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。

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。

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。

在与病原菌的长期斗争过程中, 植物进化出复杂而精细的免疫防御系统。抗病(resistant, R)基因的克隆和功能研究极大地促进了人们对植物免疫防御系统的理解。执行者(executor, E)基因作为一类新的植物抗病基因, 具有独特的抗病特点, 同时也是重要的抗病基因资源, 因此成为植物免疫领域的研究热点。近年来, E基因的克隆和功能机制研究取得了一系列重要进展, 但尚未见相关中文综述。该文全面总结了E基因的蛋白序列特征、与病原菌的互作机制、生物学功能及育种应用, 以期为深入理解植物-病原菌互作机制和作物抗病育种提供重要参考。

CRISPR/Cas作为一种新兴的靶向基因组编辑技术, 具有操作过程简便、编辑效率高和支持多靶点编辑等优势, 在植物遗传育种中应用前景广阔。然而对于一些尚未建立遗传转化体系和再生体系的植物, 基因组编辑技术的应用仍然受限。病毒介导的植物基因组编辑技术可不依赖遗传转化和再生等步骤, 即可快速获得无外源转基因成分的基因组编辑植物, 受到广泛关注。该文主要介绍了病毒介导的CRISPR/Cas植物基因组编辑技术的工作原理及优势, 系统总结了该技术在植物基因组编辑领域的应用现状, 并重点讨论了该技术体系存在的问题及挑战, 以期为深入开展这一领域研究提供参考。

类黄酮是植物次生代谢过程中产生的多酚类物质, 在植物中广泛存在且功能多样。类黄酮的生物合成发生在内质网的细胞质侧, 但最终积累在液泡腔内。因此, 需要高效的类黄酮转运和积累系统将其从内质网转移至液泡内。几十年来, 关于植物类黄酮转运有诸多研究。目前的研究结果表明, 植物体内存在3种类黄酮转运机制, 包括谷胱甘肽转移酶介导的转运及膜转运蛋白和囊泡介导的转运。该文综述了这3种转运机制以及近年来植物类黄酮转运研究进展, 分析总结了3种不同但具有非排它性机制在功能上的协同作用。虽然类黄酮生物合成途径在许多物种中得到很好的表征, 但是关于其转运研究仍相对缺乏。类黄酮修饰与转运的关系、转运蛋白对底物的特异性和偏好性及类黄酮转运的转录调控仍需深入探索, 以更好地解析类黄酮在植物细胞中的转运和积累机制。

生物体为适应外界不断变化的光环境, 进化出不同的光受体, 其中光敏色素是一类经典的植物感受红光和远红光的受体蛋白, 其通过暗适应的Pr状态和光激活的Pfr状态之间的光转换来检测红光和远红光。植物光敏色素具有1个保守的N端感光区域和1个C端调节区域, 其中N端部分包括NTE、PAS、GAF和PHY亚结构域, C端部分包括2个PAS结构域和1个组氨酸激酶相关结构域(HKRD)。为深入了解光敏色素的结构及功能, 已获得许多光敏色素功能缺失或氨基酸位点突变体, 并对其进行功能研究, 发现N端结构域在光敏色素的光谱特性、光信号感知和光信号转导等方面均具有重要作用; 而C端结构域是光敏色素的二聚化与核定位所必需。该文综述了拟南芥(Arabidopsis thaliana)中光敏色素B (phyB)各亚结构域中氨基酸位点突变对其功能的影响, 以期深入理解phyB的结构及功能, 为未来通过基因编辑手段进行作物农艺性状的遗传改良奠定基础。

广义蕨类植物(石松类和蕨类)是陆生维管植物第二大类群, 兼具孢子植物和维管植物的结构和生理特点, 衔接陆生植物从简单到复杂的演化过程。广义蕨类植物表现出许多不同于其它植物类群的独特生物学过程, 在研究植物基因组演化、器官发育、繁殖方式及环境适应等方面是一类关键的植物类群。现代测序技术的快速发展和应用推动了广义蕨类植物全基因组测序和组装, 为其基因功能研究提供了巨大便利。为充分认识广义蕨类植物基因功能研究的热点和难点, 该文从多角度全面总结了广义蕨类植物基因功能研究, 重点论述广义蕨类植物在器官发育、生殖过程、环境适应性和次生代谢物合成等方面的研究现状, 系统阐述其在揭示广义蕨类植物特殊生物学过程中的应用及各类基因的功能。最后, 对如何加快广义蕨类植物基因功能研究, 并利用相关研究揭示其生物学特性和开发更广泛的应用场景提出了建议。

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。

胁迫相关蛋白(SAPs)是一类具有A20/AN1锌指结构域的蛋白, 在植物逆境胁迫应答中发挥调控作用。目前, 已有较多研究阐明了SAPs在植物响应各种胁迫中的功能, 但尚未见对其作用机制的系统总结。该文简要概述植物SAPs的结构特征及分类, 重点阐述其作用机制, 并总结了其对逆境响应的研究进展, 以期增进人们对植物SAPs的认识, 为深入研究提供参考。

由于植物无法逃离逆境, 因此进化出高度灵敏而精确的适应机制以应对自然环境中的各种非生物胁迫。当植物局部组织或器官受到非生物胁迫时, 通过细胞间信号传递产生系统性反应, 使其整体产生对该胁迫的适应性(即系统获得性适应)。目前, 大量研究阐明了植物系统获得性适应中细胞间信号传递分子(主要包括活性氧信号、钙信号、电信号、植物激素、磷脂酰肌醇和pH信号)、类受体蛋白激酶以及其它蛋白激酶在系统性信号传递中的作用。该文综述了非生物胁迫引发植物系统获得性适应中细胞间信号传递的研究进展, 分析了不同信号之间的可能关系, 以期为相关研究提供参考。

植物产生的次生代谢产物为人类提供了丰富的药物、香料和工业原料。随着分子生物学和基因组学研究的快速发展, 目前已解析了多种植物的次生代谢产物生物合成基因簇(BGCs)。这为我们快速获取目标产物的生物合成通路和发掘新颖的天然产物开辟了新路径。该文重点围绕植物次生代谢产物生物合成基因簇的定义和特点、基本结构模型与演化以及调控机制等进行综述, 以期为相关研究提供理论依据和借鉴。

叶绿体是绿色植物进行光合作用的主要场所, 类囊体是叶绿体中膜结构的主要成分。植物类囊体膜上分布着多种色素蛋白复合物和脂质。其中脂质成分约一半是糖脂质, 主要包括单半乳糖甘油二酯、双半乳糖甘油二酯和硫代异鼠李糖甘油二酯。磷脂在类囊体膜中的占比很小, 主要成分为磷脂酰甘油。光合作用相关的大多数色素蛋白复合物都镶嵌在排列规则的极性脂上, 这些膜脂对植物光合作用和生长发育至关重要。深入了解原核/真核生物类囊体膜中主要脂质的结构、功能及其生物合成, 有助于阐明光合作用光能及物质转化的调控机理, 为植物类囊体膜脂研究提供理论依据。

适配体是一种从人工合成的文库中筛选出来、能够特异结合靶标分子的单链寡核苷酸或多肽。适配体基于自身结构和序列与靶分子特异结合并调节其活性, 应用于生物体内分子功能研究及新型药物制剂的研发。近年来, 多肽适配体广泛应用于医学、遗传学和分子生物学等多个领域, 成为一种高效、特异且功能强大的新工具。在植物研究中, 随着相应体系的建立、应用和推广, 适配体技术逐渐成为研究植物分子功能的有效工具。该文综述了不同类型的适配体、筛选原理及优缺点, 以及在植物研究中的应用。可以预见, 随着分子设计育种技术的发展, 适配体技术有望成为植物科学领域有价值的应用工具。

细胞是生物体结构和功能的基本单位, 有膜或无膜包裹的细胞器在细胞内特定的空间各司其职。然而, 无膜细胞器的形成机制和功能仍有待进一步解析。研究表明, 液-液相分离(LLPS)可以使细胞内的特定分子聚集形成凝聚体, 进而发挥重要作用。随着植物中LLPS研究的不断深入, 相分离形成的凝聚体在植物生长发育和胁迫应答过程中的作用备受关注。该文对蛋白液-液相分离调节植物生长发育以及胁迫应答的研究进展进行综述, 为深入研究LLPS在植物细胞中的工作机制提供参考。

点击化学又称“链接化学”或“速配结合式组合化学”。其可通过碳-杂原子键(C-X-C)连接产生出诸多功能强大、高度可靠且具较强特异性的反应, 是一种快速合成大量化合物的新方法。近几年, 点击化学在药物开发、新材料合成、材料表面功能化修饰和生物大分子标记等方面取得了较大进展。2022年, 点击化学的开拓者获得了诺贝尔化学奖。该文简要介绍点击化学的原理和反应类型, 重点总结其在标记生物大分子上的研究进展, 特别是在植物细胞壁聚糖标记方面的应用, 以期为解析植物细胞壁结构、合成和动态转运机制提供新思路。

温度是决定植物地理分布的主要环境因子之一, 分布于高纬度、高海拔地区的寒地植物, 在其生活史周期内通常会遭遇一段时期的零度以下低温。当环境温度降至冰点以下, 植物体内水分子趋向于形成冰晶体, 不断增大的冰晶对植物组织结构造成致命损伤。为适应冷冻环境, 寒地植物病程相关蛋白(PR)及相关的WRKY转录因子进化成为能与冰面特异吸附结合、高效抑制冰晶形成和生长的抗冻蛋白(AFPs)。目前, 已从冬黑麦(Secale cereale)等近百种植物中分离鉴定了AFPs。与昆虫AFPs相比, 植物AFPs具有极高的重结晶抑制活性, 可有效防止形成体内大冰晶。低温和病原菌均可诱导寒地植物合成AFP。有趣的是, 仅冷诱导合成的AFPs有水解酶/抗冻活性双重分子功能。然而, 越来越多的证据表明, PR-AFP仅具有水解酶/抗冻活性的其中一种, 其转化由翻译后肽差异折叠控制/调节。AFP因具有独特的分子功能与广阔的应用前景而逐渐成为植物学领域的研究热点。该文对近年来相关领域取得的研究进展进行系统综述。

SPL是植物特有的一类转录因子, 其蛋白结构中存在一段由2个锌指结构和核定位序列构成的高度保守的SBP结构域, 多数SPL基因的转录表达受microRNAs剪切调控。该文结合当前SPLs转录因子的研究进展, 对其在植物生长发育和环境适应等方面的生物学功能进行综述, 并对SPLs的研究前景进行展望。

植物sirtuin蛋白家族是一类依赖β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(β-NAD⁺)、分别催化非组蛋白和组蛋白赖氨酸上N^ε-乙酰基和N^ε-酰基(乙酰基、巴豆酰基、丁酰基和2-羟基异丁酰基)去除的酶, 具有调控非组蛋白活性和基因表达的功能。已证明sirtuin蛋白家族成员在水稻(Oryza sativa)、大豆(Glycine max)和番茄(Solanum lycopersicum)等植物的生长发育以及盐、冷、热和病原菌等胁迫响应中发挥重要的表观调控作用。该文对植物sirtuins的酶活性、催化底物、细胞定位和功能进行综述, 为理解其表观遗传调控机制及丰富新功能研究提供参考。

植物的根可选择性地从土壤中吸收水分和养分, 并运输至地上部供植物生长发育所需, 这些功能与其解剖结构密切相关。根部吸收的水和溶质在根中的径向运输主要包括质外体、共质体和跨细胞3条途径。内皮层是包围中央维管系统的最内细胞层。长期以来, 内皮层分化形成的凯氏带被认为在阻断水和溶质通过质外体途径运输中发挥决定性作用。然而, 近年来, 研究发现内皮层分化形成的木栓层对水和溶质的径向运输作用不亚于凯氏带, 甚至称木栓化是内皮层细胞的第二次生命。该文综述了近年来木栓层在水和溶质运输中生理功能的最新进展, 阐述了木栓层与作物抗旱、抗盐、抗重金属和抗养分胁迫之间的关系, 以期为内皮层可塑性调控植物生理功能的理论和实践提供参考。

淀粉是水稻(Oryza sativa)胚乳的主要贮藏物质, 其积累过程影响植物后续的生长发育。作为人类从水稻中摄取的主要营养物质之一, 淀粉在水稻中的合成和积累过程备受关注。该文综述了蔗糖从韧皮部卸载、淀粉合成关键酶以及激素等内源因素影响淀粉合成和积累的最新研究进展, 并指出了胚乳淀粉积累过程尚未解决的问题, 旨在为后续深入研究提供参考思路。

光作为重要的环境因子之一, 不仅为植物光合作用提供能量, 而且作为信号影响植物对外界环境的响应。该文综述了红光和远红光对植物生长发育和非生物胁迫响应的调控作用, 重点阐述了光敏色素及下游光信号转录因子整合激素等内源信号调控植物种子萌发、下胚轴伸长、芽发育及开花的分子机制, 以及红光和远红光在植物响应盐、干旱及温度胁迫中的作用机制。在挖掘植物感知和响应光环境机理的基础上, 利用LED光谱技术对作物进行精确补光, 有望提高作物产量、品质和抗逆性, 同时推进实现“双碳”目标, 减少能源消耗和环境污染。

核黄素是生物体维持正常代谢所必需的辅酶因子FMN和FAD的合成前体, 其在线粒体电子传递链、三羧酸循环、脂肪酸β氧化、支链氨基酸分解代谢、氧化还原稳态、染色质重塑、DNA修复、细胞凋亡和次生代谢产物合成中发挥关键作用。核黄素缺乏会引发机体代谢紊乱和一系列表型缺陷, 严重时甚至导致生物体死亡。自然界生命体中仅微生物和植物可以从头合成核黄素, 而人和动物需从食物中获取核黄素。目前, 微生物中核黄素的合成及其调控机制已研究得比较清晰, 而核黄素在植物体内转运和代谢的调控机制尚不清楚。因此, 挖掘核黄素缺乏相关突变体对解析植物核黄素生物合成、转运和代谢的分子机制以及其对植物生长发育的调控机理具有重要意义。该文综述了核黄素的生物合成途径及其关键限速酶, 重点阐述了核黄素参与的植物生长发育过程, 并展望了植物核黄素的研究前景。

松脂醇-落叶松脂素还原酶(PLR)是植物中木脂素生物合成的关键酶, 能够催化松脂醇转化为落叶松脂素, 并进一步催化落叶松脂素生成开环异落叶松脂素, 且存在底物立体选择性, 是一种NADPH依赖型还原酶。PLR的催化产物位于不同类型8-8′木脂素的源头, 其底物选择性直接决定木脂素的骨架类型, 如呋喃、二苄基丁烷、二苄基丁内酯和芳基四氢萘木脂素。因此, PLR的催化特性和表达特征在植物木脂素组成及其生物活性多样性中发挥重要作用。该文综述了PLR在植物木脂素生物合成中的作用、对映异构体选择性及其催化机制, 以期为进一步研究PLR基因的生物学功能以及催化机制奠定基础, 并为不同类型木脂素的精确生物合成指明方向。

多药和有毒化合物外排转运蛋白(MATE)又称解毒外排转运蛋白(DTXs), 广泛存在于真核与原核生物中。MATE是一种膜蛋白, 通常具有12个呈V型排列的跨膜区。在植物中MATE/DTXs转运蛋白主要参与铁稳态调节、无机阴离子和次生代谢物转运、外源物质和重金属解毒、植物生长发育调控以及病害与逆境胁迫响应。该文对植物MATE蛋白家族的发现、系统发育、结构及功能等研究进展进行综述, 以期为MATE/DTXs应用于作物或牧草抗逆遗传改良提供参考。