2019年中国植物科学家在国际综合性学术期刊及植物科学主流期刊发表的论文数量大幅增加, 在光生物学、植物抗逆和分子进化等若干领域取得了重要成果。其中, 硅藻光合膜蛋白超分子结构和功能研究入选2019年度中国科学十大进展和中国生命科学十大进展; 植物抗病小体的结构与功能研究入选2019年度中国生命科学十大进展。该文评述了2019年中国科学家在植物科学若干领域取得的重要研究进展, 以期追踪和报道当前中国植物科学领域发展的前沿和热点及展示中国科学家所取得的辉煌成果。

RNA是传递生命遗传信息的重要介质。依据RNA是否编码蛋白质, 可分为编码RNA和非编码RNA。作为非编码RNA的核心种类之一, 小RNA在各种生命活动中均发挥重要调控作用, 其产生及功能发挥依赖于不同的DCL、RDR和AGO蛋白。目前, 植物中功能和调控方式较为明确的是以21 nt为主的miRNA和24 nt siRNA, 其它长度和类型的小RNA由于积累水平通常较低, 尚知之甚少。近日, 南方科技大学郭红卫团队发现, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)在缺氮等逆境胁迫下可产生大量依赖于DCL2和RDR6的22 nt siRNA。22 nt siRNA与AGO1结合形成效应复合物, 抑制硝酸还原酶基因(NIA1和NIA2)等mRNA的翻译效率, 从而减少植物在营养缺失条件下的能量消耗。这意味着, 当植物遇到不利环境时, 虽然无法通过移动来逃避逆境, 但可通过诱导产生小RNA, 协调和平衡正常的生长发育与胁迫响应。

为纪念《植物学通报》创刊主编曹宗巽先生诞辰100周年, 该文回顾了作者与曹先生结识的机缘和承接其未竟的黄瓜(Cucumis sativus)单性花发育调控机制研究衣钵的过程, 以及从实验结果到传统解释的逻辑困境, 通过追溯曹先生当年带回国内的有关植物性别研究早期专著而找到问题源头的柳暗花明的经历。同时分享了由于这段独特而宝贵的研究经历而引发的对什么是科学研究这个基本问题的思考, 希望对有志于探索未知自然的年轻人有所裨益。

水稻(Oryza sativa)籽粒大小是影响其产量的关键农艺性状, 克隆并研究水稻籽粒大小相关基因对于提高水稻产量具有重要意义。为深入探究水稻籽粒大小的调控机制, 通过EMS诱变品种宽叶粳(KYJ), 分离了一系列水稻籽粒大小改变的突变体, 其中smg12表现为籽粒变小, 株高变矮, 一级枝梗数和二级枝梗数减少。遗传分析表明, 该小粒突变体受隐性单基因控制。细胞学分析显示, 该突变体颖壳纵向细胞长度显著变短, 表明SMG12主要影响细胞扩展。利用Mutmap方法对候选基因进行克隆, 筛选出SMG12的候选基因OsBRI1, 该基因编码油菜素内酯受体激酶。OsBRI1外显子上的第2 074个碱基发生了由C到T的置换, 产生非同义突变, 使得该位置编码的脯氨酸变为丝氨酸, 从而影响OsBRI1的功能。综上, 该研究鉴定了OsBRI1基因的1个新等位变异, 揭示了油菜素内酯途径调控水稻籽粒大小的细胞和分子基础。

rpoC1基因编码RNA聚合酶β°亚基蛋白, 在转录过程中与DNA模板结合, 与β亚基形成的β-β°亚基复合体构成RNA合成的催化中心。以rpoC1基因为研究对象, 在贝叶斯因子大于20的条件下, 用HyPhy软件位点模型检测到3个正选择位点和541个负选择位点; 用PAML软件位点模型检测到10个正选择位点, 其中3个位点的后验概率超过99%。此外, 基于最大似然法构建64种蕨类植物的系统发育树, 结合HyPhy软件分析rpoC1基因的转换率、颠换率、转换率/颠换率、同义替换率、非同义替换率以及同义替换率/非同义替换率, 探讨rpoC1基因内含子丢失与分子进化速率的关系。结果表明, rpoC1基因内含子缺失对转换率、颠换率以及非同义替换率有一定影响。

具有明确转录起始位点的U3和U6启动子是CRISPR/Cas9技术中驱动sgRNA转录的重要元件。从毛竹(Phyllostachys edulis)中克隆了2个PeU3启动子, 均进行了3个不同长度的截短, 长度分别为550、397和149 bp及561、392和152 bp; 并分别构建6个启动子驱动的GUS及LUC植物表达载体, 再利用农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导法分别转化麻竹(Dendrocalamus latiflorus)愈伤组织和烟草(Nicotiana benthamiana)叶片。结果显示, 这些PeU3启动子总体都具有转录活性, 不同PeU3启动子以及同一PeU3启动子不同截短时其转录活性不同, 其中长度为397 bp的PeU3-1-2pro启动子活性最强, 可为构建竹子CRISPR/Cas9基因组编辑体系提供更多理想的内源启动子。

根系周转是陆地生态系统碳循环的关键过程, 对研究土壤碳库变化及全球气候变化均具有重要意义。然而由于根系周转率的测量计算方法较多, 不同方法得出的结果差异较大, 且目前对全球区域尺度上森林生态系统根系周转的研究还不够充分, 使得全球森林生态系统根系周转变化规律仍不清楚。该研究通过收集文献数据并统一周转率计算方法, 对全球5种森林类型的细根周转空间格局进行整合, 同时结合土壤理化性质和气候数据, 得出影响森林生态系统细根周转的因子。结果表明, 不同森林类型细根周转率存在显著差异, 且随着纬度的升高逐渐降低; 森林生态系统细根周转率与年平均温度和年平均降水量呈正相关; 森林生态系统细根周转率与土壤有机碳含量呈正相关但与土壤pH值呈负相关。该研究为揭示森林生态系统细根周转规律及机制提供了科学依据。

芳香堆心菊(Helenium aromaticum)全株具芳香气味, 且头状花序仅含管状花, 是研究菊科植物花香和花型的良好材料, 但目前尚缺乏对其转基因技术体系的研究。为建立高效的芳香堆心菊离体再生体系, 以叶片、茎段和下胚轴为外植体, 进行25组不同激素及不同浓度配比的不定芽诱导研究。结果表明, 以芳香堆心菊叶片为外植体, 培养基为MS+ 0.2 mg·L^-1 NAA+1 mg·L^-1 6-BA+0.2 mg·L^-1 TDZ, 培养20天后愈伤组织诱导率高达100%, 丛生芽的诱导率为62.10%; 将不定芽接种于1/2MS培养基中进行生根培养, 16天即可生根, 且生根率为63.33%; 生根后继续培养14天现蕾, 开花率达93.33%。此外, 研究表明芳香堆心菊的再生受外植体来源、激素种类和浓度的影响。2,4-D不利于芳香堆心菊不定芽的诱导, 适宜浓度的6-BA和TDZ组合能有效促进芳香堆心菊不定芽的形成。研究初步建立了芳香堆心菊组织培养条件下的离体再生体系, 为建立其遗传转化体系奠定了坚实的基础。研究结果还可用于后续有关菊科植物花香和花型的研究。

植物利用细胞表面模式识别受体(PRRs)来感知病原相关分子模式(PAMPs), 进而触发自身的免疫反应(PTI)。在植物免疫过程中, PRRs在细胞内的正确定位对其生理功能的发挥至关重要。PRRs蛋白可以在内质网(ER)上合成, 并通过胞吐被分泌到质膜(PM)上。此外, PRRs蛋白也可以通过胞吞进行胞内循环或降解。细胞可以通过胞内转运降解PRRs蛋白以终止信号转导, 也可以通过形成胞内体进行信号传递。该文概述了PRRs蛋白及其配体的研究进展以及PRRs蛋白的胞内转运在植物免疫中的重要作用。

萜类化合物是植物次生代谢物中结构和数量最多的一类化合物, 它们在植物体内以及植物与环境和其它生命体的相互作用中发挥重要作用。转录因子通过调控代谢通路中基因的转录起始来调节次生代谢物质的产量。目前, 研究发现参与萜类合成的转录因子家族主要有6个, 包括AP2/ERF、bHLH、MYB、NAC、WRKY和bZIP。该文主要对其家族的结构特点、调控模式以及研究进展进行综述, 以期进一步丰富萜烯合成的网络调控, 为植物萜类相关的分子育种、优质栽培和病虫害生物防治等提供新的思路与方法。

植物次生细胞壁包含纤维素、半纤维素和木质素, 赋予细胞壁机械强度及疏水性, 这种特性对植物直立生长、水分和营养物质运输以及抵御生物和非生物胁迫十分重要。该文总结了调控次生细胞壁生物合成的转录因子及其调控机制, 包括NAC转录因子调控次生壁合成的一级开关作用, AtMYB46/AtMYB83及其下游调控因子的二级开关作用, 以及其它转录因子对次生壁生物合成的调控作用, 并对未来研究内容和方法进行了展望, 以期为深入系统理解次生细胞壁生物合成的转录调控网络提供参考。

植物激素是植物生长发育过程中必不可少的重要调节物质, 它们直接或间接参与调控从种子萌发到成熟的各个发育阶段以及对生物/非生物胁迫的响应。随着利用小分子化合物探究生物体生理代谢分子机制的不断发展, 植物生物学与化学之间一个新的前沿交叉学科——化学生物学随之诞生, 并在短时间内取得了重要进展。化学生物学的思路与方法在植物激素研究领域中起到了不可替代的作用, 尤其是在激素合成及信号转导研究领域。该文概述了主要植物激素的小分子类似物及其在植物生长发育和生物/非生物胁迫响应等方面的作用机制, 并讨论了激素类似物在实际生产中的应用潜力及未来的研究方向。

根系作为水稻(Oryza sativa)植株的重要组成部分, 在水稻生长发育过程中发挥多种作用, 包括植物的固定、水分和营养物质的获取以及氨基酸和激素的生物合成等, 其形态结构和生理功能与水稻产量和稻米品质以及抗性等密切相关。目前, 通过遗传及生化等诸多手段, 已挖掘到较多水稻根系QTLs与控制基因。该文综述了水稻根系QTL和基因的研究进展, 并对未来根系研究进行展望, 以期为进一步克隆水稻根系基因和完善水稻理想株型模型提供参考。