近年, 我国学者在水稻(Oryza sativa)广谱抗病机制、抗性与产量协调机制等方向的研究取得了一系列突破性进展。最近, 何祖华和杨卫兵团队在水稻抗病性研究中再次取得突破, 发现1个以钙感应蛋白ROD1和过氧化氢酶CatB为核心的信号轴, 通过负调控水稻免疫反应, 保证正常生长条件下维持低水平的免疫反应, 促进水稻正常生长发育, 而在病原菌侵染时下调ROD1蛋白, 诱导免疫反应。ROD1缺失突变体高抗稻瘟病、纹枯病和白叶枯病, 但因免疫过强抑制生殖生长。需要指出的是, 在热带和亚热带栽培籼稻中, ROD1富集了1个独特的变异SNP1^A。SNP1^A对免疫的抑制作用较小, 因此具有较好的抗病性, 这可能对水稻在热带和亚热带的适应性具有重要意义。SNP1^A对水稻生长发育和产量无明显影响, 表明这一变异在抗病改良育种中可能具有重要价值。有意思的是, 某些稻瘟菌携带的效应蛋白AvrPiz-t, 通过模拟ROD1的结构和功能干扰水稻的抗病性。因此, ROD1-CatB信号轴在水稻与病原微生物适应性演化中具有独特意义。

现代栽培马铃薯(Solanum tuberosum)是同源四倍体, 基因组高度杂合, 遗传组成复杂, 存在严重的自交衰退, 优异性状难以聚合, 使得育种周期漫长, 造成基于种子传代的马铃薯杂交育种难以突破。与此同时, 块茎无性繁殖导致马铃薯繁殖系数低、储运成本高和易携带病虫害等痼疾, 且种薯脱毒成本高, 限制其产业化发展。近期, 中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队运用基因组设计理论和方法体系培育杂交马铃薯, 用二倍体育种替代四倍体育种, 实现了用杂交种子繁殖替代薯块繁殖, 创制了第1代高纯度的二倍体自交系和杂种优势明显的杂交马铃薯品系。该研究是马铃薯育种领域里程碑式的重大成果, 开启了基于基因组设计和种子迭代的马铃薯生物育种新纪元。

穗型是决定水稻(Oryza sativa)产量的关键因素之一。我们从粳稻品种圣稻808 (SD808)的EMS诱变突变体库中发现4份短穗突变体, 这些突变体的穗长、一级枝梗数、二级枝梗数和穗粒数发生不同程度的降低。基因定位和图位克隆表明, 这些突变体的表型受同一基因控制, 将该基因命名为PAL3 (PANICLE LENGTH3)。PAL3编码一个含12个跨膜结构域的多肽转运蛋白。pal3-1和pal3-2的点突变造成保守区域的氨基酸发生非同义突变; pal3-3的点突变造成第1外显子和内含子拼接错误; pal3-4的点突变造成蛋白翻译提前终止, 导致第12个跨膜域缺失。对PAL3进行单倍型分析, 共鉴定出9个单倍型(Hap1-Hap9), 其中Hap1-Hap3为主要单倍型。Hap1以粳稻为主, Hap2同时包含籼稻和粳稻, Hap3则以籼稻为主。Hap1起源于普通野生稻(O. rufipogon), Hap2和Hap3可能起源于一年生普通野生稻(O. nivara)。统计分析结果表明, Hap3的穗长显著高于Hap1和Hap2, 其具有提高穗长的潜力。该研究揭示了多肽转运蛋白对水稻穗型的重要调控作用, 为水稻穗型改良奠定了理论基础。

牛至精油中的主要成分香芹酚和百里香酚具有较强的抑菌活性和替代抗生素的良好潜力。为了筛选有价值的遗传变异, 构建了牛至(Origanum vulgare)的⁶⁰Co-γ射线育种体系, 利用固相微萃取联合气相色谱-质谱方法进行挥发性成分测定, 并通过主成分分析和层次聚类等多元分析法, 深入探讨⁶⁰Co-γ射线对牛至M₁代形态特征、腺毛密度和腺毛大小以及挥发性成分的影响。结果表明, 牛至种子的半致死剂量为16.39 Gy; 辐照M₁代植株的株高、茎粗、分枝数、叶长和叶宽均发生变化, 筛选到多株形态突变体; 同时, 腺毛密度和腺毛大小发生多种变化, 从163株存活株中筛选出25株腺毛密度与大小均显著增大的单株;⁶⁰Co-γ射线处理对牛至挥发性成分的种类影响相对较小, 主要影响挥发性成分的含量, 并可诱导5种化学型, 即香芹酚型、百里香酚型、γ-萜品烯型、β-石竹烯型和大根香叶烯型; 最终筛选获得6株香芹酚和百里香酚含量升高的突变单株。研究证实了⁶⁰Co-γ射线辐照可作为牛至育种的一种有效诱变手段, 适宜辐照剂量为20 Gy。研究为牛至优良种质资源的选育提供了基础数据和新途径。

小桐子(Jatropha curcas)是一种极具潜力的能源植物及冷敏植物, 12°C低温锻炼可显著提高其耐冷性。在全基因组水平上对小桐子半胱氨酸蛋白酶家族及靶向其基因的miRNAs进行鉴定、生物信息学分析和表达特性分析, 并对该基因家族成员与miRNAs互作参与调控小桐子对低温锻炼的响应进行解析。结果表明, 在小桐子基因组中共鉴定到39个半胱氨酸蛋白酶基因, 定位于11条染色体上, 可分为6个亚家族(C1A、C2、C12、C13、C14和C15), 编码181-2 158个氨基酸残基的多肽, 均具有Cys和His活性位点。基于miRNA组和降解组测序结果, 发现有283个miRNAs靶向调控小桐子半胱氨酸蛋白酶基因家族的14个成员。对靶向JcDEK1、JcRD21B和JcXBCP3L的miRNAs在12°C低温锻炼过程中的共表达分析表明, 这些miRNAs参与半胱氨酸蛋白酶基因表达的调控, 且这种调控可能与低温锻炼诱导的小桐子耐冷性增强有关。研究结果有助于深入理解小桐子半胱氨酸蛋白酶基因家族功能及其与相应miRNAs的互作, 以及通过互作调控小桐子对低温的响应。

茶树(Camellia sinensis)是我国重要的经济作物。小贯小绿叶蝉(Empoasca onukii)是为害茶树的主要害虫之一。叶蝉三棒缨小蜂(Stethynium empoascae)是小贯小绿叶蝉的主要卵寄生蜂, 但茶树花对叶蝉三棒缨小蜂的引诱机制尚不明确。基于析因设计的方差分析结果显示, 茶树花可引诱天敌叶蝉三棒缨小蜂, 显著缩短其寄生行为的搜寻时间。茶树花可显著增强叶蝉为害茶梢对缨小蜂的吸引作用, 而对健康茶梢的增强效应不显著。基于气相色谱-质谱(GC-MS)的结果显示, 健康茶梢中的挥发物种类和相对含量较少, 而叶蝉为害茶梢和茶树花中挥发物种类和相对含量显著增多。偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)结果显示, 茶树花挥发物具有明显的聚类特征。变量重要性投影结果表明, 17种茶树花挥发物在判别分析中可能起重要作用。行为测定结果显示, α-水芹烯、顺式氧化芳樟醇、反式氧化芳樟醇、苯甲醛和苯乙酮对叶蝉三棒缨小蜂具有显著的引诱效果。研究初步阐明了茶树花通过释放挥发物引诱叶蝉三棒缨小蜂的机制, 为制定叶蝉的生物防治策略提供了理论依据。

百山祖冷杉(Abies beshanzuensis)种子萌发率低, 发育特性尚不明确, 极大地限制了种群在原生境的自然更新。该研究以百山祖冷杉不同发育时期的雌球果为材料, 通过研究球果中种子的胚与胚乳数量、重量和显微结构特性, 及测定种子发育关键时期胚乳的初生代谢物, 探究种子发育特征及影响种子发育的主要因素。结果表明, 7月是百山祖冷杉种子发育的关键时期, 此期间胚乳重量快速增加, 胚乳中碳水化合物代谢活动旺盛。解剖学和形态学分析显示, 7月下旬球果中大量种子发育异常。进一步对发育关键时期胚乳中初生代谢物进行分析表明, 海藻糖-6-磷酸含量显著降低。推测在种子发育的关键时期胚乳中海藻糖-6-磷酸降低可能是种子发育异常的重要原因之一。基于种子发育特征, 该研究建立了百山祖冷杉未成熟胚培养技术体系, 并成功获得试管苗。

邻近标记作为近些年发展起来的一项检测活细胞内蛋白互作关系和亚细胞结构蛋白组的新型技术, 已成功应用于多种动植物体系的研究。该技术通过给诱饵蛋白融合一个具有特定催化连接活性的酶, 在酶的催化作用下将小分子底物(如生物素)共价连接到酶邻近的内源蛋白, 通过富集和分析被标记的蛋白可获得与诱饵互作的蛋白组。经定向进化产生的生物素连接酶TurboID具有无蛋白毒性及催化效率高的优势。利用TurboID介导的邻近标记技术分析感兴趣蛋白的邻近蛋白组, 可研究细胞内瞬时发生或微弱的蛋白互作网络, 进而解析复杂的生物学过程。该文详细描述了在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中基于TurboID的邻近标记实验方法及注意事项, 旨在为利用这一新技术研究植物蛋白互作关系提供参考。

光谱技术已广泛应用于光合研究领域, 如光吸收信号P515和P700氧化还原动力学以及叶绿素荧光等, 可快速、准确地检测植物的光合活性。P515信号广泛存在于高等植物和藻类中, 是类囊体膜上的色素分子吸收光能后, 其吸收光谱发生位移造成。利用光诱导的P515快速和慢速动力学, 可检测PSI和PSII反应中心的比值、ATP合酶的质子传导性、围绕PSI的环式电子传递速率、质子动力势及其组分, 还可通过同步检测叶绿素荧光和P515信号研究光保护机制。该文总结了P515的主要测量原理、方法及其应用, 旨在为深入研究光合作用机理提供技术支持。

以莲(Nelumbo nucifera)授粉后18天的莲子胚芽为外植体, 通过初代培养、继代培养和炼苗移栽, 建立了莲离体快速繁殖体系。结果表明, 将胚芽外植体诱导出无菌苗的最适初代培养基为MS固体培养基添加0.5 mg∙L^-1 6-BA、0.5 mg∙L^-1 NAA、30 g∙L^-1蔗糖、0.5 g∙L^-1活性炭和0.8 g∙L^-1琼脂, 培养60天诱导率高于85%, 其中秋红阳走茎节数最多(3.9)。最佳继代培养基为将初代培养基中的蔗糖浓度提高到80 g∙L^-1, 走茎采用两节一切的分苗切法, 无菌苗可50天继代1次, 最多可继代6次, 不同品种的增殖系数介于4.0-6.7之间, 以秋红阳最高(6.7)。于5-7月将生根的走茎无菌苗移栽入泥炭:塘泥=1:2 (v/v)的混合基质中进行培养, 成活率均大于83.9%。采用上述快繁技术, 理论上1个莲子胚芽经过近1年可繁殖出种苗1 465株。该研究建立了莲的离体快繁技术体系, 可为莲种苗的规模化生产提供技术支持。

钙调磷酸酶B蛋白(CBLs)及其互作蛋白激酶(CIPKs)组成的信号系统是非生物逆境响应的重要调控网络。CBL-CIPK系统通过磷酸化感应并解码Ca²⁺信号, 参与植物对非生物胁迫的应答调控。该文综述了CBLs和CIPKs结构、CBLs-CIPKs对不同底物磷酸化及其响应非生物胁迫调控机制的研究进展, 并展望了未来的研究方向, 以期为作物抗逆性遗传改良提供思路。

膜脂是细胞膜的主要组分, 也是参与信号转导的重要信号分子。不同脂质分子在细胞膜上的不均等分布需要特殊类型的通道蛋白和运输蛋白来实现。氧化甾醇结合蛋白相关蛋白(ORPs)是一类非常保守的蛋白分子, 能够对磷脂酰肌醇和固醇等脂类分子进行识别并转运, 参与细胞中的许多生理过程, 包括信号转导、囊泡运输、脂类代谢和非囊泡运输等, 对于个体的生长发育具有重要作用。近几年, 关于ORPs在哺乳动物和酵母(Saccharomyces cerevisiae)中结构和功能的研究取得了一系列重要进展, 但在植物中相关研究尚少。该文综述了ORPs及其相关蛋白在哺乳动物、酵母和植物中的研究进展, 探讨了植物ORPs的结构及其与哺乳动物和酵母同源蛋白之间的进化关系, 并对植物ORPs未来的研究方向进行了展望。