SPL是植物特有的一类转录因子, 其蛋白结构中存在一段由2个锌指结构和核定位序列构成的高度保守的SBP结构域, 多数SPL基因的转录表达受microRNAs剪切调控。该文结合当前SPLs转录因子的研究进展, 对其在植物生长发育和环境适应等方面的生物学功能进行综述, 并对SPLs的研究前景进行展望。

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。

玉米(Zea mays)是集粮食、饲料和工业原料于一身的重要农作物。开花期是作物适应不同生态环境及产量的关键决定因素。玉米开花期由营养生长时相转变和成花转变决定, 是植物内部因素(遗传因子和植物激素等)和外部环境因素共同作用的结果。鉴于玉米开花期性状的重要性, 该文从控制玉米开花期2次时相转变的组织结构基础、生理基础、遗传基础以及分子调控机理等方面系统总结了玉米开花期的遗传调控机制, 以及关键开花调控因子对玉米区域适应性的重要性, 并对玉米花期性状研究和应用的重点方向进行了讨论, 旨在加深我们对玉米开花期遗传调控的理解, 为培育广适的玉米新品种提供理论依据。

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。

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。

核黄素是生物体维持正常代谢所必需的辅酶因子FMN和FAD的合成前体, 其在线粒体电子传递链、三羧酸循环、脂肪酸β氧化、支链氨基酸分解代谢、氧化还原稳态、染色质重塑、DNA修复、细胞凋亡和次生代谢产物合成中发挥关键作用。核黄素缺乏会引发机体代谢紊乱和一系列表型缺陷, 严重时甚至导致生物体死亡。自然界生命体中仅微生物和植物可以从头合成核黄素, 而人和动物需从食物中获取核黄素。目前, 微生物中核黄素的合成及其调控机制已研究得比较清晰, 而核黄素在植物体内转运和代谢的调控机制尚不清楚。因此, 挖掘核黄素缺乏相关突变体对解析植物核黄素生物合成、转运和代谢的分子机制以及其对植物生长发育的调控机理具有重要意义。该文综述了核黄素的生物合成途径及其关键限速酶, 重点阐述了核黄素参与的植物生长发育过程, 并展望了植物核黄素的研究前景。

为研究大豆(Glycine max)株型发育形成的分子机制, 以大豆“Williams 82”为材料, 分别取长短日照下不同发育时期植株的顶芽和腋芽, 提取RNA后等量混合, 采用Gateway方法构建酵母双杂交核系统cDNA文库, 并对文库进行了转录本多样性分析。实验结果表明, 构建的文库库容为1.2×10⁷ CFU, 插入片段重组率达100%且平均长度大于1 000 bp, 包含29 170个基因, 符合建库的标准, 可用于后续酵母双杂交的筛选。以大豆开花期和株型重要调控因子SOC1a为诱饵, 构建pGBKT7-SOC1a诱饵蛋白表达载体, 经毒性和自激活活性检测后, 利用构建的大豆顶芽和腋芽cDNA文库进行筛选, 共获得32个阳性克隆。进一步通过DNA测序及BLAST比对和功能注释分析, 得到14个与SOC1a互作的候选蛋白。其中, 克隆了5个候选蛋白, 并将其编码基因构建到pGADT7载体上, 然后分别与pGBKT7-SOC1a进行一对一的回转验证, 实验结果显示其中2个候选蛋白与SOC1a发生互作。进一步通过免疫共沉淀和荧光素酶互补实验证明了SEP2蛋白和SOC1a蛋白的互作关系。综上, 本研究成功构建了大豆顶芽和腋芽酵母双杂交核系统cDNA文库, 鉴定到的与SOC1a互作的蛋白将为从分子水平探究SOC1a调控大豆株型发育的机制提供理论基础。

Three new halimane furanoditerpenoids (1-3) and three new clerodane furanoditerpenoids (4-6), along with seven known terpenoids including four pimarane diterpenoids (7-10) and three norisoprenoids (11-13) were isolated from the 95% EtOH extracts of the plants of Croton cnidophyllus. The 2D structures including absolute configuration of new furanoditerpenoids (1-6) were elucidated by analysis of their HRMS and NMR data as well as comparison of experimental and calculated ECD curves. Bioassay revealed that two compounds (8 and9) possessed certain inhibitory effects against NO production stimulated by LPS, with IC₅₀ values of 19.00±1.76 and 21.61±1.11 μM, respectively.

植物产生的次生代谢产物为人类提供了丰富的药物、香料和工业原料。随着分子生物学和基因组学研究的快速发展, 目前已解析了多种植物的次生代谢产物生物合成基因簇(BGCs)。这为我们快速获取目标产物的生物合成通路和发掘新颖的天然产物开辟了新路径。该文重点围绕植物次生代谢产物生物合成基因簇的定义和特点、基本结构模型与演化以及调控机制等进行综述, 以期为相关研究提供理论依据和借鉴。

氮素作为植物生长发育所需的大量元素, 对植物生长发育及作物产量具有重要作用。施入氮肥是植物及作物的主要氮素来源。面对当下过度施肥造成面源污染加剧的现状, 提高作物氮素利用效率, 实现“减肥增产”的绿色增产增效模式, 是促进我国农业可持续发展及保障国家粮食安全的重要措施。当土壤氮匮缺时, 硝酸盐转运蛋白NRT2家族成员对根系吸收及转运硝酸盐至关重要, 其中NRT2.1在植物缺氮时主要负责根部的硝酸根吸收。该文重点总结了模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)及重要粮油作物中NRT2家族蛋白特别是NRT2.1的功能及调控机理研究进展, 旨在为后续挖掘NRT2在提高作物产量方面的潜力及分子调控机制研究提供重要依据。

Since the identified standard genetic code contains 61 triplet codons of three bases for the 20 L-proteinogenic amino acids (AAs), no D-AA should be found in natural products. This is not what is observed in the living world. D-AAs are found in numerous natural compounds produced by bacteria, algae, fungi, or marine animals, and even vertebrates. A review of the literature indicated the existence of at least 132 peptide natural compounds in which D-AAs are an essential part of their structure. All compounds are listed, numbered and described herein. The two biosynthetic routes leading to the presence of D-AA in natural products are: non-ribosomal peptide synthesis (NRPS), and ribosomally synthesized and post-translationally modified peptide (RiPP) synthesis which are described. The methods used to identify the AA chirality within naturally occurring peptides are briefly discussed. The biological activity of an all-L synthetic peptide is most often completely different from that of the D-containing natural compounds. Analyzing the selected natural compounds showed that D-Ala, D-Val, D-Leu and D-Ser are the most commonly encountered D-AAs closely followed by the non-proteinogenic D-allo-Thr. D-Lys and D-Met were the least prevalent D-AAs in naturally occurring compounds.

MicroTom番茄(Solanum lycopersicum cv. ‘MicroTom’)是一种矮化模式植物, 因其具有较短的生命周期和清晰的遗传背景而广泛应用于植物基因功能研究。传统基于组培的MicroTom番茄遗传转化技术存在效率低、转化周期长及操作复杂等缺陷, 限制了该体系的应用。该研究以2周龄MicroTom实生苗为材料, 在切除顶端子叶与真叶后, 用根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)菌液浸润下胚轴切口并诱导再生芽, 成功构建了一套高效的MicroTom番茄非组培遗传转化体系。结果显示, 切口处再生芽阳性率为28.6%, 4–5个月即可收获T0代番茄种子, T1代植株中外源基因表达比例达73.5%。与传统组培遗传转化体系相比, 该MicroTom番茄非组培转化体系转化效率显著提高, 转化时间短且操作流程简捷, 为番茄果实性状基因功能解析提供了高效的技术平台, 同时对加快番茄分子育种进程具有重要实践意义。

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。

由于纳米尺寸效应和卓越的物理化学性质, 工程纳米材料(ENMs)广泛应用于生产和生活的各个领域。在农业生产领域, ENMs对高等植物生物及生态效应的风险评估备受关注。为全面认识和了解ENMs对生态系统中高等植物的影响, 该文综述了农业中常用的几种ENMs (主要包括金属、金属氧化物和碳基纳米材料)对高等植物生长的影响及作用机制, 探讨了ENMs对植物生物学效应的主要影响因素, 包括植物种类和生长介质及ENMs粒径、形状、表面特性、浓度和处理时间。同时, 从真实土壤环境、长期低剂量效应和植物吸收转运等方面对ENMs与高等植物互作研究进行了展望, 以期为ENMs在农业生产上的高效利用提供参考依据。

生物体为适应外界不断变化的光环境, 进化出不同的光受体, 其中光敏色素是一类经典的植物感受红光和远红光的受体蛋白, 其通过暗适应的Pr状态和光激活的Pfr状态之间的光转换来检测红光和远红光。植物光敏色素具有1个保守的N端感光区域和1个C端调节区域, 其中N端部分包括NTE、PAS、GAF和PHY亚结构域, C端部分包括2个PAS结构域和1个组氨酸激酶相关结构域(HKRD)。为深入了解光敏色素的结构及功能, 已获得许多光敏色素功能缺失或氨基酸位点突变体, 并对其进行功能研究, 发现N端结构域在光敏色素的光谱特性、光信号感知和光信号转导等方面均具有重要作用; 而C端结构域是光敏色素的二聚化与核定位所必需。该文综述了拟南芥(Arabidopsis thaliana)中光敏色素B (phyB)各亚结构域中氨基酸位点突变对其功能的影响, 以期深入理解phyB的结构及功能, 为未来通过基因编辑手段进行作物农艺性状的遗传改良奠定基础。

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。

枸杞(Lycium barbarum)是重要经济林树种, 其扦插繁殖效率与不定根形成密切相关, 但枸杞不定根形成相关分子机制尚不明确, 制约了枸杞的规模化繁育及高效利用。为探究枸杞不定根发生的转录组差异, 本研究以3种生根能力差异的枸杞种质为材料, 通过水培试验分析其不定根发生过程中的转录水平差异。结果显示, 转录组测序分析鉴定出6448个差异表达基因(DEGs), 其中L-vs-H组DEGs数量最多, 达4413个, 包括上调2583个和下调1830个。转录因子分析鉴定出281个转录因子, 以MYB、AP2/ERF和bHLH家族为主, 且表达模式存在差异。GO富集分析发现1714个DEGs被富集到32个GO条目中, KEGG富集分析表明DEGs主要富集于苯丙烷生物合成和植物激素信号转导通路。其中, MYB19 (Lba07g01820)是苯丙烷通路中的核心基因, TIR1 (Lba08g00069)是植物激素信号转导通路中的核心基因, 它们在枸杞不定根发生过程中发挥重要作用。qRT-PCR验证了转录组数据的可靠性。本研究首次在枸杞中解析了不定根形成的转录调控网络, 为木本植物根系发育机制提供了新见解, 初步揭示了枸杞不定根形成的分子机理, 为枸杞及其他木本植物的遗传改良奠定了重要的理论基础。

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。

植物表皮在调节光合作用、呼吸作用、热量散失和水分利用等方面发挥重要作用。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)等双子叶植物中, 气孔发育机理研究取得显著进展, 报道了3个非常重要的bHLH正调控转录因子(SPCH、MUTE和FAMA), 它们在气孔系细胞分裂与分化的不同阶段特异表达, 分别与转录因子SCRM/ICE1和SCRM2/ICE2形成异二聚体, 共同调控气孔细胞系在3个分裂阶段的细胞形态转换和变化, 最终发育形成气孔复合体。然而, 在单子叶植物尤其是禾本科植物玉米(Zea mays)中, 调控表皮形态建成的基因研究较少。该文利用反向遗传学手段分离到2个单基因隐性遗传突变体Zmice1-1 (inducer of cbf expression1-1)和Zmice2-1, 与对照B73相比, Zmice2-1植株矮小, 叶片黄化, 育性降低, 叶片气孔密度和气孔指数极显著降低, 打破了1个气孔间隔1个表皮长细胞的排列模式; Zmice1-1从五叶一心期开始叶片逐渐发黄, 后期全部黄化, 生长停滞, 纯合不育, 其叶片气孔密度与对照无显著差异。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得不同位点的等位突变体, 表型鉴定发现Zmice2-2具有气孔异常表型, 并且与Zmice2-1的气孔表型类似, 表明ZmICE2参与调控气孔发育。B73和Zmice2-1的转录组分析表明, ZmICE2主要通过影响细胞分裂和分化来调控气孔发育, 参与玉米表皮形态建成。研究结果有助于进一步完善玉米表皮形态建成机制, 并为提高农作物的抗逆性和产量性状的遗传改良提供了有益的基因资源。

With various potential health-promoting bioactivities, genistein has great prospects in treatment of a series of complex diseases and metabolic syndromes such as cancer, diabetes, cardiovascular diseases, menopausal symptoms and so on. However, poor solubility and unsatisfactory bioavailability seriously limits its clinical application and market development. To optimize the solubility and bioavailability of genistein, the cocrystal of genistein and piperazine was prepared by grinding assisted with solvent based on the concept of cocrystal engineering. Using a series of analytical techniques including single-crystal X-ray diffraction, powder X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry and thermogravimetric analysis, the cocrystal was characterized and confirmed. Then, structure analysis on the basis of theoretical calculation and a series of evaluation on the stability, dissolution and bioavailability were carried out. The results indicated that the cocrystal of genistein and piperazine improved the solubility and bioavailability of genistein. Compared with the previous studies on the cocrystal of genistein, this is a systematic and comprehensive investigation from the aspects of preparation, characterization, structural analysis, stability, solubility and bioavailability evaluation. As a simple, efficient and green approach, cocrystal engineering can pave a new path to optimize the pharmaceutical properties of natural products for successful drug formulation and delivery.