植物非编码RNA调控春化作用的表观遗传

在自然界中许多高等植物需要通过冬季的低温阶段实现从营养生长到生殖生长的时期转化,这一生物学过程称作春化作用。小麦(Triticum aestivum L.)和油菜(Brassica napus L.)等作物以种子为产品器官,生产上往往通过茬口安排和栽培措施使植株尽早通过春化作用,以促进花芽形成和花器官发育,而大白菜(B rapa ssp.pekinenesis)和甘蓝(B.oleracea)等作物以叶球等营养器官作为产品器官,生产上则设法避免低温引起的春化作用,以保证产品器官的充分生长。FLOWERING LOCUS C(FLC)作为一种重要的开花抑制蛋白负调控春化作用,参与植株从营养生长向生殖生长的转化过程。文章综述了春化中FLC表达受抑制主要通过低温诱导表达FLC基因区域的非编码RNA以及VRN1、VRN2、VIN3等蛋白参与介导组蛋白甲基化,从而在表观遗传上控制春化作用的进程和产品器官的正常发育。

植物次生代谢的分子生物学及基因工程

植物次生代谢是植物对环境的一种适应，是植物主要的防御机制之一。植物次生代谢物为人类提供了丰富的药物、香料等资源。近年来植物次生代谢途径关键酶的基因克隆和分子调控的研究成为热点。黄酮类生物合成分子生物学的研究最为深入。在异戊二烯途径中，萜类合成酶已从４种植物中克隆，包括单萜、倍半萜和二萜合成酶。这些将对农业与医药产生重要影响。

重金属污染环境的植物修复及其分子机制

重金属污染物的排放和扩散造成了日益严重的环境污染。如何消除环境中的重金属污染物已成为国际性难题。近年来 ,植物修复技术的出现和快速发展为我们展示了一条新的有效途径 :即利用植物对重金属化合物的吸收、富集和转化能力去除土壤和水体中残存的重金属污染物。文章简要介绍了重金属污染物与植物修复的关系和植物修复的生理机制 ,重点总结了重金属污染环境的植物修复在分子生物学方面所取得的研究进展 ,包括有机汞裂解酶基因merB、汞离子还原酶基因merA和金属硫蛋白基因MT等的生物学功能及其在植物修复上的应用 ,展望了植物修复研究工作的发展方向 ,并针对汞污染提出了一套修复方案。

芸苔属植物CAL基因的结构特征与花球的形态遗传

从花椰菜变种 (BrassicaoleraceaL .var.botrytis)中分离出 4种花球类型的纯合株系 :光滑型花球curd_s、毛状物花球curd_h、颗粒状花球curd_c和刺状物花球curd_t。用PCR方法分别扩增各株系的BobCAL基因并分析其中的部分序列 ,发现 4种株系的CAL基因在第五个外显子中都有AAG向TAG的终止突变 ,而且该终止密码子上游 6 38bp的DNA序列完全一致 ,说明花蕾、茎生叶等花球附生物的形态发生不是BobCAL的单一调节作用。花椰菜与结球甘蓝 (B .oleraceavar.capitata)和青花菜 (B .oleraceavar.italica)杂交后其F1代植株都失去了原有花球的形态特征 ,表现出花序的多态性 ,从而显示了不同变种CAL相互作用的形态学差异。从大白菜中分离出CAL的同源基因 ,发现BcpCAL基因没有发生终止突变。分析了从大白菜 (B .campestrisL .ssp .pekinensis)中分离出的BcpCAL的基因结构特征以及与其他基因间的同源性。为了解CAL基因的生物学功能 ,研究花球形态发生的机制提供了分子和遗传证据。

植物响应盐碱胁迫的分子机制

随着工业化的快速发展,土壤盐碱化的问题严重制约着作物的产量及种植范围,成为阻碍农业发展亟待解决的问题。植物的盐碱胁迫主要是指土壤中的中性盐以及碱性盐离子对植物的生长发育过程中产生不利影响的一种非生物胁迫。盐碱胁迫与碱胁迫都会改变植物体内外的渗透平衡,引起离子毒害与氧化毒害等,pH所形成的碱胁迫危害往往大于中性盐所造成的危害,碱胁迫会改变植物体内的pH,并降低植物对营养元素的吸收、特别是可溶性铁。本文总结了盐碱胁迫对植物的危害,植物对盐碱胁迫的感知,通过活性氧(ROS),SOS途径,多种植物激素,表观修饰等一系列方式来响应并适应环境的盐碱胁迫,最终降低盐碱胁迫对植物的危害以及植物响应盐胁迫与碱胁迫过程中存在的共同分子机制。

接种大豆根瘤菌(Sinorhizobium fredii)遗传工程菌株LMG101对大豆的增产效应

笔者曾报道带外源肺炎克氏杆菌 (Klebsiellapneumoniae)nifA的大豆根瘤菌 (Sinorhizobium fredii)工程菌株LMG10 1在实验室条件下具有较高的结瘤固氮效率 ,用其接种大豆幼苗可以提高大豆生物量。本项工作通过 3年的田间小区试验 ,对工程菌S .frediiLMG10 1的田间施用效果进行了研究。试验表明 ,接种工程菌S .frediiLMG10 1能有效地提高大豆的结瘤固氮效率和大豆产量。接种工程菌S .frediiLMG10 1的大豆植株固氮酶活力分别比对照和接种出发菌植株高 3.1倍和 2 .1倍 ,与之相应工程菌占瘤率也较高 ,大豆田间产量分别比对照和接种出发菌提高 10 %和 5 %以上 ,统计差异显著 (P <0 .0 5 )。

T-DNA(Ds)插入产生的水稻卷叶突变的遗传分析

在筛选和鉴定水稻T-DNA(D s)插入纯合体的过程中,观察到1个叶片卷曲的突变体.对该突变体进行遗传分析表明,分离群体出现叶片卷曲和叶片正常2种植株类型,其分离比率为3∶1,符合1对基因的显性遗传.Basta抗性检测及PCR分子检测证实,该突变体是由单一T-DNA(D s)插入所引起的,突变性状与T-DNA(D s)共分离.该突变材料可用于插入座位的基因克隆.

T-DNA插入产生的水稻白化苗突变的遗传分析

在筛选和鉴定水稻T-DNA(含Basta抗性基因Bar)插入纯合体的过程中,观察到1个白化苗的突变体.对该突变体进行遗传分析表明,分离群体出现绿苗和白化苗2种类型,其分离比率为3∶1,符合1对基因的显性遗传.Basta抗性检测、PCR分子检测及Southern杂交证实,该突变体是由单一T-DNA插入所引起的,白化苗性状与T-DNA共分离.该突变材料可用于插入座位的基因克隆.

T-DNA插入水稻群体中卷叶突变体R1-A2的遗传分析

在根癌农杆菌介导的T-DNA(携带有除草剂Basta抗性基因bar和Ds因子)转化中花11水稻群体中,获得了一个叶片发生明显内卷的突变体R1-A。经过连续三代的分离鉴定,获得突变体的纯合株(R1-A2),并与中花11号进行杂交,在调查的36个F_1植株中,全部表现为卷叶,并对Basta除草剂都表现为抗性。在852个F_2单株中,卷叶为645株,正常叶207株,卷叶和正常叶的比例为3:1,其中,卷叶株均对Basta表现抗性,正常叶株均对Basta表现敏感,表明卷叶性状和Basta抗性存在着共分离关系。用扩增Ds因子的引物,对F_2中45个卷叶抗性株进行PCR鉴定,都获得预期长度的Ds因子片段,进一步表明在这些卷叶的植株中都有T-DNA的插入;而30个正常叶敏感株都不能检测到Ds的特征片段。在以卷叶突变(R1-A2)为回交亲本的F_1B_1植株中,全部植株表现卷叶;在以中花11号为回交亲本的F_1B_1植株中,卷叶和正常叶植株的分离比为1:1。上述结果表明该卷叶突变是个显性突变,受一个基因所控制,且该基因的突变与T-DNA的插入有关。

T-DNA插入产生的水稻多分蘖突变的遗传分析

在筛选和鉴定水稻T-DNA(含Basta抗性基因Bar)插入纯合体的过程中,观察到一个多分蘖的突变体。其分离群体中多分蘖和正常分蘖两种植株类型的分离比率为3∶1,符合1对基因的显性遗传。Basta抗性检测、PCR分子检测及Southern杂交证实,该突变体是由单一T-DNA插入引起的,多分蘖性状与T-DNA共分离。该突变材料可用于插入座位的基因克隆。

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。

豆科模式植物——蒺藜苜蓿

蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)是国际上广泛用于研究仅属于豆科植物或者与之有关的某些生物过程的豆科模式植物,这些生物过程无法采用模式植物拟南芥进行研究。蒺藜苜蓿的基因组较小,二倍体,遗传学简单,遗传转化相对容易,再生时间较短。2003年,国际间合作的蒺藜苜蓿基因组测序计划已经启动。文章概述了蒺藜苜蓿基因组测序、生物信息数据库、遗传转化系统以及功能基因组研究工具的研究进展。

植物信号传导中的磷脂酶

Phosphotidylinositol (PI) can be hydrolyzed into inositol 1,4,5_ trisphosphate/diacylglycerol (IP 3/DAG), the second signalling messengers which can be further phosphorylated by phospholipases to other signalling molecules, and phosphatidic acid (PA) and lysophosphoglyceride (lysoPI) involved in many signalling cascades. It has been shown that PI signalling pathway and the involved enzymes are critical for plant development and response to environmental factors. Three classes of phospholipases, named PLA 2, PLC and PLD, were classified based on their cleavage sites, and the presence of variants of isoforms indicating their different functions in plant growth/development. The update information of phospholipases with focus on the interaction of plant hormone and environmental factors has been provided.

植物挥发性物质及其代谢工程

植物挥发性物质在植物之间和植物与昆虫间的化学通讯中起着重要作用。有关这些次生物质的生物合成、代谢调控、生理功能以及与环境相互作用的研究近十多年来取得了重要进展。迄今为止,已经有30多种植物挥发性物质的合成酶基因被克隆。这些基因调控着植物萜类、芳香化合物、脂肪酸衍生物这三大类主要挥发性物质的生物合成。由于潜在的应用价值,近几年该领域颇受注目,特别是应用基因工程技术设计植物释放特殊气味物质,诸如特定的驱避剂或者其它控制植物或昆虫行为的特殊气味乃至与人类健康相关的药用气味物质。该文就植物挥发性物质的生物合成、生理和生态功能以及基因工程方面的研究进展作一概述。

T-DNA插入产生的水稻迟抽穗突变体的遗传分析

在筛选和鉴定水稻T-DNA插入纯合体的过程中,观察到一个迟抽穗的突变体。对该突变体进行遗传分析的结果表明,分离群体后代中出现正常抽穗、迟抽穗和特迟抽穗3种类型,分离比率为1∶2∶1,符合一对基因的不完全显性遗传;对突变体及其后代分离群体做Basta抗性检测及PCR分子检测,证实该突变体是由T-DNA插入所引起的,突变性状与T-DNA共分离。该材料可用于插入座位的基因克隆。

大豆遗传转化研究进展

近年来大豆的遗传转化取得了较大的进展。文章结合作者实验室的工作介绍了几种主要的大豆遗传转化系统及其操作方法,并探讨了影响农杆菌介导大豆遗传转化的因素。

转基因植物对有机污染物的吸收、转化和降解

有机污染物是土壤、水体和大气环境的重要污染物。利用和加强植物修复作用是控制环境污染的有效途径。近年来,一些具有修复功能的外源基因被陆续引入到植物中,使转基因植物的生物修复能力大大增强。文章介绍了植物对污染环境中有机污染物,尤其是持久性有机污染物(POPs)的吸收、转化和降解作用,阐述了转基因植物用于被污染环境修复方面的研究进展和应用前景。

根癌农杆菌介导的木薯遗传转化条件的优化

对中国及非洲11个主栽木薯品种(KU50、NZ188、NZ199、SC5、SC6、SC8、SC124、TME7、TME12、Ebwanateraka、TMS60444)的离体培养研究结果表明,不同品种之间的体细胞胚胎发生和芽器官发生能力因基因型不同而差异显著。多数品种体细胞胚胎发生频率在60%以上,有几个可达到80%以上,如TMS60444和Ebwanateraka;而NZ199、SC124和TME2的诱导频率较低,分别只有25%、43%和36%。次生胚状体形成的子叶胚切块可诱导芽器官发生,诱导频率在15.8%～75.8%之间,其中TME7和TMS60444诱导效果最好。与TMS60444相似,KU50、SC5、SC8及Ebwana的次级体细胞胚经过多次继代诱导后,观察到脆性胚性愈伤组织的形成,但发生频率较低。对不同根癌农杆菌侵染外植体及抗生素浓度的优化结果表明,用改良型的农杆菌LBA4404进行侵染,在培养基中添加200μmol/L乙酰丁香酮,共培养温度22℃,培养4 d时,转化效果最好。共培养后,使用含有500 mg/L羧苄霉素及15 mg/L潮霉素的培养基来筛选体细胞胚胎发生是较为理想的。

影响农杆菌介导玉米优良自交系遗传转化的因素

以我国玉米骨干自交系9046,齐319,414,Mo17的幼胚为材料,在已经建立的农杆菌介导的玉米幼胚转化体系的基础上,研究了影响农杆菌介导玉米优良自交系遗传转化的因素,建立了优化的玉米优良自交系的遗传转化体系。研究结果表明,1.0-2.0mm的玉米幼胚是最适宜的转化受体;在感染液和共培养基中都加入乙酰丁香酮(200μmol/L)和抗坏血酸(50mg/L),能显著提高农杆菌对玉米的侵染能力;而感染前将幼胚高渗透压预处理未能提高转化率;延迟筛选有利于提高抗性愈伤组织的存活率。应用优化后的转化体系,获得了这4个玉米优良自交系的转基因植株,PCR阳性植株率为1.71%-4.09%。转化植株叶片总DNA的PCR和Southern杂交分析表明,T-DNA上的外源基因已经整合进了玉米基因组,并且在大多数转基因植株(71.4%)中为单位点插入。这一体系的建立,为进一步将有用基因导入玉米优良自交系奠定了基础。

控制拟南芥和水稻开花时间光周期途径的分子机制

就拟南芥和水稻开花时间控制光周期途径的分子机制的研究进展作简要介绍。