植 物

培育不易碎的稻米

糙米在經(jīng)碾磨加工后會發(fā)生斷裂，其中仍能達到完整米粒平均長度四分之三及以上的米粒，被稱為整精米。整精米率是水稻的重要品質(zhì)性狀，也涉及水稻的經(jīng)濟產(chǎn)量。整精米率性狀由遺傳控制，受灌漿、收獲及收獲后期高溫高濕等環(huán)境因子影響。稻米成熟階段產(chǎn)生的裂紋會導(dǎo)致稻米在加工過程中斷裂，降低整精米率，可造成高達30%的水稻產(chǎn)量損失。全球氣候變化給水稻生產(chǎn)帶來新的挑戰(zhàn)，研究模型預(yù)測，在水稻種植季節(jié)，氣溫異常升高1℃可引起稻整精米率降低7%左右。近來，中國植物學家利用基因組重測序的水稻種質(zhì)資源材料，系統(tǒng)評價了稻米裂紋抗性，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了決定稻米裂紋抗性和整精米率的重要基因位點FED1，它正是顆粒結(jié)合型淀粉合成酶I 的編碼基因Waxy/Wx。Wx的四個等位基因賦予稻米不同的裂紋抗性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉通過影響淀粉粒無定形生長環(huán)與半結(jié)晶生長環(huán)寬度比值和稻米腹部堊白（稻米胚乳中因組織疏松而形成的白色不透明部分）影響淀粉粒吸水膨脹率，從而決定稻米裂紋抗性。堊白則通過促進水分滲透，增加吸水膨脹淀粉粒的數(shù)量。通過設(shè)計育種培育耐裂紋稻米新品種對于保證糧食安全具有重要意義，而新基因位點的發(fā)現(xiàn)為水稻設(shè)計育種過程Wx遺傳變異的選擇提供了理論支撐。（Journal of Experimental Botany, 2022, erac330）

蒿屬植物都指示干旱環(huán)境嗎？

菊科蒿屬與藜科植物，是廣泛分布于北半球草原、荒漠等半干旱和干旱地區(qū)的優(yōu)勢建群成分。藜科－蒿屬花粉相對豐度比是一項重要的生物環(huán)境代用指標，被廣泛用于評價地質(zhì)時期研究地區(qū)環(huán)境干旱度和區(qū)分草原或荒漠植被類型上?？茖W界對蒿屬花粉指示干旱的關(guān)聯(lián)程度長期存有不同聲音。為了解決這一難題，中國科學家基于蒿屬系統(tǒng)發(fā)生框架，在該屬9 個支系和3個外群中選擇了36 個物種作為取樣代表，盡可能地覆蓋了花粉形態(tài)變異的最大范圍，采用標準方法進行采樣、實驗、攝影和測量，在光學顯微鏡和電子顯微鏡兩個層面上，收集了包含4018 張高清花粉照片、9360 個花粉形態(tài)性狀的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并基于花粉形態(tài)性狀的層次聚類分析結(jié)果，將蒿屬花粉劃分為3 種類型。研究人員根據(jù)30858 條植物分布信息以及相關(guān)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)集，將三種蒿屬花粉類型投射到全球陸地生物群落地圖上，他們發(fā)現(xiàn)蒿屬不同類型的花粉具有各自不同的生境范圍。這個新發(fā)現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)上認為的“蒿屬僅分布于干旱和半干旱環(huán)境”的固有觀念。科研人員們不僅提供了蒿屬花粉的新數(shù)據(jù)和新的分型方案，還創(chuàng)建了開放和可擴展的新花粉數(shù)據(jù)框架。人們有望在未來通過這些花粉數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)花粉形態(tài)與生境，提升對深時生態(tài)環(huán)境評估的分辨率，使之服務(wù)于全球氣候變化研究。（Earth System Science Data, 2022, 14:3961-3995）

植物為什么會長刺？

植物的刺（包括皮刺、枝刺和托葉刺）作為物理防御大型食草動物取食的主要功能性狀，廣泛分布于現(xiàn)生被子植物中?？茖W家在青藏高原中部的班公湖－怒江縫合帶新生代沉積盆地發(fā)現(xiàn)了晚始新世（距今約3900 萬年）的大量刺化石，為認識刺的演化歷史及其成因提供了直接證據(jù)。在倫坡拉盆地和尼瑪盆地發(fā)現(xiàn)的刺化石共計44 份標本，根據(jù)形狀、大小、生長方式等特征，被劃分為皮刺和枝刺，共計7 種形態(tài)類型，這是目前全球已知的刺形態(tài)數(shù)量最多的化石植物群。結(jié)合分子系統(tǒng)發(fā)育分析重建新生代歐亞大陸帶刺植物類群的譜系累積曲線后可知，帶刺植物自始新世迅速分化，這與青藏高原兩盆地的刺化石地質(zhì)年代吻合。在同一層位還采集到了豐富的草本植物化石。這些草本植物大化石和其中所含的植硅體證據(jù)表明，當時的帶刺植物生長于開闊的生境，而非郁閉森林。在此基礎(chǔ)上模擬當時的古氣候和古植被，結(jié)合化石植物群的古環(huán)境重建結(jié)果，可知隨著新特提斯洋在古近紀的退縮，沿班公湖－怒江縫合帶的中央谷地逐漸干旱，加上全球氣候變冷，中央谷地的植被由中始新世的密閉森林（距今約4700 萬年）轉(zhuǎn)變?yōu)榱碎_闊林地。青藏高原及其周邊地區(qū)658 條動物化石記錄顯示，當時大型植食性哺乳動物的多樣性增加。由于開闊林地的存在，大型植食性哺乳動物享有了更為豐富的食物來源，這也必然造成動物對植物的取食壓力增加，進而促進了青藏高原中央谷地開闊林地植物刺的演化，這比非洲發(fā)生的類似轉(zhuǎn)變早了約2400 萬年。（Nature Communications, 2022, 13: 3787）

張騫通西域時帶回的葡萄什么樣？

青銅時代的早期作物全球化加速了舊大陸區(qū)域間的作物輻射、傳播和交流。人類對作物的進一步選擇培育及作物本身針對不同環(huán)境的適應(yīng)性演化，促進了各類作物地方品系和栽培種的多樣化發(fā)展，這個過程也被稱為二次農(nóng)業(yè)革命。葡萄（Vitis vinifera）是全球最重要的水果作物，現(xiàn)代品種數(shù)量近5000 個，大致分為東方品種群、西歐品種群、黑海品種群三大類群。其中，東方品種群包括了數(shù)千種現(xiàn)代栽培種，廣泛分布于西亞、中亞及東亞地區(qū)，以大粒鮮食品種（直接食用）為主。目前的研究認為葡萄的栽培開始于亞洲西南部與歐洲南部地區(qū)，中國現(xiàn)代栽培葡萄的源頭一般被認為是漢代張騫出使西域時從烏茲別克斯坦帶回的中亞栽培葡萄。然而, 中亞栽培葡萄的起源及其演化形成現(xiàn)代東方品種群的過程目前仍不得而知。近日，中國科學家與烏茲別克斯坦科學家共同報道了中亞烏茲別克斯坦境內(nèi)青銅時代巴克特里亞－馬爾吉阿納文明體（Bactria-Margiana Archaeological Complex，簡稱BMAC）中賈爾庫坦（Djarkutan）神廟遺址和薩帕利（Sapalli）聚落遺址出土的栽培葡萄種子。該研究依據(jù)葡萄的種子長寬和莖長等多組形態(tài)測量數(shù)據(jù)，對遺址中出土的多種葡萄種子進行形態(tài)識別，同時結(jié)合碳14 年代學與當?shù)乜脊盼幕涗?，對當?shù)厍嚆~時代文明種植的葡萄類型及早期園藝活動進行了綜合研究。形態(tài)統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，中亞青銅時代的栽培葡萄種子可分為4 個典型形態(tài)類型，包括2 種以短莖、圓顆粒為典型特征并與現(xiàn)代野生葡萄種子相似的似野生栽培類型，1 種以長莖、長顆粒、較大個體為典型特征的典型馴化栽培類型，以及1 種顆粒大小中等且種子形態(tài)介于野生類型與馴化類型間的過渡類型。其中，過渡類型占遺址中發(fā)現(xiàn)全部葡萄比例的45%，似野生栽培類型占40%，馴化栽培類型占15%。這種形態(tài)類型分布表明，在中亞青銅時代的果園中，至少存在4 種具有明顯形態(tài)差異的栽培葡萄品種，其中的典型馴化栽培類型已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的現(xiàn)代馴化葡萄特征。與普通定居點相比，神廟中出土的葡萄種子平均體積偏大，類型更加集中。這種差異可能暗示，在青銅時代的中亞，人們已經(jīng)開始有意識地選擇果實更大、更飽滿的葡萄用于祭祀活動。（Scientific Reports, 2022, 12: 16331）

強藍光撥快植物生物鐘

生物鐘作為內(nèi)源計時機制，通過協(xié)調(diào)和維持細胞內(nèi)代謝、基因表達等事件的近24 小時節(jié)律，使生物能夠更好地適應(yīng)因地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的環(huán)境晝夜節(jié)律性變化。有意思的是，生物鐘周期并不是固定不變的。早在1969 年，德國時間生物學領(lǐng)域的奠基人阿紹夫（Jürgen Aschoff）就提出了生物鐘領(lǐng)域著名的阿紹夫法則，即：強光會使夜行性動物的生物鐘周期變慢，但會使晝行性動物的生物鐘周期變快。短日植物和長日植物的生物鐘周期也有類似的規(guī)律，然而半個世紀以來，有關(guān)植物中阿紹夫法則的分子基礎(chǔ)和相關(guān)遺傳機制卻仍是個謎。中國科學家近日發(fā)現(xiàn)，生物鐘核心組分PRR9主要參與藍光信號到生物鐘的輸入，并且其功能與光強密切相關(guān)。光受體能夠介導(dǎo)光信號到生物鐘的輸入，然而光受體與生物鐘核心組分之間如何傳遞光信號并馴導(dǎo)生物鐘的分子機制是不清楚的。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，CRY2 通過與PRR9 的RR 結(jié)構(gòu)域互作，抑制其與轉(zhuǎn)錄共抑制因子TPL/TPRs 的結(jié)合，削弱PRR9 對靶基因的轉(zhuǎn)錄抑制活性，同時抑制了PRR9 的磷酸化。科研人員利用免疫沉淀－質(zhì)譜法鑒定到可促進PRR9 磷酸化的蛋白激酶PPKs，并鑒定到了PRR9 蛋白的9 個可能的磷酸化位點。通過觀察磷酸化位點特異性突變材料的生化及生物鐘表型，可發(fā)現(xiàn)PRR9 蛋白的磷酸化是維持其轉(zhuǎn)錄抑制活性、DNA 結(jié)合能力以及生物節(jié)律所必須的。遺傳學證據(jù)進一步表明，CRY2 與PRR9 在同一遺傳通路中參與調(diào)控藍光信號馴導(dǎo)的生物鐘周期，CRY2 通過對PRR9 功能的雙重抑制傳遞藍光信號到中央振蕩器。因此，藍光光強依賴的CRY2 蛋白若降解，它對PRR9 的雙重抑制功能就會失效，從而縮短生物鐘周期。（Nature Communications, 2022, 13: 5869，圖源：Pixabay）