植物感受到重力刺激后可通过重力反应协调自身各器官的生长方向。在植物重力反应过程中, 重力感应和信号转导一直都是植物学领域关注的焦点。经典的“淀粉-平衡石”假说认为植物对重力的感应是通过淀粉体(富含淀粉的质体)沉降来实现。此外, 研究发现LAZY蛋白通过调控生长素的不对称分布参与植物重力反应。然而, 淀粉体沉降引发的重力信号转导及其与LAZY蛋白之间协作的分子机制仍不清楚。近期, 清华大学陈浩东研究团队发现重力刺激能够诱导拟南芥(Arabidopsis thaliana) MKK5-MPK3激酶途径, 进而对LAZY蛋白进行磷酸化, LAZY蛋白的磷酸化增强其与淀粉体表面TOC蛋白的互作, 促进LAZY蛋白在淀粉体表面富集。淀粉体沉降引导LAZY蛋白在新的底侧质膜极性再定位。该研究深入解析了植物重力信号转导的分子机制, 建立了植物重力感应与LAZY蛋白介导的生长素不对称分布之间的联系, 是植物向重力性研究领域的重大突破。

蚜虫(aphids)及其携带的病毒是全球农作物生产过程中最具破坏性的病虫害之一。植物一旦被蚜虫侵染, 会产生并释放挥发性有机化合物(VOCs), 进而通过空气传播至周围植物, 激活邻近植物对昆虫和病毒的抗性, 称为气传性免疫(AD)。而对于植物如何产生挥发性信号分子以及邻近植物如何感知并激活抗病虫的机制尚不清楚。近期, 清华大学刘玉乐研究团队在植物间通讯介导邻近植物抗虫和抗病毒研究方面取得了新突破, 他们揭示了一条由水杨酸甲酯(MeSA)-水杨酸结合蛋白SABP2-转录因子NAC2-水杨酸羧基甲基转移酶SAMT1组成的信号通路介导邻近植物抗虫和抗病毒能力。该研究还发现由蚜虫传播的一些病毒编码蛋白能够通过与NAC2转录因子互作促进NAC2的出核和降解, 从而破坏植物间的信号交流以促进蚜虫及病毒的侵染。该研究全面阐释了蚜虫与其传播的病毒间共同进化的新的互惠关系, 填补了植物抗病虫、特别是气传性免疫领域的空白, 同时为培育抗虫、抗病毒作物提供了新思路及潜在基因。

芦苇(Phragmites australis)分布范围广, 生物量巨大, 环境适应性强。受芦苇多倍体基因组的限制, 在基因水平上解释其独特的物种特质非常困难。利用三代测序及多种方法研究2种生态型芦苇(2n=8x)中RCA基因(编码Rubisco活化酶)的类型、结构、表达和定位模式。结果表明, 芦苇基因组中有4类RCA基因, 均属于RCA2β。转录水平和蛋白质水平检测以及免疫胶体金定位结果表明, 芦苇RCA的基因表达模式和蛋白质定位具有明显的生态型特异性。与沼泽芦苇(SR)相比, 沙丘芦苇(DR)中RCA的表达水平较低, 且更倾向于产生RCA2-β2产物。通过分相的蛋白双向电泳和质谱方法, 鉴定到6个高表达的RCA同型物。在DR中这些同型物高比例地分布于膜相。研究表明当芦苇处于极度恶劣的沙漠环境中, RCA转移到膜相并参与叶绿体的膜保护机制。

miRNA通过调控靶基因的表达参与植物生长发育和响应逆境胁迫等多个方面。对前期鉴定到的1个miRNA——Bna-miR43进行功能研究, 通过构建过表达载体探讨了Bna-miR43在甘蓝型油菜(Brassica napus)响应干旱胁迫中的功能。降解组测序预测到Bna-miR43的4个靶基因均属于F-box蛋白家族。在模拟干旱条件下, 甘蓝型油菜J572根系Bna-miR43的表达量逐渐下降; 靶基因则呈现与Bna-miR43相反的表达模式, 且随着干旱处理时间的增加, 靶基因的表达量逐渐上升。转基因实验表明, 在干旱胁迫下, 油菜Bna-miR43过表达株系表现为对干旱极度敏感, 转基因株系种子在干旱条件下发芽率显著下降, 植株脱水严重, 体内积累了更多的丙二醛(MDA)和过氧化氢(H₂O₂)。干旱处理后, Bna-miR43过表达株系中编码超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和乙醇酸氧化酶(GOX)的3个基因下调表达。上述结果表明, Bna-miR43通过调控靶基因的表达调节甘蓝型油菜渗透物质积累和细胞活性氧(ROS)稳态, 在调控植物耐旱性中发挥重要作用。

几丁质是真菌细胞壁的主要成分, 同时也是微生物相关分子模式(MAMP), 通过定位于细胞膜上的模式识别受体CERK1和LYK5识别, 激发植物的先天防御反应。该研究克隆了CERK1的胞内激酶域, 在酵母文库中筛选到1个分子伴侣HSP1与CERK1胞内域互作。通过CRISPR-Cas介导的基因编辑技术, 我们在野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana) Col-0中敲除HSP1基因, 获得hsp1 v63删除突变体。使用几丁质处理Col-0和hsp1 v63删除突变体后发现, 下游防御相关基因的表达及丝裂原活化蛋白激酶磷酸化通路受到抑制。此外, 我们还发现CERK1蛋白水平在hsp1 v63删除突变体中低于野生型, 并且该突变体中CERK1含量降低与内质网降解系统有关。以上结果表明, HSP1是几丁质激发防御反应通路中的1个关键基因。该研究揭示了分子伴侣调控膜受体蛋白含量对植物防御反应的重要意义, 为农作物广谱抗性遗传改良奠定了理论基础。

土壤镉(Cd²⁺)污染严重制约设施蔬菜的产量和品质。褪黑素(MT)可以增强植株对多种逆境的抗性, 然而Cd²⁺胁迫下MT调控番茄(Solanum lycopersicum)种子萌发的下游信号尚不清楚。该研究以番茄野生型Alisa Craig种子为材料, 探究不同浓度Cd²⁺处理及外源MT对番茄种子萌发的调控效应。结果表明, 0.5 mmol·L^-1以上的Cd²⁺处理显著抑制番茄种子的萌发和幼苗生长。用0.15 mmol·L^-1 MT浸种可降低种子萌发后地下部和地上部的Cd²⁺含量, 有效缓解Cd²⁺胁迫对番茄种子萌发和幼苗生长的抑制作用。MT上调了番茄胚根中植物螯合肽和转运蛋白基因(PCS、NRAMP1、ABCC3、HMA3与ABCG5)的表达, 促进Cd²⁺的跨膜转运以及液泡隔离。此外, MT减轻了Cd²⁺诱导的氧化损伤, 除褪黑素自身的抗氧化作用外, 也与抗氧化酶(CAT、APX与ALDH)活性的增强相关。进一步分析表明, MT显著下调了Cd²⁺胁迫下脱落酸(ABA)合成基因(NCED1和NCED2)的表达, 并上调了ABA分解基因ABA8ox1的表达, 降低ABA含量, 从而有效调节赤霉素/脱落酸(GA/ABA)的比值, 促进Cd²⁺胁迫下番茄种子的萌发。

异型花柱是被子植物的一种花柱多态现象, 表现为具有交互式雌雄异位的花型间传粉的亲和性, 以及花型内和自交的不亲和性。而同型花柱(homostyly)是在异型花柱形成与演化中出现的一种雌雄蕊同长且自交亲和的花型。驼舌草属为白花丹科中较早出现二型花柱的属, 野外调查发现分布于新疆的驼舌草(Goniolimon speciosum)自然居群出现大量雌雄蕊同长(H)的花型, 类似于同型花柱。该花型的产生背景是否已转变为型内和自交亲和, 它与典型的长(L)/短(S)花柱型花之间的亲和性关系等问题尚不清楚。该研究对驼舌草5个自然居群的花型构成与频率、花部特征参数和柱头花粉负荷进行统计, 并检测附属多态性和异型不亲和系统。结果表明, 所有居群均由L、S和H三种花型构成, 但在花粉纹饰和柱头表皮细胞形态上仍具二型性和严格的非选型交配, 表现为花粉纹饰和柱头乳突细胞形态不同的花型间亲和, 反之则不亲和。研究表明, H型花可能是由L型和S型花的雌雄蕊间距缩短所致, 是花型间交互式雌雄异位变异的结果, 但该花型并未转变为同型花柱。对于该物种而言, 这种交互式雌雄异位的变异与生理不亲和性的转变可能相对独立。

种植抗病品种一直是防控水稻白叶枯病(bacterial blight, BB)最有效的措施。近年来, 白叶枯病在我国多地呈现“老病新发”态势。为查明近期白叶枯病成灾的原因, 2019-2021年间, 在南方8省(海南、云南、广西、广东、福建、湖南、浙江和江苏)病害重发生田块采集叶片, 分离获得野生白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo)。通过对主效毒性因子基因型tale (transcription activator-like effectors)进行Southern杂交检测, 将新分离的97株Xoo菌株划分为10个基因型, 其中基因型V是优势种群代表。选取各基因型的代表菌株, 剪叶接种携带主要抗病基因(R gene)的水稻(Oryza sativa)品种, 毒力测试结果显示, Xa3和Xa4等传统抗病基因对田间大部分菌株已经丧失抗性, Xa7和Xa23等优异抗病基因对白叶枯病仍具有广谱抗性。研究结果表明, 近期“老病新发”的主要原因可能是水稻新品种选育过程中忽视了优异抗白叶枯病基因资源的引入, 挖掘与利用优异抗病基因资源仍是防控白叶枯病最理想的途径。

该研究建立了黑鹅绒海芋(Alocasia reginula)体细胞胚胎发生途径的植株再生体系。通过叶柄诱导获得胚性愈伤组织, 以此建立胚性细胞悬浮培养系, 并实现了高频率的植株再生。叶柄外植体在添加2.0 mg·L^-1 2,4-D和1.0 mg·L^-1 TDZ的MS培养基上诱导胚性愈伤组织的效率最高(达81.3%)。将胚性愈伤组织破碎成细胞团, 转移至添加2.0 mg·L^-1 2,4-D和1.0 mg·L^-1 TDZ的MS液体培养基中进行悬浮培养, 2周继代1次, 悬浮培养12周后获得大量细胞团。将悬浮培养28周的细胞团转移至不含植物生长调节剂的1/2MS固体培养基上进行分化培养, 平均每个细胞团可再生2.3-2.5棵植株。 利用光学显微镜和扫描电镜观察体细胞胚的萌发和形成。再生苗移栽至温室4个月后, 成活率为95.3%。通过流式细胞术对随机选取的50株成活植株进行检测, 未发现染色体倍性变异, 核DNA含量为10.94 pg·(2C)^-1, 基因组大小为5 290.12 Mb·C^-1。植株移栽到温室直至自然开花, 表型无明显变异。研究结果可为黑鹅绒海芋种苗商业化生产和生物技术育种提供良好的技术支持。

以万寿菊(Tagetes erecta)里程碑·黄色的小叶为外植体, 采用农杆菌介导法探究抗生素浓度、菌株类型、菌液浓度、侵染时间、共培养时间、乙酰丁香酮浓度和抗褐化剂种类对万寿菊遗传转化效率的影响。结果表明, 头孢霉素(Cef)和硫酸卡那霉素(Kan)的适宜浓度分别为100 mg·L^-1和10 mg·L^-1; EHA105菌株的稳定转化效率最高; 菌液浓度OD₆₀₀=0.1、侵染5分钟及共培养1天为最佳侵染条件。此外, 在侵染过程中添加100 µmol·L^-1乙酰丁香酮(AS)和筛选培养基中添加0.2 g·L^-1聚乙烯吡咯烷酮(PVP)均能提高出芽率。经GUS染色、PCR检测以及Southern blot检测证明转化成功, 转化效率达到4%左右。研究结果为万寿菊基因功能研究和转基因育种奠定了基础。

植物生长素早期响应基因GH3编码的酰胺合酶催化生长素、茉莉酸及苯甲酸衍生物与氨基酸结合, 形成相应的氨基酸复合物。当植物体内生长素浓度过高时, GH3蛋白催化生长素与氨基酸结合, 形成的复合物作为生长素贮存库。当生长素浓度过低时, 生长素-氨基酸复合物被蛋白水解酶水解为生长素, 重新参与生长素信号通路, 从而调控植物体内生长素动态平衡。当植物受到生物或非生物胁迫时, GH3蛋白催化茉莉酸和水杨酸与氨基酸结合, 参与植物胁迫响应。该文从GH3蛋白结构、GH3基因家族分类及其生物学功能方面总结了双子叶模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)、单子叶模式植物水稻(Oryza sativa)及其它植物中GH3基因的研究进展, 为植物GH3基因家族的深入研究提供参考。

氮素作为植物生长发育所需的大量元素, 对植物生长发育及作物产量具有重要作用。施入氮肥是植物及作物的主要氮素来源。面对当下过度施肥造成面源污染加剧的现状, 提高作物氮素利用效率, 实现“减肥增产”的绿色增产增效模式, 是促进我国农业可持续发展及保障国家粮食安全的重要措施。当土壤氮匮缺时, 硝酸盐转运蛋白NRT2家族成员对根系吸收及转运硝酸盐至关重要, 其中NRT2.1在植物缺氮时主要负责根部的硝酸根吸收。该文重点总结了模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)及重要粮油作物中NRT2家族蛋白特别是NRT2.1的功能及调控机理研究进展, 旨在为后续挖掘NRT2在提高作物产量方面的潜力及分子调控机制研究提供重要依据。

植物光合作用主要依赖绿色叶片, 而叶片生长发育最直观的特征是叶色。目前已克隆200多个调控水稻(Oryza sativa)叶色的基因。水稻叶色调控机制复杂多样, 涉及多条调控途径, 包括光合色素的生物合成与降解、核-质信号转导和血红素的合成。此外, 温度和光照强度等外部环境也会影响水稻叶色的变化。该文从分子机制、叶色相关基因及环境因素等方面总结了水稻叶色遗传调控机制, 并提出该领域亟待解决的科学问题, 以期为水稻高光效育种及应用提供理论支撑。

由于纳米尺寸效应和卓越的物理化学性质, 工程纳米材料(ENMs)广泛应用于生产和生活的各个领域。在农业生产领域, ENMs对高等植物生物及生态效应的风险评估备受关注。为全面认识和了解ENMs对生态系统中高等植物的影响, 该文综述了农业中常用的几种ENMs (主要包括金属、金属氧化物和碳基纳米材料)对高等植物生长的影响及作用机制, 探讨了ENMs对植物生物学效应的主要影响因素, 包括植物种类和生长介质及ENMs粒径、形状、表面特性、浓度和处理时间。同时, 从真实土壤环境、长期低剂量效应和植物吸收转运等方面对ENMs与高等植物互作研究进行了展望, 以期为ENMs在农业生产上的高效利用提供参考依据。

物种的准确鉴定是生物资源利用和物种保护的重要基础。传统的物种鉴定依赖于分类学专业人员, 而培养分类学专业人员需要耗费大量时间, 是分类学知识利用的瓶颈。利用多通道电子检索表和智能识别也因个体发育阶段的不同和形态变异而难以准确鉴定物种。DNA条形码是基于DNA序列的鉴定技术, 不受个体发育和形态多态性的影响, 为物种快速鉴定提供了有效的解决方案。该文综述了DNA条形码的类型和发展趋势。DNA条形码的发展历史可分为2个阶段: (1) 以一代测序为序列获取方式的单片段或少量片段时期; (2) 以新一代高通量测序为序列获取方式的超级DNA条形码时期。该文比较了2个发展阶段DNA条形码的主要特点、研究方法和物种鉴定能力, 认为基于质体基因组的超级DNA条形码物种鉴定能力更强, 发展超级DNA条形码将成为植物条形码研究的主要趋势。同时进一步总结了超级DNA条形码发展所面临的困境和解决思路, 指出研究材料仍是当前限制超级DNA条形码发展的关键因素, 提出利用标本组学方法捕获大量历史馆藏标本的基因组序列, 可为开展超级DNA条形码研究提供省时、高效和经济的解决方案。通过挖掘植物基因组数据获得单拷贝和低拷贝核基因并应用于物种条形码研究, 不仅能提升分辨率, 而且可解决杂交和不完全谱系分选等复杂进化历史类群的分类问题。建议利用标本馆保存的珍贵标本资源建立植物超级DNA条形码参考序列数据库。