2017年中国植物科学继续保持高速发展态势, 重大成果频出, 具体表现在中国植物学家在国际顶级学术期刊发表的文章数量平稳上升。中国植物科学领域的研究工作者成果精彩纷呈, 如新型广谱抗病机制的发现、水稻广谱抗病遗传基础及机制和疫霉菌诱发病害成灾机制研究等。2017年中国生命科学领域十大进展评选中, 有两项植物科学领域的研究成果入选。水稻生物学、进化与基因组学和激素生物学等领域学科发展突出。另外, 值得一提的是, 长期从事高等植物与代谢途径调控分子网络研究和水稻品种设计育种的李家洋院士的研究成果“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”荣获2017年国家自然科学一等奖。这一具有重大国际影响的开创性贡献标志着中国植物科学在该领域的国际科学前沿居于引领和卓越地位。该文对2017年中国本土科学家在植物科学若干领域取得的重要研究成果进行了系统梳理, 旨在全面追踪和报道当前中国植物科学领域发展的最新前沿动态, 与广大读者共同分享我国科学家所取得的辉煌成就。

程序性细胞死亡(PCD)是生物体受遗传调控的自主细胞死亡现象, 在植物生长发育和抵抗环境胁迫中起重要作用。PCD的发生可受线粒体中活性氧(ROS)诱导。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究组早期的研究发现了1个拟南芥(Arabidopsis thaliana)细胞死亡突变体mod1, 并暗示植物细胞中存在叶绿体与线粒体之间的信号交流调控PCD, 但其中的具体作用机制尚不清楚。最近, 他们通过大规模筛选mod1突变体的抑制突变体, 克隆了3个新的抑制基因plNAD- MDH、DiT1和mMDH1。此3个基因分别编码质体定位的NAD依赖的苹果酸脱氢酶、叶绿体被膜定位的二羧酸转运蛋白1和线粒体定位的苹果酸脱氢酶1, 突变后都可抑制mod1中ROS的积累及PCD的发生。通过对这些基因进行深入的功能分析, 他们论证了苹果酸从叶绿体到线粒体的转运对线粒体中ROS的产生及随后PCD的诱导起重要作用。该研究拓展了我们对植物细胞中细胞器间交流的认识, 为我们深入理解植物PCD发生机制提供了新线索, 是该领域的一项突破性进展。

程序性细胞死亡在调控植物发育和胁迫响应中具有重要作用, 而活性氧是导致程序性细胞死亡的关键因子。日前, 中科院遗传与发育所李家洋研究组对活性氧调控程序性细胞死亡的分子机制进行了深度解析, 首次阐明了苹果酸作为信号分子, 经由叶绿体-线粒体穿梭途径而引发活性氧产生, 继而导致细胞死亡。该研究成果是程序性细胞死亡调控机制领域的重大突破。

程序性细胞死亡不仅在植物生长发育中起重要作用, 而且与植物适应逆境密切相关。近日, 中国科学家在解析植物程序性细胞死亡(PCD)信号通路的研究中取得了突破性进展。

镉是我国农产品的主要重金属污染物之一。随着我国土壤重金属污染问题日益突出, 包括稻米在内的农产品重金属超标时常发生。如何防控重金属在作物可食部位的积累, 在保证农产品安全的同时将农田重金属进行移除修复, 已成为我国农业生产急需解决的问题。最近, 中科院上海生命科学院植物生理生态所龚继明研究组和中国水稻所钱前研究组克隆到1个特异调控镉在水稻(Oryza sativa)叶片中积累的主效QTL基因CAL1。CAL1编码1个植物防御素类似蛋白, 通过与镉进行螯合, 将镉从维管束木质部薄壁细胞中分泌出来, 进入木质部参与长距离转运, 从而定向调控镉在水稻叶片等营养器官的积累而不影响籽粒镉的积累。该研究加深了人们对重金属镉在植物体内的转运和再分配机理的认识, 同时也为培育秸秆镉高积累而籽粒镉含量达标的“修复型”水稻品种提供有价值的新基因。研究成果具有重要的理论意义和应用价值。

作为植物细胞内部的授时机制, 生物钟系统主要包括信号输入、核心振荡器和信号输出3个主要部分。该系统通过感受外界光照和温度等环境因子的昼夜周期性变化动态, 协调植物生长发育、代谢与生理反应, 赋予植物对生存环境的适应性。植物生物钟系统的核心振荡器通过多层级调控复杂的下游信号转导网络来参与调节植物生长发育及对生物与非生物胁迫的适应性。该文概述了近年来生物钟核心振荡器及其调控植物生长发育过程诸方面的研究进展, 并初步提出了植物时间生物学研究领域一些亟待解决的科学问题, 以期为生物钟领域的研究成果在作物分子育种方面的利用提供理论借鉴。

条斑病是水稻(Oryza sativa)中的常见病害, 已经对我国粮食的高产稳产造成严重威胁。以典型籼稻台中本地1号与粳稻春江06的杂交F₁代花药培养双单倍体群体(DH)为材料, 用Xoc BLS256进行人工接菌, 对双亲及群体各株系的病斑长度进行测量和量化分析; 同时利用该群体业已构建的加密遗传图谱对病斑表型数据进行QTL作图分析。结果在水稻第2、4、5和8号染色体上共检测到4个效应值能区分开的QTL。对2号与5号染色体上2个较大的QTL区间内抗条斑病相关基因进行了表达分析, 结果表明这些基因在处理前后出现了不同程度的表达差异, 暗示这些基因可能是响应春江06与台中本地1号条斑病抗性差异的目标基因。研究结果为进一步克隆水稻条斑病抗性QTL奠定了重要基础。

野生稻(Oryza rufipogo)保存有许多栽培稻(O. sativa)不具备或已经消失的优异基因资源, 是扩大栽培稻遗传背景、改良产量与品质、提高抗病虫害及抗逆境能力的重要基因库。疣粒野生稻(O. meyeriana)是中国3种野生稻资源之一, 主要分布在云南。为进一步了解其稻瘟病抗性, 首先利用来自不同稻作区的稻瘟病菌株, 通过注射接种法对疣粒野生稻进行系统的稻瘟病抗性鉴定, 发现疣粒野生稻对接种的所有稻瘟病菌株都感病。进一步采用3'/5' RACE方法, 从疣粒野生稻中克隆了水稻同源基因Pid2和Pid3, 并构建过表达转基因株系对基因功能进行了研究。结果表明, Pid2和Pid3与疣粒野生稻中同源基因间在DNA和氨基酸水平上有较大的序列差异, 过表达转基因的日本晴植株对稻瘟病菌的敏感性与对照相似。推测疣粒野生稻在自然接种条件下, 表现出的抗稻瘟病表型很可能是其旱生叶片结构特征形成了对稻瘟病菌侵染的天然屏障。对控制疣粒野生稻这一类性状基因资源的挖掘和利用, 有利于优良抗性水稻品种的培育。研究结果为疣粒野生稻的研究利用提供了新信息和新思路。

叶长、叶宽、叶面积及叶夹角不仅影响玉米(Zea mays)光合效率, 也是株型的重要构成因素。通过对620个叶形QTL进行整合, 构建不同遗传背景下的叶形QTL整合图谱, 利用元分析发掘出22个叶长、22个叶宽、12个叶面积以及17个叶夹角mQTL; 进一步运用生物信息学手段, 确定44个与叶片发育密切相关的候选基因。分析发现, 仅有NAL7-like、YABBY6- like和GRF2等13个基因位于mQTL区间内, 而玉米中已克隆的KNOTTED1、AN3/GIF1、rgd1/lbl1、mwp1及SRL2-like、HYL1-like和CYCB2;4-like等水稻(Oryza sativa)和拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶形同源基因位于未被整合的QTL内; 对44个候选基因在叶片长、宽、厚发育过程中基部-末端、中央-边缘、远轴-近轴的调控机理进行归纳分析, 发现玉米中仅有少数几个候选基因被报道, 揭示了叶形发育的部分分子机理。因此, 对玉米叶形相关mQTL/QTL及基因进行全面深入的分析, 不仅有助于增加对其遗传结构的了解, 发掘更多候选基因, 阐明叶形发育和形成的分子机制, 还可为耐密理想株型的分子标记辅助选择提供依据。

在室内人工光源照射条件下, 探究150 μmol∙m^-2·s^-1光强下不同比例的红蓝光对拟南芥(Arabidopsis thaliana)生长发育的影响。以哥伦比亚(Columbia-0)野生型拟南芥为研究对象, 采用荧光粉激发型LED作为植物生长光源, 以SrSiAlN₃为红色基底, 调节荧光粉添加量获得不同红蓝光谱, 考察不同光照条件下拟南芥萌发率、根长、株高、叶绿素含量和相对电导率等参数的变化规律。结果表明, 在荧光粉激发型LED光照调节下的拟南芥具有更高的萌发率、根长、株高、叶绿素含量和相对电导率, 且在红蓝光质比为2:1时萌发率(95.63%)和叶绿素含量(26.7)最高; 在红蓝光质比为4:5时根长(4.19 cm)较长; 在红蓝光质比为4:1时株高(15.5 cm)较高; 在红蓝光质比为4:5时相对电导率(40.5 S·m^-1)较大。研究结果表明相对平衡的光质(红蓝光质比为4:1)有利于拟南芥生长发育, 且减少蓝光比例对根系生长及叶绿素积累有一定的促进作用。研究表明不同光谱对模式植物拟南芥的生长发育有较明显的影响, 改变光谱组成可以对植物的生长发育起不同程度的调控作用。

以矢竹(Pseudosasa japonica)、花叶矢竹(P. japonica f. akebonosuji)和曙筋矢竹(P. japonica f. akebono)为研究对象, 借助叶绿体超微结构和荧光动力学曲线的变化揭示不同叶色矢竹的光系统活性及光合特性差异。结果表明: 3个竹种的光合色素含量差异明显, 除花叶矢竹条纹叶白色部分叶绿体内无完整类囊体片层结构外, 花叶矢竹绿条纹和曙筋矢竹的基粒数明显少于矢竹, 叶绿体发育成熟度不一致; OJIP曲线及参数表明, 花叶矢竹条纹绿叶和曙筋矢竹光系统II (PSII)反应中心开放降低程度低于矢竹, 捕获能量用于电子传递的份额变小, PSII活性变弱; 而曙筋矢竹叶片P700至初级电子受体(Q_A)的电子传递链氧化还原平衡偏向于还原侧, 推测其光系统I (PSI)反应中心P700至PSII Q_A电子传递链受损。因此, PSII活性变化导致叶绿体发育不成熟, 可能是引起矢竹类叶色差异的直接原因。

为建立一种既可高效结瘤固氮, 又具有一定产量的大豆(Glycine max)营养液栽培系统, 设计并进行了2个试验。首先在不同供氮条件下, 研究了接种根瘤菌对大豆的结瘤状况、固氮能力、生物量及产量的影响。结果表明, 供氮过高或过低, 均影响大豆生长、产量形成及根瘤固氮; 并且植物生长所需的最适供氮水平远高于生物固氮所需的最适供氮水平。此外, 大豆生物固氮活性最高的时期在生殖期第一期(R1期)之前。由此推断, 大豆R1期前, 供应较低的氮, 有利于根瘤形成及固氮; 而从R1期起, 应提高供氮水平, 以促进植物生长及产量的形成。在此基础上开展第2个试验, 对供氮条件进行了优化处理(即R1期前低氮供应、R1期开始中氮供应)。结果表明, 与持续供应高氮相比, 优化供氮处理不仅可获得较多固氮酶活性较高的大根瘤, 还能保持较好的生长、获得更高的百粒重及维持80%左右的产量。研究结果不仅可为高效研究大豆根瘤共生固氮提供营养液配方, 还可为大豆高产高效栽培提供试验依据。

近年来, CRISPR定点编辑技术发展迅猛, 在动物、植物和微生物中均得到广泛应用。其中, 备受关注的脱靶现象也是研究的热点, 迄今已取得了重要进展。该文介绍了脱靶现象的产生原理及体内和体外检测脱靶现象的方法, 评价了通过改进sgRNA设计和优化CRISPR系统等来降低脱靶率的方法。在植物基因组定点编辑过程中, 应适时检测脱靶现象, 提高脱靶检测的精确度和准确度。

脱落酸(ABA)是调控种子休眠和萌发过程的主要植物激素。种子内源ABA含量和种胚对ABA敏感性共同调控种子休眠和萌发过程, 确保植物种子以休眠状态在逆境中保持其自身繁衍能力, 并在适宜的环境下启动萌发程序。种子ABA合成代谢和ABA信号转导途径涉及许多重要基因家族, 它们通过复杂的调控网络精确地控制着种胚发生、种子成熟、休眠及萌发进程。该文对ABA调控种子休眠和萌发的分子机制最新研究进展进行综述, 并展望了今后的研究方向。

植物的角质膜是植物与外界环境的交界面, 有利于植物减少蒸腾、抵抗紫外伤害和防止病虫害等。植物与外部环境相互作用的过程中, 其角质膜会构建自身的防御系统, 如通过自身结构、成分的改变及产生次生代谢产物来减轻外界不利环境因子的胁迫。因此, 植物角质膜与环境之间的密切关系对于植物生长有着重要意义。该文综述了植物角质膜的结构、成分、形成、功能及其与次生代谢和环境的关系, 同时对研究中存在的问题进行了讨论并展望了相关领域的研究前景。

硫化氢(H₂S)是继一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)之后第3个气体信号分子, 在植物体内参与许多重要的生理活动, 能够促进植物光合作用和有机物的积累, 缓解各种生物和非生物胁迫并促进植物生长发育。该文综述了植物体内H₂S的物理化学性质、产生机制、主要生理功能和作用机制以及与其它信号分子的互作关系, 并展望了H₂S信号分子的研究前景。