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。

植物表皮在调节光合作用、呼吸作用、热量散失和水分利用等方面发挥重要作用。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)等双子叶植物中, 气孔发育机理研究取得显著进展, 报道了3个非常重要的bHLH正调控转录因子(SPCH、MUTE和FAMA), 它们在气孔系细胞分裂与分化的不同阶段特异表达, 分别与转录因子SCRM/ICE1和SCRM2/ICE2形成异二聚体, 共同调控气孔细胞系在3个分裂阶段的细胞形态转换和变化, 最终发育形成气孔复合体。然而, 在单子叶植物尤其是禾本科植物玉米(Zea mays)中, 调控表皮形态建成的基因研究较少。该文利用反向遗传学手段分离到2个单基因隐性遗传突变体Zmice1-1 (inducer of cbf expression1-1)和Zmice2-1, 与对照B73相比, Zmice2-1植株矮小, 叶片黄化, 育性降低, 叶片气孔密度和气孔指数极显著降低, 打破了1个气孔间隔1个表皮长细胞的排列模式; Zmice1-1从五叶一心期开始叶片逐渐发黄, 后期全部黄化, 生长停滞, 纯合不育, 其叶片气孔密度与对照无显著差异。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得不同位点的等位突变体, 表型鉴定发现Zmice2-2具有气孔异常表型, 并且与Zmice2-1的气孔表型类似, 表明ZmICE2参与调控气孔发育。B73和Zmice2-1的转录组分析表明, ZmICE2主要通过影响细胞分裂和分化来调控气孔发育, 参与玉米表皮形态建成。研究结果有助于进一步完善玉米表皮形态建成机制, 并为提高农作物的抗逆性和产量性状的遗传改良提供了有益的基因资源。

水稻(Oryza sativa)倒伏是制约其生产的主要因素之一, 而茎秆的机械强度影响水稻抗倒伏能力, 且与茎秆细胞壁相关组分含量密切相关。通过调控水稻茎秆细胞壁相关组分含量提高水稻抗倒伏能力, 是提高水稻产量与品质的有效途径。该研究用籼稻品种华占(O. sativa subsp. indica cv. ‘HZ’)和粳稻品种热研2号(O. sativa subsp. japonica cv. ‘Nekken2’)杂交获得F₁代, 经连续多代自交得到120个重组自交系(RILs)群体, 并以此构建遗传连锁图谱。基于构建的高密度遗传图谱, 对水稻茎秆细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素含量相关QTLs进行定位, 结果共检测到4个与纤维素含量相关的QTLs、12个与半纤维素含量相关的QTLs和8个与木质素含量相关的QTLs。对检测到的QTLs区间进行候选基因分析, 共筛选到13个候选基因。利用qRT-PCR检测候选基因的表达水平, 结果表明除LOC_Os02g58590和LOC_Os12g41720外, 其余候选基因的表达量在双亲间均存在显著差异。研究结果为挖掘调控水稻茎秆机械强度的基因, 进而筛选和培育抗倒伏能力强的水稻品种奠定了重要基础。

万寿菊(Tagetes erecta)是菊科万寿菊属重要的观赏花卉, 其舌状花花冠边缘的类型有平滑(smooth)、波浪(undulate)及不同程度的缺刻(incision)等。以第1轮小花花冠筒边缘五裂且雄蕊发育正常的万寿菊突变体JH和舌状花花冠边缘平滑且雄蕊败育的万寿菊自交系S5为亲本构建F₂代分离群体。遗传分析表明, JH突变性状由显性单基因控制, 将其命名为Telf。组织学和细胞学观察发现JH第1轮小花为舌状花管瓣化, 其花冠筒顶部具有5个裂片, 中下部融合呈管状, 且花药和花粉粒发育恢复正常。利用BSR-seq和比较基因组学方法, 将控制舌状花花冠裂片形成的基因Telf定位于37003-SCAR标记和34032-CAPS标记之间, 2个标记距Telf的遗传距离分别为3.684 cM和3.517 cM。该研究为后续精细定位目的基因Telf奠定了基础, 也为万寿菊分子标记开发提供了新方法。

湖北地黄(Rehmannia henryi)是一种具有重要价值的药用植物, 其基因编辑研究还未见报道。为建立湖北地黄基因编辑体系, 克隆了类胡萝卜素合成途径中八氢番茄红素脱氢酶(PDS)的编码基因, 并构建RhPDS1基因的CRISPR/Cas9载体, 以根癌农杆菌介导法转化湖北地黄基因组。结果表明, RhPDS1转录本含1 764 bp的开放阅读框(ORF), 其推测的氨基酸序列具有八氢番茄红素脱氢酶的典型结构域。RhPDS1基因在蕾、花和嫩叶中的相对表达量较高。利用基因编辑获得3个具有白化表型的再生株系, 白化苗分化率为3.7%。测序结果表明, 3个突变体属于2个基因编辑事件, 靶点序列分别为1 bp或/和5 bp碱基缺失, 造成移码突变。白化苗突变体的叶绿素和类胡萝卜素含量极显著低于野生型, RhPDS1基因的表达量也显著下降。综上, 该研究克隆了RhPDS1基因, 并利用CRISPR/Cas9技术实现了对RhPDS1基因的靶向敲除, 为湖北地黄的功能基因组学研究和野生驯化奠定了技术基础。

红豆杉(Taxus spp.)为国家一级濒危植物, 含有药用价值高的广谱抗癌成分紫杉醇, 但资源匮乏。为解决紫杉醇药源短缺问题, 该研究建立了红豆杉紫杉烷类离体富集体系。结果表明, 最佳吸收面扩大培养基配方为MS+2 mg·L^-1 6-BA+0.4 mg·L^-1 NAA+0.7 g·L^-1脯氨酸, 扩大率达90%; 高频同步诱导率最高的培养基为DCR+1 mg·L^-1 6-BA+0.1 mg·L^-1 NAA+5 mg·L^-1谷氨酰胺+1 g·L^-1活性炭, 高频同步率达82.2%; 生物量扩增I期效果最佳培养基为MS+0.7 mg·L^-1 6-BA+ 0.07 mg·L^-1 NAA+0.1 mg·L^-1苯丙氨酸+50 mg·L^-1间苯三酚, 芽苗生物量为每株542 mg; 生物量扩增II期效果较好的培养基为MS+0.5 mg·L^-1 6-BA+0.05 mg·L^-1 NAA+0.1 mg·L^-1苯丙氨酸+2 g·L^-1活性炭, 芽苗生物量为每株1 612 mg。富集培养后, 组培材料中紫杉烷类含量远高于天然材料, 紫杉醇含量为天然材料的6.1倍; 巴卡亭III含量为天然材料的8.2倍; 10-去乙酰基巴卡亭III含量为天然材料的68.1倍。该研究首次建立了红豆杉紫杉烷离体富集体系, 突破了紫杉醇药源短缺的瓶颈。

以手指柠檬(Citrus australasica)茎段为外植体, 通过离体器官发生途径诱导形成不定芽, 探讨不同植物生长调节剂组合、培养基类型以及暗培养时间对其愈伤组织诱导和植株再生的影响, 建立手指柠檬离体再生体系。结果表明, 1/2MS+4.0 mg∙L^-1 ZT+30.0 g∙L^-1蔗糖为手指柠檬茎段不定芽诱导的最佳配方, 14天暗培养后转移到光下培养效果最好, 愈伤组织及不定芽诱导率均为100%, 每外植体平均再生不定芽数达4.83。诱导不定根的适宜培养基配方为1/2MS+0.5 mg∙L^-1 NAA, 生根率达94.43%, 平均再生根数为3.9; 在草炭:珍珠岩:蛭石=2:1:1 (v/v/v)的混合基质中组培苗长势最好, 成活率在90%以上。该研究建立了手指柠檬茎段离体再生体系, 为手指柠檬的遗传改良和优良品种快繁奠定了基础。

适配体是一种从人工合成的文库中筛选出来、能够特异结合靶标分子的单链寡核苷酸或多肽。适配体基于自身结构和序列与靶分子特异结合并调节其活性, 应用于生物体内分子功能研究及新型药物制剂的研发。近年来, 多肽适配体广泛应用于医学、遗传学和分子生物学等多个领域, 成为一种高效、特异且功能强大的新工具。在植物研究中, 随着相应体系的建立、应用和推广, 适配体技术逐渐成为研究植物分子功能的有效工具。该文综述了不同类型的适配体、筛选原理及优缺点, 以及在植物研究中的应用。可以预见, 随着分子设计育种技术的发展, 适配体技术有望成为植物科学领域有价值的应用工具。

细胞是生物体结构和功能的基本单位, 有膜或无膜包裹的细胞器在细胞内特定的空间各司其职。然而, 无膜细胞器的形成机制和功能仍有待进一步解析。研究表明, 液-液相分离(LLPS)可以使细胞内的特定分子聚集形成凝聚体, 进而发挥重要作用。随着植物中LLPS研究的不断深入, 相分离形成的凝聚体在植物生长发育和胁迫应答过程中的作用备受关注。该文对蛋白液-液相分离调节植物生长发育以及胁迫应答的研究进展进行综述, 为深入研究LLPS在植物细胞中的工作机制提供参考。

点击化学又称“链接化学”或“速配结合式组合化学”。其可通过碳-杂原子键(C-X-C)连接产生出诸多功能强大、高度可靠且具较强特异性的反应, 是一种快速合成大量化合物的新方法。近几年, 点击化学在药物开发、新材料合成、材料表面功能化修饰和生物大分子标记等方面取得了较大进展。2022年, 点击化学的开拓者获得了诺贝尔化学奖。该文简要介绍点击化学的原理和反应类型, 重点总结其在标记生物大分子上的研究进展, 特别是在植物细胞壁聚糖标记方面的应用, 以期为解析植物细胞壁结构、合成和动态转运机制提供新思路。

温度是决定植物地理分布的主要环境因子之一, 分布于高纬度、高海拔地区的寒地植物, 在其生活史周期内通常会遭遇一段时期的零度以下低温。当环境温度降至冰点以下, 植物体内水分子趋向于形成冰晶体, 不断增大的冰晶对植物组织结构造成致命损伤。为适应冷冻环境, 寒地植物病程相关蛋白(PR)及相关的WRKY转录因子进化成为能与冰面特异吸附结合、高效抑制冰晶形成和生长的抗冻蛋白(AFPs)。目前, 已从冬黑麦(Secale cereale)等近百种植物中分离鉴定了AFPs。与昆虫AFPs相比, 植物AFPs具有极高的重结晶抑制活性, 可有效防止形成体内大冰晶。低温和病原菌均可诱导寒地植物合成AFP。有趣的是, 仅冷诱导合成的AFPs有水解酶/抗冻活性双重分子功能。然而, 越来越多的证据表明, PR-AFP仅具有水解酶/抗冻活性的其中一种, 其转化由翻译后肽差异折叠控制/调节。AFP因具有独特的分子功能与广阔的应用前景而逐渐成为植物学领域的研究热点。该文对近年来相关领域取得的研究进展进行系统综述。

SPL是植物特有的一类转录因子, 其蛋白结构中存在一段由2个锌指结构和核定位序列构成的高度保守的SBP结构域, 多数SPL基因的转录表达受microRNAs剪切调控。该文结合当前SPLs转录因子的研究进展, 对其在植物生长发育和环境适应等方面的生物学功能进行综述, 并对SPLs的研究前景进行展望。

植物sirtuin蛋白家族是一类依赖β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(β-NAD⁺)、分别催化非组蛋白和组蛋白赖氨酸上N^ε-乙酰基和N^ε-酰基(乙酰基、巴豆酰基、丁酰基和2-羟基异丁酰基)去除的酶, 具有调控非组蛋白活性和基因表达的功能。已证明sirtuin蛋白家族成员在水稻(Oryza sativa)、大豆(Glycine max)和番茄(Solanum lycopersicum)等植物的生长发育以及盐、冷、热和病原菌等胁迫响应中发挥重要的表观调控作用。该文对植物sirtuins的酶活性、催化底物、细胞定位和功能进行综述, 为理解其表观遗传调控机制及丰富新功能研究提供参考。

植物的根可选择性地从土壤中吸收水分和养分, 并运输至地上部供植物生长发育所需, 这些功能与其解剖结构密切相关。根部吸收的水和溶质在根中的径向运输主要包括质外体、共质体和跨细胞3条途径。内皮层是包围中央维管系统的最内细胞层。长期以来, 内皮层分化形成的凯氏带被认为在阻断水和溶质通过质外体途径运输中发挥决定性作用。然而, 近年来, 研究发现内皮层分化形成的木栓层对水和溶质的径向运输作用不亚于凯氏带, 甚至称木栓化是内皮层细胞的第二次生命。该文综述了近年来木栓层在水和溶质运输中生理功能的最新进展, 阐述了木栓层与作物抗旱、抗盐、抗重金属和抗养分胁迫之间的关系, 以期为内皮层可塑性调控植物生理功能的理论和实践提供参考。