全基因组关联分析(GWAS)近年来被广泛应用于解析生物自然变异的遗传基础。但限于其遗传定位精度, 在水稻(Oryza sativa)遗传学研究中, 该方法尚无法取代传统的图位克隆法在克隆复杂性状调控基因中的作用。近期, 中国科学家在应用GWAS等大数据来克隆控制水稻粒长和粒重等复杂性状的QTL方面取得了新突破。

2015年中国植物科学研究处于飞速发展的态势, 主要表现在中国植物生命科学家在国际顶级学术刊物发表文章的数量呈现出明显的优势。中国科学家在植物学诸多领域取得了骄人的成果, 如高等植物PSI与捕光天线的超分子复合物晶体结构的解析、水稻感知和耐受寒害机制、乙烯信号转导分子机制研究等。2015年中国生命科学领域十大进展中, 植物科学领域有两项成果入选。值得一提的是, 中国本土科学家因青蒿素的发现与抗疟疾药物新疗法的开创首次获得自然科学领域的诺贝尔奖, 标志着中国植物化学和中药学对人类健康事业的巨大贡献受到国际高度关注, 也标志着中国科学家围绕国家重大需求开展科学技术问题研究模式的有效性和影响力。中国植物科学从跟踪、并行, 逐渐迈入领跑学科发展的方阵。该文对2015年中国本土植物科学若干领域取得的重要研究成果进行了概括性评述, 旨在全面追踪当前中国植物科学领域发展的最新前沿和热点事件, 并与国内读者分享我国科学家所取得的杰出成就。

bZIP蛋白是植物转录因子中最大和最保守的一类转录因子, 参与调控植物生长发育等多种生命活动。谷子(Setaria italica)是一种重要的C4杂粮作物, 其bZIP基因家族与功能报道较少。利用生物信息学工具, 从谷子全基因组中鉴定出73个SibZIP转录因子, 划分为A、B、C、D、E、G、H、I和X等亚家族。与已测序的禾谷类作物相比, 谷子SibZIP基因家族在进化中发生缩减。在谷子SibZIP蛋白中检测到25种不同的保守氨基酸基序。RNA-seq和定量PCR检测结果表明, 在干旱和盐胁迫条件下, 多数SibZIPs基因不同程度地被诱导表达, 预示着部分SibZIP成员在谷子干旱和盐胁迫响应中起重要作用。共表达关联性分析进一步揭示19个谷子SibZIP转录因子可通过与蛋白激酶或NPR1相关调节蛋白等互作介导谷子胁迫响应。研究结果为全面解析谷子SibZIPs基因结构与生物学功能、抗旱分子机制以及分子育种提供了新信息。

为探讨氮肥对水稻(Oryza sativa)穗发育的调控作用, 使用高通量测序技术检测氮肥处理前后水稻叶片和幼穗组织中转录组的变化, 并从中筛选到大量差异表达基因。这些基因的功能涉及转录调控、激素代谢和信号转导、物质代谢和转运、胁迫响应、信号转导(受体)和蛋白质降解等。同时对目前克隆得到的穗发育相关基因进行分析, 发现在氮素穗肥的作用下, 部分重要功能基因的表达量发生了明显变化, 其中一些基因还参与调控水稻株高、抽穗期、分蘖和结实率等性状。对这些差异表达基因的功能研究有助于揭示氮素穗肥调控水稻每穗颖花数的分子机制。

高Ca²⁺环境对许多植物的生长不利, 因此研究植物对高Ca²⁺环境的适应机制非常重要。研究发现, 拟南芥(Ara- bidopsis thaliana)镁转运体MGT7功能缺失突变体mgt7-1和mgt7-2具有高Ca²⁺敏感表型: 在高Ca²⁺培养基上, 相对于野生型Col-0, 突变体叶鲜重显著下降, 但根长无显著差异。高Ca²⁺对MGT7启动子活性和包括MGT7在内的镁转运体基因表达无显著调节作用。Col-0与mgt7突变体之间, 在外加Ca²⁺诱导细胞质Ca²⁺瞬时升高和Ca²⁺含量方面无显著差异; 但是, 在正常和高Ca²⁺培养基上, mgt7突变体的Mg含量均显著低于Col-0。高Ca²⁺显著抑制Col-0和mgt7突变体内Mg的积累。因此我们假设, mgt7突变体的高Ca²⁺敏感表型是由于其体内Mg含量下降导致的。进一步的研究证实, 只有增加培养基中Mg²⁺的含量, 而不是N、P、K和S, 才可以使突变体的高Ca²⁺敏感表型得到恢复。

以大麦(Hordeum vulgare)磷高效基因型(DH110和DH147)和低效基因型(DH49)为材料, 采用盆栽实验研究大麦在极低磷(25 mg·kg^-1土)、低磷(50 mg·kg^-1土)和正常磷(75 mg·kg^-1土)处理下叶片的磷组分和酸性磷酸酶活性特征。结果表明, 低磷胁迫显著降低大麦叶片的无机磷含量, 但对难溶态磷含量影响较小。高效基因型上部叶核酸态磷含量显著高于低效基因型, 而下部叶则显著低于低效基因型, 是低效基因型的18.4%-91.4%。大麦下部叶酯磷含量和分配比例表现为高效基因型低于低效基因型, 而上部叶仅在低效基因型中显著低于高效基因型。核酸态磷和酯磷在高效基因型叶片中的含量分配表明其上部叶的磷素营养状况较优, 而下部叶易溶性有机磷的分解转化作用更强。低磷和极低磷胁迫下, 下部叶酸性磷酸酶的活性显著增加, 且高效基因型显著高于低效基因型, 分别为低效基因型的1.29-1.41倍。磷高效基因型大麦通过提高下部叶酸性磷酸酶活性加强酯磷和核酸态磷的分解, 转化为无机磷, 增加可移动性磷源的含量和比例, 以提高生育后期大麦的磷素再利用能力。

结瘤素基因主要参与豆科植物根瘤的形成。非结瘤植物中也存在类结瘤素基因, 主要调控植物的生长发育。MtN21 (Medicago truncatula NODULIN 21)基因家族属于类结瘤素基因家族, 仅少数成员已被鉴定。以拟南芥(Arabidopsis thaliana) MtN21家族为参考, 对棉花(Gossypium hirsutum) MtN21基因家族进行了生物信息学分析, 发现棉花与拟南芥的 MtN21基因同源性较高, 有共同的跨膜结构域EamA和PLN00411; 棉花中仅含PLN00411结构域的MtN21蛋白等电点低于含EamA结构域的蛋白; 亚细胞定位主要在质膜、液泡膜和叶绿体, 少数在细胞核; MtN21蛋白具有膜内侧的磷酸化位点。研究结果表明, 棉花MtN21为跨膜蛋白, 具有转运活性, 可能在棉花生长发育和病原体免疫方面发挥一定的作用。

植物受体再生及遗传转化体系的建立是对植物进行转基因操作时至关重要的一个技术环节。以菊花优良种质怀黄菊(Chrysanthemum morifolium cv. ‘Huaihuang’)为试材, 探讨胚状体诱导所需的最佳培养基及芽分化和根生长的最适抗生素选择压。在此基础上, 将抗病基因CmTGA1通过同源转化的方法转入怀黄菊, 获得再生植株。结果表明, 在附加1.5 mg·L⁻¹IAA、0.5 mg·L⁻¹ 6-BA和1.0 mg·L⁻¹ 2,4-D的MS培养基上诱导培养15天后, 再去除2,4-D进行分生培养, 并进一步诱导芽再生, 最终86%的供试外植体通过胚状体途径获得再生芽; 在芽分化时所需潮霉素选择压为5.0 mg·L⁻¹, 生根时潮霉素选择压为4.5 mg·L⁻¹。对转化植株进行半定量PCR (semi-quantitative PCR)和实时荧光定量PCR (real-time quantitative PCR)检测, 结果表明, CmTGA1基因成功整合到转化植株基因组中, 从而建立了怀黄菊间接体细胞胚途径转基因受体再生体系。该技术的建立为通过转基因手段解决生产中存在的怀黄菊病害感染严重和种质退化等问题奠定了基础。

黑杨派杨树具有速生丰产、实用性强和无性繁殖能力强等优点; 白杨派杨树则具有材质好和抗逆性强等优点。两个派间的许多经济性状优势互补, 因此黑杨派与白杨派杂交能够获得多优势性状聚合于一体的优良杂种无性系。但黑杨派与白杨派间杂交天然不育, 为了克服黑杨派与白杨派间的远缘杂交障碍, 利用花粉管通道技术将银白杨(Populus alba)总DNA导入辽宁杨(Populus × Liaoninggensis) × N001 (P. deltoids cv. ‘N001’)。获得的D1代植株通过形态学鉴定, 发现其中4株明显具有供体银白杨的表型特征。进一步对其进行AFLP分子鉴定, 最终确定此4株变异植株均为外源银白杨DNA的阳性转化植株。该研究初步建立了黑杨花粉管通道遗传转化体系, 确定外源DNA导入黑杨的最适时间为授粉后30-72小时, 适宜方法为不切柱头滴加导入法, 最佳浓度为200 μg·mL^-1。

水平基因转移是不通过生殖而进行的遗传物质交流, 在原核生物和单细胞真核生物的进化中起着重要作用。然而, 水平基因转移在多细胞真核生物之间的发生频率以及对多细胞真核生物进化的影响尚不明确。近期的一些研究显示, 水平基因转移在高等植物之间以及高等植物和其它生物之间普遍存在。该文将对高等植物中已发现的一些水平基因转移现象进行综述, 并尝试解析植物之间水平基因转移可能的机制及其重要意义。

为了克服传统玻璃切片在植物学实验教学中的局限性, 利用全自动显微镜扫描系统将玻璃切片制作为数字切片, 建立数字切片库, 并与数码显微互动系统相结合, 应用于植物学实验教学中, 不仅有利于提高课堂教学的效率和质量, 而且有利于发展学生的自主学习能力和提高实验技能, 促进相关教学资源的分类管理和持续利用, 有效推动植物学实验教学的改革。以实验教学实践为例, 介绍数字切片的制作过程、应用和不足, 以期为更好地利用现代化手段改革传统教学技术和方法提供帮助。

WOX蛋白家族是植物特有的一类转录因子家族, 是植物胚胎建成、干细胞维持和器官发生等发育过程中的重要调控因子。越来越多的研究表明, 作为干细胞维持的关键因子之一, WOX蛋白家族通过相似或特异的调控网络参与植物初生分生组织(茎尖和根尖分生组织)和次生分生组织(维管分生组织)等各级干细胞的维持和分化。该文综述了近年来WOX蛋白家族调控干细胞发育分子机制的研究进展, 并对其在单、双子叶植物中功能的保守性进行了比较和分析。