植物适应土壤氮素环境的基因选择:以水稻为例

在农业生产过程中,施用无机氮肥是提高作物产量的基础,但氮肥过量施加对生态系统和植物发育进程均会产生不利影响。因此,提高作物氮素利用效率是农业可持续发展的关键。目前,对重要粮食作物水稻(Oryza sativa)的氮高效研究取得了一系列重要进展,并克隆到多个调控氮素吸收、转运和代谢的关键基因。然而,在不断被人工选育的过程...     

氮素调控花生共生结瘤的机制研究进展

氮是花生生长发育所需的大量元素,共生结瘤固氮是花生获取氮素的主要方式之一。花生共生结瘤固氮涉及复杂的调控机理,揭示氮素对根瘤固氮的调控机制对发挥生物固氮潜力具有重要意义。本文系统总结了花生根瘤形成的“裂隙侵染”机制、花生共生结瘤和数量调控的机制以及氮素影响花生结瘤的调控机制。目前,氮素影响慢生根瘤菌与花生互作进而调控结瘤的分子机理尚不清楚,因此未来的研究重点应该集中在氮素影响花生慢生根瘤菌与花生的信号交流、根瘤数调节和营养交换机制等方面,为提高花生结瘤固氮效率和产量、减少化学氮肥施用提供理论基础。     

硝酸根调控植物开花和产量分子机制的研究进展

选育早熟高产的新品种是作物遗传育种研究的重要方向。氮素是植物生长发育不可或缺的大量元素,也是调控植物开花时间和种子产量最为重要的营养元素。硝酸根(NO3-)是植物获取氮素的主要来源。其作为营养物质和信号分子,通过转运、代谢和信号转导等多种方式参与调控植物开花和产量。对模式植物拟南芥、水稻和其他主要农作物中硝酸根调控植物早熟高产的分子机制进行了较为全面的概括和阐述,以期为合理利用氮肥、提高氮素利用效率和培育早熟高产作物新品种提供理论参考。     

氮肥运筹对水稻氮代谢及稻田土壤氮素迁移转化的影响

稻田氮肥管理是水稻高产栽培的重要环节。解析氮肥运筹对水稻植株氮代谢生理生化特征及稻田氮素迁移转化特性的影响,对提高水稻氮肥利用效率及增加水稻种植效益有重要意义。本文综述了不同氮肥运筹模式对水稻植株氮代谢过程中相关转运蛋白的表达及氮同化关键酶活性的影响,分析了氮代谢与碳代谢相互影响的作用机制,并对施氮模式与施用方法影响稻田土壤各形态氮素的循环转化和稻田氮素损失的影响机制及可能的调控途径作了总结。我们认为,当前的研究对氮肥运筹对水稻氮代谢影响的生理层面已经有了较明确的认识,但在分子及基因层面的研究尚显缺乏;田间氮肥管理的改善对提高稻田氮素利用率起到了明显的促进作用,但在实际应用时仍存在较多问题,需进一步改进。未来的研究应着重于继续深入挖掘水稻的氮代谢潜力,采取更高效的田间氮肥管理措施,从而进一步提高稻田氮素利用效率。     

水稻穗发育功能基因对穗期氮肥的响应

为探讨氮肥对水稻(Oryza sativa)穗发育的调控作用, 使用高通量测序技术检测氮肥处理前后水稻叶片和幼穗组织中转录组的变化, 并从中筛选到大量差异表达基因。这些基因的功能涉及转录调控、激素代谢和信号转导、物质代谢和转运、胁迫响应、信号转导(受体)和蛋白质降解等。同时对目前克隆得到的穗发育相关基因进行分析, 发现在氮素穗肥的作用下, 部分重要功能基因的表达量发生了明显变化, 其中一些基因还参与调控水稻株高、抽穗期、分蘖和结实率等性状。对这些差异表达基因的功能研究有助于揭示氮素穗肥调控水稻每穗颖花数的分子机制。     

李家洋院士等在水稻分蘖分子机制研究中再次取得重大进展

水稻的分蘖是决定产量的一个重要农艺性状。适当的分蘖数目直接决定水稻的产量。水稻的分蘖不仅是直接调控产量的一个关键农艺性状,同时也是在植物生物学中决定株型建成的一个核心科学问题。在过去十余年,植物基因组学国家重点实验室的李家洋院士及其合作者对水稻分蘖的调控机制进行了系统深入研究。     

"绿色"基因NGR5

水稻的产量主要是由分蘖数、每穗粒数和千粒重这三个产量要素决定的.既然氮肥促进农作物增产,那么,氮肥是如何影响水稻产量的三个要素呢?2020年的一项研究发现,氮肥能够促进水稻、小麦的分蘖数、每穗粒数和千粒重三个产量要素同时增加;而携带"绿色革命"基因的水稻、小麦品种的分蘖数增加得更多.由此推测,增加DELLA蛋白积累或增...     

水稻分蘖的分子机理研究进展

分蘖是水稻等禾谷类作物生产的关键农艺性状,也是单子叶植物一种特殊的分枝现象.水稻分蘖的形成是一个复杂的过程,其间受遗传、植物激素、栽培环境等因素的综合影响.近年来,对水稻分蘖数改变的突变体研究取得令人瞩目的研究成果,本综述总结水稻分蘖的调控机理的最新研究进展.     

甘蔗分蘖发生及成茎的调控研究进展

甘蔗是以收获地上茎为主的重要糖料作物,蔗糖分储藏在蔗茎节间,而分蘖是甘蔗有效茎形成的关键,因此促进甘蔗分蘖成茎是提高甘蔗产量的最有效途径之一。目前,水稻分蘖机理的研究取得了突破性进展,甘蔗也具有禾本科植物特殊的分蘖特性,但相关研究相对滞后,尤其是分子调控机制。本文详细阐述了甘蔗分蘖的生物学特性及现实意义,从栽培技术与管理、环境条件、植物生长调节剂(植物激素)和遗传因素等方面阐述甘蔗分蘖发生及其生长发育的研究结果,为深入研究甘蔗分蘖调控的分子机理提供新视角,也为甘蔗高产栽培技术及分子辅助育种提供理论依据。     

联合固氮菌的合成生物学研究进展

氮素是作物生长过程中最重要的元素,氮素缺乏将会严重影响作物生长。随着人类对粮食的需求量增加,化学氮肥的施用量越来越多。生物固氮在全球氮素循环中有着重要的作用,60%的氮来源于生物固氮。因此,生物固氮,尤其是能够在作物中定殖的联合固氮菌,最有可能代替氮肥成为粮食作物的主要氮源。长期以来,如何提高生物固氮效率以及在作物中实现生物固氮是生物学家的重要研究方向。合成生物学的出现和发展为能够生物固氮的研究带了新的机遇,有望缓解粮食作物对化学氮肥的大量需求。本文概述了固氮菌的种类、联合固氮菌中固氮基因岛的组成以及转录调控机理,阐述了合成生物学在生物固氮领域中的研究现状,对未来的联合固氮菌合成生物学的发展方向作出了展望。     

植物谷氨酰胺合成酶研究进展及其应用前景

氮素是制约作物产量的主要营养元素之一,谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthase,GS;EC 6.3.1.2)是氮素代谢途径中的关键酶。目前,拟南芥、水稻、小麦和玉米等植物中的GS成员均已被分离鉴定。研究表明,超表达GS能够提高植物对氮素的利用效率,从而在植株的生长发育特别是产量形成过程中发挥重要作用,但是其功能在不同植物上并不完全一致,可能与GS基因受到转录和翻译后等水平的调控有关。以下综述了植物GS基因分类、QTL定位、对氮素代谢响应、组织表达特异性、生物学功能及其分子调控机制等方面的研究进展,并展望了植物GS基因的应用前景,以期为利用GS基因来提高植物氮素利用效率提供具有参考价值的信息。     

独脚金内酯调控水稻分蘖的研究进展

水稻(Oryza sativa)作为世界上最主要的粮食作物之一, 对其主要农艺性状调控机理的研究具有重要意义。分蘖是水稻生长发育过程中一种特殊的分枝, 它不仅是与水稻产量密切相关的重要农艺性状, 也是揭示高等植物侧枝生长发育机制的理想模型。独脚金内酯(strigolactone, SL)是一类新型植物激素, 能够抑制植物分枝的生长发育。近年来, 关于SL合成与信号在调控水稻分蘖方面的研究取得了重要进展, 但对其信号转导的下游组分的研究还相对匮乏。该文综述了SL合成途径、信号途径及下游靶基因调控水稻分蘖的研究进展, 并与在拟南芥(Arabidopsis thaliana)、豌豆(Pisum sativum)和矮牵牛(Petunia hybrida)中的研究进行了比较, 同时还对如何挖掘SL途径的新组分进行了讨论。     

“绿色革命”新进展:赤霉素与氮营养双重调控的表观修饰助力水稻高产高效育种

以半矮秆育种为代表的“绿色革命”极大地提高了作物产量,但也带来氮营养利用效率降低的严重问题。“绿色革命”主要基于调控赤霉素的代谢和信号转导而实现。前期的研究发现,赤霉素信号转导关键因子DELLA蛋白通过调控GRF4而负调控氮素的吸收利用,为半矮秆品系氮利用效率低的问题提供了解决方案。最近的一项研究进一步揭示了GA信号途径与氮响应交叉互作的新机制。该研究发现水稻(Oryza sativa)NGR5是氮素调控分蘖数目的一个关键基因,其表达受氮诱导。通过招募PRC2,NGR5对D14和OsSPL14等分蘖抑制基因所在位点进行H3K27me3甲基化修饰,从而抑制其表达。而在半矮秆背景下超表达NGR5可以提高低氮水平下的水稻产量。NGR5同时也被发现为赤霉素受体GID1的一个新靶标,受到其负调控。该研究发现了调控赤霉素信号通路的新机制,并对高产高效的新一代“绿色革命”育种实践具有重要启示。     

“绿色革命”新进展:赤霉素与氮营养双重调控的表观修饰助力水稻高产高效育种

以半矮秆育种为代表的"绿色革命"极大地提高了作物产量,但也带来氮营养利用效率降低的严重问题。"绿色革命"主要基于调控赤霉素的代谢和信号转导而实现。前期的研究发现,赤霉素信号转导关键因子DELLA蛋白通过调控GRF4而负调控氮素的吸收利用,为半矮秆品系氮利用效率低的问题提供了解决方案。最近的一项研究进一步揭示了GA信号途径与氮响应交叉互作的新机制。该研究发现水稻(Oryza sativa) NGR5是氮素调控分蘖数目的一个关键基因,其表达受氮诱导。通过招募PRC2, NGR5对D14和OsSPL14等分蘖抑制基因所在位点进行H3K27me3甲基化修饰,从而抑制其表达。而在半矮秆背景下超表达NGR5可以提高低氮水平下的水稻产量。NGR5同时也被发现为赤霉素受体GID1的一个新靶标,受到其负调控。该研究发现了调控赤霉素信号通路的新机制,并对高产高效的新一代"绿色革命"育种实践具有重要启示。     

作物柱头外露性状研究进展

柱头外露作为一个能提高作物杂交制种产量的重要性状,被广泛应用于杂种优势利用育种中。柱头外露性状多数是数量性状,遗传规律因作物种类和基因型的不同表现出多样性,是近年来作物领域的研究热点。深入解析作物柱头外露的遗传控制机制和调控机理,对于提高作物杂种优势利用效率具有重要意义。本文从柱头外露性状的经典遗传学解析、相关基因的克隆与分析、育种利用及研究存在的问题与展望等几个方面,综述了作物柱头外露性状的研究进展。     

C_3和C_4植物的氮素利用机制

提高植物的氮素利用效率(NUE)不仅有利于保障全球粮食安全,也是实现农业可持续发展的重要途径。近半个世纪以来,植物氮素利用机理研究已取得重要进展,但NUE的调控机制仍不明确, NUE的提高仍然十分有限。高等植物集光合碳素同化和氮素同化于一体,只有碳氮代谢相互协调,才能维持植物体内的碳氮平衡,保证植物正常生长发育。由于C_3和C_4植物的光合氮素利用率(PNUE)存在差异,对氮素的利用效率也会存在差异。为了更有效地提高作物的NUE,须更全面地了解C_3和C_4植物对氮素吸收、转运、同化和信号转导等关键因子的功能和调控机制。此外,面对大气CO_2浓度增高和全球气候变暖条件下的植物碳氮同化及其机理的研究也不容忽视。该文综述了C_3和C_4植物氮素利用关键因素的差异及其调控机制,并对提高C_3禾本科作物氮素利用效率的遗传改良途径进行了展望。     

C3和C4植物的氮素利用机制

提高植物的氮素利用效率(NUE)不仅有利于保障全球粮食安全, 也是实现农业可持续发展的重要途径。近半个世纪以来, 植物氮素利用机理研究已取得重要进展, 但NUE的调控机制仍不明确, NUE的提高仍然十分有限。高等植物集光合碳素同化和氮素同化于一体, 只有碳氮代谢相互协调, 才能维持植物体内的碳氮平衡, 保证植物正常生长发育。由于C₃和C₄植物的光合氮素利用率(PNUE)存在差异, 对氮素的利用效率也会存在差异。为了更有效地提高作物的NUE, 须更全面地了解C₃和C₄植物对氮素吸收、转运、同化和信号转导等关键因子的功能和调控机制。此外, 面对大气CO₂浓度增高和全球气候变暖条件下的植物碳氮同化及其机理的研究也不容忽视。该文综述了C₃和C₄植物氮素利用关键因素的差异及其调控机制, 并对提高C₃禾本科作物氮素利用效率的遗传改良途径进行了展望。     

生长素代谢、运输及信号转导调控水稻粒型研究进展

水稻(Oryza sativa)是世界主要粮食作物。随着我国经济飞速发展, 耕地面积逐年减少, 提高水稻总产量唯有依靠单产的增加。粒重是决定水稻产量的重要因素之一, 其遗传稳定, 受外界环境因素影响较小。粒重由粒型和灌浆程度决定, 而粒型性状包括粒长、粒宽、粒厚和长宽比。水稻种子颖壳和胚乳发育决定了粒型和粒重, 颖壳细胞的增殖和扩张限制籽粒发育, 胚乳占据成熟种子的大部分体积。而生长素调控受精后颖壳和胚乳的发育, 是调控种子发育和影响水稻产量的重要植物激素。生长素的时空分布受生长素代谢、运输和信号转导的动态调节, 以维持生长素在种子发育中的最适水平。该文综述了生长素代谢、运输和信号转导调控水稻粒型的研究进展, 以期为深入探究生长素调控水稻粒型发育机制和提高水稻产量提供线索。     

基于光谱信息的作物氮素营养无损监测技术

氮素是作物生长发育和产量品质形成所必需的营养元素。快速、无损、准确地监测作物氮素状况,对于诊断作物生长特征、提高氮肥运筹水平和利用效率、降低过量施氮带来的农田环境污染,深入开展精确农业和数字农业的研究与应用具有重要意义。本文围绕作物氮素特征光谱产生的机制、反射光谱对氮素营养的响应及光谱指数的生理意义等解析了作物氮素营养光谱无损监测的技术机理,阐明了作物氮素监测的光谱学和生理生态学基础,进而概述了国内外有关作物反射光谱获取及叶片、冠层和空间水平上氮素营养光谱监测的研究进展。针对作物氮素营养监测亟待解决的问题和作物生产需求,提出今后进一步研究的领域应重点围绕氮素生化组分的监测方法、氮素监测模型的普适性、氮素监测仪的开发、地空遥感信息的融合、遥感与其他技术的集成等方面。     

植物重力反应的分子调控机制

重力是调节植物生长发育和形态建成的重要环境因子。植物感受到重力刺激后可以通过重力反应来协调自身各个器官的生长方向与重力方向之间的最适角度。植物重力反应过程分为重力信号的感受、重力信号的转导、生长素不对称分布的形成和重力反应器官的弯曲生长4个阶段。近年来,随着大量重力反应缺陷突变体的鉴定及其控制基因的功能解析,重力信号的感受和生长素不对称分布的分子机制等方面的研究取得了重要进展。作为植物适应环境变化的重要手段之一,重力反应还可以通过调节水稻(Oryza sativa L.)的分蘖角度实现对水稻株型和产量的调控。因此,研究植物的重力反应,不仅有助于解析植物生长发育的调控机制,对于作物株型的改良也具有重要的指导意义。然而,重力反应的分子机制及其调控网络仍不清楚。本文综述了近年来植物重力反应的调控机理及其调控水稻分蘖角度的作用机制,并对该领域未来的研究方向和热点进行了展望。