2021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相比2020年显著增加, 在雌雄细胞识别与受精、干细胞命运决定、菌根共生、光合膜蛋白复合体、氮磷养分利用、先天免疫、作物从头驯化与基因组设计等方面取得了重要研究进展,“异源四倍体野生稻快速从头驯化”入选2021年度“中国生命科学十大进展”。该文总结了2021年度我国植物科学研究取得的成绩, 简要介绍了30项重要进展, 以帮助读者了解我国植物科学的发展态势, 思考如何更好地将植物科学研究与国家重大需求有效衔接。

野生植物的驯化为人类定居与文明起源奠定了重要基础。在世界范围内不同地区生活的古人类分别对当地不同的野生植物进行了驯化, 而经过驯化的作物常常表现出相似的驯化综合性状。在基因组层面上对趋同选择规律的解析, 可为作物育种提供重要信息与遗传资源。近日, 中国农业大学杨小红/李建生和华中农业大学严建兵领衔的团队从单基因和全基因组2个层次系统解析了玉米(Zea mays)和水稻(Oryza sativa)趋同选择的遗传基础, 发现玉米KRN2与水稻OsKRN2受到了趋同选择, 并通过相似的途径调控玉米与水稻的粒数与产量。他们还发现玉米与水稻在全基因组范围内存在大量趋同选择同源基因对(gene pair), 这些基因在淀粉代谢、糖及辅酶合成等途径特异富集。该研究不仅克隆了在玉米与水稻中均具有重要育种价值的趋同选择同源基因对KRN2/OsKRN2, 而且在全基因组水平上揭示了玉米与水稻趋同选择的规律, 为进一步解析驯化综合性状形成的分子机理及其在育种中的应用奠定了重要理论基础。

维生素E (V_E)是稻米营养品质的重要指标。水稻(Oryza sativa)是我国种植最广泛的粮食作物, 增加其籽粒的V_E含量是实现国民营养强化的一条便捷有效的途径。该研究以籼稻华占(HZ)为父本, 粳稻热研2号(Nekken2)为母本, 构建120个重组自交系(RILs)群体。采用高效液相色谱法(HPLC)对RILs群体的V_E各组分含量进行测定, 并基于构建的高密度分子遗传图谱进行QTL定位, 谱系分析后挖掘到122个V_E总量和分量相关QTLs, 分布在12条染色体上。其中qT3α/to2-1的LOD值高达10.32, qT3α2-1的LOD值高达9.91, 另有多个控制各异构体含量的主效QTLs, 且区间内包含OsGGR1、OsGGR2、OsTC及OsγTMT等V_E生物合成基因。通过qRT-PCR检测亲本中V_E合成基因的表达量, 发现在华占中候选基因的表达量均极显著高于热研2号, 推测这些基因的高表达是华占生育酚及生育三烯酚含量高于热研2号的原因。研究挖掘到的QTL数目较多, LOD值也较大, 为进一步筛选和培育高V_E含量的水稻新品种奠定了分子基础, 同时为揭示水稻V_E生物合成的分子调控机制提供了重要基因资源。

铅胁迫是影响植物生长的主要非生物因素之一。以二年生虎舌红(Ardisia mamillata)和朱砂根(A. crenata)为实验材料, 探究外源褪黑素(MT)处理对不同浓度铅胁迫下2种植物生理响应及DNA损伤的调控效应。结果表明, 相同处理时间内, 随着铅胁迫浓度的升高, 虎舌红与朱砂根的3种抗氧化酶活性、脯氨酸(Pro)及可溶性蛋白(SP)含量均先升高后降低, 而丙二醛(MDA)含量先降低后升高, 根尖胼胝质含量持续升高, 根系DNA损伤加剧。施加适宜浓度的外源褪黑素(MT)后, 不同浓度铅胁迫下2种植物的抗氧化酶活性得到有效增强, 且均在100 µmol∙L^-1 MT处理时达到最大值, Pro和SP含量均显著升高, MDA含量则先显著降低而后缓慢升高, 根尖胼胝质含量持续增加, 根系DNA损伤得到改善; 随着MT浓度的持续升高, 其缓解作用逐渐减弱。相较于虎舌红, 朱砂根对铅胁迫的抗性更强, 生理响应更稳定。施加外源MT可有效缓解铅胁迫对虎舌红和朱砂根的毒害作用(缓解效果朱砂根>虎舌红), 增强二者对铅毒的耐受性, 其中100 µmol∙L^-1 MT处理下缓解效果最佳。研究揭示了虎舌红和朱砂根抗铅性的优劣及外源MT对铅毒的缓解效应, 为紫金牛属植物抗铅性研究提供理论参考。

地钱(Marchantia polymorpha)作为雌雄异株的苔纲植物, 具有对重金属胁迫敏感的特性, 且种群中雌雄比例差异较大, 是研究重金属环境下植物性二态的理想对象之一。为探究雌雄地钱转录组对重金属镉的响应机制差异, 利用高通量测序和加权基因共表达网络分析(WGCNA), 鉴定了在镉胁迫条件下与不同性别地钱有关的模块和基因。结果表明, 镉胁迫响应转录因子雌雄差异主要集中于bHLH、ERF和MYB家族。关键差异响应基因包括MARPO_0147s0038、MARPO_1326s0001和MARPO_0015s0058。差异响应通路雌性主要集中在信号转导通路, 雄性则集中于类黄酮生物合成。研究结果有助于揭示雌雄异株地钱对镉胁迫的反应过程和响应机制, 可为理解雌雄异株植物对重金属胁迫的性别特异性响应机制提供参考。

I型H⁺-PPase参与糖异生和蔗糖分解代谢, 利用不同的糖(蔗糖、葡萄糖和果糖)饲喂拟南芥(Arabidopsis thaliana) I型H⁺-PPase基因不同类型的突变体, 产生的表型不一致, 因此, 推测I型H⁺-PPase可能存在其它影响糖代谢的机制。为进一步明确该酶对糖代谢的影响, 以过表达MtVP1的马铃薯(Solanum tuberosum)渭薯4号为研究对象, 观察不同培养条件下的表型, 监测糖含量变化, 并利用转录组测序分析转录谱。结果表明, 过表达MtVP1马铃薯表现出红色茎、紫色花和表皮毛更发达, 单株块茎数减少, 块茎变大, 块茎皱缩速度加快; 转基因马铃薯块茎中淀粉、葡萄糖和果糖含量显著下降, 芽中葡萄糖和果糖含量也显著下降。果糖饲喂导致转基因马铃薯花青素含量显著降低; 转基因马铃薯体内果糖-1,6-二磷酸酶和果糖- 2,6-二磷酸酶基因表达上调3-7倍。研究结果为进一步从糖代谢角度探究I型H⁺-PPase的生理功能提供参考。

为探究气温和根区温度对葡萄(Vitis vinifera)叶片光合荧光特性的影响, 以一年生巨峰葡萄为试材, 设置对照、高气温、高根区温度和两者交叉作用共4组处理。结果表明, 相较于对照和高气温, 高根区温度以及交叉处理叶片最大光化学效率(F_v/F_m)降低更明显; 与对照相比, 高根区温度以及高气温与高根区温度交叉处理下光系统II (PSII)实际光化学效率Y(II)显著降低, 非调节能量耗散的量子产量Y(NPQ)及Q_A氧化还原状态(1-q_P)值显著上升。同时, 高根区温度以及高气温与高根区温度交叉处理显著增加了J点的可变荧光(V_j), 而用于电子传递的量子产额(φ_Eo)及性能指数(PI_ABS)显著降低。此外, 高根区温度以及高气温与高根区温度交叉处理下单位面积有活性的反应中心数目(RC/CS_m)也显著下降, K点相对可变荧光(W_k)明显上升。综上所述, 高根区温度是高气温与根区高温交叉胁迫的主导因子, PSII受体侧是主要的伤害位点, 高气温加剧了高根区温度对PSII造成的伤害。

为建立野生大花银莲花(Anemone silvestris)组培再生体系, 分别以无菌苗上、下胚轴、叶片和叶柄为外植体, 探讨不同浓度植物生长调节剂对不同外植体的愈伤组织诱导、不定芽分化、增殖与生根的影响。结果表明, 4种外植体均可诱导出不定芽, 其中上胚轴诱导效果最佳, 其在1/2MS+2.0 mg∙L^-1 6-BA+0.1 mg∙L^-1 NAA培养基中诱导率最高, 为86.67%; 最适增殖培养基为1/2MS+1.0 mg∙L^-1 6-BA+0.05 mg∙L^-1 NAA, 增殖系数为3.67; 最佳生根培养基为1/2MS+0.3 mg∙L^-1 IBA, 生根率为100%; 在草炭:蛭石=2:1 (v/v)的栽培基质中, 组培苗的移栽成活率最高, 为98.33%。该研究有效解决了野生大花银莲花在园林及药用生产上的种质资源紧缺难题, 为工厂化育苗提供了技术支撑。

为了提高樟叶越桔(Vaccinium dunalianum)悬浮培养细胞的生物量, 以樟叶越桔叶片愈伤组织为试材, 通过单因素试验探究不同蔗糖浓度、培养基pH值、培养基体积、初始接种量和摇床转速对悬浮培养细胞生长的影响, 并根据响应面法Box-Behnken试验设计原理进行组合试验以优化培养条件。结果显示, 以改良WPM培养基为基础培养基, 樟叶越桔细胞悬浮培养的最优条件为40 g·L^-1蔗糖、培养基pH5.2、培养基体积45 mL、初始接种量2.64 g和摇床转速为149 r·min^-1, 其细胞生物量干重为0.184 4 g, 与理论预测值0.184 5 g较为接近, 且细胞的生长曲线呈S型。研究结果为樟叶越桔悬浮培养细胞次生代谢产物的生产调控奠定了技术基础。

我国的稻米镉超标对国民身体健康造成严重威胁, 而选育低镉积累的水稻(Oryza sativa)品种是降低稻米镉含量行之有效的策略, 因此有必要了解水稻对镉的积累特性及其生理过程和相关功能基因。该文概述了镉在水稻根部的吸收、木质部中的装载与运输、茎节中的分配、叶片中再分配以及籽粒镉积累等过程的生理和分子机制研究进展, 以期为低镉水稻的选育和安全生产提供理论参考。

光合作用是地球上最重要的化学反应。虽然针对植物光合作用已经进行了广泛深入的研究, 但从三维层面探讨植物叶片光合功能及其调节作用的工作较少。叶片结构、光合机构组分、叶片内光能吸收和传递均具有明显的三维特性, 极大影响叶片内CO₂转运、叶肉细胞的电子传递和碳同化, 进而使叶片光合功能及其调控表现出复杂的三维特征。因此, 从三维角度分析叶片光合特性有助于理解光合作用机理, 也能够为提高植物光合作用效率提供理论支持。