种子脱水是其成熟过程中的一个关键生理过程, 直接影响种子休眠程度以及收获后种子的含水量、储存能力和品质。在农业生产中, 籽粒脱水速率是决定种子收获时籽粒含水量的主要因素之一, 也是决定机械化收获质量的关键。近年的研究表明, 种子脱水过程中转录组和激素水平发生了明显变化, 但相关分子机制研究进展非常缓慢。近期的一项研究发现了1个位于非编码区调控玉米(Zea mays)种子成熟期脱水速率的数量性状遗传位点(QTL) qKDR1, 通过招募转录因子ZmMYBST1和ZmMYBR43抑制qKDR1上游微肽编码基因RPG的转录, 导致RPG的表达量降低。研究揭示了RPG编码的微肽microRPG1通过调控乙烯信号途径影响种子脱水速率的分子机制, 并阐明了其在作物育种和农业生产中的应用潜力。该研究拓展了人们对种子脱水调控机制的理解, 为开发脱水速率更快和耐储性更强的作物品种提供了重要理论依据。

独脚金内酯(strigolactone, SL)是调控植物分枝等重要生长发育过程的新型植物激素。水稻(Oryza sativa)中SL受体D14感知SL信号, 结合F-box蛋白D3并招募转录抑制子D53, 诱导D53泛素化降解, 从而触发信号传递、抑制分蘖。最近的一项研究发现, 低氮信号诱导D14的N端无序区(NTD)特异位点发生磷酸化修饰, 造成D14的泛素化降解减弱, 从而增强SL信号通路。此外, 低氮信号本身可以诱导SL合成, 通过这两种机制的协同作用强化SL信号转导, 从而强烈抑制分蘖, 使水稻适应低氮逆境。该研究还发现, SL诱导的D14-D3相互作用也促进了D14的泛素化降解, 从而介导SL信号感知的终止。这些重要发现阐明了水稻中SL信号感知的激活和终止机制, 揭示了SL信号在控制水稻分蘖以适应低氮逆境中的重要作用, 为理解植物如何适应营养匮乏等外界环境变化提供了新的重要见解, 对作物株型的精准改良以及减肥增产水稻分子设计育种具有重要指导意义。

隐花色素(CRY)是调节植物光反应的蓝光受体。CRY在黑暗中以无活性的单体形式存在, 吸收光子后构象变化并发生寡聚化, 同时改变了其与互作蛋白间的亲和力, 进而调控光反应蛋白的转录或稳定性以调节植物的生长发育。最近的一项研究发现了CRY2的一个精巧作用机制, CRY不仅可被蓝光“激活”, 还可被黑暗信号“激活”, 从而构建起光信号和暗信号依赖的光受体信号转导更节能的模式。他们发现CRY2即便在黑暗中也能抑制根尖分生组织中的细胞分裂, 调控根的伸长, 并控制大量基因的表达。FL1和FL3与细胞分裂基因的染色质结合以促进其转录。需要说明的是, 只有黑暗中的CRY2单体可与FL1/FL3相互作用, 从而抑制后者促进根伸长的功能, 蓝光则解除该抑制作用。这一发现重塑了人们对光受体的认识, 为理解植物感知和响应不同信号以调节生长和适应性提供了全新的视角, 对深入理解基因的功能极具启发意义。

玉米(Zea mays)是我国第一大粮食作物, 干旱是玉米生长发育过程中主要的非生物胁迫因子, 直接造成玉米产量与品质降低, 甚至威胁粮食安全。目前全球气候变化导致极端天气事件频发, 加剧了对玉米生产的不良影响。因此, 鉴定玉米抗旱种质资源、解析干旱胁迫应答的分子机制和培育抗旱品种至关重要。该文总结了近年来运用全基因组关联分析、数量性状位点基因克隆和多组学联合分析等方法在玉米抗旱性遗传解析方面取得的研究进展, 介绍了玉米抗旱性遗传改良分子设计育种的可能途径, 并对玉米抗旱性遗传解析及改良的发展方向进行了展望。

植物体中线粒体和叶绿体是半自主细胞器, 具有自己的基因组。RNA编辑对于细胞器基因的正确表达至关重要, 最常见的RNA编辑是C→U。RNA C→U编辑需要多种编辑因子参与, 其中PPR蛋白中的PPR基序阵列特异性地靶向编辑位点, PPR-DYW蛋白DYW结构域是催化C→U编辑的脱氨酶。该文综述了PPR蛋白参与RNA C→U编辑机制的最新研究进展, 并讨论了人工合成PPR编辑因子的潜在应用价值。

玉米(Zea mays)是集粮食、饲料和工业原料于一身的重要农作物。开花期是作物适应不同生态环境及产量的关键决定因素。玉米开花期由营养生长时相转变和成花转变决定, 是植物内部因素(遗传因子和植物激素等)和外部环境因素共同作用的结果。鉴于玉米开花期性状的重要性, 该文从控制玉米开花期2次时相转变的组织结构基础、生理基础、遗传基础以及分子调控机理等方面系统总结了玉米开花期的遗传调控机制, 以及关键开花调控因子对玉米区域适应性的重要性, 并对玉米花期性状研究和应用的重点方向进行了讨论, 旨在加深我们对玉米开花期遗传调控的理解, 为培育广适的玉米新品种提供理论依据。

玉米(Zea mays)是我国种植面积最大和总产量最高的第一大粮食作物, 同时也是杂种优势利用的典范。但与发达国家相比, 我国玉米生产仍然存在着平均单产偏低、突破性品种缺乏和杂交种生产成本高等突出问题。雄性不育系的应用可进一步提高玉米杂种优势的利用效率并最终提高单产。该文综述了玉米雄性不育的分类、基因克隆与机理解析以及分子调控网络构建最新研究进展, 系统介绍了已建立的玉米新型工程核不育技术体系及其应用前景, 为推动玉米雄性发育生物学研究与开展玉米雄性不育杂交育种和制种提供重要参考。

长链非编码RNA (long non-coding RNA, lncRNA)广泛存在于真核生物基因组中, 在维持生物体正常生命活动中发挥重要作用。近年来, 通过高通量测序和生物信息学分析在植物中发掘到大量的lncRNA。已有研究证实lncRNA在调控植物生长发育和逆境响应中发挥重要作用。由于基因组复杂且遗传操作过程繁琐, lncRNA在玉米(Zea mays)中的研究远落后于拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)。玉米作为我国主要粮食作物, 对于保障国家粮食安全至关重要。玉米还是遗传学与基因组学领域重要的模式植物。了解lncRNA在玉米中的研究进展有助于理解lncRNA的生物学功能。挖掘并解析lncRNA参与玉米生长发育和逆境响应的分子调控网络, 可为玉米遗传改良提供新的分子靶点。该文总结了lncRNA的来源、分类和作用机制, 并讨论了玉米中lncRNA的发掘及其在调控生长发育和逆境响应中的生物学功能, 最后展望了lncRNA在玉米中的研究方向。

植物在其生命周期中面临多种非生物胁迫, 如高温、干旱和盐碱, 这些胁迫对植物的生长发育产生多种影响。全球变暖加剧了高温胁迫对玉米(Zea mays)等作物的影响, 可能导致其生长受阻和生殖能力下降。玉米作为重要的农作物, 其产量和品质受高温胁迫影响严重。植物通过复杂的分子机制响应高温, 涉及多个信号转导途径和基因表达调控。利用遗传学、基因组学、多组学分析以及高通量表型分析等前沿技术, 深入挖掘和解析玉米基因组中非生物胁迫耐受性(包括热胁迫)的相关基因和位点至关重要。这些研究不仅有助于深入理解玉米耐受胁迫的生物学机制, 而且为加快玉米新品种培育提供了关键的分子标记和候选基因资源。

基因编辑技术已成为现代农业育种领域的重要工具。玉米(Zea mays)是全球最重要的粮食作物之一, 基因编辑技术在玉米中的应用显示出巨大的潜力。该文综述了基因编辑技术在玉米研究中的应用进展, 重点介绍了CRISPR/Cas等系统在玉米基因组编辑中的最新成果。首先, 介绍了基因编辑技术的基本原理和类型, 特别是CRISPR/Cas系统的工作机制及其在玉米中的应用优势。其次, 总结了基因编辑技术在玉米育种中的研究进展, 涵盖从基础的基因组编辑到复杂的多基因编辑, 旨在改良玉米的产量、品质和抗逆性等关键性状。最后, 文章列举了我国在玉米基因编辑方面的杰出工作, 并讨论了基因编辑技术应用于玉米育种中存在的问题, 同时展望了未来发展方向。

细胞质雄性不育(CMS)是一种广泛存在于高等植物中的母性遗传性状。CMS是研究核质互作的理想材料, 也是植物杂种优势利用的重要基础。玉米(Zea mays)是杂种优势利用最成功的作物之一, 利用CMS进行玉米杂交种生产已成为杂种优势利用的有力工具。因此长期以来玉米CMS均是植物学的研究热点。该文综述了玉米3种主要的CMS类型不育基因与育性恢复研究进展, 探讨了现阶段玉米CMS研究与不育化制种应用有待解决的问题, 以期为深入研究植物CMS的分子机制及玉米CMS系统在杂种优势利用中的应用提供参考。

气候变化导致的全球平均气温上升严重威胁粮食安全生产, 其中作为全球三大主粮作物之一的玉米(Zea mays)所受影响极为显著。高温在玉米生长发育的多个阶段均产生重要影响, 生殖生长阶段的高温对玉米尤为不利, 能显著降低其产量。该文系统综述了高温对玉米生长的影响, 包括萌发期、苗期、营养生长中后期、开花期和灌浆期, 详尽梳理了玉米响应高温胁迫的主要分子机制(包括热激响应和未折叠蛋白反应等), 总结了我国在耐高温玉米选育方面的最新进展, 通过人工模拟高温处理和田间自然高温筛选, 鉴定出一批耐高温的杂交种和自交系。同时, 在展望未来重要研究策略中, 提出利用表型组学、全基因组关联分析和全基因组选择育种等新技术手段, 结合智能化农业管理措施, 培育高耐热性玉米品种, 以应对气候变化带来的高温挑战, 保障全球粮食安全。

叶片作为植物的光合器官, 其衰老进程对于产量形成有重要影响, 但关于叶片衰老与叶际微生物之间的关系研究较少。为探讨玉米(Zea mays)叶片衰老过程对叶际细菌群落的影响, 以东北春玉米区3个不同熟期玉米品种(早熟品种黑科玉17 (H17)、中熟品种中单111 (Z111)和晚熟品种沈玉21 (S21))为试验材料, 从早熟品种开花期开始对3个玉米品种穗位叶进行5次取样, 测定衰老生理指标, 同时基于高通量测序技术测定叶际内源和外源细菌的群落组成。结果表明,在生育后期, 中熟和晚熟品种的叶片含水量及过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性显著高于早熟品种。在门水平, 蓝菌门(Cyanobacteria)是中熟和晚熟的特有菌门; 在属水平, 玉米叶片内外源共有细菌鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、甲基杆菌属(Methylobacterium)和异常球菌属(Deinococcus)相对丰度在IV和V时期显著降低, 而内源细菌链霉菌属(Streptomyces)和外源细菌P3OB-42属则在衰老后期显著富集, 且3个品种变化趋势相似, 相对丰度差异显著。内外源细菌相对丰度存在显著差异, 前5位的外源细菌占60%以上, 而对内源细菌而言, 前5位仅占30%以上。叶片可溶性糖含量、光合色素含量和SOD活性与叶际细菌群落结构和丰富度显著相关。综上, 中熟和晚熟品种能有效延长叶片持绿期, 维持生育后期叶片生理活性, 延缓衰老。衰老对内源细菌群落组成和多样性的影响显著大于外源细菌, 不同熟期品种间存在显著分异的菌属, 且叶片可溶性糖含量、光合色素含量和SOD活性是影响叶际细菌群落以及优势物种的关键因子。

多环境田间测试是选育高产稳产品种的重要途径, 但因其成本高逐渐成为植物育种的瓶颈问题。将稀疏测试与全基因组预测方法相结合可实现对未测表型的预测, 进而减少田间测试的工作量和成本。利用244份玉米(Zea mays)自然群体自交系在两年(2022年和2023年)两点(北京顺义和黑龙江密山) 4个环境下, 针对散粉期、株高、穗位高、穗长、穗行数和行粒数6个代表性农艺性状开展研究, 比较了4种模型(Single、Across、M×E和R-norm)、2种训练群体组成方案(CV1和CV2)以及3种训练集抽样比例(0.5、0.7和0.9)对预测精度的影响。结果表明,上述6个农艺性状的平均预测精度分别为0.67、0.58、0.50、0.33、0.33和0.48; Single模型、Across模型、M×E模型和R-norm模型的平均预测精度分别为0.36、0.52、0.53和0.53; 其中CV1各模型在不同性状中的预测精度范围在0.19-0.65之间, CV2预测精度范围在0.47-0.89之间; 不同抽样比例比较显示, 不同模型中训练集比例的提升对6个性状的预测精度提升有限, 最大提升幅度仅为0.05。综上表明, 在进行多环境预测时, 利用CV2训练群体组成方案并在预测模型中纳入多个环境下的表型数据可提升预测精度。

科学普及作为创新发展的两翼之一, 是提高国民科学素质的重要途径。高校作为传播知识和培养人才的主阵地, 承担着科普教育的社会责任。在生物学课程中开展科普教育, 引导学生从课程中提炼生物学知识点并创作科普内容, 对于推动全民科学素质提升具有重要意义。该文以高校植物学课程为例, 探讨如何通过传授植物学专业知识, 在实践活动、科研成果宣传及生产生活中融入生物科普教育, 以“2W1H (为什么科普、科普什么以及怎样进行科普)”的思路引导学生进行科普创作, 在培养学生综合创新能力的同时普及生物学知识, 为全民科学普及背景下科普人才的培养提供借鉴参考。