2024年中国科学家在植物科学主流期刊发表的论文数量相比2023年大幅提升, 在植物激素调控、病理学、合成生物学、耐逆性机制、系统发育与基因组学等领域取得了重要研究进展。其中, “紫杉醇生物合成”和“实现一年生与多年生植物的自由转换”入选2024年度中国生命科学十大进展。该文总结了2024年度我国植物科学研究取得的成果, 简要介绍了50项有代表性的重要进展, 以帮助读者了解我国植物科学的发展态势, 进而思考如何更好地开展下阶段研究工作和服务国家战略需求。

海藻糖-6-磷酸合酶(trehalose-6-phosphate synthase, TPS)是合成海藻糖的关键酶, 已在多个物种中被报道参与调节光合作用、糖代谢、生长发育和逆境响应等生理过程。目前, TPS在大豆(Glycine max)中的报道极少。该文在大豆全基因组中鉴定了20个TPS基因及其包含的10种重要蛋白保守基序。启动子元件分析显示, 大豆TPS基因的启动子区富含大量胁迫响应元件; 盐胁迫处理后, 17个TPS基因的表达发生变化, 其中12个基因上调表达, 5个基因下调表达。对TPS进行单倍型和选择趋势分析, 发现TPS8、TPS13、TPS15、TPS17和TPS18存在2种主要的等位变异, 其中携带TPS15^H2、TPS13^H2、TPS17^H2和TPS18^H2的品种在栽培品种中大量富集, 受到强烈的人工选择。该研究揭示了大豆TPS基因家族的分子特征以及在盐胁迫下的表达模式和进化历史, 旨在为进一步解析大豆TPS基因的功能以及培育耐盐大豆品种提供理论依据和遗传材料。

番茄(Solanum lycopersicum)在生长发育过程中常受到低温和干旱等多种非生物胁迫的影响。WRKY转录因子参与调控植物多种非生物胁迫响应过程, 而SlWRKY45在番茄非生物胁迫中的功能尚不清楚。基因表达分析发现, 低温、干旱和ABA处理均可显著诱导SlWRKY45的表达; 过表达SlWRKY45可提高番茄对干旱和低温的耐受性; 在干旱和低温处理下, 过表达株系的光合指标、抗氧化酶活性和脯氨酸(Pro)含量显著高于野生型(WT), 活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)含量显著低于WT。转录组数据分析显示, SlWRKY45主要通过调控抗氧化酶活性和胁迫响应途径介导番茄对低温胁迫的响应。双荧光素酶报告基因检测发现, SlWRKY45可直接激活SlPOD1的表达。酵母双杂交(Y2H)和双分子荧光互补(BiFC)试验结果表明, SlWRKY45与SlWRKY46存在相互作用。综上表明, SlWRKY45可能通过直接调控抗氧化酶途径增强转基因番茄的抗逆性, 为番茄的遗传改良提供了重要的候选基因资源。

蚕豆(Vicia faba)耐盐碱性种质鉴定为挖掘耐盐碱基因和选育耐盐碱品种奠定基础, 对盐碱地利用具有重要意义。利用8 g∙L^-1混合盐碱溶液(NaCl、Na₂CO₃和Na₂SO₄, 质量比为9:1:1, pH9.25)对399份国内外蚕豆种质在萌发期进行胁迫处理, 并测定了3个发芽指标和13个根系指标, 采用相关性、主成分、隶属函数和系统聚类分析, 对各种质的耐盐碱性进行综合评价。结果表明: (1) 在盐碱胁迫下, 根系交叠数受到的影响最大, 关节点次之, 而根平均直径较稳定; (2) 交叠数与总连接点数之间, 分叉数与交叠数、总连接点数之间等大部分指标间均呈极显著正相关(P<0.01); 而根平均直径与根总数量、根尖数量、根总长、端点数、关节点数、连接数、分叉数、交叠数和总连接点数之间呈极显著负相关(P<0.01); (3) 根总表面积、根总投影面积、根总长和根总体积可作为蚕豆萌发期耐盐碱性鉴定的适宜指标; (4) 筛选出2份耐碱盐种质H0000809和H0000653, 2份盐碱敏感种质H0001714和H0002622; (5) 399份蚕豆种质可分为4类, 第I类为耐盐碱种质, 占0.75%; 第II类为中耐盐碱种质, 占8%; 第III类为弱耐盐碱种质, 占52.88%; 第IV类为不耐盐碱种质, 占38.35%。综上, 该研究明确了各指标的变异程度和相关性, 确定了耐盐碱性鉴定的关键指标, 筛选出的极端材料可用于蚕豆耐盐碱机理研究和耐盐碱基因挖掘。

分析了146份辣椒(Capsicum spp.)种质资源的形态学性状, 同时利用简单重复序列(SSR)标记分析了其遗传多样性和群体遗传结构。形态学性状多样性分析结果表明, 质量性状和数量性状的变异系数分别为8.22%-267.58%与14.35%- 72.51%, Shannon多样性指数分别为0.04-1.91与1.58-2.02, 说明辣椒种质资源多样性丰富。利用SSR标记从22对引物中检测出102个等位基因, 平均每对引物检测出4.636个等位基因, 有效等位基因变异范围为1.191-5.311, Shannon多样性指数为0.345-2.056, 多态性信息含量(PIC)为0.153-0.795, 146份辣椒种质资源平均遗传距离为0.429。基于表型和分子标记的聚类分析分别将辣椒种质资源分为6类和7类, 但2种聚类结果相关性较弱(r=0.396 7)。群体遗传结构分析将辣椒种质遗传结构分为2组, 不同组之间界限明显。研究阐明了146份辣椒种质资源的遗传多样性和群体遗传结构, 为后续种质鉴定及新品种选育奠定了理论基础。

以野蔷薇(Rosa multiflora)当年生带芽茎段为试材, 建立了其组培快繁体系。结果表明, 最佳外植体是带腋芽茎段, 外植体最佳消毒方法是先用75%乙醇浸泡30秒, 再用10%次氯酸钠溶液浸泡20分钟, 成活率可达96%; 带芽茎段萌芽最佳诱导培养基为MS+1.0 mg∙L^-1 6-BA+0.01 mg∙L^-1 NAA+0.1 mg∙L^-1 GA₃, 培养30天, 萌芽率可达98%; 无菌再生苗增殖最佳基础培养基为WPM, 增殖系数为2.87; 无菌再生苗生根最佳培养基为1/2MS+1.0 mg∙L^-1 6-BA+0.1 mg∙L^-1 NAA, 生根率可达93%; 无菌再生苗移栽成活率达98%。在此基础上, 以野蔷薇无菌再生苗为受体, 建立了野蔷薇瞬时表达体系。结果表明, 瞬时表达最佳转化条件是菌液OD₆₀₀为0.8, 负压为-0.10 MPa, 真空抽吸2次, 每次15分钟, 瞬时表达效率可达96%。研究结果为建立野蔷薇再生及遗传转化体系奠定了基础, 并为蔷薇属植物基因功能研究提供技术支持。

由于大部分竹类植物开花周期长、花期难以预测且结实率低, 导致竹子育种一直是竹类植物研究的难题。多倍体育种作为植物育种的一种常用手段, 能够通过人工诱导获得具有优良性状的后代。在竹子育种中, 有关多倍体育种的研究较少。在已有马来甜龙竹(Dendrocalamus asper)再生体系的基础上, 分别使用液体悬浮法和固体培养基混培法对马来甜龙竹胚性愈伤组织进行秋水仙素处理。结果表明, 对于愈伤组织分化率和褐化率, 基于液体悬浮法用50 mg∙L^-1秋水仙素处理愈伤组织48-72小时效果最佳。实验共得到再生植株54株, 其中对照组7株。利用流式细胞仪检测所有再生植株, 成功得到染色体加倍植株16株。在染色体加倍率方面, 采用100 mg∙L^-1秋水仙素处理48小时产生的染色体加倍植株数量最多, 染色体加倍率达54.54%。与六倍体相比, 十二倍体植株的叶片更大、更厚, 下表皮气孔更大, 暗示其在抗逆生理方面具有一定的优越性。研究提出的基于竹子离体再生体系的高效率多倍体育种技术, 为培育竹类多倍体新种质提供了新方法。

蛋白质翻译后修饰(PTMs)是调控蛋白质生物学功能的重要机制, 在水稻(Oryza sativa)种子发育和胚乳淀粉生物合成中起重要作用。随着蛋白质组学的发展, 已在水稻胚乳中鉴定到大量淀粉合成相关酶(SSREs)发生蛋白质PTMs。该文总结了水稻胚乳SSREs的磷酸化、赖氨酸乙酰化、琥珀酰化、2-羟基异丁酰化、丙二酰化及泛素化6种PTMs的蛋白质组学分析、修饰位点和途径及生物学功能。其中, 蛋白质磷酸化修饰的研究最多, 其在调节植物生长发育和淀粉合成代谢过程中起关键作用。此外, 还讨论了PTMs对籽粒灌浆、稻米淀粉品质及外观的潜在作用。该文综述了PTMs在水稻胚乳淀粉合成相关蛋白中的调控机制, 为培育高产优质水稻品种提供了有价值的参考。

轮藻门(Charophyta)植物与陆生植物组成单系的链形植物门, 化石证据和分子证据支持陆生植物起源于轮藻门植物。该文总结了已完成全基因组测序的10种轮藻门植物的14个全基因组信息, 综述了植物陆地化的分子机制, 表明调控植物激素信号转导和编码关键转录因子的基因家族扩张和基因水平转移是轮藻产生预适应的潜在原因。文中阐述了轮藻门植物全基因组数据在转录组学和基因功能研究中的作用, 提出端粒到端粒的基因组和泛基因组对于深入理解植物陆地化的重要性, 以及整合基因组信息和生物学实验在解析轮藻门植物基因功能和起源方面的必要性。

生物小分子是指生物体内分子量较小的单体物质, 植物小分子种类繁多, 包括离子、植物激素和代谢物等。了解植物体内这些小分子的动态变化, 有助于解析相关的生理功能和调控网络, 并为植物细胞学的精确观察创造新的机遇。基于Förster共振能量转移(Förster resonance energy transfer, FRET)原理设计的基因编码荧光生物传感器/探针, 为活体内观察这些小分子的动态变化提供了强有力的工具。通过FRET传感器/探针, 能够可视化细胞内特定小分子化合物的浓度, 并实时获取高分辨率图像。这一技术因其独特的优势而被广泛应用于植物生理学、发育生物学和环境科学等研究领域。该文总结了近年来植物学研究中使用的FRET传感器/探针, 概述了它们的主要设计思路, 并阐述了其在检测离子、植物激素及代谢物方面的应用与研究进展, 旨在为植物中生物小分子的功能研究提供实用的技术手段和可能的研究方向。

环核苷酸门控通道(cyclic nucleotide-gated channels, CNGCs)是植物体内重要的阳离子通道, 在调控植物生长发育以及应对冷、热、盐和病原菌等胁迫中发挥重要作用。该文简要概述了植物CNGCs的分类、结构及表达定位, 并重点对其离子选择特征、调控机制以及生物学功能的最新研究进展进行综述, 以期增进对植物CNGCs蛋白的全面认识, 并为后续深入研究提供参考。