目的 为了探讨不同省份基地栽培的铁皮石斛(Dendrobium officinale Kimura et Migo)是否存在分子水平的遗传差异,为种质筛选和栽培选育提供参考.方法 通过采集 5 个省份的 30 份人工栽培铁皮石斛样品,并利用ITS及叶绿体条形码标记对其进行种水平遗传分析.结果 在种水平上,部分叶绿体条形码在不同产地的铁皮石斛上可以检测到变异,而ITS片段的种内变异少.其中trnH-psbA长度为790 bp(1 indel,2 SNP),pbsI-pbsK为473 bp(3 indel,1 SNP),trnF-ndhJ为682 bp(1 SNP);而ITS为551 bp(2 SNP).在叶绿体的NETWORK图和NJ树上可以看出,贵州的铁皮石斛样品具有特有的单倍型,而部分贵州安龙铁皮石斛样品的遗传距离与金钗石斛最接近;ITS分析的结果显示浙江的铁皮石斛样品与金钗石斛遗传距离更近.结论 贵州的铁皮石斛样品具有更高的遗传多样性,提示其可能具有多个种质来源;而贵州和浙江的铁皮石斛样品与金钗石斛的遗传距离更近,说明其在种源上可能属于进化过程中较早的一支,其他样本更有可能是由其发展而来.研究结果表明,虽然目前不能依靠种内的遗传变异对各地区的铁皮石斛进行产地区分,但可用于揭示不同地区铁皮石斛在种质来源上的遗传差异性,为铁皮石斛的栽培选育提供一定的科学依据.

[目的]水稻的抽穗期对水稻地域适应性及水稻产量至关重要,对水稻抽穗期基因进行鉴定及功能分析,可以为水稻育种提供优异的基因资源.[方法]通过BSA-seq方法对一个黄化早抽穗突变体hz1(huangzao 1)进行基因定位克隆及连锁分析;利用RT-qPCR技术分析目的基因HZ1 的表达谱,并用水稻原生质体瞬时转化查明HZ1 的亚细胞定位;对突变体的抽穗期、叶绿素含量、过氧化氢含量等生理指标进行测定,详细分析其表型变化.[结果]田间表型观察发现hz1表现早抽穗,长日照(long-day,LD)及短日照(short-day,SD)条件下hz1 的抽穗期相同,分别比野生型(wild type,WT)早抽穗 43 d和 26 d,表明hz1 是一个光周期不敏感的突变体.同时hz1 表现黄化表型,相比WT,叶绿素含量下降.遗传分析表明hz1 由隐性单基因控制,F2 混池高通量测序将目的基因定位于水稻第 6 染色体上 17.8 Mb区间内,分析发现该区间内一个T-DNA插入位点LOC_Os06g40080 与hz1 目标性状完全连锁,LOC_Os06g40080 为已知的SE5 基因,编码血红素加氧酶 1(heme oxygenase 1,HO1).HZ1/SE5 在叶片中高表达,在LD及SD条件下具有昼夜节律性表达.亚细胞定位发现HZ1/SE5 蛋白定位于叶绿体中.表达调控分析表明HZ1/SE5主要通过调控水稻成花素Hd3a和RFT1 的表达来调控水稻的抽穗期;并通过调控叶绿素合成途径相关基因的表达水平影响水稻叶绿素水平变化.[结论]黄化早抽穗突变体hz1 由于血红素加氧酶编码基因SE5 突变导致其对光周期不敏感,HZ1/SE5 基因通过调控水稻成花素基因及叶绿素合成途径相关基因的表达而影响水稻的抽穗期及叶片的黄化.

目的 建立PCR-RFLP法鉴别浙贝母及其混淆品湖北贝母.方法 对比两者叶绿体ycfl基因,选择湖北贝母的特异性酶切位点EcoRI设计引物,优化反应条件,并进行方法学考察.结果 退火温度 58℃、循环数 35 时,湖北贝母或掺有湖北贝母的浙贝母经特异性引物扩增后能被EcoRI酶酶切,200～400 bp处检出 2 条单一DNA条带,而浙贝母无此条带,检出限达 3%.结论 该方法方便快捷、灵敏度高,可用于浙贝母、湖北贝母及前者掺混后者的快速检测,为浙贝母质量控制提供参考.

碎米蕨类(cheilanthoid)由于其形态上普遍存在的趋同进化现象,是分类最为困难的类群之一.金毛裸蕨属(Paragymnopteris)虽然仅有5种,但被不同学者分置于若干不同属内,分类地位一直存有争议.该研究基于7个叶绿体基因片段串联数据集、叶绿体基因组及核糖体DNA数据集,探究了金毛裸蕨属与其他碎米蕨类群之间的系统发育关系.结果表明:金毛裸蕨属、旱蕨属(Pellaea)、Astrolepis3个属具有很近的亲缘关系并共同构成了旱蕨群(pellaeoid group).金毛裸蕨属的5个物种在系统发育树上形成了 2个分支,各自与旱蕨属的成员聚在一起并得到了强烈的支持.基于这一结果,建议对旱蕨属范围重新定义,并将金毛裸蕨属并入旱蕨属中.

[目的]探索胡颓子科叶绿体基因组演化趋势,为胡颓子科植物物种鉴定以及资源开发利用提供理论依据.[方法]该研究从头组装并注释了沙棘属和野牛果属共4个类群的叶绿体基因组,结合已发表的叶绿体基因组序列,比较了胡颓子科各类群叶绿体基因组的基因构成、重复序列和结构特征,建立了系统发育树,并通过高分化区定位了该科叶绿体基因组的潜在DNA条形码区域.[结果]胡颓子科各属叶绿体基因组在四分体结构、基因数量和排列上高度相似;沙棘属和野牛果属的反向重复区(IR)和整个基因组重复序列数目较胡颓子属有扩张和增加的趋势.胡颓子科18个类群的叶绿体全基因组序列的系统发育树中,胡颓子属个体聚为一支,最先分化出来,沙棘属和野牛果属各自聚为一支,具有最近的共同祖先;从长单拷贝区(LSC)和短单拷贝区(SSC)筛选出3个DNA条形码候选区,其中ycfI基因的鉴定效果最佳.[结论]胡颓子科的叶绿体基因组结构保守,但其非编码区序列在各属间存在明显差异,且IR区序列与重复序列在演化过程中分别有扩张和增多的趋势.研究选定的DNA条形码序列能很好区分胡颓子科各属之间以及胡颓子属内物种间关系.

目的 以蒙古黄芪Astragalus membranaceus var.mongholicus为材料,解析其叶绿体基因组的序列特征,并进行系统发育分析.方法 利用Illumina NovaSeq测序平台对蒙古黄芪叶绿体全基因组进行测序,完成其组装、注释、特征分析,构建系统发育树.结果 蒙古黄芪叶绿体基因组全长为123 349bp,GC含量为34.09％,由于缺失反向重复IR区,Circos图呈现出非典型四分体结构,属于IRLC群体.获得注释基因109个,其中蛋白编码基因76个,rRNA基因4个,tRNA基因29个.蒙古黄芪叶绿体基因组的密码子偏好性较弱,密码子偏向使用A碱基和U碱基.MISA检测出263个SSR位点,以A/T重复为主;叶绿体全基因组比较分析可知17种豆科植物叶绿体基因组的基因区间组成差异较小;但trnF-GAA～trnT-UGU、trnfM-CUA～psbC、trnE～trnD、psbM～rpoB、ycf1和ycf2等编码区存在差异性;系统发育树显示,蒙古黄芪与胶黄芪A.gummifer聚为一类,与阿纳卡黄芪A.nakaianus、膜荚黄芪A.membranaceus具有一定亲缘性.结论 可为开展黄芪属遗传多样性研究、DNA条形码构建和分子鉴定标记开发提供参考.

2023年中国科学家在植物科学主流期刊发表的论文数量相比2022年大幅提高,在柱头受体调控十字花科种内和种间生殖隔离,叶绿体TOC-TIC超级复合物结构,作物高产、耐逆及抗病机制,葡萄和柑橘属植物的起源和传播,现代玉米、谷子和马铃薯种质资源演化等方面取得了重要研究进展.其中,"农作物耐盐碱机制解析及应用"和"新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵"入选2023年度中国科学十大进展,"植物远缘杂交过程中'花粉蒙导效应'的分子机制"入选2023年度中国生命科学十大进展.该文总结了2023年度我国植物科学研究取得的成果,并简要介绍了30项有代表性的重要进展,梳理了植物科学研究中所使用的实验材料,以帮助读者了解我国植物科学的发展态势,进而思考如何更好地开展下阶段研究和服务国家重大战略需求.

海三棱藨草[× Bolboschoenoplectus mariqueter(Tang & F.T.Wang)Tatanov]的分类学地位至今尚无定论.为明确海三棱藨草的分类学地位并探讨其与近缘种的关系,该研究分别利用1个核基因(ITS)和5个叶绿体基因(matK、ndhF、rbcL、trnL和trnL-trnF)的DNA条形码序列对海三棱藨草及其近缘种的4种21批样品进行扩增和测序,通过采用相似性搜索算法对单一序列和序列组合的物种鉴定效率进行评价,并基于贝叶斯推断方法构建系统发育树进行鉴定分析.结果表明:(1)ITS+matK序列组合的物种鉴定效率最高,为71.4％,可实现海三棱藨草及其近缘种的种间区分、鉴定.(2)基于ITS+matK序列组合构建海三棱藨草及其近缘种的系统发育树,发现同一物种的样品聚集度较好,海三棱藨草与三棱草属[Bolboschoenus(Asch.)Palla]的物种聚为一支,明显与水葱属[Schoenoplectus(Rchb.)Palla]物种分开,并且海三棱藨草与海滨三棱草[Bolboschoenus maritimus(Linnaeus)Palla]形成单系.综上所述,ITS+matK序列组合可作为海三棱藨草及其近缘种物种鉴定的最佳条形码序列,研究结果不支持海三棱藨草为天然杂交种的观点,而应将其归入三棱草属中,海三棱藨草应为海滨三棱草的异名.该研究结果为海三棱藨草及其近缘种的分类学研究提供了分子依据.

为理解珍稀濒危兰科植物龙头兰(Pecteilis susannae)和景洪白蝶兰(P.hiawkesiana)的叶绿体基因组的基本特征,开发用于物种鉴定、保护遗传学和系统发育分析的分子标记,该研究利用二代测序技术对龙头兰和景洪白蝶兰进行浅层基因组测序,采用生物信息学分析方法进行叶绿体基因组的拼接、组装和注释,并与其他近缘物种进行比较基因组分析和系统发育分析.结果表明:(1)龙头兰和景洪白蝶兰的叶绿体基因组大小分别为154 407 bp和153 891 bp,由一对26 550 bp和26 523 bp的反向重复序列(IR)、84 204 bp和83 756 bp的大单拷贝区(LSC)、17 103 bp和17 089 bp的小单拷贝区(SSC)组成;均注释了 111个唯一基因,包括77个蛋白质编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因.(2)在叶绿体基因组中分别鉴定出94个和92个简单重复序列(SSRs).(3)二者之间存在706个单核苷酸多态性(SNPs)位点和152个插入缺失(InDels)位点,其中cpInDel 067等可以区分2个物种.(4)观察到1个差异较大的基因(accD)和9个高变区(rps19-psbA、matK-trnQ-UUG、psbM-psbD、trnT-UGU-ndhJ、accD-psaI、ycf4-cemA、clpP-psbB、ndhF-trnL-UAG、rps15-ycf1).(5)系统发育分析结果显示,龙头兰、景洪白蝶兰和鹅毛玉凤花(Habenaria dentata)的亲缘关系较近.在白蝶兰属2种叶绿体基因组研究中获得的SSR位点、InDels和高变区序列可为物种鉴定、开发利用及其资源保护提供有价值的遗传信息.

飘带兜兰(Paphiopedilum parishii)分布范围狭窄,仅在中国、缅甸、泰国以及老挝有少量分布.近年来,因生境破坏和人为滥采而导致飘带兜兰野生种群极度缩减.为开发种内多态性的分子标记用于保护生物学研究,该研究对飘带兜兰4个野生个体经测序、组装、注释获得的叶绿体基因组序列,与已公布的飘带兜兰2个个体的叶绿体全基因组序列进行比对,分析飘带兜兰叶绿体基因组的种内差异.结果表明:(1)飘带兜兰叶绿体基因组具有典型被子植物叶绿体基因组环状四分体结构,基因组长度为154 403～154 809 bp,共编码129个基因,包括78个蛋白质编码基因、39个tRNA基因、8个rRNA基因,以及4个假基因.(2)在飘带兜兰6个个体叶绿体基因组中检测到103～107个简单重复序列(simple sequence repeats,SSRs)位点,其中21个SSR位点具有多态性.此外,在6个个体叶绿体基因组中还检测到60个长序列重复,包括17～21个正向重复、18～29个反向重复、9～16个回文重复、4～9个互补重复.(3)通过比较6个个体叶绿体基因组序列的核苷酸多样性,共发现70处变异,包括10个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNPs)、60个插入缺失(InDels).其中,有3个SNP位点发生了非同义替换,导致编码功能基因的氨基酸发生改变;19个插入缺失多态性较高,具有开发为分子标记的潜力.(4)通过计算核苷酸多样性值(Pi)共发现8个有变异的区域,Pi值为0～0.006 32,其中变异度较大的是rps3-rpl22、trnL-UAC-rpl32、rpoB-trnC-GCA以及ycf4,这些高变区可开发为分子标记用于评估飘带兜兰遗传多样性.(5)系统发生分析结果表明,飘带兜兰6个个体叶绿体基因组序列聚在一起,与长瓣兜兰互为姐妹群.综上表明,飘带兜兰叶绿体基因组的SSRs、长序列重复、SNPs、InDels以及核苷酸序列呈现了足够的种内多样性,可开发成分子标记用于该种的系统演化及保护生物学研究.