病原体侵染严重威胁植物的正常生长发育, 是造成作物减产的主要因素之一。植物免疫系统在植物抵抗病原体侵染中发挥核心作用。自2006年提出植物免疫系统主要由模式触发的免疫(PTI)和效应子触发的免疫(ETI)两层防御体系组成以来, 大量的研究工作聚焦于解析PTI和ETI中的关键受体/共受体、PTI和ETI信号通路的组分及其作用机制、植物免疫激素水杨酸和茉莉素的合成与信号转导, 逐步形成了以病原体识别、活性氧爆发、Ca²⁺内流、MAPK级联信号转导及下游防御基因诱导表达为核心的复杂免疫调控网络。近年的研究表明, 植物免疫相关基因的表达不仅受到转录调控, 其mRNA的稳定性、翻译效率和翻译产物也受到多种转录后调控机制的影响, 包括可变剪接、m⁶A修饰、小RNA、uORF和R-motif。该文概述了植物免疫系统的组成和主要的调控通路及其组分, 详述了转录后调控对植物免疫的影响及病原体对相关调控作用的干扰机制, 梳理了转录后调控元件在作物中的应用, 为保障粮食安全、提高作物抗病性以及分子育种元件筛选提供参考。

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。

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。

三维重建技术(3D reconstruction)是利用计算机图形学和图像处理技术, 从二维图像数据中提取目标物体的几何和拓扑信息, 构建计算机可处理的三维数学模型, 从而实现物体的虚拟重建。在植物学研究中, 三维模型的构建已成为研究植物生长发育、形态结构和功能机制的有效手段, 为多尺度成像、测量和分析提供了有力支撑, 并在农业和林业领域展现出巨大的应用潜力。近年来, 随着植物三维重建技术的不断完善, 其在植物学研究中衍生出不同的应用方向, 涵盖植物形态结构建模、生长发育动态监测以及植物育种等多方面。该文综述了三维重建技术的发展历程及常见的三维重建成像技术在植物不同尺度(从器官、组织到细胞)研究中的应用, 重点阐述这些技术的基本原理及应用, 旨在为植物多模态跨尺度成像以及表型与功能研究提供理论和技术支撑, 为揭示植物生长发育规律及响应环境变化的机制提供新途径。

近年来, 植物抗病免疫研究取得了突破性进展, 包括病原识别、免疫信号转导及植物-病原-介体-环境互作等。这些研究不仅增强了我们对植物抗病免疫的理解, 还为分子育种和分子遗传学研究奠定了坚实的基础。近期, 国内多家单位相继在植物免疫机制研究中取得了令人振奋的新突破, 从植物应对病原的识别机制、次级代谢产物参与植物抗病反应过程、 禾本科作物的抗病模块和基于人工智能的抗病小肽设计等不同层面对植物免疫反应的分子机制进行了深入解析。随着CRISPR/Cas9基因编辑技术和人工智能的快速发展, 这些研究成果将有助于创制具有抗病特性的新种质, 从而加速抗病作物新品种的培育过程, 对于抗病生物育种和国家粮食安全具有重要意义。

水稻(Oryza sativa)细菌性条斑病(BLS)是由稻黄单胞菌稻生致病变种(Xoc)引起的一种重要检疫性病害。该病原菌兼具高度遗传多样性和强传播能力, 在种植集约化及气候变暖的双重驱动下, 在我国南方籼稻主产区持续扩散。该文从以下3个方面系统综述了Xoc-水稻互作机制研究进展。(1) 从病原层面解析了II型分泌系统(T2SS)、III型分泌系统(T3SS)及胞外多糖等关键毒性因子的致病机制, 揭示了致病小种的分化规律; (2) 从寄主层面阐明了PTI/ETI介导的抗病信号通路, 综述了抗病(R)基因克隆与感病(S)基因编辑研究进展; (3) 展望了未来的研究方向, 将致力于深度整合多组学技术系统解析Xoc致病信号网络, 依托泛基因组学规模化挖掘具持久广谱抗性的R基因, 创新构建S基因靶向编辑与植物免疫激活协同增效的绿色防控体系, 为BLS的可持续治理提供系统性解决方案。

由大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)引起的黄萎病是棉花(Gossypium hirsutum)生产中最主要的威胁之一, 其可导致棉花大幅减产和纤维品质严重下降。前期对接种大丽轮枝菌的拟南芥(Arabidopsis thaliana)进行转录组分析, 表明DIR1类蛋白基因AT3G53980.2受病原菌强烈诱导表达。该研究发现, 棉花脂质转移蛋白编码基因GhDIR1 (Gh_A09G180700.1)与AT3G53980.2表现出高度的同源性。生物信息学分析表明, GhDIR1开放阅读框(ORF)为351 bp, 编码116个氨基酸残基。亚细胞定位结果显示GhDIR1定位于细胞膜。分析GhDIR1在大丽轮枝菌V991侵染后的表达模式, 发现其能快速响应大丽轮枝菌侵染。利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术下调该基因表达后, 棉花对黄萎病菌的抗性显著降低。野生型和GhDIR1沉默植株转录组测序结果表明, 差异表达基因主要在类黄酮生物合成、倍半萜和三萜生物合成以及α-亚麻酸代谢3个途径富集; 同时, 荧光定量PCR结果表明, 3个途径中的6个关键基因(GhCHS、GhDFR、GhCAD、GhSEQ、GhLOX和GhAOC)在GhDIR1沉默植株中均下调表达, 与转录组数据一致。推测GhDIR1可能通过介导类黄酮和萜类化合物的合成途径, 并调节茉莉酸(JA)等植物激素的次级代谢来激活相关信号通路, 进而影响植株抗病性。综上, GhDIR1作为棉花抗黄萎病的正向调控因子, 通过参与多种激素和抗病信号网络调控植物的免疫反应。

由于人工驯化与现代育种操作, 普通小麦(Triticum aestivum)的遗传多样性日渐狭窄, 更容易受到病虫害威胁。通过远缘杂交将野生近缘种的抗病基因导入小麦, 有助于拓宽小麦的遗传基础, 为培育抗病品种提供新抗原。十倍体长穗偃麦草(Thinopyrum ponticum)是小麦遗传改良中应用最广泛的近缘物种之一, 对小麦锈病等多种病害表现出良好的抗性。利用远缘杂交和染色体工程, 创制了1份小麦-长穗偃麦草种质材料WTS135, 对叶锈菌(Puccinia triticina)生理小种THTT表现出免疫。系谱分析表明, 其叶锈病抗性来源于长穗偃麦草外源染色体。基因组原位杂交(GISH)-荧光原位杂交分析显示, 1对十倍体长穗偃麦草染色体替换了小麦7D染色体。液相芯片分析表明, 外源染色体属于第7部分同源群, 其近着丝粒区的信号密度及丰度明显较低, 与GISH分析结果互相佐证, 因此推测WTS135是1个7St (7D)的二体异代换系。分子标记检测显示, WTS135携带的抗病基因与已知的长穗偃麦草第7部分同源群抗叶锈病基因Lr19和Lr29不同, 推测有可能为1个抗叶锈病新基因。借助Specific-locus amplified fragment sequencing技术, 开发了10个长穗偃麦草特异引物, 用于快速追踪WTS135中的外源染色质。表型调查显示, WTS135的产量与轮回亲本济麦22无显著差异, 可直接用于小麦的抗病育种。

随着城市园林建设的不断发展, 风景园林专业教育需不断探索新的教学方法, 以提高学生的综合能力, 特别是在实践操作和对知识的运用能力方面。该文以“草坪与地被”课程为例, 探讨了课程的教学内容、教学方法、考核评价及过程性考核材料的设计与应用。研究表明, 课程考核改革通过增加实践性和过程性考核的比重, 显著激发了学生的学习兴趣, 同时有效提升了其实践操作能力, 为今后其它课程改革提供了可论证的借鉴。

为加强野生蕨类植物的保护与开发, 优化星蕨(Microsorum punctatum)孢子萌发方法和条件, 比较分析了不同因素对原叶体增殖、孢子体诱导、绿色球状小体(GGBs)诱导及其发育为幼孢子体的影响, 建立人工高效快繁技术体系。以成熟孢子为材料, 分别以MS、1/2MS、1/3MS和1/4MS为基本培养基在无菌条件下萌发; 通过L₉(3⁴)正交试验, 研究无机盐浓度、植物生长调节剂及其质量浓度对原叶体发生和增殖的影响。当原叶体增殖到一定数量时, 再以MS、1/2MS、1/3MS和1/4MS为基本培养基筛选适宜诱导孢子体的培养基; 随后, 以幼孢子体为材料诱导GGBs发育为新的幼孢子体并炼苗移栽。适宜孢子萌发的培养基为1/2MS, 原叶体在MS+0.3 mg·L^-1 6-BA+1.5 mg·L^-1 NAA培养基中大量增殖, 60天后增殖系数约为9.6; 将原叶体切割后接入1/4MS培养基, 加无菌水培养90天后, 幼孢子体发生系数约为10.0; 幼孢子体在1/2MS+1.5 mg·L^-1 6-BA+0.1 mg·L^-1 NAA培养基中可诱导出GGBs, 诱导率达93.3%, GGBs在此培养基中的增殖系数达32.0; 在1/2MS培养基中GGBs的分化成苗率较高, 最高约为92%; 试管苗经炼苗移栽成活率在90%以上。该研究建立了原叶体-受精-孢子体和幼孢子体-GGBs-幼孢子体2个技术体系, 尤其是GGBs的产生, 极大缩短了植株的再生周期。研究结果可为优质种苗及其它蕨类植物的人工繁育提供技术支撑。

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。

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。

TCP蛋白家族是植物特有的一类转录因子家族, 在植物生长发育及响应胁迫过程中发挥着重要作用。为了解岩白菜(Bergenia purpurascens) BpTCP基因家族的功能, 本研究基于转录组测序数据, 利用生物信息学方法对岩白菜BpTCP基因家族进行了系统鉴定与分析。研究共鉴定出16个BpTCP基因, 可分为2大类, 所有BpTCP基因均含有保守的TCP结构域, 相同进化枝的BpTCP蛋白所含基序类型相似。表达模式分析表明, 不同BpTCP基因在不同组织中的表达水平存在差异。在低温胁迫条件下, BpTCP10、BpTCP1和BpTCP12的表达出现显著变化。BpTCP基因家族表达水平与次级代谢物含量的相关性分析显示, 部分BpTCP基因的表达与黄酮类、酚类等多种代谢物的含量之间存在显著相关性。本研究为进一步探究BpTCP基因在岩白菜生长发育、低温胁迫响应及次生代谢合成途径中的生物学功能奠定了基础。

水稻(Oryza sativa)白叶枯病是危害全球水稻生产的三大主要病害之一, 严重影响水稻的产量和品质。抗性基因的挖掘与利用是防治白叶枯病最有效的途径之一。为挖掘水稻白叶枯病抗性相关的数量性状位点(QTL), 以籼稻华占、粳稻热研2号及其构建的120个重组自交系(RILs)群体为实验材料, 在水稻分蘖盛期接种4种不同的白叶枯病致病小种并评价抗性表型。基于前期构建的高密度遗传图谱进行QTL定位, 共检测到19个QTLs, 其中最大LOD值为5.49。对检测到的QTL区间内候选基因进行筛选, 并利用qRT-PCR进行基因表达水平分析, 发现LOC_Os02g13270、LOC_Os02g13410、LOC_Os02g13420、LOC_Os02g13430和LOC_Os01g12130在双亲间的表达量差异显著, 且在接种白叶枯病菌后受诱导表达, 推测其为调控白叶枯病抗性的重点候选基因。研究结果为白叶枯病抗性相关基因的精细定位和克隆奠定了基础, 对于培育广谱抗病水稻品种有重要意义。

最新研究发现, 茄科植物中的番茄组与类马铃薯组的祖先物种, 通过一次古老的同倍杂交物种形成事件, 产生了具有“马铃薯/土豆”这一创新性状的马铃薯组祖先物种。这一杂交事件不仅带来了关键创新性状, 还触发了新生态位的开拓, 并最终导致马铃薯组物种的爆发式产生。该研究连同近年来的相关案例, 共同揭示了“交替继承双亲高分化等位基因以产生创新性状”这一同倍杂交物种形成分子机制的普适性。这些发现对于修订传统的二分枝物种形成模型以及推动生物人工育种范式的革新具有重要意义。

植物卷须是一种特化的攀缘器官, 在植物的生存与环境适应中发挥关键作用。通过提供结构支撑、增强光能捕获能力以及降低地面资源竞争, 卷须显著提升了植物的生态适应性。卷须由花序、叶片和枝茎等器官衍生而来, 由TCP、HD-ZIP和MADS-box等基因家族调控, 并受到生长素、赤霉素、细胞分裂素和茉莉酸等植物激素的影响。卷须在功能、形态及分子机制上表现出趋同进化现象, 并呈现独立演化特征, 这反映了植物对生存环境的适应策略。该文系统综述了植物卷须的生物学特性和发育的分子机制, 展望了未来卷须形成与调控机制研究应关注跨物种的演化机制、环境信号与植物激素的相互调控等方面。