水稻(Oryza sativa)是世界主要粮食作物。随着我国经济飞速发展, 耕地面积逐年减少, 提高水稻总产量唯有依靠单产的增加。粒重是决定水稻产量的重要因素之一, 其遗传稳定, 受外界环境因素影响较小。粒重由粒型和灌浆程度决定, 而粒型性状包括粒长、粒宽、粒厚和长宽比。水稻种子颖壳和胚乳发育决定了粒型和粒重, 颖壳细胞的增殖和扩张限制籽粒发育, 胚乳占据成熟种子的大部分体积。而生长素调控受精后颖壳和胚乳的发育, 是调控种子发育和影响水稻产量的重要植物激素。生长素的时空分布受生长素代谢、运输和信号转导的动态调节, 以维持生长素在种子发育中的最适水平。该文综述了生长素代谢、运输和信号转导调控水稻粒型的研究进展, 以期为深入探究生长素调控水稻粒型发育机制和提高水稻产量提供线索。

叶色突变体往往伴随着叶绿素含量变化及叶绿体结构异常, 是研究叶绿体发育与光合作用相关基因功能的重要材料。该研究通过甲基磺酸乙酯(EMS)诱变籼稻(Oryza sativa subsp. indica)品种华占(HZ)获得黄绿叶突变体, 将其命名为ygl18 (yellow-green leaf 18)。与野生型相比, 黄绿叶突变体ygl18自三叶期起叶片开始变黄且程度不断加深, 同时伴随着光合速率与叶绿素含量下降, 且结实率、千粒重及有效穗数均显著降低。透射电镜观察结果显示, ygl18的叶绿体结构紊乱, 基质片层疏松, 发育受到抑制, 与叶片出现黄绿色表型一致。遗传分析表明, ygl18突变性状受1对隐性等位核基因控制, 这对等位基因位于水稻第3号染色体长臂标记InDel2和InDel3之间115.2 kb范围内。进一步研究发现该突变体表型是编码铁氧还蛋白FdC2的基因LOC_Os03g48040的5'UTR发生突变所致。通过CRISPR转基因实验验证了该基因对表型的控制作用。研究结果揭示了叶色调控网络的遗传基础, 可为今后选育高光效水稻品种提供新线索。

程序性细胞死亡(PCD)对于植物生长发育和防御反应均极为重要。拟南芥(Arabidopsis thaliana)酪氨酸降解途径延胡索酰乙酰乙酸水解酶(FAH)缺失突变体sscd1 (short-day sensitive cell death 1)在短日照下(8小时光照/16小时黑暗)发生PCD。前期研究发现, sscd1突变体的PCD与茉莉素(JAs)信号转导有关, 而与水杨酸(SA)信号转导无关。PAD4 (Phytoalexin deficient 4)参与SA和JAs信号转导之间的相互拮抗。该研究发现sscd1突变体PCD伴随着PAD4表达上调; 而PAD4突变导致sscd1突变体PCD加速, 同时上调JAs信号转导途径下游响应基因vegetative storage protein 2、thionin2.1和defensin1.2的表达; sscd1/pad4/coil三突变体中JAs信号转导受阻导致PCD加速现象消失。PAD4突变上调sscd1突变体酪氨酸降解基因homogentisate dioxygenase和maleylacetoacetate isomerase以及单线态氧特异性诱导基因bonzai1-associated protein 1和a putative c2h2 zinc finger transcription factor的表达, 并且上调均依赖JAs信号转导受体COI1。综上所述, PAD4突变通过增强JAs信号转导加速酪氨酸降解, 增加单线态氧的积累, 从而促进sscd1突变体的PCD。

攀爬植物的卷须是对机械刺激极为敏感的器官。拟南芥(Arabidopsis thaliana)小G蛋白能够响应机械刺激调控自身发育, 但小G蛋白信号是否在卷须感受机械刺激发生缠绕过程中发挥作用目前尚不清楚。该研究以黄瓜(Cucumis sativus)为实验材料, 对其卷须受机械刺激缠绕过程中小G蛋白活性进行了探讨。ROP活性检测结果表明, 在卷须缠绕过程中小G蛋白CsROP6的活性显著增强; 同时, 质谱鉴定结果显示, 卷须缠绕过程中生长素的含量明显增加。进一步的实验表明, 外源生长素处理能明显增强CsROP6的活性, 暗示黄瓜卷须在缠绕过程中受机械刺激可能通过生长素增强ROP活性, 且机械刺激激活小G蛋白信号在不同植物中存在一定的保守性。

植物病毒病是制约农作物安全生产的重要因素, 病毒检测能够发现病毒并确定病毒的种类, 是病害监测预警和防控的关键。该研究以马铃薯Y病毒(PVY)为检测对象, 建立了基于RPA-CRISPR/Cas12a的检测体系。结果表明, (1) CRISPR/ Cas12a检测体系内Cas12a及各组分为检测顺利进行所必要; (2) crRNA的靶点位置对Cas12a蛋白活性有较大影响, 当crRNA的靶点包含部分PAM位点序列时, 反应效率最高; (3) RPA-CRISPR/Cas12a检测模板的最低限度为3×10² copies∙μL^-1, 灵敏度高于PCR及qPCR检测法; (4) RPA-CRISPR/Cas12a检测体系与核酸粗提及逆转录反应联合, 可在非实验室环境下进行PVY检测, 整个过程耗时约60分钟。该研究建立了基于RPA-CRISPR/Cas12a的PVY检测技术体系, 为在非实验室条件下实时快速检测植物病毒提供了一种有效方法。

遗传转化是植物基因工程的重要手段。快速、高效地将目的基因导入植物细胞, 并缩短获得转基因后代的时间是遗传转化的关键。花生(Arachis hypogaea)是我国重要的油料及经济作物。目前花生的遗传转化体系尚未完善, 制约着花生的基因功能解析和分子育种进程。该文建立了一套快速、稳定的花生遗传转化体系。通过将农杆菌注射于花生第2茎节的切面获得转化植株, 再将阳性植株进行移栽和回土, 采摘注射点以上的荚果进行后续鉴定与分析。结果表明, 利用该方法可获得40%以上的T₀代嵌合体植株, 约5个月可收获T₀代花生种子, 其中约有9%的T₁代花生植株为非嵌合体的杂合体。针对部分转基因植株结实少的问题, 进一步提出了将快速转化体系与传统组培方法相结合的优化方案。构建的快速转化方法对大蒜(Allium sativum)、马铃薯(Solanum tuberosum)和香雪兰(Freesia refracta)的遗传转化具有潜在应用价值, 对其它植物的遗传转化也有重要参考价值。

近年来, 茶树基因组测序的完成为茶树在分子和基因水平的研究奠定了基础。但由于转基因技术尚不成熟且茶树生长周期较长, 茶树的基因功能研究依然不能有效开展。采用铁观音(Camellia sinensis var. sinensis cv. ‘Tieguanyin’)实生幼苗叶片, 通过筛选多种纤维素酶、果胶酶、离析酶和甘露醇的浓度组合, 并结合原生质体的数量、活性和杂质含量综合确定了最佳配方, 成功建立了铁观音茶苗叶片原生质体提取和PEG介导的高效瞬时转化体系, 转化率达56.25%。利用该系统探索了茶氨酸代谢通路中2个重要合成酶(茶氨酸合成酶(TSI)和谷氨酰胺合成酶(GSII-1.1))的亚细胞定位。研究发现, 这2种酶均定位于铁观音原生质体细胞质中。茶苗叶片原生质体提取和瞬时转化体系的建立为茶树基因组功能研究奠定了技术基础。

以粉美人萱草(Hemerocallis fulva cv. ‘Fenmeiren’)的花茎为外植体进行离体培养, 该研究成功建立了粉美人萱草组培快繁技术。结果表明, 6月获得的外植体用浓度为15% (v/v)的次氯酸钠溶液消毒8分钟, 外植体存活率达95%; 最佳增殖培养基为MS+1.0 mg·L^-1 6-BA+0.004 mg·L^-1 TDZ+0.1 mg·L^-1 NAA, 培养30天后, 月增殖系数达2.9; 壮苗培养基为MS+0.1 mg·L^-1 6-BA+0.1 mg·L^-1 IBA, 在该培养基中, 组培苗不再分化, 长势健壮; 最佳生根培养基为1/2MS+0.4 mg·L^-1 IBA+20 g·L^-1蔗糖, 生根率达95%; 移栽基质采用珍珠岩:草炭=1:2 (v/v), 通过精细化管理, 成活率可达85%, 出圃合格率为75%。目前已实现规模化繁殖, 并生产组培苗2.0×10⁵株, 大田种植表现良好。

驱动蛋白(kinesin)是以微管为轨道的分子马达, 其催化ATP水解为ADP, 将贮藏在ATP分子中的化学能高效地转化为机械能, 在细胞形态建成、细胞分裂、细胞运动、胞内物质运输和信号转导等多种生命活动中发挥重要作用。对植物驱动蛋白的研究落后于动物和真菌, 其原因不仅由于植物进化出独有的驱动蛋白家族, 而且其家族成员数量远多于动物驱动蛋白。该文主要总结了驱动蛋白在微管阵列动态组织, 包括周质微管和有丝分裂早前期微管带、纺锤体及成膜体中的角色和功能, 以及其对植物生理活动的调控作用。同时对重要经济作物大豆(Glycine max)中的驱动蛋白进行了系统分析、分类及功能预测, 发现大豆驱动蛋白数量庞大。结合公共数据库中大豆转录组数据, 对部分大豆驱动蛋白进行功能预测, 以期对大豆及其它作物驱动蛋白功能研究提供线索和启示。

真核细胞通过胞吞和胞吐作用将大分子和颗粒性物质运出或运送至质膜, 其中包括一些具有重要生物学功能的蛋白质。胞吞和胞吐途径之间的耦合对维持质膜的完整性以及调控质膜蛋白的丰度和活性至关重要。动物中, 突触小泡的胞吞和胞吐在时空上紧密耦合已被证明是持续神经传递的必要条件。近年来, 随着对植物囊泡运输的深入研究, 越来越多的证据表明, 植物细胞的胞吞和胞吐间同样存在耦合调控, 且在植物生长发育和对外界环境的响应中扮演重要角色。该文综述了植物协同调控胞吞和胞吐的生理学意义, 并结合网格蛋白介导囊泡运输的最新研究进展探讨了其可能的耦合机制。

叶脉由贯穿于叶肉内部的维管组织及其外围机械组织构成, 多样化的脉序及网络结构使叶脉系统发生变异和功能分化。该文综述了叶脉系统结构与功能的最新研究进展。通过聚焦叶脉分级系统的结构与功能及其在叶片经济谱(LES)中的重要性, 解释叶脉性状与其它叶片功能性状之间的关系及机制。不同等级叶脉在机械支撑与水分运输方面存在功能分化, 其中1-3级粗脉在维持叶片形状和叶表面积以及物理支撑方面发挥重要作用, 有利于维持叶片最大受光面积; 4级及以上细脉具有水分调节功能, 它们与气孔相互协调, 影响叶片水分运输、蒸腾散热和光合作用速率。叶片生长过程与叶脉发育的动态变化模式决定叶脉密度, 并影响叶脉密度与叶片大小之间的关系: 叶面积与粗脉密度呈显著负相关, 与粗脉直径呈显著正相关, 而与细脉密度无关。与叶脉性状相关的叶片经济谱框架模型预测, 叶脉密度较高的叶片寿命短、比叶重较小, 叶片最大碳同化速率、代谢速率以及资源获取策略潜力较高。