2013年中国植物科学研究继续快速发展。中国科学家在植物科学多个领域中取得了大量的原创性、高水平研究成果, 包括水稻(Oryza sativa)株型调控的激素信号转导机制、水稻育性的遗传调控机理、重要物种的基因组解析、植物天然免疫分子机制的结构生物学研究以及植物生态与环境生物学等。该文对2013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了概括性评述, 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。

以河北杨(Populus hopeiensis)为材料, 研究拟南芥(Arabidopsis thaliana)油菜素内酯(BR)生物合成酶基因DAS5对其生长表型、生物量及抗旱性的影响。结果表明: (1) 转DAS5基因河北杨植株的根长、地径、叶柄及叶片长度均显著大于野生型植株, 且地上、地下部分干重及根冠比显著高于野生型, 其拥有发达的根系; (2) 在干旱胁迫下, 转DAS5基因河北杨植株失水褪绿速度较野生型植株缓慢, 在复水后转基因植株能够较早较好地恢复活力, 萌发较多的新幼芽且长势良好; (3)控水期间, 转基因河北杨的相对生长率显著高于野生型, 且随着干旱胁迫程度的加剧, 其可溶性糖含量、游离脯氨酸含量、过氧化氢酶(CAT)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性均显著高于野生型。实验结果表明, 与野生型相比, 转基因植株具有较高的生长量与较强的抗干旱胁迫能力, 说明来自拟南芥的BR生物合成酶基因DAS5可以显著增加河北杨的生长量并在抵御干旱胁迫机制中发挥重要作用。

采用田间去雄套袋、花粉活性与花粉管萌发观测等交配系统实验, 辅以染色体分析、胚囊发育观察以及流式细胞仪检测, 对丹东蒲公英(Taraxacum antungense)生殖特性进行系统研究。结果表明, 去雄套袋情况下, 结籽率高达96%, 由此证明交配系统具有极高的无融合发生率; 自花授粉不能萌发, 花粉活性仅为20.6%, 异花授粉虽可萌发, 但生长缓慢, 花粉在到达子房前, 花粉管已停止生长并消失; 二分体时期, 合子端大孢子发育为功能性大孢子, 珠孔端大孢子退化消失, 经蓼型发育, 形成7细胞8核, 卵细胞继续发育形成原胚, 中央细胞形成胚乳, 其它细胞退化消失, 花未开放前, 已形成球形胚。此外, 丹东蒲公英为三倍体。流式细胞仪检测结果表明, 丹东蒲公英为专性无融合生殖, 胚乳自主发育。综合以上研究结果, 说明丹东蒲公英具专性无融合生殖特性。

该研究建立了化橘红(Citrus grandis cv. ‘Tomentosa’)果实中4种类黄酮成分的提取分离、HPLC定量和指纹图谱分析方法, 利用该方法测定了果实生长发育过程中类黄酮的动态变化。结果表明, 用60%乙醇超声辅助提取果实干燥粉末2小时, 柚皮苷提取率达到98%以上。用HPLC分离和测定提取物中柚皮苷、野漆树苷、柚皮素和芹菜素的含量及其指纹图谱。结果显示, 15–60天不同果龄的果实中类黄酮含量(占果实干重)随着果龄的增大而降低, 柚皮苷、野漆树苷、柚皮素和芹菜素分别从52.5%、0.74%、0.57%和0.23%降低至16.1%、0.11%、0.06%和0.03%; 每果中类黄酮总量则随着果龄的增加而大幅提高, 从15天的0.55 g提高至60天的7.99 g。上述研究结果表明, 果龄对化橘红类黄酮含量、产量及药材质量均有很大的影响。该研究为化橘红的工业生产和质量监控提供了重要依据。

石竹科繁缕属(Stellaria L.)和孩儿参属(Pseudostellaria Pax)的关系一直备受关注。为了弄清它们之间的关系及属下分类等问题, 选择繁缕属22种和孩儿参属8种, 共30种植物51个形态特征, 利用NTSYS-pc 2.10e软件中的UPGMA聚类分析方法和主坐标分析方法, 对这2个属进行数值分类学研究。结果表明, 繁缕属与孩儿参属是2个自然类群, 除繁缕属的繁缕(S. media (L.) Cyr.)和鸡肠繁缕(S. neglecta Weihe ex Bluff et Fingerh)在聚类中不能分开外, 其它物种都能很好地分开。两属有较近的关系, 其中巫山繁缕(S. wushanensis Williams)是过渡种。此外, 数量分类结果建议将细叶孩儿参(P. sylvatica (Maxim.) Pax)作为一个独立组处理。对性状的主坐标排序分析显示, 根的形状、叶缘质地、花的形态(是否具花瓣、花瓣长度、花瓣裂数、深裂还是浅裂)和种子表面纹饰(是否具齿轮状、疣状突起)等在繁缕属与孩儿参属的分类中具有重要作用。

2012年6月对三江平原湿地同江地区水域浮游植物群落结构进行了初步研究。设置了13个采样点, 生境类型包括大型开阔水体、小型封闭水体、湿地型水体以及河流型水体。结果在该水域发现浮游植物共计312个分类单位, 包括276种33变种3变型, 隶属于8门10纲21目36科92属。浮游植物细胞密度变化范围为2.68×10⁴–2.53×10⁶ cells·L^–1。大型开阔水体种类丰富, 细胞密度最大, 以绿藻为优势种群; 小型封闭水体中藻类的适应性强, 群落结构最为复杂; 湿地型水体受人为活动影响较大, 发现了一些耐有机污染的种类; 在河流型水体中, 有一些适低温的隐藻出现并成为优势种, 如啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa)等。此外, 在三江平原湿地同江地区还发现了大量β-中污染指示种类。经聚类和多维尺度分析, 将不同采样点各生境水体的浮游植物群落分为4组。综合多样性指数表明, 同江地区水域浮游植物群落结构较丰富且稳定性较好。

该文探讨如何根据植物的叶片特征, 利用图像处理和机器学习的方法对植物进行分类。鉴于现有的叶片分类系统多采用单一的特征, 如几何和纹理等, 仅能在小规模数据库上得到较好的结果。然而, 随着样本种类的增多, 单一特征在不同种类叶片之间的相似性非常明显, 致使分类正确率降低。该研究使用多种复合特征, 并提出了原创的预处理方法以及宽度、叶缘频率特征, 较传统的几何特征更为详尽。研究结果显示, 复合特征可以有效避免算法过拟合问题, 使之适用于更大的数据库。通过提取21类植物的叶片宽度、颜色、叶缘和纹理共292维特征, 对1 915张数字图像进行了分类, 正确率达到93%, 并分析了各类特征对分类结果的影响。研究结果表明, 在不影响分类正确率前提下, 可将特征减少到约100维。

水培法可通过更换营养液来控制根际营养成分, 成为植物营养学研究的最佳培养方式。由于根际通气和微生物滋生等问题, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)的水培技术始终无法被广泛应用。该文利用Eppendorf离心管管盖和离心管盒, 将拟南芥种子在琼脂上萌发和植株水培有机结合, 通过控制营养液用量和液体深度, 增加营养液表面积, 解决了水培过程中根系通气问题。利用离心管管盖作为支撑材料, 降低了琼脂水分蒸发, 并减少琼脂的用量和厚度, 从而实现琼脂和营养液的快速平衡, 为拟南芥培养和营养胁迫研究提供了一个简单且经济的水培方法。

在合适的时间开花对大多数植物的生存和成功繁衍极为重要。开花时间受错综复杂的环境因素和植物自身的遗传因子影响, 由开花调控因子所构成的光周期、春化、温度、赤霉素、自主以及年龄等至少6条既相互独立又相互联系的遗传途径调控。该文综述了有关拟南芥(Arabidopsis thaliana)开花时间调控的分子机制的最新研究进展, 并对今后的研究进行了展望。

microRNA(miRNA)是一类长度为20–24 nt的内源小RNA, 广泛存在于各种植物体内, 参与调控植物器官的形态建成、激素应答、逆境胁迫和营养代谢等一系列过程。虽然miRNA生物合成和功能研究已取得了很大进展, 但关于植物成熟miRNA的转录后修饰和降解的研究却报道较少。一方面miRNA如同其它RNA存在半衰期, 其降解对于调控细胞内miRNA含量起重要作用, 从而调控植物的生长发育或胁迫响应等过程; 另一方面, 成熟miRNA存在转录后修饰, 可影响miRNA的稳定性, 最终影响其活性。该文着重从植物成熟miRNA的转录后修饰和降解等方面进行了综述。

大量研究证明活性氧(ROS)在气孔运动中起信号分子的作用。保卫细胞中ROS的产生依赖于特定的酶, 其中NADPH氧化酶组分RBOH已得到深入研究, 并已证实其参与生物与非生物胁迫反应。植物激素包括脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)、乙烯、生长素及细胞分裂素等, 它们均通过ROS的介导来调控气孔运动。生物胁迫(如毒性细菌和真菌)也会调控气孔运动。ROS参与这些调控过程。保卫细胞中存在多层次对ROS产生及其作用的调节, 抗氧化活性物质和ROS敏感蛋白(如蛋白激酶和磷酸酶)均可传递ROS信号并调节气孔运动。ROS对离子通道调节的证据也越来越多。保卫细胞由于可通过ROS整合复杂的信号途径, 已成为研究植物ROS信号转导过程的良好模式系统。

植物离子组学是一门研究植物体内元素组成、分布与累积以及这些元素随植物生理状况、生物与非生物刺激、发育阶段、生境和遗传等因素的变化及其机制的新兴学科。离子组学在数量遗传性状定位、生理状况判别以及植物体内调控元素吸收、运输和贮藏的潜在基因鉴别等方面至关重要。该文综述了离子组学的基本概念、研究方法和主要研究进展, 并就离子组学的研究热点、面临的挑战和未来发展趋势作了简要评述。