被子植物受精调控机制一直是植物有性生殖领域的研究热点之一。近年来, 对于花粉管导向、防止多精入卵以及受精恢复系统启动等关键过程的研究有了快速进展。但迄今发现的主要调控途径均为基于助细胞功能、旨在确保双受精成功的机制, 而对基于中央细胞确保双受精成功的机制仍知之甚少。近期, 李红菊研究组在该领域取得了新的突破, 他们发现中央细胞也能够分泌吸引花粉管的小肽, 进而揭示了一条全新的不依赖于助细胞的受精恢复途径, 填补了对受精机制认识的一个空白。

创制抗旱林木新品种对维持我国干旱半干旱地区森林生产力, 应对全球气候变暖具有重要意义。苦杨(Populus laurifolia)是分布在新疆额尔齐斯河流域的我国乡土树种, 具有速生和耐寒等优良特性, 而小叶杨(P. simonii)具有抗旱和耐瘠薄特性。我们对苦杨×小叶杨杂交F₁代幼苗的抗旱性进行全面分析和综合评价。测定了正常生长与干旱胁迫下亲本和杂交F₁代的株高生长量和叶片相对含水量等7个生长指标, 净光合速率和胞间CO₂浓度等6个光合参数, 以及SOD活性和MDA含量等5个抗旱生化指标。对18个性状指标进行抗旱系数和隶属函数分析, 将亲本及23个F₁代幼苗划分为高、中和低3个抗旱类型。高度抗旱型幼苗的叶片、上表皮、下表皮和栅栏组织厚度较大, 叶片组织结构紧密度高, 且在干旱胁迫下抗旱关键基因的表达量显著高于其它抗旱类型幼苗。该研究为杨树抗旱育种提供了理论指导和基础材料。

叶黄素在保护视力、预防糖尿病、心血管硬化和癌症等方面具有良好功效。利用小麦(Triticum aestivum)进行叶黄素的生物强化逐渐引起人们的重视。以3种环境下种植的194份山西小麦为材料, 采用有机溶剂浸提法提取叶黄素, 利用高效液相色谱法测定不同种质的叶黄素含量, 分析小麦叶黄素含量的广义遗传力, 及其与籽粒颜色、冬春性、地域分布、品种类型和主要农艺性状的关系, 并通过全基因组关联分析挖掘叶黄素含量相关的遗传位点。结果表明, 山西小麦品种间叶黄素含量变异范围较广, 变异系数为33.12%-48.57%, 基因型是影响叶黄素含量的主要因素, 3种环境下小麦叶黄素含量范围分别为0.67-4.03、0.16-5.05和0.16-3.63 μg·g^-1; 冬性小麦品种的平均含量高于春性品种, 水地品种平均含量高于旱地品种, 籽粒颜色与育种年代对叶黄素含量无显著影响; 抽穗期、株高和千粒重与叶黄素含量呈显著负相关, 其它农艺性状对叶黄素均无明显影响; 全基因组关联分析在1B、3A和7A染色体上发现4个与叶黄素含量相关的主效位点, 其中QLuc.3A和QLuc.7A.1是影响叶黄素含量的新位点。研究结果可为小麦叶黄素生物强化品种的选育和栽培提供有价值的信息。

PLATZ转录因子家族是一类植物特异性锌依赖DNA结合蛋白, 在植物生长发育和抗逆过程中发挥不可或缺的作用。然而, 对于谷子(Setaria italica) PLATZ家族基因尚未进行系统研究。在谷子基因组中鉴定出17个PLATZ基因并对其进行系统命名。通过系统发育分析将SiPLATZ基因划分为5个亚家族, 同一亚家族成员具有相似的基因结构和保守基序。顺式作用元件分析表明, SiPLATZ基因可能在籽粒胚乳发育和多种抗逆反应中发挥作用。K_a/K_s分析表明, 重复基因受到纯化选择。SiPLATZ基因在不同组织和发育阶段的表达存在显著差异, 主要包括在根、叶和茎中高表达, 以及在穗和籽粒中高表达两类, 这体现出SiPLATZ基因生理功能的复杂性, 其可能参与调节籽粒生长和多种抗逆反应。此外, 结合WGCNA分析构建的共表达网络, 发现SiPLATZ6、SiPLATZ8、SiPLATZ9和SiPLATZ11可能是谷子产量遗传改良和功能基因研究的候选基因。研究结果为深入揭示PLATZ转录因子在谷子生长发育中的生物学功能奠定了基础。

龙脑是艾(Artemisia argyi)叶中最重要的药效成分之一, 具有抗菌、消炎及镇痛等药理活性。其生物合成和代谢受多种酶的影响, 其中龙脑脱氢酶是将龙脑氧化为樟脑的关键酶之一。利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术测定了35份艾种质叶片中龙脑和樟脑的含量。结果表明, 不同品种艾叶片中龙脑和樟脑含量差异较大, 在部分种质中樟脑含量甚至超过了龙脑, 说明大量的龙脑被氧化为樟脑后严重降低了艾叶中龙脑的含量。基于全长转录组和同源性比较分析, 在艾叶中克隆到1个艾龙脑脱氢酶编码基因AArBDH1。AArBDH1基因含有2个外显子和1个内含子, 编码包含289个氨基酸残基的蛋白。qRT-PCR分析表明, 在艾不同组织和不同发育时期的叶片中AArBDH1呈差异表达, 在茎和30天叶龄的叶片中高表达。以龙脑为底物、NAD⁺为辅酶的酶促反应表明, AArBDH1能催化龙脑脱氢生成樟脑。该研究为进一步揭示艾叶片中龙脑积累的调控和改进机制提供了理论依据和基因资源。

铝(Al)是酸性土壤常见的金属污染物之一。为探明外源有机酸对铝胁迫下菊芋(Helianthus tuberosus)生理特征及根系DNA损伤的影响, 以耐铝品种徐州菊芋和铝敏感品种资阳菊芋为材料, 设置0、350和700 µmol∙L^-1铝处理, 同时分别施加0、30、60和90 µmol∙L^-1复合有机酸, 探究外源有机酸对铝胁迫下各时期(7、14和21天)菊芋生理响应和DNA损伤的影响。结果表明, 铝胁迫抑制菊芋根伸长与根系活力, 严重损害菊芋的光合机构与抗氧化系统, 随着铝浓度的增加, DNA拖尾程度升高, DNA受损加剧。而施加复合有机酸能有效缓解铝胁迫造成的损伤。施加60 µmol∙L^-1有机酸可增强抗氧化酶活性, 提高最大光化学效率并促进根尖有机酸分泌, 其中柠檬酸分泌量分别比对照高2倍(徐州菊芋)及0.75倍(资阳菊芋), 根尖铝含量降低, 根系活力增强, 徐州菊芋和资阳菊芋DNA尾距较单独铝处理组下降51.53%和35.10%, 显著缓解DNA拖尾现象, 较大程度修复了DNA断裂。综上, 铝胁迫对菊芋造成的损害严重且较难缓解, 60 µmol∙L^-1有机酸能增强低铝胁迫下菊芋生理响应, 降低DNA受损程度, 提高菊芋的抗逆性, 且在铝敏感品种资阳菊芋中缓解效果更好。该研究揭示了外源复合有机酸对铝胁迫下菊芋生理响应系统的调控作用, 可为菊芋等经济作物在南方酸铝地区的种植与生产提供理论依据。

质膜蛋白是细胞膜的重要组分之一, 在细胞的物质转运、离子交换、信号转导以及代谢过程中起着重要作用。质膜蛋白在膜上是运动的, 生长发育和环境因素均可改变其运动方式。因此, 研究影响质膜蛋白运动的因素及调控机制对于理解植物生长发育和应对环境改变至关重要。近年来, 显微技术发展迅速, 使得关于质膜蛋白动力学调控机制的研究逐步深入。该文详细介绍了质膜蛋白动力学及其影响因素, 概述了近几年在质膜蛋白动力学研究中常用的显微成像技术, 以期为深入研究质膜蛋白的生物学功能提供参考。

Tn5是一种细菌转座子。经改造的Tn5能够高效地切割DNA, 同时连接上特定的接头序列, 因而广泛应用于高通量二代测序文库构建中。CUT&Tag (Cleavage Under Target & Tagmentation)是一种改进的研究蛋白质与DNA互作的技术, 具有重复性好、信噪比高及操作简便等优点。该技术采用pA (Protein A)或pG (Protein G)与Tn5形成融合蛋白, 定位于特定抗体(用于识别目标蛋白), 利用Tn5的特性, 在目标位点附近打断DNA的同时引入测序接头, 随后提取DNA, 再进行PCR扩增即可获得测序文库。但不同类型的抗体与pA或pG的亲和力不同, 因此限制了部分抗体在CUT&Tag技术中的应用。为克服这一局限, 该文构建了pG与Tn5的融合蛋白表达载体, 通过原核表达及亲和纯化的方式获得pG-Tn5重组蛋白; 并以RNA聚合酶II (Pol II)特异性抗体Pol II Ser5P (小鼠IgG1型抗体和兔IgG型抗体)为例, 在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中评估pA-Tn5与pG-Tn5在不同类型抗体的CUT&Tag测序文库构建中的效果。结果表明, IgG1型抗体与pG-Tn5的亲和力更高, 构建的文库质量更好, 而IgG型抗体与2种酶的亲和力相当; 同时, 较低起始量的植物材料也能获得较好的效果, 证明了CUT&Tag的应用优势。该研究优化了CUT&Tag技术, 可为后续CUT&Tag实验中针对不同抗体时Tn5融合蛋白的选择提供参考。

淀粉是水稻(Oryza sativa)胚乳的主要贮藏物质, 其积累过程影响植物后续的生长发育。作为人类从水稻中摄取的主要营养物质之一, 淀粉在水稻中的合成和积累过程备受关注。该文综述了蔗糖从韧皮部卸载、淀粉合成关键酶以及激素等内源因素影响淀粉合成和积累的最新研究进展, 并指出了胚乳淀粉积累过程尚未解决的问题, 旨在为后续深入研究提供参考思路。

光作为重要的环境因子之一, 不仅为植物光合作用提供能量, 而且作为信号影响植物对外界环境的响应。该文综述了红光和远红光对植物生长发育和非生物胁迫响应的调控作用, 重点阐述了光敏色素及下游光信号转录因子整合激素等内源信号调控植物种子萌发、下胚轴伸长、芽发育及开花的分子机制, 以及红光和远红光在植物响应盐、干旱及温度胁迫中的作用机制。在挖掘植物感知和响应光环境机理的基础上, 利用LED光谱技术对作物进行精确补光, 有望提高作物产量、品质和抗逆性, 同时推进实现“双碳”目标, 减少能源消耗和环境污染。

核黄素是生物体维持正常代谢所必需的辅酶因子FMN和FAD的合成前体, 其在线粒体电子传递链、三羧酸循环、脂肪酸β氧化、支链氨基酸分解代谢、氧化还原稳态、染色质重塑、DNA修复、细胞凋亡和次生代谢产物合成中发挥关键作用。核黄素缺乏会引发机体代谢紊乱和一系列表型缺陷, 严重时甚至导致生物体死亡。自然界生命体中仅微生物和植物可以从头合成核黄素, 而人和动物需从食物中获取核黄素。目前, 微生物中核黄素的合成及其调控机制已研究得比较清晰, 而核黄素在植物体内转运和代谢的调控机制尚不清楚。因此, 挖掘核黄素缺乏相关突变体对解析植物核黄素生物合成、转运和代谢的分子机制以及其对植物生长发育的调控机理具有重要意义。该文综述了核黄素的生物合成途径及其关键限速酶, 重点阐述了核黄素参与的植物生长发育过程, 并展望了植物核黄素的研究前景。

松脂醇-落叶松脂素还原酶(PLR)是植物中木脂素生物合成的关键酶, 能够催化松脂醇转化为落叶松脂素, 并进一步催化落叶松脂素生成开环异落叶松脂素, 且存在底物立体选择性, 是一种NADPH依赖型还原酶。PLR的催化产物位于不同类型8-8′木脂素的源头, 其底物选择性直接决定木脂素的骨架类型, 如呋喃、二苄基丁烷、二苄基丁内酯和芳基四氢萘木脂素。因此, PLR的催化特性和表达特征在植物木脂素组成及其生物活性多样性中发挥重要作用。该文综述了PLR在植物木脂素生物合成中的作用、对映异构体选择性及其催化机制, 以期为进一步研究PLR基因的生物学功能以及催化机制奠定基础, 并为不同类型木脂素的精确生物合成指明方向。