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.

中国一级保护野生兰科植物共33种,隶属于兜兰属、杓兰属、兰属、石斛属、蝴蝶兰属和虾脊兰属,具有重要的观赏和药用价值.本研究对这些种类的杂种登录情况、亲本选择、授粉及播种时期选择、属间杂交进展、杂交育种存在的问题等进行综述,并结合育种现状提出了未来育种方向.研究表明,以中国一级保护野生兰科植物为亲本已有3611个杂种在英国皇家园艺学会上登录,杂种数最多的前10名均为兜兰属植物,包括巨瓣兜兰、波瓣兜兰、白旗兜兰等,其次为美花兰,而红花兜兰、广东兜兰、紫斑兜兰和暖地杓兰未见杂种登录.绿叶兜兰、曲茎石斛、霍山石斛、文山红柱兰等为极具潜力的优秀种质资源,但以其为亲本的杂种较少.建议未来开展杂交育种工作时,应当充分利用上述野生种质资源、加强属间杂交,并利用分子标记辅助育种加速新品种培育,以提高野生兰科种质资源的利用水平.本研究可为中国一级保护野生兰科植物的杂交育种工作提供参考,为兰科植物种质资源创新和兰花产业持续发展提供支撑.

为明确楸树(Catalpa bungei)远缘杂交种花器官性状的表型变异程度和变异规律,以12株楸树远缘杂交种为材料,采用方差分析、相关分析、聚类分析等统计分析方法,对楸树远缘杂交种的花期物候特征、花序性状、花朵性状和花色性状指标进行研究.结果表明:楸树远缘杂交种的花期物候特征差异明显,楸梓杂交种为假三叉分枝,花芽分化能力强,嫁接当年持续多轮开花,花期长达100 d以上,表现出母本性状.楸梓杂交种的花器官特征差异显著,花序轴共7～9轮侧枝,主轴为无限花序,侧枝为二歧聚伞花序,从底层到顶层过度为聚伞花序,处于楸树有限花序到梓树无限花序的过渡性状.花总长度、花筒直径、花筒长度、花冠宽度、花梗长度、雌蕊长度、花药长度、雄蕊长度、不育雄蕊长度的变幅分别为35.42～50.36,10.84～16.13,16.57～24.68,31.58～44.87,9.07～31.99,19.44～27.52,4.85～5.89,13.93～21.10,3.66～6.79 mm,变异系数为10.88%～31.02%,多样性指数(H')为1.36～1.93,并以9个性状指标将12株杂交种聚为大花型、中花型、小花型3类.楸树杂交种间花色差异显著,以L*、a*、b*值将12株杂交种的唇瓣花斑颜色聚为3类,分别是粉紫色型、紫红色型和紫色型.

远缘杂交及多倍化是物种形成和种质创新的基础,将陆地棉与野生瑟伯氏棉进行远缘杂交及染色体加倍获得可育杂种.旨在将瑟伯氏棉的有益农艺性状转移到陆地棉中,拓宽陆地棉的遗传基础.以陆地棉为母本,瑟伯氏作父本进行远缘杂交合成杂种F1,并进行染色体加倍,获得异源六倍体,对F1 及异源六倍体进行形态学、细胞学、生理生化及SSR分子标记鉴定.形态学鉴定结果表明,异源六倍体植株整体与杂种三倍体相似,介于双亲之间,异源六倍体的雄蕊多于亲本及F1,有淡红色的花斑,与亲本及F1 都不同.细胞学鉴定表明,随着倍性的增加,气孔密度呈下降趋势,而气孔长度、叶绿体数和花粉粒直径均呈上升趋势;杂种三倍体(F1)和异源六倍体的减数分裂行为表明,二者的减数分裂均有正常和异常行为,三倍体中的多分体较多,而六倍体正常四分体明显增多.三倍体的多分体中,正常四分体占比为 24.33%;六倍体的多分体中,正常四分体占比为 82.17%,表明六倍体的育性在恢复.生理生化结果表明,酶的活性随不同世代倍性的增长而升高.SSR鉴定结果表明,三倍体杂种和异源六倍体既扩增出了父母本的条带,同时也扩增出了新的特异性条带,表明远缘杂交过程中产生了染色体重组现象.通过远缘杂交成功合成陆瑟杂种,通过染色体加倍成功获得了可育的异源六倍体.

十字花科菘蓝为我国大宗常用中药材植物,其叶和根分别是大青叶和板蓝根的原料.本文总结了菘蓝的基因组结构、生物活性成分及其生物合成途径、远缘杂交及新材料创建等方面的研究进展.菘蓝(2n=2x=14)的基因组大小为300Mb,为tPCK核型,3万余蛋白编码基因.高质量的基因组测序解析了菘蓝的主要生物活性成分吲哚生物碱、苯丙烷类、萜类的合成途径及其候选基因.由于染色体消除,菘蓝(父本)与白菜及甘蓝型油菜的族间有性杂交只产生了具有少数菘蓝遗传成分的非预期杂种.菘蓝与萝卜的体细胞杂种具有双亲染色体,但自交及回交均未产生后代.菘蓝与白菜的体细胞杂种具有加倍的菘蓝染色体组,花粉部分可育而雌性不育.菘蓝与甘蓝型油菜的体细胞杂种与甘蓝型油菜连续回交后创建了全套的7个甘蓝型油菜-菘蓝附加系,一些附加系具有比菘蓝更强的广谱抗病毒效果;体细胞杂交中发生的双亲线粒体基因组重组导致甘蓝型油菜新细胞质雄性不育系的产生,菘蓝特定染色体上的育性基因导入培育了恢复系.最后讨论了这些附加系对菘蓝遗传研究的价值及开发利用前景.

矮小型棉花具有抗倒伏、适合密植等特点,利于塑造棉花的理想株型,优化群体结构,提高光合生产率,增加单位面积产量.本课题组在远缘杂交品系N31中发现了一个株型矮小突变体,经过连续多代自交,获得了稳定遗传的纯合体并命名为df31.表型鉴定结果 表明:突变体df31株高矮、果枝夹角小、节间距短、生育期长,与N31呈极显著差异.遗传学分析表明:df31与N31杂交,F2分离群体中突变表型与正常表型符合1∶3分离,矮小突变由隐性单基因控制.细胞学观察结果表明:与N31相比,df31叶柄、下胚轴和茎的单位面积薄壁细胞数量增加,维管束较多,形成层欠发达.随着营养生长,df31中赤霉素、油菜素类固醇呈明显下降趋势,生长素含量稳定,生长速度缓慢.本研究分析了矮小突变体的综合表型和遗传基础,并从细胞和生理水平分析了矮小突变体的变化,为进一步突变基因定位、克隆奠定基础.

冰草是小麦遗传改良的重要野生近缘植物之一,有目标的导入冰草外源优异基因是拓宽小麦遗传基础的有效途径.前期研究表明:小麦-冰草衍生系Ⅱ-23(2n =38W +6P)由19对小麦染色体(缺少4B和7A)和3对冰草染色体(2P、4P和7P)组成.本研究报道从Ⅱ-23的回交后代中分离鉴定出1个自发易位系7-20.基因组原位杂交(GISH)鉴定表明7-20是一个整臂易位系;经非变性荧光原位杂交(ND-FISH)检测发现,小麦的7A染色体发生易位;进一步利用小麦7A染色体特异SSR标记以及冰草7P染色体特异STS标记对7-20易位系中的外源易位片段大小以及易位染色体的组成进行鉴定,确定7-20为T7PL·7AL罗伯逊易位系(Robertsonian translocation line).对该易位系与小麦品种Fukuhokomugi构建的BC1F2和BC2F1世代分离群体进行田间农艺性状考察,发现该易位系阳性株系和阴性株系在有效分蘖数和千粒重性状上无显著差异,在株高上表现为阳性材料显著低于阴性材料,但同时出现穗粒数下降的现象.总之,本研究表明易位系7-20为T7PL·7AL罗伯逊易位,该创新材料不仅为后续利用断裂—融合机制创制出更多的补偿易位材料提供了理论依据,而且也为今后向小麦中转移冰草优异基因提供了重要的中间桥梁材料.

为探索杜鹃花属植物亚属间杂交的可育性规律,该文对常绿杜鹃亚属(subgen.Hymenanthes)、杜鹃亚属(subgen.Rhododendron)及马银花亚属(subgen.Azaleastrum)、映山红亚属(subgen.Tsutsusi)和羊踯躅亚属(subgen.Pentanthera)的亚属间杂交进行了研究,共涉及杜鹃花属植物5亚属15亚组32种,杂交组合118个.结果表明:(1)杜鹃花属植物的亚属间杂交存在明显的生殖障碍,其可育性水平与亚属及其类群组合有关,高、中、低与不育比例为2:16:8:92,可育比例仅20.0％,杜鹃亚属与马银花亚属等4个亚属级组合杂交未显现可育性.(2)亲本杂交组合方式对亚属间杂交有不同程度的影响,一些类群组合有明显的向性.以杜鹃亚属做母本与常绿杜鹃亚属的云锦杜鹃亚组杂交的可育组合比高于反交,且在有关大王杜鹃、粘毛杜鹃、露珠杜鹃和马缨花的杂交中也是如此,但与银叶杜鹃亚组杂交正好相反;另外,12对单向可育组合,分布于常绿杜鹃亚属与杜鹃亚属等4类亚属级杂交组合中.(3)杜鹃花属的亚属间杂交不亲和与败育现象明显,不可育组合百分率占80％,不能坐果是败育的主要表征,所有可育组合的绿苗率比值和单位种子数比值无一例达到相应母本的自然授粉水平.(4)双亲系统分类上的关系对亚属间可交配性具有重要影响并与可育程度一致,染色体倍性也有一定的作用.(5)有关研究为探索和认识杜鹃花属植物亚属间进化遗传联系提供了新的证据和思考,银叶杜鹃亚组可能是解释常绿杜鹃亚属与杜鹃亚属进化遗传联系的重要类群,杜鹃亚属的多鳞杜鹃可能与常绿杜鹃亚属具有广泛的血亲关系,其中多鳞杜鹃与岷江杜鹃彼此为生态相邻种并有可能在长期的演化过程中有遗传渗透,百合花杜鹃和毛肋杜鹃分别与映山红亚属、腺果杜鹃与马银花亚属,越峰杜鹃和繁花杜鹃分别与映山红亚属,大白杜鹃与羊踯躅亚属间的联系均需要深入研究.

原始生殖细胞(primordial germ cells,PGCs)的起源和迁移已在多种鱼类进行了研究,但多倍体鲫鲤原始生殖细胞的标记和迁移尚未见报道.本实验室前期通过远缘杂交方法成功获得了一个倍性明确、亲缘关系清晰的多倍体杂交鱼研究体系,该体系由异源四倍体鲫鲤及其二倍体父母本和三倍体杂交后代组成.本文利用RNA定点表达(localized RNA expression,LRE)技术,将来自于斑马鱼的nanos 1-3’-UTR与GFP融合后生成的mRNA注射入多倍体鱼受精卵中,首次对多倍体鲫鲤原始生殖细胞进行标记,并观察了其迁移途径.结果显示,多倍体鲫鲤PGCs能被斑马鱼GFP-nanos 1-3’-UTR标记,并且多倍体鲫鲤PGCs的迁移与斑马鱼类似.本实验结果为多倍体鲫鲤原始生殖细胞的产生和迁移的研究提供了一些基础数据.

叶缘裂刻性状是甘蓝型油菜遗传育种的理想形态标记.叶缘裂刻性状变异材料的创建对丰富甘蓝型油菜叶片形态和优良品种改良至关重要.本研究以甘蓝型油菜常规品种中双11和甘蓝型油菜叶缘裂刻新品系Y176为亲本(通过甘蓝型油菜与蔊菜远缘杂交获得),从F2群体中分别挑选出叶缘裂刻和正常叶形的植株各50株,构建了两个极端性状混池DNA文库,借助SLAF-seq-BSA技术,挖掘甘蓝型油菜叶缘裂刻性状相关候选基因.共开发出177941个SLAF标签,通过分析SLAF标签的多态性,共获得150168个SNP,其中亲本间共获得128200个SNP.对ED方法和SNP-index方法得到的关联区域进行综合分析,获得1个与目标性状紧密关联的候选区域,位于甘蓝型油菜A10染色体上的14528149～17353693区域,总长度为2.83 Mb,约有666个编码基因.与前人研究定位在同一染色体上,但本研究定位的区间与前人研究不同,说明本研究存在控制叶缘裂刻新基因的可能性大.并对该区域内基因进行功能注释,其中666个注释到NR数据库;517个注释到SwissProt数据库;587个注释到GO数据库;151个注释到KEGG通路;258个注释到COG数据库,对候选基因进行注释有助于进一步分离相关基因.