大豆(Glycine max)是光周期敏感的植物, 该特性是决定其生育期及其生态适应区的关键因素。温带的大豆品种引种到热带地区(短日照)时, 开花期和成熟期提前、产量降低, 限制了大豆在热带地区的种植。长童期(LJ)大豆品种的发现是解决该问题的重要突破。在短日照条件下, LJ品种比温带品种开花晚、体量大、成熟晚且产量提高。前期研究发现, J位点是控制LJ性状的关键位点。近期, 我国科学家通过精细定位克隆了J基因, 发现其与拟南芥(Arabidopsis thaliana)早花基因(ELF3)同源。他们通过功能互补和近等基因系等方法验证了J基因的功能, 在短日照条件下, 等位基因j比J开花晚、成熟晚且产量提高。进一步研究发现, J蛋白与E1基因(豆科植物开花抑制因子)的启动子结合抑制E1基因的表达, 从而解除E1对大豆开花基因(FT)的抑制, 促进大豆在短日照下开花。研究还发现在大豆种质资源中存在多种j等位变异。该研究引领了大豆生育期遗传研究的新方向, 揭示了大豆向热带地区发展的遗传基础。

2016年中国植物科学持续稳步发展, 表现在中国植物科学家在国际主流高影响力学术期刊发表文章的数量稳中有升, 中国植物科学领域的期刊逆风出行, 进入研究性期刊世界前三甲行列。中国科学家在植物学诸多领域取得了丰硕的成果。水稻(Oryza sativa)产量性状杂种优势的分子遗传机制解析入选2016年中国科学十大进展; 植物受精过程中雌雄配子体信号识别机制的研究和独脚金内酯的受体感知机制入选2016年生命科学十大进展。我国植物科学, 特别是以水稻为代表的作物研究在国际学术界已占有一席之地。例如, 在水稻组学(如基因组和转录组等)资源和技术平台的建立、重测序的开发及功能基因的克隆和调控网络的解析方面取得了系列重要成果(如揭示了独脚金内酯信号转导的“去抑制化激活”机制、从分子水平上阐释了水稻籼粳杂种不育和广亲和性基因S5的作用机理及发现了控制水稻耐冷的基因组位点), 已经引领世界水稻乃至作物科学研究。该文对2016年中国本土植物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的发展前沿和研究热点, 与读者共享我国科学家所取得的杰出成就。

植物金属蛋白酶FtSH基因家族在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中有12个成员, 目前各基因的功能还不清楚。该文利用细胞生物学和遗传学方法初步分析了拟南芥FtSH4在叶片衰老中的功能。ftsh4-4突变体叶片中H₂O₂含量及细胞死亡率增加, 叶绿素含量降低; 此外, 突变体中过氧化物酶基因表达上调, 过氧化物酶活性增加, 出现早衰表型。外源抗氧化剂AsA、内源和外源生长素能够通过降低ftsh4-4体内H₂O₂含量、过氧化物酶基因的表达及过氧化物酶活性, 恢复ftsh4-4叶片的衰老表型。ftsh4-4突变体中生长素响应因子基因ARF2和ARF7上调表达, 外源生长素和抗氧化剂能够降低ARF2和ARF7的表达, 并且ARF2突变能够降低ftsh4-4的H₂O₂含量并恢复其早衰表型。以上结果表明, FtSH4基因通过生长素与活性氧在调控植物叶片衰老中起重要作用。

采用盆栽法, 以海岛棉(Gossypium barbadense)品种新海21号、新海34号和陆地棉(G. hirsutum)品种新陆早50号、新陆早57号为材料, 探讨了盐胁迫下海岛棉和陆地棉植株的生长、叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、抗氧化酶活性、渗透调节物质及丙二醛含量变化的差异。结果显示, 随着盐浓度的增加, 4个供试品种幼苗的生长、叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率均呈不同程度的下降, 而过氧化物酶、超氧化物歧化酶及可溶性糖含量随着盐浓度的增加呈先增后降的趋势, 脯氨酸和丙二醛含量均上升。不同品种之间, 新海21号和新海34号受胁迫的影响程度小于新陆早57号和新陆早50号。在0.6% NaCl胁迫下, 海岛棉和陆地棉品种均表现出较好的耐盐性。而0.8%和1.0%的NaCl胁迫对4个供试品种的生长抑制作用大, 导致新陆早57号和新陆早50号幼苗生长缓慢、叶面积小、干物质积累少甚至死苗。在较高浓度的盐胁迫下, 棉花品种幼苗第1片真叶展开受到显著抑制, 可以作为棉花耐盐品种的筛选指标。

为研究怀地黄(Rehmannia glutinosa)脱毒种苗大田生长、产量和品质状况, 对大田中不同时期脱毒苗和非脱毒苗的形态指标、生理特性、光合特性、产量及品质等进行了测定。结果表明, 脱毒苗的株高、冠幅、叶片数、最大叶面积、功能叶片的光合色素含量和净光合速率等各项指标均优于非脱毒苗, 块根产量提高、品质改善, 增产幅度在77.35%以上, 药用成分梓醇含量提高了32.90%。

应用荧光显微镜和常规石蜡切片观察侧金盏花(Adonis amurensis)花粉管生长和受精作用的全过程。结果表明, 侧金盏花为湿型柱头, 授粉后1-2小时, 花粉粒与柱头识别; 授粉后2-4小时, 花粉粒萌发; 授粉后4-6小时, 花粉管进入柱头。侧金盏花的受精模式为珠孔受精, 授粉后10小时, 精子被释放; 授粉后30小时, 精核与卵核融合; 授粉后7天合子形成; 授粉后15天合子进入分裂期, 合子休眠期为8天。2个极核在受精前不融合, 授粉后14-16小时, 精核与1个极核融合; 授粉后20-22小时, 受精极核与另1个极核融合形成初生胚乳核。双受精作用属于有丝分裂前配子融合型。通过实验确定了侧金盏花受精过程的雌雄性细胞融合形态变化与相应经历的时间及其合子休眠期。研究结果丰富了侧金盏花胚胎学资料, 对其今后的育种及转基因研究具有重要意义。

2014年和2015年连续2年对哈密和乌恰裸果木(Gymnocarpos przewalskii)自然种群的开花物候特征进行野外定点观测, 并运用相对开花振幅、开花强度和开花同步性等参数对其开花物候特征进行分析。结果表明, 2个种群每年均开1次花, 4月下旬到5月上旬进入始花期, 开花进程基本相似, 均呈单峰曲线, 具有较高的开花同步性, 呈现“集中大量”开花模式; 在个体水平上, 始花期、终花期在种群和年份间略有差异; 单花持续时间在年际间是稳定的, 但在种群间有所不同, 即乌恰种群的单花持续时间略长于哈密种群; 不同裸果木种群的开花数与结籽数间均呈极显著正相关, 开花同步性指数与相对开花强度间呈显著负相关; 乌恰种群的始花期与开花数间呈负相关。裸果木个体开花振幅、开花同步指数及开花模式在种群和年份间的相似性很大程度上是由其在长期的地理变迁中形成的遗传特性决定的, 而始花期和开花持续时间等开花物候特征的差异主要是由环境和气象因子(海拔、气温、降水及光照)差异造成。研究结果对于探讨该属植物的繁殖生物学特性及其保护具有重要意义。

运用CCA排序、TWINSPAN等级分类、物种多样性以及种间联结等分析方法探讨了浙江省瑞安市公益林群落中地形因子对植物空间分布格局的影响以及主要优势物种的种间关系, 以期解释公益林群落特征及其与环境因子的关系。结果表明, 瑞安市公益林物种分布受海拔、坡度和坡向(总体上可解释69.1%的环境因子)的影响。运用TWINSPAN等级分类, 在种- 环境CCA排序结果的基础上将群落大致划分为13类群丛, 其中以马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)和柳杉(Cryptomeria fortunei)为优势种的群丛个数最多; 群落的多样性水平总体较高, 以马尾松、杉木和柳杉为优势种的群丛因其具有较好的地形条件而多样性最高; 群落垂直层次的物种多样性由大到小依次为: 灌木层>乔木层>草本层, 同时3个垂直层次中主要优势种的正负关联比低(均小于2), 其中乔木层优势种的正负关联比最高, 说明研究区群落结构尚不稳定, 但乔木层相对比较稳定。研究结果为研究区公益林管理提供理论支撑。

非洲菊(Gerbera hybrida)已成为研究复杂花序进化与发育的模式植物。以非洲菊无菌组培苗叶片为材料, 分析不同浓度纤维素酶及离析酶配比对非洲菊原生质体提取效率的影响, 建立了稳定、高效的非洲菊原生质体提取与瞬时转化体系。结果表明, 以2.0%纤维素酶+0.3%离析酶组合, 在0.4 mol·L^-1甘露醇溶液中, 酶解4小时, 酶解温度为25°C, 得到产量高达2.2×10⁷个·g^-1 FW及活力较高的原生质体, 可直接用于植物蛋白亚细胞定位和蛋白间相互作用实验, 转化效率达80%。该研究建立了非洲菊原生质体制备和瞬时转化体系, 为非洲菊基因功能研究奠定重要的技术基础。

为了构建甜瓜(Cucumis melo)种质耐冷性的评价体系并筛选耐冷种质, 以19份遗传背景差异明显的甜瓜种质为实验材料, 测定低温胁迫下幼苗的9个形态指标和8个生理指标, 利用主成分分析、聚类分析及回归分析等多元统计方法对各指标的耐冷系数(α值)进行综合评价。结果表明, 低温胁迫下甜瓜幼苗的形态和生理指标发生了明显的变化, 其α值的变异系数均大于10%, 生理指标的α值变化更为明显。利用主成分分析将原有的17个指标转换为7个独立的综合指标, 其累计贡献率达84.64%, 以此计算各种质的隶属函数值, 并以主成分的贡献率进行加权, 最终获得所有种质耐冷性的综合评价值(D值)。基于D值的聚类分析将所有种质按耐冷性强弱划分为3类, 其中Oujin为耐冷性最强的种质, Xujin1等11份种质具有中等耐冷性, Qiuxiang等7份种质耐冷性较弱。通过逐步回归分析建立了甜瓜幼苗耐冷性评价的数学模型: D=0.048+0.048POD- 0.119SOD+0.097PRO+0.042CRI+0.084RDW+0.206OFW。模型的预测精度大于93.0%。该耐冷性评价体系可广泛用于不同甜瓜种质耐冷性的快速鉴定和预测。

新疆天山雪莲(Sasussured involucrata)具有较高的极端低温耐受特性, 为低温耐受机制研究提供了一种非常好的模式植物。新疆天山雪莲转录组注解知识库(http://www.shengtingbiology.com/SaussureaKBase/index.jsp)是基于网络数据资源的综合性数据库, 由html、Perl、Perl CGI/DBD/DBI、Java和JavaScript编程所设计的前端界面和用于数据存取、注释及管理的后端数据库管理系统PostgrelSQL构成。知识库包含基因组数据、转录组原始数据、质量控制数据、GC含量、功能基因序列及注释、功能基因代谢通路、功能基因的注释统计、雪莲与其它物种的转录组或基因组比较分析数据和生物分析软件包等资源。该数据库不仅有利于低温功能基因组学及低温耐受机制研究, 而且为冷耐受性状物种的分子育种提供基因资源平台和理论依据。