近年来, 植物逆境生物学领域在极端温度与盐碱胁迫响应机制研究方面取得了重要进展, 不仅拓宽了我们对植物抗逆性的理解, 还为分子育种提供了丰富的靶点, 为培育顺境高产、逆境稳产的“气候智能”作物品种开辟了新途径。该文简要总结了植物感知和转导极端温度与盐碱胁迫信号的分子机制, 讨论了植物生长发育与胁迫耐受的平衡调控, 着重介绍了我国科学家近期在协同提高作物耐逆与产量的关键基因挖掘和机制解析方面的突破性成果, 并提出了未来的育种策略。

铁硫[Fe-S]簇作为铁硫蛋白的辅助因子广泛参与光合作用、呼吸作用和电子传递等多种生物学过程, 并参与合成一些必需的维生素和辅助因子等。其在细胞内的生物合成受到一系列蛋白的催化和调控, 并被区隔在不同的亚细胞结构中。线粒体是细胞能量代谢的主要场所, 其中许多关键代谢酶是铁硫蛋白, 需要线粒体铁硫簇组装系统ISC (iron-sulfur cluster)提供铁硫簇。目前, 得益于细菌和酵母中的相关研究成果, 植物线粒体ISC系统中的重要催化和调控蛋白的鉴定与功能分析, 以及铁硫簇在植物生长发育中的功能研究取得了长足进步。对铁硫簇合成系统中植物特有组分的发掘与鉴定, 以及铁硫簇合成系统响应环境胁迫的机制也日益引起人们的重视。该文对植物铁硫簇合成机制特别是线粒体ISC合成系统的研究进展进行总结, 同时对ISC合成系统的重要基因在植物生长发育和非生物胁迫响应中的作用进行了简要综述。

叶色突变体是研究光形态发生、叶绿体发育、叶绿素代谢和光合作用机制等多种生理过程的理想材料。该研究从黄瓜(Cucumis sativus) XYYH-2-1-1株系自交后代中获得1个新的黄化致死突变体ycl (yellow cotyledon lethal)。该突变体自幼苗出土后子叶一直呈黄化状态, 约2周后枯萎死亡, 其生长抑制表型为非光依赖型。与野生型相比, ycl突变体的Chl a和Chl b含量趋于零, 叶绿素生物合成途径中Mg²⁺螯合过程受阻。显微和超微结构分析发现, ycl叶片组织紊乱、叶绿体发育受阻。ycl的抗氧化酶活性及丙二醛含量显著升高, 说明其受到氧化胁迫, 且抗氧化能力强。ycl净光合速率极显著降低, 胞间CO₂浓度上升, 推测ycl光合速率降低源于气孔导度降低、叶绿素含量减少和叶绿体发育受阻。转录组学分析表明, ycl与其野生型间存在337个差异表达基因, 光合作用、类黄酮生物合成、叶绿素代谢和活性氧代谢是导致ycl黄化致死表型形成的关键途径。通过BSA-Seq分析, ycl突变基因初步定位于3号染色体的1.48-1.9 Mb区间, 内含41个候选基因。对ycl突变体的研究为阐明黄瓜叶绿体发育的分子机制提供了参考。

由于育种目标的差异, 使得东北粳稻(Oryza sativa subsp. geng or japonica)在单产水平上比日本粳稻更具优势, 而日本粳米食味品质则明显优于中国粳米。明确中日粳米间食味品质差异的遗传基础, 对于培育高产优质兼顾的粳稻具有重要意义。以274份中日粳稻为研究材料, 应用质构参数量化食味品质, 并将诸多参数降维后结合全基因组关联分析揭示影响中日粳米食味差异的遗传基础。结果表明, 中日粳稻食味值的显著差异体现在粘力(adhesion force, ADF)、第一可恢复形变循环(first recoverable deformation cycle, FRDC)和弹性指数(elasticity index, EI)三个质构特征参数上。同时, 食味值与30个质构特性指标相关性分析表明, 24个指标与米饭食味之间呈显著或极显著相关性。将30个质构特性指标降维为4个可解释群体80%表型变异的主成分, 通过对其特征值进行全基因组关联分析挖掘到2个影响中日粳米质构特性的主效位点qFPC4.3与qFPC9.2。该研究从质构角度量化了食味品质参数, 由此解析了中日稻米食味品质特性差异的遗传基础, 为我国粳稻食味品质遗传改良提供了有价值的遗传信息和理论依据。

植物根系在生长发育过程中响应各种非生物胁迫, 包括干旱、重金属、盐、冷、热以及生理性缺素等, 其中土壤结构特别是土壤紧实度会影响根系的生长与形态, 进而影响作物产量。高尔基体通过囊泡分泌参与根系的生长以及响应非生物胁迫。然而, 高尔基体如何参与根系响应土壤紧实度的机制还不清楚。前期研究发现拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtFTCD-L定位在高尔基体反面(trans Golgi network, TGN)上, 参与囊泡的分选和/或分泌, 调节根冠外周细胞中的黏液成分。在前期研究的基础上, 模拟土壤高紧实度生长条件, 观察稳定表达PINs-GFP的纯合体拟南芥植株表型, 通过观察生长素相关荧光信号, 发现AtFTCD-L突变体根尖以及根尖细胞在纵向上短于野生型等材料, 而在横向上宽于野生型等材料, 并且细胞形态明显异常。通过对PINs相关材料进行荧光信号收集, 发现突变体植株中PIN7低表达或不表达。综上表明, AtFTCD-L在拟南芥植株根系中通过调节PIN7的分布或表达来响应土壤紧实度。研究结果为揭示植物根系响应土壤紧实度胁迫的适应机制提供了理论指导。

小檗科十大功劳属(Mahonia)是典型的东亚-北美洲际间断分布属, 在北半球新生代地层中有丰富的叶化石记录。其叶结构特征特殊, 易与其它被子植物类群区分, 有潜力成为一个独特的生物代用指标或模式植物, 用于追踪东亚-北美物种间断分布格局形成过程。传统分类依据叶结构特征将十大功劳属分为掌状脉的东方组和羽状脉的西方组。在前人研究的基础上, 依据详细的叶结构特征将该属进一步细分为东方组的7个叶片类型(Microphylla类型、Japonica类型、Cardiophylla类型、Bodinieri类型、Polyodonta类型、Fortunei类型和Nervosa类型)和西方组的6个叶片类型(Chochoco类型、Dictyota类型、Volcania类型、Pumila类型、Lanceolata类型和Aquifolium类型)。新建的十大功劳属叶结构分型体系将有极大潜力服务于该属化石叶的分型及追踪其叶形态演化和洲际间断分布式样的形成。

黑涩楠(Aronia melanocarpa)因其观赏价值和经济价值而闻名, 但其与其它蔷薇科植物的系统进化关系仍不明确。该研究对黑涩楠叶绿体(cp)基因组进行测序, 并与13个蔷薇科物种的叶绿体基因组进行比较分析。结果表明, 黑涩楠的cp基因组大小为159 772 bp, 呈典型的四分结构; 其中大单拷贝区(LSC)长度为87 810 bp, 小单拷贝区(SSC)长度为19 200 bp, 中间含有2个26 381 bp的反向重复区(IRa和IRb)。共注释到132个基因, 包括87个蛋白质编码基因、37个tRNA和8个rRNA。还检测到76个简单重复序列(SSR)和50个长重复序列。系统进化分析表明, 黑涩楠与红涩楠(A. arbutifolia)的亲缘关系最近, 与榅桲(Cydonia oblonga)是姊妹支系。该研究提供的基因组信息将为后续的系统进化和种群遗传分析以及分子育种提供理论支持。

水杨酸(SA)是植物免疫的关键防御信号分子。植物SA的定量分析对于SA代谢途径及其生物学功能研究至关重要。利用高效液相色谱仪(HPLC)和液相-质谱联用仪(LC-MS)测定SA含量是目前常用方法, 但难以实现高通量测定。水稻(Oryza sativa)中SA合成代谢途径目前尚未完全解析, 高效筛选水稻SA相关突变体对于阐明其代谢途径具有重要意义。该文对已有基于SA生物传感菌株Acinetobacter sp. ADPWH_lux估算SA的分析方法进行了改良, 建立了水稻SA高通量估算方法, 简化了样品采集和提取过程, 省去样品称重、组织研磨及离心等耗时步骤, 整个操作流程便捷且高效。同时, 利用已报道的水稻SA代谢相关遗传材料验证了该方法的可行性, 并使用该方法筛选了钴-60诱变的水稻突变体库, 获得一批水稻SA含量发生显著变化的突变体, 采用HPLC法对突变体内源SA进行了验证。该方法可用于SA代谢突变体的遗传筛选及其代谢相关酶鉴定, 对水稻等作物的SA代谢及生物学功能研究具有重要的应用价值。

菊花品种万代风光(Chrysanthemum × morifolium ‘Wandai Fengguang’)的色素背景适宜利用分子育种技术调控花瓣铁离子浓度进而培育蓝色花, 且其在夏秋两季均可开花, 是研究菊花开花期分子调控机理的重要材料, 但缺少高效的再生体系和遗传转化体系。以该品种为实验材料, 研究不同外植体类型和植物生长调节剂组合对其再生的影响, 并探讨农杆菌介导的遗传转化方法中相关因素对遗传转化效率的影响。结果表明, 适宜菊花万代风光再生的最适外植体为茎间薄层, 最适培养基为MS+1.5 mg∙L^-1 6-BA+0.6 mg∙L^-1 NAA, 分化率为70.06%, 不定芽生成系数为3.37; 实验确定茎间薄层分化和不定芽生根的卡那霉素选择压分别为7.5 mg∙L^-1和5.0 mg∙L^-1。预培养1天、OD₆₀₀=0.8、处理5分钟及黑暗条件下共培养3天为最佳遗传转化体系。经过卡那霉素筛选共获得抗性苗15株, PCR鉴定发现2株阳性苗, 转化效率为13.33%。研究结果为利用这一独特品种资源解析菊花基因功能和进行定向改良的分子育种奠定了基础, 也为其它菊花品种的再生和转化体系建立提供参考。

西印度醋栗(Phyllanthus acidus)是一种生长于热带地区的乔木, 兼具食用和药用价值, 开展其组培快繁技术研究, 可促进其资源的持续开发与利用。以西印度醋栗茎尖为外植体, 对初代培养、继代增殖培养及生根培养方案进行初步筛选。结果表明, 初代培养最适培养基为MS+2.0 mg·L^-1 6-BA+0.2 mg·L^-1 NAA, 外植体诱导萌发率达81.11%; 继代增殖最适培养基为MS+1.0 mg·L^-1 6-BA+0.2 mg·L^-1 IBA, 增殖系数达1.86; 最适生根培养基为MS+1.5 mg·L^-1 IBA, 生根率达83.00%; 炼苗7天后移栽, 移栽基质为珍珠岩:泥炭土:腐殖质=1:1:1 (v/v/v), 成活率为90%。从接种外植体到获得再生植株约90天。研究结果为西印度醋栗的资源保护与产业化应用提供了技术支持。

功能基因表达是连接基因编码信息与蛋白质产物的一个基本生命过程, 基因表达水平被视为介于基因型与表现型之间的一种数量性状, 在植物应对气候和环境变化时发挥重要作用。该文首先系统综述了植物基因表达调控因子研究进展, 包括转录因子和小RNA等在基因表达调控中的作用。其次, 探讨了基于基因表达数据进行全基因组关联分析(GWAS)估计调控因子基因的表达数量性状基因座(eQTLs)位置以及该方法的局限性。随后从理论上分析了在突变、漂变、选择和迁移过程中的种内基因表达变异与检验方法, 在突变-漂变过程中以及在基于系统发育树的漂变-选择过程中的种间基因表达进化与检测方法。最后, 探讨了植物交配系统对基因表达进化的调控, 自交降低了有效群体大小、突变率、基因重组及外源花粉竞争, 改变了配子与合子阶段的自然选择功效等, 从而间接调控种内基因表达变异和种间基因表达进化。全文综合评述了目前的理论和实际研究进展及存在的问题, 有助于深入理解植物基因表达调控和进化机制。

SWEETs是一类新发现的双向糖转运蛋白, 其家族成员在各种生物体中广泛存在。在植物中, 不同进化分支的SWEETs成员对转运已糖(葡萄糖、果糖和半乳糖)和蔗糖具有特异性, 通过特定的糖信号转导对生长发育和生理过程产生影响。该文重点综述了SWEETs转运蛋白响应生物和非生物胁迫的功能, 系统总结了SWEETs在转录水平、蛋白翻译后水平以及多种信号转导途径中响应环境胁迫的调控机制, 旨在为揭示SWEET转运蛋白的复杂生物学功能及其作用机制提供新的视角, 为未来植物抗逆研究和高产抗病作物分子育种提供有价值的参考。

高校作为培养高素质人才的重要基地, 承担着通过推动教育模式改革培养创新型人才的使命。高校植物科学领域创新型人才传统培养模式存在教学形式与内容陈旧、理论与实践相分离、培养模式不规范以及评价体系不合理等结构性短板。学科竞赛作为深化教学改革的重要载体, 在创新意识、创新思维、创新精神及创新素质与能力4个层面, 对学生创新潜能的激发与创新能力的锻炼具有显著的推动作用。该文以浙江师范大学生命科学学院本科生培养模式为例, 探讨如何将学科竞赛有机融入植物科学领域创新型人才培养方案, 从课程建设、管理体系、师资队伍、激励与评价机制等多角度提出了具体的实施策略, 并展示了育人实践成效, 以期为同类院校植物科学领域创新型人才培养提供借鉴参考。