2022年中国科学家在植物科学主流期刊发表的论文数量相比2021年显著增加, 在防止“多精受精”分子机制, 胞外pH感受器, 叶绿体蛋白运输通道结构, 作物高产、优质、耐逆、抗病及共生固氮机制, 被子植物自交不亲和性的起源和演化机制, 甘蔗和玉蜀黍种质资源演化等方面取得了重要研究进展。其中, “水稻抗高温基因挖掘及调控新机制”入选2022年度中国生命科学十大进展。该文总结了2022年度我国植物科学研究取得的成果, 简要介绍了30项有代表性的重要进展, 梳理了植物科学研究中所使用的实验材料, 以帮助读者了解我国植物科学的发展态势, 进而思考如何更好地开展下阶段研究和服务国家需求。

盐碱胁迫是限制农业生产和作物产量的主要逆境因素之一。近年来, 植物响应盐胁迫的分子机制研究取得了较大进展, 但是对碱胁迫的分子机制知之甚少, 这制约了通过分子设计育种提高作物盐碱胁迫耐受性的研究进程。最近, 中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队、中国农业大学于菲菲团队和华中农业大学欧阳亦聃团队等8家单位联合攻关, 在解析植物耐碱分子机制方面取得突破性进展。他们通过高粱(Sorghum bicolor)基因组关联分析检测到1个负调控耐碱性的主效基因AT1 (Alkaline tolerance 1)。AT1及其同源基因的敲除增强了高粱、水稻(Oryza sativa)、谷子(Setaria italica)和玉米(Zea mays)耐碱性, 并提高了碱胁迫下的产量。AT1编码非典型G蛋白γ亚基, 它通过调控水通道蛋白PIP2;1的磷酸化水平改变细胞内外H₂O₂的分布, 响应碱胁迫引发的氧化应激。该研究揭示了作物适应碱胁迫的新机制, 对作物抗碱性育种具有重要意义。

自20世纪60年代以来, 半矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b的利用显著提高了小麦(Triticum aestivum)抗倒伏能力和收获指数, 使得全世界小麦产量翻了一番, 引发了农业第1次“绿色革命”。Rht-B1b和Rht-D1b编码植物生长抑制因子DELLA蛋白, 是赤霉素(GA)信号转导途径的负调控因子。DELLA蛋白积累抑制细胞分裂和细胞伸长, 导致矮化表型; 同时也抑制光合作用并降低氮素利用效率, 导致半矮化品种需要较高的化肥投入才能获得高产。如何“减肥增效”是实现低碳绿色农业所面临的重大问题。最近, 中国农业大学倪中福团队发现了具有育种应用价值的新型“半矮秆”基因模块, 证明通过对赤霉素和油菜素内酯(BR)信号通路的双重调控可实现矮秆高产小麦新品种培育。该团队鉴定并克隆了1个控制小麦株高和粒重的数量性状位点(QTL), 该QTL在衡597中存在1个约500 kb的r-e-z大片段缺失, 其中包括Rht-B1b基因和1个编码RING E3泛素连接酶的ZnF-B基因。研究发现, ZnF-B蛋白与油菜素内酯信号转导途径的抑制因子TaBKI1相互作用, 诱导TaBKI1降解, 从而促进BR信号转导。ZnF-B单敲除导致小麦株高和粒重降低, 影响小麦产量; ZnF-B1和Rht-B1b双敲除植株株高不变, 但小麦粒重和氮肥利用效率增高。该研究不仅揭示了BR信号转导调控的新机制, 而且提出了通过调控GA和BR双重信号转导机制实现农业可持续发展的育种新策略, 助力小麦新一轮“绿色革命”。

类受体激酶(RLKs)是一类数量庞大的跨膜蛋白激酶家族, 在植物细胞之间以及细胞与环境的信号交流中发挥重要作用。RLKs的胞外区能特异识别并结合胞外信号和环境刺激因子, 并通过与共受体互作将信号传递至细胞内, 从而参与调控植物生长发育及环境适应性。目前已发现水稻(Oryza sativa)基因组至少含有1 131个RLKs成员, 接近于拟南芥(Arabidopsis thaliana)中RLKs数目的2倍。根据胞外区的基序和结构域特征, 水稻RLKs被划分为20多个亚家族。近年来, 虽然有一些RLKs胞外区的配体和激酶区的作用蛋白被相继报道, 但大多数水稻RLKs的生物学功能仍不明确。该文详细总结了近年来有关水稻RLKs结构和功能的重要研究进展, 并展望了RLKs未来的研究方向, 旨在为深入揭示RLKs的功能以及绿色高产水稻分子设计育种奠定理论基础。

时空异质性是造成不同组织功能差异的关键因素, 在细胞命运调控过程中发挥重要作用。时空转录组(stRNA-seq)是一项将定量转录组与高分辨率组织成像相结合的新兴组学技术。它将表达数据锚定到目标器官或组织的物理图上, 并以无偏见的生物信息学方式对组织切片和细胞层进行分子表征, 反映特定细胞内基因的时空异质性表达丰度。受益于高通量测序技术的快速发展, 时空转录组为探究各类细胞基因表达的时空异质性提供了新的实验思路和方法。该文介绍了时空转录组的原理和发展进程, 以及不同时空转录组的技术特点和优劣, 总结了时空转录组在动物、植物和微生物中的应用, 可为今后系统开展时空转录组研究提供理论参考。

基因编辑技术可对生物体的遗传物质进行精准修饰和定向改造, 是当前生命科学领域最受瞩目的颠覆性技术之一, 也是农牧业生物育种中的关键核心技术。近年来, 随着我国对高产优质饲草的需求量持续增加, 亟须培育具有自主知识产权的优质饲草品种。该文简要概述了基因编辑技术的发展及其在农业育种中的应用, 总结了禾本科和豆科饲草的基因组编辑研究进展, 展望了未来利用基因组编辑开展饲草分子设计育种的发展方向。

饲草种质资源是国家基础性和战略性资源, 事关草种业振兴全局, 是现代农牧业发展和生态保护修复的基础。该文综述了全球饲草种质资源的种类、分布、特征以及保存状况, 分析了目前存在的问题并提出建议, 旨在更好地保护和利用我国饲草种质资源。

石栗(Aleurites moluccana)是大戟科石栗属的常绿阔叶乔木, 具有能源、药用和观赏价值。为填补石栗叶绿体基因组研究的空白, 通过二代高通量全基因组测序, 组装和注释了石栗叶绿体基因组, 并进行基因组特征和系统发育分析。结果显示, 石栗叶绿体基因组为典型的四段式结构, 总长度为163 298 bp, LSC、SSC及IR的长度分别为91 301、18 501和26 748 bp。石栗叶绿体基因组共有131个基因, 包括8个rRNA基因, 37个tRNA基因, 86个蛋白质编码基因。研究发现145个SSR位点, 检测到重复单元有单核苷酸、二核苷酸、三核苷酸和四核苷酸, 数目分别为80、53、10和2个。共线性分析结果表明, 石栗叶绿体基因组存在基因倒位和重排现象。利用最大似然法和贝叶斯法构建了系统发育树, 显示石栗与油桐(Vernicia fordii)和东京桐(Deutzianthus tonkinensis)亲缘关系较近, 并形成姐妹群。利用化石时间进行定年分析, 表明石栗属、油桐属和东京桐属的分化时间为25.94 Ma (95% HPD: 24.71-63.32 Ma)。该研究丰富了石栗基因组信息, 可为石栗种质资源的开发利用提供基础遗传数据, 同时为石栗属物种鉴定及系统发育研究提供参考。

系统发生学是研究生物类群间进化关系的学科。随着测序技术、分析方法和计算能力的改进, 分子数据被广泛应用,促进了系统发生学的快速发展。系统发生树已成为生态学和比较生物学等研究领域的有力工具。然而, 许多研究在进行系统发生树构建时更侧重各种软件的使用, 一些基本原则或注意事项有时会被弱化甚至忽视。该文详细介绍了基于分子数据进行系统发生树构建的工作流程和基本方法, 包括类群取样、分子标记选择、序列比对、分区及模型选择、序列联合分析以及拓扑结构检验等关键步骤。此外, 该文还为系统发生树构建常用的3种方法(最大简约法、最大似然法和贝叶斯法)提供了相应的软件操作流程和运行命令, 以期为相关研究提供参考。

寡核苷酸荧光原位杂交技术是一种整合了生物信息学分析、DNA高通量合成以及荧光原位杂交实验的新兴技术。该技术适用于任何具有参考基因组的植物物种, 并可根据研究需求设计靶向某个染色体区域、整条染色体或一组染色体的寡核苷酸探针, 目前已成功应用于数种植物的核型分析、染色体变异、种群演化、同源染色体配对、单倍型分析和异源多倍体识别等研究。该文详述了植物寡核苷酸探针的设计、扩增和标记、染色体制备以及荧光原位杂交的具体操作流程, 以期促进寡核苷酸荧光原位杂交技术在细胞遗传学研究中的应用。

提取完整植物细胞核是流式细胞术检测前处理的关键步骤。分别以不同种属植物的新鲜叶片和大量硅胶快速干燥的植物叶片为研究材料, 比较新优化的细胞核提取液PVPK12-mGB₂与其它2种常见提取液(LB01和CyStain^® PI Absolute P)的提取效果。结果表明, 新优化的PVPK12-mGB₂细胞核提取液在测试多种富含干扰性次生代谢物的植物类群新鲜材料时效果最佳, 提取的细胞核质量基本能满足流式细胞术分析的要求。此外, 实验结果证实该细胞核提取液能够提升大量硅胶快速干燥保存植物材料的提取效果, 测试结果明显优于其它2种细胞核提取液。研究建立了用于DNA流式细胞术的植物样品前处理方法, 为野外采样分析提供了参考方法。

柳枝稷(Panicum virgatum)是重要的C₄多年生木质纤维素类生态能饲草。为了快速创制细胞壁转化效率高的能饲草新资源, 以异源四倍体柳枝稷品种Alamo为材料, 克隆了其木质素合成途径的阿魏酸-5-羟基化酶基因PvF5H, 并根据其序列设计编辑靶点, 用于构建CRISPR/Cas9-PvF5H编辑载体, 最后通过农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导的遗传转化方法, 获得了59株柳枝稷转基因阳性植株。测序分析表明, PvF5H在94.9%的转基因植株中被编辑, 纯合编辑效率为55.4%。该研究建立了高效的柳枝稷基因编辑系统, 实现了对细胞壁品质相关靶基因的有效编辑, 为今后能饲草新品种的培育奠定了基础。

茶树(Camellia sinensis)是重要的经济作物, 杂合度高且变异度大, 其高效离体再生体系鲜见报道。以舒茶早茎段为起始外植体, 进行不定芽高效发生影响因子研究。结果表明, MS+2 mg∙L^-1 6-BA为定芽诱导的最适配方, 定芽诱导率为84.44%, 吸收底盘膨大率为80%, 利于后续不定芽诱导; MS+2 mg∙L^-1 6-BA+0.2 mg∙L^-1 NAA+0.1 mg∙L^-1 KT+1 mg∙L^-1脯氨酸为不定芽增殖诱导的适宜配方, 不定芽诱导率为88.89%, 平均芽数为7.8。不定根诱导的适宜配方为1/2MS+3 mg∙L^-1 IBA, 生根率为85.56%。采用RAPD和ISSR技术对再生植株进行分子检测, 在连续2代离体再生植株中未发现明显变异。

木聚糖是广泛存在于各类植物细胞壁中的半纤维素, 对植物生长发育至关重要。许多研究表明, 细胞壁中木聚糖的含量和结构对生物质的加工特性有显著影响。因此, 理解木聚糖的生物合成机制有助于利用基因工程手段对细胞壁进行改良。近10年来, 在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)以及重要粮食和经济作物中鉴定出许多参与木聚糖生物合成的基因。该文综述了相关研究进展, 并探讨了木聚糖生物合成基因在生物质能及相关领域的潜在应用价值。

白菜类作物主要包括大白菜(Brassica rapa subsp. pekinensis)、不结球白菜(B. rapa subsp. chinensis)和芜菁(B. rapa subsp. rapa)等, 可用作蔬菜、油料及饲料。白菜类作物在生产过程中常受到病毒病的危害, 其中芜菁花叶病毒(TuMV)是主要病原物。近年来, 在TuMV抗性基因的遗传分析、定位克隆及分子机制方面取得了一定研究进展, 为培育优质抗病新品种奠定了基础。该文对国内外关于白菜类作物抗TuMV的遗传分析、抗性基因与分子标记、生物信息学与组学分析以及基因工程技术在抗TuMV研究中的应用进行综述, 以期为白菜类作物抗TuMV研究和技术利用提供科学依据。