启动子是高等植物中驱动基因表达不可或缺的重要调控序列。启动子元件的不同功能是导致基因表达效率和时空特异性差异的根本原因, 鉴定其结构和功能对理解植物生长发育进程、环境胁迫反应和进化发育均具有重要意义。随着高通量测序技术、人工智能和合成生物学的发展, 鉴定植物顺式作用元件组, 将符合设计需求的元件构建成人工调控元件的技术已逐渐兴起, 这些技术为分子育种中高效、精准和多样的基因调控奠定了基础。该文以启动子元件在分子设计中的重构应用为导向, 介绍了高等植物启动子的详细结构和功能, 及顺式作用元件的鉴定方法, 系统梳理了27类共计174个已鉴定到的诱导型和组织特异性元件及其应用。据此, 提出其设计方向和方法, 旨在为高等植物基因工程启动子元件的研究现状、发掘方法和重新设计提供指导, 提升分子设计育种中目的基因的表达效率和准确性。

非编码RNA (ncRNA)是一类不具备蛋白质编码能力但有多种生物学功能的RNA分子, 广泛存在于各种生物体内。随着高通量测序技术的不断完善, 大量的非编码RNA被鉴定出来, 其功能和作用机制也逐渐被阐释。大量研究表明, 非编码RNA在植物生长发育和逆境胁迫响应中发挥重要作用。尽管对某一类非编码RNA调控植物生长发育及逆境响应的总结有很多, 但缺少对非编码RNA系统而全面的总结。因此, 该文首先简要介绍非编码RNA的分类及特征, 随后重点介绍非编码RNA在植物生长发育, 如种子休眠和萌发、根和叶的生长发育、花和果实的发育以及果实成熟方面的作用, 最后对非编码RNA在逆境胁迫响应中的功能及作用机制进行总结, 旨在全面论述非编码RNA在植物生长发育和胁迫响应中的分子调控机理, 以期为改良品种、提高农林业生产的产量和品质提供参考。

DNA甲基化是重要的表观遗传修饰之一, 参与调控植物基因组稳定性、发育及胁迫响应等过程。DNA甲基转移酶是DNA甲基化的关键酶。为了解铁甲秋海棠(Begonia masoniana) DNA甲基转移酶的功能, 采用生物信息学方法从铁甲秋海棠基因组中鉴定出5个编码DNA甲基转移酶的基因。根据序列特征将其分为CMT、MET和DRM三类。不同类别成员的基因序列长度和内含子数量存在明显差异, 但同类成员的基因结构和保守结构域具有高度保守性。这些蛋白均定位于细胞核, 且基因启动子含有大量的光响应、MYB结合及植物激素响应等元件。激素响应模式分析表明, CMT3类在GA、SA和NAA处理下基因表达显著降低, CMT2类在MeJA和NAA处理下基因表达显著降低, 而MET类和DRM类分别在GA和ABA处理下基因表达显著升高。此外, 组织特异性分析发现, 叶片中BmaCMT2-5和BmaDRM2-2的表达量明显高于其它组织器官, 且这2个酶的编码基因与BmaMET1-15在叶片红色部分的表达高于绿叶部分, 推测这3个DNA甲基转移酶可能在叶斑形成过程中发挥重要作用。

水稻(Oryza sativa)是世界上最重要的粮食作物之一。提高水稻抗氧化性, 进而提高抗逆性是保障其高产稳产的重要途径。选用籼稻华占(HZ)和粳稻热研2号(Nekken2)及以其为亲本构建的120个重组自交系(RILs), 分别在分蘖期、灌浆期和成熟期测定亲本及其后代剑叶、颖壳及籽粒中羟基自由基清除率、总酚含量、黄酮含量和花青苷含量, 同时基于已构建的高密度遗传连锁图谱进行数量性状基因座(QTL)定位。结果共挖掘到62个与水稻抗氧化损伤有关的QTLs, 其中LOD值最高达4.36。对这些QTL区间内相关候选基因的表达进行定量分析, 结果表明LOC_Os06g01850、LOC_Os12g07820、LOC_ Os12g07830和LOC_Os03g60509等13个基因的表达在不同时期的双亲间差异显著。研究挖掘到众多与水稻抗氧化性相关的QTLs, 为进一步定位并克隆相关基因, 选育抗性强且营养价值高的水稻新品种奠定基础。

为阐明光敏色素家族基因突变对拟南芥(Arabidopsis thaliana)种子萌发时环境适应性的影响, 以野生型(Col-0)种子为对照, 对比了phyA、phyB、phyC、phyD和phyE单突变体种子在12种光温环境下萌发率的差异。结果表明, phyA突变体种子适应在红光下萌发, 而不适应在远红光和高温(35°C)下萌发。phyB突变体种子适应在白光和远红光背景下的低温(15°C)和适温(25°C)下萌发; 而不适应在高温(35°C)下萌发。phyC突变体种子适应在除白光35°C以外的11种光温环境下萌发。phyD或phyE突变体种子适应在低温(15°C)和适温(25°C)下萌发, 而不适应在高温(35°C)下萌发; 适应在红光和白光下萌发, 而不适应在黑暗和远红光下萌发。5个成员中, phyB、phyC和phyD的突变体种子可能丧失光温整合能力, 而phyA和phyE的突变体种子未丧失光温整合能力。综上, 光敏色素家族基因突变导致种子萌发对光、温和光×温的适应性改变, 通过靶向修饰光敏色素家族基因可提升种子萌发对不同生态环境的适应性。

太行花属(Taihangia)是分布于太行山南段的蔷薇科特有属, 含1种(太行花(T. rupestris)) 2变种(太行花原变种(T. rupestris var. rupestris)与缘毛太行花(T. rupestris var. ciliate))。然而, 这2个变种的分类地位尚存争议, 且该属的演化历史研究较欠缺。采用质体系统发生基因组学手段构建了太行花属系统发生树, 结合分化时间估算对该属起源演化时间进行推断。结果表明, 太行花属是1个获得很高支持的单系, 太行花2个变种各自形成很好的单系, 支持二者各自独立的分类地位。分化时间估算结果表明, 太行花属在上新世-更新世边界附近时期约2.6×10⁶年前开始分化, 2个变种内部谱系分支间的分化则主要发生在更新世后期。结合太行山南段在不同地质时期的隆升历史, 认为太行山南段在上新世与更新世期间的快速隆升可能很大程度地促进了太行花属不同谱系分支的分化。研究结果不仅深化了对太行花属植物演化历史的认识, 还为山体隆升促进山地类群多样性形成提供了新的研究案例。

流式细胞术是一种高通量技术, 可以同时快速检测单个颗粒物的多项物理及生物学特征。随着测序成本的大幅降低, 流式细胞术在植物基因组学高通量样品获取中的作用日益凸显。该文以水稻(Oryza sativa)和大豆(Glycine max)为例, 详细介绍了应用流式细胞术对植物细胞核进行精细分选以及后续的ATAC-seq和RNA-seq实验分析流程, 为农业生物育种中基因的高效挖掘提供了优选工具。同时针对实验操作中的关键技术和常见问题, 如细胞核制备注意事项、分选纯度与效率的平衡及单细胞分选调试方法进行分析并提出建议, 为植物科学工作者应用流式细胞术开展基因组学研究提供参考。

原子力显微技术是研究植物细胞壁超微结构与力学性质的重要表征手段, 良好的样品制备是获得可靠数据的前提。花粉管作为微米级别的植物样品, 是研究细胞壁结构与功能的典型实验材料, 但是制样过程中活性生理状态下的花粉管与基底黏附不牢固, 难以获得活性生理状态下的花粉管原子力显微镜观测数据。该文以烟草(Nicotiana tabacum)花粉管为材料, 对花粉管原子力显微样品制备和观测方法进行优化, 采用固体培养基薄层作为花粉管与基底之间的黏附剂, 花粉管在萌发和生长的同时完成与基底的黏附。与常规的干燥-复水法相比, 优化的液下黏附法, 可在液体环境下直接观测, 无需经过干燥处理, 避免了干燥-复水过程对花粉管造成的形貌皱缩与力学性质改变, 能够获得活性生理状态下花粉管细胞壁原位的高分辨率原子力显微镜观测数据。该方法可应用于不同种属及不同尺寸花粉管的原子力显微镜观测。

为建立栽培薯蓣(Dioscorea polystachya)组培再生体系, 以茎尖及茎尖下4个不同长度的茎段为外植体, 探讨了不同浓度植物生长调节剂、培养基类型及茎段对腋芽诱导和植株再生的影响。结果表明, 培养基配比为MS+1.0 mg∙L^-1 6-BA+0.5 mg∙L^-1 KT和茎尖下12-20 cm的茎段为栽培薯蓣不定芽诱导的最佳组合, 诱导率达90.0%; 继代培养最适培养基配方为MS+0.5 mg∙L^-1 6-BA+0.05 mg∙L^-1 NAA+0.1 mg∙L^-1 KT, 低浓度NAA固定时, 增殖系数在一定范围内随着6-BA浓度的升高而增高; 在相同外源激素条件下, 快繁生根采用DKW培养基明显优于常规1/2MS培养基, 生根率显著提高, 达92.86%。添加1 mg PVP以及增加转接次数均能明显降低褐化率。该研究有效解决了栽培薯蓣种质资源离体稳定繁殖取材部位优化的问题, 为规模化生产栽培薯蓣优质脱毒苗奠定了良好基础。

以北美豆梨(Pyrus calleryana cv. ‘Cleveland’)杂种幼胚为材料, 系统开展了杂种幼胚灭菌、愈伤组织诱导、不定芽增殖和生根培养基的筛选研究。结果表明, 4°C低温贮藏21天的杂种幼胚萌发率最高, 为67.23%; 幼胚最佳灭菌处理为75%乙醇灭菌30秒, 10% H₂O₂和0.1% HgCl₂分别消毒10和14分钟; 最适幼胚萌发培养基为1/2MS+4.0 mg·L^-1 6-BA+0.5 mg·L^-1 NAA, 萌发率达89.67%; 最适愈伤组织诱导培养基为1/2MS+1.0 mg·L^-1 IBA+1.0 mg·L^-1 6-BA, 愈伤组织诱导率为93.33%; 最佳分化培养基为1/2MS+0.2 mg·L^-1 IBA+2.0 mg·L^-1 6-BA, 再生频率为87.44%; 最佳继代增殖培养基为1/2MS+1.5 mg·L^-1 6-BA+0.1 mg·L^-1 IBA, 增殖率为100%; 最佳生根培养基为1/2MS+20 g·L^-1蔗糖+1.0 g·L^-1 活性炭+1.5 mg·L^-1 IBA+0.05 mg·L^-1 NAA, 生根率为82.63%。该研究为北美豆梨杂交种质资源高效繁殖提供了科学依据和指导。

干旱、极端温度、盐和重金属等非生物胁迫导致植物产量和品质下降。miRNA是一类长约20-24个核苷酸的内源性非编码小分子RNA, 通过形成miRNA介导的沉默复合物(RISC)剪切靶mRNA并抑制靶基因的翻译, 在转录后水平负调控真核生物基因表达。高通量测序技术的快速发展使得植物物种中大量响应非生物胁迫的miRNA得到鉴定和表征。非生物胁迫下植物miRNA与其靶基因结合, 构成了控制各种生命活动的大型基因调控网络, 包括生长发育、营养吸收与分配、信号转导与氧化应激, 从而提高植物的抗逆性。深入理解miRNA的功能及其调控机制对于通过基因工程进行作物改良和抗逆育种至关重要。该文综述了近年来miRNA的生物合成及其作用机制研究进展, 重点探讨了参与调控植物响应非生物胁迫miRNA的鉴定及功能, 并展望了该领域可能的研究方向。

淫羊藿(Herba Epimedii)是一种历史悠久的中草药(TCM), 药用价值高, 国内淫羊藿相关研究备受关注。黄酮醇苷类(PFGs)成分是淫羊藿的主要活性物质, 其含量决定了药用品质。了解淫羊藿类黄酮生物合成途径, 挖掘与淫羊藿黄酮醇苷类含量相关的基因, 阐明其生物合成途径的调控机制对于提高淫羊藿品质至关重要。该文系统综述了淫羊藿类黄酮生物合成相关结构基因和转录因子基因研究进展, 为揭示黄酮含量的分子调控机制, 进而为淫羊藿分子育种和黄酮醇苷的合成生物学研究奠定理论基础。

我国高大禾草资源丰富, 自然分布广, 人工种植广泛。该文综述了高大禾草常见种类的特性、栽培技术和主要用途研究进展, 并展望了高大禾草优良品种培育、制繁种与栽培技术、收储运技术体系及其应用领域, 旨在促进高大禾草的产业化应用。