基因编辑技术已成为现代农业育种领域的重要工具。玉米(Zea mays)是全球最重要的粮食作物之一, 基因编辑技术在玉米中的应用显示出巨大的潜力。该文综述了基因编辑技术在玉米研究中的应用进展, 重点介绍了CRISPR/Cas等系统在玉米基因组编辑中的最新成果。首先, 介绍了基因编辑技术的基本原理和类型, 特别是CRISPR/Cas系统的工作机制及其在玉米中的应用优势。其次, 总结了基因编辑技术在玉米育种中的研究进展, 涵盖从基础的基因组编辑到复杂的多基因编辑, 旨在改良玉米的产量、品质和抗逆性等关键性状。最后, 文章列举了我国在玉米基因编辑方面的杰出工作, 并讨论了基因编辑技术应用于玉米育种中存在的问题, 同时展望了未来发展方向。

水稻(Oryza sativa)是世界上最重要的粮食作物之一。提高水稻抗氧化性, 进而提高抗逆性是保障其高产稳产的重要途径。选用籼稻华占(HZ)和粳稻热研2号(Nekken2)及以其为亲本构建的120个重组自交系(RILs), 分别在分蘖期、灌浆期和成熟期测定亲本及其后代剑叶、颖壳及籽粒中羟基自由基清除率、总酚含量、黄酮含量和花青苷含量, 同时基于已构建的高密度遗传连锁图谱进行数量性状基因座(QTL)定位。结果共挖掘到62个与水稻抗氧化损伤有关的QTLs, 其中LOD值最高达4.36。对这些QTL区间内相关候选基因的表达进行定量分析, 结果表明LOC_Os06g01850、LOC_Os12g07820、LOC_ Os12g07830和LOC_Os03g60509等13个基因的表达在不同时期的双亲间差异显著。研究挖掘到众多与水稻抗氧化性相关的QTLs, 为进一步定位并克隆相关基因, 选育抗性强且营养价值高的水稻新品种奠定基础。

长链非编码RNA (long non-coding RNA, lncRNA)广泛存在于真核生物基因组中, 在维持生物体正常生命活动中发挥重要作用。近年来, 通过高通量测序和生物信息学分析在植物中发掘到大量的lncRNA。已有研究证实lncRNA在调控植物生长发育和逆境响应中发挥重要作用。由于基因组复杂且遗传操作过程繁琐, lncRNA在玉米(Zea mays)中的研究远落后于拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)。玉米作为我国主要粮食作物, 对于保障国家粮食安全至关重要。玉米还是遗传学与基因组学领域重要的模式植物。了解lncRNA在玉米中的研究进展有助于理解lncRNA的生物学功能。挖掘并解析lncRNA参与玉米生长发育和逆境响应的分子调控网络, 可为玉米遗传改良提供新的分子靶点。该文总结了lncRNA的来源、分类和作用机制, 并讨论了玉米中lncRNA的发掘及其在调控生长发育和逆境响应中的生物学功能, 最后展望了lncRNA在玉米中的研究方向。

玉米(Zea mays)是我国第一大粮食作物, 干旱是玉米生长发育过程中主要的非生物胁迫因子, 直接造成玉米产量与品质降低, 甚至威胁粮食安全。目前全球气候变化导致极端天气事件频发, 加剧了对玉米生产的不良影响。因此, 鉴定玉米抗旱种质资源、解析干旱胁迫应答的分子机制和培育抗旱品种至关重要。该文总结了近年来运用全基因组关联分析、数量性状位点基因克隆和多组学联合分析等方法在玉米抗旱性遗传解析方面取得的研究进展, 介绍了玉米抗旱性遗传改良分子设计育种的可能途径, 并对玉米抗旱性遗传解析及改良的发展方向进行了展望。

玉米(Zea mays)是我国种植面积最大和总产量最高的第一大粮食作物, 同时也是杂种优势利用的典范。但与发达国家相比, 我国玉米生产仍然存在着平均单产偏低、突破性品种缺乏和杂交种生产成本高等突出问题。雄性不育系的应用可进一步提高玉米杂种优势的利用效率并最终提高单产。该文综述了玉米雄性不育的分类、基因克隆与机理解析以及分子调控网络构建最新研究进展, 系统介绍了已建立的玉米新型工程核不育技术体系及其应用前景, 为推动玉米雄性发育生物学研究与开展玉米雄性不育杂交育种和制种提供重要参考。

水稻(Oryza sativa)穗部性状与产量直接相关, 其相关基因的挖掘与功能解析对于保障国家粮食安全意义重大。以籼稻华占(HZ)和粳稻热研2号(Nekken2)及构建的120个重组自交系(RILs)为实验材料, 测定了穗长、每穗粒数、结实率、柱头外露率及一次枝梗数等穗部性状。结合高密度分子遗传图谱进行QTL定位, 结果共检测到31个QTLs, 分别位于第1、2、3、4、5、6、10和11号染色体上, 其中2个位点的LOD值分别高达5.45与5.28。通过分析筛选QTL区间内可能影响穗部性状的相关基因, 并利用qRT-PCR进行基因表达检测, 发现LOC_Os05g05490、LOC_Os05g06150、LOC_Os03g11700、LOC_Os03g12430、LOC_Os05g28720、LOC_Os05g30890、LOC_Os05g31740和LOC_Os02g17880在双亲间的表达水平差异显著。其中, 前5个基因编码三角状五肽重复蛋白, 而后3个基因编码糖基转移酶。研究挖掘到31个与穗部性状相关的QTLs, 为进一步定位和克隆相关基因, 从而选育高产水稻新品种奠定理论基础。

农作物驯化推动了农业文明的出现和繁荣, 是人类历史上的重大事件。玉米(Zea mays)作为全球范围内的重要粮食作物, 其驯化起源一直备受生物学和历史学界的关注。之前, 现代玉米起源自小颖大刍草亚种(Z. mays subsp. parviglumis)的观点一直占主流地位。近期, 严建兵与其合作团队系统收集并梳理了玉米各种类型野生种和栽培种资源, 综合运用基因组学、群体遗传学和数量遗传学方法及考古学成果, 发现现代玉米也存在墨西哥高原亚种(Z. mays subsp. mexicana)的杂交渐渗, 并影响了诸多农艺性状, 进而提出现代玉米起源的新模型。

水稻(Oryza sativa)是我国主要粮食作物之一。提高水稻叶片叶绿素含量, 进而提高其光合作用效率是实现高产稳产的重要途径之一。该研究以父系籼稻品种华占(HZ)、母系粳稻品种热研2号(Nekken2)及其构建的120个重组自交系(RILs)为实验材料, 在分蘖期和成熟期分别对亲本及其后代剑叶的叶绿素含量(SPAD值)进行测定, 同时基于已构建的高密度遗传连锁图谱进行QTL定位。结果共挖掘到20个与叶绿素含量相关的QTLs (分蘖期7个, 成熟期13个), LOD值最高达4.77。利用qRT-PCR方法检测QTL区间内与叶绿素含量相关的候选基因的表达, 发现LOC_Os06g11780、LOC_Os06g12360、LOC_Os06g39716、LOC_Os08g42610、LOC_Os02g18500、LOC_Os03g21240、LOC_Os03g21400、LOC_Os03g21780、LOC_Os03g30950及LOC_Os03g40550基因的表达量在双亲间差异显著。结合基因表达量及亲本叶绿素表型数据, 推测LOC_Os06g11780、LOC_Os06g12360和LOC_Os08g42610的高表达极大地提高了水稻叶绿素含量, 进而有效提高植物光合产能。研究结果为筛选和培育高光能利用效率的水稻新品种提供了有利的遗传资源, 并为揭示水稻叶绿素含量的动态变化规律及分子调控机制奠定了重要基础。

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。

现代科技刚刚进入草牧业领域,“投入少、产出低、平台差”制约了我国饲草育种与产业化发展。尽管目前草牧业蓄势待发, 但科技创新不足难以保障我国大粮食安全; 且我国开展饲草育种研究的机构和团队屈指可数。为此, 我们组织了“饲草生物学”专辑, 旨在推动各界关注饲草的科技创新、产业化发展和国家饲草种业安全。

相比于粮食作物, 饲草基因组学研究严重滞后, 限制了饲草重要农艺性状解析以及分子设计育种的进程。近年来, 随着对饲草需求的增加、测序成本的大幅降低以及测序和组装技术的快速发展, 许多重要饲草的基因组已被测序和分析。该文综述了豆科、禾本科和莎草科18种饲草的基因组学研究进展, 并展望了饲草基因组研究未来的方向。

长穗偃麦草(Elytrigia elongata)为禾本科小麦族偃麦草属植物, 是一种丛生的多年生冷季型牧草。长穗偃麦草原产于欧洲南部、小亚细亚和俄罗斯南部, 在美国、加拿大和澳大利亚等国大面积种植。其引入我国后, 1956年开始用作小麦(Triticum aestivum)远缘杂交的野生亲本, 鲜有作为牧草大面积种植的报道。长穗偃麦草具有耐盐碱、耐涝和抗病等特点, 可作为耐盐碱牧草用于建设“滨海草带”, 利于避免草粮争地/争水, 实现碳中和, 保障我国粮食安全。全世界已育成推广了10余个长穗偃麦草品种, 但我国尚无引种或自主选育品种, 不利于“滨海草带”的建立。长穗偃麦草遗传背景复杂, 基础研究薄弱, 育种技术远远落后于稻麦等粮食作物。该文对长穗偃麦草分子育种基础, 如育种历程、加速育种、资源创新、组织培养、基因组序列及分子标记进行综述, 以期为长穗偃麦草品种选育和“滨海草带”建设提供参考。

饲草是发展草食畜牧业的基石。然而, 现阶段由于饲草品种匮乏以及饲草种植结构单一引起的饲草短缺已成为饲草产业的一大瓶颈问题。因此, 在大力发展传统优质饲草的基础上, 亟须挖掘新型饲草的生产潜力。新型饲草是指在产量、营养品质、适应性和抗逆性等单方面或多方面较传统饲草具有明显优势、近年来饲用价值才被开发利用的饲草。该文以狗牙根(Cynodon dactylon)、小黑麦(×Triticosecale Wittmack)、藜麦(Chenopodium quinoa)、饲用油菜(Brassica napus)、籽粒苋、田菁(Sesbania cannabina)和野大豆(Glycine soja)等为主要对象, 系统梳理了新型饲草的国内外研究现状与发展趋势, 分析了我国在该研究领域的核心竞争力, 探讨了新型饲草育种中存在的重要基础生物学问题, 并提出了推动新型饲草产业健康发展的策略和建议, 以期促进新型饲草的种业创新和饲草产业的可持续发展, 保障国家大粮食安全。

根据滨海盐碱地区土壤盐渍化程度开展人工种草, 建设滨海草带, 发展盐碱地生态草牧业, 可解决草粮争地的矛盾, 服务国家大粮食安全。该文综述了黄河三角洲地区饲草轮作、稻麦轮作及林草间作等盐碱地滨海草带示范栽培模式, 讨论了滨海草带耐盐机制、耦合高产优异生产性状分子模块育种及饲草高附加值产业发展等方面的基础生物学问题, 并给出解决策略和实现路径。

甜高粱(Sorghum bicolor)具有耐盐碱、高生物量和高光合性能等特性, 茎秆富含汁液和糖分, 是一种发展潜力巨大的青贮饲草作物。深入解析甜高粱饲用和耐逆性状形成的分子基础, 改良和培育饲用甜高粱新品种对我国草牧业发展具有重要意义。该文总结了我国甜高粱基础研究和育种工作进展, 并分析了目前存在的问题, 为未来育种提供了对策, 旨在推动我国饲用甜高粱产业发展, 保障大粮食安全。

盐胁迫对植物的生长和发育造成严重影响，其危害包括渗透胁迫、离子毒害等，严重损害了农业生产和粮食安全。在盐胁迫下，植物相关感受器接受刺激，使得Ca²⁺通过细胞膜以及细胞内钙库膜上打开的Ca²⁺通道进入细胞质基质，导致细胞质内Ca²⁺浓度升高，产生钙信号。钙离子作为重要的第二信使，在植物细胞内和细胞间传递信号，信号往下游传递，在不同生长和发育阶段引起植物一系列的生理响应来应对盐胁迫影响。钙信号主要通过钙调蛋白（CaM）、钙调素样蛋白（CML）、钙依赖性蛋白激酶（CDPK）、钙调磷酸酶B样蛋白（CBL）和CBL互作蛋白激酶（CIPK）感知并将特异的钙信号信息传递到下游；从而激活植物盐胁迫生理响应。本文主要综述植物如何感知盐胁迫刺激，以及钙信号产生与传导机制，并对该研究领域需解决的问题进行了展望。

水稻(Oryza sativa)是世界主要粮食作物。随着我国经济飞速发展, 耕地面积逐年减少, 提高水稻总产量唯有依靠单产的增加。粒重是决定水稻产量的重要因素之一, 其遗传稳定, 受外界环境因素影响较小。粒重由粒型和灌浆程度决定, 而粒型性状包括粒长、粒宽、粒厚和长宽比。水稻种子颖壳和胚乳发育决定了粒型和粒重, 颖壳细胞的增殖和扩张限制籽粒发育, 胚乳占据成熟种子的大部分体积。而生长素调控受精后颖壳和胚乳的发育, 是调控种子发育和影响水稻产量的重要植物激素。生长素的时空分布受生长素代谢、运输和信号转导的动态调节, 以维持生长素在种子发育中的最适水平。该文综述了生长素代谢、运输和信号转导调控水稻粒型的研究进展, 以期为深入探究生长素调控水稻粒型发育机制和提高水稻产量提供线索。

维生素E (V_E)是稻米营养品质的重要指标。水稻(Oryza sativa)是我国种植最广泛的粮食作物, 增加其籽粒的V_E含量是实现国民营养强化的一条便捷有效的途径。该研究以籼稻华占(HZ)为父本, 粳稻热研2号(Nekken2)为母本, 构建120个重组自交系(RILs)群体。采用高效液相色谱法(HPLC)对RILs群体的V_E各组分含量进行测定, 并基于构建的高密度分子遗传图谱进行QTL定位, 谱系分析后挖掘到122个V_E总量和分量相关QTLs, 分布在12条染色体上。其中qT3α/to2-1的LOD值高达10.32, qT3α2-1的LOD值高达9.91, 另有多个控制各异构体含量的主效QTLs, 且区间内包含OsGGR1、OsGGR2、OsTC及OsγTMT等V_E生物合成基因。通过qRT-PCR检测亲本中V_E合成基因的表达量, 发现在华占中候选基因的表达量均极显著高于热研2号, 推测这些基因的高表达是华占生育酚及生育三烯酚含量高于热研2号的原因。研究挖掘到的QTL数目较多, LOD值也较大, 为进一步筛选和培育高V_E含量的水稻新品种奠定了分子基础, 同时为揭示水稻V_E生物合成的分子调控机制提供了重要基因资源。

植物病害严重威胁全球粮食生产, 研究植物对病原菌防御机制和病原菌对寄主作物的侵染过程和分子机制, 有助于改良植物种源使其获得持久抗性。近年来, 日渐增多的研究表明, 一些抗病蛋白需要转移到细胞核内才能启动免疫反应, 进而发挥抗病防御作用, 而细胞核质转运受体是实现这些抗病蛋白核质转运必不可少的“载体”。因此, 细胞核质转运及转运受体在抗病防御中发挥重要作用。该文在介绍植物抗病防御反应机制的基础上, 综述了细胞核质转运及核质转运受体在植物抗病防御反应中的作用研究进展, 并对未来的研究方向进行了展望。