植 物

培育不易碎的稻米

糙米在经碾磨加工后会发生断裂，其中仍能达到完整米粒平均长度四分之三及以上的米粒，被称为整精米。整精米率是水稻的重要品质性状，也涉及水稻的经济产量。整精米率性状由遗传控制，受灌浆、收获及收获后期高温高湿等环境因子影响。稻米成熟阶段产生的裂纹会导致稻米在加工过程中断裂，降低整精米率，可造成高达30%的水稻产量损失。全球气候变化给水稻生产带来新的挑战，研究模型预测，在水稻种植季节，气温异常升高1℃可引起稻整精米率降低7%左右。近来，中国植物学家利用基因组重测序的水稻种质资源材料，系统评价了稻米裂纹抗性，通过全基因组关联分析，发现了决定稻米裂纹抗性和整精米率的重要基因位点FED1，它正是颗粒结合型淀粉合成酶I 的编码基因Waxy/Wx。Wx的四个等位基因赋予稻米不同的裂纹抗性。进一步研究发现，直链淀粉通过影响淀粉粒无定形生长环与半结晶生长环宽度比值和稻米腹部垩白（稻米胚乳中因组织疏松而形成的白色不透明部分）影响淀粉粒吸水膨胀率，从而决定稻米裂纹抗性。垩白则通过促进水分渗透，增加吸水膨胀淀粉粒的数量。通过设计育种培育耐裂纹稻米新品种对于保证粮食安全具有重要意义，而新基因位点的发现为水稻设计育种过程Wx遗传变异的选择提供了理论支撑。（Journal of Experimental Botany, 2022, erac330）

蒿属植物都指示干旱环境吗？

菊科蒿属与藜科植物，是广泛分布于北半球草原、荒漠等半干旱和干旱地区的优势建群成分。藜科－蒿属花粉相对丰度比是一项重要的生物环境代用指标，被广泛用于评价地质时期研究地区环境干旱度和区分草原或荒漠植被类型上。科学界对蒿属花粉指示干旱的关联程度长期存有不同声音。为了解决这一难题，中国科学家基于蒿属系统发生框架，在该属9 个支系和3个外群中选择了36 个物种作为取样代表，尽可能地覆盖了花粉形态变异的最大范围，采用标准方法进行采样、实验、摄影和测量，在光学显微镜和电子显微镜两个层面上，收集了包含4018 张高清花粉照片、9360 个花粉形态性状的统计数据，并基于花粉形态性状的层次聚类分析结果，将蒿属花粉划分为3 种类型。研究人员根据30858 条植物分布信息以及相关环境因子的数据集，将三种蒿属花粉类型投射到全球陆地生物群落地图上，他们发现蒿属不同类型的花粉具有各自不同的生境范围。这个新发现彻底改变了传统上认为的“蒿属仅分布于干旱和半干旱环境”的固有观念。科研人员们不仅提供了蒿属花粉的新数据和新的分型方案，还创建了开放和可扩展的新花粉数据框架。人们有望在未来通过这些花粉数据集关联花粉形态与生境，提升对深时生态环境评估的分辨率，使之服务于全球气候变化研究。（Earth System Science Data, 2022, 14:3961-3995）

植物为什么会长刺？

植物的刺（包括皮刺、枝刺和托叶刺）作为物理防御大型食草动物取食的主要功能性状，广泛分布于现生被子植物中。科学家在青藏高原中部的班公湖－怒江缝合带新生代沉积盆地发现了晚始新世（距今约3900 万年）的大量刺化石，为认识刺的演化历史及其成因提供了直接证据。在伦坡拉盆地和尼玛盆地发现的刺化石共计44 份标本，根据形状、大小、生长方式等特征，被划分为皮刺和枝刺，共计7 种形态类型，这是目前全球已知的刺形态数量最多的化石植物群。结合分子系统发育分析重建新生代欧亚大陆带刺植物类群的谱系累积曲线后可知，带刺植物自始新世迅速分化，这与青藏高原两盆地的刺化石地质年代吻合。在同一层位还采集到了丰富的草本植物化石。这些草本植物大化石和其中所含的植硅体证据表明，当时的带刺植物生长于开阔的生境，而非郁闭森林。在此基础上模拟当时的古气候和古植被，结合化石植物群的古环境重建结果，可知随着新特提斯洋在古近纪的退缩，沿班公湖－怒江缝合带的中央谷地逐渐干旱，加上全球气候变冷，中央谷地的植被由中始新世的密闭森林（距今约4700 万年）转变为了开阔林地。青藏高原及其周边地区658 条动物化石记录显示，当时大型植食性哺乳动物的多样性增加。由于开阔林地的存在，大型植食性哺乳动物享有了更为丰富的食物来源，这也必然造成动物对植物的取食压力增加，进而促进了青藏高原中央谷地开阔林地植物刺的演化，这比非洲发生的类似转变早了约2400 万年。（Nature Communications, 2022, 13: 3787）

张骞通西域时带回的葡萄什么样？

青铜时代的早期作物全球化加速了旧大陆区域间的作物辐射、传播和交流。人类对作物的进一步选择培育及作物本身针对不同环境的适应性演化，促进了各类作物地方品系和栽培种的多样化发展，这个过程也被称为二次农业革命。葡萄（Vitis vinifera）是全球最重要的水果作物，现代品种数量近5000 个，大致分为东方品种群、西欧品种群、黑海品种群三大类群。其中，东方品种群包括了数千种现代栽培种，广泛分布于西亚、中亚及东亚地区，以大粒鲜食品种（直接食用）为主。目前的研究认为葡萄的栽培开始于亚洲西南部与欧洲南部地区，中国现代栽培葡萄的源头一般被认为是汉代张骞出使西域时从乌兹别克斯坦带回的中亚栽培葡萄。然而, 中亚栽培葡萄的起源及其演化形成现代东方品种群的过程目前仍不得而知。近日，中国科学家与乌兹别克斯坦科学家共同报道了中亚乌兹别克斯坦境内青铜时代巴克特里亚－马尔吉阿纳文明体（Bactria-Margiana Archaeological Complex，简称BMAC）中贾尔库坦（Djarkutan）神庙遗址和萨帕利（Sapalli）聚落遗址出土的栽培葡萄种子。该研究依据葡萄的种子长宽和茎长等多组形态测量数据，对遗址中出土的多种葡萄种子进行形态识别，同时结合碳14 年代学与当地考古文化记录，对当地青铜时代文明种植的葡萄类型及早期园艺活动进行了综合研究。形态统计分析结果显示，中亚青铜时代的栽培葡萄种子可分为4 个典型形态类型，包括2 种以短茎、圆颗粒为典型特征并与现代野生葡萄种子相似的似野生栽培类型，1 种以长茎、长颗粒、较大个体为典型特征的典型驯化栽培类型，以及1 种颗粒大小中等且种子形态介于野生类型与驯化类型间的过渡类型。其中，过渡类型占遗址中发现全部葡萄比例的45%，似野生栽培类型占40%，驯化栽培类型占15%。这种形态类型分布表明，在中亚青铜时代的果园中，至少存在4 种具有明显形态差异的栽培葡萄品种，其中的典型驯化栽培类型已经表现出明显的现代驯化葡萄特征。与普通定居点相比，神庙中出土的葡萄种子平均体积偏大，类型更加集中。这种差异可能暗示，在青铜时代的中亚，人们已经开始有意识地选择果实更大、更饱满的葡萄用于祭祀活动。（Scientific Reports, 2022, 12: 16331）

强蓝光拨快植物生物钟

生物钟作为内源计时机制，通过协调和维持细胞内代谢、基因表达等事件的近24 小时节律，使生物能够更好地适应因地球自转而产生的环境昼夜节律性变化。有意思的是，生物钟周期并不是固定不变的。早在1969 年，德国时间生物学领域的奠基人阿绍夫（Jürgen Aschoff）就提出了生物钟领域著名的阿绍夫法则，即：强光会使夜行性动物的生物钟周期变慢，但会使昼行性动物的生物钟周期变快。短日植物和长日植物的生物钟周期也有类似的规律，然而半个世纪以来，有关植物中阿绍夫法则的分子基础和相关遗传机制却仍是个谜。中国科学家近日发现，生物钟核心组分PRR9主要参与蓝光信号到生物钟的输入，并且其功能与光强密切相关。光受体能够介导光信号到生物钟的输入，然而光受体与生物钟核心组分之间如何传递光信号并驯导生物钟的分子机制是不清楚的。进一步的研究发现，CRY2 通过与PRR9 的RR 结构域互作，抑制其与转录共抑制因子TPL/TPRs 的结合，削弱PRR9 对靶基因的转录抑制活性，同时抑制了PRR9 的磷酸化。科研人员利用免疫沉淀－质谱法鉴定到可促进PRR9 磷酸化的蛋白激酶PPKs，并鉴定到了PRR9 蛋白的9 个可能的磷酸化位点。通过观察磷酸化位点特异性突变材料的生化及生物钟表型，可发现PRR9 蛋白的磷酸化是维持其转录抑制活性、DNA 结合能力以及生物节律所必须的。遗传学证据进一步表明，CRY2 与PRR9 在同一遗传通路中参与调控蓝光信号驯导的生物钟周期，CRY2 通过对PRR9 功能的双重抑制传递蓝光信号到中央振荡器。因此，蓝光光强依赖的CRY2 蛋白若降解，它对PRR9 的双重抑制功能就会失效，从而缩短生物钟周期。（Nature Communications, 2022, 13: 5869，图源：Pixabay）