在自然界中,植物会遭受各种环境或内源因素导致的DNA损伤,其中DNA双链断裂(double strand breaks,DSBs)的影响最为严重,如果修复不当,将导致基因组不稳定、基因突变甚至细胞死亡.一方面,植物进化出了强大且有序的损伤修复机制,以确保其存活及正常繁衍;另一方面,基于修复过程的容错性及致突变性,T-DNA插入、基因编辑、物理诱变等技术广泛应用于动植物品种改良.相较于哺乳动物,植物DSBs修复通路及其分子机制报道较为有限.本文综述了植物对DSBs损伤的响应、主要修复途径及关键因子,介绍了通路机制尚未完全解析的替代末端连接(alternative end joining,Alt-EJ)的最新研究进展;此外,探讨了重离子束引起的植物DSBs修复特征和多途径选择,以及基于不同DSBs修复途径的基因编辑技术的研究进展,旨在为深入了解植物DSBs损伤响应及修复的分子机制和研发高效生物育种技术提供参考.

为探讨太空环境对葛麻姆Pueraria montana的诱变效应,筛选出生长状态佳、异黄酮成分含量高的优良种质,实验对79株航天葛麻姆和10株对照葛麻姆进行农艺性状观测、花朵异黄酮成分与AFLP荧光分子标记,用Excel 2019、SPSS 25.0、NTSYSpc-2.11F、Popgen 32等软件进行遗传多样性分析并聚类.结果表明,航天组的叶片毛姿态与花结构等2个性状发生变化,数量性状的CV、H'均高于对照组,聚类后有5株航天葛麻姆分出.航天组共有10株葛麻姆花的6"-O-木糖鸢尾苷与鸢尾苷显著高于对照组,二者总量均超过11％,聚类后共有9株航天葛麻姆分出.从64对引物中筛选出9对多态性引物,多态性位点数共1 620个,多态位点百分率(PPL)平均值为83.33％;Nei's基因多样性指数(H)平均值为0.192 2、Shannon's信息指数(I)平均值为0.305 2,聚类后有4株航天植株分出.综合筛选结果,航天组30号、66号、89号葛麻姆受到太空环境的诱变作用较大,主要表现为生长状况更佳、花朵异黄酮含量更高,且30号有花结构变异、花重达到对照组2倍,可作为后续试验的重点研究材料.

四乙酰基植物鞘氨醇(tetraacetyl phytosphingosine,TAPS)是一种性能卓越的天然护肤品原料,经去乙酰化后生成的植物鞘氨醇可作为前体合成保湿护肤品神经酰胺,因此广泛应用于护肤化妆品行业.非常规酵母威克汉姆西弗酵母(Wickerhamomyces ciferrii)是已知的唯一可天然分泌四乙酰基植物鞘氨醇的微生物,目前已成为四乙酰基植物鞘氨醇工业生产的宿主.本文介绍了四乙酰基植物鞘氨醇的发现、功能及其生物合成途径,综述了近年来利用单倍体筛选、诱变育种和代谢工程改造威克汉姆西弗酵母高产四乙酰基植物鞘氨醇的研究进展,并展望了实现四乙酰基植物鞘氨醇工业生产的未来发展方向.

聚焦生物变异在育种上的应用,开展小组合作的议题式教学,既落实杂交育种、诱变育种、单倍体育种、多倍体育种、转基因育种等重要概念,又促进社会责任等核心素养的发展.

文章为优化葡萄糖氧化酶产生菌的诱变育种和发酵工艺,将桔青霉CICC 40277 作为生产菌株,通过对固、液培养基中菌种的生长和产酶活力进行比较,选取木薯叶为培养基质,经固体培养活化后,菌株的产酶活力最高达到66.48 U/g.然后采用2-脱氧-D-葡萄糖为菌株抑制剂,以甲基红为指示剂设计了一种高效、简便的筛选方法.通过紫外诱变育种,最终筛选得到一株高产菌株Uv-7,其产酶活力达到79.76 U/g,比原始菌株提高了20%.采用单因素试验对Uv-7菌株产葡萄糖氧化酶的最佳菌种活化条件进行优化,得到最适条件为:培养时间 144 h、培养温度 30℃、接种量 20%(V/V);最适培养基组分为:以 5.5 g木薯叶为固体基质,按照 1∶1(W/V)的固液比添加盐溶液(g/L):MgSO4·7H2O 0.5、Na2HPO42.0、KCl 0.3、CaCO33.0、葡萄糖 30、酵母粉 6,当pH为 6.0时,菌株经活化后产葡萄糖氧化酶的活性提高到了101.52 U/g,与原始菌株相比提高了52.7%.

目的 筛选PF1022A高产菌株,并优化发酵条件,以提高发酵水平.方法 以PF1022A产生菌座坚壳菌(Rosellinia sp.)HS-NF-1412Z(3050 mg/L)为出发菌株,采用紫外诱变育种,再在单因素试验的基础上结合Box-behnken(BB)响应面法优化发酵条件.结果 获得一株产PF1022A的高产稳定菌株HS-NF5-86-5-88,发酵水平较出发菌株提高了 19％.采用优化后的发酵培养基:麦芽糊精163.0 g/L,酵母抽提物19.7 g/L,棉籽饼粉25.0 g/L,豆油5.0g/L时,硫酸镁2.0g/L,氯化钠2.0g/L,碳酸钙2.0g/L,菌株摇瓶发酵产量5978 mg/L.结论 通过菌种诱变选育与配方优化,PF1022A的摇瓶产量较出发菌株提高了96％,具有工业应用价值.

多黏菌素B(1)是由多黏芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)产生的一类碱性多肽类抗菌药,主要成分包括B1、B2、B3和B1-I,对耐药菌感染的治疗效果显著.为了提高1产量,该研究以多黏芽饱杆菌SIPIPB-1[发酵单位(837± 50)mg/L]为出发菌株,采用传统诱变法选育,获得了突变菌株SIPIPB-N14[发酵单位(1 297±60)mg/L].随后优化了SIPIPB-N14的发酵培养基和发酵工艺.在优化发酵条件下,1在5 L发酵罐中的发酵产量可达(1 681±25)mg/L,其中B1、B2、B3、B1-I 的比例分别为(74.5±1.1)％、(20.4±0.8)％、(1.3±0.3)％、(3.0±0.1)％,符合原料药组分的要求,为工业化生产提供了试验数据.

锂(7Li)离子束作为一种新型诱变剂在作物诱变育种中发挥着越来越重要的作用.本研究利用彗星电泳技术探索了7Li离子束辐照小麦诱导的DNA损伤特点,并结合转录组分析初步解析了特异基因表达调控网络.结果表明,与传统诱变因素伽马(γ)射线相比,7Li离子束辐照引起的小麦幼苗生长抑制程度低,幼苗叶脉失绿至开裂.对辐照诱导的差异表达基因进行GO和KEGG功能分析显示,7Li离子束辐照诱导的差异表达基因主要富集在细胞壁合成与代谢和甘油脂类代谢通路,而γ射线辐照诱导的差异表达基因主要富集在光合作用代谢通路中,推测细胞壁合成与代谢和甘油脂类代谢通路途径与响应7Li离子束辐照引起的损伤密切相关,而光合作用代谢途径与响应γ射线辐照引起的损伤密切相关.两种辐射诱导的差异表达基因的转录因子分析结果显示,7Li离子束辐照诱导的MYB、WRKY、bHLH和NAC等转录因子家族可能在响应7Li离子束辐照过程中具有重要作用,7Li离子束辐照特异诱导Whirly家族转录因子调控DNA损伤修复,而γ射线辐照诱导E2F/DP家族转录因子调控DNA损伤修复.

叶色突变体是研究高等植物光合系统结构、叶绿素代谢、叶绿体发育、光合作用及激素生理等一系列生理代谢过程的理想材料,也是遗传和育种研究的重要材料.辐射作为植物叶色诱变的重要手段,培育出的叶色突变体具有理论研究和实际应用价值.本文介绍了不同辐射源诱导下植物叶色突变的类型,并对叶色突变的生理与分子机制研究进行了概述,最后探讨了辐射诱导叶色突变研究存在的问题并进行了展望,以期为提高植物辐射诱变育种效率和促进叶色突变体的利用提供参考.

辐射诱变育种是利用物理方法加速生物体自然变异、从而快速获得性状优异的新种质、并通过严格选育形成性状稳定新品种的现代育种技术之一,其不涉及外源基因导入,并可大幅缩短育种周期.通过对60Co-y辐射、重离子辐射、常温常压等离子体、中波红斑效应紫外线、激光辐射和空间诱变6种主要辐射诱变育种方法的基本原理、特点、生物学效应及在中药材育种中的应用进行综述,并探讨了相关辐射诱变技术在中药材领域的安全性和应用前景,为中药材辐射诱变育种相关研究与应用提供借鉴和参考.