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。

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。

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。

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。

通过人工选择优良遗传变异, 将野生植物驯化为栽培作物, 以满足人类对食物的需求, 是人类发展历史中的重要事件, 推动了人类文明的持续发展。随着世界人口持续增加, 耕地面积不断减少, 灾害性天气频发, 全球粮食安全问题日趋严峻。基于作物驯化的分子机理及重要农艺性状的遗传基础, 结合高通量基因组测序和高效基因组编辑技术, 从头驯化野生植物, 创造新型作物, 将是应对这一挑战的有效策略之一。近日, 中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队联合国内外多家单位, 通过组装异源四倍体高秆野生稻(Oryza alta)基因组, 优化遗传转化体系, 利用基因组编辑技术, 使其落粒性、芒性、株型、籽粒大小及抽穗期等决定作物驯化成功与否的重要性状发生改变, 成功实现了异源四倍体高秆野生稻的从头定向驯化。该突破性研究成果证明了通过从头驯化将异源四倍体野生稻培育成未来的主粮作物, 是确保粮食安全的可行策略, 同时也为从头驯化野生和半野生植物、创制新型作物提供了重要参考。

水稻(Oryza sativa)的高产优质是我国粮食安全的重要保障, 也是育种家一直追求的目标。水稻籽粒灌浆速率(GFR)是一个重要而复杂的农艺性状, 直接影响籽粒充实度、粒重和米质。目前, 快速灌浆的优良水稻品种缺乏, 可供育种利用的相关优异基因资源有限, 已成为制约水稻产量和品质进一步提高的瓶颈。相对于水稻的其它农艺性状, GFR具有复杂的时空动态和环境可变性, 相关研究长期围绕灌浆过程的生理生化特性和栽培措施展开, 而分子机制和遗传调控研究启动较晚。该文以近年来国内外发现的水稻GFR相关基因为主线, 从糖类代谢和运输相关基因对GFR的影响、转录和翻译调控基因对GFR的调节、粒型和粒重等相关数量性状位点(QTL)对GFR的作用, 以及GFR相关QTL的分析和克隆4个方面, 对GFR分子机制与遗传调控进行综述; 并对GFR的研究策略特别是表型组学相关技术的应用前景进行展望, 以期推动该领域的基础研究和育种应用。

水稻(Oryza sativa)是世界上最重要的粮食作物, 但稻瘟病和纹枯病等病害严重危害水稻的产量和品质, 给我国乃至全球粮食安全带来巨大威胁。鉴定水稻抗病资源、克隆抗病基因、揭示抗性机理并在育种中加以利用, 对抵御水稻病害和保障粮食安全具有十分重要的作用。准确评价水稻资源的抗病性, 是开展抗病机理研究和育种生产应用的关键环节。该文详述了水稻幼苗期人工喷雾接种、分蘖期和孕穗期田间注射接种与离体叶片戳伤接种的稻瘟病抗性鉴定方法, 以及水稻分蘖期田间接种、孕穗期温室接种和离体茎秆接种的纹枯病抗性鉴定方法, 以期为同行鉴定水稻资源、开展抗病理论和应用研究提供参考。

提高植物的氮素利用效率(NUE)不仅有利于保障全球粮食安全, 也是实现农业可持续发展的重要途径。近半个世纪以来, 植物氮素利用机理研究已取得重要进展, 但NUE的调控机制仍不明确, NUE的提高仍然十分有限。高等植物集光合碳素同化和氮素同化于一体, 只有碳氮代谢相互协调, 才能维持植物体内的碳氮平衡, 保证植物正常生长发育。由于C₃和C₄植物的光合氮素利用率(PNUE)存在差异, 对氮素的利用效率也会存在差异。为了更有效地提高作物的NUE, 须更全面地了解C₃和C₄植物对氮素吸收、转运、同化和信号转导等关键因子的功能和调控机制。此外, 面对大气CO₂浓度增高和全球气候变暖条件下的植物碳氮同化及其机理的研究也不容忽视。该文综述了C₃和C₄植物氮素利用关键因素的差异及其调控机制, 并对提高C₃禾本科作物氮素利用效率的遗传改良途径进行了展望。