植物小肽信号生物学功能及其在作物改良中研究进展

作为植物体内一类重要的信号分子,小肽在飞摩尔(fmol)级的浓度下被相应的细胞质膜类受体激酶识别并结合,开启小肽-受体介导的细胞间信号转导过程,从而调控植物干细胞的生长与增殖,调节根、茎、叶、花和果实等多种植物器官的发育,协调植物响应生物和非生物胁迫等多种生理过程。随着研究的不断深入,越来越多的报道揭示了小肽在水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)、马铃薯(Solanum tuberosum)及番茄(Solanum lycopersicum)等多种作物农艺性状中的重要调控功能,暗示着小肽信号在作物遗传改良中的巨大应用潜力。本文系统总结了小肽-受体介导的信号转导模式在植物中的生物学功能及分子机制,重点综述了小肽在调控作物产量、品质和抗性等重要农艺性状中的研究进展,并讨论了小肽信号应用于作物育种改良的策略,最后提出了小肽研究的未来方向。

乙烯信号转导与植物非生物胁迫反应调控研究进展

乙烯是一种重要的植物激素,在植物生长发育过程中发挥着重要作用。研究发现,植物体内的乙烯受到各种外界胁迫的诱导,乙烯信号转导途径参与了植物对各种非生物胁迫的响应。总结了近年来乙烯在抗逆中作用的相关报道,并结合实验室的研究结果,对乙烯在植物应对干旱、水淹、盐以及低温胁迫中的作用进行了阐述,并提出了一些在研究乙烯信号转导与抗逆中需要注意的问题,以期为进一步理解乙烯和抗逆的关系提供一些参考。

植物基因组与表观遗传学研究进展

DNA序列信息是基因功能研究的基础,近10年来随着测序技术的升级迭代,植物基因组学高速发展。不同倍性植物高质量参考基因组的解析,重要作物泛基因组的构建,以及大规模、群体水平的深度重测序等极大推动了作物起源、驯化、农艺性状形成的解析以及育种改良的进程。表观遗传修饰参与植物生长发育的全过程,调控了植物对环境信号如光、温度、养分、盐碱等的应答和适应性,介导了同代和代际之间的“胁迫记忆”。除了DNA甲基化、小分子RNA调控、组蛋白修饰,近几年RNA结构与修饰以及染色质的三维结构也得到越来越多的关注,逐渐成为表观遗传研究的热点。本文主要概述了近10年来植物基因组和表观遗传学研究的前沿进展,比较国内外研究的侧重点,并探讨后续的发展趋势,提出未来5~10年的研究目标和项目建议。

翻译延伸的顺式调控机理与生物学效应

翻译延伸是核糖体将信使RNA(mRNA)蕴含的遗传信息解码为蛋白质的有序过程,是细胞维持基本代谢活动的核心步骤。多种人类疾病(如神经退行性疾病、癌症等)都与翻译延伸的异常有关。翻译延伸作为中心法则的关键步骤曾是现代分子生物学研究的重点内容,然而方法学上的限制却阻碍了对其动态过程以及调控规律的进一步研究。近年来,对翻译延伸调控相关方法的突破让与其相关的生命科学研究获得了长足的发展,尤其是近10年来的研究揭示了翻译延伸的复杂调控机理和多种生物学效应,为理解蛋白表达调控和疾病发生的关联提供了新的理论视角。本文在总结翻译延伸研究方法的基础上,重点探讨了顺式调控元件(mRNA与新生肽链序列)对局部翻译延伸速率的调控作用,同时列举了翻译延伸调控对模板mRNA和蛋白质产物功能的影响,包括mRNA稳定性、蛋白质的合成与降解、蛋白质亚细胞定位以及蛋白质共翻译折叠等,以期吸引生命科学各领域的学者共同参与翻译延伸领域的研究。

从作物基因组分析到整合组学知识库建设

高通量技术的广泛应用使得各类组学数据的产出速度越来越快,由此产生的海量数据蕴藏着大量的基因组变异和相关功能信息。如何对这些数据进行深度整合和利用将会是一个长期而艰巨的任务,这需要具备高效的数据存储、分析和挖掘的能力。在过去几年中,本课题组通过与所内外课题组的合作,在多个植物的基因组的组装、注释、比较基因组和群体基因组分析等方面进行了探索,同时也将大量的水稻种质信息和组学数据进行了整合,存储于结构化数据库中并开发了一些相应的网络查询展示和数据挖掘工具。本文对相关的研究成果及其进展进行了概括性介绍,并展望了下一步的目标:构建一个用于支持作物功能基因组学和分子设计育种研究的整合组学知识库。

植物叶片氮磷养分重吸收规律及其调控机制研究进展

植物养分重吸收是植物组织或器官在衰老脱落前将部分养分(主要如氮、磷)转移到其他成活组织的过程,能延长养分在植物体内的存留时间,提高养分利用效率,减少植物对土壤养分的依赖,是植物适应环境的重要策略之一。本研究综述了土壤水分和肥力、光照、温度等环境因子和寿命、个体发育等遗传特性对植物叶片氮磷养分重吸收的影响。不同生活型或功能型的叶片养分重吸收不同;施肥会改变土壤速效养分的含量和比例,从而调控叶片养分重吸收;土壤水分通过调节土壤养分有效性而影响叶片养分重吸收;植物在生长过程中,不同时期对养分的需求有所差异,对养分的敏感程度和吸收能力也各不相同,从而表现出不同叶片养分重吸收特征;除了叶片之外,植物的其他组织器官(如,细茎、树木的芯材和能够储存养分的根)也可以进行养分重吸收。因此,植物叶片养分重吸收易受多种因素的影响,不同物种的重吸收能力存在差异,同一物种在不同时、空及相关因素变化下的重吸收特性也不同。深入研究植物养分重吸收规律和调控机制有助于进一步揭示植物的环境适应性,能为提高水肥管理水平,权衡生产力和适应性,实现系统生产和生态可持续发展提供理论依据。

生长素调控植物株型形成的研究进展

高等植物通过调节顶端分生组织和侧生分生组织的活性建立地上株型系统,分生组织的活性受环境信号、发育阶段和遗传因素的综合调控,植物激素参与这些信号的整合。顶端优势是植物分枝调控的核心问题,而生长素对顶端优势的形成和维持发挥关键作用。本文综述了近几年与植物地上部分株型形成相关的生长素合成代谢、极性运输及信号转导领域的研究进展,并提出了展望。

转基因抗虫水稻对生物多样性的影响

水稻是我国最重要的粮食作物,然而虫害造成的产量损失每年高达一千万吨以上。研究表明,转基因抗虫水稻对二化螟、三化螟和稻纵卷叶螟等水稻主要鳞翅目害虫具有高抗性,可以大幅度减少化学杀虫剂的使用。在不使用农药的情况下,在抗虫转基因水稻田中的害虫密度大幅度减少的同时,可以显著地增加中性昆虫及捕食性天敌数量和种类,显示出稻田生态系统和生物多样性的向良性发展的趋势。转基因水稻花粉向非转基因水稻品种的基因飘流实验表明,随着栽种距离的增大而显著减小,到间隔6.2 m时基因飘流频率已低于0.01%。转基因抗虫水稻的应用,对于保障我国粮食安全,保持农业可持续发展,保护生物多样性和生态环境尤其是在大幅度减少农药使用量方面具有重要意义。文章综述了转基因抗虫水稻研制进展及其对生物多样性的影响,并对农作物害虫防治的未来研究方向和发展趋势进行展望,以期为转基因抗虫水稻更好的应用提供借鉴。

高等植物非生物胁迫适应的分子生理机制

在综述高等植物非生物胁迫适应的分子生理机制、转基因改良及其局限的基础上,对今后植物抗性生理研究及分子改良研究中方法论创新以及新技术的综合应用进行了探讨。

SlMYC2转录因子对番茄伤害诱导抗性相关基因的调控研究

MYC2作为茉莉酸信号途径中一个重要的转录因子,在调控植物对昆虫取食和腐生型病原菌的抗性反应中发挥重要作用。但迄今为止,在番茄中仍未有关于SlMYC2突变体(或SlMYC2沉默转基因植物)的报道。在改造pCAMBIA1301表达载体的基础上,利用RNAi方法构建SlMYC2沉默的转基因植物。利用荧光定量PCR方法,证明这些转基因植物中SlMYC2表达量显著下降,达到沉默SlMYC2的目的。通过检测SlMYC2-RNAi转基因植物中伤害诱导标记基因的表达情况,发现SlMYC2-RNAi转基因植物中伤害诱导的早期响应基因和晚期响应基因的表达都受到明显抑制,结果表明SlMYC2转录因子在调控番茄伤害诱导相关抗性基因的表达中发挥重要作用。

中国科学家在植物应答低温信号研究中取得突破性进展

植物具有复杂而精巧的机制以适应各种逆境。最近,中国科学家在水稻(Oryza sativa)感受冷信号的分子机理、冷信号感应分子在水稻驯化过程中的演化及拟南芥(Arabidopsis thaliana)中磷酸化调控冷信号转导的分子机理等研究中取得了突破性进展。

乙烯对豆科植物生长发育和根瘤形成的影响

乙烯是一种重要的植物激素,在植物生长和发育以及对外界环境信号的响应中发挥重要作用。乙烯调控了豆科植物的黄化苗的三重反应和光下幼苗的生长,能够促进叶片和花的衰老和脱落。豆科植物能与根瘤菌形成互利共生关系,在根部形成一种特异的固氮器官——根瘤。在结瘤过程中,由于豆科植物结瘤习性或遗传背景的不同,乙烯能够抑制或者促进根瘤的形成。乙烯与其它植物激素的互作也调控了豆科植物根瘤的形成。文章对乙烯信号途径调控豆科植物的生长发育和根瘤形成的相关研究做了综述和分析,并就未来关于豆科植物乙烯信号转导的研究进行了探讨和展望。

植物种子油脂积累的转录调控及在大豆中的研究进展

植物种子是油脂的主要来源之一,种子中的油脂主要在其发育过程中积累。油脂的积累除受脂肪酸合成途径中多种酶的活性、特异性和稳定性的影响,更受到转录前、转录和转录后水平的调控。众多相关基因参与此过程,形成一系列基因网络调控了下游油脂合成基因的表达。文章综述了转录因子对油脂积累的调控、DNA甲基化和组蛋白修饰相关基因在种子发育和油脂积累中的作用以及小RNA调控种子发育的分子机理,并介绍了大豆油脂积累调控机制的研究进展。

分析水稻APETALA2类基因的系统发育和表达模式(英文)

多基因家族经历着生与死的进化并因此有助于生物的创新性进化。APETALA2类基因属于AP2转录因子家族中euAP2分支。该类基因具有特征性基元,并存在于蕨类植物、裸子植物和被子植物中。系统发育分析表明这类基因经历了生与死的进化。原位杂交和RT-PCR结果表明水稻的5个APETALA2类基因在表达模式上既是冗余又是不同的。根据基因系统发育树和表达模式讨论了这些基因的功能。

内质网胁迫在植物中的研究进展

内质网是膜蛋白和分泌蛋白合成新肽链以及新肽链初步折叠修饰的重要场所,只有经过二硫键形成、羟基化以及糖基化等修饰的肽链正确折叠后才能达到其正确蛋白质构象,或进入高尔基体进行进一步的修饰和折叠。然而,折叠和修饰的过程是复杂且易错的,如果生命体遭受某些内源或外源的压力,出错概率会成倍增加。错误折叠的蛋白质由内质网中的质量检测系统识别并滞留在内质网内,一旦错误蛋白积累量超过内质网的承受能力,就会引起细胞一系列的响应以实现新的内质网稳态,这个过程称为内质网应激反应,也称内质网胁迫应答。重新实现内质网稳态的方法主要有非折叠蛋白反应、内质网相关的蛋白质降解过程、自噬过程以及细胞凋亡。这些过程在酵母和动物领域的研究已经非常系统,主要总结了这些过程在高等生物中的保守作用机制以及在植物领域的研究进展,希望能够为致力于植物生长发育或胁迫响应过程的研究人员提供参考。

不同遗传背景自交系玉米根系微生物组差异比较

陆生植物与多种土壤微生物群落存在密切互作关系,影响植物的生长和发育。植物微生物群落的系统发育结构由生物群落和环境因素相互作用所决定。文章选取具有不同遗传背景的玉米自交系材料昌7-2和B73,在山东和海南种植,对其根系微生物组进行高通量测序并进行群落组成、多样性及随机森林分析。研究结果表明,玉米根系微生物组对栽培环境变化的响应程度大于基因型,而不同基因型玉米根系微生物组对栽培环境变化的响应程度也不同,同时利用随机森林分析发现若干丰度显著受宿主基因型影响的细菌类群。该工作进一步深化了栽培环境和宿主基因型对玉米根系微生物组影响的认识,为研究玉米根系微生物群落的建立提供了理论基础。

植物开花调控中蛋白质相分离机制在从头驯化中的应用价值

全球气候变化和人口快速增长严重威胁世界粮食安全,现有作物难以满足人类未来的粮食需求,亟需高产优质且环境适应性强的作物品种。利用野生种质资源进行快速从头驯化,获得可应用于育种的新种质是应对粮食安全问题的新策略。开花时间性状是决定作物种植区域和最终产量的重要因素,在作物驯化中常常受到选择。目前在从头驯化中,通常直接利用控制作物开花的主效基因来改造开花性状,基因数量非常有限且功能较为单一。植物成花转变受到环境和内源性信号的复杂调控,本文提出利用调控开花基因表达的重要蛋白质的可逆行为变化——蛋白质相分离定向改造蛋白功能,从而精准控制开花相关基因的表达,可能为从头驯化中开花性状的分子设计提供新的选择。

水稻分蘖氮响应调控机理研究进展

氮肥是作物产量增加最主要的驱动因素,然而氮肥滥用会造成生态环境的严重破坏。因此,提高作物氮素利用效率(nitrogen use efficiency,NUE)对未来农业可持续发展至关重要。产量性状对氮素的敏感性是衡量作物氮素利用效率的重要指标。禾本科作物的分蘖数、穗粒数和粒重是产量的直接决定因子,虽然影响三者本身的分子机制已有大量研究,但氮素对这些性状的调控机理仍知之甚少。分蘖数是对氮素响应最为敏感的性状之一,也是氮肥促进作物增产的关键要素。因此,研究氮素如何调控水稻的分蘖发育对于提高作物产量尤为重要。本文总结了水稻氮素利用效率的影响因素和分蘖发育的调控机理,聚焦氮素如何调控水稻分蘖发育的机制,并对该领域未来研究工作进行了展望,以期为作物氮高效精准改良提供参考。

中国科学家在番茄与黄瓜的驯化及品质形成的分子机理研究中取得突破性进展

经过长期的人工选择和驯化过程,番茄(Solanum lycopersicum)和黄瓜(Cucumis sativus)已经成为世界范围内广泛栽培且深受人们喜爱的可口蔬菜。最近,中国科学家在番茄和黄瓜的人工驯化与品质形成的分子机理研究中取得了突破性进展。

根际生命共同体:协调资源、环境和粮食安全的学术思路与交叉创新

植物营养学研究近年来在植物养分高效分子机理、植物-微生物互作、根际互作与微生态调控、农田养分管理等研究领域取得了一系列原创性进展。然而,当前如何协调粮食安全、资源高效和环境可持续性仍面临巨大挑战。针对这一重大问题,本文提出“根际生命共同体(Rhizobiont)”学术思路,围绕“根际互作与养分高效”这一重大科学命题,构建“植物-根系-根际-菌丝际-土体及其微生物”根际生命共同体理论体系,突破植物-微生物、微生物-微生物关键界面互作机制,阐明根际生命共同体结构、功能及其在养分活化、吸收与利用中的作用机制,建立共同体多界面互作增效的生物学调控新途径,开辟植物-土壤-微生物交叉创新领域,根际生命共同体理论创新有助于破解粮食安全、资源高效、环境保护多目标协同的难题,支撑我国农业绿色发展。文章指出了根际生命共同体与养分高效研究的重点方向与内容,尤其是深入揭示和调控植物第二基因组——微生物组的作用正成为农业科学的研究前沿。