水稻(Oryza sativa)是世界上最重要的粮食作物, 但稻瘟病和纹枯病等病害严重危害水稻的产量和品质, 给我国乃至全球粮食安全带来巨大威胁。鉴定水稻抗病资源、克隆抗病基因、揭示抗性机理并在育种中加以利用, 对抵御水稻病害和保障粮食安全具有十分重要的作用。准确评价水稻资源的抗病性, 是开展抗病机理研究和育种生产应用的关键环节。该文详述了水稻幼苗期人工喷雾接种、分蘖期和孕穗期田间注射接种与离体叶片戳伤接种的稻瘟病抗性鉴定方法, 以及水稻分蘖期田间接种、孕穗期温室接种和离体茎秆接种的纹枯病抗性鉴定方法, 以期为同行鉴定水稻资源、开展抗病理论和应用研究提供参考。

整体透明观察技术是植物形态发育研究的基础手段之一, 是无需制作切片直接观察植物体内部形态结构的有效方法。该技术采用高折射率介质降低光在样品中的散射, 提高光通量, 增加视野深度, 从而实现组织样品透明观察。然而透明剂能改变透明液的渗透势和pH值, 从而对细胞形态保持产生负面影响。目前, 针对植物叶片和胚珠已建立了相对成熟的整体透明观察体系, 但根尖由于细胞壁较薄, 现有的整体透明方法常导致细胞形态改变, 不确定性增加(如根尖整体形态改变和细胞发生严重的质壁分离)。该研究以拟南芥(Arabidopsis thaliana)幼苗为实验材料, 通过检测根尖形态、细胞质壁分离情况和细胞清晰度, 对常用的透明液组分、pH值和透明时间进行优化, 旨在建立一种适用于根尖等较脆弱组织材料的整体透明方法。

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。

以神舟八号飞船搭载的6种武夷名丛种子SP₁代株系为材料, 探讨航天搭载对武夷名丛SP₁代株系叶片形态、光合色素含量、叶绿素荧光参数、可溶性糖和蛋白质含量以及茶叶品质成分含量的影响, 分析航天搭载后武夷名丛生长和生理特性的变化, 从中筛选优良突变株。结果表明, 航天搭载后6个武夷名丛SP₁代植株的叶长、叶宽、节间长度和叶面积均发生变化, 其中, 雀舌、肉桂和奇丹的叶面积显著增加; 航天搭载显著提高雀舌、奇丹、肉桂和金毛猴的叶绿素及类胡萝卜素含量, 瞬时叶绿素荧光(F_t)和光量子效率(Qy)也有所增加, 这有利于提高光合效率; 武夷名丛航天搭载后表现出可溶性糖含量增加而蛋白质含量减少, 氨基酸和茶多酚含量下降, 儿茶素和咖啡碱含量上升。综合各项指标, 航天搭载后6个武夷名丛中雀舌可以作为有益变异株系加以选育。

以长白落叶松(Larix olgensis)未成熟合子胚为外植体诱导胚性愈伤组织, 通过调节影响体胚发生的营养物质和植物生长调节剂配比, 进行愈伤组织的胚性恢复与保持以及体胚发生再生体系的优化。结果表明: 不同无性系之间胚性愈伤组织诱导率差异显著, 胚性愈伤组织在S+0.2 mg·L ^-1NAA+0.5 mg·L ^-1BA+0.5 mg·L ^-1KT+0.5 g·L ^-1谷氨酰胺+0.5 g·L ^-1水解酪蛋白+30 g·L ^-1蔗糖及3.0 g·L ^-1植物凝胶培养条件下, 可以恢复胚性并长久保持。在S+20 mg·L ^-1ABA+60 g·L ^-1PEG₄₀₀₀+60 g·L ^-1蔗糖及3.0 g·L ^-1植物凝胶条件下分化培养6周, 体胚发生率可达100%。将正常发育的体胚先在WPM+ 6 mg·L ^-1间苯三酚+1.0 g·L ^-1活性炭+3.0 mg·L ^-1VB₁+20 g·L ^-1蔗糖及3.0 g·L ^-1植物凝胶条件下培养2周, 再转接至B₅+ 0.4 mg·L ^-1NAA+1.0 mg·L ^-1IBA+0.5 mg·L ^-1GA₃+2.0 mg·L ^-1VB₁+1.0 g·L ^-1活性炭+20 g·L ^-1蔗糖及3.0 g·L ^-1植物凝胶条件下培养2周, 可见子叶舒展、下胚轴伸长且根系正常的体胚苗。该研究建立了长白落叶松胚性愈伤组织胚性恢复与保持方法, 并进一步优化了体胚发生的植株再生体系, 为林木资源快速繁育和遗传改良奠定了基础。

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。

成功的病原菌接种和准确的病情调查是大麦(Hordeum vulgare)抗病研究的基础。该文总结了大麦抗叶锈病慢锈性鉴定实验中几种常用的喷雾和涂抹接种方法, 以及主要的抗性评价指标, 并对操作过程中的一些注意事项进行了说明。

蛋白互作在细胞生命活动中发挥关键作用, 在不同时空层面上参与多种细胞学过程, 因此研究蛋白互作对理解分子调控网络至关重要。通常情况下, 利用酵母双杂交系统筛选植物蛋白互作必须通过体外和体内系统进行验证。Pull-down和Co-IP是验证植物蛋白互作的常用技术。Pull-down被广泛用于体外验证蛋白间的直接互作; 而在植物活体内, 利用本氏烟草(Nicotiana benthamiana)叶片瞬时表达蛋白, 继而通过Co-IP进行鉴定是目前验证蛋白互作最简单且最有效的方法之一。该文对GST Pull-down和烟草瞬时表达系统中Co-IP技术原理及实验方案进行详细描述, 以期为验证植物蛋白互作提供参考。

Arnon法是叶绿素提取和测定最经典、最常用的方法, 此法虽经多次改进, 但仍存在着检测波长误差大、计算公式有误、提取速度慢、测定结果不够准确以及操作步骤繁琐等缺陷。该文提出了二甲基亚砜(DMSO)高温提取、80%丙酮稀释的两步快速浸提法, 使叶绿素提取和测定过程缩短至3小时以内。通过对提取温度、提取时间、稀释比例及吸收光谱等进行系统分析, 筛选出了叶绿素的最佳提取条件和叶绿素含量的准确计算公式, 并用多种类型的植物材料验证了改进后的提取方法, 证明该方法具优越性和可靠性。具体测定方法是将植物材料切成1 mm宽的细丝或细段, 取50-100 mg材料于10 mL具塞试管中; 加入2 mL DMSO, 使植物材料浸没其中, 65°C高温避光提取至植物材料变白或透明; 冷却后加入8 mL 80%丙酮, 混匀, 测定663.6和646.6 nm处的吸光度。用公式计算叶绿素浓度: C_a (mg∙L^-1)=12.27A_663.6-2.52A_646.6; C_b (mg∙L^-1)=20.10A_646.6-4.92A_663.6; C_T (mg∙L^-1)=C_a+C_b=7.35A_663.6+17.58A_646.6。

类LORELEI糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(LLG)定位于细胞质膜外表面, 作为CrRLK1L家族类受体激酶的分子伴侣, 参与其转运和胞外信号转导, 从而调控植物生殖发育以及免疫与逆境应答等过程。LLG2/3与ANX和BUPS互作, 调控花粉管顶端生长与爆裂。LLG1与FER (FERONIA)互作, 调控下游的NADPH氧化酶产生活性氧(ROS), 促进根部细胞伸长和根毛生长。此外, LLG1作为FER的共受体, 与快速碱化因子(RALFs)互作, 调节G蛋白β亚基(AGB1)和质膜H ⁺-ATPase功能、胞内ROS稳态以及Ca ²⁺瞬变, 引起根部和气孔的盐应答反应。LLG1与FLS2和EFR互作激活下游RbohD, 调节ROS产生, 调控植物免疫应答。该文综述了植物LLG的相关研究进展, 可为深入理解LLG的生物学功能提供重要信息。

以早花百子莲(Agapanthus praecox)叶片为外植体, 建立了器官发生和胚胎发生离体再生体系, 并对移栽驯化基质进行了初步筛选。结果表明, 毒莠定(PIC)对叶片愈伤组织诱导效果良好, 最适培养基为MS+2.0 mg·L ^-1 PIC; 叶片组织分生能力决定愈伤组织诱导效果, 1-2片新叶基部愈伤组织诱导率可达85.71%, 叶片分生区0-0.5 cm愈伤组织诱导率为66.48%, 叶片横切面中部诱导效果优于边缘。不定芽诱导最适培养基为MS+1.5 mg·L ^-1 PIC+0.3 mg·L ^-1 6-BA, 诱导率达80.27%。体细胞胚诱导培养基为MS, 0.05 mg·L ^-1多效唑或1.0 mg·L ^-1 ABA均对体胚诱导具有显著促进作用。1.0 mg·L ^-1 6-BA对幼苗增殖有利, 器官发生和胚胎发生途径幼苗增殖系数分别为2.23和2.93。草炭:珍珠岩:蛭石=1:1:1 (v/v/v)为早花百子莲移栽驯化的最佳基质, 成活率达100%。该研究建立了早花百子莲叶片外植体再生体系, 丰富了百子莲快繁技术体系, 可为其它单子叶植物离体再生体系建立提供参考。

胶孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioides)是引发芒果(Mangifera indica)炭疽病的主要病原体。室内平板培养胶孢炭疽菌不产生或产生很少分生孢子的情况时有发生, 但菌丝在机械损伤后24-48小时会产生大量分生孢子。胶孢炭疽菌应答机械损伤诱导产孢的核心基因及关键代谢通路尚未见报道。基于转录组测序(RNA-seq)技术检测了芒果胶孢炭疽菌菌丝在机械损伤处理后2小时内5个时间点的基因表达变化, 对差异表达基因进行GO富集和KEGG代谢通路富集分析, 并对菌丝响应胁迫的基因动态表达数据进行分析。基于常微分方程ODE模型结合变量选择技术, 构建了动态基因调控网络。结果表明, 有417个差异表达基因参与应答胶孢炭疽菌菌丝机械损伤, 分属12个聚类模块, 有4条通路存在显著富集, 分别是丙酮酸代谢、硫代谢、黄曲霉素合成途径和二萜合成途径。结合功能注释筛选出12个应答菌丝损伤胁迫的核心基因。研究结果为后续深入开展芒果胶孢炭疽菌产孢和致病机理研究奠定了重要基础。

褪黑素(N-乙酰基-5-甲氧基色胺)是一种生命必需的小分子吲哚胺类物质, 广泛存在于动植物体内, 对动植物的生长发育起至关重要的作用。随着植物褪黑素研究的逐渐深入, 褪黑素在植物体内的合成途径及作用也更加明确。研究表明, 褪黑素在提高植物抵抗非生物和生物胁迫能力等方面具有调控作用。该文对近年来有关植物褪黑素参与非生物和生物胁迫的研究进展进行总结, 旨在为阐明褪黑素影响植物抵御逆境胁迫的调控机理提供参考。

禾本科三倍体的形成途径包括2n配子融合、倍性间杂交、多精受精和胚乳培养。其中, 2n配子融合和倍性间杂交分别为自然界和人工合成三倍体的主要途径。该文介绍了形态学观测、染色体分析、流式细胞术和分子标记等倍性鉴定方法在禾本科三倍体中的应用及其优缺点。目前, 三倍体在禾谷类作物中无直接应用价值, 但可作为通往多倍体、非整倍体和转移异源基因的遗传桥梁。多年生禾本科三倍体(特别是异源三倍体)在饲草或能源作物中已得到广泛应用, 在该类型禾本科作物中均可直接尝试三倍体育种。多倍体的三倍体育种和无融合生殖三倍体育种可作为未来禾本科三倍体的研究方向。三倍性胚乳培养可以一步合成三倍体, 多精受精可以实现遗传上3个不同基因组的一步融合, 在三倍体研究中应予以重视。鉴于2n配子融合、多精受精的稀有特性和倍性间杂交、胚乳培养频繁的染色体变异, 高通量三倍体鉴定技术的发展将是三倍体研究实现突破的关键。

为了应对外界复杂的环境变化, 植物进化出一套复杂而精细的免疫应答调控机制。植物抗病蛋白能够特异地识别病原微生物分泌的效应蛋白, 触发免疫响应以对抗病原微生物的侵扰。该文综述了植物抗病蛋白的结构与功能及对病原菌的识别方式、在免疫响应过程中抗病蛋白的动态平衡机制及其介导的防御反应信号转导。开展植物抗病蛋白研究可为定向培育抗病作物奠定理论基础。

2017年中国植物科学继续保持高速发展态势, 重大成果频出, 具体表现在中国植物学家在国际顶级学术期刊发表的文章数量平稳上升。中国植物科学领域的研究工作者成果精彩纷呈, 如新型广谱抗病机制的发现、水稻广谱抗病遗传基础及机制和疫霉菌诱发病害成灾机制研究等。2017年中国生命科学领域十大进展评选中, 有两项植物科学领域的研究成果入选。水稻生物学、进化与基因组学和激素生物学等领域学科发展突出。另外, 值得一提的是, 长期从事高等植物与代谢途径调控分子网络研究和水稻品种设计育种的李家洋院士的研究成果“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”荣获2017年国家自然科学一等奖。这一具有重大国际影响的开创性贡献标志着中国植物科学在该领域的国际科学前沿居于引领和卓越地位。该文对2017年中国本土科学家在植物科学若干领域取得的重要研究成果进行了系统梳理, 旨在全面追踪和报道当前中国植物科学领域发展的最新前沿动态, 与广大读者共同分享我国科学家所取得的辉煌成就。

植物器官(如叶、叶鞘、绿色的茎等)可以通过光合作用将CO₂合成为碳水化合物, 并经过长距离运输到达库组织(如新生组织、花粉、果实等)中进行贮存或利用。蔗糖是高等植物长距离运输碳水化合物的主要形式。蔗糖分子从源到库的运输包括源组织韧皮部的装载、维管束的运输和库组织韧皮部的卸载3个步骤。遗传学和分子生物学研究证明, 蔗糖转运蛋白、转化酶和单糖转运蛋白在糖分子的装载和卸载过程中发挥重要作用。该文综述了目前对光合产物运输过程及其调控分子机制的最新研究进展。

花青素是种子植物呈色的重要色素, 由一系列结构基因编码的酶(CHS、CHI、F3H、F3'H、F3'5'H、DFR、ANS和3GT)催化而成, 随后经过各种修饰被转运至液泡等部位储存。各类器官中差异表达的MYB、bHLH和WDR三种调控因子通过形成MBW复合体直接正调控以上结构基因的表达。这个过程涉及的基因变异常会导致植物的各种颜色变异。在生活中人们广泛利用这些变异品种, 取其丰富色味。造成颜色变异的具体分子机制在很多情况下还不清楚, 但日益积累的个例研究为其中的规律性提供了基础数据。该文概述了花青素的合成、转运过程及其转录调控机制, 探讨了研究颜色变异品种的常用思路及方法。在总结近年工作的基础上, 对生活中常见蔬菜、水果和花卉的颜色变异品种的分子机制进行了综述。