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。