启动子是高等植物中驱动基因表达不可或缺的重要调控序列。启动子元件的不同功能是导致基因表达效率和时空特异性差异的根本原因, 鉴定其结构和功能对理解植物生长发育进程、环境胁迫反应和进化发育均具有重要意义。随着高通量测序技术、人工智能和合成生物学的发展, 鉴定植物顺式作用元件组, 将符合设计需求的元件构建成人工调控元件的技术已逐渐兴起, 这些技术为分子育种中高效、精准和多样的基因调控奠定了基础。该文以启动子元件在分子设计中的重构应用为导向, 介绍了高等植物启动子的详细结构和功能, 及顺式作用元件的鉴定方法, 系统梳理了27类共计174个已鉴定到的诱导型和组织特异性元件及其应用。据此, 提出其设计方向和方法, 旨在为高等植物基因工程启动子元件的研究现状、发掘方法和重新设计提供指导, 提升分子设计育种中目的基因的表达效率和准确性。

重金属相关异戊二烯化植物蛋白HIPP是一类含有金属结合结构域(HMA)和C端异戊二烯化基序的金属伴侣蛋白。该文总结了模式植物中HIPP蛋白的结构特征, 阐述了植物HIPP蛋白家族参与的重金属稳态和解毒机制, 揭示了其在植物生长发育和应对环境变化(生物和非生物胁迫)中的潜在意义, 以期为HIPP蛋白家族的后续研究提供启示。

2024年中国科学家在植物科学主流期刊发表的论文数量相比2023年大幅提升, 在植物激素调控、病理学、合成生物学、耐逆性机制、系统发育与基因组学等领域取得了重要研究进展。其中, “紫杉醇生物合成”和“实现一年生与多年生植物的自由转换”入选2024年度中国生命科学十大进展。该文总结了2024年度我国植物科学研究取得的成果, 简要介绍了50项有代表性的重要进展, 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工作和服务国家战略需求。

独脚金内酯(strigolactone, SL)是调控植物分枝等重要生长发育过程的新型植物激素。水稻(Oryza sativa)中SL受体D14感知SL信号, 结合F-box蛋白D3并招募转录抑制子D53, 诱导D53泛素化降解, 从而触发信号传递、抑制分蘖。最近的一项研究发现, 低氮信号诱导D14的N端无序区(NTD)特异位点发生磷酸化修饰, 造成D14的泛素化降解减弱, 从而增强SL信号通路。此外, 低氮信号本身可以诱导SL合成, 通过这两种机制的协同作用强化SL信号转导, 从而强烈抑制分蘖, 使水稻适应低氮逆境。该研究还发现, SL诱导的D14-D3相互作用也促进了D14的泛素化降解, 从而介导SL信号感知的终止。这些重要发现阐明了水稻中SL信号感知的激活和终止机制, 揭示了SL信号在控制水稻分蘖以适应低氮逆境中的重要作用, 为理解植物如何适应营养匮乏等外界环境变化提供了新的重要见解, 对作物株型的精准改良以及减肥增产水稻分子设计育种具有重要指导意义。

外界环境对植物生长发育产生至关重要的影响, 近年来频繁出现的极端气候严重威胁植物生长发育。明确植物抗逆调控机制对于保障植物生存和发育(特别是经济作物的产量)具有重要意义。基因可变剪接是一种重要的转录后调控机制, 对于植物基因功能的多样性与抗逆性均具有重要作用。目前已在不同植物中鉴定出多种抗逆相关基因可变剪接体, 并阐明部分基因可变剪接介导的植物抗逆调控机制, 有效奠定了植物抗逆研究的相关理论基础。因此, 挖掘和鉴定更多抗逆基因在非生物胁迫下的可变剪接调控机制对于植物抗逆研究具有重要意义。该文综述了植物基因可变剪接类型以及剪接机制, 重点阐述了非生物胁迫下相关基因可变剪接介导的植物抗逆研究进展, 展望了未来的研究方向。

玉米(Zea mays)是我国第一大粮食作物, 干旱是玉米生长发育过程中主要的非生物胁迫因子, 直接造成玉米产量与品质降低, 甚至威胁粮食安全。目前全球气候变化导致极端天气事件频发, 加剧了对玉米生产的不良影响。因此, 鉴定玉米抗旱种质资源、解析干旱胁迫应答的分子机制和培育抗旱品种至关重要。该文总结了近年来运用全基因组关联分析、数量性状位点基因克隆和多组学联合分析等方法在玉米抗旱性遗传解析方面取得的研究进展, 介绍了玉米抗旱性遗传改良分子设计育种的可能途径, 并对玉米抗旱性遗传解析及改良的发展方向进行了展望。

以2个不同基因型的捕虫堇圆切捕虫堇(Pinguicula cyclosecta)和塞提捕虫堇(P. ‘Sethos’)叶片为外植体, 通过探究不定芽再生的影响因素, 成功建立了捕虫堇高效再生体系。结果表明, 2种捕虫堇对消毒方式和基本培养基种类要求相同, 但再生能力有显著差异。圆切捕虫堇叶片在MS+1.0 mg∙L^-1 6-BA+0.2 mg∙L^-1 NAA培养基上再生能力最强, 再生率为92.22%, 再生系数达4.84, 在MS+0.6 mg∙L^-1 6-BA+0.1 mg∙L^-1 NAA培养基上, 不定芽增殖系数达4.98。塞提捕虫堇叶片在MS+2.0 mg∙L^-1 6-BA+0.2 mg∙L^-1 NAA培养基中再生率最高, 为77.78%, 再生系数为6.12, 在增殖培养基MS+0.3 mg∙L^-1 6-BA+0.1 mg∙L^-1 NAA上, 增殖系数可达4.84。2种捕虫堇在1/2MS+0.1 mg∙L^-1 IBA培养基上进行生根培养, 根系生长状态最佳。该研究解决了捕虫堇繁殖系数低及工厂化育苗难等问题, 为其规模化生产和育种改良提供了技术支持。

在植物大数据时代, 测序数据成为众多生物学研究的重要基础, 了解测序数据的现状有利于更好地利用这些数据。质体DNA数据因易获取、单亲遗传及变异速率适中而被广泛应用。基于GenBank公共数据库全面评估和分析了全世界维管植物质体DNA数据取样情况, 结果表明, 仅有33.75%的维管植物种类已测序。已测序物种在不同类群间取样不均衡, 缺失率大致与类群多样性呈显著正相关, 其中缺失最严重的目和科分别是盔被花目(Paracryphiales)、胡椒目(Piperales)和五桠果目(Dilleniales), 以及霉草科(Triuridaceae)、五膜草科(Pentaphragmataceae)和黄眼草科(Xyridaceae)。在地理空间上, 维管植物数据缺失程度从赤道向两极递减, 且生物多样性高的地区缺失更严重, 包括多个生物多样性热点地区。此外, 各地区特有种的数据普遍缺失严重。基于上述结果, 建议针对分子数据缺失程度较高的类群和生物多样性高的地区进行重点采集和测序, 尤其注重对特有种补充取样, 以增加这些类群遗传数据的代表性。

DNA甲基化是重要的表观遗传修饰之一, 参与调控植物基因组稳定性、发育及胁迫响应等过程。DNA甲基转移酶是DNA甲基化的关键酶。为了解铁甲秋海棠(Begonia masoniana) DNA甲基转移酶的功能, 采用生物信息学方法从铁甲秋海棠基因组中鉴定出5个编码DNA甲基转移酶的基因。根据序列特征将其分为CMT、MET和DRM三类。不同类别成员的基因序列长度和内含子数量存在明显差异, 但同类成员的基因结构和保守结构域具有高度保守性。这些蛋白均定位于细胞核, 且基因启动子含有大量的光响应、MYB结合及植物激素响应等元件。激素响应模式分析表明, CMT3类在GA、SA和NAA处理下基因表达显著降低, CMT2类在MeJA和NAA处理下基因表达显著降低, 而MET类和DRM类分别在GA和ABA处理下基因表达显著升高。此外, 组织特异性分析发现, 叶片中BmaCMT2-5和BmaDRM2-2的表达量明显高于其它组织器官, 且这2个酶的编码基因与BmaMET1-15在叶片红色部分的表达高于绿叶部分, 推测这3个DNA甲基转移酶可能在叶斑形成过程中发挥重要作用。

单细胞转录组学将时空分辨率从多细胞水平转移到单细胞水平, 该技术的快速发展能够更好地揭示新的稀有细胞类型、挖掘细胞间异质性并绘制细胞发育轨迹图。目前, 单细胞转录组学已广泛应用于植物生长发育、应激反应和环境适应等不同研究方向, 有助于更精确、全面地揭示植物生命过程中的分子调控机制。然而, 单细胞转录组学在不同植物中的研究及应用仍面临诸多挑战。该文比较和评估了不同类型的单细胞转录组技术及其流程, 总结了近年来单细胞转录组学在多种植物中的相关研究进展, 并探索了新型单细胞分析工具, 可为以高精度和高动态探究植物生物学的研究人员提供技术支持。最后, 提出了使用单细胞转录组学技术解决植物研究和育种中的一些关键问题、面临的挑战以及未来的发展方向。

玉米(Zea mays)是集粮食、饲料和工业原料于一身的重要农作物。开花期是作物适应不同生态环境及产量的关键决定因素。玉米开花期由营养生长时相转变和成花转变决定, 是植物内部因素(遗传因子和植物激素等)和外部环境因素共同作用的结果。鉴于玉米开花期性状的重要性, 该文从控制玉米开花期2次时相转变的组织结构基础、生理基础、遗传基础以及分子调控机理等方面系统总结了玉米开花期的遗传调控机制, 以及关键开花调控因子对玉米区域适应性的重要性, 并对玉米花期性状研究和应用的重点方向进行了讨论, 旨在加深我们对玉米开花期遗传调控的理解, 为培育广适的玉米新品种提供理论依据。

植物在生长发育过程中面临各种非生物胁迫。其中干旱胁迫严重影响作物生长, 降低其产量。植物中以TB2/DP1结构域为特征的HVA22蛋白参与调控生长发育和非生物胁迫响应。然而, HVA22在番茄(Solanum lycopersicum)干旱胁迫响应中的功能尚不清楚。该研究探索了番茄SlHVA22l基因的功能。结果表明, 番茄SlHVA22l与其它双子叶植物中的HVA22l同源蛋白具有较高的序列相似性。表达模式分析显示, SlHVA22l基因表达受干旱胁迫和植物激素(ABA和MeJA)诱导。此外, 通过酵母(Saccharomyces cerevisiae)异源表达和病毒诱导基因沉默技术沉默番茄SlHVA22l基因, 验证了SlHVA22l基因的抗旱功能。干旱处理后沉默植株表现出较高的过氧化氢(H₂O₂)和丙二醛(MDA)含量, 以及较低的O₂^-.清除率, 且其超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性较对照显著降低。综上表明, SlHVA22l基因在番茄抵御干旱胁迫中发挥重要作用。

种子脱水是其成熟过程中的一个关键生理过程, 直接影响种子休眠程度以及收获后种子的含水量、储存能力和品质。在农业生产中, 籽粒脱水速率是决定种子收获时籽粒含水量的主要因素之一, 也是决定机械化收获质量的关键。近年的研究表明, 种子脱水过程中转录组和激素水平发生了明显变化, 但相关分子机制研究进展非常缓慢。近期的一项研究发现了1个位于非编码区调控玉米(Zea mays)种子成熟期脱水速率的数量性状遗传位点(QTL) qKDR1, 通过招募转录因子ZmMYBST1和ZmMYBR43抑制qKDR1上游微肽编码基因RPG的转录, 导致RPG的表达量降低。研究揭示了RPG编码的微肽microRPG1通过调控乙烯信号途径影响种子脱水速率的分子机制, 并阐明了其在作物育种和农业生产中的应用潜力。该研究拓展了人们对种子脱水调控机制的理解, 为开发脱水速率更快和耐储性更强的作物品种提供了重要理论依据。

植物激素生长素调控植物生长发育及环境适应的多个过程, 包括胚胎发育、器官发生和向性生长等。生长素发挥生物学功能主要依赖于经典的TIR1/AFB-auxin-Aux/IAA-ARF信号转导途径。其中, 由4个保守结构域组成的典型Aux/IAA蛋白作为TIR1/AFB的共受体在生长素信号转导过程中发挥关键作用。然而, 近年来发现缺乏保守结构域的非典型Aux/IAA蛋白也参与生长素的应答与调控作用。该文从蛋白结构、生物学功能及参与生长素信号转导等方面综述了非典型Aux/IAA蛋白的研究进展, 探讨和展望了非典型Aux/IAA蛋白的研究方向。

干旱、极端温度、盐和重金属等非生物胁迫导致植物产量和品质下降。miRNA是一类长约20-24个核苷酸的内源性非编码小分子RNA, 通过形成miRNA介导的沉默复合物(RISC)剪切靶mRNA并抑制靶基因的翻译, 在转录后水平负调控真核生物基因表达。高通量测序技术的快速发展使得植物物种中大量响应非生物胁迫的miRNA得到鉴定和表征。非生物胁迫下植物miRNA与其靶基因结合, 构成了控制各种生命活动的大型基因调控网络, 包括生长发育、营养吸收与分配、信号转导与氧化应激, 从而提高植物的抗逆性。深入理解miRNA的功能及其调控机制对于通过基因工程进行作物改良和抗逆育种至关重要。该文综述了近年来miRNA的生物合成及其作用机制研究进展, 重点探讨了参与调控植物响应非生物胁迫miRNA的鉴定及功能, 并展望了该领域可能的研究方向。

基因互作与表型的内在关系是生命科学研究的关键问题, 大部分表型受多基因协同控制, 除加性效应外还存在显性和上位性等复杂遗传效应。最近一项研究构建了包含18 421个永久株系的水稻“混血杂交”群体, 成功鉴定到控制16个农艺性状的96个高置信候选基因, 通过分析基因间上位性效应, 构建了包含19个枢纽基因的遗传互作网络, 揭示出基因间潜在的互作效应, 发现170个“掩蔽”型上位互作对。该工作建立了作物遗传学研究的新范式, 且为水稻(Oryza sativa)遗传研究提供了重要数据和材料资源, 极大地加速了重要性状相关基因的挖掘, 推动了数量性状基因遗传互作的功能解析, 为分子设计育种奠定了理论基础。

细胞壁相关蛋白激酶(WAK)家族成员在水稻(Oryza sativa)基因组中已注释了大约130个WAK基因, 它们在水稻生长发育和应激响应中发挥重要作用。该文探讨了水稻WAK16-RLK的编码基因OsWAK16对水稻种子活力和抗老化能力的调控作用及其生理机制。结果表明, OsWAK16敲除突变体的种子活力在种子未老化和人工老化12天时均显著低于野生型种子, 过表达种子的活力则显著高于野生型种子, 说明OsWAK16正调控种子活力和抗老化能力。同时, 相比野生型种子, 未老化和人工老化12天的OsWAK16敲除突变体种子中丙二醛含量以及种子浸泡液电导率显著增加, 抗氧化酶活性则显著下降; 过表达种子中的变化则相反。此外, 野生型、OsWAK16突变和过表达种子在人工老化处理后, OsWAK16的差异表达也引起OsPER1A、OsbZIP23、OsPIMT1、OsSdr4、OsMSRB5和OsHSP18.2等种子活力相关基因表达的协同变化。因此, 推测OsWAK16可能与其它种子活力相关基因协同作用, 行使清除细胞中活性氧的功能, 从而调控种子活力和抗老化能力。

隐花色素(CRY)是调节植物光反应的蓝光受体。CRY在黑暗中以无活性的单体形式存在, 吸收光子后构象变化并发生寡聚化, 同时改变了其与互作蛋白间的亲和力, 进而调控光反应蛋白的转录或稳定性以调节植物的生长发育。最近的一项研究发现了CRY2的一个精巧作用机制, CRY不仅可被蓝光“激活”, 还可被黑暗信号“激活”, 从而构建起光信号和暗信号依赖的光受体信号转导更节能的模式。他们发现CRY2即便在黑暗中也能抑制根尖分生组织中的细胞分裂, 调控根的伸长, 并控制大量基因的表达。FL1和FL3与细胞分裂基因的染色质结合以促进其转录。需要说明的是, 只有黑暗中的CRY2单体可与FL1/FL3相互作用, 从而抑制后者促进根伸长的功能, 蓝光则解除该抑制作用。这一发现重塑了人们对光受体的认识, 为理解植物感知和响应不同信号以调节生长和适应性提供了全新的视角, 对深入理解基因的功能极具启发意义。

植物在其生命周期中面临多种非生物胁迫, 如高温、干旱和盐碱, 这些胁迫对植物的生长发育产生多种影响。全球变暖加剧了高温胁迫对玉米(Zea mays)等作物的影响, 可能导致其生长受阻和生殖能力下降。玉米作为重要的农作物, 其产量和品质受高温胁迫影响严重。植物通过复杂的分子机制响应高温, 涉及多个信号转导途径和基因表达调控。利用遗传学、基因组学、多组学分析以及高通量表型分析等前沿技术, 深入挖掘和解析玉米基因组中非生物胁迫耐受性(包括热胁迫)的相关基因和位点至关重要。这些研究不仅有助于深入理解玉米耐受胁迫的生物学机制, 而且为加快玉米新品种培育提供了关键的分子标记和候选基因资源。

气候变化导致的全球平均气温上升严重威胁粮食安全生产, 其中作为全球三大主粮作物之一的玉米(Zea mays)所受影响极为显著。高温在玉米生长发育的多个阶段均产生重要影响, 生殖生长阶段的高温对玉米尤为不利, 能显著降低其产量。该文系统综述了高温对玉米生长的影响, 包括萌发期、苗期、营养生长中后期、开花期和灌浆期, 详尽梳理了玉米响应高温胁迫的主要分子机制(包括热激响应和未折叠蛋白反应等), 总结了我国在耐高温玉米选育方面的最新进展, 通过人工模拟高温处理和田间自然高温筛选, 鉴定出一批耐高温的杂交种和自交系。同时, 在展望未来重要研究策略中, 提出利用表型组学、全基因组关联分析和全基因组选择育种等新技术手段, 结合智能化农业管理措施, 培育高耐热性玉米品种, 以应对气候变化带来的高温挑战, 保障全球粮食安全。

当前全球变暖趋势不可逆转, 异常气候导致的温度胁迫频繁发生, 给农业高产及稳产带来了巨大挑战。生物钟作为内源性且可遗传的计时机制, 赋予了植物预测和快速响应环境因子周期性变化的能力, 以确保诸多生理生化途径与环境同步, 极大增强了植物的生存和繁衍能力。温度响应和补偿现象不仅涉及生物钟与环境信号“同步化”, 而且涉及农业生产中作物适应温度胁迫的实际应用。生物钟温度补偿是指在较宽范围的生理温度内, 通过转录和转录后机制, 生物钟可基本维持近日节律周期的长度不变, 确保计时机制准确运行。自然环境中, 光照、温度和湿度紧密耦联, 作为授时因子将环境信号经过输入途径传递给生物钟核心振荡器, 影响植物生长发育的全过程。该文回顾了植物生物钟温度响应和补偿机制的研究历史, 详述了最新研究进展, 展望了其在作物遗传育种和田间管理等方面的应用前景, 为解决农作物温度胁迫适应性问题提供了全新的思路和方案。

水稻(Oryza sativa)是全球重要的粮食作物。合理施肥是保障水稻持续稳产的必要农艺措施。磷是水稻生长必需的营养元素之一, 主要通过水稻根系吸收。而水稻长期生长在淹水环境中, 其根系表层形成富含铁氧化物的胶膜, 并在水稻根际磷的迁移和转化过程中扮演关键角色。该文综述了生物和非生物因素对水稻铁膜形成和转化的影响, 探讨了铁膜对磷吸收及转运的影响, 并对后续研究提出建议, 旨在为阐明水稻根际铁磷互作机制提供理论依据。

以γ射线诱变籼稻双科早(Oryza sativa subsp. indica cv. ‘Shuangkezao’)获得的早熟鲜绿突变体pe-1为实验材料, 在三叶期和分蘖期进行弱光胁迫, 探讨pe-1与野生型在形态特征、非生物胁迫相关酶活性及其调控基因表达量、叶绿素含量、叶绿体合成与降解及光形态建成相关基因表达对弱光响应的差异。结果表明, 与野生型相比, 弱光胁迫后, pe-1叶片黄化程度显著降低, 株高和叶面积显著增加; 三叶期和分蘖期的叶片中不同叶绿素含量变化不同。此外, pe-1叶绿素含量增加, 且其抗氧化应激反应相关酶过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的活性及相关基因的表达量均高于野生型, 表明在弱光胁迫下pe-1活性氧清除能力增强, 适应能力更强。pe-1的光形态建成相关基因表达量高于野生型, 表明弱光处理下pe-1的光接收能力更强。综上, pe-1突变体具有抵御弱光胁迫的潜力, 该结果有助于耐弱光水稻品种的选育。

淫羊藿(Herba Epimedii)是一种历史悠久的中草药(TCM), 药用价值高, 国内淫羊藿相关研究备受关注。黄酮醇苷类(PFGs)成分是淫羊藿的主要活性物质, 其含量决定了药用品质。了解淫羊藿类黄酮生物合成途径, 挖掘与淫羊藿黄酮醇苷类含量相关的基因, 阐明其生物合成途径的调控机制对于提高淫羊藿品质至关重要。该文系统综述了淫羊藿类黄酮生物合成相关结构基因和转录因子基因研究进展, 为揭示黄酮含量的分子调控机制, 进而为淫羊藿分子育种和黄酮醇苷的合成生物学研究奠定理论基础。

番茄(Solanum lycopersicum)在生长发育过程中常受到低温和干旱等多种非生物胁迫的影响。WRKY转录因子参与调控植物多种非生物胁迫响应过程, 而SlWRKY45在番茄非生物胁迫中的功能尚不清楚。基因表达分析发现, 低温、干旱和ABA处理均可显著诱导SlWRKY45的表达; 过表达SlWRKY45可提高番茄对干旱和低温的耐受性; 在干旱和低温处理下, 过表达株系的光合指标、抗氧化酶活性和脯氨酸(Pro)含量显著高于野生型(WT), 活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)含量显著低于WT。转录组数据分析显示, SlWRKY45主要通过调控抗氧化酶活性和胁迫响应途径介导番茄对低温胁迫的响应。双荧光素酶报告基因检测发现, SlWRKY45可直接激活SlPOD1的表达。酵母双杂交(Y2H)和双分子荧光互补(BiFC)试验结果表明, SlWRKY45与SlWRKY46存在相互作用。综上表明, SlWRKY45可能通过直接调控抗氧化酶途径增强转基因番茄的抗逆性, 为番茄的遗传改良提供了重要的候选基因资源。

磷是植物生长发育不可或缺的营养元素之一, 正磷酸盐(P)在土壤中含量丰富, 但由于土壤的固定作用, 其中能被植物吸收利用的有效磷含量并不高, 提高植物对土壤磷的吸收利用能力, 或优化磷肥施用, 已成为亟待解决的问题。土壤中亚磷酸盐(PH)的含量仅次于正磷酸盐, 其具有更高的溶解度, 可在植物木质部与韧皮部之间进行双向运输, 不易被土壤固定, 但亚磷酸盐作为磷肥替代正磷酸盐和选育耐亚磷酸盐作物品种的研究鲜有报道。基于此, 该研究选取5份引进的马铃薯(Solanum tuberosum)品种和1个商业品种青薯9号(QS9)为实验材料, 经驯化炼苗后直接栽入试验田, 设置正常磷肥处理和亚磷酸盐替代处理, 测定不同品种的表型、光合作用效率和干物质等指标, 以各单项耐亚磷酸盐系数(PTC)为衡量依据, 利用主成分分析等方法对不同马铃薯品种的PH耐性进行综合评价。结果表明, 6个马铃薯品种可分为高度耐亚磷酸盐型(C115和D13)、弱耐亚磷酸盐型(C20、C31和QS9)和亚磷酸盐敏感型(C80) 3类。该研究评价了不同马铃薯品种对亚磷酸盐的耐受性, 旨在为马铃薯耐亚磷酸盐品种选育和亚磷酸盐新型肥料开发提供科学依据。

非编码RNA (ncRNA)是一类不具备蛋白质编码能力但有多种生物学功能的RNA分子, 广泛存在于各种生物体内。随着高通量测序技术的不断完善, 大量的非编码RNA被鉴定出来, 其功能和作用机制也逐渐被阐释。大量研究表明, 非编码RNA在植物生长发育和逆境胁迫响应中发挥重要作用。尽管对某一类非编码RNA调控植物生长发育及逆境响应的总结有很多, 但缺少对非编码RNA系统而全面的总结。因此, 该文首先简要介绍非编码RNA的分类及特征, 随后重点介绍非编码RNA在植物生长发育, 如种子休眠和萌发、根和叶的生长发育、花和果实的发育以及果实成熟方面的作用, 最后对非编码RNA在逆境胁迫响应中的功能及作用机制进行总结, 旨在全面论述非编码RNA在植物生长发育和胁迫响应中的分子调控机理, 以期为改良品种、提高农林业生产的产量和品质提供参考。

为阐明光敏色素家族基因突变对拟南芥(Arabidopsis thaliana)种子萌发时环境适应性的影响, 以野生型(Col-0)种子为对照, 对比了phyA、phyB、phyC、phyD和phyE单突变体种子在12种光温环境下萌发率的差异。结果表明, phyA突变体种子适应在红光下萌发, 而不适应在远红光和高温(35°C)下萌发。phyB突变体种子适应在白光和远红光背景下的低温(15°C)和适温(25°C)下萌发; 而不适应在高温(35°C)下萌发。phyC突变体种子适应在除白光35°C以外的11种光温环境下萌发。phyD或phyE突变体种子适应在低温(15°C)和适温(25°C)下萌发, 而不适应在高温(35°C)下萌发; 适应在红光和白光下萌发, 而不适应在黑暗和远红光下萌发。5个成员中, phyB、phyC和phyD的突变体种子可能丧失光温整合能力, 而phyA和phyE的突变体种子未丧失光温整合能力。综上, 光敏色素家族基因突变导致种子萌发对光、温和光×温的适应性改变, 通过靶向修饰光敏色素家族基因可提升种子萌发对不同生态环境的适应性。

玉米(Zea mays)是我国种植面积最大和总产量最高的第一大粮食作物, 同时也是杂种优势利用的典范。但与发达国家相比, 我国玉米生产仍然存在着平均单产偏低、突破性品种缺乏和杂交种生产成本高等突出问题。雄性不育系的应用可进一步提高玉米杂种优势的利用效率并最终提高单产。该文综述了玉米雄性不育的分类、基因克隆与机理解析以及分子调控网络构建最新研究进展, 系统介绍了已建立的玉米新型工程核不育技术体系及其应用前景, 为推动玉米雄性发育生物学研究与开展玉米雄性不育杂交育种和制种提供重要参考。

水稻(Oryza sativa)是世界上最重要的粮食作物之一。提高水稻抗氧化性, 进而提高抗逆性是保障其高产稳产的重要途径。选用籼稻华占(HZ)和粳稻热研2号(Nekken2)及以其为亲本构建的120个重组自交系(RILs), 分别在分蘖期、灌浆期和成熟期测定亲本及其后代剑叶、颖壳及籽粒中羟基自由基清除率、总酚含量、黄酮含量和花青苷含量, 同时基于已构建的高密度遗传连锁图谱进行数量性状基因座(QTL)定位。结果共挖掘到62个与水稻抗氧化损伤有关的QTLs, 其中LOD值最高达4.36。对这些QTL区间内相关候选基因的表达进行定量分析, 结果表明LOC_Os06g01850、LOC_Os12g07820、LOC_ Os12g07830和LOC_Os03g60509等13个基因的表达在不同时期的双亲间差异显著。研究挖掘到众多与水稻抗氧化性相关的QTLs, 为进一步定位并克隆相关基因, 选育抗性强且营养价值高的水稻新品种奠定基础。

基因编辑技术已成为现代农业育种领域的重要工具。玉米(Zea mays)是全球最重要的粮食作物之一, 基因编辑技术在玉米中的应用显示出巨大的潜力。该文综述了基因编辑技术在玉米研究中的应用进展, 重点介绍了CRISPR/Cas等系统在玉米基因组编辑中的最新成果。首先, 介绍了基因编辑技术的基本原理和类型, 特别是CRISPR/Cas系统的工作机制及其在玉米中的应用优势。其次, 总结了基因编辑技术在玉米育种中的研究进展, 涵盖从基础的基因组编辑到复杂的多基因编辑, 旨在改良玉米的产量、品质和抗逆性等关键性状。最后, 文章列举了我国在玉米基因编辑方面的杰出工作, 并讨论了基因编辑技术应用于玉米育种中存在的问题, 同时展望了未来发展方向。

AP3/DEF (APETALA3/DEFICIENS)基因为MADS-box基因家族的B类基因, 在花发育过程中主要参与调控花瓣和雄蕊发育。对盐肤木(Rhus chinensis) AP3/DEF同源基因进行克隆及功能分析, 有助于探究其在盐肤木雄蕊发育过程中的作用。采用RT-PCR技术获得盐肤木AP3/DEF同源基因CDS; 利用NCBI CD Search对其序列和结构域进行比较分析; 利用酵母双杂交系统, 对AP3/DEF同源蛋白与盐肤木中其它MADS-box转录因子进行蛋白互作验证; 通过实时荧光定量PCR分析盐肤木AP3/DEF同源基因的时空表达模式; 用过表达拟南芥(Arabidopsis thaliana)验证盐肤木AP3/DEF同源基因在花器官发育中的功能。结果表明, 克隆得到2个盐肤木AP3/DEF同源基因分别命名为RcAP3 (GenBank: OR962160)和RcTM6 (GenBank: OR962159), 根据其氨基酸保守结构域比对及系统进化分析, 发现这2个蛋白序列与漆树科的芒果(Mangifera indica)和阿月浑子(Pistacia vera) AP3/DEF同源蛋白亲缘关系最近。酵母双杂交结果表明, RcAP3和RcTM6与盐肤木B类蛋白RcPI、C类蛋白RcAG和Rcag存在互作关系, 但与A类和E类蛋白不存在互作关系。实时荧光定量PCR分析结果显示, RcAP3和RcTM6基因在不同性别盐肤木花芽快速发育期高表达, 在花芽发育早期和开花后表达水平较低; RcAP3在雌花、雄花和两性花的花芽分化过程中均维持较高的表达水平, 而RcTM6在两性花中显著表达, 在雄花和雌花中表达量很低。两性花快速生长期, RcAP3在花瓣和雄蕊中高表达且差异很小, 而RcTM6在雄蕊中的表达量显著高于其它花器官。RcAP3基因能恢复拟南芥ap3-3突变体花瓣和雄蕊的缺陷表型, RcTM6过表达则导致拟南芥花瓣、雄蕊和子房缩短, 花药败育, 表明盐肤木中同属AP3/DEF亚家族的同源基因RcAP3和RcTM6存在功能分化。RcAP3促进花瓣和雄蕊发育, 而RcTM6抑制雄蕊发育。研究结果为进一步研究盐肤木性别分化的分子机制奠定了基础。

海藻糖-6-磷酸合酶(trehalose-6-phosphate synthase, TPS)是合成海藻糖的关键酶, 已在多个物种中被报道参与调节光合作用、糖代谢、生长发育和逆境响应等生理过程。目前, TPS在大豆(Glycine max)中的报道极少。该文在大豆全基因组中鉴定了20个TPS基因及其包含的10种重要蛋白保守基序。启动子元件分析显示, 大豆TPS基因的启动子区富含大量胁迫响应元件; 盐胁迫处理后, 17个TPS基因的表达发生变化, 其中12个基因上调表达, 5个基因下调表达。对TPS进行单倍型和选择趋势分析, 发现TPS8、TPS13、TPS15、TPS17和TPS18存在2种主要的等位变异, 其中携带TPS15^H2、TPS13^H2、TPS17^H2和TPS18^H2的品种在栽培品种中大量富集, 受到强烈的人工选择。该研究揭示了大豆TPS基因家族的分子特征以及在盐胁迫下的表达模式和进化历史, 旨在为进一步解析大豆TPS基因的功能以及培育耐盐大豆品种提供理论依据和遗传材料。

以北美豆梨(Pyrus calleryana cv. ‘Cleveland’)杂种幼胚为材料, 系统开展了杂种幼胚灭菌、愈伤组织诱导、不定芽增殖和生根培养基的筛选研究。结果表明, 4°C低温贮藏21天的杂种幼胚萌发率最高, 为67.23%; 幼胚最佳灭菌处理为75%乙醇灭菌30秒, 10% H₂O₂和0.1% HgCl₂分别消毒10和14分钟; 最适幼胚萌发培养基为1/2MS+4.0 mg·L^-1 6-BA+0.5 mg·L^-1 NAA, 萌发率达89.67%; 最适愈伤组织诱导培养基为1/2MS+1.0 mg·L^-1 IBA+1.0 mg·L^-1 6-BA, 愈伤组织诱导率为93.33%; 最佳分化培养基为1/2MS+0.2 mg·L^-1 IBA+2.0 mg·L^-1 6-BA, 再生频率为87.44%; 最佳继代增殖培养基为1/2MS+1.5 mg·L^-1 6-BA+0.1 mg·L^-1 IBA, 增殖率为100%; 最佳生根培养基为1/2MS+20 g·L^-1蔗糖+1.0 g·L^-1 活性炭+1.5 mg·L^-1 IBA+0.05 mg·L^-1 NAA, 生根率为82.63%。该研究为北美豆梨杂交种质资源高效繁殖提供了科学依据和指导。

为建立栽培薯蓣(Dioscorea polystachya)组培再生体系, 以茎尖及茎尖下4个不同长度的茎段为外植体, 探讨了不同浓度植物生长调节剂、培养基类型及茎段对腋芽诱导和植株再生的影响。结果表明, 培养基配比为MS+1.0 mg∙L^-1 6-BA+0.5 mg∙L^-1 KT和茎尖下12-20 cm的茎段为栽培薯蓣不定芽诱导的最佳组合, 诱导率达90.0%; 继代培养最适培养基配方为MS+0.5 mg∙L^-1 6-BA+0.05 mg∙L^-1 NAA+0.1 mg∙L^-1 KT, 低浓度NAA固定时, 增殖系数在一定范围内随着6-BA浓度的升高而增高; 在相同外源激素条件下, 快繁生根采用DKW培养基明显优于常规1/2MS培养基, 生根率显著提高, 达92.86%。添加1 mg PVP以及增加转接次数均能明显降低褐化率。该研究有效解决了栽培薯蓣种质资源离体稳定繁殖取材部位优化的问题, 为规模化生产栽培薯蓣优质脱毒苗奠定了良好基础。

毛建草(Dracocephalum rupestre)是一种重要的药用植物。然而, 其叶片外植体再生系统尚未建立。以毛建草大田叶片和组培苗叶片为外植体, 探讨植物生长调节剂对愈伤组织诱导和分化、不定芽增殖及生根的影响, 建立了叶片离体再生体系。结果表明, 大田叶片愈伤组织诱导的最适培养基为MS+1.0 mg·L⁻¹ 6-BA+0.1 mg·L⁻¹ 2,4-D+1.0 mg·L⁻¹ IAA, 诱导率达84.51%, 不定芽分化最佳培养基为MS+3.0 mg·L⁻¹ 6-BA+0.5 mg·L⁻¹ TDZ+0.5 mg·L⁻¹ IAA, 分化率为66.37%; 组培苗叶片愈伤组织诱导的最适培养基为MS+2.0 mg·L⁻¹ 6-BA+0.1 mg·L⁻¹ 2,4-D+0.5 mg·L⁻¹ IAA, 诱导率达86.73%, 不定芽分化最佳培养基为MS+2.0 mg·L⁻¹ 6-BA+2.0 mg·L⁻¹ TDZ+0.05 mg·L⁻¹ IAA, 分化率为53.48%。不定芽增殖适宜培养基为MS+2.0 mg·L⁻¹ 6-BA+0.05 mg·L⁻¹ NAA, 增殖率为83.57%, 最适生根培养基为1/2MS+0.1 mg·L⁻¹ NAA+0.1 mg·L⁻¹ IBA, 生根率为86.97%; 在草炭:蛭石=1:1 (v/v)的混合基质中组培苗长势最好。该研究建立了毛建草叶片离体培养再生体系, 为毛建草种质资源保存和种苗快繁提供了技术支持。

以野蔷薇(Rosa multiflora)当年生带芽茎段为试材, 建立了其组培快繁体系。结果表明, 最佳外植体是带腋芽茎段, 外植体最佳消毒方法是先用75%乙醇浸泡30秒, 再用10%次氯酸钠溶液浸泡20分钟, 成活率可达96%; 带芽茎段萌芽最佳诱导培养基为MS+1.0 mg∙L^-1 6-BA+0.01 mg∙L^-1 NAA+0.1 mg∙L^-1 GA₃, 培养30天, 萌芽率可达98%; 无菌再生苗增殖最佳基础培养基为WPM, 增殖系数为2.87; 无菌再生苗生根最佳培养基为1/2MS+1.0 mg∙L^-1 6-BA+0.1 mg∙L^-1 NAA, 生根率可达93%; 无菌再生苗移栽成活率达98%。在此基础上, 以野蔷薇无菌再生苗为受体, 建立了野蔷薇瞬时表达体系。结果表明, 瞬时表达最佳转化条件是菌液OD₆₀₀为0.8, 负压为-0.10 MPa, 真空抽吸2次, 每次15分钟, 瞬时表达效率可达96%。研究结果为建立野蔷薇再生及遗传转化体系奠定了基础, 并为蔷薇属植物基因功能研究提供技术支持。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP⁺)是植物核心能量代谢、生长发育以及胁迫应答的整合者, 可直接或间接影响多种关键的细胞功能。作为细胞代谢的基石, 胞内NAD(P)⁺稳态对于维持植物正常能量代谢、生长发育和胁迫应答至关重要。NAD(P)⁺的合成受损或缺乏将引发植物细胞代谢紊乱和一系列缺陷表型, 严重时甚至导致植物死亡。目前, 植物中NAD(P)⁺的合成途径及其关键酶已比较明确, 但其在植物体内的稳态调控以及协调植物生长与胁迫应答的机制尚不清楚。因此, 研究植物细胞内NAD(P)⁺稳态的调节机制及其平衡植物生长与胁迫应答的分子机理具有重要意义。该文综述了植物NAD(P)⁺的生物合成代谢途径, 重点阐述了NAD(P)⁺参与调节植物生长发育和胁迫应答过程, 并展望了植物NAD(P)⁺的研究前景。

我国高大禾草资源丰富, 自然分布广, 人工种植广泛。该文综述了高大禾草常见种类的特性、栽培技术和主要用途研究进展, 并展望了高大禾草优良品种培育、制繁种与栽培技术、收储运技术体系及其应用领域, 旨在促进高大禾草的产业化应用。

蒙古冰草(Agropyron mongolicum)亦称沙芦草, 为禾本科(Poaceae)小麦族(Triticeae)冰草属(Agropyron)多年生疏丛型牧草, 具有饲用价值高、抗寒耐旱以及耐盐、耐瘠薄、耐风沙等特性, 是改良天然草场的适宜草种与挖掘优良耐逆基因资源的重要材料。然而, 目前尚未建立蒙古冰草高效遗传转化体系, 制约了该物种的基因资源鉴定与遗传改良应用。以蒙农1号蒙古冰草种子为来源的高再生效率的胚性愈伤系#89为外植体, 建立了根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens) EHA105介导的蒙古冰草稳定遗传转化体系, 转化效率达30%。此外, 针对多次继代后蒙古冰草愈伤系再生能力退化的难题, 通过在再生培养基中添加1 mg·L^-1 ABA或提高蔗糖浓度至45 g·L^-1, 成功将再生能力衰退的蒙古冰草愈伤系再生效率由5%分别提高至35%与42%。研究结果为后续蒙古冰草基因编辑体系建立、基因功能鉴定和新品种培育奠定了重要技术基础。