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。

植物免疫受体感知病原信号分子并迅速激活自身免疫反应, 对植物抵御病原微生物入侵至关重要。但在未受到病原侵染时, 这些免疫受体的活性需受到严密控制, 以保证植物的正常生长。水稻(Oryza sativa)受体激酶OsCERK1是重要的免疫受体或共受体, 可感知病原真菌细胞壁组分几丁质。同时, OsCERK1还对感知丛枝菌根真菌的共生信号菌根因子不可或缺。最近的一项研究发现OsCERK1的一个精密调控机制, 既能在植株正常生长时有效抑制OsCERK1活性, 又能保证病原入侵时OsCERK1充分激活免疫反应。他们发现, 正常情况下, 水稻E3泛素连接酶OsCIE1通过泛素化修饰OsCERK1的激酶结构域, 抑制后者的激酶活性, 从而抑制免疫过度激活以保持稳态; 被几丁质激活后, OsCERK1又能通过特异磷酸化OsCIE1的关键位点, 阻断后者的E3连接酶活性, 进而解除OsCIE1对OsCERK1的抑制。该发现对利用免疫受体进行水稻抗病改良具有重要意义。

多细胞生物常因暴露在各种生物和非生物胁迫下而导致器官损伤或缺失。植物因固着性而演化出强大的再生能力以适应环境。尽管细胞损伤是植物组织修复和器官再生的原初物理诱因, 然而引发再生反应局部伤口信号的化学本质及其调控再生机制一直是科学界的难解之谜。最近一项研究发现1个调控植物局部伤口响应与再生能力的小肽REF1。研究表明, REF1与其受体PORK1通过植物损伤响应及细胞重编程关键转录因子WIND1促进植物再生。尤为重要的是, 外源施加REF1小肽可不同程度地提高几种作物的再生效率。这一发现不仅为理解植物损伤响应和再生的分子机制打开了全新视角, 而且为提高作物的再生能力和遗传转化效率提供了潜在的应用策略。

开花基因决定植物的一年生或多年生开花习性。已在不同植物中鉴定到多个开花基因, 然而关于开花基因如何驱动十字花科植物一年生与多年生生活史策略转变的进化机制仍不清楚。最近一项研究聚焦十字花科不同属的自然变异, 发现3个亲缘关系密切的MADS-box类转录因子编码基因(即FLC、FLM和MAF)与其一年生/多年生习性转变相关, 并解析了其分子机制, 提出十字花科植物生活史策略(即多年生/二年生/一年生之间的转换)是由FLC类MADS-box基因剂量叠加所决定的连续过程。研究结果初步明确了十字花科植物一年生与多年生生活史策略转换的进化机制和轨迹, 为培育多年生油菜品种奠定了理论基础, 也为其它十字花科作物的多年生化遗传改良提供借鉴。

农作物驯化推动了农业文明的出现和繁荣, 是人类历史上的重大事件。玉米(Zea mays)作为全球范围内的重要粮食作物, 其驯化起源一直备受生物学和历史学界的关注。之前, 现代玉米起源自小颖大刍草亚种(Z. mays subsp. parviglumis)的观点一直占主流地位。近期, 严建兵与其合作团队系统收集并梳理了玉米各种类型野生种和栽培种资源, 综合运用基因组学、群体遗传学和数量遗传学方法及考古学成果, 发现现代玉米也存在墨西哥高原亚种(Z. mays subsp. mexicana)的杂交渐渗, 并影响了诸多农艺性状, 进而提出现代玉米起源的新模型。

生长素在植物生长发育过程中发挥重要作用, 其信号转导机制一直是植物学领域关注的热点。前期研究表明, ABP1-TMK分子模块参与胞外生长素信号感受, 但ABP1作为生长素受体备受争议。近期, 福建农林大学徐通达团队和杨贞标团队鉴定到ABL蛋白作为生长素结合蛋白参与胞外生长素信号感受。与传统的功能冗余不同, ABL和ABP1通过蛋白结构的相似性实现功能补偿效应, 进而与TMK在细胞膜上形成复合体, 作为胞外生长素的共受体介导生长素信号驱动的快速反应。该研究深入解析了胞外生长素信号感受的重要机制, 是生长素研究领域的重大突破。

被子植物受精调控机制一直是植物有性生殖领域的研究热点之一。近年来, 对于花粉管导向、防止多精入卵以及受精恢复系统启动等关键过程的研究有了快速进展。但迄今发现的主要调控途径均为基于助细胞功能、旨在确保双受精成功的机制, 而对基于中央细胞确保双受精成功的机制仍知之甚少。近期, 李红菊研究组在该领域取得了新的突破, 他们发现中央细胞也能够分泌吸引花粉管的小肽, 进而揭示了一条全新的不依赖于助细胞的受精恢复途径, 填补了对受精机制认识的一个空白。

作物生产常遭受各类虫害威胁。揭示昆虫与寄主之间的互作机制, 对害虫的绿色防治具有重要意义。武汉大学何光存团队鉴定了褐飞虱(BPH)唾液蛋白BISP。在易感品种中, BISP靶向OsRLCK185并抑制其介导的基础防御。在携带褐飞虱抗性基因Bph14的水稻(Oryza sativa)品种中, BPH14直接结合BISP并激活寄主的免疫反应, 但会抑制水稻的生长。BISP-BPH14与自噬装载受体OsNBR1结合, 通过自噬途径降解BISP, 下调水稻对BPH的抗性, 恢复植株正常生长。该研究鉴定到首个被植物免疫受体感知的昆虫唾液蛋白, 揭示了寄主通过感知并调节昆虫效应蛋白水平来平衡水稻抗性与生长发育的分子机制, 为培育高产水稻抗虫品种提供了新思路。

芸苔根肿菌(Plasmodiophora brassicae, Pb)在世界范围内引起十字花科(Brassicaceae)植物病害, 导致巨大的经济损失。近期, 中国科学院遗传与发育生物学研究所的陈宇航和周俭民团队开展合作, 成功从拟南芥(Arabidopsis thaliana)中分离出1个广谱抗根肿病的基因WTS (WeiTsing)。根肿菌的侵染诱导WTS在根部中柱鞘细胞上调表达。WTS编码1个定位于内质网的小蛋白, 其能寡聚化形成1个新型的单孔五聚体。电生理实验表明, WTS聚合物是一类Ca²⁺通透性的阳离子选择性通道。根肿病原菌侵染激发WTS的Ca²⁺通道活性并激活强烈的下游防卫反应。携带WTS的油菜(Brassica napus)对根肿菌呈现出高抗表型。该研究不仅发现了一个类似抗病小体的Ca²⁺通透性阳离子通道, 还揭示了一种特异在中柱鞘细胞中激活的全新免疫调控分子机制, 为新型广谱抗病育种提供了新的思路和基因资源。

盐碱胁迫是限制农业生产和作物产量的主要逆境因素之一。近年来, 植物响应盐胁迫的分子机制研究取得了较大进展, 但是对碱胁迫的分子机制知之甚少, 这制约了通过分子设计育种提高作物盐碱胁迫耐受性的研究进程。最近, 中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队、中国农业大学于菲菲团队和华中农业大学欧阳亦聃团队等8家单位联合攻关, 在解析植物耐碱分子机制方面取得突破性进展。他们通过高粱(Sorghum bicolor)基因组关联分析检测到1个负调控耐碱性的主效基因AT1 (Alkaline tolerance 1)。AT1及其同源基因的敲除增强了高粱、水稻(Oryza sativa)、谷子(Setaria italica)和玉米(Zea mays)耐碱性, 并提高了碱胁迫下的产量。AT1编码非典型G蛋白γ亚基, 它通过调控水通道蛋白PIP2;1的磷酸化水平改变细胞内外H₂O₂的分布, 响应碱胁迫引发的氧化应激。该研究揭示了作物适应碱胁迫的新机制, 对作物抗碱性育种具有重要意义。

自20世纪60年代以来, 半矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b的利用显著提高了小麦(Triticum aestivum)抗倒伏能力和收获指数, 使得全世界小麦产量翻了一番, 引发了农业第1次“绿色革命”。Rht-B1b和Rht-D1b编码植物生长抑制因子DELLA蛋白, 是赤霉素(GA)信号转导途径的负调控因子。DELLA蛋白积累抑制细胞分裂和细胞伸长, 导致矮化表型; 同时也抑制光合作用并降低氮素利用效率, 导致半矮化品种需要较高的化肥投入才能获得高产。如何“减肥增效”是实现低碳绿色农业所面临的重大问题。最近, 中国农业大学倪中福团队发现了具有育种应用价值的新型“半矮秆”基因模块, 证明通过对赤霉素和油菜素内酯(BR)信号通路的双重调控可实现矮秆高产小麦新品种培育。该团队鉴定并克隆了1个控制小麦株高和粒重的数量性状位点(QTL), 该QTL在衡597中存在1个约500 kb的r-e-z大片段缺失, 其中包括Rht-B1b基因和1个编码RING E3泛素连接酶的ZnF-B基因。研究发现, ZnF-B蛋白与油菜素内酯信号转导途径的抑制因子TaBKI1相互作用, 诱导TaBKI1降解, 从而促进BR信号转导。ZnF-B单敲除导致小麦株高和粒重降低, 影响小麦产量; ZnF-B1和Rht-B1b双敲除植株株高不变, 但小麦粒重和氮肥利用效率增高。该研究不仅揭示了BR信号转导调控的新机制, 而且提出了通过调控GA和BR双重信号转导机制实现农业可持续发展的育种新策略, 助力小麦新一轮“绿色革命”。

高通量组学技术的快速发展使生命科学进入大数据时代。科学家们从基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等多组学数据中剥茧抽丝, 逐步揭示生物体内复杂而巧妙的调控网络。近日, 华中农业大学李林课题组联合杨芳课题组和严建兵课题组构建了玉米(Zea mays)首个多组学整合网络。该网络包括3万个玉米基因在三维基因组水平、转录水平、翻译水平和蛋白质互作水平的调控关系, 由280万个网络连接组成, 构成1 412个调控模块。利用该整合网络, 研究团队预测并证实了5个调控玉米分蘖、侧生器官发育和籽粒皱缩的新基因。进一步结合机器学习方法, 他们预测出2 651个影响玉米开花期的候选基因, 鉴定到8条可能参与玉米开花期的调控通路, 并利用基因编辑技术和EMS突变体证实了20个候选基因的生物学功能。此外, 通过对整合调控网络的进化分析, 他们发现玉米两套亚基因组在转录组、翻译组和蛋白互作组水平上存在渐进式的功能分化。这套集合多组学数据构建的整合网络图谱是玉米功能基因组学研究的重大进展, 为玉米重要性状新基因克隆、分子调控通路解析和玉米基因组进化分析提供了新工具, 是解锁玉米功能基因组学的一把新钥匙。

作物育种的目标是找到产量和抗性的最佳平衡点, 其中涉及“鱼和熊掌”二者兼得的选择策略。哪些逆境负调控位点影响产量性状, 以及如何调控等是突破育种瓶颈的重要科学问题。近百年来, 高产玉米(Zea mays)育种使玉米单产不断提高, 同时现代玉米品种对干旱的敏感性也呈现出增强趋势, 故而存在高产稳产的潜在风险。可对于这一现象背后确切的遗传机制却知之甚少, 从而限制了既高产又高抗玉米新品种的培育。玉米的非生物胁迫抗性与产量性状均为多基因控制的复杂数量性状, 涉及全基因组范围内大量基因的表达与调控。玉米基因组内存在大量的小RNA (sRNA), 其对基因表达起精细调控作用, 但人们对sRNA调控作物环境胁迫应答与产量性状机制的理解仍然有限。近日, 华中农业大学代明球课题组与李林和李峰两个课题组合作, 基于对338份玉米关联群体在不同环境下的sRNA表达组分析, 鉴定到大量干旱应答的sRNA, 以及调控这些sRNA表达的遗传位点(eQTL); 并克隆了8号染色体上1个干旱特异性eQTL热点DRESH8。生物信息学分析显示, DRESH8是1个由转座子组成的长度约为21.4 kb的反向重复序列(TE-IR)。DRESH8通过产生小干扰RNA (siRNA)介导抗旱基因的转录后沉默, 并间接抑制产量负调控因子的表达, 在负调控干旱应答的同时正调控产量性状。进一步研究发现, DRESH8在玉米驯化和改良过程中受到了人工选择。据此, 他们认为DRESH8可能是玉米平衡抗旱性和产量的关键遗传位点。该研究在全基因组水平上揭示了作物调控产量和环境胁迫抗性平衡的关键遗传机制, 同时也鉴定到大量IR位点, 为未来“高抗、高产”玉米设计育种提供了有价值的操控靶点。

小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型(Puccinia striiformis f. sp. tritici, Pst)引起的真菌病害, 在全世界范围内危害小麦(Triticum aestivum)生产。培育和种植持久抗性小麦品种是控制小麦条锈病最有效的方法。由于病原体突变导致免疫受体逃避检测, 因此抗病基因经常失效。而易感基因(S基因)突变介导的抗性常具持久性与广谱性。近日, 西北农林科技大学植物免疫研究团队在揭示小麦受S基因保护的分子机制方面取得显著进展, 为抗病育种提供了有力工具。他们发现小麦感染条锈菌后, 真菌诱导受体样细胞质激酶TaPsIPK1与效应子PsSpg1特异性互作, 通过增强激酶活性和TaPsIPK1进入细胞核促进寄生。TaPsIPK1磷酸化转录因子TaCBF1d。TaCBF1d的磷酸化改变了其下游基因的转录活性。因此, TaPsIPK1和PsSpg1增强TaCBF1d磷酸化可能会重新编程靶基因表达, 干扰植物防御反应, 从而促进病原体感染。在2年的田间试验中, 小麦中TaPsIPK1的CRISPR-Cas9失活赋予了对Pst的广谱抗性, 且不影响重要的农艺性状。该研究首次揭示了由PsSpg1-TaPsIPK1-TaCBF1d在小麦条锈病S基因中触发的新的磷酸化转录调控机制, 为通过作物遗传修饰培育持久抗性品种提供了新策略。

质外体是植物感受和应答环境胁迫(包括生物和非生物胁迫)的前沿区域。质外体的pH值是被严格调控的重要生理参数。环境胁迫(如细菌病害)等会引起植物细胞质外体碱化现象。然而, 质外体pH如何协调根生长与免疫响应? 其分子调控机制尚不清楚。最近, 南方科技大学生命科学学院郭红卫团队与清华大学-德国马克斯普朗克研究所-科隆大学柴继杰团队以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)为研究材料, 通过遗传学、细胞生物学、生物化学和结构生物学等综合手段, 发现细胞表面小肽-受体复合物可作为质外体pH感受器, 感受和应答分子模式触发的免疫(PTI)引发的拟南芥根尖分生组织细胞质外体碱化。该研究揭示了植物根尖分生组织细胞质外体pH感受的蛋白质复合物及响应机制, 以及免疫与生长之间的协调机制, 加深了人们对植物如何平衡生长与免疫应答生物学反应过程的理解。

野生植物的驯化为人类定居与文明起源奠定了重要基础。在世界范围内不同地区生活的古人类分别对当地不同的野生植物进行了驯化, 而经过驯化的作物常常表现出相似的驯化综合性状。在基因组层面上对趋同选择规律的解析, 可为作物育种提供重要信息与遗传资源。近日, 中国农业大学杨小红/李建生和华中农业大学严建兵领衔的团队从单基因和全基因组2个层次系统解析了玉米(Zea mays)和水稻(Oryza sativa)趋同选择的遗传基础, 发现玉米KRN2与水稻OsKRN2受到了趋同选择, 并通过相似的途径调控玉米与水稻的粒数与产量。他们还发现玉米与水稻在全基因组范围内存在大量趋同选择同源基因对(gene pair), 这些基因在淀粉代谢、糖及辅酶合成等途径特异富集。该研究不仅克隆了在玉米与水稻中均具有重要育种价值的趋同选择同源基因对KRN2/OsKRN2, 而且在全基因组水平上揭示了玉米与水稻趋同选择的规律, 为进一步解析驯化综合性状形成的分子机理及其在育种中的应用奠定了重要理论基础。

磷是植物生长发育必需的大量矿质营养元素, 但自然界大部分土壤都存在严重缺磷的问题。为了适应这一营养逆境, 植物演化出一系列低磷胁迫应答反应。通过改变基因的转录水平调控低磷胁迫应答反应, 而转录因子PHR1在调控植物对低磷胁迫的转录响应中起关键作用。此外, 大部分陆生植物还能与丛枝菌根真菌建立共生关系, 通过丛枝菌根真菌更有效地从土壤中获取磷元素。最近, 中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组发现, 以PHR为中心的转录调控网络控制植物-丛枝菌根真菌共生的建立。因此, PHR不但在维持植物细胞自身的磷稳态中发挥作用, 而且参与植物与外界微生物的相互作用, 为植物有效地从环境中获得磷元素提供了另外一条途径。

近年, 我国学者在水稻(Oryza sativa)广谱抗病机制、抗性与产量协调机制等方向的研究取得了一系列突破性进展。最近, 何祖华和杨卫兵团队在水稻抗病性研究中再次取得突破, 发现1个以钙感应蛋白ROD1和过氧化氢酶CatB为核心的信号轴, 通过负调控水稻免疫反应, 保证正常生长条件下维持低水平的免疫反应, 促进水稻正常生长发育, 而在病原菌侵染时下调ROD1蛋白, 诱导免疫反应。ROD1缺失突变体高抗稻瘟病、纹枯病和白叶枯病, 但因免疫过强抑制生殖生长。需要指出的是, 在热带和亚热带栽培籼稻中, ROD1富集了1个独特的变异SNP1^A。SNP1^A对免疫的抑制作用较小, 因此具有较好的抗病性, 这可能对水稻在热带和亚热带的适应性具有重要意义。SNP1^A对水稻生长发育和产量无明显影响, 表明这一变异在抗病改良育种中可能具有重要价值。有意思的是, 某些稻瘟菌携带的效应蛋白AvrPiz-t, 通过模拟ROD1的结构和功能干扰水稻的抗病性。因此, ROD1-CatB信号轴在水稻与病原微生物适应性演化中具有独特意义。

现代栽培马铃薯(Solanum tuberosum)是同源四倍体, 基因组高度杂合, 遗传组成复杂, 存在严重的自交衰退, 优异性状难以聚合, 使得育种周期漫长, 造成基于种子传代的马铃薯杂交育种难以突破。与此同时, 块茎无性繁殖导致马铃薯繁殖系数低、储运成本高和易携带病虫害等痼疾, 且种薯脱毒成本高, 限制其产业化发展。近期, 中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队运用基因组设计理论和方法体系培育杂交马铃薯, 用二倍体育种替代四倍体育种, 实现了用杂交种子繁殖替代薯块繁殖, 创制了第1代高纯度的二倍体自交系和杂种优势明显的杂交马铃薯品系。该研究是马铃薯育种领域里程碑式的重大成果, 开启了基于基因组设计和种子迭代的马铃薯生物育种新纪元。

通过人工选择优良遗传变异, 将野生植物驯化为栽培作物, 以满足人类对食物的需求, 是人类发展历史中的重要事件, 推动了人类文明的持续发展。随着世界人口持续增加, 耕地面积不断减少, 灾害性天气频发, 全球粮食安全问题日趋严峻。基于作物驯化的分子机理及重要农艺性状的遗传基础, 结合高通量基因组测序和高效基因组编辑技术, 从头驯化野生植物, 创造新型作物, 将是应对这一挑战的有效策略之一。近日, 中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队联合国内外多家单位, 通过组装异源四倍体高秆野生稻(Oryza alta)基因组, 优化遗传转化体系, 利用基因组编辑技术, 使其落粒性、芒性、株型、籽粒大小及抽穗期等决定作物驯化成功与否的重要性状发生改变, 成功实现了异源四倍体高秆野生稻的从头定向驯化。该突破性研究成果证明了通过从头驯化将异源四倍体野生稻培育成未来的主粮作物, 是确保粮食安全的可行策略, 同时也为从头驯化野生和半野生植物、创制新型作物提供了重要参考。

为应对持续不断的环境压力和逆境胁迫, 植物需要整合内部和外部信息来调整自身的生长发育, 以适应环境。其中, 可溶性糖不仅是基础能量和营养代谢的必需分子, 也是参与植物生长发育和应对胁迫的信号分子。然而, 植物整合糖信号, 平衡营养代谢和胁迫应答的分子机制尚不清楚。最近, 福建农林大学熊延团队发现, 居于植物营养感受通路中心地位的TOR激酶能够直接磷酸化乙烯信号核心组分EIN2蛋白, 形成1个葡萄糖-TOR-EIN2的营养感受和调控轴心。植物通过不同的蛋白激酶(TOR和CTR1)精确调控EIN2不同位点的磷酸化, 从而使EIN2成为葡萄糖信号和乙烯信号的交叉中心, 精巧地调节植物的生长发育。

植物先天免疫系统在抵御病原菌入侵过程中发挥至关重要的作用, 主要包括两个层次, 即病原菌相关分子模式和效应因子分别触发的PTI和ETI免疫反应。PTI和ETI分别由植物细胞膜表面模式识别受体(PRRs)和胞内免疫受体(NLRs)激活, 具有特异的激活机制, 但是两者激活的下游免疫事件相互重叠。PTI和ETI是否为泾渭分明的两道防线, 以及ETI与PTI下游事件为何如此相似, 一直是植物免疫领域最受关注的问题之一。最近, 中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳团队与合作者利用拟南芥(Arabidopsis thaliana)与丁香假单胞杆菌(Pseudomonas syringae)互作系统对PTI和ETI在机制上的联系进行了研究。他们发现PRRs和共受体参与ETI, 而活性氧的产生是联系PRRs和NLRs所介导的免疫早期信号事件。他们还发现NLRs信号能够迅速增强PTI关键因子的转录和蛋白水平, PTI的增强在ETI免疫反应中不可或缺。该研究从机制上解析了植物免疫领域中长期悬而未决的PTI与ETI相似性之谜, 是该领域的一项突破性进展, 为未来作物分子设计育种提供了新的启示。

植物有性生殖过程中, 花粉-柱头间的识别作用是确保亲和花粉萌发、完成受精并保持后代遗传稳定性的重要环节, 也是农业生产上杂交育种的一个障碍。相关研究历来备受关注。然而, 经过几十年的研究, 亲和花粉如何被识别仍是未解之谜。最近, 华东师范大学李超团队的研究成果, 揭示花粉外被B类小肽PCP-Bs与柱头分泌的RALF23/33小肽竞争性地与柱头乳突细胞质膜上的ANJ-FER受体激酶复合体直接结合, 通过下游RAC/ROP-NADPH氧化酶信号途径调节柱头活性氧水平, 从而调节亲和花粉水合作用的机制。这一发现是认识花粉与柱头识别机制的重要突破。

在农业生产过程中, 施用无机氮肥是提高作物产量的基础, 但氮肥过量施加对生态系统和植物发育进程均会产生不利影响。因此, 提高作物氮素利用效率是农业可持续发展的关键。目前, 对重要粮食作物水稻(Oryza sativa)的氮高效研究取得了一系列重要进展, 并克隆到多个调控氮素吸收、转运和代谢的关键基因。然而, 在不断被人工选育的过程中, 水稻适应土壤不同氮素环境的遗传基础尚不清楚。近日, 中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才团队通过评估全球不同生态地理区域的水稻种质资源, 以分蘖数对氮的响应(TRN)为指标进行全基因组关联分析, 鉴定到1个TRN关键负调控基因OsTCP19, 发现其启动子区1个29 bp的核苷酸插入缺失多态性(InDel)变异与品种间的TRN差异密切相关。OsTCP19通过抑制其下游分蘖促进基因DLT转录进而负调控TRN, 而OsTCP19自身的转录活性受氮响应因子OsLBD负调控。OsTCP19的不同等位变异在不同水稻品种中被差异选择并固定, 且与当地土壤含氮量显著相关, 是调控水稻氮素适应性的重要遗传基础。该研究揭示了水稻适应土壤氮素环境变化的分子遗传机制, 为水稻氮素高效利用育种提供了新的遗传资源。

促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号级联通路是真核生物中高度保守的重要信号系统, 通过激酶逐级磷酸化传递并放大上游信号, 进而调控细胞反应。MAPK信号通路不仅介导植物响应环境变化, 而且在调节植物生长发育过程中发挥重要作用。近期, 山东大学丁兆军课题组研究发现, 植物重要激素生长素能够通过激活MPK14调控下游ERF13的磷酸化, 进而影响超长链脂肪酸的合成并调控侧根发育。该研究从全新的角度解析了侧根起始的新机制, 并进一步证实生长素和古老的信号转导模块MAPKs相偶联的分子机制。侧根作为植物响应环境最重要的器官之一, MAPK信号通路在侧根发育过程中的功能解析可为阐明植物如何整合发育和环境信号提供新思路。

豆科植物-根瘤菌共生固氮是可持续性农业氮肥的最重要来源。根瘤作为豆科植物共生固氮的一种特化植物侧生器官, 提供了根瘤菌生物固氮必需的微环境, 是根瘤菌的安身之本, 因此, 根瘤的正常发育是实现豆科植物-根瘤菌共生固氮的结构基础。根瘤器官的从头发生主要起始于根瘤菌诱导的根皮层细胞分裂。通常认为豆科植物的根皮层具备有别于非豆科植物根皮层的某种特异属性, 从而响应根瘤菌并与之建立固氮共生, 但长期以来该属性决定的分子机制一直不明确。近日, 中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队以蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)等豆科植物和拟南芥(Arabidopsis thaliana)等非豆科植物为研究对象, 发现豆科植物中保守的SHR-SCR干细胞模块决定了其皮层细胞分裂潜能从而赋予根瘤器官发生的命运。该研究揭示了豆科植物根瘤发育的全新机制, 提供了研究和理解植物-根瘤菌固氮共生进化的重要线索, 对提高豆科作物固氮效率和非豆科作物固氮工程具有重要意义。

病原微生物通过其特有的机制破坏植物的防御屏障, 引发病害, 给农业生产造成损失。研究病菌致病机制, 能够启发人们探索病害防控的新思路。四川农业大学陈学伟团队阐明了稻瘟病菌的一种特殊结构——侵染钉的发生机制, 发现超长碳链脂肪酸合成酶在此过程中发挥重要作用。以超长碳链脂肪酸合成酶为靶点, 该团队寻找到了抑制超长碳链脂肪酸生物合成, 进而抑制侵染结构发生的化合物。这些化合物可广谱抑制多种病原真菌在动物和植物宿主上的致病力, 为创制新型农药开拓了新思路。

植物茎顶端分生组织干细胞是具有持续分化潜能的细胞团, 是植物体地上部所有组织和器官的来源。由于植物行固着生长模式, 其无法通过移动来趋利避害, 因此保护植物干细胞免受病毒和其它病原体侵害对于植物正常生长发育至关重要。尽管人们很早就观察到植物茎顶端干细胞区域与其它部位相比具有极强的抗病毒特性, 但很长时间以来对于植物干细胞如何抵御病毒侵染却知之甚少。近日, 中国科学技术大学赵忠团队阐明了拟南芥(Arabidopsis thaliana)茎顶端干细胞通过WUS蛋白介导的固有免疫反应抵御病毒侵害的机制。WUS能被黄瓜花叶病毒诱导表达, 并抑制病毒在茎尖中央区和周边区积累。WUS通过直接抑制S-腺苷-L-甲硫氨酸依赖的甲基转移酶(SAM MTase)基因的转录, 影响rRNA的加工和核糖体的稳定性, 使病毒蛋白质合成受阻, 从而阻止病毒的复制与传播。该研究揭示了植物体的一种保守且广谱抗病毒策略, 具有重要的理论意义和应用价值。

植物激素信号传导途径中的抑制子(repressor) DELLA、AUX/IAA、JAZ和D53/SMXL均结合下游转录因子并抑制其转录活性, 从而阻遏激素响应基因的表达; 激素分子则激活信号传导链降解抑制子、释放转录因子, 从而诱导响应基因表达并介导相应的生物学功能。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究团队最新的研究发现, 独脚金内酯(SL)信号途径中的SMXL6、SMXL7和SMXL8是具有抑制子和转录因子双重功能的新型抑制子, 他们还通过研究SL转录调控网络发现了大量新的SL响应基因, 揭示了SL调控植物分枝、叶片伸长和花色素苷积累的分子机制。这些重要发现为探索植物激素作用机理提供了新思路, 具有重要科学意义和应用前景。

大豆(Glycine max)是重要的油料和蛋白作物, 其丰富的遗传变异为生物学性状挖掘和育种改良提供了重要的资源基础。然而, 单个基因组信息无法全面揭示种质资源的遗传变异, 泛基因组研究为解决这一不足提供了新方案。近日, 中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜和梁承志研究团队从2 898份大豆种质中选取26份代表性材料, 并整合已有的3个基因组, 构建了包含野生和栽培大豆的泛基因组和图基因组(graph-based genome), 鉴定了整个群体的绝大多数结构变异数据集, 确定了大豆种质的核心、非必需和个体特异的基因集。利用这些数据系统地揭示了生育期位点E3的等位基因变异和基因融合事件、种皮颜色基因I的单体型和演化关系以及结构变异对铁离子转运基因表达和地区适应性选择的影响。该研究为作物基因组学研究提供了一个新的模式, 同时将加速推动大豆遗传变异的鉴定、性状解析和种质创新。

RNA是传递生命遗传信息的重要介质。依据RNA是否编码蛋白质, 可分为编码RNA和非编码RNA。作为非编码RNA的核心种类之一, 小RNA在各种生命活动中均发挥重要调控作用, 其产生及功能发挥依赖于不同的DCL、RDR和AGO蛋白。目前, 植物中功能和调控方式较为明确的是以21 nt为主的miRNA和24 nt siRNA, 其它长度和类型的小RNA由于积累水平通常较低, 尚知之甚少。近日, 南方科技大学郭红卫团队发现, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)在缺氮等逆境胁迫下可产生大量依赖于DCL2和RDR6的22 nt siRNA。22 nt siRNA与AGO1结合形成效应复合物, 抑制硝酸还原酶基因(NIA1和NIA2)等mRNA的翻译效率, 从而减少植物在营养缺失条件下的能量消耗。这意味着, 当植物遇到不利环境时, 虽然无法通过移动来逃避逆境, 但可通过诱导产生小RNA, 协调和平衡正常的生长发育与胁迫响应。

赤霉病是我国乃至世界小麦(Triticum aestivum)产区的重要病害, 给农业生产和人畜健康造成重大威胁。分离鉴定优质抗病基因、培育抗病品种, 是控制我国麦区赤霉病的重要手段。最近, 山东农业大学孔令让团队完成了二倍体长穗偃麦草(Thinopyrum elongatum)基因组的组装, 并在此基础上通过精细定位和图位克隆分离得到来自长穗偃麦草的抗赤霉病基因Fhb7。他们发现Fhb7编码1个谷胱甘肽转移酶, 对禾谷镰孢菌(Fusarium graminearum)分泌的包括呕吐毒素等在内的多种毒素具有解毒作用, 是1个广谱持久抗病基因。他们还发现Fhb7很可能最初源于内生真菌, 经过基因水平转移进入到偃麦草基因组中。此外, Fhb7不影响其它农艺性状, 且其抗性不受小麦遗传背景影响。这一系列工作揭示了作物抗病演化中的全新机制, 对小麦抗赤霉病育种以及更好地利用长穗偃麦草的丰富基因资源都具有重要意义。