在植物大数据时代, 测序数据成为众多生物学研究的重要基础, 了解测序数据的现状有利于更好地利用这些数据。质体DNA数据因易获取、单亲遗传及变异速率适中而被广泛应用。基于GenBank公共数据库全面评估和分析了全世界维管植物质体DNA数据取样情况, 结果表明, 仅有33.75%的维管植物种类已测序。已测序物种在不同类群间取样不均衡, 缺失率大致与类群多样性呈显著正相关, 其中缺失最严重的目和科分别是盔被花目(Paracryphiales)、胡椒目(Piperales)和五桠果目(Dilleniales), 以及霉草科(Triuridaceae)、五膜草科(Pentaphragmataceae)和黄眼草科(Xyridaceae)。在地理空间上, 维管植物数据缺失程度从赤道向两极递减, 且生物多样性高的地区缺失更严重, 包括多个生物多样性热点地区。此外, 各地区特有种的数据普遍缺失严重。基于上述结果, 建议针对分子数据缺失程度较高的类群和生物多样性高的地区进行重点采集和测序, 尤其注重对特有种补充取样, 以增加这些类群遗传数据的代表性。

细胞壁相关蛋白激酶(WAK)家族成员在水稻(Oryza sativa)基因组中已注释了大约130个WAK基因, 它们在水稻生长发育和应激响应中发挥重要作用。该文探讨了水稻WAK16-RLK的编码基因OsWAK16对水稻种子活力和抗老化能力的调控作用及其生理机制。结果表明, OsWAK16敲除突变体的种子活力在种子未老化和人工老化12天时均显著低于野生型种子, 过表达种子的活力则显著高于野生型种子, 说明OsWAK16正调控种子活力和抗老化能力。同时, 相比野生型种子, 未老化和人工老化12天的OsWAK16敲除突变体种子中丙二醛含量以及种子浸泡液电导率显著增加, 抗氧化酶活性则显著下降; 过表达种子中的变化则相反。此外, 野生型、OsWAK16突变和过表达种子在人工老化处理后, OsWAK16的差异表达也引起OsPER1A、OsbZIP23、OsPIMT1、OsSdr4、OsMSRB5和OsHSP18.2等种子活力相关基因表达的协同变化。因此, 推测OsWAK16可能与其它种子活力相关基因协同作用, 行使清除细胞中活性氧的功能, 从而调控种子活力和抗老化能力。

块茎是油莎豆(Cyperus esculentus)独特且极其重要的器官, 富含油脂且具有与种子类似的繁殖能力, 研究油莎豆块茎特异性表达基因对于解析其块茎特异性生长发育(尤其是油脂积累)的调控机理具有重要意义。通过对油莎豆主要器官(根、叶、分蘖节、匍匐茎和块茎)进行转录组测序, 全面筛选块茎特异性表达基因, 并分析相关基因的功能。结果表明, 分别以根、叶、分蘖节和匍匐茎为对照, 经过多组比对分析后共鉴定出155个块茎特异性表达基因; GO富集分析显示, 与种子发育、种子油体合成、油脂储存、脱落酸响应、非生物刺激响应和蛋白折叠相关的7个GO条目显著富集, 这些GO条目涉及的基因恰好反映出油莎豆块茎独特的类似种子的发育特性。其中, CESC_00080和CESC_16572编码油体钙蛋白, CESC_08636、CESC_12549和CESC_17828编码油体蛋白, 均参与植物油体的形成, 而油体形成是植物完成油脂储存的关键步骤, 表明这些油体形成相关基因在块茎中的特异性表达可能是油莎豆在块茎中储存大量油脂的关键所在。此外, 还筛选出8个块茎特异性表达转录因子编码基因, 如CESC_00448 (编码abscisic acid insensitive 5-like protein ABI5)和CESC_03736 (编码heat stress transcription factor C), 而在鉴定到的块茎特异性表达基因中发现一些潜在的靶基因, 表明这些转录因子可能调控各自靶基因的特异性表达。综上, 研究结果可为油莎豆块茎发育相关基因调控网络的构建以及块茎特异性基因表达的分子机制解析提供重要参考。

ABF转录因子是能够特异识别并结合ABA响应元件(ABRE)的碱性亮氨酸拉链蛋白的统称, 参与ABA信号转导。通过对甘蓝型油菜(Brassica napus) BnaABF2基因编码蛋白进行分析, 亚细胞定位结果显示, BnaABF2蛋白定位于细胞核; 酵母系统转录活性分析表明, BnaABF2无转录激活活性; qRT-PCR检测发现, BnaABF2在叶中的表达量最高。此外, 还发现ABA处理、模拟干旱和盐胁迫能够诱导BnaABF2的表达; BiFC结果显示, BnaMPK1/2/6/7/9/12/13能与BnaABF2相互作用。Dual-LUC结果表明, BnaMPK7可能通过磷酸化增强BnaABF2对下游靶基因的转录调控。该研究初步探索了转录因子BnaABF2的基本特性与互作蛋白, 对理解其功能与机制具有一定的理论价值。

CPSF家族蛋白是植物体内mRNA前体中多聚腺苷酸化信号识别、剪切和添加poly(A)的重要因子, 对开花时间调控、环境响应和种子发育等具有重要作用。目前, 甘蓝型油菜(Brassica napus) CPSF家族基因的功能尚不明确。为探究甘蓝型油菜CPSF家族基因的功能和表达模式, 从甘蓝型油菜品种中双11号中克隆得到BnaA02.CPSF6, 并对其进行生物信息学、编码蛋白质亚细胞定位、表达模式和基因功能分析。结果表明, BnaA02.CPSF6基因编码区全长1 938 bp, 编码646个氨基酸残基, 无内含子结构, 其在甘蓝型油菜中有6个同源基因; BnaA02.CPSF6启动子区存在多个参与光反应的顺式作用元件和MYB结合位点; BnaA02.CPSF6在根、茎、叶、花和不同发育时期种子中均有表达, 特别是在发育15-35天的种子中显著高表达, 其编码的蛋白定位于细胞核; BnaA02.CPSF6受盐和干旱胁迫诱导上调表达; 在ABA、IAA、GA₃、SA和MeJA激素处理下, BnaA02.CPSF6基因表达先受到抑制再逐渐恢复至正常水平; 在正常条件下, 在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中过表达BnaA02.CPSF6会出现提前抽薹开花的表型, 且莲座叶数量显著减少。综上所述, BnaA02.CPSF6参与非生物胁迫响应并受植物激素调控, 可能在开花调控中起促进作用。

近年来, 大量植物图像智能识别相关应用软件被开发出来, 然而这些智能识别软件大多针对全国范围内的常见物种, 无法满足特定区域和特定植被类型的物种识别需求。该研究借助中国植物图像库中的图像数据集, 开发了一个人工智能模型, 用于识别内蒙古呼伦贝尔湿润草原和锡林浩特典型草原的优势和建群植物, 在实际野外测试中种级TOP5识别准确率达94.6%, 为实现特定区域植物物种智能识别提供了一种新方法。

禾谷类种子淀粉胚乳是人类主食的重要来源, 但观察其成熟细胞形态的方法非常有限。显微CT是一种非破坏性的三维成像技术, 是研究植物形态的有力工具。由于成熟禾谷类种子淀粉胚乳密度均匀, 常规显微CT技术无法应用。在前期研究的基础上, 用磷钨酸处理10种不同禾谷类作物种子, 经CO₂临界点干燥后, 再用显微CT扫描, 可以清晰地分辨出禾谷类作物淀粉胚乳的细胞结构, 为研究此类细胞结构提供了一种新方法。

质膜微区是细胞质膜上富含甾醇和鞘磷脂的微结构域, 参与信号转导、囊泡转运、胞吞和胞吐等众多生物学过程, 因此质膜微区动态过程是植物细胞生物学研究的重要领域之一。荧光探针结合荧光显微镜被广泛应用于检测植物活细胞状态。PA (push-pull pyrene)是一种基于芘的新型、高效且稳定的荧光探针, 但在植物活细胞成像研究中应用极少。该研究利用PA探针和激光共聚焦显微镜技术, 结合图像处理和极性归一化数值作图法对拟南芥(Arabidopsis thaliana)根中活细胞质膜的有序度进行了定量分析, 发现PA探针在拟南芥根细胞质膜中的液态有序相的发射光谱为500-550 nm, 液态无序相的发射光谱为580-700 nm。使用甾醇抽提剂MβCD处理野生型拟南芥可使质膜的有序度降低。缺乏甾醇合成关键的甲基转移酶双突变体smt2/smt3质膜的有序度与经甾醇抽提剂MβCD处理的野生型株系质膜一致。smt2/smt3突变体根毛细胞质膜的有序度低于野生型, 表明甾醇作为膜微区的关键组分在调节质膜的有序度上发挥重要作用。该研究为检测植物活细胞质膜动力学特征和质膜微区变化提供了一种直观且快速的检测手段。

单细胞转录组学将时空分辨率从多细胞水平转移到单细胞水平, 该技术的快速发展能够更好地揭示新的稀有细胞类型、挖掘细胞间异质性并绘制细胞发育轨迹图。目前, 单细胞转录组学已广泛应用于植物生长发育、应激反应和环境适应等不同研究方向, 有助于更精确、全面地揭示植物生命过程中的分子调控机制。然而, 单细胞转录组学在不同植物中的研究及应用仍面临诸多挑战。该文比较和评估了不同类型的单细胞转录组技术及其流程, 总结了近年来单细胞转录组学在多种植物中的相关研究进展, 并探索了新型单细胞分析工具, 可为以高精度和高动态探究植物生物学的研究人员提供技术支持。最后, 提出了使用单细胞转录组学技术解决植物研究和育种中的一些关键问题、面临的挑战以及未来的发展方向。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP⁺)是植物核心能量代谢、生长发育以及胁迫应答的整合者, 可直接或间接影响多种关键的细胞功能。作为细胞代谢的基石, 胞内NAD(P)⁺稳态对于维持植物正常能量代谢、生长发育和胁迫应答至关重要。NAD(P)⁺的合成受损或缺乏将引发植物细胞代谢紊乱和一系列缺陷表型, 严重时甚至导致植物死亡。目前, 植物中NAD(P)⁺的合成途径及其关键酶已比较明确, 但其在植物体内的稳态调控以及协调植物生长与胁迫应答的机制尚不清楚。因此, 研究植物细胞内NAD(P)⁺稳态的调节机制及其平衡植物生长与胁迫应答的分子机理具有重要意义。该文综述了植物NAD(P)⁺的生物合成代谢途径, 重点阐述了NAD(P)⁺参与调节植物生长发育和胁迫应答过程, 并展望了植物NAD(P)⁺的研究前景。

水稻(Oryza sativa)是全球重要的粮食作物。合理施肥是保障水稻持续稳产的必要农艺措施。磷是水稻生长必需的营养元素之一, 主要通过水稻根系吸收。而水稻长期生长在淹水环境中, 其根系表层形成富含铁氧化物的胶膜, 并在水稻根际磷的迁移和转化过程中扮演关键角色。该文综述了生物和非生物因素对水稻铁膜形成和转化的影响, 探讨了铁膜对磷吸收及转运的影响, 并对后续研究提出建议, 旨在为阐明水稻根际铁磷互作机制提供理论依据。