最新研究发现, 茄科植物中的番茄组与类马铃薯组的祖先物种, 通过一次古老的同倍杂交物种形成事件, 产生了具有“马铃薯/土豆”这一创新性状的马铃薯组祖先物种。这一杂交事件不仅带来了关键创新性状, 还触发了新生态位的开拓, 并最终导致马铃薯组物种的爆发式产生。该研究连同近年来的相关案例, 共同揭示了“交替继承双亲高分化等位基因以产生创新性状”这一同倍杂交物种形成分子机制的普适性。这些发现对于修订传统的二分枝物种形成模型以及推动生物人工育种范式的革新具有重要意义。

14-3-3蛋白广泛参与植物生长发育、代谢和非生物逆境信号转导过程。该研究克隆了小麦(Triticum aestivum) 14-3-3蛋白TaGRF3-D基因, TaGRF3-D基因编码261个氨基酸残基, 在单子叶植物中高度保守, 其与乌拉尔图小麦(T. urartu)的TuGF14d和大麦(Hordeum vulgare)的HvGF14a氨基酸序列完全相同; TaGRF3-D启动子区含有脱落酸等激素响应元件和多个非生物胁迫响应元件。亚细胞定位结果显示, TaGRF3-D蛋白主要定位于细胞膜与细胞核。对过表达TaGRF3-D基因的拟南芥(Arabidopsis thaliana)转基因株系ABA敏感性及干旱胁迫耐受性分析发现, TaGRF3-D过表达拟南芥在PEG和ABA处理下根长显著大于野生型, 干旱胁迫后存活率显著高于野生型。进一步利用酵母双杂交(yeast two-hybrid, Y2H)实验对TaGRF3-D蛋白与小麦AREBs/ABFs (ABA-responsive element binding proteins/ABA-responsive element binding factors)蛋白进行互作分析, 结果表明TaGRF3-D蛋白与TaABF3-B、TaABF4-A、TaABF15-D、TaABF16-B、TaABF17-D和 TaABF18-B存在相互作用; 而与TaABF1-D、TaABF2-A和TabABF19-A不互作。综上表明, TaABF3-D可能通过与TaABFs蛋白互作响应ABA信号, 从而提高转基因植株对干旱胁迫的耐受性。研究结果为小麦TaGRF3-D基因逆境胁迫响应功能研究奠定了基础。

为建立万寿菊(Tagetes erecta)花冠高效瞬时转化体系并探究花器官对称性形成关键调控基因TeCYC2c的启动子活性, 将CaMV35S启动子与GUS基因的融合表达载体瞬时转化万寿菊花冠, 探究菌株类型、菌液浓度、侵染时间和共培养时间对GUS基因瞬时转化效率的影响。结果显示, GV3101菌株的侵染效率最高; 菌液浓度OD₆₀₀=1.0时转化效率最高; 侵染时间对瞬时转化效率无显著影响; 共培养1天为最佳培养时间。基于建立的万寿菊花冠瞬时转化体系, 对TeCYC2c基因的启动子活性进行探究。克隆了TeCYC2c基因上游1 735 bp序列, 并通过PlantCARE预测的元件分布位置及数量构建了4个启动子缺失表达载体, 以GUS基因为报告基因, 瞬时转化万寿菊花冠进行不同长度启动子活性研究。结果显示, 启动子核心区域位于ATG上游-650 - -1 bp, 推测该区域内的光响应元件正调控下游基因的表达, 而pTeCYC2c (-1 735)和pTeCYC2c (-1 406)所特有的植物激素响应和逆境响应元件可能具有抑制启动子驱动下游基因表达的功能。结合万寿菊花冠瞬时转化体系的建立和TeCYC2c启动子活性分析, 可为进一步快速解析花发育相关基因的功能奠定技术基础。

黄缨菊(Xanthopappus subacaulis)是菊科(Asteraceae)黄缨菊属(Xanthopappus)多年生高原特有单属种药用植物, 具有重要的经济、生态和药用价值。为确定适合黄缨菊全基因组测序的技术策略, 利用流式细胞术和基因组Survey分析评估黄缨菊基因组大小、杂合率、重复序列比例、GC含量和长末端重复反转录转座子(long terminal repeat retrotransposons, LTR-RTs)等信息。结果表明: (1) 以长裂太行菊(Opisthopappus longilobus)和番茄(Solanum lycopersicum)为参考物种, 采用流式细胞术预估黄缨菊为二倍体, 基因组大小分别为1.94 G和1.75 G, DNA-C值为0.99 pg; (2) 高通量测序得到约100.3 G的Clean reads, 其Q20均大于97.1%, Q30均高于90.8%, AT和GC碱基含量无明显分离, GC含量为38.5%, 测序质量良好; (3) K核苷酸序列分析(K-mer analysis, K-mer)显示黄缨菊基因组大小为2 198.50 Mb, 杂合度为0.69%, 重复序列占比为80.15%, 属于微杂合、高重复序列的复杂基因组; (4) LTR-RTs鉴定表明Copia家族数量最多, 占全基因组的30.72%, Gypsy家族和Unknown分别占全基因组的33.66%和16.54%, 插入时间始于约3 Mya, 在1 Mya内产生大量扩增。综上, 研究结果表明LTR的大量插入是导致黄缨菊基因组复杂化的重要原因之一; 测序数据和研究结果可为黄缨菊高质量基因组遗传图谱构建和关键功能基因挖掘提供重要参考。

分蘖高于主茎是影响高粱(Sorghum bicolor)品种整齐度和机械化生产的重要因素之一, 内源激素及其互作效应在植物株高建成过程中发挥关键调控作用。为探索内源激素对高粱主茎和分蘖株高差异的影响, 以主茎和分蘖高度一致的高粱品系K35-Y5以及分蘖高于主茎的高粱品系1383为材料, 测定了4个时期(主茎孕穗期、分蘖孕穗期、主茎开花期和分蘖开花期)主茎与分蘖的株高性状和内源激素含量, 并分析了二者的变化特征及其相关性。不同时期主茎与分蘖株高差异变化分析发现, 在前3个时期K35-Y5的主茎均高于分蘖, 至分蘖开花期时主茎与分蘖株高基本一致; 在主茎孕穗期, 1383的主茎高于分蘖, 分蘖孕穗期时主茎与分蘖株高基本一致, 后2个时期则分蘖高于主茎。不同时期内源激素含量变化特征分析发现, GA₃含量在主茎和分蘖中的变化趋势与株高基本一致; ABA含量在K35-Y5主茎和分蘖间变化趋势基本一致, 主茎开花期时1383的分蘖明显高于主茎。IAA、ICA、tZR、IPA、Dx和JA含量随着生育时期总体呈下降趋势; ACC、SA、JA和H₂JA无明显变化规律。相关性分析表明, 分蘖和主茎的株高差异在分蘖孕穗期、主茎开花期和分蘖开花期, 与GA₃相对含量呈显著正相关; 且在主茎开花期和分蘖开花期, 与GA₃/ABA相对比值呈显著正相关。综上所述, 在分蘖孕穗期、主茎开花期和分蘖开花期, GA₃相对含量与主茎和分蘖株高差异密切相关。通过GA₃处理和石蜡切片, 我们发现外施GA₃影响细胞的伸长, 可实现对株高整齐一致株型的改良, 对于选育适宜机械化生产的高粱品种具有重要意义。

根内皮层分化的质外体屏障在植物抗逆和养分吸收过程中均发挥重要作用, 其中木栓层发育为近年的研究热点。以烟草(Nicotiana tabacum)栽培品种中烟100为材料, 通过0.1-4.0 mmol∙L^-1钾浓度梯度水培实验, 探讨供钾水平对根内皮层木栓化发育的影响及其生理和分子机制。结果表明, 低钾胁迫(0.1 mmol∙L^-1)显著增强内皮层木栓化: 完全木栓化区域绝对长度由对照的0-2 cm延长至4-6 cm, 相对占比从0-15.0%提升至33.2%-44.3%, 表明木栓化是烟草响应低钾胁迫的关键形态适应机制之一。表型分析显示, 低钾胁迫下植株根系伸长但生物量下降, 地上部与根系钾离子含量及积累量均减少, 木质部伤流液流量及钾离子运输效率降低。内源激素含量检测发现, 低钾胁迫提高根系内源脱落酸含量, 并降低乙烯和茉莉酸甲酯含量, 形成特异性激素调控网络。转录组数据进一步佐证木栓化发育的分子基础, 木栓质合成与转运相关基因(如CYP86、GPAT和ABCG)及其上游正调控基因MYB36/41/92/93显著上调表达。综上, 该研究阐明了低钾胁迫下烟草通过脱落酸介导的激素信号调控木栓化发育程序, 为解析作物钾胁迫适应机制提供了全新视角。

阐明谷子(Setaria italica var. germanica)杂种优势的生理机制是提高谷子杂交种产量的重要基础。2023-2024年, 以3个高产谷子杂交种长杂谷466、长杂谷2922和长杂谷333及其亲本为供试材料, 测定杂交种及其亲本的产量性状及生理指标, 对杂交种的产量优势及其影响因子进行系统分析, 初步解析了杂种优势的生理机制。结果表明, 在整个生育期内, 3个杂交种的叶绿素含量均高于双亲, 其中长杂谷466在拔节期的叶绿素含量最高, 达13.86 mg∙g^-1 FW。在苗期和拔节期, 3个杂交种的根系活力均显著高于双亲, 其中长杂谷466在苗期的根系活力最高, 为1.76 mg∙g^-1∙h^-1, 分别为其父母本的7.8倍和5.5倍; 长杂谷2922在苗期的根系活力较父母本分别高0.38和0.66 mg∙g^-1∙h^-1; 而长杂谷333在拔节期优势更为显著, 较父母本分别高0.31和0.62 mg∙g^-1∙h^-1。在产量形成性状方面, 与双亲相比, 杂交种的灌浆速率和颖花数均显著提高, 长杂谷466在花后19天灌浆速率达最大值, 为1.58 g∙d^-1 per panicle; 长杂谷466和长杂谷333颖花数极显著高于其亲本, 长杂谷2922颖花数显著增加。此外, 杂交种根系的氮素积累量和氮素转运效率也表现出一定的优势, 其中长杂谷2922根系氮素积累优势最大且氮素转运效率(近56%)最高, 显著高于其父本M22。综上表明, 长杂谷系列杂交种通过提高光合能力、养分吸收利用效率、籽粒灌浆速率和颖花数实现产量增加。

为加强野生蕨类植物的保护与开发, 优化星蕨(Microsorum punctatum)孢子萌发方法和条件, 比较分析了不同因素对原叶体增殖、孢子体诱导、绿色球状小体(GGBs)诱导及其发育为幼孢子体的影响, 建立人工高效快繁技术体系。以成熟孢子为材料, 分别以MS、1/2MS、1/3MS和1/4MS为基本培养基在无菌条件下萌发; 通过L₉(3⁴)正交试验, 研究无机盐浓度、植物生长调节剂及其质量浓度对原叶体发生和增殖的影响。当原叶体增殖到一定数量时, 再以MS、1/2MS、1/3MS和1/4MS为基本培养基筛选适宜诱导孢子体的培养基; 随后, 以幼孢子体为材料诱导GGBs发育为新的幼孢子体并炼苗移栽。适宜孢子萌发的培养基为1/2MS, 原叶体在MS+0.3 mg·L^-1 6-BA+1.5 mg·L^-1 NAA培养基中大量增殖, 60天后增殖系数约为9.6; 将原叶体切割后接入1/4MS培养基, 加无菌水培养90天后, 幼孢子体发生系数约为10.0; 幼孢子体在1/2MS+1.5 mg·L^-1 6-BA+0.1 mg·L^-1 NAA培养基中可诱导出GGBs, 诱导率达93.3%, GGBs在此培养基中的增殖系数达32.0; 在1/2MS培养基中GGBs的分化成苗率较高, 最高约为92%; 试管苗经炼苗移栽成活率在90%以上。该研究建立了原叶体-受精-孢子体和幼孢子体-GGBs-幼孢子体2个技术体系, 尤其是GGBs的产生, 极大缩短了植株的再生周期。研究结果可为优质种苗及其它蕨类植物的人工繁育提供技术支撑。

以文冠果(Xanthoceras sorbifolium)种仁为实验材料, 筛选诱导不定芽的最佳培养基并探究外植体褐化的影响因素。结果表明, 种仁消毒最佳方法为用75%乙醇消毒30秒, 再用0.1%有效氯消毒10分钟, 污染率为29.33%, 死亡率为12%。不定芽诱导最佳培养基为MS+2.5 mg∙L^-1 6-BA+1.0 mg∙L^-1 NAA+30 g∙L^-1 蔗糖+6.8 g∙L^-1琼脂+0.1 g∙L^-1肌醇, 诱导率为72.22%; 在不同细胞分裂素类植物生长调节剂中, 添加6-BA时, 外植体死亡率最低, 为12.50%, 诱导率最高, 为73.61%。温度26°C和光照强度19.5 µmol∙m^-2∙s^-1为最佳培养条件, 诱导率最高, 为72.22%。VI时期(7月1日至8日采种)的种仁饱满坚实, 种皮呈白色, 易剥离, 为抑制文冠果组培褐化的最佳培养材料, 不定芽诱导率最高, 为97.22%。

为建立大花三色堇(Viola × wittrockiana)植株再生体系, 以其8个品种的叶片和叶柄为实验材料, 筛选并确定了再生率高的品种和部位。结果表明, PXP是供试品种中用于大花三色堇再生体系建立的最佳品种, 其叶柄是最佳外植体。以品种PXP的叶柄为外植体, 进行再生体系优化。结果表明, 愈伤组织诱导最适培养基为1/2MS (不含糖)+30 g∙L^-1蔗糖+1.5 mg∙L^-1 2,4-D+1.5 mg∙L^-1 KT, 不定芽诱导最优培养基为1/2MS (不含糖)+30 g∙L^-1海藻糖+0.05 mg∙L^-1 2,4-D+3 mg∙L^-1 6-BA, 再生苗经多次诱导分化, 再生率可达(67.33±3.06)%。不定芽增殖最优培养基为MS (不含糖)+30 g∙L^-1海藻糖+0.5 mg∙L^-1 2,4-D+1 mg∙L^-1 6-BA, 增殖系数为3.29±0.22。再生苗在配方为1/2MS (不含糖)+30 g∙L^-1海藻糖+0.1 mg∙L^-1 NAA的生根培养基上培养2周后开始生根, 生根率为(84.44±6.93)%。该研究建立了分化率较高的大花三色堇再生体系, 解决了大花三色堇不定芽分化困难的难题, 为其育种改良和优良品种快繁提供了技术支持。

活性氧(reactive oxygen species, ROS)在植物种子休眠释放和萌发中发挥重要调控作用。低水平的ROS促进种子萌发, 而过高水平的ROS则会降低种子活力和萌发率。穗发芽(pre-harvest sprouting, PHS)是作物的一种重要性状, 严重影响作物产量和品质。穗发芽与种子休眠紧密相关, 为同一性状的两种极端表现。因此, 研究ROS在种子休眠和萌发中的双重作用可为揭示穗发芽的内在分子机制开辟新视角。该文总结了种子萌发时ROS的产生部位和途径, 重点介绍了ROS与生物大分子、植物激素和其它小分子互作参与植物种子萌发以及萌发过程中ROS参与的信号通路, 以期为ROS在作物穗发芽过程中的作用机制研究提供理论依据。

植物卷须是一种特化的攀缘器官, 在植物的生存与环境适应中发挥关键作用。通过提供结构支撑、增强光能捕获能力以及降低地面资源竞争, 卷须显著提升了植物的生态适应性。卷须由花序、叶片和枝茎等器官衍生而来, 由TCP、HD-ZIP和MADS-box等基因家族调控, 并受到生长素、赤霉素、细胞分裂素和茉莉酸等植物激素的影响。卷须在功能、形态及分子机制上表现出趋同进化现象, 并呈现独立演化特征, 这反映了植物对生存环境的适应策略。该文系统综述了植物卷须的生物学特性和发育的分子机制, 展望了未来卷须形成与调控机制研究应关注跨物种的演化机制、环境信号与植物激素的相互调控等方面。

三维重建技术(3D reconstruction)是利用计算机图形学和图像处理技术, 从二维图像数据中提取目标物体的几何和拓扑信息, 构建计算机可处理的三维数学模型, 从而实现物体的虚拟重建。在植物学研究中, 三维模型的构建已成为研究植物生长发育、形态结构和功能机制的有效手段, 为多尺度成像、测量和分析提供了有力支撑, 并在农业和林业领域展现出巨大的应用潜力。近年来, 随着植物三维重建技术的不断完善, 其在植物学研究中衍生出不同的应用方向, 涵盖植物形态结构建模、生长发育动态监测以及植物育种等多方面。该文综述了三维重建技术的发展历程及常见的三维重建成像技术在植物不同尺度(从器官、组织到细胞)研究中的应用, 重点阐述这些技术的基本原理及应用, 旨在为植物多模态跨尺度成像以及表型与功能研究提供理论和技术支撑, 为揭示植物生长发育规律及响应环境变化的机制提供新途径。

在公众科学素养日益提升的背景下, 高校凭借其丰富的科研资源和人才优势, 已成为推动科普工作的核心力量。然而, 现有的科普教育体系仍面临发展不均衡及参与度低等问题。该研究立足已有实践, 遵循体验式学习理论, 构建“手作体验-科学反思-概念建构-迁移传播(HRCT)”四维科普路径, 提出“手作+课程包”模式, 系统开发文创教具、模块化课程与分层活动, 形成产品-课程-活动一体化范式, 完成从做中学到科学传播与应用的完整闭环, 为破解高校科普转化困境提供了可复制和可扩散的实践范式。

随着城市园林建设的不断发展, 风景园林专业教育需不断探索新的教学方法, 以提高学生的综合能力, 特别是在实践操作和对知识的运用能力方面。该文以“草坪与地被”课程为例, 探讨了课程的教学内容、教学方法、考核评价及过程性考核材料的设计与应用。研究表明, 课程考核改革通过增加实践性和过程性考核的比重, 显著激发了学生的学习兴趣, 同时有效提升了其实践操作能力, 为今后其它课程改革提供了可论证的借鉴。