随着全球气候急剧变化, 植物生长发育的生态环境日趋恶劣, 生物钟与光、温受体互作协同传递环境信号并调控下游生长发育的应答机制受到广泛关注。生物钟作为植物内源计时器, 其核心是由多个耦联的转录-翻译反馈环组成, 在转录、转录后、翻译、翻译后和表观修饰层面受到多层级精细调控。这些精密的调控机制保证生物钟能不断被外界环境信号驯化和重置, 使内源节律与外界环境相匹配, 从而赋予植物优化资源利用和趋向最适生长的能力, 对于指导农作物遗传改良和引种驯化具有重要意义。该综述总结了生物钟核心振荡器的多层级调控机制以及同源基因在农作物中的分子功能, 详述了生物钟与光、温环境信号通路间的互作网络, 展望了以此为基础的作物分子育种, 为扩展农作物的环境适应性和优化改良农艺性状提供了新思路。

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。

植物体中线粒体和叶绿体是半自主细胞器, 具有自己的基因组。RNA编辑对于细胞器基因的正确表达至关重要, 最常见的RNA编辑是C→U。RNA C→U编辑需要多种编辑因子参与, 其中PPR蛋白中的PPR基序阵列特异性地靶向编辑位点, PPR-DYW蛋白DYW结构域是催化C→U编辑的脱氨酶。该文综述了PPR蛋白参与RNA C→U编辑机制的最新研究进展, 并讨论了人工合成PPR编辑因子的潜在应用价值。

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。

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。

长链非编码RNA (long non-coding RNA, lncRNA)广泛存在于真核生物基因组中, 在维持生物体正常生命活动中发挥重要作用。近年来, 通过高通量测序和生物信息学分析在植物中发掘到大量的lncRNA。已有研究证实lncRNA在调控植物生长发育和逆境响应中发挥重要作用。由于基因组复杂且遗传操作过程繁琐, lncRNA在玉米(Zea mays)中的研究远落后于拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)。玉米作为我国主要粮食作物, 对于保障国家粮食安全至关重要。玉米还是遗传学与基因组学领域重要的模式植物。了解lncRNA在玉米中的研究进展有助于理解lncRNA的生物学功能。挖掘并解析lncRNA参与玉米生长发育和逆境响应的分子调控网络, 可为玉米遗传改良提供新的分子靶点。该文总结了lncRNA的来源、分类和作用机制, 并讨论了玉米中lncRNA的发掘及其在调控生长发育和逆境响应中的生物学功能, 最后展望了lncRNA在玉米中的研究方向。

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。

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。

细胞质雄性不育(CMS)是一种广泛存在于高等植物中的母性遗传性状。CMS是研究核质互作的理想材料, 也是植物杂种优势利用的重要基础。玉米(Zea mays)是杂种优势利用最成功的作物之一, 利用CMS进行玉米杂交种生产已成为杂种优势利用的有力工具。因此长期以来玉米CMS均是植物学的研究热点。该文综述了玉米3种主要的CMS类型不育基因与育性恢复研究进展, 探讨了现阶段玉米CMS研究与不育化制种应用有待解决的问题, 以期为深入研究植物CMS的分子机制及玉米CMS系统在杂种优势利用中的应用提供参考。

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。

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。

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。

高等植物通常从种子萌发开始, 经过营养生长和生殖发育后重新形成种子, 由此完成世代更迭。种子中积累的碳水化合物、脂质、蛋白质及mRNA等大分子物质对于维持其发芽潜力至关重要, 其中部分mRNA可长期保存而不被降解, 被称为长寿命mRNA (即long-lived mRNA)。在水稻(Oryza sativa)中, 与萌发相关的long-lived mRNA在花后10-20天开始转录积累, 花后20天至种子完全成熟期间, 一些与休眠和胁迫响应相关的long-lived mRNA转录并保存在细胞中。Long-lived mRNA种类繁多, 主要包括蛋白质合成类mRNA、能量代谢类mRNA、细胞骨架类mRNA及逆境响应相关的mRNA, 如小热激蛋白和LEA家族蛋白。Long-lived mRNA的转录组分析表明, 很多基因的启动子区域都包含脱落酸(ABA)或赤霉素(GA)相关的顺式作用元件, 拟南芥(Arabidopsis thaliana) atabi5突变体种子中约有500个不同于野生型的差异表达long-lived mRNA, 暗示ABA和GA是影响long-lived mRNA种类的关键激素。Long-lived mRNA通常与单核糖体和RBP蛋白交联在一起, 以PBs (P-bodies)形式存在于细胞中, 保护mRNA不被降解。与种子休眠相关的long-lived mRNA在种子后熟过程中逐渐被降解, 而且一些特定long-lived mRNA的氧化修饰是种子打破休眠的一种生物现象。在种子长期贮藏过程中, long-lived mRNA的随机降解直接关系到种子的寿命和活力, 保留下来的mRNA在种子吸胀初期被翻译成蛋白质, 促进种子在吸胀早期快速萌发。该文综述了种子重要储存物质long-lived mRNA的特征和功能, 并提出了本领域需要进一步研究的科学问题, 以期为深入理解种子休眠、萌发与寿命的分子机制提供参考。