植物免疫受体感知病原信号分子并迅速激活自身免疫反应, 对植物抵御病原微生物入侵至关重要。但在未受到病原侵染时, 这些免疫受体的活性需受到严密控制, 以保证植物的正常生长。水稻(Oryza sativa)受体激酶OsCERK1是重要的免疫受体或共受体, 可感知病原真菌细胞壁组分几丁质。同时, OsCERK1还对感知丛枝菌根真菌的共生信号菌根因子不可或缺。最近的一项研究发现OsCERK1的一个精密调控机制, 既能在植株正常生长时有效抑制OsCERK1活性, 又能保证病原入侵时OsCERK1充分激活免疫反应。他们发现, 正常情况下, 水稻E3泛素连接酶OsCIE1通过泛素化修饰OsCERK1的激酶结构域, 抑制后者的激酶活性, 从而抑制免疫过度激活以保持稳态; 被几丁质激活后, OsCERK1又能通过特异磷酸化OsCIE1的关键位点, 阻断后者的E3连接酶活性, 进而解除OsCIE1对OsCERK1的抑制。该发现对利用免疫受体进行水稻抗病改良具有重要意义。

多细胞生物常因暴露在各种生物和非生物胁迫下而导致器官损伤或缺失。植物因固着性而演化出强大的再生能力以适应环境。尽管细胞损伤是植物组织修复和器官再生的原初物理诱因, 然而引发再生反应局部伤口信号的化学本质及其调控再生机制一直是科学界的难解之谜。最近一项研究发现1个调控植物局部伤口响应与再生能力的小肽REF1。研究表明, REF1与其受体PORK1通过植物损伤响应及细胞重编程关键转录因子WIND1促进植物再生。尤为重要的是, 外源施加REF1小肽可不同程度地提高几种作物的再生效率。这一发现不仅为理解植物损伤响应和再生的分子机制打开了全新视角, 而且为提高作物的再生能力和遗传转化效率提供了潜在的应用策略。

开花基因决定植物的一年生或多年生开花习性。已在不同植物中鉴定到多个开花基因, 然而关于开花基因如何驱动十字花科植物一年生与多年生生活史策略转变的进化机制仍不清楚。最近一项研究聚焦十字花科不同属的自然变异, 发现3个亲缘关系密切的MADS-box类转录因子编码基因(即FLC、FLM和MAF)与其一年生/多年生习性转变相关, 并解析了其分子机制, 提出十字花科植物生活史策略(即多年生/二年生/一年生之间的转换)是由FLC类MADS-box基因剂量叠加所决定的连续过程。研究结果初步明确了十字花科植物一年生与多年生生活史策略转换的进化机制和轨迹, 为培育多年生油菜品种奠定了理论基础, 也为其它十字花科作物的多年生化遗传改良提供借鉴。

高等植物通常从种子萌发开始, 经过营养生长和生殖发育后重新形成种子, 由此完成世代更迭。种子中积累的碳水化合物、脂质、蛋白质及mRNA等大分子物质对于维持其发芽潜力至关重要, 其中部分mRNA可长期保存而不被降解, 被称为长寿命mRNA (即long-lived mRNA)。在水稻(Oryza sativa)中, 与萌发相关的long-lived mRNA在花后10-20天开始转录积累, 花后20天至种子完全成熟期间, 一些与休眠和胁迫响应相关的long-lived mRNA转录并保存在细胞中。Long-lived mRNA种类繁多, 主要包括蛋白质合成类mRNA、能量代谢类mRNA、细胞骨架类mRNA及逆境响应相关的mRNA, 如小热激蛋白和LEA家族蛋白。Long-lived mRNA的转录组分析表明, 很多基因的启动子区域都包含脱落酸(ABA)或赤霉素(GA)相关的顺式作用元件, 拟南芥(Arabidopsis thaliana) atabi5突变体种子中约有500个不同于野生型的差异表达long-lived mRNA, 暗示ABA和GA是影响long-lived mRNA种类的关键激素。Long-lived mRNA通常与单核糖体和RBP蛋白交联在一起, 以PBs (P-bodies)形式存在于细胞中, 保护mRNA不被降解。与种子休眠相关的long-lived mRNA在种子后熟过程中逐渐被降解, 而且一些特定long-lived mRNA的氧化修饰是种子打破休眠的一种生物现象。在种子长期贮藏过程中, long-lived mRNA的随机降解直接关系到种子的寿命和活力, 保留下来的mRNA在种子吸胀初期被翻译成蛋白质, 促进种子在吸胀早期快速萌发。该文综述了种子重要储存物质long-lived mRNA的特征和功能, 并提出了本领域需要进一步研究的科学问题, 以期为深入理解种子休眠、萌发与寿命的分子机制提供参考。

开花时间是被子植物生活史中的关键节点。十字花科植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)广布于世界各地, 在海拔4 000 m以上的青藏高原也发现了该物种的自然居群, 高原独特的环境塑造了其生活史的独特表型, 在开花时间上表现为中等程度早花。该研究构建了西藏拟南芥Lhasa居群的F₂代作图群体, 基于全基因组测序的QTL-seq定位分析, 在该居群中定位到主效基因FLC, 并且鉴定到其第1个内含子中存在2 307 bp的缺失, 这种单倍型只存在于西藏拟南芥居群。利用CRISPR-Cas9技术构建了Lhasa背景的flc^-/-突变体, 表现为开花时间显著提前。研究结果表明, 西藏拟南芥开花时间改变的主要原因是FLC第1个内含子缺失, 该变异并未使其丧失全部功能, 这可能有利于西藏拟南芥适应青藏高原独特的气候环境。

蒙古冰草(即沙芦草(Agropyron mongolicum))是我国北方代表性的多年生牧草之一, 具有较强的耐寒和耐旱能力。在植物中, 咖啡酸氧甲基转移酶基因(COMT)是参与木质素和褪黑素生物合成的关键基因, 在调节植物生长、品质和抗逆性中发挥重要作用。通过分析蒙古冰草全长转录组数据, 从蒙古冰草中克隆了COMT候选基因AmCOMT1。该基因在茎秆和根等木质素含量高的组织中高表达, 且其表达受多种非生物胁迫诱导。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)野生型(Col-0)和突变体(omt1-2)中过表达AmCOMT1, 显著促进了转基因拟南芥的木质素合成, 使突变体的木质素单体和组分恢复至野生型水平, 同时Col-0/35S:AmCOMT1中木质素总量提高11%。此外, AmCOMT1过表达显著提高了Col-0/35S:AmCOMT1转基因拟南芥的褪黑素含量。在盐胁迫条件下, 该株系平均根长相比野生型拟南芥提高20.3%, 表现出更强的抗逆性。综上,蒙古冰草AmCOMT1基因在木质素和褪黑素合成中发挥关键作用, 可提高转基因拟南芥的抗逆性, 在蒙古冰草等单子叶牧草遗传改良方面具有重要应用潜力。

该研究探讨了小麦(Triticum aestivum)根系NH₄⁺毒性以及NO₃^-缓解其毒性机理。与7.5 mmol·L^-1 NO₃^-处理(CK)相比, 7.5 mmol·L^-1 NH₄⁺处理(SA)抑制小麦根系生长, 添加1 mmol·L^-1 NO₃^- (AN)后缓解了对根系生长的抑制。转录组分析表明, 与CK相比, SA处理下, 编码糖酵解途径酶、发酵关键酶、呼吸爆发性氧化酶同源物(Rbohs)、交替氧化酶(AOX)和双加氧酶相关基因显著上调表达; 编码TCA循环酶、ATP合酶和水通道蛋白(AQPs)相关基因显著下调表达。与SA相比, AN处理下, 糖酵解、发酵途径、Rbohs、AOX和双加氧酶相关基因的表达下调, 编码TCA循环酶、ATP合酶和AQPs的基因表达上调。蛋白质组分析表明, SA处理下, 糖酵解与发酵相关酶以及AOX相关基因表达上调, 而AQPs相关基因表达下调。AN处理下, 糖酵解与发酵相关酶以及AOX相关基因表达下调, AQPs相关基因表达上调。综上所述, 单独NH₄⁺处理促进糖酵解和发酵途径, 抑制TCA循环, 能量生成减少, 最终抑制小麦根系生长, 这可能与NH₄⁺处理引起根系缺O₂胁迫有关。添加NO₃^-后抑制了糖酵解和发酵途径, 促进TCA循环和能量产生, 显著缓解了根系缺O₂胁迫以及NH₄⁺对根系生长的抑制。

山桐子(Idesia polycarpa)是我国特有且极具开发潜力的油料树种, 果实含油率高且油品好。在苗期通过分子生物学手段对山桐子进行性别鉴定, 可有效降低种苗培养成本。在前期组装的染色体级别高质量山桐子基因组基础上, 进一步对山桐子雌雄群体进行全基因组重测序, 根据雌雄株系的特异性片段, 确定山桐子属于ZW/ZZ性别决定类型; 并根据3.365×10⁷个SNPs, 结合性别表型进行全基因组关联分析, 找到控制性别的19号染色体, 并将性别决定区段定位到35 Mb附近; 针对显著性位点, 开发了性别共显性CAPS分子标记。该方法可在幼苗期快速、高效鉴定山桐子的性别, 极大地降低了山桐子育苗环节的生产成本, 也可在山桐子种质鉴定及分子标记辅助育种等方面为产业提供技术支撑。

花朵大小是植物进化及物种形成过程中的关键因子, 也是决定植物观赏价值的重要性状, 研究其遗传规律与调控机制具有重要的科学意义和实用价值。以不同花朵大小的矮牵牛(Petunia hybrida)自交系和原生种为材料, 配制大花×中花和大花×小花杂交组合, 构建遗传群体, 研究其花朵大小的遗传规律。结果表明, 大花自交系W与腋花矮牵牛S26 (中花)杂交F₁群体均为大花, F₂群体中大花与中花的分离比接近3:1, BC₁回交群体中大花与中花的分离比接近1:1; 大花自交系W与中花自交系S杂交F₁群体均为大花, F₂群体花朵大小出现分离, 大花与中花的比例接近2:1; 大花自交系W与膨大矮牵牛S6 (小花)杂交F₁群体均为中花, F₂群体则出现花径从大到小的连续分布。利用主基因+多基因混合模型分析, 按照AIC值最小的标准选出W × S26组合的最优模型为1MG-AD, W × S的最优模型为2MG-EAD, 由此判定W大花对S26中花由1对主显性基因控制, 具加性-显性效应, W大花对S中花则由2对主基因控制, 具等加性-显性效应。此外, 根据前期大、小花转录组分析结果, 选取9个可能调控花朵大小的基因, 通过qPCR检测了它们在不同花朵大小的矮牵牛株系花瓣中的表达水平, 结果发现细胞分裂素受体基因PhHK以及响应细胞分裂素信号的type-A RRs基因在大花中的表达水平普遍高于中花和小花, 表明细胞分裂素信号途径可能是参与调控矮牵牛大花性状的关键因素。

为建立银扇草(Lunaria annua)体外再生体系, 以其真叶为外植体, 探讨消毒条件、植物生长调节剂组合及浓度对愈伤组织诱导、不定芽和不定根分化的影响; 进一步分析了生根方式对成苗和幼苗生长的影响。结果表明, 用75%乙醇消毒45秒配合0.1%升汞溶液消毒6分钟为银扇草叶片外植体最佳消毒处理; 真叶愈伤组织诱导及不定芽分化的最适培养基为MS+0.5 mg∙L^-1 6-BA+2.0 mg∙L^-1 2,4-D, 愈伤组织诱导率达93.37%, 不定芽分化率达84.08%; 最佳生根培养基为MS+ 0.1 mg∙L^-1 NAA, 从接种叶片外植体到获得再生植株约90天。该研究建立了银扇草稳定的再生体系, 为开发利用银扇草资源及挖掘功能基因奠定了基础。

以伊藤杂种‘和谐’(Itoh hybrids ‘He Xie’)的鳞芽为材料建立离体快繁技术体系, 可克服传统方法繁育较慢的缺点, 加速伊藤杂种优良品种的繁育推广。采用单因子试验设计, 分别探究不同灭菌时间、不同植物生长调节剂浓度、不同根诱导时间以及不同生根苗等级对‘和谐’组培苗启动、增殖、生根和驯化效果的影响。结果表明, 用2%次氯酸钠溶液的最佳灭菌时间为12分钟, 鳞芽污染率为9.09%; 最佳初始培养基配方为MS+1.5 mg∙L^-1 6-BA+0.2 mg∙L^-1 GA₃+0.5 mg∙L^-1 AgNO₃; 最佳增殖培养基配方为MS+450 mg∙L^-1 CaCl₂+0.5 mg∙L^-1 6-BA+0.2 mg∙L^-1 IBA+0.2 mg∙L^-1 GA₃+0.5 mg∙L^-1 AgNO₃, 增殖系数为3.3; 无根苗在根诱导培养基1/2MS+1.0 mg∙L^-1腐胺+2.0 mg∙L^-1 IBA上, 经4°C低温暗培养8天后常温光照培养30天, 再转入根形成培养基1/2MS+1.0 g∙L^-1 AC, 培养20天生根率达66.7%; 苗移栽的基质为珍珠岩:蛭石:草炭土=1:1:1 (v/v/v), 移栽60天后, 一级苗成活率最高为52.0%, 二级苗和三级苗则大部分死亡, 表明生根质量对移栽成活至关重要。

CRISPR/Cas作为一种新兴的靶向基因组编辑技术, 具有操作过程简便、编辑效率高和支持多靶点编辑等优势, 在植物遗传育种中应用前景广阔。然而对于一些尚未建立遗传转化体系和再生体系的植物, 基因组编辑技术的应用仍然受限。病毒介导的植物基因组编辑技术可不依赖遗传转化和再生等步骤, 即可快速获得无外源转基因成分的基因组编辑植物, 受到广泛关注。该文主要介绍了病毒介导的CRISPR/Cas植物基因组编辑技术的工作原理及优势, 系统总结了该技术在植物基因组编辑领域的应用现状, 并重点讨论了该技术体系存在的问题及挑战, 以期为深入开展这一领域研究提供参考。

类黄酮是植物次生代谢过程中产生的多酚类物质, 在植物中广泛存在且功能多样。类黄酮的生物合成发生在内质网的细胞质侧, 但最终积累在液泡腔内。因此, 需要高效的类黄酮转运和积累系统将其从内质网转移至液泡内。几十年来, 关于植物类黄酮转运有诸多研究。目前的研究结果表明, 植物体内存在3种类黄酮转运机制, 包括谷胱甘肽转移酶介导的转运及膜转运蛋白和囊泡介导的转运。该文综述了这3种转运机制以及近年来植物类黄酮转运研究进展, 分析总结了3种不同但具有非排它性机制在功能上的协同作用。虽然类黄酮生物合成途径在许多物种中得到很好的表征, 但是关于其转运研究仍相对缺乏。类黄酮修饰与转运的关系、转运蛋白对底物的特异性和偏好性及类黄酮转运的转录调控仍需深入探索, 以更好地解析类黄酮在植物细胞中的转运和积累机制。

生物体为适应外界不断变化的光环境, 进化出不同的光受体, 其中光敏色素是一类经典的植物感受红光和远红光的受体蛋白, 其通过暗适应的Pr状态和光激活的Pfr状态之间的光转换来检测红光和远红光。植物光敏色素具有1个保守的N端感光区域和1个C端调节区域, 其中N端部分包括NTE、PAS、GAF和PHY亚结构域, C端部分包括2个PAS结构域和1个组氨酸激酶相关结构域(HKRD)。为深入了解光敏色素的结构及功能, 已获得许多光敏色素功能缺失或氨基酸位点突变体, 并对其进行功能研究, 发现N端结构域在光敏色素的光谱特性、光信号感知和光信号转导等方面均具有重要作用; 而C端结构域是光敏色素的二聚化与核定位所必需。该文综述了拟南芥(Arabidopsis thaliana)中光敏色素B (phyB)各亚结构域中氨基酸位点突变对其功能的影响, 以期深入理解phyB的结构及功能, 为未来通过基因编辑手段进行作物农艺性状的遗传改良奠定基础。

广义蕨类植物(石松类和蕨类)是陆生维管植物第二大类群, 兼具孢子植物和维管植物的结构和生理特点, 衔接陆生植物从简单到复杂的演化过程。广义蕨类植物表现出许多不同于其它植物类群的独特生物学过程, 在研究植物基因组演化、器官发育、繁殖方式及环境适应等方面是一类关键的植物类群。现代测序技术的快速发展和应用推动了广义蕨类植物全基因组测序和组装, 为其基因功能研究提供了巨大便利。为充分认识广义蕨类植物基因功能研究的热点和难点, 该文从多角度全面总结了广义蕨类植物基因功能研究, 重点论述广义蕨类植物在器官发育、生殖过程、环境适应性和次生代谢物合成等方面的研究现状, 系统阐述其在揭示广义蕨类植物特殊生物学过程中的应用及各类基因的功能。最后, 对如何加快广义蕨类植物基因功能研究, 并利用相关研究揭示其生物学特性和开发更广泛的应用场景提出了建议。