2011年中国植物科学得到结构生物学等领域科学家的加盟, 在分子机制研究方面取得了突破性快速发展。中国科学家在植物科学各领域中取得了大量的原创性研究成果, 尤其是在植物激素受体结构解析和信号转导方面获得了一系列突破, 基于高通量基因测序和计算生物学平台的水稻功能基因组与进化以及系统植物学研究方面也取得了重大进展, 受到国内外的高度评价。该文对2011年中国本土植物生命科学若干领域取得的重要研究进展进行概括性评述, 旨在全面追踪当前中国植物科学领域发展的最新前沿和热点事件, 并展现我国科学家所取得的杰出成就。

植物漆酶基因家族在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中共有17个成员, 目前各基因的具体功能尚不十分清楚。该研究利用过量表达的方法初步分析了拟南芥AtLAC4的功能。GUS染色显示AtLAC4在拟南芥的维管组织中有较强的表达, 并在叶片排水器中特异表达。AtLAC4过量表达导致植株木质素含量增多、次生壁加厚、植株变小和莲座叶叶柄变短。ABA对AtLAC4的表达具有明显的诱导作用, AtLAC4过量表达植株对外源ABA敏感; 干旱处理后, AtLAC4过量表达植株的耐旱能力比野生型明显增强。以上结果表明, AtLAC4基因在调控植物生长发育及非生物胁迫响应中具有重要作用。

锌指蛋白在调控植物生长发育和应对逆境过程中发挥着重要作用。为进一步研究锌指类蛋白参与植物非生物胁迫响应的分子机制, 对水稻(Oryza sativa)中一个编码含有B-box锌指结构域蛋白的OsBBX25基因进行了功能分析。OsBBX25受盐、干旱和ABA诱导表达。异源表达OsBBX25的转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)与野生型相比对盐和干旱的耐受性增强, 且盐胁迫条件下转基因植物中KIN1、RD29A和COR15的表达上调, 干旱胁迫下KIN1、RD29A和RD22的表达上调。外源施加ABA时, 转基因植物的萌发率与野生型之间没有明显差异。OsBBX25可能作为转录调控的辅助因子调节胁迫应答相关基因的表达, 进而参与植物对非生物胁迫的响应。

基部藓类是稳定地处于藓类系统发育树基部的类群。它包括7纲, 2亚纲, 10目, 10科, 34属, 637种。基部藓类虽然只占藓类种类的5%, 但由于其内部各类群孢子体形态极为丰富, 因此对于理解整个藓类植物的系统发育具有重要意义。通过对48个种(36个藓类、4个维管植物、2个角苔、4个苔类和2个藻类)的9个DNA片段(NU: 26S, 18S; MT: nad5, cox1; CP: rbcL, rps4, cp-LSU, cp-SSU, atpB)进行分子系统学分析, 综合最大似然法(maximum likelihood)、最大简约法(most parsimony)和贝叶斯分析(Bayesian inference)方法的建树结果, 理清了前人研究中存在冲突的类群之间的关系并为已确定的关系提供了更高的支持率。 研究结果如下: (1) 藻苔纲和泥炭藓纲互为姐妹类群, 处于整个藓类的最基部; (2) 黑藓纲与黑真藓纲互为姐妹类群; (3) 长台藓纲和具齿藓类组成单系; (4) 四齿藓纲是所有具齿藓类的基部类群; (5) 烟杆藓亚纲处于真藓纲的最基部, 其次是短颈藓亚纲。以上结论在分子系统树上得到了很高的支持率。

大麦黄矮病毒(barley yellow dwarf virus, BYDV)属黄症病毒科家族, 其基因组包含6个开放阅读框(open reading frames, ORFs)。将BYDV的6个基因分别克隆到pWEIMING101载体上, 得到重组基因。电击转化农杆菌后, 利用农杆菌瞬时表达方法渗透注射转GFP基因的本氏烟草16c植株的叶片, 在长波长紫外灯下观察GFP的表达, 并通过Northern blot证明所得现象。研究结果表明, BYDV的PAV株系ORF4编码的运动蛋白(movement protein, MP)是RNA沉默抑制因子, 其表达可以抑制局部和系统RNA沉默。BYDV-MP与GFP的双链RNA(dsGFP)共表达后仍能抑制RNA沉默, 荧光强度与叶片中GFP的mRNA和其沉默降解形成的siRNA的量有对应关系, 其N端核定位序列对抑制局部基因沉默起主要作用, 第5、6位氨基酸是抑制基因沉默的关键氨基酸。BYDV-MP单独渗透注射的部位均产生细胞死亡。

利用高效液相色谱法(high performance liquid chromatography, HPLC)和酶标仪等测定了祁连山区不同海拔高度下祁连圆柏(Sabina przewalskii)和青海云杉(Picea crassifolia)叶片中色素含量、花青苷合成酶苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase, PAL)和类黄酮糖基转移酶(UDP glucose-flavonoid 3-O-glucosyl-transferase, UFGT)活性。结果表明: 两树种花青苷(anthocyanin, Acy)含量除了在海拔高度3 100–3 200 m有所升高外, 总体上随海拔高度上升而降低; UFGT活性除了在3 000 m左右波动外, 总体随海拔高度上升而升高; 祁连圆柏PAL活性随海拔高度上升而升高, 青海云杉PAL活性在海拔2 800–3 000 m时, 随海拔高度上升而升高, 当海拔高度高于3 000 m时, 随海拔高度上升而降低; 两树种紫松果黄素(rhodoxanthin, Rhd)含量、叶黄素循环(xanthophyll cycle, VAZ)的脱环氧化程度(A+Z)/(V+A+Z)比值和类胡萝卜素(carotenoids, Car)含量随海拔高度上升而升高; 叶绿素(chlorophyll, Chl)含量随海拔高度上升而降低。除叶绿素含量和PAL活性外, 其它指标都是祁连圆柏高于青海云杉, 尤其是UFGT活性祁连圆柏是青海云杉的2倍多。不同海拔梯度、不同季节植物遭受的主导胁迫因子不同, 8月份祁连山两树种主要受干旱和强光胁迫, 色素主要发挥抗旱和抗辐射作用。由此说明植物色素在不同生境、不同季节发挥的作用不同。

利用10对SSR引物对濒危植物秦岭冷杉(Abies chensiensis)6个自然居群的120个个体进行了遗传多样性研究, 旨在分析秦岭冷杉6个自然居群的遗传多样性、遗传结构及基因流变化。研究结果表明, 120个个体在10个位点上共检测到149个等位基因, 平均每个位点的等位基因数(A)为14.9, 每个位点的有效等位基因数(Ne)为7.7, 每个位点的平均预期杂合度(He)和平均观察杂合度(Ho)分别为0.841和0.243, Shannon多样性指数(I)为2.13, 自然居群杂合性基因多样度的比率(F_ST)为6.7%, 居群间的基因流(N_m)为3.45。利用Mantel检测到自然居群的遗传距离与地理距离间无显著相关性(r=0.490 6, P>0.05)。秦岭冷杉自然居群的遗传多样性水平较低, 遗传变异主要存在于居群内部。结合研究数据、实地调查及相关资料, 推测秦岭冷杉自然居群间基因流较原来增大可能是因为居群间发生了远交衰退。

以凤凰茶(Camellia sinensis)叶片为例, 介绍一种获取高度木质化植物叶片表皮细胞的简易方法——叶片燃烧法。该方法根据高度木质化的叶片在燃烧、过水之后, 其上下表皮自行分开、细胞透明化, 从而获得材料上下表皮细胞的轮廓。该方法具有简单迅速、制片效率高、上下表皮易区分及可靠稳定等优点, 非常适用于木质化叶片表皮特征的研究, 也可为植物学及生态学的相关研究方法提供参考。

实时荧光定量PCR(qRT-PCR)具有灵敏度高、特异性强、重复的动态定量范围和高通量等优点, 是进行植物基因表达和转录分析最常用的技术手段之一。选择合适的内参基因是正确运用实时荧光定量PCR分析目标基因表达变化的前提。近年来, 大量研究表明, 内参基因的选择应取决于研究者的实验条件; 随着实验条件的变化, 内参基因的选择也随之变化。因此, 实时荧光定量PCR结果分析的准确性在很大程度上依赖于所选择的内参基因是否适合。该文从内参基因的选择、常用内参基因的特点、新内参基因的挖掘、应用内参基因组合的优点和内参基因的稳定性评价等几方面进行综述, 以期为研究者在实验中选择合适的内参基因提供参考和理论依据。