短穗竹(Brachystachyum densiflorum)是中国特有种。近年来, 由于气候变化和人类活动加剧, 短穗竹栖息地不断遭到破坏, 破碎化加剧, 居群数量呈减少趋势。该研究对短穗竹6个居群36个个体开展简化基因组测序(RAD-seq), 获得16 583个单核苷酸多态性(SNPs)位点, 据此评估了短穗竹居群遗传结构, 并整合了景观遗传学和物种分布模型, 进而探讨短穗竹对气候变化的适应机制。结果表明, 短穗竹具有中等水平的遗传多样性(PIC=0.722 5, Ho=0.087, He=0.284 3, π=0.317 5), 不同居群可划分为2组, 各居群间存在中度分化(F_ST=0.102)和较高的基因流(Nm=2.442)。基因型-环境关联分析表明, 短穗竹对气候的局部适应推动2组的分化, 温差、低温和降水共同驱动遗传变异, 并筛选出544个与温差、低温(Bio2、Bio6、Bio11和Bio7)和降水量(Bio19)显著相关的适应性位点。物种分布模型显示, 短穗竹从末次盛冰期到当前明显向北迁移, 且其分布面积增加了89.5%。预计在2021–2040年和2041–2060年2个时段适生区波动较小, 2061–2080年适生区范围缩小, 安徽境内高适生区部分衰退和破碎化。研究结果为短穗竹的保护利用提供了理论依据。

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。

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。

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。

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。

块茎是油莎豆(Cyperus esculentus)独特且极其重要的器官, 富含油脂且具有与种子类似的繁殖能力, 研究油莎豆块茎特异性表达基因对于解析其块茎特异性生长发育(尤其是油脂积累)的调控机理具有重要意义。通过对油莎豆主要器官(根、叶、分蘖节、匍匐茎和块茎)进行转录组测序, 全面筛选块茎特异性表达基因, 并分析相关基因的功能。结果表明, 分别以根、叶、分蘖节和匍匐茎为对照, 经过多组比对分析后共鉴定出155个块茎特异性表达基因; GO富集分析显示, 与种子发育、种子油体合成、油脂储存、脱落酸响应、非生物刺激响应和蛋白折叠相关的7个GO条目显著富集, 这些GO条目涉及的基因恰好反映出油莎豆块茎独特的类似种子的发育特性。其中, CESC_00080和CESC_16572编码油体钙蛋白, CESC_08636、CESC_12549和CESC_17828编码油体蛋白, 均参与植物油体的形成, 而油体形成是植物完成油脂储存的关键步骤, 表明这些油体形成相关基因在块茎中的特异性表达可能是油莎豆在块茎中储存大量油脂的关键所在。此外, 还筛选出8个块茎特异性表达转录因子编码基因, 如CESC_00448 (编码abscisic acid insensitive 5-like protein ABI5)和CESC_03736 (编码heat stress transcription factor C), 而在鉴定到的块茎特异性表达基因中发现一些潜在的靶基因, 表明这些转录因子可能调控各自靶基因的特异性表达。综上, 研究结果可为油莎豆块茎发育相关基因调控网络的构建以及块茎特异性基因表达的分子机制解析提供重要参考。

叶片作为植物的光合器官, 其衰老进程对于产量形成有重要影响, 但关于叶片衰老与叶际微生物之间的关系研究较少。为探讨玉米(Zea mays)叶片衰老过程对叶际细菌群落的影响, 以东北春玉米区3个不同熟期玉米品种(早熟品种黑科玉17 (H17)、中熟品种中单111 (Z111)和晚熟品种沈玉21 (S21))为试验材料, 从早熟品种开花期开始对3个玉米品种穗位叶进行5次取样, 测定衰老生理指标, 同时基于高通量测序技术测定叶际内源和外源细菌的群落组成。结果表明,在生育后期, 中熟和晚熟品种的叶片含水量及过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性显著高于早熟品种。在门水平, 蓝菌门(Cyanobacteria)是中熟和晚熟的特有菌门; 在属水平, 玉米叶片内外源共有细菌鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、甲基杆菌属(Methylobacterium)和异常球菌属(Deinococcus)相对丰度在IV和V时期显著降低, 而内源细菌链霉菌属(Streptomyces)和外源细菌P3OB-42属则在衰老后期显著富集, 且3个品种变化趋势相似, 相对丰度差异显著。内外源细菌相对丰度存在显著差异, 前5位的外源细菌占60%以上, 而对内源细菌而言, 前5位仅占30%以上。叶片可溶性糖含量、光合色素含量和SOD活性与叶际细菌群落结构和丰富度显著相关。综上, 中熟和晚熟品种能有效延长叶片持绿期, 维持生育后期叶片生理活性, 延缓衰老。衰老对内源细菌群落组成和多样性的影响显著大于外源细菌, 不同熟期品种间存在显著分异的菌属, 且叶片可溶性糖含量、光合色素含量和SOD活性是影响叶际细菌群落以及优势物种的关键因子。

多环境田间测试是选育高产稳产品种的重要途径, 但因其成本高逐渐成为植物育种的瓶颈问题。将稀疏测试与全基因组预测方法相结合可实现对未测表型的预测, 进而减少田间测试的工作量和成本。利用244份玉米(Zea mays)自然群体自交系在两年(2022年和2023年)两点(北京顺义和黑龙江密山) 4个环境下, 针对散粉期、株高、穗位高、穗长、穗行数和行粒数6个代表性农艺性状开展研究, 比较了4种模型(Single、Across、M×E和R-norm)、2种训练群体组成方案(CV1和CV2)以及3种训练集抽样比例(0.5、0.7和0.9)对预测精度的影响。结果表明,上述6个农艺性状的平均预测精度分别为0.67、0.58、0.50、0.33、0.33和0.48; Single模型、Across模型、M×E模型和R-norm模型的平均预测精度分别为0.36、0.52、0.53和0.53; 其中CV1各模型在不同性状中的预测精度范围在0.19-0.65之间, CV2预测精度范围在0.47-0.89之间; 不同抽样比例比较显示, 不同模型中训练集比例的提升对6个性状的预测精度提升有限, 最大提升幅度仅为0.05。综上表明, 在进行多环境预测时, 利用CV2训练群体组成方案并在预测模型中纳入多个环境下的表型数据可提升预测精度。

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。