植 物

基因突變并不隨機(jī)？

自20世紀(jì)以來，學(xué)界一直認(rèn)為基因突變是隨機(jī)發(fā)生的，種群內(nèi)在自然選擇的作用下才出現(xiàn)了基因頻率的差異。然而，近日一項(xiàng)發(fā)表在《自然》上的對(duì)擬南芥（Arabidopsis thaliana）的研究，向這一觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家在3年的時(shí)間里對(duì)上百個(gè)擬南芥品系進(jìn)行了基因測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了超過100萬個(gè)突變。他們發(fā)現(xiàn)，基因組中有部分關(guān)鍵區(qū)域的突變率很低，這些區(qū)域里包含許多影響細(xì)胞生長(zhǎng)和基因表達(dá)等關(guān)鍵生物學(xué)過程的基因。這些區(qū)域的基因內(nèi)部突變率降低了一半，而一些關(guān)鍵基因突變率降低了三分之二。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，基因突變率的分布模式與基因組上的表觀遺傳變化相關(guān)。研究人員認(rèn)為，對(duì)生命活動(dòng)起到關(guān)鍵作用的基因?qū)撛诘挠泻ν蛔兒苊舾校鴶M南芥似乎演化出了一套保護(hù)機(jī)制，能十分有效地修復(fù)這些區(qū)域內(nèi)的DNA損傷，從而降低這些基因的突變率，這種突變率上的偏差可能是演化的重要驅(qū)動(dòng)力。這項(xiàng)研究或?qū)⒏淖內(nèi)藗儗?duì)基因突變和演化的認(rèn)知。（Nature, 2022, 602(7895): 101-105）

水稻可通過活性氧清除途徑改善種子活力

水稻是全世界一半以上人口的主糧。種子活力是一個(gè)重要的農(nóng)藝性狀，通常是指種子萌發(fā)以及在貯藏中保持這種活力的能力，對(duì)于種子質(zhì)量和種質(zhì)資源保存具有重要意義。目前，人們對(duì)作物種子活力的調(diào)控機(jī)制和分子網(wǎng)絡(luò)知之甚少。我國(guó)植物學(xué)家近來篩選出兩個(gè)種子活力差異巨大的水稻品種：低活力的“吉粳88”和高活力的“Kasalath”?？蒲腥藛T利用高通量轉(zhuǎn)錄組學(xué)和廣靶代謝組學(xué)技術(shù)，分別分析并比較這些品種種子老化過程中的轉(zhuǎn)錄組和代謝組的改變，并通過構(gòu)建共表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，篩選到包括bZIP23和bZIP42在內(nèi)的可能具備重要調(diào)控機(jī)制的轉(zhuǎn)錄因子點(diǎn)。轉(zhuǎn)基因水稻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，bZIP23和bZIP42正向調(diào)控種子活力。與此同時(shí)，研究還鑒定到一個(gè)編碼過氧化物酶的遺傳因子PER1A，該因子編碼蛋白能夠通過清除種子內(nèi)的活性氧正向調(diào)控種子活力。研究發(fā)現(xiàn)bZIP23和bZIP42能夠直接結(jié)合到PER1A的啟動(dòng)子區(qū)，并激活其轉(zhuǎn)錄表達(dá)；遺傳學(xué)證據(jù)表明，PER1A很可能位于bZIP23的下游，在同一遺傳通路中發(fā)揮調(diào)控種子活力的生物學(xué)功能。此外，生理學(xué)數(shù)據(jù)表明，bZIP23和PER1A在清除體內(nèi)的活性氧過程中發(fā)揮著重要的作用。該研究揭示了活性氧清除途徑改善水稻種子活力的新機(jī)制，為進(jìn)一步改良作物相關(guān)農(nóng)藝性狀提供了有用的靶標(biāo)。（PNAS, 2022, 119(9), e2026355119）

土壤砷污染植物修復(fù)研究新進(jìn)展

我國(guó)土壤砷污染問題突出，嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全。植物修復(fù)技術(shù)是應(yīng)對(duì)土壤砷污染的解決方案之一，也是實(shí)現(xiàn)土壤持續(xù)安全利用的綠色環(huán)保技術(shù)。蜈蚣草是土壤砷污染植物修復(fù)研究的模式物種，其對(duì)砷超積累的分子機(jī)制是近年來環(huán)境植物分子生物學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。高效的砷長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)效率是蜈蚣草超積累砷的重要特征，其中木質(zhì)部裝載是蜈蚣草高效砷轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近來，我國(guó)植物學(xué)家對(duì)該過程的分子機(jī)制進(jìn)行研究，獲得重大進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)基于蜈蚣草全長(zhǎng)cDNA酵母表達(dá)文庫和配子體RNAi沉默體系，鑒定到一個(gè)具有三價(jià)砷外排功能的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PvAsE1。PvAsE1是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)具有三價(jià)砷外排功能的SLC13-like蛋白。PvAsE1基因的沉默可降低蜈蚣草孢子體地上部分和木質(zhì)汁液中三價(jià)砷的含量，進(jìn)而導(dǎo)致三價(jià)砷的長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)效率顯著下降。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PvAsE1主要在蜈蚣草根部木質(zhì)部周圍薄壁細(xì)胞的質(zhì)膜表達(dá)，通過介導(dǎo)三價(jià)砷的木質(zhì)部裝載參與砷的長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)過程。PvAsE1約在白堊紀(jì)—古近紀(jì)過渡時(shí)期進(jìn)化出現(xiàn)，可能是該時(shí)期富砷環(huán)境壓力的適應(yīng)性產(chǎn)物。該研究揭示了蜈蚣草高效長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)砷的分子機(jī)制，探究了蜈蚣草具有砷超富集特性的演化機(jī)制，也為構(gòu)建砷污染修復(fù)工程提供了核心分子元件。（New Phytologist, 2022, 233(6): 2488-2502）

根系解剖結(jié)構(gòu)揭示草原植物根系功能

通過根系性狀理解根系功能及其對(duì)植物生長(zhǎng)、生態(tài)系統(tǒng)過程和功能的影響一直是根系生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。根的解剖結(jié)構(gòu)是理解根系功能以及根系結(jié)構(gòu)與功能關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。然而，目前關(guān)于單子葉和雙子葉草本植物的根系解剖結(jié)構(gòu)及其揭示的根系功能的研究還很匱乏。我國(guó)植物學(xué)家以內(nèi)蒙古典型草原常見的32種植物為研究對(duì)象，從根系解剖結(jié)構(gòu)的角度揭示了內(nèi)蒙古典型草原植物根系結(jié)構(gòu)與功能隨根級(jí)的變化規(guī)律，以及單子葉植物和雙子葉植物根系吸收和傳輸?shù)臋?quán)衡策略。研究發(fā)現(xiàn)，單子葉植物根系的所有根級(jí)都存在皮層和菌根侵染，而隨著根級(jí)的升高，內(nèi)皮層的細(xì)胞壁加厚程度和中柱的比例升高，這表明單子葉植物整個(gè)根系都具有吸收功能，且隨著根級(jí)升高，根系的吸收功能稍微減弱而傳輸功能逐漸提高。雙子葉植物的根系隨著根級(jí)升高，皮層厚度和菌根侵染顯著下降，中柱比例顯著升高，表明雙子葉植物的根系功能在高級(jí)根由吸收轉(zhuǎn)變?yōu)閭鬏?。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，單子葉植物和雙子葉植物通過不同的皮層和中柱比例權(quán)衡吸收和傳輸功能。該研究為理解草本植物根系結(jié)構(gòu)與功能提供了重要的理論支撐。（New Phytologist, 2022, nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.17978）

禾本科作物裸粒育種新進(jìn)展

作物種子包殼性狀的喪失是作物穗型馴化過程中的一個(gè)典型事件。作物野生種通過攜帶的包殼性狀抵御外界的侵襲，進(jìn)而保證自身的繁衍，然而這種包殼性狀對(duì)人工或機(jī)械化的種子脫粒、加工和播種過程而言卻極為不便，因此，人類在選育作物時(shí)，會(huì)選擇不包殼（裸粒）的性狀。高粱是人類最早栽培的禾本科作物之一，高粱種子的包殼性狀具有豐富的表型變異，其中粒用的籽粒高粱亞種多表現(xiàn)為裸粒。早在80多年前，學(xué)者就將包殼性狀作為區(qū)分高粱各亞種的一個(gè)典型指標(biāo)，但目前關(guān)于高粱包殼性狀的分子遺傳基礎(chǔ)仍然是一個(gè)空白。我國(guó)生物學(xué)家最近利用遺傳學(xué)、生物信息學(xué)和分子生物學(xué)等手段，揭示出一個(gè)主效基因GC1（Glume Coverage 1）位點(diǎn)的變異導(dǎo)致了高粱種子裸露性狀的產(chǎn)生。GC1是一個(gè)負(fù)調(diào)控包殼性狀的關(guān)鍵因子，其蛋白的C端截短突變可能是通過減少其被26S蛋白酶體途徑介導(dǎo)的降解，導(dǎo)致截短蛋白gc1顯著積累。一種馬鈴薯糖蛋白相關(guān)磷脂酶SbpPLAII-1可能作為GC1下游信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵組分來發(fā)揮功能，通過上調(diào)Cyclin-CDK通路相關(guān)基因的表達(dá)來促進(jìn)穎殼細(xì)胞增殖。因此相對(duì)于GC1而言，在體內(nèi)更穩(wěn)定的gc1-a能促進(jìn)更多的SbpPLAII-1降解，進(jìn)而抑制SbpPLAII-1的功能，最終降低高粱的包殼程度。綜上，該研究鑒定了一個(gè)控制高粱包殼性狀的關(guān)鍵基因GC1，其截短突變的類型使高粱種子的脫粒效率提升了60%，并揭示了高粱穗型馴化過程中包殼性狀發(fā)生變異的分子機(jī)理。目前在禾谷類作物中，仍然有近40%的高粱、大部分谷子以及糜子等種質(zhì)資源材料表現(xiàn)為嚴(yán)重的包殼性狀，截短的GC1等位基因?qū)楦吡?、谷子及糜子等禾本科作物的裸粒育種提供理論支撐。（Nature Communications, 2022, 13, 1068）