随着全球气候的急剧变化, 植物生长发育所处的生态环境日益恶劣, 生物钟与光、温受体互作协同传递环境信号并调控下游生长发育的应答机制开始受到科研人员的广泛关注。生物钟作为植物内源计时器, 其核心由多个耦联的转录-翻译反馈环(TTFL)组成, 在转录、转录后、翻译、翻译后和表观遗传层面受到多层级精细调控。这些精密的调控机制保证了生物钟能不断被外界环境信号驯化和重置, 使内源节律与外界环境相匹配, 从而赋予植物优化资源利用和趋向最适生长的能力, 对于指导农作物遗传改良和引种驯化具有重要意义。该综述总结了生物钟核心振荡器的多层级调控机制以及生物钟同源基因在农作物中的分子功能, 详述了生物钟与光、温环境信号通路间的互作网络, 展望了以此为基础的作物分子育种, 为提高农作物的环境适应性和优化改良农艺性状提供了新思路。

鉴定控制水稻(Oryza sativa)高温耐性的新位点和候选基因, 可为耐热遗传育种提供理论支撑, 具有重要的实践意义。利用粳稻(O. sativa subsp. japonica)品种TD70和籼稻(O. sativa subsp. indica)品种Kasalath衍生的重组自交系(RILs)群体为研究材料, 构建基于深度重测序的高密度Bin遗传图谱; 使用QTL IciMappingv软件基于完备复合区间作图法对水稻苗期高温胁迫下的幼苗存活率进行QTLs分析。共检测到26个控制苗期耐热性QTLs, 分布在除第3号染色体外的11条染色体上, LOD值为2.59-16.15, 其中4个QTLs的LOD值大于10, 7个QTLs与已知高温耐性QTLs的位置存在重叠或者部分重叠, 其主效QTL位点qHTSR5.2位于第5号染色体26.25-26.38 Mb区间, LOD值为16.15, 解释7.18%的表型贡献率。对4个主效QTLs区间进行基因功能注释和亲本间序列分析, 共发现27个注释有功能且在2个亲本间编码区存在非同义突变的基因。根据候选基因SNP的类型对RILs群体家系进行基因等位型分类和效应分析, 发现5个基因不同等位型的RILs群体家系高温处理后的幼苗存活率存在显著差异, 推测可能为候选基因, 可用于后续水稻高温耐性的分子机理研究。

植物生长调节剂是天然或人工合成的化学物质, 它们不仅对作物的生长发育具有重要调节作用, 还能提高植物的抗逆性。为研究不同植物生长调节剂对盐碱胁迫下小麦(Triticum aestivum)生长发育的影响, 探索提高盐碱地作物产量的方法, 在2023-2024年间, 于黄河三角洲农业高新技术产业示范区的盐碱地开展小麦喷施试验。试验分为4组, 包括蒸馏水对照组、0.5%褐藻寡糖组、植物黄金组以及0.5%褐藻寡糖与植物黄金的混合喷施组, 分别于2024年3月28日、4月12日、4月28日和5月12日对小麦进行喷施。结果表明, 喷施褐藻寡糖与植物黄金的混合物后, 小麦的穗粒数和百粒重显著增加。特别是混合喷施组, 其盐碱地小麦的产量达每公顷1 174.5 kg, 较单独喷施褐藻寡糖组和植物黄金组分别提高了14.4%和46.9%。综上表明, 褐藻寡糖与植物黄金联合应用能显著提高小麦在盐碱地的适应性, 显示出其在盐碱地小麦生产中的重要应用潜力。

烟酰胺单核苷酸(NMN)具有抗癌和抗衰老等重要生物活性。植物中NMN含量低, 阻断其降解途径是提高NMN含量的有效方式, 而植物中NMN降解途径尚不清晰。从羽衣甘蓝(Brassica oleracea var. acephala)中克隆到8个5′-核苷酸酶候选基因, 对其编码产物进行生物信息学分析, 利用大肠杆菌表达系统纯化蛋白。系统发育分析表明, 5′-核苷酸酶在植物中保守存在, 暗示其在调控核苷酸代谢中可能发挥重要作用。通过体外酶促反应分析了这些5′-核苷酸酶的催化性能, 结果表明, 羽衣甘蓝中5′-核苷酸酶BolN2、BolN5-X1和BolN6能够催化NMN降解生成烟酰胺核糖(NR)。此外, BolN2、BolN5和BolN6还能够催化烟酸单核苷酸、嘌呤和嘧啶核苷酸水解, 表明其具有广泛的底物适应性。研究揭示了羽衣甘蓝5′-核苷酸酶的催化特性, 为阐明甘蓝中NMN的降解途径, 进而创制高NMN含量的甘蓝新种质奠定了基础。

AHL (AT-hook)蛋白家族在植物生长发育、器官构建、逆境胁迫及植物激素信号应答中发挥关键作用。为揭示菠菜(Spinacia oleracea) AHL基因家族的生物学功能, 在基因组范围内对SoAHL家族成员进行鉴定和分析, 并探究外源水杨酸对其表达水平的影响。结果表明, SoAHL家族包含19个成员, 在6条染色体间不均匀分布, 系统发育树将其分为2个亚族, I、II亚族分别包含10、9个SoAHL成员; 不同亚族间PPC和AT-hook保守基序序列组成有差异; SoAHL主要定位在细胞核、细胞质和线粒体; SoAHL I亚族成员无内含子, II亚族成员含4-5个内含子; SoAHL启动子上游分布有不同数量的植物激素和非生物胁迫响应相关顺式作用元件。SoAHL成员在根、叶片及叶柄中均有表达, 大多数在根中表达水平较高。水杨酸处理条件下, SOV6g041850.1和SOV2g038950.1受水杨酸显著诱导; SOV2g031340.1和SOV4g018880.1主要在地上部表达, 与叶酸含量的组织分布特征相似。瞬时过表达SOV4g018880.1能提高菠菜叶酸含量1.75倍。研究结果可为进一步解析SoAHL的功能奠定基础。

植物肌醇半乳糖苷合成酶(GolS)是棉子糖家族寡糖(RFOs)生物合成途径中的关键酶, 为棉子糖系列寡糖提供活化的半乳糖基, 调控植物体内棉子糖系列寡糖的生物合成与积累, 在植物响应非生物胁迫中发挥重要作用。然而, 关于紫薇(Lagerstroemia indica) GolS (LiGolS)家族基因的分子结构特征未见报道。该研究在紫薇全基因组水平鉴定了13个LiGolS基因, 并对其理化性质、染色体定位、进化关系、基因结构、保守基序以及盐胁迫下的表达进行分析。结果表明, 13个LiGolS基因不均匀地分布在10条染色体上, 13个LiGolS蛋白的等电点为4.75-9.45, 分子量为37.69-46.12 kDa, 氨基酸数量为327-404 aa。亚细胞定位预测结果表明, 6个蛋白定位在叶绿体, 1个蛋白定位在线粒体, 5个蛋白定位在细胞质, 1个蛋白定位在液泡。13个基因含有的外显子数目为0-4。盐胁迫下LiGolS的表达分析表明, LiGolS家族基因均表现出不同程度的表达上调, 表明这些基因可能参与紫薇的盐胁迫响应。研究结果为解析紫薇GolS基因功能奠定了基础。

短穗竹(Brachystachyum densiflorum)是中国特有种。近年来, 由于气候变化和人类活动加剧, 短穗竹栖息地遭到破坏, 破碎化加剧, 居群数量呈减少趋势。该研究对短穗竹6个居群36个个体开展简化基因组测序(RAD-seq), 获得了16 583个单核苷酸多态性(SNPs)位点, 据此评估短穗竹居群遗传结构, 并整合景观遗传学和物种分布模型, 探讨短穗竹对气候变化的适应机制。结果表明, 短穗竹具有中等水平的遗传多样性(PIC=0.722 5, Ho=0.087, He=0.284 3, π=0.317 5), 将不同居群划分为2组, 各居群间存在中度分化(F_ST=0.102)和较高的基因流(Nm=2.442)。基因型-环境关联分析表明, 短穗竹对气候的局部适应推动2个组的分化, 温差、低温和降水共同驱动遗传变异, 筛选出544个与温差、低温(Bio2、Bio6、Bio11和Bio7)和降水量(Bio19)显著相关的适应性位点。物种分布模型显示, 从末次盛冰期到当前, 短穗竹明显向北迁移, 且其分布面积增加了89.5%。预计在2021-2040年和2041-2060年2个时段适生区波动较小, 2061-2080年适生区范围缩小, 安徽境内高适生区部分衰退和破碎化。研究结果为短穗竹的保护利用提供了理论依据。

为建立高效的野葛(Pueraria lobata)毛状根遗传转化体系, 以野葛组培苗为外植体, 探讨不同因素对野葛毛状根遗传转化效率的影响。结果表明, 基因型是建立野葛毛状根高效遗传转化体系的主要限制因子; 发根农杆菌K599为最适宜的菌株; 以培养5-13代组培苗继代培养8天、第1-2节位刚展开的幼嫩叶片为最佳外植体材料, 预培养3天, 菌液侵染15分钟, 毛状根诱导率最高, 可达22.4%。野葛毛状根继代增殖的最佳培养基类型为固体培养基, 其毛状根鲜重是液体培养基中毛状根鲜重的75倍; PCR检测和荧光显微观察结果显示, GFP及rolB基因在野葛毛状根基因组中稳定表达, 共转化率为80%。研究初步建立了发根农杆菌介导的野葛毛状根遗传转化体系, 旨在为野葛基因功能研究奠定基础。

外界环境对植物生长发育产生至关重要的影响, 近年来频繁出现的极端气候严重威胁植物生长发育。明确植物抗逆调控机制对于保障植物生存和发育(特别是经济作物的产量)具有重要意义。基因可变剪接是一种重要的转录后调控机制, 对于植物基因功能的多样性与抗逆性均具有重要作用。目前已在不同植物中鉴定出多种抗逆相关基因可变剪接体, 并阐明部分基因可变剪接介导的植物抗逆调控机制, 有效奠定了植物抗逆研究的相关理论基础。因此, 挖掘和鉴定更多抗逆基因在非生物胁迫下的可变剪接调控机制对于植物抗逆研究具有重要意义。该文综述了植物基因可变剪接类型以及剪接机制, 重点阐述了非生物胁迫下相关基因可变剪接介导的植物抗逆研究进展, 展望了未来的研究方向。

作为太阳光的固有成分, UV-B对植物生长发育有重要影响。随着对UV-B研究的深入, 人们认识到UV-B不仅是环境胁迫因子, 还是植物生长过程中的重要信号分子, 适度的UV-B辐射对植物生长具有促进作用。UVR8是UV-B特有的光感受器, 在植物响应UV-B过程中发挥不可替代的作用, 且其功能受上、下游转录因子调节。目前, 已知BBX、WRKY、MYB和PIF等多种转录因子参与调控UV-B辐射下的下胚轴伸长、主根长度、叶片大小及形态、开花周期和花青素合成等过程。该文主要综述了UVR8在UV-B信号通路中的分子机制, 并对转录因子在UV-B辐射过程中的调控机理进行总结, 以期为相关研究提供参考。

香豆素类化合物是一类以苯并吡喃酮为母环结构的酚类化合物, 可分为简单香豆素和复杂香豆素, 广泛存在于自然界的高等植物中。研究表明, 缺铁条件下, 植物根部分泌的简单香豆素类化合物能够促进铁离子的吸收。该文对近年来发现和鉴定的植物缺铁诱导型香豆素合成及调控相关基因研究进展进行综述, 进一步详细阐述缺铁诱导型香豆素的生物合成、储存、分泌及其调控机制, 探讨其促进植物铁吸收的分子机制。同时, 展望该领域未来的研究方向。

植物器官脱落是植物体的器官部分从母体脱离的现象, 是植物在生长发育和响应环境变化过程中进化出的一种适应性策略, 以确保植物正常生长和适应环境。该过程涉及离层区形成、特定信号激活以及细胞分离, 同时还受自身生理进程以及光照、温度和湿度等外部环境因素的显著调节。在农业生产实践中, 植物器官脱落直接影响作物的产量。研究植物器官脱落的调控机理对于进一步提高作物产量具有重要意义。近年来, 关于器官脱落机理的研究取得了显著进展。研究表明, 植物器官在脱落机制上具有保守性, 但不同物种间也表现出显著差异。该文深入探讨了植物器官脱落的生理生化机制, 分析了不同环境因素以及激素和酶对其的影响, 旨在为作物遗传育种和农业生产提供理论支撑和实践指导。