作物育种的目标是找到产量和抗性的最佳平衡点, 其中涉及“鱼和熊掌”二者兼得的选择策略。哪些逆境负调控位点影响产量性状, 以及如何调控等是突破育种瓶颈的重要科学问题。近百年来, 高产玉米(Zea mays)育种使玉米单产不断提高, 同时现代玉米品种对干旱的敏感性也呈现出增强趋势, 故而存在高产稳产的潜在风险。可对于这一现象背后确切的遗传机制却知之甚少, 从而限制了既高产又高抗玉米新品种的培育。玉米的非生物胁迫抗性与产量性状均为多基因控制的复杂数量性状, 涉及全基因组范围内大量基因的表达与调控。玉米基因组内存在大量的小RNA (sRNA), 其对基因表达起精细调控作用, 但人们对sRNA调控作物环境胁迫应答与产量性状机制的理解仍然有限。近日, 华中农业大学代明球课题组与李林和李峰两个课题组合作, 基于对338份玉米关联群体在不同环境下的sRNA表达组分析, 鉴定到大量干旱应答的sRNA, 以及调控这些sRNA表达的遗传位点(eQTL); 并克隆了8号染色体上1个干旱特异性eQTL热点DRESH8。生物信息学分析显示, DRESH8是1个由转座子组成的长度约为21.4 kb的反向重复序列(TE-IR)。DRESH8通过产生小干扰RNA (siRNA)介导抗旱基因的转录后沉默, 并间接抑制产量负调控因子的表达, 在负调控干旱应答的同时正调控产量性状。进一步研究发现, DRESH8在玉米驯化和改良过程中受到了人工选择。据此, 他们认为DRESH8可能是玉米平衡抗旱性和产量的关键遗传位点。该研究在全基因组水平上揭示了作物调控产量和环境胁迫抗性平衡的关键遗传机制, 同时也鉴定到大量IR位点, 为未来“高抗、高产”玉米设计育种提供了有价值的操控靶点。

全球气候变暖是人类面临最严峻的环境挑战。有效控制碳排放, 充分发挥生态系统的固碳能力是实现碳中和目标的重要手段。作为碳封存能力最强的一种湿地类型, 泥炭地是加快实现碳中和目标的关键陆地生态系统。作为泥炭地“有效的生态系统工程师”, 泥炭藓(Sphagnum)在泥炭地的碳汇功能、过滤淡水及保护土地免受洪水侵袭等方面具有极其重要的作用。100多年来, 泥炭藓广泛应用于医药保健、污染监测和废水处理等领域, 尤其是作为一类最值得信赖的土壤介质和保湿材料一直被广泛用于园艺产业。在全球气候变暖和“双碳”目标的大背景下, 泥炭藓已经成为生命科学和生态学研究的热点。该文主要从泥炭藓的形态、物种多样性和起源、生境与分布、繁殖和保护、培养与种植、环境指示和监测、用途和应用, 以及碳封存、储水和酸化能力等方面进行综述, 旨在为泥炭藓研究、泥炭地的保护和恢复以及泥炭藓开发利用和产业发展提供借鉴与参考。

TZP (TANDEM ZINC-FINGER/PLUS3)是近年来鉴定到的一个光信号转导途径新组分, 在光介导的植物生长发育过程中发挥重要调控作用。TZP不仅负调控蓝光信号途径, 参与光敏色素B (phyB)介导的开花调控过程, 还参与调控phyA在体内的蛋白质磷酸化。对TZP生化活性和作用机制的深入研究, 不仅有助于进一步完善光信号调控网络, 也可为设计和培育具有耐密理想株型及高光效作物新品种提供理论依据。该文系统总结了TZP在植物光信号途径中发挥的重要调控作用, 并提出未来TZP功能研究的重要问题。

水稻(Oryza sativa)抽穗期是决定产量和品质的重要性状, 在育种、制种及引种驯化过程中发挥重要作用。将热研2号(O. sativa subsp. japonica cv. ‘Nekken2’)和华占(O. sativa subsp. indica cv. ‘HZ’)杂交获得F₁代, 经连续多代自交得到120个重组自交系(RILs)群体。在常规水肥管理条件下, 对120个RILs株系的抽穗时间进行统计分析。利用已构建好的高密度遗传图谱, 对水稻抽穗期相关性状进行QTL定位分析, 结果共检测到11个QTLs, 分别位于第1、3、4、5、6、8和12号染色体上, 其中1个LOD值高达5.75。通过分析QTLs区间内的候选基因, 筛选出可能影响两亲本抽穗期的相关基因, 并利用实时定量PCR进行基因表达量分析, 发现LOC_Os03g03070、LOC_Os03g50310、LOC_Os03g55389、LOC_Os04g55510、LOC_Os08g07740和LOC_Os08g01670共6个基因在双亲间的表达量差异显著, 其中LOC_Os03g50310在Nekken2中的表达量比HZ高3.6倍。对双亲间候选基因LOC_Os03g50310进行测序分析, 发现该基因在5′UTR、CDS区及3′UTR存在4处差异, 其中CDS区的单核苷酸多态性(SNP)差异引发单个氨基酸改变。研究通过挖掘水稻抽穗期QTL位点为进一步克隆水稻抽穗期相关基因和品种选育提供了新线索。

为探究脱落酸(ABA)对水稻(Oryza sativa)抽穗开花期高温胁迫的诱抗效应, 以江西省主推水稻品种黄华占为材料, 于孕穗期用蒸馏水、ABA溶液(10、50和100 µmol∙L^-1)、氟啶酮(FLU)和原花青素(PC) 6种溶液进行叶面喷施, 然后移入对照(CK)和高温胁迫(HS)环境处理8天, 考查籽粒活性氧(ROS)积累、抗氧化防御能力、产量构成及相关基因的表达。结果表明, 高温胁迫下, 水稻的穗长、穗重、结实率、千粒重和产量与超氧阴离子和过氧化氢含量呈显著负相关。高温胁迫下, 喷施ABA显著上调了ABA应答和抗氧化防御基因的表达, 籽粒中活性氧含量下降了8.24%-31.35%; 喷施ABA显著增加了水稻的穗长、穗重、结实率和千粒重, 显著上调了产量形成基因的表达, 增产12.73%-20.77%。高温胁迫下, 喷施FLU可抑制ABA的生物合成, 导致ROS过量积累和水稻减产; 喷施抗氧化剂PC则抑制ROS过量积累, 使产量增加。以上结果表明, 高温胁迫下, 孕穗期喷施ABA不仅能够激发ABA信号通路, 而且上调抗氧化防御能力和产量形成基因的表达, 进而提高水稻在抽穗开花期的耐热性, 达到增产目的。

薰衣草(Lavandula angustifolia)作为名贵的芳香植物, 其生长、繁育、品质和产量均受低温影响。前期研究已获得1个耐低温薰衣草品种。该研究将对其处理的温度从20°C降至0°C, 揭示薰衣草响应冷胁迫的生理及分子调控机制, 同时结合薰衣草的细胞质膜透性、可溶性糖和蛋白质含量及抗氧化酶活性等生理变化。采用转录组学和生物信息学方法挖掘分析相关耐寒基因, 并探讨外施水杨酸缓解-10°C冻胁迫的可行性。研究发现7个编码脂肪酸去饱和酶和转移酶的基因(LaFADs)、3个参与合成可溶性糖的基因(LaBAM1和LaSS2)、19个编码胚胎晚期丰富蛋白的基因(LaLEAs)及7个编码过氧化物酶的基因(LaPODs), 这些基因在低温胁迫下均上调表达, 指导薰衣草合成并积累保护物质, 维持膜稳定性以应对胁迫。此外, 150 mg·L^-1水杨酸预处理能有效缓解植株冻害, 可作为低温保护剂。该研究丰富了薰衣草重要抗逆基因家族的遗传背景, 为后续分子遗传学功能分析和定向品种改良奠定基础。

石墨烯量子点(GQDs)在电化学生物传感器、生物成像和生物医学等领域具有巨大的应用潜力, 在公众和环境中的暴露程度也越来越高, 近年来其生物安全性备受关注。截至目前, 有关石墨烯量子点对植物生长发育影响的研究较少。该文从细胞和分子水平探究了氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)处理对拟南芥(Arabidopsis thaliana)主根生长方向的影响。结果表明, N-GQDs能够被根摄取, 并通过维管束运输。50-100 mg∙L^-1 N-GQDs处理可改变主根的生长方向, 使其朝着远离培养基的方向发生弯曲。研究发现, N-GQDs处理导致根尖小柱细胞中淀粉粒的积累减少, 生长素外排载体PIN3的表达量降低, 小柱细胞中的PIN3重新定位到远离培养基一侧的细胞外侧膜(即朝向空气), 促进根尖生长素的不对称分布, 从而引发主根朝着远离培养基的方向弯曲生长, 以避开较高浓度的N-GQDs环境。研究结果为进一步阐明N-GQDs处理改变根生长方向的机制提供了重要线索, 同时也为N-GQDs的生物安全性评价提供参考依据。

转录因子WRI1 (WRINKLED 1)在油脂合成过程中发挥重要调控作用, 其转录和翻译水平调控机理以及下游的靶基因现已基本明确, 但尚未见其转录后调控的报道。为探讨沙棘(Hippophae rhamnoides) hrh-miRn458与转录因子WRI1之间的靶向关系, 并阐明其在果肉和种子发育过程中的表达模式, 通过生物信息学方法预测hrh-miRn458成熟体序列及其与候选靶基因WRI1的结合位点, 采用双荧光素酶报告基因检测和RNA pull down技术相结合的方法验证hrh-miRn458与WRI1基因之间的靶向关系, 并应用qRT-PCR方法分析hrh-miRn458与WRI1在沙棘不同发育期果肉和种子油脂合成过程中的表达变化。结果表明, 生物信息学预测WRI1基因的CDS区第309-327位与hrh-miRn458成熟体序列的15个碱基互补; 荧光检测显示pmirGLO-WRI1-WT+hrh-miRn458 mimics显著抑制荧光素酶活性(P<0.001); RNA pull down实验证实hrh-miRn458与WRI1存在互作关系; 不同发育期果肉和种子中hrh-miRn458的表达量总体呈先下降后上升趋势, 其靶基因WRI1的表达量则呈先上升后降低趋势; 同一时期, 果肉中hrh-miRn458的表达量明显低于种子, 而果肉中的WRI1表达量则明显高于种子。综上, 沙棘hrh-miRn458靶向转录因子WRI1, 且二者在果肉和种子油脂合成过程中存在负调控关系。研究结果为深入理解沙棘种子油脂合成机制及培育高油品种提供了参考依据。

月季(Rosa hybrida)花色丰富, 是世界著名的观赏花卉。月季红双喜因其花瓣的变色特性而在市场上广受欢迎。该研究通过类黄酮和类胡萝卜素靶向代谢并结合转录组分析, 发现红双喜的黄色花瓣呈色主要源于叶绿素、类胡萝卜素以及类黄酮的积累, 红色花瓣呈色主要是花青素苷积累增加且糖苷化的结果。花青素苷合成关键基因CHI、ANS和UFGT, 以及R2R3-MYB家族的AN2-like成员在红色花瓣中的强烈表达是花青素苷积累的分子基础; 类胡萝卜素成分改变及相关基因的表达变化在红双喜花瓣变色过程中也起重要作用, 并且miRNA156可能参与其调控过程。该研究揭示了月季红双喜花瓣变色的分子和化学基础, 研究结果为观赏植物花色分子设计育种提供了重要理论依据。

选择性剪接是基因转录后的mRNA通过不同的剪接方式产生多样性成熟转录本的过程, 是真核生物细胞中一种重要的转录后调控方式。植物基因也常通过这种断舍离合的方式产生一专多能的转录本, 达到调节多种生命活动的目的。相较于动物, 植物中该领域的研究起步较晚, 但近年来也取得了长足的进步。该文综述了植物基因选择性剪接的生物学意义、剪接方式和机制、研究方法以及在生长发育与环境胁迫适应性调节中的作用, 并展望了未来的研究方向。

随着高通量测序技术的持续发展和进步, 开发出很多新颖的测序技术, 为诸多悬而未决的生物学难题提供了解决方案。其中, 核糖体图谱技术能够在全基因组水平和单核苷酸分辨率上监控细胞内的翻译事件, 填补了转录组学和蛋白质组学研究之间的空隙。核糖体图谱技术不仅能够鉴定处于翻译状态的RNA分子, 还能够精确定位RNA分子上正在翻译的核苷酸, 进而准确描绘RNA分子上的开放阅读框。此外, 结合转录组测序数据, 核糖体图谱技术还可以确定每个转录本上的核糖体数量, 从而计算每个转录本的翻译效率。目前, 核糖体图谱技术已成功应用于动物、植物和微生物等研究领域, 加深了人们对翻译调控机制的认识。然而, 由于植物细胞和组织的特性, 核糖体图谱技术在植物学研究中的应用仍然存在局限。该文综述了核糖体图谱技术的实验原理, 以及在植物学研究中的相关进展。

脱落酸(ABA)具有调节植物快速响应逆境的重要功能。植物细胞中ABA核心信号通路由ABA受体PYR1/PYLs/ RCARs、A类碱性蛋白磷酸酶PP2Cs和Snf1相关蛋白激酶SnRK2s组成。活性氧(ROS)和Ca²⁺是保卫细胞中的重要第二信使, 调控ABA诱导的气孔关闭。该文对保卫细胞中核心ABA信号蛋白的调控以及ROS和Ca²⁺介导的ABA信号转导等最新研究成果进行综述, 旨在阐明保卫细胞中ABA信号调控机制。

真核细胞中, 功能高度保守的内体蛋白分选转运装置ESCRT在胞吞途径和蛋白分泌途径中均扮演重要角色。植物细胞中, 该装置包含ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-III和VPS4/SKD1复合体4个亚基, 但缺乏ESCRT-0亚基。ESCRT的每个亚基均由多个蛋白构成。目前, 针对ESCRT的研究已经证实, 其在泛素化的膜蛋白进入多囊泡体/液泡前体(MVB/PVC)内腔过程中发挥重要调控作用; 同时在自噬途径以及应对环境胁迫等方面也具有重要的调节功能。该文首先介绍了植物中ESCRT复合体的组成及生物学功能, 然后总结了植物中特有ESCRT复合体组分蛋白的最新研究进展, 最后探讨了有关ESCRT复合体研究中尚未解决的重要科学问题。