2020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比上一年显著增加, 在植物发育、耐逆、系统进化和作物生物学等领域取得了重要研究进展。其中, “小麦抗赤霉病基因 Fhb7的克隆、机理解析及育种利用”和“提高作物品种氮肥利用效率的新机制”两项成果入选2020年度“中国生命科学十大进展”。该文总结了2020年我国植物科学研究取得的成绩, 简要介绍了30项代表性的重要进展, 以帮助读者了解我国植物科学发展态势, 思考如何更好地开展下阶段的研究, 服务国家需求。

通过人工选择优良遗传变异, 将野生植物驯化为栽培作物, 以满足人类对食物的需求, 是人类发展历史中的重要事件, 推动了人类文明的持续发展。随着世界人口持续增加, 耕地面积不断减少, 灾害性天气频发, 全球粮食安全问题日趋严峻。基于作物驯化的分子机理及重要农艺性状的遗传基础, 结合高通量基因组测序和高效基因组编辑技术, 从头驯化野生植物, 创造新型作物, 将是应对这一挑战的有效策略之一。近日, 中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队联合国内外多家单位, 通过组装异源四倍体高秆野生稻(Oryza alta)基因组, 优化遗传转化体系, 利用基因组编辑技术, 使其落粒性、芒性、株型、籽粒大小及抽穗期等决定作物驯化成功与否的重要性状发生改变, 成功实现了异源四倍体高秆野生稻的从头定向驯化。该突破性研究成果证明了通过从头驯化将异源四倍体野生稻培育成未来的主粮作物, 是确保粮食安全的可行策略, 同时也为从头驯化野生和半野生植物、创制新型作物提供了重要参考。

为应对持续不断的环境压力和逆境胁迫, 植物需要整合内部和外部信息来调整自身的生长发育, 以适应环境。其中, 可溶性糖不仅是基础能量和营养代谢的必需分子, 也是参与植物生长发育和应对胁迫的信号分子。然而, 植物整合糖信号, 平衡营养代谢和胁迫应答的分子机制尚不清楚。最近, 福建农林大学熊延团队发现, 居于植物营养感受通路中心地位的TOR激酶能够直接磷酸化乙烯信号核心组分EIN2蛋白, 形成1个葡萄糖-TOR-EIN2的营养感受和调控轴心。植物通过不同的蛋白激酶(TOR和CTR1)精确调控EIN2不同位点的磷酸化, 从而使EIN2成为葡萄糖信号和乙烯信号的交叉中心, 精巧地调节植物的生长发育。

植物先天免疫系统在抵御病原菌入侵过程中发挥至关重要的作用, 主要包括两个层次, 即病原菌相关分子模式和效应因子分别触发的PTI和ETI免疫反应。PTI和ETI分别由植物细胞膜表面模式识别受体(PRRs)和胞内免疫受体(NLRs)激活, 具有特异的激活机制, 但是两者激活的下游免疫事件相互重叠。PTI和ETI是否为泾渭分明的两道防线, 以及ETI与PTI下游事件为何如此相似, 一直是植物免疫领域最受关注的问题之一。最近, 中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳团队与合作者利用拟南芥(Arabidopsis thaliana)与丁香假单胞杆菌(Pseudomonas syringae)互作系统对PTI和ETI在机制上的联系进行了研究。他们发现PRRs和共受体参与ETI, 而活性氧的产生是联系PRRs和NLRs所介导的免疫早期信号事件。他们还发现NLRs信号能够迅速增强PTI关键因子的转录和蛋白水平, PTI的增强在ETI免疫反应中不可或缺。该研究从机制上解析了植物免疫领域中长期悬而未决的PTI与ETI相似性之谜, 是该领域的一项突破性进展, 为未来作物分子设计育种提供了新的启示。

植物有性生殖过程中, 花粉-柱头间的识别作用是确保亲和花粉萌发、完成受精并保持后代遗传稳定性的重要环节, 也是农业生产上杂交育种的一个障碍。相关研究历来备受关注。然而, 经过几十年的研究, 亲和花粉如何被识别仍是未解之谜。最近, 华东师范大学李超团队的研究成果, 揭示花粉外被B类小肽PCP-Bs与柱头分泌的RALF23/33小肽竞争性地与柱头乳突细胞质膜上的ANJ-FER受体激酶复合体直接结合, 通过下游RAC/ROP-NADPH氧化酶信号途径调节柱头活性氧水平, 从而调节亲和花粉水合作用的机制。这一发现是认识花粉与柱头识别机制的重要突破。

生长素极性运输调控植物的生长发育。生长素极性运输主要依赖3类转运蛋白: AUX/LAX、PIN和ABCB蛋白家族。生长素在细胞间流动的方向与PIN蛋白在细胞上的极性定位密切相关。PIN蛋白由1个中心亲水环和2个由中心亲水环隔开的疏水区组成。中心亲水环上含多个磷酸化位点, 其为一些蛋白激酶的靶点。PIN蛋白受多方面调控, 包括转录调控、转录后修饰以及胞内循环与降解, 以响应内源和外源信号。目前, 利用全基因组测序方法在禾谷类作物水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)和高粱(Sorghum bicolor)中分别鉴定出12、15和11个PIN基因, 但仅有少数PIN基因的功能被报道。该文从蛋白结构、活性调控和功能验证等方面综述了PIN蛋白在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和禾谷类作物中的研究进展, 以期为探究PIN蛋白家族介导的生长素极性运输过程提供新的思路与线索。

提高棉花(Gossypium hirsutum)产量兼顾改良纤维品质是棉花育种的重要目标, 而优良种质创新是品种改良的基础。FBP7::iaaM基因能够调控棉花胚珠表皮细胞IAA的含量, 进而促进棉纤维发育的起始。利用含有FBP7::iaaM基因的种质IF1-1, 通过常规杂交育种手段实现了目的基因向骨干亲本的转移, 培育了优良陆地棉种质冀资139, 并用4个不同类型的陆地棉品系对冀资139纤维品质性状进行了杂种优势分析。结果表明, FBP7::iaaM基因及其调控的优良性状可以在骨干育种亲本中传递, 具有较高的育种价值; 转FBP7::iaaM基因的冀资139具有综合性状优良、优质和高衣分等特点; 纤维长度、比强度及马克隆值的遗传主要由基因加性效应控制, 这为其作为骨干亲本的应用提供了理论依据。

植物激素是植物体内合成的一类重要小分子物质, 其含量可因外界条件变化而改变, 并作为信号物质调控植物生长发育和适应环境。水培所用介质体积过小会造成植物生长受限、植株矮小, 通常认为是小体积生长介质中营养成分不足所致。研究表明, 在不同体积且不含任何营养物质的纯水中培养的水稻(Oryza sativa)亦表现出不同的生长速度, 幼苗在小体积水中生长缓慢而在大体积水中则生长快速且健壮。用液相色谱-质谱(LC-MS)测定培养液和水稻幼苗的激素含量, 发现相比于大体积培养条件, 小体积培养液中的植物体内积累了较多的ABA、SA和JA-Ile等胁迫相关激素, 最终导致幼苗生长缓慢和生物量积累减少。结果表明植物可能通过感知根际激素浓度来预测外界水量限制, 并据此调节生长速度, 以最大限度地适应外界环境。研究结果对揭示根分泌激素的生理功能以及优化植物工厂的水培条件具有借鉴意义。

凝集素是一类具有特异性糖结合活性的蛋白质, 通常具有1个或多个非催化的糖结合结构域。凝集素在植物对病原菌的防御反应中发挥重要作用。由于其抗细菌、真菌、病毒和昆虫等的活性, 凝集素在农业和生物医药领域都具有很大的应用潜力。作为最小的凝集素家族之一, 苋科凝集素的研究较少。该文通过对重要经济作物黄瓜(Cucumis sativus)的基因组进行分析, 对16种苋科凝集素基因在黄瓜基因组中的分布和位置进行研究, 并分析相关基因的外显子/内含子组成。进一步通过启动子分析, 阐明了苋科凝集素基因对非生物胁迫的响应情况。最后, 通过实时荧光定量PCR, 检测了黄瓜中4种苋科凝集素基因对低温、高盐、干旱和ABA处理的响应情况。研究结果可为揭示苋科凝集素的生理功能及其在植物胁迫响应中的作用提供参考。

果胶作为植物细胞壁多糖之一, 其结构和功能非常复杂。果胶主要由同型半乳糖醛酸聚糖(HG)、鼠李半乳糖醛酸聚糖I (RGI)和鼠李半乳糖醛酸聚糖II (RGII)组成。果胶类成分在维持细胞壁结构的完整性以及细胞间黏附和信号转导等方面发挥重要作用。研究果胶类成分的结构、分布和功能, 对理解细胞壁高级结构的构建和功能具有重要意义。然而, 3种果胶组分在细胞壁内如何交联形成高级结构并发挥生物学功能, 目前尚不明确。该文重点阐述果胶3种组分(HG、RGI和RGII)的生物合成、功能以及果胶的显微成像, 旨在为植物果胶结构及功能研究提供参考。

自噬(autophagy)是真核生物长期进化形成的一种高度保守的细胞内物质降解和周转途径, 通过形成双层膜结构的自噬体将包裹其中的待降解大分子物质, 如受损伤的蛋白质、蛋白质复合物和细胞器, 运送至液泡或溶酶体进行降解并产生可循环利用的降解产物。细胞自噬在植物生长发育和环境应答等过程中发挥重要作用。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)等模式植物中已鉴定到40多个自噬基因, 并发现其中多个基因在植物叶片衰老、种子成熟等发育阶段以及营养饥饿、干旱和病原菌侵染等逆境胁迫响应过程中显著上调表达, 但具体的转录激活或抑制机制有待阐明。该文综述了自噬基因在植物生长发育和胁迫应答过程中的功能与转录调控网络。

种子萌发是子代植株建立、生长和繁育的重要阶段, 在种子植物生命周期中起重要作用。种子休眠是在发育过程中形成的, 在生理成熟期达到峰值。种子休眠与萌发的植物激素调控可能是种子植物中一种高度保守的机制。细胞分裂素(CK)是植物体内的一种重要信号分子, 调控植物生长发育的许多方面。生物活性CK的水平由其生物合成、活化、失活、再活化和降解之间的平衡所调控, 种子的发育、休眠与萌发受生物活性CK的水平和信号转导途径调控。该文综述了CK的生物合成与代谢、信号转导以及对种子发育、休眠与萌发的调控作用, 提出了在本领域需要进一步研究的科学问题, 旨在为理解CK调控种子发育、休眠与萌发的分子机理提供参考。

反式-2-己烯醛是绿色植物释放的一种小分子挥发性物质, 在调节植物生长发育和抵抗各种环境胁迫中发挥重要作用。已有研究表明, 反式-2-己烯醛可抑制植物根系生长, 具有较高的抑菌和抗虫活性, 也可以作为植物间的“信使”来传递防御信号。该文系统综述了反式-2-己烯醛的生物合成、代谢途径及其在生物胁迫防御反应中的重要作用, 提出了研究中存在的问题及未来的研究方向和建议, 以期为深入揭示反式-2-己烯醛的作用机理提供参考。