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。

开花时间是被子植物生活史中的关键节点。十字花科植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)广布于世界各地, 在海拔4 000 m以上的青藏高原也发现了该物种的自然居群, 高原独特的环境塑造了其生活史的独特表型, 在开花时间上表现为中等程度早花。该研究构建了西藏拟南芥Lhasa居群的F₂代作图群体, 基于全基因组测序的QTL-seq定位分析, 在该居群中定位到主效基因FLC, 并且鉴定到其第1个内含子中存在2 307 bp的缺失, 这种单倍型只存在于西藏拟南芥居群。利用CRISPR-Cas9技术构建了Lhasa背景的flc^-/-突变体, 表现为开花时间显著提前。研究结果表明, 西藏拟南芥开花时间改变的主要原因是FLC第1个内含子缺失, 该变异并未使其丧失全部功能, 这可能有利于西藏拟南芥适应青藏高原独特的气候环境。

蒙古冰草(即沙芦草(Agropyron mongolicum))是我国北方代表性的多年生牧草之一, 具有较强的耐寒和耐旱能力。在植物中, 咖啡酸氧甲基转移酶基因(COMT)是参与木质素和褪黑素生物合成的关键基因, 在调节植物生长、品质和抗逆性中发挥重要作用。通过分析蒙古冰草全长转录组数据, 从蒙古冰草中克隆了COMT候选基因AmCOMT1。该基因在茎秆和根等木质素含量高的组织中高表达, 且其表达受多种非生物胁迫诱导。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)野生型(Col-0)和突变体(omt1-2)中过表达AmCOMT1, 显著促进了转基因拟南芥的木质素合成, 使突变体的木质素单体和组分恢复至野生型水平, 同时Col-0/35S:AmCOMT1中木质素总量提高11%。此外, AmCOMT1过表达显著提高了Col-0/35S:AmCOMT1转基因拟南芥的褪黑素含量。在盐胁迫条件下, 该株系平均根长相比野生型拟南芥提高20.3%, 表现出更强的抗逆性。综上,蒙古冰草AmCOMT1基因在木质素和褪黑素合成中发挥关键作用, 可提高转基因拟南芥的抗逆性, 在蒙古冰草等单子叶牧草遗传改良方面具有重要应用潜力。

该研究探讨了小麦(Triticum aestivum)根系NH₄⁺毒性以及NO₃^-缓解其毒性机理。与7.5 mmol·L^-1 NO₃^-处理(CK)相比, 7.5 mmol·L^-1 NH₄⁺处理(SA)抑制小麦根系生长, 添加1 mmol·L^-1 NO₃^- (AN)后缓解了对根系生长的抑制。转录组分析表明, 与CK相比, SA处理下, 编码糖酵解途径酶、发酵关键酶、呼吸爆发性氧化酶同源物(Rbohs)、交替氧化酶(AOX)和双加氧酶相关基因显著上调表达; 编码TCA循环酶、ATP合酶和水通道蛋白(AQPs)相关基因显著下调表达。与SA相比, AN处理下, 糖酵解、发酵途径、Rbohs、AOX和双加氧酶相关基因的表达下调, 编码TCA循环酶、ATP合酶和AQPs的基因表达上调。蛋白质组分析表明, SA处理下, 糖酵解与发酵相关酶以及AOX相关基因表达上调, 而AQPs相关基因表达下调。AN处理下, 糖酵解与发酵相关酶以及AOX相关基因表达下调, AQPs相关基因表达上调。综上所述, 单独NH₄⁺处理促进糖酵解和发酵途径, 抑制TCA循环, 能量生成减少, 最终抑制小麦根系生长, 这可能与NH₄⁺处理引起根系缺O₂胁迫有关。添加NO₃^-后抑制了糖酵解和发酵途径, 促进TCA循环和能量产生, 显著缓解了根系缺O₂胁迫以及NH₄⁺对根系生长的抑制。

水稻(Oryza sativa)隐性核雄性不育突变体是第三代杂交水稻技术的核心。为了挖掘优质雄性不育突变体, 该研究通过筛选优质籼稻黄华占(HHZ)的甲基磺酸乙酯(EMS)诱变突变体库, 获得1个雄性不育突变体ms102 (male sterility mutant 102)。该突变体营养生长正常, 但花药不开裂, 花粉败育。细胞学分析表明, 突变体花药绒毡层不能正常降解, 导致小孢子发育异常; 遗传分析表明, 该突变体的不育表型由1个已报道编码酰基转移酶的DPW2基因突变造成。研究获得了1个隐性核雄性不育突变体, 进一步证实了DPW2基因在水稻花药发育中的功能。

小热激蛋白(sHSP)是一类重要的响应外界环境变化以及调控植物生长发育的蛋白家族。基于在睡莲(Nymphaea colorata)、水稻(Oryza sativa)、拟南芥(Arabidopsis thaliana)和葡萄(Vitis vinifera)中分别鉴定到的33个NcsHSPs、24个OssHSPs、17个AtsHSPs和47个VvsHSPs, 表明sHSP家族可分为12个亚家族, 不同亚家族包含不同的sHSP成员数目、保守基序、基因结构以及复制基因数目。在4种模式被子植物的sHSP成员中共鉴定到12个基因复制事件, 片段复制事件和串联复制事件均与sHSP成员的扩增有关, 且片段复制事件发生的时间早于串联复制事件。在所有sHSP成员中, 拟南芥和葡萄的sHSP成员的同源性最高, 其次为睡莲和葡萄的sHSP成员。sHSP家族在被子植物中可能向更短的氨基酸长度、更小的分子量、更简单的基因结构以及更集中的染色体分布进化。此外, 在睡莲、水稻、拟南芥和葡萄中鉴定了一些可能与调控植物生长发育相关的候选基因。研究结果为4种模式被子植物sHSP家族的比较基因组学研究奠定了重要基础, 并为其它被子植物sHSP家族的研究提供重要参考。

蛋白质N-糖基化修饰在植物生长发育中发挥重要作用。为探究蛋白质N-糖基化在拟南芥(Arabidopsis thaliana)整个生长周期中的变化规律以及去N-糖基化对拟南芥生根发育的影响, 通过N-糖链酶解和HPLC与MALDI-TOF-MS分析解析了不同生长时期的拟南芥Col-0植株的N-糖链组成(结构和含量)变化。以BSA溶液为阴性对照, 无菌去离子水为空白对照, 用N-糖酰胺酶(PNGase Rz)溶液处理拟南芥幼苗8小时; 然后继续在MS培养基中培养5天、10天, 测量主根长度并检测N-糖链组成的变化。结果显示, 从拟南芥中解析出12种N-糖链结构, 其中包括4个高甘露糖型和8个复杂型。在拟南芥整个生长周期中, 复杂型N-糖链含量始终高于高甘露糖型, 其中含木糖和岩藻糖的复杂型结构是N-糖链的主要组成, 而Man3XylFucGlcNAc2含量最高。高甘露糖型N-糖链含量由幼苗期的13.87%缓慢上升至抽薹期的19.02%, 盛花期回落至17.98%, 而在长角果成熟期快速下降至最低点2.36%, 衰老期再度小幅回升至5.23%。用高浓度糖酰胺酶液PNGase Rz处理后, 可观察到幼苗主根生长受到显著抑制, 且培养10天后仍然无法恢复正常; 而低浓度酶液处理组与阴性对照组差异不显著, 根长和生长状态基本正常。糖链分析结果显示, 与对照组相比, 高、低浓度酶液处理组的N-糖链组成均发生显著变化, 主要表现为高甘露糖型含量显著低于空白对照组, 同时随生长时间的延长该差异逐渐减小, 最终消失。研究表明, 拟南芥N-糖基化组成随着生长发育发生周期性变化, 且去糖基化酶处理能够瞬时影响拟南芥蛋白质N-糖基化修饰, 进而抑制根的发育。

再生水是城市景观河湖的重要补给水源, 然而再生水中含量较高的氮和磷营养盐会引起水体富营养化, 破坏水生态平衡。以再生水补给的潮白河为研究区, 运用高光谱技术分析了挺水植物芦苇(Phragmites australis)叶片的光谱特征, 并结合水质数据, 通过拟合模型, 探究了芦苇对再生水中氮和磷的响应关系。结果表明, 各采样点水体的总氮(TN)和总磷(TP)含量分别介于1.85-18.16 mg·L^-1及0.01-0.36 mg·L^-1之间, 叶绿素a (Chl a)和溶解氧(DO)含量的范围分别为0.60-47.45 μg·L^-1与4.24-11.4 mg·L^-1。水体富营养化较为严重, 但仍处于富氧环境。多重方差分析表明, 不同采样点之间水体的TN、TP和Chl a含量差异显著(P<0.05)。由光谱反射率及反射率一阶导数曲线可知, 水体TN含量越高, 叶片光谱在可见光区的反射率越小, 红边位置也越向波长长的方向移动(即红移)。相关分析表明, 水体TN和TP含量与吸光度值log(1/R)在可见光区的相关性较强, 且TN与log(1/R)的相关系数高于TP。芦苇叶片光谱可在一定程度上区分水体TN含量差异, 但TP对光谱特征的影响模式不明显。光谱指数与水体TN含量之间的拟合模型中, 基于光化学指数(PRI)、修正叶绿素吸收指数(MCARI)和导数叶绿素指数(DCI)的模型能够解释水体TN含量变化的62.4%-70.9% (P<0.05), 可用于再生水氮含量的定量监测。该研究证明了植物光谱技术在水体富营养化监测上的可行性, 为保障再生水修复河道水质和生态安全提供了科学依据。

木犀科11属19个种叶绿体基因组的一般特征和变异特征的比较分析显示, 结果表明, 该科叶绿体基因组大小为154-165 kb, 其差异主要是大单拷贝(LSC)长度的差异所致。Jasminum属3个物种的叶绿体基因组长度与其余物种有较大差异, 该属clpP基因内含子和accD基因丢失。共线性分析表明, Jasminum属3个物种多个基因出现基因重排现象, 倒位可能是重排的主要原因。Jasminum属在IRb/SSC和SSC/IRa边界的基因均与其它物种不同; 重复序列与SSR数量检测结果表明, Jasminum属与其余物种在数量及重复长度上差异较大。基于CDS数据构建的系统发育树表明, Abeliophyllum distichum和Forsythia suspensa为木犀科中较早分化的类群。

物种基因组成是一个高度动态的进化过程, 其中相对较近起源的种系和物种特异性基因会持续整合到包含古老基因的原始基因网络中。新基因在塑造基因组结构中发挥重要作用, 能提高物种适应性。基因复制和新基因的从头起源是产生新基因及改变基因家族大小的2种方式。目前, 大豆(Glycine max)基因起源时间与进化模式的相互联系很大程度上还未被探索。该研究选择19种具有代表性的被子植物基因组, 分析基因含量动态性与大豆基因起源之间的潜在联系。采用基因出现法, 研究显示约58.7%的大豆基因能追溯到大约1.5亿年前, 同时有21.7%的基因为最近起源的orphan基因。研究结果表明, 与新基因相比, 古老基因受到更强的负选择压并且更加保守。此外, 古老基因的表达水平更高且更可能发生选择性剪切。此外, 具有不同拷贝数的基因在上述特征中也具有明显差异。研究结果有助于认识不同年龄基因的进化模式。

氮沉降增加将影响草原生态系统固碳, 但如何影响草原生态系统CO₂交换目前为止还没有定论。同时, 不同类型和剂量氮素对生态系统CO₂交换影响的差异也不明确。选取内蒙古额尔古纳草甸草原, 开展了不同类型氮肥和不同剂量氮素添加条件下生态系统CO₂交换的野外测定。实验设置尿素和缓释尿素2种类型氮肥各5个剂量水平(0、5.0、10.0、20.0和50.0 g N·m^-2·a^-1)。结果显示, 生长季初期及中期降雨量低时, 氮素添加抑制生态系统CO₂交换; 而生长季末期降雨量较高时促进生态系统CO₂交换。随着氮素添加水平的提高, NEE和GEP均显著增加, 当氮素添加量达到10 g N·m^-2·a^-1时, NEE和GEP的响应趋于饱和。2种氮肥(尿素和缓释尿素)仅在施氮量为5 g N·m^-2·a^-1时, 缓释尿素对生态系统CO₂交换的促进作用显著大于尿素, 在其它添加剂量时差异不显著。研究结果表明: 氮素是该草甸草原生态系统的重要限制因子, 但氮沉降增加对生态系统CO₂交换的影响强烈地受降雨量与降雨季节分配的限制, 不同氮肥(尿素和缓释尿素)对生态系统CO₂交换作用存在差异。

植物金属蛋白酶FtSH基因家族在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中有12个成员, 目前各基因的功能还不清楚。该文利用细胞生物学和遗传学方法初步分析了拟南芥FtSH4在叶片衰老中的功能。ftsh4-4突变体叶片中H₂O₂含量及细胞死亡率增加, 叶绿素含量降低; 此外, 突变体中过氧化物酶基因表达上调, 过氧化物酶活性增加, 出现早衰表型。外源抗氧化剂AsA、内源和外源生长素能够通过降低ftsh4-4体内H₂O₂含量、过氧化物酶基因的表达及过氧化物酶活性, 恢复ftsh4-4叶片的衰老表型。ftsh4-4突变体中生长素响应因子基因ARF2和ARF7上调表达, 外源生长素和抗氧化剂能够降低ARF2和ARF7的表达, 并且ARF2突变能够降低ftsh4-4的H₂O₂含量并恢复其早衰表型。以上结果表明, FtSH4基因通过生长素与活性氧在调控植物叶片衰老中起重要作用。

空育131粳稻(Oryza sativa ssp. japonica)品种因具有早熟质优、丰产稳产及耐低温冷害等优点成为黑龙江省的第一大主栽品种。为了挽救其近年来由于感染稻瘟病而从生产上退出的局面, 通过对主栽品种空育131基因组的重测序和扫描, 明确其遗缺多个优良抗稻瘟病Pi基因(Pi2、Pi9、Pi36、Pi5-1、Pb1、Pid3、Pi25、Pikh、Pi1、Pik-m、Pik-p和Pi56t等), 并通过回交育种的方法, 将MP水稻材料中的Pb1广谱抗瘟基因片段导入空育131染色体组中。该基因组的再构建过程尽可能不改变原品种的其它优良性状, 并利用控制目标导入片段长短的策略来缩短Pb1位点附近的连锁累赘。在目前得到的导入系中, 目标导入片段长约700 kb, 背景回复率为99.38%。表型鉴定结果显示, 该导入系可能和亲本MP水稻材料发挥同等的抗瘟能力。

紫菀亚科(Asteroideae)是菊科最大的一个亚科, 包含的种数多于被子植物的绝大多数科。目前, 紫菀亚科族间的系统发育关系主要依赖于叶绿体基因信息, 但是叶绿体基因为单亲遗传, 并不能完整反映进化历史。鉴于杂交现象在菊科普遍存在, 故利用核基因可以反映更完整的紫菀亚科进化历史。该研究首次使用从转录组数据(20个新测+11个从NCBI数据库下载)中筛选出的47个直系同源低拷贝核基因来研究紫菀亚科的系统发育关系, 共选取了29个物种, 代表了紫菀亚科20个族中的13个族。用超矩阵分析方法和溯祖推测分析方法各获得了1个稳定的紫菀亚科系统树, 每个树上绝大多数分支都得到了高度支持, 且2个树之间没有明显的冲突。新的紫菀亚科族间系统发育关系揭示了千里光超族应并入紫菀超族, 春黄菊族可能是千里光族与紫菀族杂交起源的, 金鸡菊族很可能也是杂交起源的。该研究结果显示低拷贝核基因可以更好地解决科以下分类阶元的系统发育关系, 对菊科乃至被子植物其它科的系统发育研究具有重要的借鉴意义。

目前微阵列数据分析方法都基于具有相似表达模式的基因可能具有相近的生物学功能这一假设, 而实际上参与同一生物学功能的基因, 在表达时间和空间上是有关联的, 而并非表现为相似模式。利用水稻cDNA微阵列, 对水稻在ABA及干旱、寒冷和高盐胁迫条件下的基因表达进行了研究。选取环境胁迫和ABA应答的相关基因, 采用最短路径法(shortest path), 利用自行编制的计算软件, 在表达模式不直接相关的基因之间构建最短路径。研究表明, 通过分析这些基因的表达数据, 可以发现它们在功能上的关联性, 并对未知基因的功能预测进行了探索, 为构建水稻在ABA和环境胁迫条件下的分子应答网络奠定了基础。