植物重金属镉积累调控机制及其应用研究进展

镉(Cd)容易通过食物链对人体产生毒害,其引起的“痛痛病”是人类历史上重要的公共卫生事件。Cd是我国当前土壤中的主要无机污染物,“镉大米”等事件仍时有发生,严重威胁粮食安全和人体健康。植物作为初级生产者,是人体Cd暴露的的主要途径。因此,阐释Cd向植物迁移、在植物体内的转运以及植物的Cd耐受机理,并依此指导低Cd作物的遗传改良和Cd污染环境的植物修复就具有重要的意义。本文综述了近10年来人们在植物Cd积累的调控机理、应对Cd污染的作物改良以及植物修复等方面的基础研究和应用成果,同时也探讨了该领域未来亟待解决的一些重要科学问题以及作物遗传改良设计的途径。

基于YOLOv5m和CBAM-CPN的单分蘖水稻表型参数提取

为快速获取单分蘖水稻植株的形态结构和表型参数,该研究提出了一种基于目标检测和关键点检测模型相结合的骨架提取和表型参数获取方法。该方法基于目标检测模型生成穗、茎秆、叶片的边界框和类别,将所得数据分别输入到关键点检测模型检测各部位关键点,按照语义信息依次连接关键点形成植株骨架,依据关键点坐标计算穗长度、茎秆长度、叶片长度、叶片-茎秆夹角4种表型参数。首先,构建单分蘖水稻的关键点检测和目标检测数据集;其次,训练Faster R-CNN、YOLOv3、YOLOv5s、YOLOv5m目标检测模型,经过对比,YOLOv5m的检测效果最好,平均精度均值(mean average precision,mAP)达到91.17%;然后,应用人体姿态估计的级联金字塔网络(cascaded pyramid network,CPN)提取植株骨架,并引入注意力机制CBAM(convolutional block attention module)进行改进,与沙漏网络(hourglass networks,HN)、堆叠沙漏网络模型(stacked hourglass networks,SHN)和CPN模型相比,CBAM-CPN模型的预测准确率分别提高了9.68、8.83和1.06个百分点,达到94.75%,4种表型参数的均方根误差分别为1.06 cm、0.81 cm、1.25 cm和2.94°。最后,结合YOLOv5m和CBAM-CPN进行预测,4种表型参数的均方根误差分别为1.48、1.05、1.74cm和2.39°,与SHN模型相比,误差分别减小1.65 cm、3.43 cm、2.65 cm和4.75°,生成的骨架基本能够拟合单分蘖水稻植株的形态结构。所提方法可以提高单分蘖水稻植株的关键点检测准确率,更准确地获取植株骨架和表型参数,有助于加快水稻的育种和改良。

黄背草与2种菅属植物叶绿体基因组特征比较及系统发育分析

目的 以黄背草Themeda japonica为试验材料,比较分析其与阿拉伯黄背草T. triandra、中华菅T. quadrivalvis2种同属植物的叶绿体基因组特征及其与近缘物种的系统发育关系。方法 采用Illumina HiSeq高通量测序平台首次对黄背草叶绿体基因组进行测序,使用SPAdes和CpGAVAS2分别对其进行组装和注释,并用Codon W、DnaSP和MISA等对其与2种同属植物进行一系列比较基因组分析,利用最大似然法(maximum likelihood,ML)构建系统进化树。结果 3个叶绿体基因组全长为138 735~138 961 bp,具有典型的四分体结构,共注释出129个基因;黄背草与其同属的2个物种相比,反向重复区(inverted repeats,IR)收缩了2132 bp,大单拷贝区(large single copy region,LSC)扩张了约4000 bp,而小单拷贝区(small single copy region,SSC)变化不大。密码子偏好性分析显示,3个叶绿体基因组相对丰度最大和最小的密码子都相同,同义密码子相对使用丰度略有不同,但差异不大。核酸多态性分析显示,3个叶绿体基因组间区序列的核酸多态性值(Pi)普遍高于共有基因序列,且IR区域相比于LSC、SSC区域更为保守。3个叶绿体基因组中分别检测到38、36、37个简单重复序列(simple sequence repeat,SSR)和2种长重复序列(long sequence repeat)。系统发育分析表明,黄背草与阿拉伯黄背草亲缘关系最近。结论 对黄背草与2种菅属植物叶绿体基因组特征及其系统发育进行了比较分析,为上述3种植物的物种鉴定及菅属遗传多样性和系统进化研究奠定了基础。

植物FtsZ基因家族生物信息学分析

FtsZ(Filamentous temperature-sensitive protein Z)蛋白是一种高度保守的细菌和真核生物微管蛋白的同系物,在许多植物和藻类物种中存在,是质体分裂复合体的基本组成部分,在植物生长发育中发挥重要作用。本研究在一种藻类植物(红藻)、一种苔藓植物(小立碗藓)、两种单子叶植物(水稻和高粱)、四种双子叶植物(木薯,拟南芥,蓖麻和毛果杨)中共鉴定出21个Fts Zs成员,分析了其蛋白理化性质、二级结构、三级结构,预测了保守碱基、FtsZs成员的亚细胞定位、蛋白磷酸化位点并且构建了系统发育进化树。结果显示,FtsZs的脂肪系数、不稳定系数和总平均亲水性等理化性质存在很大的差异。FtsZ蛋白家族均不具跨膜结构域,也不含有信号肽;蛋白的二级结构主要是无规则卷曲和延伸链;保守基序分析发现,植物FtsZ家族基因在进化上是相对保守的;FtsZs成员的亚细胞定位分析发现,Fts Zs分布在叶绿体和细胞质中。本研究可为FtsZ基因家族成员的生物学功能研究提供理论基础。

紫甘薯响应盐胁迫的转录组分析及调控网络发掘

为了发掘盐胁迫条件下紫甘薯全基因组水平基因表达的变化、关键调控网络及关联代谢途径,本研究以200 mmol·L^(-1)NaCl胁迫处理日本紫甘薯品种‘Ayamurasaki’盆栽苗0、1、6、24 h,测定盐胁迫过程中薯苗生理生化指标的变化,并利用高通量测序技术对其根系进行转录本测序和数据分析.结果表明,随着盐胁迫时间的增加,甘薯根系细胞膜受损害程度逐渐加剧.转录组结果分析显示,共检测到3202个差异表达基因,其中877个上调表达,2325个下调表达.差异表达基因KEGG路径富集分析发现,“次级代谢物生物合成”“苯丙烷生物合成”等代谢通路受胁迫影响比较大.GO分析表明,生物学过程类别中“响应胁迫”显著富集.对参与“响应胁迫”的差异基因进行表达趋势分析,并构建基因共表达网络.结果显示,活性氧清除的相关基因FeSOD、蛋白合成的相关基因P4H10、水分胁迫的相关基因PIP1-4、离子平衡与转运的相关基因LAZ1和信号转导的相关基因MEKK1等均受到显著诱导表达.共表达网络表明,NAC家族的NAC74与F-box家族的FBX23为网络核心,共同调控下游盐胁迫基因的表达.本研究可为探究甘薯的耐盐分子机制及薯类作物抗盐碱育种提供参考.

植物再生的研究进展

再生不仅赋予植物修复受损组织的能力,更能使植物产生新器官,实现营养繁殖.再生能力是植物在严酷环境下能够生存的重要手段,也被广泛应用于生产实践中.组织培养、扦插和嫁接等都是基于植物再生能力而开发的农业技术.再生现象的本质是细胞在受伤或胁迫的环境下命运发生转变的过程.近年来,植物再生领域的研究取得了一系列突破性进展,不仅对植物再生过程中细胞命运转变的谱系有了初步认识,而且探讨了植物细胞高度可塑性的分子机制.伤口或胁迫信号、激素、转录因子和表观遗传途径因子形成有序协作的调控通路,控制着再生过程.本文将总结种子植物中器官从头发生和体细胞胚发生这两种再生方式的研究进展,以期为从事植物再生研究的工作者提供参考.

植物氮磷钾养分高效利用研究现状与展望

氮、磷、钾是植物生长发育所必需的大量营养元素.植物主要通过两种途径获取营养:第一种是植物根系直接从土壤吸收营养,称为直接营养吸收途径.植物感知土壤中的氮、磷、钾浓度后,通过调节离子通道或转运体,从而介导营养元素的吸收;第二种是植物通过与微生物共生从环境中获取营养,称为间接营养吸收途径,其中根瘤共生和丛枝菌根共生是植物从环境高效获得营养的重要途径.本文总结了国内外近几年在植物氮磷钾信号感知、吸收和转运研究中所取得的重要进展,剖析了相关领域未来发展趋势和面临的主要问题,并对未来15年植物营养研究的重点进行了展望,为培育养分高效利用作物新品种、保障国家农业可持续发展和粮食安全提供技术支撑.

植物细胞质膜离子通道研究进展

多种有机和无机离子作为重要的营养物质、渗透物质、辅酶和信号分子,参与植物生殖、生长发育和逆境反应等多种生物学过程。离子通道是离子跨质膜和内膜运动的重要渠道和动态调控因子,直接影响和调控细胞内离子浓度及亚细胞分布的动态变化。目前,植物尤其是模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的多个离子通道家族被先后鉴定出来,其中部分离子通道蛋白定位在细胞质膜上,其基本生物学功能,诸如蛋白结构、离子选择性和通透性、门控特点、活性调控机理以及不同离子通道之间的协同关系等均取得重要进展。该文概要介绍近年来植物细胞质膜离子通道方面的研究进展。

植物生长素检测技术研究进展

植物生长素是在植物体内合成的一类调控植物细胞和组织生长发育的植物激素,其定性、定量及原位测定技术一直是亟需解决的重要课题。本文对植物生长素定性、定量分析方法和技术的最新研究进展和应用现状进行了综述,详细总结了植物生长素主要检测技术的特点,并对生长素定性和定量分析技术进一步发展的相关问题进行了探讨。

植物维管束抗病研究进展

本文系统介绍了植物维管束防卫反应的研究进展,并结合维管束中木质部和韧皮部的分化,以及木质部组成成分的分析,详细阐述了植物维管束在寄主植物中阻止病原菌入侵的潜在机理,以期对植物维管束抗病研究提供新的思路。

伤口信号调节植物再生的研究进展

植物强大的再生能力使其在复杂的自然环境中得以生存。植物再生是植物对受损结构自我修复或替代的过程。例如,离体的枝条或叶片掉落在湿润的土壤表面后,能够在伤口处快速再生不定根,从而顽强地生存下去。伤口信号是启动植物再生的第一项生物学事件。近年来,有关伤口信号及其在植物再生过程中信号转导的研究取得了重要进展。本文综述了伤口信号参与植物再生的分子机制,并对未来的研究方向进行了展望。

水稻高温感知及响应机制的研究进展

全球气候变暖威胁粮食安全,水稻极易受到高温的影响而减产。植物通过不同层面感知高温并激活下游的高温响应,包括膜流动性、蛋白质内稳态和活性氧内稳态平衡的改变等。水稻在不同的亚细胞结构(细胞膜、内质网、叶绿体)和不同的生理生化过程(核酸、蛋白质、代谢)上响应高温。自然位点在生产应用上更为便捷,其中TT1(Thermotolerance 1)、TT2、TT3是三个重要的水稻耐高温自然位点,并分别通过参与毒性蛋白清除、钙信号介导的蜡质代谢以及细胞膜-叶绿体信号转导调控水稻抗热,因此挖掘耐高温自然位点,解析作物高温感知及响应机制,为培育抗高温作物新品种提供理论基础,具有重要意义。

基于堆叠沙漏网络的单分蘖水稻植株骨架提取

针对水稻栽培和遗传育种研究中单分蘖性状高通量无损提取的实际需求,该研究提出了一种基于沙漏网络模型的单分蘖水稻关键点预测和骨架提取方法。首先,对原始图像进行批量裁剪、gamma校正和锐化卷积等预处理,获取单色背景下的水稻单分蘖图像数据集;设计水稻单分蘖各器官关键点数据标注策略,构建监督数据集。然后,构建堆叠沙漏网络架构实现叶片数固定和不固定的水稻关键点检测,引入沙漏结构整合图像的多尺度特征,结合中间监督机制整合不同沙漏模块信息。叶片数一致的情况,模型预测准确率最高可达96.48%;叶片数不一致的情况,预测准确率达到82.09%。最后,根据预测关键点及其对应的语义信息连接形成植株骨架,选取茎秆长、叶片长、穗长、叶片-茎秆夹角和茎节点位置5个表型参数对生成骨架模型的实际意义进行评估,其均方根误差依次为5.82 cm、3.09 cm、1.71 cm、3.22°和2.0356cm,证明了该方法能较好地识别水稻单分蘖关键点,为水稻骨架提取提供了一种新思路,有助于加快水稻育种速度。

量化分析水稻杂种优势及杂交稻改良育种的遗传基础

杂种优势指遗传差异的双亲杂交产生的子一代,在生长速率、产量和适应性等方面优于双亲的现象.该现象在自然界中普遍存在,被广泛应用于农业领域,改良作物的关键农艺性状.水稻是重要的粮食作物之一,人类日常总卡路里摄入量的21%来自水稻,在东南亚地区该比例更是高达76%[1].由于自花且闭花授粉的习性,水稻异交需要人工去雄和人工授粉.该过程效率较低,限制了杂种优势在水稻中的利用.直到20世纪70年代,袁隆平先生及其助手在野生稻群体中发现了一株天然雄性败育的个体,使得三系配套杂交制种体系从理论走向实践,推动了杂交水稻的商业化发展[2].继半矮秆育种后,杂交稻育种实现了水稻产量的第二次跃升[1].中国杂交稻育种发展历程已有半个世纪,在此期间大量的优良杂交稻品种被培育出来.若能将这些材料的基因组信息进行比较分析,结合表型信息鉴定决定杂种优势形成的关键位点,量化分析相关位点的遗传效应,将有助于理解杂种优势形成的遗传规律,从而反哺育种.

不同倍性甘薯及近缘材料的SNP鉴定流程

基因组上的SNP变异具有丰富的数量和多态性的特点,SNP鉴定在作物遗传多样性、群体结构关系、育种等方面有重要作用。然而多倍体作物由于倍性高、杂合性高等问题,使得SNP的开发、验证和检测较为困难。甘薯及不同倍性近缘野生种均属于番薯属,由于甘薯近缘物种倍性变化较大,本研究选取二倍体、四倍体、六倍体的Ipomoea trifida以及五倍体和六倍体的甘薯为材料,采用简化基因组测序技术——RAD-seq进行测序,以栽培甘薯‘泰中6号’基因组序列为参考,通过与参考基因组的比对、排序、PCR标记去重复以及变异检测,建立了一套基于甘薯参考基因组进行不同倍性材料SNP鉴定的分析流程。通过IQ-TREE对SNP标记进行系统发育树构建,结果验证了本流程具有较高的可靠性。本研究开发的数据处理流程,不仅可用于不同倍性野生材料遗传关系的鉴定,还可为甘薯品种的遗传多样性分析和育种的亲本选择以及其他多倍体植物SNP标记开发鉴定提供借鉴和参考。

光合作用系统模型与作物高光效改良

提高光合效率是提高作物产量的有效手段。然而光合系统的复杂性使得单纯利用遗传手段鉴定提高光合效率的有效靶点无论从时间上还是从经济上成本都极高。构建并利用多尺度光合系统成为当前鉴定控制光合效率核心靶点的重要手段。本文回顾了近年来光合系统模型的主要研究进展和主要应用实例,并进一步探讨了提高作物产量的光合作用系统模型未来的发展和应用方案。

花青素糖基化、甲基化和酰基化修饰的研究现状

花青素是植物体内重要的次生代谢物。甲基化修饰使花青素的种类从3大类增加到6大类。糖基化和酰基化修饰进一步将特异基团结合在6类花青素不同的位点,丰富了花青素的种类,导致不同植物间花青素组分差异。目前主要通过克隆多种植物中花青素糖基化、甲基化和酰基化修饰酶,研究其遗传调控机理。本研究综述了不同植物中花青素组分差异性是由修饰导致,总结了催化花青素糖基化、甲基化和酰基化反应的多种酶在细胞中修饰的位置,催化作用的位点、添加的基团和产生的影响,以及花青素修饰酶如何催化花青素基础结构与基团发生修饰反应,使得花青素种类丰富、结构稳定、颜色多样并稳定储存在液泡的研究现状。挖掘和鉴定不同植物中花青素相关修饰酶,解析其遗传调控机理,可为花青素的结构优化和功能开发提供参考,为培育出富含花青素的植物提供新的思路。

外源褪黑素对木薯脆性胚性愈伤组织增殖的影响

以木薯(Manihot esculenta)‘TMS60444’脆性胚性愈伤组织(FEC)为材料,研究了在GD基础培养基中添加不同浓度外源褪黑素(melatonin)对FEC增殖的影响。结果表明:在不含氨氯吡啶酸(4-氨基-3,5,6-三氯吡啶-2-羧酸)的GD培养基(GD0)中加入不同浓度褪黑素,其中低浓度(<100μmol·L^(-1))褪黑素可以促进FEC增殖,但高浓度褪黑素使FEC生长缓慢并褐化。在含有12 mg·L^(-1)氨氯吡啶酸的GD培养基(GD1)中添加不同浓度褪黑素(0、0.1、1、10、100μmol·L^(-1))进行培养,FEC鲜重增长率明显不同;以添加10μmol·L^(-1)褪黑素效果最佳,可使FEC保持较好的增殖状态,并显著提高木薯FEC鲜重的增长率,比不加褪黑素的GD1-1培养基中增加了2.57倍。用10μmol·L^(-1)褪黑素处理木薯FEC,其内源褪黑素代谢通路相关基因表达发生改变,抗氧化相关基因明显上调表达;并且抗氧化酶活性显著增强,抗氧化能力明显提高。本研究为木薯遗传转化中延长木薯FEC使用周期和提高增殖效率提供思路和技术。

水稻白叶枯病抗病机制与抗病育种展望

水稻白叶枯病抗病基因的发掘与育种利用是目前针对白叶枯病害(Xoo)最环保和有效的手段。迄今,已报道至少45个抗白叶枯病抗性基因(Xa),本文对已报道基因的发掘和定位进行了总结,并根据蛋白结构与抗病机制对其中已克隆的15个Xa基因进行了分类,包括:(1)编码蛋白激酶受体的抗性基因,如RLK(receptor-like kinase);(2)编码NLR (nucleotide-binding leucine-rich repeat)免疫受体的抗性基因;(3)糖转运蛋白SWEET编码基因;(4)抗性执行基因(executor);(5)其他类型基因。Xa21作为第一个被克隆的白叶枯抗性基因,其编码蛋白RLK所介导的抗病机制已较为清晰。研究发现,除编码RLK的Xa基因外,大部分Xa发挥功能依赖于Xoo III型分泌系统分泌的类转录激活效应因子(transcriptionalactivator-likeeffectors,TALE)。很多受白叶枯菌分泌的TALE效应因子调控表达的水稻Xa基因实际为感病基因,其隐性突变产生抗病性。目前为止,白叶枯病non-TALE效应因子与抗病蛋白互作尚无报道,因此,突破口将是对编码NLR的Xa基因的抗病机制的研究。本文结合Xa的来源、抗谱、机制的研究及当前抗病育种存在的问题,针对白叶枯病广谱抗病分子育种提出了展望。

木薯C2H2型锌指蛋白转录因子家族全基因组鉴定及表达分析

锌指蛋白转录因子(zinc-finger protein transcription factor, ZFP)是一种具有特定结构的蛋白,是真核生物重要转录因子之一,其通过与核内其他因子相互作用,调控各种生理反应,参与植物的生长发育和生物与非生物胁迫。目前对木薯锌指蛋白家族的研究依然较少。本研究利用木薯基因组数据库筛选鉴定了85个木薯C2H2型锌指蛋白转录因子家族成员,利用生物信息学手段分析该家族基因的结构特征和理化性质,结果表明同一C2H2型锌指蛋白家族的基因结构及氨基酸序列长度存在显著差异,大致可分为6个亚家族,各成员具有特征性的锌指结构域,但数量上存在差异;染色体定位显示该家族成员并非定位于木薯所有的18条染色体,在13号和16号染色体上没有C2H2型锌指蛋白家族成员定位。结合已有的转录组数据分析其在不同组织及非生物胁迫下的表达模式,发现各成员在不同组织中的表达模式不同,各组织均有高表达的基因,部分成员无组织表达差异,部分家族成员响应非生物胁迫。因此,木薯C2H2型锌指蛋白转录因子在植物生长发育和响应非生物胁迫功能方面具有重要的作用。