单分子荧光检测技术的发展及其在植物生物学研究中的应用

单分子荧光检测技术是利用荧光基团对目的分子标记后,在单分子水平成像并追踪分子的构象变化、动力学特征以及分子之间相互作用的研究方法。相较于传统分子生物学和遗传学的研究手段,单分子检测技术可以对单个分子的动态和特性进行分析,特别是瞬时或偶发性的事件,从而更加深入地挖掘在群体测量中被掩盖的信息。该技术已广泛应用于动物细胞生物学的相关研究,极大地促进了生命科学中分子调控机制的研究。然而,单分子检测技术在植物研究中的应用还有待进一步开发。本文总结了近年来单分子荧光检测技术的发展,概述了其在植物学研究中的案例,并展望了新技术在植物学研究中的应用前景。

基于培养本科生“先思后行”实验思维的实验课程教学改革——以“分子生物学”实验课程为例

分子生物学是生命科学领域中的基础学科,其所涵盖的研究技术手段在生命现象本质的探索中发挥着重要作用。“分子生物学”实验课程有利于本科生深刻理解相关的基础理论知识,有助于培养本科生的逻辑思维能力和科研素养。目前,随着分子生物学学科日新月异的发展,传统“分子生物学”实验课程面临教学模式的局限性、课程内容的单一性和相关实验设备与学科最前沿技术不相适应性等问题。这些问题导致本科生思维方式和思考深度的不足,违背了“分子生物学”实验课程对于掌握生物学前沿知识、为探索和研究生物学问题奠定基础的初衷。提出培养学生“先思后行”的实验思维、学生主导的教学模式、增加学科交叉的综合性实验内容、合理配置实验室相关设备等改革措施,希望为“分子生物学”实验课程的教学改革提供一些建议。

北京与雄安新区园林树种应用需重视的问题及建议

北京市区与城市副中心以及雄安新区“千年城市”园林建设在重视城乡森林面积、森林覆盖率、绿地面积、绿化率等指标提高的同时,还需要重视高大乔木基调树种的选择,充分利用空间增加城市绿量,形成符合当地自然风貌的园林景观;重视基调和骨干树种良种选育和良种基地建设,保证“适地适种源”苗木供应,以及环境友好型树种与类型、品种栽培利用;重视结合树种特点选择合理的栽培方式,避免病虫害等次生生态危害的发生;重视施肥、灌水、疏伐等抚育管理措施,防止林分发生群体衰退,保证树木形成理想冠型乃至长成参天古木。总之,要把握好每一环节精心建设和管理,让千年城市园林绿化不要留下无法弥补的历史遗憾。

盐胁迫对红花玉兰嫁接苗生长和光合特性的影响

【目的】研究盐胁迫下红花玉兰嫁接苗的生长和光合特性的变化,探究其在盐胁迫下的适应机制,为红花玉兰种质资源的保护和盐渍地区引种、推广提供参考。【方法】以‘娇红二号’红花玉兰嫁接苗为材料进行盆栽控制试验,设置5个NaCl浓度梯度[质量分数0(CK)、0.1%(T1)、0.2%(T2)、0.3%(T3)和0.4%(T4)],盐胁迫20天后观测其生长状况、叶片性状、气体交换参数、叶绿素荧光参数和光合光响应曲线等。【结果】1)盐胁迫对红花玉兰嫁接苗的苗高、地径、茎生物量和根冠比并无显著影响,对叶生物量、根生物量和整株干质量影响显著,T1叶生物量、根生物量和整株干质量高于CK,其余处理均低于CK。2)随着盐浓度的增大苗木叶片厚度呈先升后降的趋势,T1的叶片厚度最大,达0.30 mm;叶片干质量呈减小趋势;叶面积和比叶面积并无显著差异。3)当盐浓度≥0.2%时,叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著下降;叶绿素a/b随盐浓度增大呈下降趋势,但类胡萝卜素的变化并无显著规律。4)T1的净光合速率(Pn)高于CK,达8.81μmol·m^(-2)s^(-1),随着盐浓度增大Pn呈下降趋势;盐处理的气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均小于CK。5)盐胁迫处理的植株叶片叶绿素荧光参数相比对照均有不同程度的下降,其中Fv/Fm、F′v/F′m、ΦPSⅡ和ETR的值均随盐浓度升高而下降,但各盐处理间qP并无显著差异。6)除T1大于CK外,其余处理Pnmax均小于CK;盐胁迫显著降低了叶片暗呼吸速率、光补偿点和光饱和点,且各盐处理间并无显著差异。【结论】盐胁迫显著影响红花玉兰嫁接苗的生长和光合作用,使其叶片细胞光合活性降低,植株生长减缓。综合各指标可知,0.1%盐胁迫下红花玉兰嫁接苗的生长和光合与对照并无显著差异。

濒危植物野生东北红豆杉群落特征及保护策略

以长白山自然保护区野生东北红豆杉种群为研究对象,在野生东北红豆杉的主要分布区设置4块标准地(50 m×50 m),运用群落生态学方法统计野生东北红豆杉的树木特征(树高、胸径、冠幅等),立地条件,林分状况等,分析野生东北红豆杉在分布地区的群落物种多样性特征。所调查的4个样地共有木本植物32种,隶属17科24属,草本植物53种,隶属于23科41属。不同样地的Simpson指数和Shannon指数变化一致,样地C4的均匀度Pielou指数为草本层>灌木层>乔木层,其余的样地均为灌木层>乔木层>草本层。Margalef丰富度指数显示,除了样地C4的草本层物种丰富度最大之外,其余3个样地都是乔木层物种丰富度指数最大。在4个样地中,野生东北红豆杉的重要值偏低,在群落中不占优势。野生东北红豆杉所在的群落主要以红松、长白鱼鳞云杉、紫椴等针阔叶树种组成的混交林。根据这种现象,提出了野生东北红豆杉的保护策略,为野生东北红豆杉资源的保护、繁育和利用提供了合理建议和有效途径。

植物SPFH超家族蛋白及其生物学功能研究进展

膜微区(membrane microdomains)是细胞质膜上富含固醇类和鞘脂类的微结构域,大小为10~200 nm,为一种高度动态的结构。膜微区富含多种标记蛋白,例如GPI(glycosylphosphatidylinositol)锚定蛋白和许多膜整合蛋白。其中SPFH超家族蛋白(Stomatin、Prohibitin、Flotillin and Hflk/C)进化保守,并且广泛分布于原核和真核生物中。研究表明SPFH蛋白具有多种重要的生物学功能,参与植物的抗病、抗逆和生长发育等过程,因此受到了越来越多的关注。本文主要介绍了SPFH超家族蛋白的结构及其寡聚化状态,且进一步综述了SPFH超家族蛋白在植物中的研究进展,以期为今后系统开展其在膜微区形成过程中的功能研究提供理论依据。

无患子RT-qPCR内参基因的筛选与验证

无患子根、茎、叶、花和果皮均含有生物活性物质三萜皂苷,为了解三萜皂苷生物合成途径中相关基因的表达水平,需要筛选稳定表达的内参基因。以无患子根、茎、叶、芽、雄花、雌花和不同发育时期的果皮为材料,根据无患子转录组数据,选择Sm18S,SmACT,SmTBCC,SmEF-1α,SmRPL1,SmRPS26,SmUBC12,SmUBP等8个基因作为候选内参基因。通过实时荧光定量PCR(RT-qPCR)检测这些候选内参基因的表达量,并利用geNorm、NormFider和BestKeeper三个软件及RefFinder在线分析工具评价候选内参基因的稳定性。结果表明,8个候选内参基因的表达量在所有样本间的变化幅度存在差异;geNorm、NormFinder和BestKeeper 3个软件筛选出的最佳内参基因略有不同;综合分析结果表明SmACT、SmRPL1和SmUBP表达较为稳定,SmEF-1α稳定性最差;以SmACT、SmACT+SmRPL1组合和SmACT+SmRPL1+SmUBP组合为内参对三萜皂苷生物合成途径中的8个候选基因进行校准所得的表达量基本上保持一致,且相对表达量结果与转录组数据基本保持一致,表明SmACT、SmACT+SmRPL1组合和SmACT+SmRPL1+SmUBP组合可作为无患子三萜皂苷生物合成途径相关基因表达研究的内参基因,同时也可以为无患子及近缘植物的其他生物学过程中的基因表达研究提供参考。

毛果杨NAC128基因在次生壁形成中的功能

【目的】克隆并鉴定与毛果杨次生壁形成相关的NAC(NAM,ATAF1/2,CUC2)转录因子,在组织表达特异性分析的基础上,通过过量表达分析转基因植株表型及下游调控网路,解析该基因调控杨树次生壁组分生物合成的作用机制,为利用该基因进行林木种质创新奠定基础。【方法】基于前期转录组数据,克隆到1个在毛果杨茎中高表达的NAC转录因子PtrNAC 128。利用qRT-PCR技术分析PtrNAC 128在毛果杨根、茎、叶中的相对表达量。构建35S∷PtrNAC128-GFP植物表达载体,利用农杆菌介导法转化毛白杨;利用基因枪法将PtrNAC128-GFP融合蛋白在烟草叶片中进行瞬时表达,而后对PtrNAC128进行亚细胞定位分析;对毛白杨转基因植株和野生型植株的横切面切片染色观察,并通过qRT-PCR检测木质素、纤维素、半纤维素合成途径关键酶基因及调控次生壁各组分生物合成的NAC、MYB转录因子的表达差异,解析过表达PtrNAC128对杨树次生壁各组分的影响。【结果】毛果杨PtrNAC128与拟南芥ANAC075聚在一支,具有典型NAC结构域和完整的C端激活区。qRT-PCR结果表明PtrNAC128在毛果杨根、茎、叶中均有表达;在老茎中表达最高,是嫩叶中的23.49倍;在嫩茎中也有较高表达,是嫩叶的11.44倍。亚细胞定位分析表明PtrNAC128定位于细胞核内。PtrNAC 128过表达毛白杨转基因株系,次生木质部显著增厚,达到野生型的1.42-1.51倍;木质部细胞层数增加,约为野生型的1.22-1.31倍;转基因株系Klason木质素含量较野生型植株增加12%-22%,纤维素含量较野生型植株增加7.4%-13.1%,但半纤维素含量无显著差异;qRT-PCR检测结果表明,PtrNAC128显著提高木质素和纤维素合成途径关键酶基因以及部分次生壁相关NAC、MYB转录因子的表达。【结论】毛果杨PtrNAC128通过激活木质素和纤维素生物合成的关键酶基因及转录因子调控次生壁组分合成。

RNA聚合酶Ⅱ动态调控及其成像技术的研究进展

RNA聚合酶Ⅱ(RNA polymerase Ⅱ,RNAP Ⅱ或Pol Ⅱ)在调节生物生长发育和响应环境变化中发挥着重要的作用。转录工厂是细胞核RNA聚合酶Ⅱ集合的位点,多个基因被招募到转录工厂发生共转录,形成一个高度动态协调的过程。尽管真核生物转录过程中RNA聚合酶Ⅱ的重要功能已经被广泛研究,但是植物RNAP Ⅱ在不同生理条件下的活体动态特征仍然知之甚少。活细胞单分子成像技术和分子标记技术的发展,将有助于提升人们对植物RNAP Ⅱ的活体动态特征的新认识。主要阐述了真核生物RNAP Ⅱ的结构和功能特点,并介绍了细胞核内RNAP Ⅱ的动态调控转录机制,重点总结了活细胞内RNAP Ⅱ的动态标记和成像技术的研究进展,以期为今后开展植物RNAP Ⅱ的动态调控研究提供理论依据。

林木三倍体育种研究进展及展望

植物三倍体具有生长迅速、叶片或花、果实硕大、新陈代谢旺盛、适应性强以及不孕等特点,尤其适用于无性繁殖林木的遗传改良.利用配子染色体加倍或四倍体与二倍体杂交等有性多倍化技术手段,增加目标树种一套基因组的全部同源基因,可以仅通过一轮次的育种过程实现多目标性状综合改良,培育出生长快、纤维长、木素低、纤维含量高以及抗逆性增强的用材林新品种,或者是生长迅速、叶片和果实等器官巨大、含胶量及药物成分含量显著提高的胶用、漆用、药用、叶用、果用新品种.在人工诱导配子染色体加倍选育三倍体时,实现有效处理时期的即时判别是提高三倍体育种效率的关键,而选配高配合力亲本则是提高三倍体育种效果的保障.随着林木三倍体育种理论和技术方法的突破及其不断向其他树种拓展,三倍体育种必将在提高林产品产量、改善品质以及增强抗逆性等方面发挥更大的作用.

长白山东北红豆杉生境内针阔混交林直径结构分布研究

选择能够拟合长白山自然保护区东北红豆杉生境内针阔混交林的直径结构分布模型,为该区林分经营管理提供参考。以长白山自然保护区龙荒沟林场15块东北红豆杉林分内针阔混交林为研究对象,采用负指数函数和三参数Weibull分布函数2种直径分布模型拟合和χ^2检验,分析了15块样地的直径结构分布规律。15块样地的密度为400~981株·hm^-2,平均胸径变化范围为10.5~19.9 cm,各样地林分的直径分布的偏度均为正值,直径分布函数曲线均往左偏,除了9~11号样地的直径分布用三参数Weibull分布模型效果较好外,其他样地均适合用负指数模型拟合。两种模型均能有效描述直径结构分布规律,三参数Weibull分布模型用来拟合不规则直径分布时效果较好,而负指数分布模型拟合近似“反J”型曲线时效果好。该区东北红豆杉林分内针阔混交林直径结构分布不合理,应加强该林区经营技术措施。

RNA表观遗传修饰及其在植物中的研究进展

RNA转录后修饰是将新生RNA分子加工成为成熟产物的修饰过程,它已经成为表观遗传学研究的一个崭新领域,在生物体的生殖、生长和发育等生命活动过程中发挥着十分重要的作用。近年来,人们对RNA的6-甲基腺嘌呤(N^6-methyladenosine,m^6A)、5-甲基胞嘧啶(5-Methylcytosine,m^5C)以及假尿苷修饰(Pseudouridines,Ψ)等几种重要的RNA表观遗传修饰开展了广泛地研究。本文主要阐述了这几种RNA修饰的分布特征、形成机制以及检测方法,并着重总结了它们在植物生长发育中的功能与研究进展等,为今后系统开展RNA表观遗传学的研究提供理论参考。

拟南芥子叶发育过程中叶绿体特征的量化及分布分析

拟南芥子叶发育过程中叶绿体的体积、面积和形状及分布等特征对于植株生长具有重要影响,但如何对萌发过程中细胞内叶绿体的体积、面积和形状等特征进行定量和分布的相关性分析仍然存在一定空白。本研究首先使用荧光显微镜获取不同萌发时期的子叶叶绿体的二维层扫图集,然后对图集进行优化及三维重构和叶绿体分割,并对叶绿体的体积、面积、及形状等特征进行量化分析,不仅获得不同尺寸、形状的叶绿体分布比例,而且将特征和分布进行四维可视化展示。此外,研究中还使用泰森多边形算法对不同属性的叶绿体进行聚类分析,进而得到不同类别的叶绿体在组织中的连接和分布信息。另外,本文通过电子显微镜成像方法,进一步确认了随着拟南芥子叶的生长,叶绿体的超微结构发生了显著变化,逐渐变大。该图像处理方法不仅能够快速识别细胞中叶绿体的不同特征及参数,还能够根据细胞中叶绿体的密度、面积、距离等特征参数对叶绿体的连接度和分布进行特异性分析,是一种功能强大且高效灵活的多细胞分析方法。

松萝属地衣植物化学成分及活性作用研究进展

松萝属地衣植物在我国分布广泛,是一种历史悠久的药用植物,但对其化学成分及活性作用的研究少、起步晚、基础资料积淀薄弱,限制了对其进一步的开发与利用。在综述了松萝属植物的初生代谢产物多糖(地衣多糖、异地衣多糖、半乳甘露聚糖、地衣杂多糖)和脂肪酸类化合物,以及次生代谢产物地衣酸(单苯环衍生物、缩酚酸类、缩酚酸环醚类、二苯并呋喃类等)的基础上,进一步介绍了松萝属地衣植物的主要化学成分地衣多糖、地衣酸活性作用的研究进展,其中,地衣多糖具有抗肿瘤、抗氧化作用;地衣酸具有抗菌杀虫,抗癌、抗肿瘤,抗氧化、抗病毒、消炎、保肝解毒以及一定的酶抑制性。

无患子果实生长发育及其内含物的变化特征

以福建建宁县无患子为材料,观测果实生长动态,并采用Logistic方程对生长指标进行曲线拟合,观察生长过程中果皮显微结构变化,确定无患子果实生长发育的重要时期,为无患子的高效栽培管理和果实采收策略的制定提供科学依据。结果表明:(1)无患子果实生长、果皮总皂苷和种子油脂的积累规律相似,总体上呈Logistic增长模型的单“S”型曲线;果皮总皂苷和种子油脂的主要积累时期分别为45~90 DAP(花授粉后天数)和75~105 DAP。(2)无患子果皮除含有角质层、表皮细胞、厚角细胞、薄壁细胞、维管束、石细胞等基本结构外,还含有溶生式分泌腔和草酸钙簇晶等特征性结构;随着果实生长,分泌腔体积逐渐变大。(3)根据果实生长变化规律和Logistic方程拟合结果,可将无患子果实生长发育进程划分为生长初期(0~30 DAP)、速生期(30~90 DAP)、生长后期(90~120 DAP)和果实成熟期(120~150 DAP)4个阶段。在生产实践中果实成熟期内均适合果实采收,其中135和150 DAP分别为果实皂用和油用采收的最佳时期,此外还应根据每年天气状况对果实采收时间进行适当调整。

一种简便的植物单细胞显微操作分选方法

植物细胞具有刚性细胞壁,是植物进行单细胞分析的主要阻碍,选择适当的酶解方法去除细胞壁以后,分选出具有活性的原生质体是进行植物单细胞分析的关键。本文以84 K杨叶肉组织为材料,酶解4 h以后,稀释原生质体至适当密度。在光学显微镜下,使用微吸管、口吸管相互配合,直接进行显微操作分选。移动微吸管针口靠近目标原生质体,缓慢给予负压,将原生质体吸到微吸管内,给予正压释放,成功地分选出目标细胞,分选效率可达100%。该方法可以为多种植物的不同组织单细胞初步分选提供一种简便、快速的方法。

木聚糖衍生物及膜材料研究进展

木聚糖作为阔叶木和禾本科植物半纤维素的主要成分,因其来源广、可再生、可降解等特点,近年来成为备受关注的功能天然高分子。木聚糖基膜材料因气体阻隔性能优异、生物相容性好、环境友好等特性,在造纸、食品包装、涂层、生物医药材料领域展现出巨大的应用潜力。但是木聚糖具有水溶性和成膜性较差、膜材料极易吸湿和力学强度低等缺陷,极大地限制了其规模化、商业化应用,因此,如何改善这些缺陷将是木聚糖研究与应用的热点和难点。木聚糖通过化学改性可赋予其刺激响应性、离子性、热塑性等新的特性,增加木聚糖的溶解性、疏水性和改善其可加工性能,是实现木聚糖在功能材料制备与应用的重要途径。笔者总结了近年来木聚糖醚化、酯化、氧化和接枝共聚改性的研究进展,探讨了反应条件对木聚糖衍生物取代度、产率和性能的影响;总结了近年来木聚糖基膜材料的制备策略与应用,如通过内增塑、外增塑、聚合物增强等实现了木聚糖基膜材料的高效制备,并探讨了其在应用过程中的优势及缺陷,为木聚糖今后研究和应用提供新的方法和思路。

胡杨PeREM1.3过表达提高烟草耐盐性的机制

【目的】盐害作为一类非生物胁迫严重危害了农作物的生存以及产量。Remorin作为一类植物特有的蛋白质在植物适应环境过程中具有重要功能。本研究克隆了胡杨remorin蛋白PeREM1. 3的编码基因PeREM1. 3,并研究PeREM1. 3基因在植物耐盐性中的作用。【方法】笔者将基因构件35S::PeREM1. 3转入模式植物烟草中,在盐胁迫条件下,通过生理生化的方法对表达PeREM1. 3的转基因烟草进行基因功能的分析。【结果】研究显示PeREM1. 3蛋白定位于细胞质膜上,其编码基因PeREM1. 3的开放阅读框(ORF)长600 bp,编码199个氨基酸。胡杨中PeREM1. 3能够响应盐胁迫和渗透胁迫表达上调。结果表明,在烟草中过表达PeREM1. 3明显地提高了耐盐性。过表达PeREM1. 3的烟草转基因株系中抗氧化物酶如SOD、POD和CAT活性显著提高,降低了活性氧水平,调控活性氧平衡。另外植物抗逆相关基因SOS1、HAK、NHA1、VAG1和PMA4的转录水平显著增高,调控K^+/Na^+平衡。【结论】这些结果说明PeREM1. 3蛋白通过维持植物的活性氧平衡和K^+/Na^+平衡来提高植物的耐盐性。

植物水通道蛋白PIPs亚细胞定位转运的研究进展

水通道蛋白是一种水分选择性跨膜运输的特异性孔道,介导水分子和小的不带电荷的溶质进行快速的跨膜运输。植物细胞可以调节水通道蛋白基因的表达、蛋白的翻译后修饰以及蛋白的亚细胞定位,通过多种方式调节细胞的水分运输能力从而响应逆境信号。定位在细胞质膜的水通道蛋白亚家族PIPs是植物水通道蛋白最大的亚家族成员,对维持植物水分状态起着重要作用。本文重点介绍了PIPs蛋白的亚细胞定位、胞吞和胞吐循环以及蛋白质降解的调控机制。

华北落叶松全分布区天然群体的球果变异分析研究

华北落叶松是华北地区重要的生态和造林树种,对其球果表型的研究,对指导良种生产和生态适应性研究具有重要意义。本研究对采自华北落叶松全分布区13个天然群体的7800个球果的12个表型数据进行分析。结果表明,华北落叶松球果表型存在广泛的遗传变异,群体内(45.3%)变异大于群体间(12.38%)的变异。球果质量的变异系数最大,在整个群体中变异幅度高,可育种鳞率的变异系数最小。球果的质量与经度表现出极显著的负相关性,球果长、总种鳞数和高径比与经度呈现显著负相关,质量与纬度也有显著的负相关。主成分分析表明,前4个主成分对总变量累计贡献率为84.7%。通过欧氏距离聚类分析,可将13个群体划分为3个类群。相关性分析表明,基于表型的欧氏距离和地理距离不存在显著的相关性,r值较小。本研究对华北落叶松优良遗传资源收集和利用具有一定的指导意义,为今后的良种生产实践提供了理论支持。