2023年中国科学家在植物科学主流期刊发表的论文数量相比2022年大幅提高, 在柱头受体调控十字花科种内和种间生殖隔离, 叶绿体TOC-TIC超级复合物结构, 作物高产、耐逆及抗病机制, 葡萄和柑橘属植物的起源和传播, 现代玉米、谷子和马铃薯种质资源演化等方面取得了重要研究进展。其中, “农作物耐盐碱机制解析及应用”和“新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵”入选2023年度中国科学十大进展, “植物远缘杂交过程中‘花粉蒙导效应’的分子机制”入选2023年度中国生命科学十大进展。该文总结了2023年度我国植物科学研究取得的成果, 并简要介绍了30项有代表性的重要进展, 梳理了植物科学研究中所使用的实验材料, 以帮助读者了解我国植物科学的发展态势, 进而思考如何更好地开展下阶段研究和服务国家重大战略需求。

木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶(XTH)属于糖苷水解酶16家族(GH16), 是一类介导木葡聚糖(XyG)-纤维素骨架构建和重组的酶。为探明XTH家族基因在金鱼草(Antirrhinum majus)中的潜在生物学功能, 通过生物信息学分析, 结合转录组测序(RNA-seq)和实时荧光定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)探究了XTH家族基因分别在金鱼草瓣化和非瓣化雄蕊以及抗感核盘菌材料中的表达水平。结果表明, 鉴定出的33个AmXTH蛋白主要保守基序为ExDxE, 分为3个亚组。AmXTH基因启动子的顺式作用元件多为生长发育、抗病及抗逆类。经RNA-seq和qRT-PCR验证, 最终挖掘出4个正向介导抗病的关键候选基因(AmXTH3、14、18和33), 1个负向介导抗病的关键候选基因(AmXTH23), 12个正向介导雄蕊瓣化的关键候选基因(AmXTH1、7、9、11、21、22、23、24、26、28、29和33)以及2个负向介导雄蕊瓣化的关键候选基因(AmXTH15和31); 其中AmXTH23 和AmXTH33可能同时在金鱼草抗核盘菌和雄蕊瓣化中发挥作用。该研究初步挖掘出参与金鱼草抗核盘菌及雄蕊瓣化的AmXTH候选基因, 为进一步揭示其生物学功能奠定了基础。

肉桂醇脱氢酶(CAD)作为植物次生代谢尤其是木质素生物合成过程的关键酶, 在调控植物生长发育和抵御生物/非生物胁迫等过程中发挥关键作用。蒙古冰草(即沙芦草(Agropyron mongolicum))耐旱耐寒, 在我国北方荒漠草原区域广泛分布。为探讨CAD基因在蒙古冰草木质素合成和非生物胁迫抗性中的作用, 从蒙古冰草全长转录组数据中筛选并克隆到1个CAD基因, 序列长度1 083 bp, 命名为AmCAD。该基因编码361个氨基酸残基, 同源序列比对发现蛋白质序列保守区域含有2个Zn²⁺结合基序和NADP(H)辅因子结合基序, 属于典型的CAD蛋白, 且三维结构与AtCAD5相似。AmCAD在茎秆中高表达, 对AmCAD重组蛋白的酶学性质分析表明, 该蛋白对不同肉桂醛类底物均具有很强的催化能力, 其中对松柏醛和芥子醛的底物亲和力更强。用不同浓度甘露醇模拟干旱胁迫, 蒙古冰草AmCAD基因表达受到显著诱导。研究结果表明, AmCAD在蒙古冰草木质素合成和干旱胁迫抗性中发挥重要作用, 可为提高蒙古冰草品质和抗逆性分子育种提供有价值的基因资源。

水稻(Oryza sativa)穗部性状与产量直接相关, 其相关基因的挖掘与功能解析对于保障国家粮食安全意义重大。以籼稻华占(HZ)和粳稻热研2号(Nekken2)及构建的120个重组自交系(RILs)为实验材料, 测定了穗长、每穗粒数、结实率、柱头外露率及一次枝梗数等穗部性状。结合高密度分子遗传图谱进行QTL定位, 结果共检测到31个QTLs, 分别位于第1、2、3、4、5、6、10和11号染色体上, 其中2个位点的LOD值分别高达5.45与5.28。通过分析筛选QTL区间内可能影响穗部性状的相关基因, 并利用qRT-PCR进行基因表达检测, 发现LOC_Os05g05490、LOC_Os05g06150、LOC_Os03g11700、LOC_Os03g12430、LOC_Os05g28720、LOC_Os05g30890、LOC_Os05g31740和LOC_Os02g17880在双亲间的表达水平差异显著。其中, 前5个基因编码三角状五肽重复蛋白, 而后3个基因编码糖基转移酶。研究挖掘到31个与穗部性状相关的QTLs, 为进一步定位和克隆相关基因, 从而选育高产水稻新品种奠定理论基础。

SBP (squamosa promoter binding protein)家族广泛参与植物生长发育、信号转导及多种生理生化过程。从糜子(Panicum miliaceum)全基因组中筛选并鉴定到25个SBP基因。系统发育分析表明, PmSBP家族成员分为6个亚家族。同一亚家族成员具有相似的基因结构和保守基序。共线性分析表明, PmSBP与拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtSBP和水稻(Oryza sativa) OsSBP分别形成7对和31对直系同源基因。顺式作用元件分析表明, PmSBP启动子区富含逆境胁迫、光反应及激素信号响应元件。基因表达模式分析表明, PmSBP基因表达具有明显的组织特异性、品种特异性及发育阶段特异性, 表明SBP基因在糜子生长发育中发挥重要作用。研究结果为揭示SBP基因在糜子生长发育中的生物学功能奠定了基础, 也为其它作物SBP基因研究提供了借鉴参考。

毛华菊(Chrysanthemum vestitum)是栽培菊花(C. × morifolium)的近缘六倍体野生种之一, 其自然群体中的舌状花与栽培菊花一样具有典型的平瓣型、管瓣型和混合瓣型变异, 是研究菊属植物瓣型变异的理想材料。其舌状花发育过程受生长素和花器官发育关键差异基因的影响, 但目前缺乏稳定高效的不同瓣型毛华菊株系的再生体系, 制约了毛华菊瓣型相关基因的研究。利用在河南省伏牛山收集的3种瓣型毛华菊株系, 以叶片和茎间薄层为外植体建立再生体系。结果表明, 以平瓣型叶片为外植体, 其愈伤组织诱导和不定芽分化最佳培养基为MS+1 mg∙L^-1 NAA+2 mg∙L^-1 6-BA, 接种20天愈伤组织诱导率为100%, 不定芽分化率达100%; 最佳生根培养基为1/2MS+0.2 mg∙L^-1 NAA, 生根率达100%。平瓣型毛华菊的叶片最佳再生体系也适用于管瓣型和混合瓣型株系, 不定芽分化率分别为83.46%和91.67%, 生根率均为100%。移栽后对开花植株进行观察, 发现利用叶片再生体系获得的3种不同瓣型再生植株花型稳定, 为后续利用不同瓣型株系解析舌状花形态变异机理提供了技术方法。

重瓣花表现为花瓣数目增加、花瓣褶皱或面积增大, 具有较高的观赏价值和经济价值。该文针对重瓣性状中花瓣或花瓣类似器官数目增多的特点, 综述了模式植物和观赏植物中重瓣花形成的分子机理, 包括参与花瓣数量调控的重要转录因子, 以及miRNAs、DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等表观遗传调控方式, 并在此基础上展望未来的研究方向。

雌雄异株植物的性别决定机制是繁殖生物学、进化与生态学等多个学科的前沿热点问题。近年来, 一些重要经济作物如芦笋(Asparagus officinalis)、猕猴桃(Actinidia spp.)和杨树(Populus spp.)的性别决定机制已被揭示, 并应用于性别特异性产品开发和两性新品种培育。该文先从植物性染色体和性别决定基因两方面系统分析植物性别决定的遗传学基础, 并深入讨论非编码RNA和DNA甲基化两类表观遗传调控途径在性别决定分子通路中的作用。在此基础上, 提出后续有待开展植物性别决定基因间的比较研究, 并深入解析植物性别决定中的表观遗传调控机制, 以深化对雌雄异株植物性别决定分子机制的认识并扩展其在农业生产上的应用价值。

乙烯在调控水稻(Oryza sativa)生长发育及胁迫响应中具有重要作用。乙烯生物合成的第1步是甲硫氨酸转化为S-腺苷甲硫氨酸(SAM), 然后在ACC合酶(ACS)的催化下合成乙烯前体物质ACC, 最后通过ACC氧化酶(ACO)生成乙烯。该文综述了水稻乙烯生物合成途径中2个关键酶OsACS和OsACO在转录及翻译后的调控机制, 提出了一些未解决的问题, 并展望了未来的研究方向, 以期加深人们对乙烯生物合成复杂机制的理解。

近年来, 随着测序技术的革新、测序成本的降低和生物信息学软件的开发, 植物全基因组研究蓬勃发展。樟科(Lauraceae)隶属被子植物木兰类, 泛热带分布, 物种多样性高, 其中很多物种具有重要的经济和生态价值, 目前已发表包括8个物种的13个基因组。该文从樟科全基因组研究现状、基因组特征、起源和进化以及功能基因和基因家族4个方面进行综述, 着重介绍基于组学数据的木兰类及樟科的系统发生、樟科经历的多倍化事件以及与樟科花器官进化和代谢产物相关的基因鉴定。结合研究现状展望了樟科基因组研究的发展方向, 建议通过增加测序基因组分支的代表性并关注具有特殊价值的物种, 及研究物种特异性功能基因以加深对该家族基因功能和进化的理解。

木本彩叶植物叶色鲜艳, 具有极高的观赏价值, 能为园林景观增添色彩。近年来, 园林景观设计越来越重视木本彩叶植物的应用。引起叶色变化的直接原因是叶片中的色素含量与比例改变。叶色变异受内部遗传因素和外界环境因素共同影响, 通过控制光照和温度等条件可对叶色进行调控。随着对木本植物叶色变异机制研究的探索, 目前在木本植物中已挖掘出多个调控叶色变异的关键基因和调控模式。该文从环境因素、叶片微观结构、叶色变异的分子机制等方面总结木本彩叶植物叶色变异的研究进展, 为进一步完善木本植物叶色变异机制及培育观赏彩叶树种提供参考。