植物细胞全能性和多能性是植物再生的理论基础, 广泛应用于植物组织培养、遗传转化、扦插、嫁接等多种技术。近年来, 随着对植物再生分子机制尤其是关键转录因子、激素信号网络以及表观调控的深入解析, 一系列能够改变细胞命运的分子工具被开发出来, 为提高植物再生能力提供了新的解决方案。本文综述在芽再生、根再生、体细胞胚再生及嫁接这四个关键再生过程中发挥核心作用的分子工具以及化学工具, 探讨了工具递送方式、培养体系选择以及效果评估策略等实际应用中的关键考量, 展望了通过合理组合遗传与化学工具开发新型递送系统以及克服表观遗传障碍等未来研究方向, 为针对不同物种和再生目标定制高效再生方案提供理论指导与实践指导。

五指毛桃(Ficus hirta)是一种重要的药食两用植物资源, 但叶片形态变异较大。为揭示其叶形差异与主要活性物质含量间的关系, 本研究采用LC-MS/MS测定全缘型(EL)、浅裂型(LL)和五指深裂型(PDL)3种叶形五指毛桃根中补骨脂素和佛手柑内酯含量, 并进一步利用转录组测序技术探索其含量差异形成的潜在分子机制。结果表明, PDL的补骨脂素含量显著高于EL和LL; EL的佛手柑内酯含量显著高于LL, 但与PDL没有显著性差异。测序共获得60.9 Gb clean reads, 组装获得46 194个unigenes, 同源序列比对显示五指毛桃与川桑(Morus notabilis)的同源性最高。从PDL_vs_EL、PDL_vs_LL和LL_vs_EL比较组分别筛选出2 355、2 067和2 001个DEGs, 它们主要富集在苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖代谢、植物-病原体相互作用等通路上, 其中苯丙烷生物合成通路和植物-病原体相互作用通路可能是五指毛桃主要活性物质生物合成与积累的重要通路。该研究初步探讨了五指毛桃不同叶形与主要活性物质积累间的关系、扩展了五指毛桃转录组数据库, 为进一步利用不用叶形五指毛桃种质资源及品质育种提供参考依据。

为实现茭白(Zizania latifolia)高产优质栽培, 探究外源磺肽素(PSK)对茭白生长发育的影响。用磺肽素(PSK)处理茭白, 通过转录组测序(登录号PRJNA1377146)探讨其叶片基因表达, 以挖掘关键代谢途径及调控基因, 并测定其对内源激素水平、茭白分蘖数的影响。结果表明, 外源PSK能显著促进茭白分蘖, 改变内源激素, 如生长素、赤霉素、细胞分裂素的水平, 从而正向调控茭白的生长和发育。KEGG通路分析显示, PSK处理显著影响苯丙烷生物合成和脂肪酸降解途径, 主要通过影响木质素类的生物合成与过氧化物酶体反应来调控茭白的代谢发育。此外, 通过荧光定量PCR检测了部分差异表达基因的表达水平, 与转录组结果一致, 进一步证实了PSK对茭白的调控作用。研究为理解PSK在茭白生长发育中的作用提供了分子层面的见解, 并为茭白高产优质栽培提供了新策略。

金毛狗(Cibotium barometz)是一种高经济价值药用蕨类植物，其粗大的根状茎是制备中药狗脊的原材料。从野生植物资源保护和中药资源开发利用考虑，宜加强对金毛狗的科学研究，帮助缓解野生资源保护与中药产业发展之间的矛盾。荧光定量PCR技术是研究植物基因功能常用的方法，而合适的内参基因是该技术的关键之一。目前，金毛狗相关的基因功能研究较少，没有合适的内参基因可用。该研究从前期的金毛狗转录组数据中筛选了12个常用的植物内参基因，通过计算扩增效率，确定8组可用的内参基因引物。根据8组内参基因针对金毛狗10个组织部位的Ct值，采用RefFinder和Normfinder软件筛选出最佳的内参基因是CbUBC4和CbEF1A。若研究金毛狗不同发育时期根状茎中基因的表达变化，CbEF1A和CbUBC4是较合适的内参基因。机械损伤和水淹条件下推荐使用内参基因CbUBC4和CbUBC28，通过检测机械损伤和水淹胁迫条件下一些快速响应基因的表达量变化，进一步证实CbUBC4和CbUBC28的稳定性。该研究为金毛狗不同组织部位基因功能的研究提供了一些合适的内参基因，助力金毛狗分子生物学相关领域的研究工作。

菊花(Chrysanthemum morifolium)作为重要的观赏花卉, 其花期调控是影响经济价值和市场需求的关键因素。切花菊金扇为光周期不敏感型品种, 其芽变材料在正常栽培条件下持续维持营养生长, 无法完成花芽分化, 但成花障碍的具体调控机制尚不明确。为探究其潜在的异常调控机制, 本研究以切花菊‘金扇’野生型及其芽变材料为研究对象, 采用SRAP分子标记分析其遗传背景, 并利用RNA-seq技术对叶片和茎尖组织进行转录组测序, 筛选与成花相关的差异表达基因。结果表明, 芽变材料与野生型的整体基因组水平高度一致, 排除了基因结构变异的影响。GO和KEGG富集分析显示, 叶片和茎尖样本的差异表达基因均在植物激素信号转导通路显著富集。进一步分析发现, 光周期、自主和赤霉素信号通路中多个关键基因表达异常, 可能是导致芽变材料成花受阻的重要原因。本研究从转录组水平初步揭示了金扇芽变材料成花受阻的可能作用机制, 为菊花花期调控的分子育种提供了理论依据和候选基因资源。

淹水耐受性是木本园林植物关键抗逆性状之一。旱柳(Salix matsudana)作为典型的强耐淹树种, 其对淹水胁迫的适应机制具有重要研究价值。TTF (Trihelix)转录因子是植物中特有的一类转录因子, 在应对各种非生物胁迫(如淹水、盐和低温)中发挥重要作用。本研究聚焦旱柳Trihelix家族基因SmTTF59, 系统解析其在淹水胁迫中的分子功能。通过PCR扩增获得SmTTF59全长序列, 基于同源重组技术构建过表达载体pWM101-SmTTF59及病毒诱导基因沉默(VIGS)载体pYL156-SmTTF59, 并通过遗传转化技术实现SmTTF59在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中的过表达及在旱柳中的特异性沉默。SmTTF59过表达拟南芥在缺氧胁迫下的根长、鲜重和抗氧化酶活性显著高于野生型, 提示该基因在植物响应缺氧胁迫过程中可能通过增强抗氧化防御系统来提升胁迫耐受性。进一步通过旱柳的病毒诱导基因沉默(VIGS)实验证实, 沉默植株的淹水耐受性显著降低, 表明其作为正调控因子参与柳树淹水胁迫应答通路。研究结果为解析木本植物耐淹机制及定向选育高抗性柳树品种提供了关键的分子靶点。

本研究首先以低温敏感型的高代自交系乌菜材料舒W-1为试材, 进行不同浓度的外源热精胺处理, 发现与单独低温处理相比, 较低浓度的热精胺(0.05和0.1 mmol∙L^–1)处理使电解质渗透率、过氧化氢、超氧阴离子和丙二醛含量不同程度地下降, 干鲜重增加, 而随着热精胺浓度的升高, 其作用减弱; 对测定指标进行隶属函数评价, 所得的平均隶属函数值排名顺序随着浓度的升高而逐渐下降, 0.05 mmol∙L^–1热精胺平均隶属度得分最高, 说明0.05 mmol∙L^–1热精胺能有效缓解低温对乌菜幼苗的伤害。为了进一步分析热精胺是否在乌菜抵御低温胁迫中发挥作用, 通过低温条件下施加热精胺合成抑制剂, 并结合筛选出的适宜浓度热精胺, 对2个低温耐性不同的乌菜高代自交系乌18 (耐低温型)和舒W-1 (低温敏感型)进行处理。结果表明, 与对照相比, 低温胁迫下2个材料的电解质渗透率和丙二醛含量均显著升高, 其中以舒W-1变化幅度更大, 受到的伤害更为严重, 验证了舒W-1为低温敏感型; 低温下添加热精胺合成抑制剂使2个材料均积累更多的过氧化氢和超氧阴离子, 电解质渗透率和丙二醛含量进一步增加, 但除电解质渗透率外, 其他3个指标在乌18中的变化幅度更大, 且超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)和过氧化物酶(peroxidase, POD)活性显著降低; 同时施加热精胺可缓解由抑制剂处理加重的低温胁迫伤害, 说明热精胺与乌菜的低温胁迫耐性密切相关, 其可能通过维持较高的SOD和POD活性来提高低温耐性。

全球气候变化和耕地退化对小麦(Triticum aestivum)育种效率提出了新的挑战, 传统育种周期长、效率低, 难以满足日益增长的粮食需求。新疆作为我国优质小麦生产区, 亟待建立适合本地小麦品种的快速加代体系和高效遗传转化平台, 以缩短育种周期并拓宽转基因受体材料的选择范围。本研究以新疆主栽小麦品种新春9号、新春37、新春44和核春137为研究材料, 以小麦品种Fielder为对照, 通过优化温室环境参数和培养条件建立了快速加代模式, 并系统评估了这些小麦品种的幼胚遗传转化效率。快速加代实验结果表明, 在与常规温室条件相比, 人工气候室快速加代条件下, 五个品种的生育期均明显缩短, 其中新春37由92天缩短至59天, 差异最显著。农杆菌介导的幼胚遗传转化比较实验结果表明, 新春37的转化效率(23.30%)优于其他三个品种, 虽低于对照品种Fielder (27.95%)。而新春9号、新春44和核春137也表现出一定程度的转化效率。综上, 本研究建立了新疆主栽小麦品种快速加代技术体系, 并检测了不同受体的遗传转化效率, 将为新疆地区小麦种质创新提供关键技术支撑, 助力国家粮食安全战略。

种子内生真菌是一类通过垂直和水平途径传播的与宿主植物互惠共生的真菌。目前有关种子内生真菌的研究主要集中于禾本科和豆科植物。种子内生真菌具有物种和群落多样性, 其差异不仅表现在植物的种间, 还表现在植物的不同组织。种子内生真菌功能具有多样性, 能改善种子萌发、帮助幼苗建植、促进植物生长、提高植物的抗逆性、影响土壤性质和植物群落结构。检测并鉴定物种是种子内生真菌研究的基础, 明确种子的组织构造和真菌定殖部位是种子内生真菌检测的前期工作。目前, 种子内生真菌的研究领域主要包括种类及其多样性, 功能及其多样性, 在寄主生活史中的作用和开发利用等。研究方法上, 采用扫描电镜可以观察到种子内生真菌的结构、形态和定殖位置; 采用全基因组测序(WGS)技术可以获取内生真菌的基因组数据, 从而为深入理解种子内生真菌与植物之间复杂的互作关系奠定基础 。研究内容上, 有关种子内生真菌的物种多样性、群落多样性、生态系统多样性及其开发利用成为热点问题。展望未来, 种子内生真菌研究是一个具有较大发展前景的领域。

膜蛋白运输(membrane protein trafficking)是真核细胞生命活动中最重要的事件之一, 在细胞分裂、分化、生长、胞外营养物质吸收、胞内外信号传递、逆境防御等细胞生物学过程中具有重要功能。膜蛋白运输主要包括胞吞(endocytosis)、胞吐(exocytosis)和液泡/溶酶体降解(vacuolar/lysosomal degradation)等囊泡运输(vesicular trafficking)途径, 而接头蛋白(adaptor protein, AP)在膜受体蛋白识别、货物分拣(cargo sorting)、网格蛋白的招募、装配和拆卸, 以及辅助蛋白的招募等囊泡运输过程中具有重要调控功能。目前, 真核生物中已经发现5种AP复合体, 分别是AP-1、AP-2、AP-3、AP-4和AP-5。本文以动物及酵母细胞AP研究进展为基础, 主要对植物细胞AP复合体的组成、结构、亚细胞定位及其生物学功能进行了综述。并对AP复合体中需要进一步研究的重要科学问题进行了探讨。

生物信息学作为应用面广的新兴交叉学科, 对于促进绿色农业发展具有重要意义。在新农科背景下, 农林院校生物信息专业创新人才培养面临新的挑战。基于新农科对生物信息专业的人才需求以及河北农业大学的实践探索, 提出6条具体可行的培养策略: 建设适合农林院校的生物信息专业课程体系; 整合全国农林院校生物信息教学资源以及建设全国虚拟教研室; 构建和实施项目驱动式教学体系和“以赛促学”的人才培养模式; 探索跨学科课程设计; 将人工智能大模型融入生物信息学专业教育; 建立与企业和研究机构合作的机制。随着教育政策和制度框架的不断优化和更新, 将培养出高质量的生物信息专业创新人才, 助力我国农业现代化建设和农业可持续发展。