生物鐘協(xié)調(diào)水稻抽穗期和鹽脅迫適應(yīng)性

鹽脅迫是影響水稻等糧食作物產(chǎn)量的主要非生物脅迫因子之一。近年來，由于不合理的農(nóng)業(yè)灌溉及全球氣候變暖所致的海水倒灌，導(dǎo)致土壤鹽堿化問題日益嚴重。挖掘耐鹽高產(chǎn)的水稻品種，有助于擴大水稻的種植面積，提高作物產(chǎn)量。植物生物鐘可以感知并整合外界環(huán)境信號，在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育以及脅迫響應(yīng)的過程中起到關(guān)鍵作用，然而生物鐘協(xié)調(diào)鹽脅迫和開花時間的作用機制仍不清楚。最近的新發(fā)現(xiàn)表明，生物鐘組分OsELF4a、OsELF3-1和OsLUX在細胞核中互作，可以組成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物OsEC1，據(jù)此可解析OsEC1協(xié)調(diào)水稻開花和耐鹽性的分子機理。OsELF4a、OsELF3-1和OsLUX的功能缺失突變體都表現(xiàn)出鹽敏感和晚花的表型。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析結(jié)合分子生物學(xué)實驗證據(jù)表明，OsGI是OsEC1的直接靶基因，其表達水平在時間維度受到OsEC1的抑制。相應(yīng)地，在多個遺傳背景下基因編輯獲得的osgi功能喪失突變體，均表現(xiàn)出耐鹽性提高并在長日照條件下抽穗期提前的表型。此外，osgi突變體的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明OsGI除了通過已知的Hd1-Hd3a信號通路調(diào)控水稻抽穗期以外，還影響多個編碼Na+和K+離子通道的基因的轉(zhuǎn)錄水平。綜上，該研究提出了生物鐘OsEC1-OsGI轉(zhuǎn)錄模塊協(xié)調(diào)水稻耐鹽性和抽穗期調(diào)控的機制，研究結(jié)果對于培育耐鹽且抽穗期提前的水稻品種具有重要的理論意義，并提供了相關(guān)種質(zhì)資源。（Plant, Cell & Environment, 2021, 44(10): 3283-3301）

植物代間可塑性提高子代生態(tài)適應(yīng)性

表型可塑性是生物體應(yīng)對快速變化環(huán)境的重要適應(yīng)機制。其中，母體效應(yīng)是一種特殊的表型可塑性，是指母體所經(jīng)歷的環(huán)境修飾子代植株的表型及其對環(huán)境適應(yīng)性的現(xiàn)象，這種代間的可塑性可能是緩沖對后代的環(huán)境脅迫的有效方式。近年來，對母體環(huán)境效應(yīng)的研究已成為環(huán)境變化背景下植物生態(tài)適應(yīng)機制和生活史對策研究的新熱點。然而，有關(guān)母體效應(yīng)的代間可塑性的相關(guān)證據(jù)仍然十分有限，對代間的影響效應(yīng)強度和生態(tài)后果仍缺乏明確認識。植物學(xué)家最近以中國北方荒漠鹽生植物中亞濱藜為實驗材料，系統(tǒng)研究了異型種子萌發(fā)/傳播策略的母體效應(yīng)適應(yīng)機制。研究人員通過為期三年四代的原生境控制實驗，從F0→F1→F2直至培育出F3代種子。他們通過比較不同母體環(huán)境下異型種子的成株特性、繁殖分配、種子大小、異型種子比例等性狀發(fā)現(xiàn)：當(dāng)世代長期處于鹽脅迫環(huán)境時，植株更趨向于產(chǎn)生休眠程度深、傳播距離遠的子代；反之，則更趨向于產(chǎn)生休眠程度淺、傳播距離近的子代。由母體對鹽漬化脅迫環(huán)境產(chǎn)生的記憶效應(yīng)能夠使子代性狀發(fā)生適應(yīng)性的變化，并且這些變化能夠傳遞至少三代。這種代間可塑性通過與異型種子的兩頭下注策略共同作用，使該物種能夠適應(yīng)荒漠區(qū)異質(zhì)性強烈的生境。綜上所述，該研究闡明了母體效應(yīng)的代間可塑性在不同世代間傳遞的規(guī)律，發(fā)展和完善了植物生活史適應(yīng)的對策理論。（Journal of Ecology, doi.org/10.1111/1365-2745.13789）

高效綠色的抗小麥穗發(fā)芽防護劑

小麥?zhǔn)斋@期若遇陰雨或潮濕環(huán)境，會出現(xiàn)穗發(fā)芽。穗發(fā)芽引起的產(chǎn)量損失大約在6～10%，嚴重年份甚至顆粒無收。穗發(fā)芽的發(fā)生也會嚴重降低小麥的加工品質(zhì)和種用價值，帶來經(jīng)濟損失。目前生產(chǎn)上主要通過選育抗穗發(fā)芽品種來應(yīng)對這一問題，而通常經(jīng)濟價值高的白麥品種對穗發(fā)芽的抗性低，市場上尚無針對穗發(fā)芽高效穩(wěn)定的化學(xué)防控產(chǎn)品。近期，中國科學(xué)家在小麥穗發(fā)芽防控技術(shù)研究方面取得進展，該研究成果為穗發(fā)芽防控提供了新路徑。研究人員以經(jīng)過修飾的天然納米材料為主要原料，制備出一種抗小麥穗發(fā)芽防護劑。該防護劑不含化學(xué)農(nóng)藥成分。他們制備了多種納米防控藥劑，并對篩選出的藥劑OAA進行了離體和田間試驗。研究發(fā)現(xiàn)，OAA能有效抑制種子萌發(fā)階段水分的吸收、種子萌發(fā)相關(guān)酶的活性，同時維持穗發(fā)芽抗性基因較高水平的表達。在大規(guī)模田間試驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)該藥劑對不同生態(tài)區(qū)多個品種的小麥穗發(fā)芽防控均具有良好的應(yīng)用效果。該技術(shù)具有施用方便、環(huán)境友好等優(yōu)勢，擁有較好的應(yīng)用前景，有助于提高小麥品質(zhì)并減少化學(xué)農(nóng)藥的環(huán)境釋放。（ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9(21): 7235-7244）

竹子莖稈快速生長的遺傳機制

演化創(chuàng)新（evolutionary innovation）貫穿于整個生命之樹（Tree of Life），如被子植物的花和鳥類的羽毛分別為植物和鳥類開拓和適應(yīng)新的生態(tài)位提供了重要前提，其如何產(chǎn)生是演化與發(fā)育生物學(xué)研究的基本問題和主要挑戰(zhàn)之一。越來越多研究表明，新基因是演化創(chuàng)新的主要驅(qū)動力。幾乎所有物種都包含一定數(shù)量的孤兒基因（特有新基因），而孤兒基因有多種起源方式，其中“從頭起源（de novo origination）”基因引起廣泛關(guān)注，因為從頭起源基因是驅(qū)動演化創(chuàng)新的關(guān)鍵角色。竹子是禾本科在森林生態(tài)系統(tǒng)中多樣化的竹亞科植物的總稱，全世界共有超過1600個物種。相對其他禾本科植物而言，木本竹子具有木質(zhì)化且高大的莖稈。這種快速生長作為木本竹子的關(guān)鍵創(chuàng)新性狀，使其能夠與其他樹木競爭，從而適應(yīng)森林環(huán)境。近年來，我國科學(xué)家對毛竹基因組數(shù)據(jù)進行基因組系統(tǒng)發(fā)育地層學(xué)（phylostratigraphy）和演化轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，鑒定到1622個竹子特有的孤兒基因。進一步研究表明，這些孤兒基因中有19個是從頭起源基因，其中4個基因還得到了蛋白質(zhì)證據(jù)的支持。以往研究表明，新基因主要是在繁殖器官中高表達，如被子植物的花粉中。然而，在竹子中，無論是孤兒基因還是從頭起源基因都在快速生長的竹筍中高表達，尤其是在其快速生長的轉(zhuǎn)折點表達量達到最高，快速生長的竹筍可能是竹子新基因產(chǎn)生的“孵化器”。全基因組加倍（WGD）重復(fù)基因也在竹筍中偏好性地特異高表達，大多數(shù)WGD基因的形成時間和木本竹子基因組的加倍時間吻合。這些WGD基因中的一個拷貝發(fā)生了表達特異性分化，另一個拷貝則保留了其母基因廣譜表達的特征。孤兒基因（包括從頭起源基因）與表達分化的WGD基因都在莖稈快速生長的共表達模塊中富集，它們可能通過共同作用重塑了莖稈生長的表達網(wǎng)絡(luò)，從而驅(qū)動竹子莖稈快速生長這一創(chuàng)新性狀的形成。（Molecular Biology and Evolution, 2021, msab288, doi.org/10.1093/molbev）