光谱成像技术及其在植物中的应用研究进展

光谱成像技术能够同时获取样品的空间与化学信息,是研究复杂生物样品的有力工具。近年来,由于具备非入侵、无损测量等优势,光谱成像技术在食品与农产品检测、生物医学与环境监测等方面引起了越来越多的关注。同时,随着成像技术的发展,光谱成像技术在成像速度、波段数量、光谱分辨率、空间分辨率等方面的性能都得到了极大的提升,空间分辨率甚至可以打破衍射极限达到超分辨级别。本综述总结了拉曼光谱、红外光谱和近红外光谱等几种主要光谱成像技术的基本原理与性能,重点介绍了这类技术在植物细胞壁与木材研究、细胞结构与成分可视化、生物与非生物胁迫检测以及种子的无损测量等领域中的应用进展,并对这一类技术的发展潜力进行了探讨与总结,为今后光谱成像技术在植物研究领域的进一步发展与应用提供理论参考。

植物细胞壁结构及成像技术研究进展

植物细胞壁作为细胞外复杂交联网络,为植物细胞生长、发育以及适应环境变化提供机械支撑,具有调节植物形态、抵抗胁迫、运输水分等功能。除此之外,植物光合作用积累的生物质大部分贮藏在细胞壁中,因此,研究细胞壁的成分和纳微结构对更好的利用植物能源具有重要意义。植物细胞壁的结构研究是当今植物界研究的前沿热点之一。随着新型成像技术的发展,近年来关于细胞壁成分和纳微结构的研究取得了阶段性的进展。本文就植物细胞壁的成分、结构、成像技术和力学性质进行了总结与展望,以期为植物细胞壁的相关研究提供新思路。

基于超分辨成像增强对拟南芥内质网动态变化的研究

【目的】为了解决在植物细胞内质网的研究中,成像速度与成像分辨率难以同时满足准确识别精细结构和动态变化的瓶颈问题。【方法】使用结构光照明显微成像技术,对拟南芥活体材料中的内质网进行超分辨实时成像,并优化了自监督去噪框架(Blind2Unblind),以进一步提升快速显微成像的信噪比。【结果】建立了对时间序列成像中内质网结构进行定量分析的方法,并通过对环境胁迫下内质网结构动态变化的追踪进一步验证了方法的有效性。此外,各类参数的相关性分析显示管状内质网的面积和长度与生长端和三叉点的数量显著正相关,而内质网池和整体流的面积与管的面积和长度显著负相关。【结论】优化的自监督去噪框架提升了植物活细胞中结构光照明显微图像的信噪比,实现了管状内质网、内质网池、整体流、生长端和节点等复杂结构和动态的量化,各结构间存在复杂相关性。

元宝枫凋落叶浸提液对3种中草药化感作用的研究

本研究以甘草、黄芩和桔梗为化感受体,探究不同浓度的元宝枫凋落叶浸提液对3种中草药种子萌发和幼苗生长的影响,以期为北京元宝枫林下中草药的种植提供理论依据。结果表明:元宝枫凋落叶浸提液对甘草和黄芩的种子萌发表现出“低促高抑”效应,而对桔梗表现为抑制作用。元宝枫凋落叶浸提液对3种中草药种子萌发和幼苗生长的化感效应为桔梗>黄芩>甘草。3种中草药幼苗叶片的叶绿素含量在不同浓度处理下均低于对照。元宝枫凋落叶浸提液处理使黄芩幼苗叶片的超氧化物歧化酶(SOD)活性升高,黄芩、甘草幼苗叶片的过氧化氢酶(CAT)活性随浸提液浓度的升高先升后降,3种中草药幼苗叶片的丙二醛含量随浸提液浓度的升高呈先增加后减少的趋势。综上,元宝枫林下应避免种植桔梗,适宜种植甘草和黄芩。

14-3-3蛋白及其在植物中的功能研究进展

14-3-3蛋白是由不同基因编码的高度同源的酸性蛋白质家族,在真核生物中广泛存在,且在结构上相对保守。14-3-3蛋白主要是通过识别靶蛋白上的磷酸化位点与靶蛋白发生相互作用,导致靶蛋白的稳定性、亚细胞定位或与其他蛋白之间的相互作用发生显著变化,进而调控靶蛋白的功能。不同物种中含有多种亚型的14-3-3蛋白,这些不同的亚型蛋白通过与其他蛋白的相互作用来影响植物的生长发育等过程。本文概述了14-3-3蛋白在植物中的种类、亚细胞定位以及在组织中的表达情况,重点总结了14-3-3蛋白在植物激素信号转导、生长发育及胁迫响应中的功能,以期为今后系统开展14-3-3蛋白的研究提供理论依据。

植物维管形成层发育及其调控的研究进展

维管形成层是植物的次生分生组织,它的活动促进植物侧向生长。近年来,大量研究成果加深了对维管形成层的了解,但与顶端分生组织相比,对维管形成层还是知之甚少。遗传与分子生物学研究发现,形成层的增殖与分化受多因素调控,包括长距离激素信号、短距离肽信号及两者之间的相互作用。除此之外,各种转录因子和microRNAs在维管形成层活动的调控过程中也发挥着关键作用。本文主要阐述了维管形成层发育及调控其增殖分化的新发现,并且对该领域目前的研究现状以及未来研究的重点方向进行了总结与展望。

低温诱导大百合鳞茎休眠解除与酚类代谢关系

大百合(Cardiocrinum giganteum)为多年生球根药食同源植物,其鳞茎具有典型的生理休眠特性,而低温是百合鳞茎解除休眠的重要环境因子。为揭示大百合鳞茎休眠解除的分子机制,该研究对4℃低温处理0、30和60d的鳞茎分别进行代谢组和转录组分析。结果表明,鳞茎休眠的解除与酚类物质的代谢相关,酚类物质的降解有利于解除休眠,其中苯丙氨酸解氨酶基因(PALs)在此过程中可能起主要作用。同时,bHLH、bZIP、MYB和MADS等转录因子家族成员均与酚类代谢物显著相关,且参与解除休眠。共表达分析证实PAL、CAD和POD是酚类代谢重要的调控基因,MYB4、MYB114和ICE1参与了酚类代谢调控网络,其中ICE1可能是连接温度信号和酚类代谢的关键因素。这些转录因子与酚类物质的共同作用可能对鳞茎打破休眠具有重要作用。

气候变化情景下大花杓兰在中国的适生区预测

大花杓兰(Cypripedium macranthos)隶属兰科杓兰属,是国家二级重点保护野生植物,与大多数杓兰属植物分布在我国西南山区不同,主要分布于我国的华北、东北和台湾等地区。多年来,过渡采挖等导致了大花杓兰种群数量和个体数目急剧下降。鉴于大花杓兰特殊的分布格局和濒危现状,选择过去、当前和未来8个气候情景,利用MaxEnt物种分布模型结合38个环境变量及来源于数据库和最新实地调查的80个分布位点进行建模,分析了影响大花杓兰分布的关键环境变量,预测了其在当前、过去和未来气候情景下的适生区及其分布中心和迁移趋势。结果表明:当前情景下,大花杓兰适生区主要分布在我国东北和华北地区。影响其分布的5个关键环境变量分别是:UV-B最强月份均值(UV-B3,贡献率:54.0%)、森林覆盖率(FOR,贡献率:14.3%)、降水量季节性变化(BIO15,贡献率:7.4%)、温度季节性变动系数(BIO4,贡献率:6.8%)和草/灌木/林地(GRS,贡献率:4.6%)。其中,紫外辐射相关变量是首次被运用在杓兰属植物的适生区分布预测中,并被证实对大花杓兰的分布具有重要影响。过去3个气候情景下大花杓兰总适生区面积受冰期影响呈现先减少后增加的状态,未来4个气候情景与当前情景相比有增加的趋势。大花杓兰适生区分布中心除末次盛冰期位于河北省外,其余7个气候情景下均位于与辽宁省相近的内蒙古自治区东南部区域。气候变化背景下,采取对预测的适生区全面资源调查、生境和生长监测、科普宣教等策略对大花杓兰的保护至关重要。本研究的预测结果能够为大花杓兰甚至杓兰属植物的保育策略的制定提供理论性参考。

油松SAUR基因家族鉴定及其干旱胁迫表达模式分析

【目的】本研究旨在鉴定油松生长素响应基因SAUR家族,分析其基本特征及其在干旱胁迫中的作用,以期为油松及其他针叶树SAUR基因家族功能解析提供参考。【方法】以油松全基因组数据信息为基础,blast比对鉴定出SAUR基因家族,通过生物信息学方法分析其基因结构、氨基酸特性、染色体定位、基因进化、基因功能,并通过RNA-Seq数据分析其在干旱胁迫下的表达模式。【结果】(1)在油松中共鉴定出66个SAUR家族基因,命名为PtSAUR1~PtSAUR66,其中60个SAUR家族成员不均匀地分布在9条染色体上,多呈现簇状分布。(2)蛋白理化特征分析结果表明,76%的SAUR蛋白呈碱性;亚细胞预测结果显示,74%的SAUR蛋白可定位到细胞核中。(3)油松与银杏和巨杉SAUR基因的共线关系结果显示:与银杏相比,油松与巨杉的同源关系更近。(4)顺式作用元件预测结果显示:SAUR家族基因的启动子中预测到多种激素(茉莉酸甲酯、脱落酸、生长素等)、非生物胁迫(低温、干旱等)相关的顺式作用元件,其中茉莉酸甲酯相关的元件数最多,生长素相关的元件数最少。(5)系统进化分析显示:油松SAUR家族蛋白可分为7个类群,油松中既存在相近于被子植物的SAUR蛋白,也存在前期分离出来的油松独有的SAUR蛋白。(6)RNA-Seq数据分析结果显示:油松SAUR基因家族对于干旱胁迫具有一定的调节作用,其中PtSAUR23、PtSAUR59和PtSAUR663个基因成员变化显著,推测为抗旱的关键基因。【结论】油松SAUR家族基因可参与调控干旱胁迫,PtSAUR23、PtSAUR59和PtSAUR66可能在这个过程中起到关键的作用。

木质素单体跨膜转运的技术研究进展

木质素(lignin)作为一种重要的可再生资源,主要集中在植物的次生细胞壁中,在植物的营养物质运输、机械支持和病原体防御等生理过程中发挥着关键作用。木质素的形成过程包括3个主要环节:单体的胞内合成、跨膜转运以及胞外聚合。深入探究木质素单体跨膜转运的分子机制,对揭示细胞壁形成分子机制及木材改良具有重要意义。基于此,本综述从转录组学、基因工程、点击化学、荧光显微成像、分子模拟等技术角度,对木质素单体跨膜转运的相关进展和最新技术进行了梳理和总结,阐述了木质素单体跨膜转运相关研究的新技术和存在的技术瓶颈,并对比分析了不同技术之间的优缺点,最后提出了木质素单体跨膜转运机制研究中仍存在的问题和面临的挑战。相信随着成像技术、结构生物学、人工智能等科技的飞速发展,将为进一步阐明木质素单体跨膜转运的分子机理提供有效的技术手段。期望本综述为木质素单体的相关研究提供新的思路和方法。

7种观赏桃新种质的TP-M13-SSR分子标记鉴定及亲缘关系分析

【目的】以7份选育出的观赏桃新种质和15份市面上常见桃品种的叶片为试验材料,通过简单重复序列(SSR)分子标记对其遗传多样性及亲缘关系进行分析鉴定,旨在探讨新种质与市面上常见桃品种的种间遗传距离与亲缘关系,为观赏桃起源演化、开发利用和亲本选配提供参考。【方法】利用36对引物进行TP-M13-SSR PCR扩增以及荧光毛细管电泳检测,并对扩增产物的扩增效率及引物多态性进行分析。对7份观赏桃新种质‘T20’、‘T22’、‘T28’、‘T10’、‘T13’、‘T9-1’、‘早花’与15份已有常见桃品种的亲缘关系进行鉴定,利用6个SSR位点构建22份观赏桃种质资源的指纹图谱,进行Neighbor-Joining聚类并结合表型性状开展综合分析。【结果】36对引物中筛选得到25对高多态性引物,共检测到183个多态性等位基因和98.396个有效等位基因,观察杂合度平均值为0.341,预期杂合度平均值为0.739,Shannon’s信息指数平均值为1.546,引物多态性信息指数平均值为0.683,介于0.510~0.841之间。新种质‘T20’和‘T10’与已有‘台阶’品种相似系数最大,分别为0.95和0.92,‘T20’和‘台阶’的枝型、花瓣颜色及花瓣类型等表型性状都相同;新种质‘T13’与已有‘五宝桃’品种相似系数最大,为0.86;新种质‘T22’与已有各品种相似系数很小,其表型性状与其余21份种质相比有较大不同;新种质‘T9-1’和‘早花’与已有‘朱粉垂枝’品种相似系数最大,为0.94。【结论】本研究通过构建SSR指纹图谱,更加直观和快捷的对观赏桃种质资源进行鉴定,为后期观赏桃种质资源的创新、种质资源库的建立及种质资源的保护与利用提供技术与理论支撑。

‘京枣39’离体叶片高效再生体系的建立

【目的】‘京枣39’是一种优质的枣鲜食新品种,目前尚无有效的离体再生体系,影响了自根苗的培育和苗木纯度。为了解决枣遗传转化效率低等问题,本研究探究了枣叶片再生的不同影响因素,以期建立高效的叶片再生体系。【方法】以‘京枣39’组培苗叶片为试材,研究了不同接种方式、基本培养基种类、植物生长调节剂种类和浓度配比对离体叶片直接诱导不定芽再生的影响。【结果】正交试验结果表明:叶片正放的接种方式再生率远高于叶片反放,是‘京枣39’叶片再生不定芽的最佳放置方式;基本培养基对‘京枣39’叶片再生的影响要大于植物生长调节剂,且最优培养基为1/2 MS,最佳植物生长调节剂为细胞分裂素6-BA,本研究确立的‘京枣39’组培苗叶片再生的最优体系为1/2 MS+1 mg/L噻苯隆+0.5 mg/L 6-BA+0.2 mg/L NAA+30 g/L麦芽糖+6 g/L琼脂,再生率可达79.17%,平均每叶片再生不定芽能达到4.67个。进而初探并建立了‘京枣39’组培苗的最佳扩繁体系为:MS+20 g/L麦芽糖+6 g/L琼脂+3 mg/L 6-BA+0.1 mg/L NAA,分枝率高达88%,平均分枝数达2.76枝;以及最适生根体系为:1/2MS+20 g/L蔗糖+8 g/L琼脂+1.5 mg/L IBA+0.3 mg/L NAA,生根率达90.91%,平均根长达4.08 cm。【结论】‘京枣39’叶片再生效率受外界影响因素很大,尤其是基本培养基种类和接种方式,且每个因素都不是独立起作用的。本研究为之后以‘京枣39’叶片为转基因材料进行枣相关基因功能验证建立了完整的培育体系,同时为加快枣的相关研究进程奠定基础。

非编码RNA在植物生长发育及逆境响应中的研究进展

非编码RNA(ncRNA)是一类不具备蛋白质编码能力但有多种生物学功能的RNA分子,广泛存在于各种生物体内。随着高通量测序技术的不断完善,大量的非编码RNA被鉴定出来,其功能和作用机制也逐渐被阐释。大量研究表明,非编码RNA在植物生长发育和逆境胁迫响应中发挥重要作用。尽管对某一类非编码RNA调控植物生长发育及逆境响应的总结有很多,但缺少对非编码RNA系统而全面的总结。因此,该文首先简要介绍非编码RNA的分类及特征,随后重点介绍非编码RNA在植物生长发育,如种子休眠和萌发、根和叶的生长发育、花和果实的发育以及果实成熟方面的作用,最后对非编码RNA在逆境胁迫响应中的功能及作用机制进行总结,旨在全面论述非编码RNA在植物生长发育和胁迫响应中的分子调控机理,以期为改良品种、提高农林业生产的产量和品质提供参考。

质膜蛋白动力学的调控及其研究方法

质膜蛋白是细胞膜的重要组分之一,在细胞的物质转运、离子交换、信号转导以及代谢过程中起着重要作用。质膜蛋白在膜上是运动的,生长发育和环境因素均可改变其运动方式。因此,研究影响质膜蛋白运动的因素及调控机制对于理解植物生长发育和应对环境改变至关重要。近年来,显微技术发展迅速,使得关于质膜蛋白动力学调控机制的研究逐步深入。该文详细介绍了质膜蛋白动力学及其影响因素,概述了近几年在质膜蛋白动力学研究中常用的显微成像技术,以期为深入研究质膜蛋白的生物学功能提供参考。

蒙古莸种质资源表型性状多样性分析

为了明确荒漠灌木蒙古莸野生种质资源的表型多样性以及与环境因子的关系,对40个天然种群的蒙古莸,进行5个生长性状和11个叶片性状的多样性、聚类、主成分分析。结果显示:蒙古莸的16个表型性状变异系数范围在0.102-0.507之间,株高变异系数最大,叶形状系数的变异系数最小;遗传多样性指数范围在1.625-2.086之间;Pearson相关系数表明表型性状之间存在显著的相关关系,表型性状与种源地环境因子间也有较强的相关性。按株型和叶片性状聚类将蒙古莸种群分为4个类群,其中第Ⅰ类种群株型大,叶片也较大;第Ⅱ类种群株型大,但叶片相对较小;第Ⅲ类种群株型小,叶片也小;第Ⅳ类种群株型小,但叶片大;聚类种群表型性状表现出与种源地环境相适应的特征。文中结果表明蒙古莸种质资源表型变异丰富,多样性水平高,且表型与环境因子密切相关,为蒙古莸种质资源的保护和研究利用提供理论依据。

石榴品种SSR指纹图谱构建及杂种父本鉴定

以枣庄市石榴国家林木种质资源库中收集的168个石榴品种为材料,利用SSR分子标记技术构建了石榴品种资源指纹图谱,并基于指纹图谱信息,应用最大似然值法(LOD)对品种‘秋艳’和‘会理青皮软籽’的自然授粉实生苗进行了杂种筛选及父本初步鉴定。22对SSR引物从168个石榴品种样品中共扩增到76个等位标记位点,其中多态性位点58个,多态性为76.3%。平均等位位点数(N_(a))、有效等位位点数(N_(e))、观测杂合度(H_(o))、期望杂合度(H_(e))分别为3.455、2.269、0.362、0.538,Shannon’s信息指数(I)平均值为0.897,多态性信息含量(PIC)介于0.330~0.692之间,平均PIC值为0.462。利用22对SSR引物可将166个石榴品种区分开,另有‘大满天红甜’和‘小满天红甜’2个品种未有效区分,有同物异名的可能;在此基础上构建了166个品种的特异指纹代码及指纹图谱二维码。基于指纹图谱信息,利用SSR标记从‘秋艳’的30个自然授粉子代实生苗中筛选到1个真杂种Q-1,疑似父本为‘峄城丰产马牙’,LOD值为5.96;从‘会理青皮软籽’的118个自然授粉子代实生苗中筛选到6个真杂种H-4、H-49、H-51、H-87、H-94和H-103,疑似父本分别为‘四川黄皮酸’‘突尼斯软籽’‘蒙自红花白皮’‘四川黄皮酸’‘突尼斯软籽’及‘蒙自红花白皮’。

湿加松个体老化模式与平茬复幼的机理

松树是我国重要的针叶树造林树种.在早期的生产实践中,通过树木复幼等技术,可以有效提升多种针叶树树种的无性繁育,但缺乏从分子水平上对其进行评价和测算.本研究以实生湿加松和平茬复幼的湿加松(Pinus elliottii×P.caribaea)为研究对象,结合转录组测序、加权基因共表达网络分析、荧光实时定量PCR等多种技术,鉴定到Pt6G14330,Pt6G55590,Pt9G03170,Pt3G66280(AP2L3),PtJG21230,Pt4G16540,Pt2G41770(DAL10),Pt1G04760(MADS28)等年龄标记基因,同时借助这些基因阐明了湿加松个体发育老化的空间模式,并揭示了平茬复幼的分子机制.本研究还发现,平茬后湿加松嫩枝中茉莉素、水杨酸、生长素等含量显著上升,脱落酸含量显著下降,暗示树木的平茬复幼与激素变化密切相关.这一研究不仅从分子水平厘清了针叶树的组织年龄变化规律,也为树木高效规模化繁育过程中复合生长调节剂的研发提供了理论指导.

月季新品种‘燕京黄’

月季新品种‘燕京黄’是从‘美景’(4x)ב藤金玛丽’(4x)的杂交后代中选育而成的,株高60cm左右,茎干较直,分枝性较好,也有柔韧的蔓生枝条,生长速度快。花黄色,带红晕,颜色变化微妙丰富。花瓣微卷曲,呈波浪状平开,花瓣数26~30,花径6~8 cm,花型轻盈秀丽。花香为果香和茶香的混合,香味持久。叶片圆卵形,深绿,半革质,较厚实。耐热,抗黑斑病和较抗红蜘蛛。除用作切花外,也可用作花篱,花柱,花境等。在北京地区4月中下旬初花期,10月中下旬末花期。适于中国华北、西北、东北及华中地区栽培。

白玉兰花的代谢物成分及药用价值解析

以白玉兰花(Magnolia denudata)为实验材料,基于液相色谱-质谱联用(LC-MS)代谢组学技术对花蕾和花朵中代谢产物进行分析。共鉴定出492种代谢物,其中确定药用价值及对应化学结构的化合物共计4类22种:苯丙素类化合物最多,其次是萜类化合物、有机酸化合物和生物碱类化合物。本研究解析了白玉兰花蕾和花朵中含有的特殊药用成分及相应药用价值,并对花蕾与花朵的药用化合物差异进行了比较分析,发现共有9种化合物在花朵中显著上调,13种化合物在花蕾中显著上调。白玉兰花朵在抗癌与抗肿瘤、抗流感与抗菌中以及花蕾在抗氧化及抗炎和糖尿病治疗中具有重要的潜在药用价值。