Self-incompatibility (SI) is an intraspecific reproductive barrier widely present in angiosperms. The SI system with the broadest occurrence in angiosperms is based on an S-RNase linked to a cluster of multiple S-locus F-box (SLF) genes found in the Solanaceae, Plantaginaceae, Rosaceae, and Rutaceae. Recent studies reveal that non-self S-RNase is degraded by the Skip Cullin F-box (SCF)^SLF-mediated ubiquitin–proteasome system in a collaborative manner in Petunia, but how self-RNase functions largely remains mysterious. Here, we show that S-RNases form S-RNase condensates (SRCs) in the self-pollen tube cytoplasm through phase separation and the disruption of SRC formation breaks SI in self-incompatible Petunia hybrida. We further find that the pistil SI factors of a small asparagine-rich protein HT-B and thioredoxin h together with a reduced state of the pollen tube all promote the expansion of SRCs, which then sequester several actin-binding proteins, including the actin polymerization factor PhABRACL, the actin polymerization activity of which is reduced by S-RNase in vitro. Meanwhile, we find that S-RNase variants lacking condensation ability fail to recruit PhABRACL and are unable to induce actin foci formation required for pollen tube growth inhibition. Taken together, our results demonstrate that phase separation of S-RNase promotes SI response in P. hybrida, revealing a new mode of S-RNase action.

The discontinuous geographic distribution pattern of plants in the north temperate zone has been a focus of biogeographic research, especially concerning the mechanisms behind the formation of such a pattern and the spatial and temporal evolution of this intermittent distribution pattern. Hypotheses of boreotropical origin, land bridge migration, and out-of-Tibet have been proposed to explain the formation of the discontinuous distribution pattern. The distribution of Lonicera shows a typical Europe–Asia–North America discontinuous distribution, which makes for a good case study to investigate the above three hypotheses. In this study, we inferred the phylogeny based on plastid genomes and a nuclear data set with broad taxon sampling, covering 83 species representing two subgenera and four sections. Both nuclear and plastid phylogenetic analyses found section Isika polyphyletic, while sections Nintooa, Isoxylosteum, and Coelxylosteum were monophyletic in subgenus Chamaecerasus. Based on the nuclear and chloroplast phylogeny, we suggest transferring Lonicera maximowiczii and Lonicera tangutica into section Nintooa. Reconstruction of ancestral areas suggests that Lonicera originated in the Qinghai–Tibetan Plateau (QTP) and/or Asia, and subsequently dispersed to other regions. The aridification of the Asian interior may have facilitated the rapid radiation of Lonicera in the region. At the same time, the uplifts of the Tibetan Plateau appear to have triggered the spread and recent rapid diversification of the genus on the QTP and adjacent areas. Overall, our results deepen the understanding of the evolutionary diversification history of Lonicera.

2023年中国科学家在植物科学主流期刊发表的论文数量相比2022年大幅提高, 在柱头受体调控十字花科种内和种间生殖隔离, 叶绿体TOC-TIC超级复合物结构, 作物高产、耐逆及抗病机制, 葡萄和柑橘属植物的起源和传播, 现代玉米、谷子和马铃薯种质资源演化等方面取得了重要研究进展。其中, “农作物耐盐碱机制解析及应用”和“新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵”入选2023年度中国科学十大进展, “植物远缘杂交过程中‘花粉蒙导效应’的分子机制”入选2023年度中国生命科学十大进展。该文总结了2023年度我国植物科学研究取得的成果, 并简要介绍了30项有代表性的重要进展, 梳理了植物科学研究中所使用的实验材料, 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和服务国家重大战略需求。

ChinaMu is the largest sequence-indexed Mutator (Mu) transposon insertional library in maize (Zea mays). In this study, we made significant improvements to the size and quality of the ChinaMu library. We developed a new Mu-tag isolation method Mu-Tn5-seq (MuT-seq). Compared to the previous method used by ChinaMu, MuT-seq recovered 1/3 more germinal insertions, while requiring only about 1/14 of the sequencing volume and 1/5 of the experimental time. Using MuT-seq, we identified 113,879 germinal insertions from 3,168 Mu-active F₁ families. We also assembled a high-quality genome for the Mu-active line Mu-starter, which harbors the initial active MuDR element and was used as the pollen donor for the mutation population. Using the Mu-starter genome, we recovered 33,662 (15.6%) additional germinal insertions in 3,244 (7.4%) genes in the Mu-starter line. The Mu-starter genome also improved the assignment of 117,689 (54.5%) germinal insertions. The newly upgraded ChinaMu dataset currently contains 215,889 high-quality germinal insertions. These insertions cover 32,224 pan-genes in the Mu-starter and B73Ref5 genomes, including 23,006 (80.4%) core genes shared by the two genomes. As a test model, we investigated Mu insertions in the pentatricopeptide repeat (PPR) superfamily, discovering insertions for 92% (449/487) of PPR genes in ChinaMu, demonstrating the usefulness of ChinaMu as a functional genomics resource for maize.

Drought is a major threat to alfalfa (Medicago sativa L.) production. The discovery of important alfalfa genes regulating drought response will facilitate breeding for drought-resistant alfalfa cultivars. Here, we report a genome-wide association study of drought resistance in alfalfa. We identified and functionally characterized an MYB-like transcription factor gene (MsMYBH), which increases the drought resistance in alfalfa. Compared with the wild-types, the biomass and forage quality were enhanced in MsMYBH overexpressed plants. Combined RNA-seq, proteomics and chromatin immunoprecipitation analysis showed that MsMYBH can directly bind to the promoters of MsMCP1, MsMCP2, MsPRX1A and MsCARCAB to improve their expression. The outcomes of such interactions include better water balance, high photosynthetic efficiency and scavenge excess H₂O₂ in response to drought. Furthermore, an E3 ubiquitin ligase (MsWAV3) was found to induce MsMYBH degradation under long-term drought, via the 26S proteasome pathway. Furthermore, variable-number tandem repeats in MsMYBH promoter were characterized among a collection of germplasms, and the variation is associated with promoter activity. Collectively, our findings shed light on the functions of MsMYBH and provide a pivotal gene that could be leveraged for breeding drought-resistant alfalfa. This discovery also offers new insights into the mechanisms of drought resistance in alfalfa.

互惠合作系统的非对称性和不确定性过去的几十年里,尽管对互惠合作系统稳定性的理解取得了较大的进展,但在解释互惠关系如何保持稳定方面仍然存在两个基本问题。(i)如何解决互惠合作双方之间的资源冲突?(ii)当存在不怎么合作和/或完全不合作的共生体时,为什么合作的共生体没有被不合作的个体竞争排斥掉?过去许多关于互惠稳定性的解释都假设互惠合作双方的相互作用是对称的。然而,在大多数共生关系中,宿主和共生体之间的相互作用在不同水平上表现出不同程度的非对称性。本文我们回顾了互惠合作系统中的三种主要的非对称相互作用：(i)收益非对称,也就是合作双方的实力非对称性;(ii)潜在进化速率非对称性;(iii)宿主和共生体之间的信息非对称性。我们认为,互惠合作系统非对称性有助于解释合作和冲突行为的不确定性(合作与竞争的内生不确定性),以及为什么宿主和共生体都呈现出多样化的表型特征,而合作仍可占主导地位。

在被子植物中,多样的花部特征是为了适应各种选择压力和生态功能。到目前为止,对兰科植物花部特征的生态功能研究主要集中在唇瓣,而从未有对苞片的研究。本研究以一种熊蜂授粉并且提供花蜜报酬的地生或附生兰科植物笋兰(Thunia alba)为研究材料,其大而显著形似舟状的苞片包裹着花蜜距和花梗。我们猜想显著的大苞片能够保护蜜距,抵御盗蜜者。为了验证这一假设,我们通过实验去除苞片,记录传粉者和盗蜜者访花行为的变化,并评估了它们对笋兰繁殖成功的影响。研究结果表明,当苞片被去除后,唯一的传粉者短头熊蜂(Bombus breviceps)转变为盗蜜者,并且被盗蜜的花的比例也显著增加。无论是花苞片被去除的处理组还是未处理的对照组,笋兰都是受传粉者限制的。去除苞片对传粉者的访花频率并没有影响,但是显著降低了笋兰雄性和雌性的繁殖成功率。本研究表明,在复杂的授粉限制的环境压力下,大而显著的苞片可以防止花被盗蜜者盗蜜从而提高笋兰的整体适合度。

高寒草甸的能量分配和蒸散发对青藏高原多年冻土区水循环至关重要。然而,能量分配、蒸散发及其驱动因素的季节变化(冻融循环)仍需要明确。因此,本研究在位于青藏高原风火山流域的高寒草甸进行了为期4年的能量通量(包括潜热和感热)观测,并估算了大气边界参数(包括表面导度,解耦系数和Priestley-Taylor系数)。研究结果表明,研究区日均潜热(27.45 ± 23.89 W/m²)和显热(32.51 ± 16.72W/m²)分别占可利用能量的31.71%和50.14%。在降雨期,更多可利用能量被分配到潜热;而在冻结期,67.54 ± 28.44%的可利用能量分配给显热。显热在降雨期间是潜热的一半,而由于冻结期较低的土壤水分含量及植被盖度,显热在冻结期间是潜热的7倍。研究区年均蒸散发为347.34 ± 8.39 mm/year,接近年均降水量。较低的日均解耦系数(0.45 ± 0.23)和Priestley-Taylor系数(0.60 ± 0.29)表明高寒草甸的蒸散发受水分供应限制。然而,在降雨期由于降水充足,蒸散发受到可利用能量的限制。在过渡期,蒸散发和降水之间存在较大差异,表明在该季节上游冰川和雪的融水通过侧向流动补给到土壤中。本研究的结果表明,在未来模拟多年冻土区水和能量通量时应考虑大气边界参数的季节变化。

在全球变化背景下,管控入侵物种是一项具有挑战性的工作。这主要由于从入侵物种的入侵性推断它们的生态危害存在很大的不确定性。更确切地说,入侵性和生态危害的关系可能依赖于所研究的生态系统,同时这种关系还没有在像青藏高原这样独特的高寒生态系统中被研究过。在这项研究中,我们在青藏高原东南部的一个样带上调查了32种入侵植物。我们将这些入侵物种的生态危害分解为分布范围(R)、局部丰度(A)和个体对本地植物群落的影响(E) 3个组分,并研究了植物性状对这些组分的相对贡献。研究结果表明,入侵植物的入侵性(R × A)和其所产生的危害(R × A × E)没有相关性。这表明这些入侵植物的入侵性不能反映它们对本地群落生态危害的严重性。在青藏高原,R和A共同驱动了入侵性,而R单独驱动了生态危害。植物性状并没有通过这3个组分驱动入侵性和生态危害,只有果实类型(主要是浆果)影响了E。我们的结果表明,驱动入侵性和生态危害的组分的不匹配导致了入侵植物的入侵性不能反映它们的生态危害。因此,关于入侵物种的管控应该优先考虑那些分布广泛的物种或者已经被证实会对本地物种产生负面影响的物种。

亲缘选择在植物从营养分配向繁殖分配转变中的潜在作用根据经典的最优繁殖分配理论,植物生长过程中从营养生长向繁殖分配的转变是突然发生的。一些植物确实如此,这也是农作物产量最大化的一种有效策略。然而,自然界很多植物从营养生长向繁殖分配的转变是渐进发生的。一些修正的生物量分配理论也预测了这种渐变趋势。本研究假设亲缘选择能够改变最优分配理论的预测。通过数学模型,我们研究了正负亲缘选择对植物向繁殖器官分配能量起始时间的影响。基于代价与收益的合理假设,当繁殖器官与营养器官起始生物量比值较高时,处于亲缘选择作用下的植物更可能以一种突变的方式实现从营养生长向繁殖生长的转变。经验数据的观测支持我们的理论预测。这一研究在连接植物生活史与能量分配以及提高农业产量方面具有重要意义。

花表面温度对植物繁殖有重要作用,但花表面温度的空间分布规律仍不清楚,尤其是在高山植物中。为探讨花表面温度空间分布,我们分析了青藏高原东北部冷龙岭海拔3200至4000 m的18种植物的热成像照片,发现在直射辐射环境下花或花序表面温度空间变化很大,大多数花或花序的中央温度比边缘高出约1 °C,最大可达11 °C。太阳辐射和花的形状显著影响花表面温度的空间分布,如温度的空间变化范围、空间变化的标准差以及花中心与边缘部分的温度比值。花冠越大,表面温度的空间变异性越高。菊科植物表面花温及其空间变异性都比较高,花中央温度比边缘温度也比其它观测的物种更高更稳定。大多数物种花中央与边缘部分温度的比值随海拔上升而增大。这些结果表明,在高山植物中花或花序中央区域的热积累可能很普遍,其生态和进化意义有待进一步探索。

在干旱胁迫条件下,水稻根系表面能形成根鞘以提高其水分利用效率。根鞘中微生物也具有提高水稻抗旱能力的潜在作用,但是目前对干旱胁迫下水稻根鞘中微生物群落的研究还很少。本研究比较了3种条件下(充分灌溉、干旱胁迫I和干旱胁迫II)的水稻根系性状、根鞘形成和根鞘微生物群落。研究结果表明,充分灌溉处理显著影响土壤微生物组成和共线性网络。干旱胁迫条件能促进一些有益微生物在根鞘中积累, 如髌骨细菌门(Patescibacteria) 、马赛菌属(Massilia) 、类诺卡氏菌属(Nocardioides) 、弗拉特氏菌属(Frateuria)、Angustibacter细菌和篮状菌属(Talaromyces)真菌;此外,干旱也是促进水稻根鞘中有害真菌积累的一个潜在危害因素。这些研究结果表明,根鞘和根鞘微生物都具有提高水稻抗旱性的潜力。在今后的研究中,分离并应用根鞘中的有益微生物,并与科学的灌溉方式相结合,是实现水稻绿色栽培的有效途径之一。

人类面临的一个重要挑战是在为不断增长的人口提供资源的同时,减轻和适应持续的气候和生物多样性危机。生态集约化旨在最大限度地提高作物生产力,同时尽量减少对环境的影响,特别是通过利用生物多样性来改善生态系统功能和服务。许多生态集约化措施是基于生物营养级之间的相互作用(如授粉、生物防治)。在此,我们探讨了生物多样性对生态系统功能的多营养级效应的研究,如何能促进生态集约化措施在农业和林业中的应用。我们综述已有研究报道,并利用文献的定性分析来检验土地利用参数或栖息地复杂性等重要变量如何影响多营养级多样性、生态系统功能以及多营养级生物多样性与生态系统功能的关系。研究结果表明,生物多样性对生态系统功能的正效应在生产系统中普遍存在,主要跨越生态系统功能维度、营养级水平、研究方法和不同的生态系统功能,但存在一定程度的环境依赖性。土地利用和管理对多营养生物多样性和生态系统功能有显著影响。我们在代表性不足的地理区域、生产系统、生物类群和功能多样性测量数据方面发现了知识差距。此外,我们还确定了未来需要更多关注的几个方面,如多种功能之间的权衡、时间动态、气候变化的影响、措施的空间尺度及其实施。这些信息对于确保农业和森林景观在地球环境有限的情况下,持续地为人类生产资源至关重要。

类受体激酶(RLKs)是一类数量庞大的跨膜蛋白激酶家族, 在植物细胞之间以及细胞与环境的信号交流中发挥重要作用。RLKs的胞外区能特异识别并结合胞外信号和环境刺激因子, 并通过与共受体互作将信号传递至细胞内, 从而参与调控植物生长发育及环境适应性。目前已发现水稻(Oryza sativa)基因组至少含有1 131个RLKs成员, 接近于拟南芥(Arabidopsis thaliana)中RLKs数目的2倍。根据胞外区的基序和结构域特征, 水稻RLKs被划分为20多个亚家族。近年来, 虽然有一些RLKs胞外区的配体和激酶区的作用蛋白被相继报道, 但大多数水稻RLKs的生物学功能仍不明确。该文详细总结了近年来有关水稻RLKs结构和功能的重要研究进展, 并展望了RLKs未来的研究方向, 旨在为深入揭示RLKs的功能以及绿色高产水稻分子设计育种奠定理论基础。

时空异质性是造成不同组织功能差异的关键因素, 在细胞命运调控过程中发挥重要作用。时空转录组(stRNA-seq)是一项将定量转录组与高分辨率组织成像相结合的新兴组学技术。它将表达数据锚定到目标器官或组织的物理图上, 并以无偏见的生物信息学方式对组织切片和细胞层进行分子表征, 反映特定细胞内基因的时空异质性表达丰度。受益于高通量测序技术的快速发展, 时空转录组为探究各类细胞基因表达的时空异质性提供了新的实验思路和方法。该文介绍了时空转录组的原理和发展进程, 以及不同时空转录组的技术特点和优劣, 总结了时空转录组在动物、植物和微生物中的应用, 可为今后系统开展时空转录组研究提供理论参考。

木聚糖是广泛存在于各类植物细胞壁中的半纤维素, 对植物生长发育至关重要。许多研究表明, 细胞壁中木聚糖的含量和结构对生物质的加工特性有显著影响。因此, 理解木聚糖的生物合成机制有助于利用基因工程手段对细胞壁进行改良。近10年来, 在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)以及重要粮食和经济作物中鉴定出许多参与木聚糖生物合成的基因。该文综述了相关研究进展, 并探讨了木聚糖生物合成基因在生物质能及相关领域的潜在应用价值。

全球贸易扩张和气候变化促进外来植物的入侵,致使很多生境存在多种入侵植物。然而,入侵物种间如何相互作用,以及调节其相互作用的内在机制仍不清楚。本研究通过温室盆栽实验,探究18种入侵植物的邻近效应对中国中部主要入侵植物小蓬草(Erigeron canadensis)生长的影响。所选取的邻近入侵植物分为3个功能群：禾草类、非禾草类草本和豆科植物。同时,这些邻近入侵植物与小蓬草的系统发育距离存在差异。研究结果表明,小蓬草的生长取决于邻近入侵植物的种类。12种入侵植物抑制了小蓬草的生长,4种入侵植物促进其生长,而其它入侵植物对小蓬草的生长没有影响。此外,小蓬草和邻近入侵植物的功能和系统发育相似性决定小蓬草的生长。豆科入侵植物促进小蓬草的生长,而禾草类植物和非禾草类草本植物抑制小蓬草的生长。虽然促进作用不受系统发育距离的影响,但是抑制作用随着小蓬草与邻近入侵植物系统发育距离的增加不断增强。这些结果表明,小蓬草的成功入侵可能依赖于邻近入侵植物的种类。小蓬草与邻近入侵植物互作关系和驱动机制的研究,有助于制定多种入侵植物防控治理的优先次序。

Tropical forests are among the most productive and vulnerable ecosystems in the planet. Several global forestation programs are aiming to plant millions of trees in tropical regions in the future decade. Mycorrhizal associations are known to largely influence forest soil carbon (C) stocks. However, to date, little is known on whether and how different tree mycorrhizal types affect soil respiration (Rs) and C stocks in tropical forests. In this study, we used a three-decade tropical common garden experiment, with three arbuscular mycorrhizal (AM) and three ectomycorrhizal (EM) monocultures, to investigate the impacts of tree mycorrhizal type on Rs and soil C stocks. Associating biotic (e.g. root biomass, litter dynamic, soil microbes) and abiotic factors (e.g. microclimate) were also measured. Our results showed that AM stands supported significantly higher Rs and soil C stock, litter turnover rate and fine root biomass than EM stands. Further statistical analysis displayed that tree mycorrhizal type was the most important factor in regulating Rs and soil C stock compared with other biotic or abiotic factors. Moreover, we found that mycorrhizal type directly and indirectly affected Rs and soil C stocks via fine root biomass and litter dynamic, i.e. litter production, litter standing crop and litter turnover rate. Our findings highlight important effects of tree mycorrhizal type on forest C cycle, suggesting that planting AM tree species could contribute to promotion of soil C stock in tropical ecosystems.

基因型多样性、干旱、菌根对优势C4植物生产力及功能性状的影响

虽然许多物种的遗传多样性和植物生产力之间的关系已经得到证实，但环境条件和生物群落是否会改变这种关系尚不清楚。针对这一问题，本文研究了基因型多样性、干旱和菌根对植物生产力和植物性状的交互作用。该研究建立在堪萨斯州曼哈顿南部的康扎草原生物研究站。本研究对焦点物种大须芒草(Andropogon gerardii)采用两种水平的基因型丰富度处理：单种栽培和3基因型混合栽培。在试验区的一半以上建立避雨棚进行抗旱处理，并在每个基因型丰富度和抗旱处理的选定盆栽中使用硫菌酯-甲基杀菌剂抑制丛枝菌根真菌的生长。结果表明，基因型丰富度和菌根对大须芒草的地上生物量无显著影响。干旱对大须芒草各基因型地上生物量、成花数和过早结实有不同的影响，而且生物量和功能性状在单独栽培和混合栽培处理中有显著差异。这些研究结果说明，干旱和基因型丰富度对不同基因型的植物有不同的结果。

20世纪后期气候加速变暖促进了北半球树木径向生长
20世纪后期全球加速变暖导致北半球森林衰退事件频发，并增加了树木生长-气候关系的复杂性。然而，关于气候加速变暖前后北半球不同地区树木生长对气候因子响应的异质性研究仍较为缺乏。本研究利用北半球3大洲9个地区共计229条温度敏感型树轮宽度年表分析了气候加速变暖前后不同地区树木生长趋势和气候响应的异质性表现。结果表明：(i)1977–2000年期间，气候加速变暖显著促进了北半球不同地区树木的径向生长，但在1950–2000年期间，不同地区的树木径向生长表现出异质性特征。(ii)1976年后，除北美中部和欧洲北部，北半球树木生长和温度的相关性均显著增加，亚洲地区最为明显。(iii)在1977–2000年期间，9个地区的树木年轮指数与温度均出现了短暂的分离(2–5年)。在1950–2000年期间，各地区树木生长能够更好地追踪到北半球平均温度的变化趋势而不是区域温度。

该文系统综述了我国杂粮种质资源保存、鉴定评价、创新利用、基因资源挖掘研究现状, 以及基础研究存在的问题和挑战, 并提出杂粮研究的重点和发展方向。