植物

生物钟协调水稻抽穗期和盐胁迫适应性

盐胁迫是影响水稻等粮食作物产量的主要非生物胁迫因子之一。近年来，由于不合理的农业灌溉及全球气候变暖所致的海水倒灌，导致土壤盐碱化问题日益严重。挖掘耐盐高产的水稻品种，有助于扩大水稻的种植面积，提高作物产量。植物生物钟可以感知并整合外界环境信号，在调节植物生长发育以及胁迫响应的过程中起到关键作用，然而生物钟协调盐胁迫和开花时间的作用机制仍不清楚。最近的新发现表明，生物钟组分OsELF4a、OsELF3-1和OsLUX在细胞核中互作，可以组成转录抑制复合物OsEC1，据此可解析OsEC1协调水稻开花和耐盐性的分子机理。OsELF4a、OsELF3-1和OsLUX的功能缺失突变体都表现出盐敏感和晚花的表型。转录组数据分析结合分子生物学实验证据表明，OsGI是OsEC1的直接靶基因，其表达水平在时间维度受到OsEC1的抑制。相应地，在多个遗传背景下基因编辑获得的osgi功能丧失突变体，均表现出耐盐性提高并在长日照条件下抽穗期提前的表型。此外，osgi突变体的转录组数据表明OsGI除了通过已知的Hd1-Hd3a信号通路调控水稻抽穗期以外，还影响多个编码Na+和K+离子通道的基因的转录水平。综上，该研究提出了生物钟OsEC1-OsGI转录模块协调水稻耐盐性和抽穗期调控的机制，研究结果对于培育耐盐且抽穗期提前的水稻品种具有重要的理论意义，并提供了相关种质资源。（Plant, Cell & Environment, 2021, 44(10): 3283-3301）

植物代间可塑性提高子代生态适应性

表型可塑性是生物体应对快速变化环境的重要适应机制。其中，母体效应是一种特殊的表型可塑性，是指母体所经历的环境修饰子代植株的表型及其对环境适应性的现象，这种代间的可塑性可能是缓冲对后代的环境胁迫的有效方式。近年来，对母体环境效应的研究已成为环境变化背景下植物生态适应机制和生活史对策研究的新热点。然而，有关母体效应的代间可塑性的相关证据仍然十分有限，对代间的影响效应强度和生态后果仍缺乏明确认识。植物学家最近以中国北方荒漠盐生植物中亚滨藜为实验材料，系统研究了异型种子萌发/传播策略的母体效应适应机制。研究人员通过为期三年四代的原生境控制实验，从F0→F1→F2直至培育出F3代种子。他们通过比较不同母体环境下异型种子的成株特性、繁殖分配、种子大小、异型种子比例等性状发现：当世代长期处于盐胁迫环境时，植株更趋向于产生休眠程度深、传播距离远的子代；反之，则更趋向于产生休眠程度浅、传播距离近的子代。由母体对盐渍化胁迫环境产生的记忆效应能够使子代性状发生适应性的变化，并且这些变化能够传递至少三代。这种代间可塑性通过与异型种子的两头下注策略共同作用，使该物种能够适应荒漠区异质性强烈的生境。综上所述，该研究阐明了母体效应的代间可塑性在不同世代间传递的规律，发展和完善了植物生活史适应的对策理论。（Journal of Ecology, doi.org/10.1111/1365-2745.13789）

高效绿色的抗小麦穗发芽防护剂

小麦收获期若遇阴雨或潮湿环境，会出现穗发芽。穗发芽引起的产量损失大约在6～10%，严重年份甚至颗粒无收。穗发芽的发生也会严重降低小麦的加工品质和种用价值，带来经济损失。目前生产上主要通过选育抗穗发芽品种来应对这一问题，而通常经济价值高的白麦品种对穗发芽的抗性低，市场上尚无针对穗发芽高效稳定的化学防控产品。近期，中国科学家在小麦穗发芽防控技术研究方面取得进展，该研究成果为穗发芽防控提供了新路径。研究人员以经过修饰的天然纳米材料为主要原料，制备出一种抗小麦穗发芽防护剂。该防护剂不含化学农药成分。他们制备了多种纳米防控药剂，并对筛选出的药剂OAA进行了离体和田间试验。研究发现，OAA能有效抑制种子萌发阶段水分的吸收、种子萌发相关酶的活性，同时维持穗发芽抗性基因较高水平的表达。在大规模田间试验中，研究人员发现该药剂对不同生态区多个品种的小麦穗发芽防控均具有良好的应用效果。该技术具有施用方便、环境友好等优势，拥有较好的应用前景，有助于提高小麦品质并减少化学农药的环境释放。（ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9(21): 7235-7244）

竹子茎秆快速生长的遗传机制

演化创新（evolutionary innovation）贯穿于整个生命之树（Tree of Life），如被子植物的花和鸟类的羽毛分别为植物和鸟类开拓和适应新的生态位提供了重要前提，其如何产生是演化与发育生物学研究的基本问题和主要挑战之一。越来越多研究表明，新基因是演化创新的主要驱动力。几乎所有物种都包含一定数量的孤儿基因（特有新基因），而孤儿基因有多种起源方式，其中“从头起源（de novo origination）”基因引起广泛关注，因为从头起源基因是驱动演化创新的关键角色。竹子是禾本科在森林生态系统中多样化的竹亚科植物的总称，全世界共有超过1600个物种。相对其他禾本科植物而言，木本竹子具有木质化且高大的茎秆。这种快速生长作为木本竹子的关键创新性状，使其能够与其他树木竞争，从而适应森林环境。近年来，我国科学家对毛竹基因组数据进行基因组系统发育地层学（phylostratigraphy）和演化转录组学分析，鉴定到1622个竹子特有的孤儿基因。进一步研究表明，这些孤儿基因中有19个是从头起源基因，其中4个基因还得到了蛋白质证据的支持。以往研究表明，新基因主要是在繁殖器官中高表达，如被子植物的花粉中。然而，在竹子中，无论是孤儿基因还是从头起源基因都在快速生长的竹笋中高表达，尤其是在其快速生长的转折点表达量达到最高，快速生长的竹笋可能是竹子新基因产生的“孵化器”。全基因组加倍（WGD）重复基因也在竹笋中偏好性地特异高表达，大多数WGD基因的形成时间和木本竹子基因组的加倍时间吻合。这些WGD基因中的一个拷贝发生了表达特异性分化，另一个拷贝则保留了其母基因广谱表达的特征。孤儿基因（包括从头起源基因）与表达分化的WGD基因都在茎秆快速生长的共表达模块中富集，它们可能通过共同作用重塑了茎秆生长的表达网络，从而驱动竹子茎秆快速生长这一创新性状的形成。（Molecular Biology and Evolution, 2021, msab288, doi.org/10.1093/molbev）