我们推测可能水稻体内某种氮形态的含量与开花相关,于是检测了不同氮形态下开花基因的表达。
”张抒南说。
结果表明,开花基因的表达与谷氨酰胺呈正相关,相比无机铵,谷氨酰胺对开花有直接促进作用。
“水稻通过对氮的初级产物谷氨酰胺的直接响应来调控开花过程,这样就摆脱了环境中无机氮的直接作用,避免了完全受制于环境。
”徐国华认为这就是水稻“聪明”的地方。
水稻首个氮介导开花因子登场 那么,谷氨酰胺究竟和谁“接头”,继而调控下游的分子机制影响水稻开花呢? 通过对水稻花器官形成部位的转录组分析,结合遗传分析,研究人员鉴定到一个受谷氨酰胺影响并能调控开花时间的转录因子,并将其命名为“首个氮素介导的抽穗开花因子”(Nhd1)。
张抒南介绍,他们发现,Nhd1对开花和氮吸收存在着两种调控。
一方面,Nhd1通过正向调控,直接激活开花基因Hd3a,从而影响水稻的开花时间。
无论是缺失Nhd1还是Hd3a,在不同日照条件下,水稻开花时间均往后推迟。
与此同时,Nhd1通过负向调控,抑制氮素同化基因Fd-GOGAT,降低其酶的活性和谷氨酰胺的变化。
因此,缺失Nhd1还会增强氮的同化效率,提高作物产量和氮素累积利用效率。
“Nhd1就好像一个‘司令’,统帅着很多‘士兵’,一部分‘士兵’管理开花时间,一部分‘士兵’控制氮营养利用。
两项工作通过一个‘司令’很好地协同起来。
”袁力行说。
张抒南说,他们筛选到了Nhd1的不同自然变异的品种材料,其中一类在高氮和低氮环境下开花差异明显,且Nhd1在高氮和低氮环境下的表达差异也比较大。
“由于这类材料的自然变异都发生在Nhd1的启动子上,因此我们推测,这些启动子变异可能导致了水稻开花对氮的响应不同。
”张抒南说。
不过,徐国华指出,他们已经知道启动子序列上哪些个别碱基发生了变化,但尚不知是哪些上游的转录调控因子与这些不一致处的小片段多个碱基相结合,从而导致不同水稻品种或种质材料中Nhd1表达的不一致,即氮素响应差异。
这方面需要进一步开展研究。
此外,科学家在拟南芥中也发现了类似的贪青晚熟现象。
但拟南芥等旱地植物是以硝态氮营养为主,氮影响开花响应的分子机制究竟是什么尚不知晓。
袁力行认为,对水稻相关机制的解析也将有助于科学家研究玉米、小麦等旱地作物在氮肥影响下的开花响应机制,因而“对从高效品种的选育,到施肥技术的创新,都有重要指导意义”。
“上述途径的解析不仅为构建氮素调控水稻等植物开花的网络通路奠定了重要基础,同时也为培育生育期稳定的高产稳产、氮高效品种提供了理论依据。
”徐国华说。
相关论文信息: 发现·进展 中国农业科学院农产品加工研究所 揭示影响中式面条消化的内外因素 本报讯(记者王方)中国农业科学院农产品加工研究所谷物加工与品质调控创新团队聚焦于传统中式白盐面条,分别从面条中淀粉与蛋白质的相互作用机制、面条烹调以及日常储存方式等方面,全面研究了影响中式面条消化特性的内外因素。
相关成果发表于《食品化学》和《食品》。
研究发现,小麦粉中淀粉与蛋白质的相对比例对面条的消化性质有显著影响。
当面条中的面筋蛋白含量增至14%时,面条的消化速率与消化率显著下降。
随着面筋蛋白含量增加,面条的结构更加致密,面筋蛋白对淀粉的消化会起到一定的阻碍作用。
除了面条自身组分的相互作用,团队还研究了几种常见的烹调方式以及储存条件(温 度和时间)对中式面条中抗性淀粉含量和淀粉消化特性的影响。
相比于常规的烹调(蒸煮),微波加热和炒后的面条中含有更多的抗性淀粉,具有较慢的消化速率。
将熟制面条适当储存后再食用,更有利于控制血糖(储存24小时后,估测血糖值降低11.34%~30.11%)。
对比3种常见的储存温度(-18、4、25℃),研究发现,室温(25℃)储存相对低温(-18、4℃)储存,面条中形成更多的重结晶以及抗性淀粉,使得消化速率降低。
相关论文信息: 中科院新疆生态与地理研究所 发现盐地碱蓬可改良重度盐渍土 本报讯(记者张晴丹)近日,中科院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室研究员田长彦团队证实,连续种植盐地碱蓬可有效改良干旱区重度盐渍土。
相关成果发表在《生态工程》上。
土壤盐渍化是制约干旱区农业生产的主要因素之
一。
新疆地处内陆,盐类物质只能在区内循环,土壤残余积盐和现代积盐过程都十分强烈,现有耕地的1/3已出现次生盐渍化。
传统的水利改良技术越来越难以将灌区盐分移出,但在盐碱地上正常生长的真盐生植物体内能累积大量盐分。
那么,连续种植真盐生植物是否会大幅降低土壤的含盐量? 针对这一问题,田长彦团队以盐地碱蓬为材料,采用大田试验,研究了盐地碱蓬种植对 重度盐碱地的改良情况,以及种植年限对移盐能力的影响。
研究发现,在所有生长时期中,盐地碱蓬在开花结实期累积的盐分最多,盐地碱蓬移盐能力由开花结实期的地上部生物量和盐分含量共同决定,不同种植年限的盐地碱蓬移盐能力没有明显差异。
三年实验期间,盐分在不同土层的分布发生明显变化,由表聚型分布转变为底积型分布,根区土壤中Na+和Cl-含量随种植年限增加而显著降低。
结果表明,盐地碱蓬在人工种植条件下具有稳定的移盐能力,利用滴灌技术连续种植盐地碱蓬是改良干旱区盐碱地的有效措施。
相关论文信息: 简讯 基金委牵手阿里云利用AI提高科研资源配置效率 本报讯日前,记者查阅中国政府采购网 获悉,国家自然科学基金委员会已和阿里云 达成合作。
该消息得到了阿里云方面的证实, 阿里云方面表示,合作完成后,人工智能(AI) 技术将被用来提高科研资源的配置效率。
本次合作基于科研大数据、AI
等技术, 提取科研项目申请书、评议人的多维特征及 科研行为信息,对科研对象进行更加准确的 定义描述。
基于AI技术的辅助指派系统,将 为科研项目申请书遴选出最合适的评审专 家,并结合反馈调节机制持续完善评议指派 准确度。
阿里云方面表示,此次合作将帮助基金委 建设全在线的科学基金项目管理系统,支撑自 然科学项目申请、评审、立项、在研、结题、成果 等核心业务稳定可靠运转。
(赵广立) 中科院深圳先进院今年牵头
获批7项科技部重点项目 本报讯12月9日,记者从中国科学院深 圳先进技术研究院(以下简称深圳先进院)获 悉,深圳先进院今年牵头获批7个科技部重 点研发计划项目,获批总经费8683万元,获 批项目数量和经费总额创历史新高。
其中,在“合成生物学”重点专项中,深圳 先进院共获批4个项目:“高效超声/光声生 物成像元件库的挖掘与应用研究”“生物活体 功能材料的构建及应用”“多方协同合成基因 信息安全存取方法研究”“鲁棒型人工基因元 器件的设计原理与应用”。
在“主动健康和老龄化科技应对”重点 专项中,“智能灵巧上肢假肢及适配技术” “运动行为监测与干预关键技术研究”两个 项目获批。
在“发育编程及其代谢调节”重点专项 中,“肝脏驻留淋巴细胞的异质性、发育调控 与功能研究”项目获批。
(刁雯蕙) 400
余项作品获评2020中国设计红星奖 本报讯12月9日,2020中国设计红星 奖颁奖活动在北京举行。
经过40余位专家 评委的评审,共有400余项产(作)品获评 2020中国设计红星奖,其中金奖11项、银奖 15项,并评出了最佳团队奖1项、最佳新人 奖1项、原创奖优秀设计师奖1项、未来之星 奖3项。
2020中国设计红星奖共有来自国内外 5000余家单位超过7000件产(作)品参评, 参评单位数量和产(作)品数量较去年分别 增长28%和18%。
包括中车、华为、德国西门 子、日本松下等在内的国内外知名企业积极 报送最新产品。
(郑金武) 12位专家成为中国图象图形学学会首批会士 本报讯中国图象图形学学会成立三
十 周年庆祝大会日前在京召开。
高文、赖剑 煌、卢汉清、潘云鹤、谭铁牛、吴一戎、徐冠 华、余轮、俞能海、章毓晋、郑南宁、庄越挺 等12位院士专家成为中国图象图形学学 会首批会士。
大会还颁发了2019年度中国图象图形 学学会科学技术奖、石青云女科学家奖、优 秀博士学位论文奖。
(赵广立) 社址:北京市海淀区中关村南一条乙3号邮政编码:100190新闻热线:010-62580699广告发行:010-6258066662580707传真:010-62580899广告经营许可证:京海工商广登字20170236号零售价:1.20元年价:238元工人日报社印刷厂印刷
五 主编/肖洁编辑/胡璇子校对/何工劳Tel:(010)62580618E-mail押news@ 综合 氮刚好,花才开 姻本报记者李晨 开花时间早晚是衡量作物生育期的关键指标之
一,是氮肥及多种环境因素共同作用的结果,对作物产量和品质形成起着至关重要的作用。
至今为止,人们对氮素调控植物开花的分子遗传机制所知甚少。
日前,南京农业大学教授徐国华课题组在《当代生物学》发表了最新研究论文。
该研究发现,氮素对水稻抽穗开花的影响十分复杂,是谷氨酰胺而不是无机铵直接诱导水稻开花,氮素过少和过多均会抑制开花。
氮肥多一定会贪青晚熟? 论文通讯作者徐国华告诉《中国科学报》,氮肥是农作物高产优质的重要保障,但是氮肥的大量生产和施用不仅增加能源消耗和生产成本,加剧土壤酸化、水体富营养化和温室气体排放等资源生态环境问题,而且导致作物开花延迟、贪青晚熟、病虫害增加、产量降低、氮肥利用效率下降。
“因此,探究氮素调控开花的网络通路对于明晰植物营养与环境的相互作用机制,培育花期适宜、高产、稳产、氮吸收高效的品种,具有十分重要的理论和应用价值。
”徐国华说。
植物的生长大致可分为营养生长阶段和生殖生长阶段。
开花就是植物体从营养生长阶段转入生殖生长阶段的标志性行为。
开花之后,植物对氮的吸收量大大下降。
“生产中有一种为人所熟知的现象,就是多施氮肥会造成植物贪青晚熟。
”徐国华解释说,很多植物都会在氮肥增加的情况下,保持绿油油的状态,生长旺盛,却迟迟不开花不结果。
中国农业大学资源与环境学院教授袁力行在接受《中国科学报》采访时说,贪青晚熟是农作物生产中的一种普遍现象。
过量施氮情况下,作物的生育期延长,其产量和品质均会受到不良影响,但背后的机制一直不为人所了解。
为了深入研究这一现象,徐国华带领团队对800多个水稻种质材料或品种进行了分析对比实验。
结果发现,其中,高氮肥条件下贪青晚熟的材料近60%;高氮肥条件下依旧提前开花的占10%~20%;还有20%~30%的水稻材料不为高氮肥所动,按时开花。
“原来高氮肥造成贪青晚熟只是一个主要现象,而不是全部。
这不像我们想象的那么简单,植物的先天适应能力还是很复杂的。
”徐国 高氮和低氮施肥条件下不同水稻品种在生育期的差异。
南京农大供图 华说。
“聪明”的水稻 “聪明”的植物究竟如何适应土壤中氮含量的变化,保持内部的生理平衡? 硝(NO3-)和铵(NH4+)是植物从土壤中吸收的最为主要的两种氮源。
旱地土壤强力的硝化作用促使绝大多数植物,如拟南芥,主要依赖于硝;而淹水或强酸性土壤环境中生长的植物,如水稻,则主要吸收铵。
“植物吸收无机氮到体内后,最终转化成蛋白质。
”徐国华说,氮从无机变有机最重要的第一步产生的就是谷氨酰胺这种氨基酸,“这是一种非常重要的初级产物”,以此为基础,再转化成其他氨基酸和蛋白质。
“从无机氮变成有机氮的过程叫做氮的同化。
”论文第一作者、博士生张抒南说,氮同化基因参与了该过程关键酶的合成。
谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶就是相应的氮同化基因合成的,这些酶催化了无机氮和有机氮之间的转换,例如无机的铵态氮通过氮的同化作用合成谷氨酰胺。
“谷氨酰胺正是无机氮和有机氮之间的中枢因子之
一。
”张抒南说。
不仅如此,他们的研究还证明,是谷氨酰胺,而并非环境中存在的无机铵态氮,直接诱导植物开花。
“我们在‘日本晴’这个水稻品种中发现,开花和施氮水平、植株体内总氮含量没有直接的相关性,并不是施的氮肥越多,开花越晚。
我们推测可能水稻体内某种氮形态的含量与开花相关,于是检测了不同氮形态下开花基因的表达。
”张抒南说。
结果表明,开花基因的表达与谷氨酰胺呈正相关,相比无机铵,谷氨酰胺对开花有直接促进作用。
“水稻通过对氮的初级产物谷氨酰胺的直接响应来调控开花过程,这样就摆脱了环境中无机氮的直接作用,避免了完全受制于环境。
”徐国华认为这就是水稻“聪明”的地方。
水稻首个氮介导开花因子登场 那么,谷氨酰胺究竟和谁“接头”,继而调控下游的分子机制影响水稻开花呢? 通过对水稻花器官形成部位的转录组分析,结合遗传分析,研究人员鉴定到一个受谷氨酰胺影响并能调控开花时间的转录因子,并将其命名为“首个氮素介导的抽穗开花因子”(Nhd1)。
张抒南介绍,他们发现,Nhd1对开花和氮吸收存在着两种调控。
一方面,Nhd1通过正向调控,直接激活开花基因Hd3a,从而影响水稻的开花时间。
无论是缺失Nhd1还是Hd3a,在不同日照条件下,水稻开花时间均往后推迟。
与此同时,Nhd1通过负向调控,抑制氮素同化基因Fd-GOGAT,降低其酶的活性和谷氨酰胺的变化。
因此,缺失Nhd1还会增强氮的同化效率,提高作物产量和氮素累积利用效率。
“Nhd1就好像一个‘司令’,统帅着很多‘士兵’,一部分‘士兵’管理开花时间,一部分‘士兵’控制氮营养利用。
两项工作通过一个‘司令’很好地协同起来。
”袁力行说。
张抒南说,他们筛选到了Nhd1的不同自然变异的品种材料,其中一类在高氮和低氮环境下开花差异明显,且Nhd1在高氮和低氮环境下的表达差异也比较大。
“由于这类材料的自然变异都发生在Nhd1的启动子上,因此我们推测,这些启动子变异可能导致了水稻开花对氮的响应不同。
”张抒南说。
不过,徐国华指出,他们已经知道启动子序列上哪些个别碱基发生了变化,但尚不知是哪些上游的转录调控因子与这些不一致处的小片段多个碱基相结合,从而导致不同水稻品种或种质材料中Nhd1表达的不一致,即氮素响应差异。
这方面需要进一步开展研究。
此外,科学家在拟南芥中也发现了类似的贪青晚熟现象。
但拟南芥等旱地植物是以硝态氮营养为主,氮影响开花响应的分子机制究竟是什么尚不知晓。
袁力行认为,对水稻相关机制的解析也将有助于科学家研究玉米、小麦等旱地作物在氮肥影响下的开花响应机制,因而“对从高效品种的选育,到施肥技术的创新,都有重要指导意义”。
“上述途径的解析不仅为构建氮素调控水稻等植物开花的网络通路奠定了重要基础,同时也为培育生育期稳定的高产稳产、氮高效品种提供了理论依据。
”徐国华说。
相关论文信息: 发现·进展 中国农业科学院农产品加工研究所 揭示影响中式面条消化的内外因素 本报讯(记者王方)中国农业科学院农产品加工研究所谷物加工与品质调控创新团队聚焦于传统中式白盐面条,分别从面条中淀粉与蛋白质的相互作用机制、面条烹调以及日常储存方式等方面,全面研究了影响中式面条消化特性的内外因素。
相关成果发表于《食品化学》和《食品》。
研究发现,小麦粉中淀粉与蛋白质的相对比例对面条的消化性质有显著影响。
当面条中的面筋蛋白含量增至14%时,面条的消化速率与消化率显著下降。
随着面筋蛋白含量增加,面条的结构更加致密,面筋蛋白对淀粉的消化会起到一定的阻碍作用。
除了面条自身组分的相互作用,团队还研究了几种常见的烹调方式以及储存条件(温 度和时间)对中式面条中抗性淀粉含量和淀粉消化特性的影响。
相比于常规的烹调(蒸煮),微波加热和炒后的面条中含有更多的抗性淀粉,具有较慢的消化速率。
将熟制面条适当储存后再食用,更有利于控制血糖(储存24小时后,估测血糖值降低11.34%~30.11%)。
对比3种常见的储存温度(-18、4、25℃),研究发现,室温(25℃)储存相对低温(-18、4℃)储存,面条中形成更多的重结晶以及抗性淀粉,使得消化速率降低。
相关论文信息: 中科院新疆生态与地理研究所 发现盐地碱蓬可改良重度盐渍土 本报讯(记者张晴丹)近日,中科院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室研究员田长彦团队证实,连续种植盐地碱蓬可有效改良干旱区重度盐渍土。
相关成果发表在《生态工程》上。
土壤盐渍化是制约干旱区农业生产的主要因素之
一。
新疆地处内陆,盐类物质只能在区内循环,土壤残余积盐和现代积盐过程都十分强烈,现有耕地的1/3已出现次生盐渍化。
传统的水利改良技术越来越难以将灌区盐分移出,但在盐碱地上正常生长的真盐生植物体内能累积大量盐分。
那么,连续种植真盐生植物是否会大幅降低土壤的含盐量? 针对这一问题,田长彦团队以盐地碱蓬为材料,采用大田试验,研究了盐地碱蓬种植对 重度盐碱地的改良情况,以及种植年限对移盐能力的影响。
研究发现,在所有生长时期中,盐地碱蓬在开花结实期累积的盐分最多,盐地碱蓬移盐能力由开花结实期的地上部生物量和盐分含量共同决定,不同种植年限的盐地碱蓬移盐能力没有明显差异。
三年实验期间,盐分在不同土层的分布发生明显变化,由表聚型分布转变为底积型分布,根区土壤中Na+和Cl-含量随种植年限增加而显著降低。
结果表明,盐地碱蓬在人工种植条件下具有稳定的移盐能力,利用滴灌技术连续种植盐地碱蓬是改良干旱区盐碱地的有效措施。
相关论文信息: 简讯 基金委牵手阿里云利用AI提高科研资源配置效率 本报讯日前,记者查阅中国政府采购网 获悉,国家自然科学基金委员会已和阿里云 达成合作。
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等技术, 提取科研项目申请书、评议人的多维特征及 科研行为信息,对科研对象进行更加准确的 定义描述。
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(赵广立) 中科院深圳先进院今年牵头
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其中,在“合成生物学”重点专项中,深圳 先进院共获批4个项目:“高效超声/光声生 物成像元件库的挖掘与应用研究”“生物活体 功能材料的构建及应用”“多方协同合成基因 信息安全存取方法研究”“鲁棒型人工基因元 器件的设计原理与应用”。
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(刁雯蕙) 400
余项作品获评2020中国设计红星奖 本报讯12月9日,2020中国设计红星 奖颁奖活动在北京举行。
经过40余位专家 评委的评审,共有400余项产(作)品获评 2020中国设计红星奖,其中金奖11项、银奖 15项,并评出了最佳团队奖1项、最佳新人 奖1项、原创奖优秀设计师奖1项、未来之星 奖3项。
2020中国设计红星奖共有来自国内外 5000余家单位超过7000件产(作)品参评, 参评单位数量和产(作)品数量较去年分别 增长28%和18%。
包括中车、华为、德国西门 子、日本松下等在内的国内外知名企业积极 报送最新产品。
(郑金武) 12位专家成为中国图象图形学学会首批会士 本报讯中国图象图形学学会成立三
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大会还颁发了2019年度中国图象图形 学学会科学技术奖、石青云女科学家奖、优 秀博士学位论文奖。
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