基因互作与表型的内在关系是生命科学研究的关键问题, 大部分表型受多基因协同控制, 除加性效应外还存在显性和上位性等复杂遗传效应。最近一项研究构建了包含18 421个永久株系的水稻“混血杂交”群体, 成功鉴定到控制16个农艺性状的96个高置信候选基因, 通过分析基因间上位性效应, 构建了包含19个枢纽基因的遗传互作网络, 揭示出基因间潜在的互作效应, 发现170个“掩蔽”型上位互作对。该工作建立了作物遗传学研究的新范式, 且为水稻(Oryza sativa)遗传研究提供了重要数据和材料资源, 极大地加速了重要性状相关基因的挖掘, 推动了数量性状基因遗传互作的功能解析, 为分子设计育种奠定了理论基础。

AP3/DEF (APETALA3/DEFICIENS)基因为MADS-box基因家族的B类基因, 在花发育过程中主要参与调控花瓣和雄蕊发育。对盐肤木(Rhus chinensis) AP3/DEF同源基因进行克隆及功能分析, 有助于探究其在盐肤木雄蕊发育过程中的作用。采用RT-PCR技术获得盐肤木AP3/DEF同源基因CDS; 利用NCBI CD Search对其序列和结构域进行比较分析; 利用酵母双杂交系统, 对AP3/DEF同源蛋白与盐肤木中其它MADS-box转录因子进行蛋白互作验证; 通过实时荧光定量PCR分析盐肤木AP3/DEF同源基因的时空表达模式; 用过表达拟南芥(Arabidopsis thaliana)验证盐肤木AP3/DEF同源基因在花器官发育中的功能。结果表明, 克隆得到2个盐肤木AP3/DEF同源基因分别命名为RcAP3 (GenBank: OR962160)和RcTM6 (GenBank: OR962159), 根据其氨基酸保守结构域比对及系统进化分析, 发现这2个蛋白序列与漆树科的芒果(Mangifera indica)和阿月浑子(Pistacia vera) AP3/DEF同源蛋白亲缘关系最近。酵母双杂交结果表明, RcAP3和RcTM6与盐肤木B类蛋白RcPI、C类蛋白RcAG和Rcag存在互作关系, 但与A类和E类蛋白不存在互作关系。实时荧光定量PCR分析结果显示, RcAP3和RcTM6基因在不同性别盐肤木花芽快速发育期高表达, 在花芽发育早期和开花后表达水平较低; RcAP3在雌花、雄花和两性花的花芽分化过程中均维持较高的表达水平, 而RcTM6在两性花中显著表达, 在雄花和雌花中表达量很低。两性花快速生长期, RcAP3在花瓣和雄蕊中高表达且差异很小, 而RcTM6在雄蕊中的表达量显著高于其它花器官。RcAP3基因能恢复拟南芥ap3-3突变体花瓣和雄蕊的缺陷表型, RcTM6过表达则导致拟南芥花瓣、雄蕊和子房缩短, 花药败育, 表明盐肤木中同属AP3/DEF亚家族的同源基因RcAP3和RcTM6存在功能分化。RcAP3促进花瓣和雄蕊发育, 而RcTM6抑制雄蕊发育。研究结果为进一步研究盐肤木性别分化的分子机制奠定了基础。

磷是植物生长发育不可或缺的营养元素之一, 正磷酸盐(P)在土壤中含量丰富, 但由于土壤的固定作用, 其中能被植物吸收利用的有效磷含量并不高, 提高植物对土壤磷的吸收利用能力, 或优化磷肥施用, 已成为亟待解决的问题。土壤中亚磷酸盐(PH)的含量仅次于正磷酸盐, 其具有更高的溶解度, 可在植物木质部与韧皮部之间进行双向运输, 不易被土壤固定, 但亚磷酸盐作为磷肥替代正磷酸盐和选育耐亚磷酸盐作物品种的研究鲜有报道。基于此, 该研究选取5份引进的马铃薯(Solanum tuberosum)品种和1个商业品种青薯9号(QS9)为实验材料, 经驯化炼苗后直接栽入试验田, 设置正常磷肥处理和亚磷酸盐替代处理, 测定不同品种的表型、光合作用效率和干物质等指标, 以各单项耐亚磷酸盐系数(PTC)为衡量依据, 利用主成分分析等方法对不同马铃薯品种的PH耐性进行综合评价。结果表明, 6个马铃薯品种可分为高度耐亚磷酸盐型(C115和D13)、弱耐亚磷酸盐型(C20、C31和QS9)和亚磷酸盐敏感型(C80) 3类。该研究评价了不同马铃薯品种对亚磷酸盐的耐受性, 旨在为马铃薯耐亚磷酸盐品种选育和亚磷酸盐新型肥料开发提供科学依据。

植物在生长发育过程中面临各种非生物胁迫。其中干旱胁迫严重影响作物生长, 降低其产量。植物中以TB2/DP1结构域为特征的HVA22蛋白参与调控生长发育和非生物胁迫响应。然而, HVA22在番茄(Solanum lycopersicum)干旱胁迫响应中的功能尚不清楚。该研究探索了番茄SlHVA22l基因的功能。结果表明, 番茄SlHVA22l与其它双子叶植物中的HVA22l同源蛋白具有较高的序列相似性。表达模式分析显示, SlHVA22l基因表达受干旱胁迫和植物激素(ABA和MeJA)诱导。此外, 通过酵母(Saccharomyces cerevisiae)异源表达和病毒诱导基因沉默技术沉默番茄SlHVA22l基因, 验证了SlHVA22l基因的抗旱功能。干旱处理后沉默植株表现出较高的过氧化氢(H₂O₂)和丙二醛(MDA)含量, 以及较低的O₂^-.清除率, 且其超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性较对照显著降低。综上表明, SlHVA22l基因在番茄抵御干旱胁迫中发挥重要作用。

以γ射线诱变籼稻双科早(Oryza sativa subsp. indica cv. ‘Shuangkezao’)获得的早熟鲜绿突变体pe-1为实验材料, 在三叶期和分蘖期进行弱光胁迫, 探讨pe-1与野生型在形态特征、非生物胁迫相关酶活性及其调控基因表达量、叶绿素含量、叶绿体合成与降解及光形态建成相关基因表达对弱光响应的差异。结果表明, 与野生型相比, 弱光胁迫后, pe-1叶片黄化程度显著降低, 株高和叶面积显著增加; 三叶期和分蘖期的叶片中不同叶绿素含量变化不同。此外, pe-1叶绿素含量增加, 且其抗氧化应激反应相关酶过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的活性及相关基因的表达量均高于野生型, 表明在弱光胁迫下pe-1活性氧清除能力增强, 适应能力更强。pe-1的光形态建成相关基因表达量高于野生型, 表明弱光处理下pe-1的光接收能力更强。综上, pe-1突变体具有抵御弱光胁迫的潜力, 该结果有助于耐弱光水稻品种的选育。

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是C₄光合关键酶, 有助于植物在非生物胁迫下抵御逆境。异子蓬(Suaeda aralocaspica)是一种无须Kranz结构即可在单细胞中高效执行C₄光合作用的荒漠盐生植物, 在C₃作物遗传改良方面具有天然优势。以转异子蓬SaPEPC2基因烟草(Nicotiana tabacum)为材料, 探讨了其抗旱功能和光合性能。结果表明, 过表达SaPEPC2提高了烟草叶片持水能力, 可保持叶绿素稳定; 积累更多的渗透调节物质, 增强了抗氧化酶活性, 进而降低了植株体内的活性氧水平, 减轻膜损伤程度; 同时还增强了烟草抗旱相关基因和内源光合基因的表达, 提高了PEPC活性和净光合速率, 可能是促进了烟草体内的“类C₄微循环”途径所致。研究结果为进一步利用异子蓬单细胞C₄途径PEPC基因培育高光效抗逆农作物品种奠定了基础。

蒙古冰草(Agropyron mongolicum)亦称沙芦草, 为禾本科(Poaceae)小麦族(Triticeae)冰草属(Agropyron)多年生疏丛型牧草, 具有饲用价值高、抗寒耐旱以及耐盐、耐瘠薄、耐风沙等特性, 是改良天然草场的适宜草种与挖掘优良耐逆基因资源的重要材料。然而, 目前尚未建立蒙古冰草高效遗传转化体系, 制约了该物种的基因资源鉴定与遗传改良应用。以蒙农1号蒙古冰草种子为来源的高再生效率的胚性愈伤系#89为外植体, 建立了根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens) EHA105介导的蒙古冰草稳定遗传转化体系, 转化效率达30%。此外, 针对多次继代后蒙古冰草愈伤系再生能力退化的难题, 通过在再生培养基中添加1 mg·L^-1 ABA或提高蔗糖浓度至45 g·L^-1, 成功将再生能力衰退的蒙古冰草愈伤系再生效率由5%分别提高至35%与42%。研究结果为后续蒙古冰草基因编辑体系建立、基因功能鉴定和新品种培育奠定了重要技术基础。

毛建草(Dracocephalum rupestre)是一种重要的药用植物。然而, 其叶片外植体再生系统尚未建立。以毛建草大田叶片和组培苗叶片为外植体, 探讨植物生长调节剂对愈伤组织诱导和分化、不定芽增殖及生根的影响, 建立了叶片离体再生体系。结果表明, 大田叶片愈伤组织诱导的最适培养基为MS+1.0 mg·L⁻¹ 6-BA+0.1 mg·L⁻¹ 2,4-D+1.0 mg·L⁻¹ IAA, 诱导率达84.51%, 不定芽分化最佳培养基为MS+3.0 mg·L⁻¹ 6-BA+0.5 mg·L⁻¹ TDZ+0.5 mg·L⁻¹ IAA, 分化率为66.37%; 组培苗叶片愈伤组织诱导的最适培养基为MS+2.0 mg·L⁻¹ 6-BA+0.1 mg·L⁻¹ 2,4-D+0.5 mg·L⁻¹ IAA, 诱导率达86.73%, 不定芽分化最佳培养基为MS+2.0 mg·L⁻¹ 6-BA+2.0 mg·L⁻¹ TDZ+0.05 mg·L⁻¹ IAA, 分化率为53.48%。不定芽增殖适宜培养基为MS+2.0 mg·L⁻¹ 6-BA+0.05 mg·L⁻¹ NAA, 增殖率为83.57%, 最适生根培养基为1/2MS+0.1 mg·L⁻¹ NAA+0.1 mg·L⁻¹ IBA, 生根率为86.97%; 在草炭:蛭石=1:1 (v/v)的混合基质中组培苗长势最好。该研究建立了毛建草叶片离体培养再生体系, 为毛建草种质资源保存和种苗快繁提供了技术支持。

以2个不同基因型的捕虫堇圆切捕虫堇(Pinguicula cyclosecta)和塞提捕虫堇(P. ‘Sethos’)叶片为外植体, 通过探究不定芽再生的影响因素, 成功建立了捕虫堇高效再生体系。结果表明, 2种捕虫堇对消毒方式和基本培养基种类要求相同, 但再生能力有显著差异。圆切捕虫堇叶片在MS+1.0 mg∙L^-1 6-BA+0.2 mg∙L^-1 NAA培养基上再生能力最强, 再生率为92.22%, 再生系数达4.84, 在MS+0.6 mg∙L^-1 6-BA+0.1 mg∙L^-1 NAA培养基上, 不定芽增殖系数达4.98。塞提捕虫堇叶片在MS+2.0 mg∙L^-1 6-BA+0.2 mg∙L^-1 NAA培养基中再生率最高, 为77.78%, 再生系数为6.12, 在增殖培养基MS+0.3 mg∙L^-1 6-BA+0.1 mg∙L^-1 NAA上, 增殖系数可达4.84。2种捕虫堇在1/2MS+0.1 mg∙L^-1 IBA培养基上进行生根培养, 根系生长状态最佳。该研究解决了捕虫堇繁殖系数低及工厂化育苗难等问题, 为其规模化生产和育种改良提供了技术支持。

当前全球变暖趋势不可逆转, 异常气候导致的温度胁迫频繁发生, 给农业高产及稳产带来了巨大挑战。生物钟作为内源性且可遗传的计时机制, 赋予了植物预测和快速响应环境因子周期性变化的能力, 以确保诸多生理生化途径与环境同步, 极大增强了植物的生存和繁衍能力。温度响应和补偿现象不仅涉及生物钟与环境信号“同步化”, 而且涉及农业生产中作物适应温度胁迫的实际应用。生物钟温度补偿是指在较宽范围的生理温度内, 通过转录和转录后机制, 生物钟可基本维持近日节律周期的长度不变, 确保计时机制准确运行。自然环境中, 光照、温度和湿度紧密耦联, 作为授时因子将环境信号经过输入途径传递给生物钟核心振荡器, 影响植物生长发育的全过程。该文回顾了植物生物钟温度响应和补偿机制的研究历史, 详述了最新研究进展, 展望了其在作物遗传育种和田间管理等方面的应用前景, 为解决农作物温度胁迫适应性问题提供了全新的思路和方案。

植物激素生长素调控植物生长发育及环境适应的多个过程, 包括胚胎发育、器官发生和向性生长等。生长素发挥生物学功能主要依赖于经典的TIR1/AFB-auxin-Aux/IAA-ARF信号转导途径。其中, 由4个保守结构域组成的典型Aux/IAA蛋白作为TIR1/AFB的共受体在生长素信号转导过程中发挥关键作用。然而, 近年来发现缺乏保守结构域的非典型Aux/IAA蛋白也参与生长素的应答与调控作用。该文从蛋白结构、生物学功能及参与生长素信号转导等方面综述了非典型Aux/IAA蛋白的研究进展, 探讨和展望了非典型Aux/IAA蛋白的研究方向。

重金属相关异戊二烯化植物蛋白HIPP是一类含有金属结合结构域(HMA)和C端异戊二烯化基序的金属伴侣蛋白。该文总结了模式植物中HIPP蛋白的结构特征, 阐述了植物HIPP蛋白家族参与的重金属稳态和解毒机制, 揭示了其在植物生长发育和应对环境变化(生物和非生物胁迫)中的潜在意义, 以期为HIPP蛋白家族的后续研究提供启示。

在与病原菌的长期斗争过程中, 植物进化出复杂而精细的免疫防御系统。抗病(resistant, R)基因的克隆和功能研究极大地促进了人们对植物免疫防御系统的理解。执行者(executor, E)基因作为一类新的植物抗病基因, 具有独特的抗病特点, 同时也是重要的抗病基因资源, 因此成为植物免疫领域的研究热点。近年来, E基因的克隆和功能机制研究取得了一系列重要进展, 但尚未见相关中文综述。该文全面总结了E基因的蛋白序列特征、与病原菌的互作机制、生物学功能及育种应用, 以期为深入理解植物-病原菌互作机制和作物抗病育种提供重要参考。