一氧化氮(NO)作为一种具有活性的小分子物质参与众多动植物生理活动。在蛋白转录后修饰方面, NO主要以S-亚硝基化(S-nitrosylation)的形式参与。而甲基化作为另一种蛋白翻译后修饰, 在DNA损伤及mRNA翻译方面具有重要作用。虽然近年来有关这2种蛋白翻译后修饰方面的研究成果较多, 但是2种途径之间是否存在相互作用却报道较少。近期, 我国科学家发现NO可以通过S-亚硝基化修饰PRMT5的第125位半胱氨酸, 正向调节该精氨酸甲基转移酶活性。prmt5-1突变体表现出严重的发育障碍且对非生物胁迫敏感。通过互补第125位半胱氨酸点突变PRMT5基因, 使之转化为不可被S-亚硝基化修饰的氨基酸后, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)植株可恢复突变体的发育障碍, 但无法恢复其非生物胁迫敏感表型。实验同时证明, PRMT5蛋白第125位半胱氨酸的S-亚硝基化修饰参与调节NaCl诱导的精氨酸对二甲基化。该研究引领了蛋白S-亚硝基化和蛋白甲基化修饰新方向, 开辟了新的研究领域, 同时为相关研究树立了新的榜样。

在自然环境中, 植物与微生物紧密互作。病原微生物侵染植物, 严重制约了农作物的生产, 并威胁生态安全; 有益的微生物则与植物形成了互惠互利的同盟关系, 促进植物的健康生长。近年来, 我国科学家在植物-微生物互作领域屡获突破, 从整体上取得了长足进步。该文重点介绍了2017年我国科学家在国际顶级学术期刊上发表的4篇研究成果, 并对本领域的发展进行了展望。

低温是影响植物生长发育以及植被分布的重要环境因子。目前, 低温信号研究中比较清楚的是CBF依赖的低温信号途径。该文总结了近年来有关CBF的研究成果, 详细介绍了CBF家族成员在植物耐寒性中的重要作用, 着重分析与讨论CBF介导的低温调控网络及一系列复杂调控机制。理解CBF的复杂作用机制有助于了解植物中CBF介导的冷信号如何平衡耐寒性与生长发育, 进而有助于耐寒作物的培育。

MADS-box基因家族参与调控开花时间、花器官分化、根系生长、分生组织分化、子房和配子发育、果实膨大及衰老等植物生长发育的重要过程。基于甘蓝型油菜(Brassica napus)基因组测序数据, 利用生物信息学方法对甘蓝型油菜MADS-box基因家族进行鉴定和注释及基因结构与系统进化分析。结果显示, 在甘蓝型油菜中鉴定出307个MADS-box基因家族成员, 根据进化关系可将其分为两大类型, I型(M-type)包含α、β、γ三个亚家族, II型(MIKC-type)包括MIKC^C和MIKC*两个亚家族, MIKC^C可进一步分为13个小类; 甘蓝型油菜A基因组染色体上分布的MADS-box基因多于C基因组。在基因结构上, MIKC-type亚家族基因序列普遍比M-type长且含有较多的外显子; M-type亚家族蛋白序列中的motif数量为2-5个, MIKC-type亚家族蛋白序列中平均含有7个motif。拟南芥(Arabidopsis thaliana)与甘蓝型油菜MADS-box基因共线性分析结果显示, 全基因组复制事件对MADS-box基因家族尤其是MIKC亚家族的扩张起重要作用; MIKC亚家族基因在进化过程中受到的选择压力约为M-type的2倍, 这表明MIKC-type亚家族在进化过程中被选择性保留。

拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtTTG1作为WD40重复转录因子存在于细胞核中, 对表皮毛形成、花青素合成和储藏物质积累等具有重要调节作用。该研究从甘蓝型油菜(Brassica napus)品种秦优7号中克隆获得了BnTTG1-1基因的全长CDS序列, 对其进行了烟草(Nicotiana benthamiana)叶片细胞的亚细胞定位研究, 检测了BnTTG1-1在油菜(B. campestris)中的时空表达模式, 并比较分析了BnTTG1-1对多个生物学过程的影响作用。结果表明, BnTTG1-1定位于烟草叶片细胞的细胞核中, 推测其作为转录因子发挥调节作用。BnTTG1-1广泛存在于油菜营养组织和发育的种子中。在突变体ttg1-13背景下, 异源表达BnTTG1-1基因能够完全恢复该突变体的多个表型, 如无表皮毛形成和花青素合成、种皮呈黄色、种子脂肪酸和储藏蛋白含量高以及在种子萌发和幼苗形态建成过程中对高葡萄糖和高盐胁迫耐受力差等。由此可知, 甘蓝型油菜BnTTG1-1与拟南芥AtTTG1在植物生长发育的多个生物学过程中具有类似的功能。

对山葡萄(Vitis amurensis)种质资源样品的ITS、ITS2、psbA-trnH、rbcL和matK序列进行PCR扩增及测序, 优化PCR反应的退火温度, 比较各序列的扩增效率、测序成功率、品种间和品种内的差异及barcoding gap图, 使用BLAST和NJ树法比较不同序列的鉴定能力, 最终从5条DNA片段中筛选出可用于山葡萄种质资源鉴定的DNA条形码通用序列。结果表明, 在采集的11份33个山葡萄样品中, psbA-trnH和ITS2序列的扩增与测序成功率较高, 其品种间、品种内差异及barcoding gap较ITS、rbcL和matK序列具有明显的优势, 且ITS2序列能够鉴别psbA-trnH序列无法鉴别的品种。实验证明, ITS2和psbA-trnH序列是较适合鉴别山葡萄资源的DNA条形码序列组合。DNA条形码弥补了形态学鉴定的不足, 可为山葡萄种质资源的准确鉴定提供科学依据。

以耐盐性较强的砧木1103P为对照品种, 对左山一×SO4杂种砧木F₁代的6个株系(A15、A17、A34、A35、A38和A48)及左山一×101-1杂种F₁代2个株系(B24和B26)的一年生盆栽扦插苗进行100 mmol·L^-1 NaCl胁迫处理, 以各自无盐胁迫为对照处理。20天后, 根据表型计算盐害指数, 测定叶绿素含量、光合气体交换参数、叶绿素荧光参数以及生长量指标; 以各项生长指标的耐盐系数为耐盐指标, 通过主成分分析、相关性分析、隶属函数分析和聚类分析等方法对葡萄株系进行综合评价。结果表明, A34和A35植株无盐害症状, 盐害级数为0; A15和A17植株有少部分叶片边缘焦枯, 盐害级数为1。盐胁迫大幅度降低了1103P和B26等株系的叶绿素含量、光合速率、新梢生长量和生物量; 而A15、A17、A34和A35植株的各项指标降低幅度较小。将生物量等12个单项指标转换成3个相互独立的综合指标, 通过聚类分析, 发现A34、A35、A15和A17植株的耐盐性较强, A38、A48和B24植株的耐盐性中等, 1103P和B26植株的耐盐性较弱, 与盐害分级结果一致。

植物在自然状态下释放负离子的能力很弱, 施加脉冲电场可激发其释放能力。在密闭的玻璃箱中, 研究紫背竹芋(Stromanthe sanguinea)、绒叶肖竹芋(Calathea zebrina)和朱顶红(Hippeastrum rutilum)在常态、脉冲电场和光照刺激下释放负离子的浓度, 并观察叶片气孔特征, 结果表明: (1) 不同参数脉冲电场对植物释放负离子的能力影响不同, 每种植物均具有高效释放负离子的最佳脉冲电场, 紫背竹芋为A₃B₃C₃ (A₃, U=1.5×10⁴ V; B₃, T=1.5 s; C₃, τ =65 ms); 绒叶肖竹芋为A₃B₄C₁ (A₃, U=1.5×10⁴ V; B₄, T=2.0 s; C₁, τ =5 ms); 朱顶红为A₄B₄C₁ (A₄, U=2.0×10⁴ V; B₄, T=2.0 s; C₁, τ =5 ms)。(2) 植物体上所储存的电压越大, 其释放负离子的能力越强。(3) 脉冲电场作用时, 植物释放负离子的能力与光照度呈正相关; 无电场刺激时两者差异不显著(P>0.05)。(4) 植物释放负离子的能力与叶片气孔特征关系密切, 脉冲电场作用下叶片气孔的开合度和气孔密度越大, 其释放能力越强。

短命植物是荒漠生态系统的重要组成部分。为了解短命植物叶片N、P化学计量特征随生长季变化的特点, 选择古尔班通古特沙漠6种优势短命植物(3种一年生短命植物, 3种多年生类短命植物)为研究对象, 对比了2种生活型短命植物叶片N、P化学计量特征随生长季变化特点。结果表明, 3种一年生短命植物尖喙牻牛儿苗(Erodium oxyrrhynchum)、小花荆芥(Nepeta micrantha)以及条叶庭芥(Alyssum linifolium) N含量平均值(±标准差)分别为(11.23±7.16)、(14.11±6.38)和(10.85±6.14) mg·g^-1; P含量平均值分别为(2.82±0.73)、 (3.12±1.24)和(3.43±0.55) mg·g^-1; 3种多年生类短命植物独尾草(Eremurus chinensis)、雅葱(Scorzonera pusilla)和簇花芹(Soranthus meyeri) N含量的平均值分别为(19.97±5.94) (15.08±4.01)和(17.94±9.03) mg·g^-1; P含量平均值分别为(3.55±0.83)、(2.73±1.11)和(5.03±0.65) mg·g^-1。由此可见, 短命植物在生长过程中叶片N-P化学计量特征存在一定差异。各物种N、P含量在生长初期都大于其它生长季节, 在生长旺季随叶片生物量增加, N、P含量呈下降趋势; 而在生长末季N、P含量又有所回升。相关性分析表明, 不同生活型短命植物元素间的关系存在差异, 但同一生活型短命植物元素间的关系并无显著差异, 体现了种内一致性。

筛选堇叶紫金牛(Ardisia violacea)野生优株, 以其当年新发带休眠腋芽茎段为外植体, 通过启动培养、丛生芽诱导增殖、壮苗培养、生根培养和炼苗移栽等过程建立其组培快繁技术体系。研究结果表明, 最佳启动培养基为MS+0.80 mg·L^-1 KT+0.10 mg·L^-1 NAA+0.10 mg·L^-1 IBA, 腋芽萌发率达92.60%; 最佳丛生芽诱导增殖培养基为MS1+0.50 mg·L^-1 TDZ+0.10 mg·L^-1 NAA, 平均增殖系数达8.60; 最佳壮苗培养基为MS+1.00 mg·L^-1 KT+0.50 mg·L^-1 NAA; 最佳生根培养基为1/2MS+2.00 mg·L^-1 IBA+1.00 mg·L^-1 NAA+1.00 mg·L^-1 AC, 平均生根率达98.70%; 采用松鳞和泥炭(2:1, v/v)作为炼苗基质, 炼苗成活率可达85.30%。实验成功建立了堇叶紫金牛高效组培快繁技术体系, 经验证该体系能够满足规模化生产的需求。

为探索药用植物雷公藤(Tripterygium wilfordii)悬浮细胞原生质体提取的最优条件, 并建立雷公藤原生质体瞬时转化体系, 以雷公藤悬浮细胞为材料, 对酶解液配比、酶解时间、甘露醇浓度及处理转速进行考察。用PEG介导的瞬时转化法将外源基因转化到雷公藤原生质体中。结果表明, 以雷公藤悬浮细胞为材料提取原生质体的最佳条件是酶液配比为2.0%纤维素酶+0.5%果胶酶+0.5%离析酶, 甘露醇浓度为0.6 mol?L^-1, 酶解10小时, 处理转速为67×g; 用PEG介导法将含有编码GFP的植物表达载体转化雷公藤悬浮细胞原生质体, 激光共聚焦扫描显微镜下细胞显示绿色荧光。通过实验筛选得到雷公藤悬浮细胞原生质体的最佳提取条件, 建立了雷公藤悬浮细胞原生质体的瞬时转化体系, 为进一步开展雷公藤功能基因及合成生物学研究奠定了基础。

利用发根农杆菌A4和R1601感染北玄参(Scrophularia buergeriana)叶片外植体, 诱导产生毛状根, 产生的毛状根可在无激素的液体和固体MS培养基上快速生长。rolB基因的PCR检测表明, Ri质粒中的T-DNA片段整合到了北玄参毛状根的基因组中。毛状根在附加0.5 mg·L^-1 6-BA及0.1 mg·L^-1 NAA的MS固体培养基上形成绿色愈伤组织, 之后形成不定芽, 并获得再生植株; 毛状根在附加0.5 mg·L^-1 6-BA及0.02 mg·L^-1 NAA的MS固体培养基上培养约15-20天可直接形成不定芽, 且不定芽的诱导率达85%。

单细胞组学技术在动物研究中已经得到广泛应用, 但在植物学领域尤其是保卫细胞研究中还处于起步阶段。由保卫细胞构成的气孔承担着植物生命过程中水分散发及气体交换大门的作用。将单细胞组学技术应用到保卫细胞功能解析中将有助于了解保卫细胞参与的基本生理过程。该文综述了植物单细胞组学技术的发展、保卫细胞研究现状及单细胞组学技术在植物保卫细胞研究中的初步应用, 为借助该技术解决植物生物学中保卫细胞发育、代谢及对环境胁迫响应等基本问题提供研究思路和方法。

水稻(Oryza sativa)为世界上30多亿人口的主食, 是最重要的粮食作物之一。作为栽培水稻类型之一的香稻, 由于其稻米具有独特的香味, 在国内外市场上深受广大消费者的青睐。近年来, 随着水稻功能基因组和测序技术的快速发展, 针对水稻香味基因的研究取得了较大进展, 并开发了一系列的功能标记应用于香味基因筛选和品种培育。该文综述了水稻香味基因的遗传基础、基因功能及其调控、功能标记的开发及应用的新进展, 以期为香稻新品种培育提供借鉴与参考。

亲免素(immunophilin)是一种免疫抑制剂受体, 广泛存在于细菌、病毒、真菌、植物和动物等生物体中。植物体内亲免素由FK506结合蛋白(FKBPs)、亲环素(CYPs)和parvulin蛋白构成。大多数亲免素具有肽基脯氨酰顺反异构酶活性, 可以作为分子伴侣指导蛋白质的正确折叠。该文总结了亲免素在激素信号传递、光合作用、胁迫响应及基因表达等方面的最新研究进展, 并对今后该领域的研究进行了展望。