根际微生物群落介导植物磷胁迫应答与免疫调控的整合机制

植物与土壤微生物的长期互作过程中,逐渐演化形成了植物-微生物相互适应的协同调控机制。植物种类和根系分泌物可以影响根际微生物的群落结构,而根际微生物群落反过来也可以影响植物对土壤环境中生物和非生物胁迫的响应。植物磷饥饿(耐低磷)响应机制和抗病(免疫)机制研究在农业生产上都具有十分重要的意义。近年来的研究表明,植物根际微生物可以介导植物对营养物质识别(饥饿响应)和病原防御系统(免疫)分子机制的整合调控。本文综述了本领域研究的最新进展,详细解析了植物体内磷胁迫调控与免疫调控两个重要网络在根际微生物群落影响下发生的整合调控,探讨了植物体内分子应答与根际生态的互作机制,对开展作物耐低磷及抗病机制的研究和应用都具有重要意义。     

褪黑素调控根系生长和根际互作的机制研究进展

【目的】根系生长和根际互作是影响植物对土壤养分吸收的关键因子。根系在土壤中穿插生长,不断改变其形态可塑性,进而改变根系构型,扩大与土壤的接触面积以获取所需养分。同时根系的生理可塑性协同根系形态可塑性显著影响根际互作效应,为植物经济高效获取养分资源提供可能。探究褪黑素等内源生长调节因子对根系形态和生理可塑性的调控机制,揭示通过最大化根际效应强化根际互作的有效途径,对集约化作物体系提高养分利用效率,促进绿色增产增效,具有重要的理论与实践意义。主要进展褪黑素作为新型植物生长调节信号分子,在盐害、干旱和低温等非生物胁迫中具有增强植物抗逆性、改善植物生长等重要调节作用。褪黑素显著改变根系生长,对植物主根生长主要表现为抑制作用,对侧根及不定根的发育和生长具有浓度依赖性调节,从而深刻影响植物根系构型。褪黑素调控根系生长的机制尚不清楚,总结已有进展表明:一方面褪黑素调节光周期,影响光合产物的运输和糖信号,从而调控地下部碳分配和根系生长;另一方面,褪黑素还能与生长素等植物激素互作,参与激素对植物生长调控的信号通路,从而对植物的生长发育和新陈代谢产生影响。这些进展对深入揭示褪黑素调控根系生长发育的机制提供了重要依据。问题与展望根系的生长发育以及根系构型的改变显著影响根际过程和根际互作,褪黑素作为调控因子在不同养分环境条件下显著影响根系的形态可塑性。然而,褪黑素在根际过程和根际互作中的作用机制并不清楚,有关研究亟待加强。深入探究褪黑素参与根际互作的机制,理解褪黑素调控根系生长和根际过程的作用途径,可为集约化农业体系下精准调控作物根系生长,强化根际互作,提高养分利用效率提供科学依据。     

集约化互作体系植物根系高效获取土壤养分的策略与机制

【目的】植物根系的形态与生理变化是植物从土壤中高效获取养分资源的重要机制,由相同物种或不同物种组成的互作体系中植物根系对养分的吸收利用受相邻植物竞争的强烈影响,阐明互作体系不同竞争条件下植物根系获取养分的策略并揭示其作用机制,这是基于根系觅食行为探讨养分高效利用的根际调控途径与技术措施的重要理论基础。主要进展根系属性的互补性有利于降低根系间对养分的竞争。根系构型的互补性,例如深根系与浅根系植物互作,促进个体植株对土壤剖面不同深度养分的吸收利用;由根系可塑性介导的水平方向上根系空间分布的互补性,提高了植物根系对同一土层不同空间位点土壤养分的挖掘;个体植株根系形态属性与相邻植物根际生理过程的互补性促进根系对不同形态养分的利用。互作体系根系获取养分的策略具有高度互补性,这有助于提高整个作物系统的养分利用效率,进而提高生产力。根系空间生态位的分离 (包括垂直与水平方向) 以及根际生物化学特征生态位的分离,是驱动互作体系根系高效获取养分资源的主要机制。合理的根层调控可以提高植物根系挖掘土壤养分的能力;优化互作体系物种的搭配能充分发挥根的互作效能,提高养分利用的生物潜力。问题与展望今后应进一步针对集约化高投入作物体系,通过管理根层养分供应和物种间的互作效应,强化根际养分信号的调控作用,调节根系形态与生理特性,降低种间竞争,增强种间互利,以最大化根系和根际的生物学潜力,提高养分利用效率和作物产量,为实现以节肥增效为核心的可持续集约化作物生产提供重要的调控策略与途径。     

丛枝菌根真菌生态功能及其与共生植物互作机理

丛枝菌根真菌是陆生植物根系广泛存在的一类真菌类群,并与宿主植物形成互惠共生体,在土壤生态环境中发挥着重要的生态作用和功能。从丛枝菌根提高宿主植物非生物胁迫(水、温度、盐碱和重金属等)抗性、生物胁迫(植物病害等)抗性以及改变宿主根际微生态等方面,对丛枝菌根真菌的生态作用、互作机理和研究热点进行了综述。     

可变剪切在植物发育和非生物胁迫响应中的作用

可变剪切(AS)主要在转录后水平对植物发育和逆境胁迫响应进行调控,极大地增加了转录组和蛋白质组的复杂性,是植物调控其基因互作网络的分子机制之一。本文简要综述了目前关于AS的分子机理和作用模式,及其在植物发育和非生物胁迫响应中的作用,并结合当前研究现状,对未来AS的研究方向提出建议,为植物生长发育进程调节和优良抗逆性品种的选育提供了一定的理论参考。     

激素在植物冷胁迫应答中的角色

寒冷是限制植物生长发育的非生物胁迫因子之一。冷胁迫应答过程中,植物内源激素在生理水平和基因表达调控中起重要作用。本文综述了水杨酸、脱落酸、乙烯、茉莉酸、赤霉素和细胞分裂素等激素在植物抵御冷胁迫过程中的作用机制,并对这些激素在植物冷胁迫应答研究中存在的问题进行了讨论,以期为今后通过激素调节提高植物的抗寒性研究提供参考。     

植物化感作用类型及其在农业中的应用

本文总结前人研究成果的基础上,对不同植物化感作用类型及其作用机制和在农业中的应用进行了探讨。植物化感作用包括化感偏害作用、自毒作用、自促作用和互惠作用。植物化感偏害作用是由植物根系分泌物介导下的植物与特异微生物共同作用的结果。利用植物化感偏害作用控制田间杂草是一项环境友好型的可持续农业技术,并已在水稻化感抑草研究方面取得了较突出的成果。植物化感自毒作用(作物连作障碍)是造成作物产量降低、生长状况变差、品质变差、病虫害频发的现象。药用植物,特别是以根部入药的药用植物中,连作障碍表现更为突出。近年来研究结果认为根系分泌物生态效应的间接作用及土壤微生物区系功能紊乱是导致植物连作障碍的主要因素。因此,改善土壤生长环境,恢复和修复根际土壤微生物结构平衡,增强生态系统机能是克服作物连作障碍的关键。植物化感自促作用(连作促进作用)是在植物根系分泌物促进下,根际土壤微生物之间此消彼长,有益微生物之间互利协作,土壤肥力和营养补给能力明显改善,从而增强植物根系抗性,促进植物生长发育,提高产量和品质的结果。牛膝的连作促进作用明显,有学者试图通过牛膝与其他不耐连作药用植物间作套种或轮作,实现药用植物生产的可持续发展。植物间的正相互作用(互惠作用)是作物间套种系统超产和养分等资源高效利用的重要机制,根系分泌物在介导根际微生物与植物的有利互作中起到重要作用。最后作者强调指出,存在于根际土壤的微生物群落的宏基因组组成是决定植物能否健康生长的关键。深入研究存在于土壤生态系统中的植物体外基因组的组成与演化机制,将成为借用现代合成生物学原理与技术,定向控制植物根际生物学过程,促进作物生产可持续发展的优先研究领域。     

植物应答病菌胁迫的抗性蛋白研究进展

病菌侵染是植物生长发育过程中遇到的主要环境胁迫因子之一,而植物响应病菌胁迫是一个多因素协同作用的过程,涉及到复杂的基因表达调控网络。因此,植物-病原菌的互作应答机制问题一直受到研究者的普遍关注。该文主要从蛋白应答角度入手,对最近几年植物-病菌互作抗性蛋白的研究进展方面进行了较为全面的综述,分析了病菌胁迫下植物常见抗性蛋白的应答情况,并讨论了对病菌可能的抗性机制,为抗病植物新品种的培育及后续相关基因功能深入研究和抗病植物新品种的培育提供理论参考。     

外源硅对植物抗盐性影响的研究进展

盐胁迫是世界范围内影响作物产量和品质的主要非生物胁迫之一,如何提高作物的抗盐性已经引起全世界的关注。硅 (Si) 是地壳中含量仅次于氧的第二大丰富元素。在pH值低于9的介质中,硅通常以单硅酸[Si(OH)₄]的形式被高等植物吸收。尽管目前硅仍然未被认为是植物生长的必需元素,但是作为植物生长的“有益元素”,硅可以缓解各种生物胁迫和非生物胁迫对植物生长发育的抑制。大量的研究表明硅可参与调控植物抗盐的生理生化代谢过程,并与一些信号物质,如乙烯、水杨酸和多胺等存在互作。主要进展如下:1) 植物对硅的吸收存在主动、被动和拒绝吸收三种,硅转运蛋白在硅的吸收和转运中起到非常重要的作用,但是关于该蛋白的编码基因在更多物种中的克隆和功能研究有待于进一步开展。2) 硅可以调节盐胁迫下植物体内的离子平衡,降低植物根系对盐离子的吸收和向地上部的转运,并使盐离子更均匀的分布在根系中;改善盐胁迫下根系对钙、钾、氮等营养元素的吸收,缓解盐胁迫造成的营养失调。近期一些研究表明多胺可能参与硅对根系盐离子吸收的调控。3) 硅可以通过调节水通道蛋白的表达和渗透调节物质的积累提高根系对水分的吸收和向地上部的转运,改善植株的水分状况。4) 硅可通过调节抗氧化酶活性,降低活性氧的产生和积累,同时可以缓解盐胁迫对光合器官和光合色素造成的损伤,保证盐胁迫下植物光合作用的正常进行。5) 植物耐盐的分子机制非常复杂,涉及大量基因的表达和调控以及信号转导过程,包括蛋白质组学和转录组学在内的组学研究策略为从分子水平揭示硅缓解胁迫的机理提供了有力的技术手段。转录组和蛋白质组学的研究表明硅可以通过调控转录因子、激素等相关基因的表达及蛋白的翻译和修饰来调控植物对盐胁迫的快速响应,提高植物的抗盐能力。6) 硅吸收突变体的应用有助于我们更好的了解硅在调控植物生理生化代谢中所发挥的作用。     

丛枝菌根与植物寄生性线虫相互作用及抗性机制

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)能够与大多数陆地植物互惠共生,促进植物对养分的吸收,提高植物对各种生物和非生物胁迫的抗逆性,对植物健康生长有重要的作用。在土壤中丛枝菌根真菌与植物寄生性线虫共同依靠寄主植物根系完成生命循环,但二者对寄主植物作用完全相反,引起研究者广泛兴趣,成为菌根研究的热点和焦点之一。本文分析了丛植菌根真菌与植物寄生线虫的相互作用,并探讨了菌根提高植物对线虫抗性的可能机制:菌根真菌改善植物的生长和营养状况、改变植物根系形态结构、影响根系分泌物和根际微生物区系、诱导寄主植物产生防御反应等,旨在深入挖掘丛枝菌根真菌的生物学功能,进一步发挥其在农业生产中的应用潜力。     

Managing plant-environment-symbiont interactions to promote plant performance under low temperature stress

Low-temperature stresses, also referred to as cold temperature stresses, including chilling and freezing temperatures, are among the major abiotic stresses that severely reduce plant yield, quality, and marketability and pose a serious threat to plant production during whole plant life cycles. Plant-environment-symbiont interactions determine the symbiotic and crop performance and tolerance to biotic and abiotic stresses. To achieve the optimum outcome, it is essential to consider not only plant-symbiont relationships, but also symbiont adaptation and symbiont-symbiont interactions under changing environmental conditions and different plant growth stages. Improving multi-symbiotic component systems and symbiont breeding together can be a useful strategy to improve symbiosis and, thus, crop production. In this review article, the role of interactions between multi-symbiotic components and plant-environment-symbiont relationships and the related biotechnology approaches are discussed in order to find the most effective sustainable and environmentally friendly agricultural practices to improve crop performance and mitigate the adverse effects of low temperatures on plants.     

Beneficial elements for agricultural crops and their functional relevance in defence against stresses

The beneficial elements are not deemed essential for all crops but may be vital for particular plant taxa. The distinction between beneficial and essential is often difficult in the case of some trace elements. Elements such as aluminium (Al), cobalt (Co), sodium (Na), selenium (Se) and silicon (Si) are considered beneficial for plants. These elements are not critical for all plants but may improve plant growth and yield. Pertinently, beneficial elements reportedly enhance resistance to abiotic stresses (drought, salinity, high temperature, cold, UV stress, and nutrient toxicity or deficiency) and biotic stresses (pathogens and herbivores) at their low levels. However, the essential-to-lethal range for these elements is somewhat narrow. The effect of beneficial elements at low levels deserves more attention with regard to using them to fertilize crops to boost crop production under stress and to enhance plant nutritional value as a feed or food. A more holistic approach to plant nutrition would not only be restricted to nutrients essential to survival but would also include mineral elements at levels beneficial for best growth. Here, we describe the uptake mechanisms of various beneficial elements, their favourable aspects, and the role of these elements in conferring tolerance against abiotic and biotic stresses.     

WRKY转录因子表达谱的研究进展

环境胁迫对植物的生长发育造成重大影响,因此,提高植物的抗逆性是农业面临的重要问题。自然界中存在多种抗逆基因,如抗盐基因、抗旱基因、抗寒基因等。利用植物基因工程和分子生物学技术提高植物对逆境的适应性及其抗逆分子机制的研究已成为当今热点。WRKY转录因子是一类参与多种胁迫反应的诱导型转录因子,本文综述了WRKY转录因子家族的结构特点、WRKY转录因子在非生物胁迫（高温、低温、干旱、盐）、外源物质（激素及O3）处理及生物胁迫下的表达模式。各种胁迫下的表达谱均呈现不同特点,这些差异表达可能与它们所行使的不同生物学功能有关。     

Beneficial effects of silicon on abiotic stress tolerance in legumes

Soil salinity, drought, metal toxicity, and ultraviolet-B radiation were major abiotic stresses that limit plant growth and productivity by disrupting the plants' cellular ionic and osmotic balance; legumes, a diverse plant family, suffered from these abiotic stresses. Although silicon (Si) is generally considered non-essential for plant growth and development, Si uptake by plants could facilitate plant growth by reducing biotic and abiotic stresses. There is however, a lack of systematic study on Si uptake benefits and mechanism on legumes because legumes reject Si uptake. Here, we reviewed the beneficial role of Si in enhancing abiotic stress tolerance in legumes and highlighted the mechanisms through which Si could improve abiotic stress tolerance in legumes. Future research needs for Si mediated alleviation of abiotic stresses in legumes are also discussed.     

丛枝菌根真菌AMF提高植物抗逆性的组学技术研究进展

  【目的】  丛枝菌根真菌(AMF)可以显著提高植物对逆境胁迫的抵抗能力,本文综述了国内外针对代表性组学技术(转录组学、蛋白质组学和代谢组学)在AMF提高植物抗逆领域(干旱、温度、盐碱、重金属)的研究进展,分析了在逆境胁迫下,植物–菌根共生体在分子层面上的应答调控机理,为深入理解AMF提高植物耐逆的分子机理提供一定的科学依据。  主要进展  植物主要通过根系与AMF建立共生关系,进而从土壤中吸收更多的水分和营养物质,提高植物对非生物胁迫的抵抗能力。菌根植物在转录、翻译以及表观遗传层面应答非生物胁迫。AMF在不同程度上上调或下调某些与非生物胁迫相关基因的转录或蛋白的翻译及降解,从而提高植物对非生物胁迫的抵抗能力,维持植物的生长发育,提高其对水分和营养物质的吸收和利用效率。通过转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析关键基因、蛋白及代谢物的变化,为深入挖掘AMF提高植物抗逆机理提供理论依据。  研究展望  揭示丛枝菌根共生体抗逆机理的组学技术研究仍处于起步阶段,单一组学的应用限制了信息表达的完整性和深层次网络调控机理的精确性。随着测序技术和手段在速度、精度等方面的提高以及生物信息学的更新发展,AMF提高植物抗逆性组学的研究将朝着多组学结合的方向发展,使研究者能够从多角度全面探究植物相关研究的分子机理,这有助于更全面地理解植物相关生命活动的分子调控规律。     

植物褪黑素功能及其作用机制的研究进展

褪黑素是一种重要的植物生长调节剂，在植物中具有多种功效。鉴于褪黑素在植物中的多种功能作用，为了给褪黑素在农业生产中的应用提供理论依据，通过查阅并梳理相关文献，阐述了植物中褪黑素的合成及代谢途径，褪黑素对植物生长发育的调控及对植物响应逆境胁迫的影响和褪黑素诱导作用的机制。褪黑素不仅参与植物种子萌发、根系发育、开花结果等生长发育过程，还能充当胁迫缓解剂，调节植物对多种生物胁迫/非生物胁迫的响应，且用外源褪黑素处理能够有效地缓解低温、干旱、盐碱以及病虫害等对植物的损伤程度，今后的研究应将盆栽试验与田间试验结合起来，以加速褪黑素在农业中的广泛应用。     

Water deficit stress,ROS involvement,and plant performance

Crop productivity is impaired by stress factors, biotic or abiotic. The main are pathogens, diseases, insects, cold, heat, salinity, drought, radiation and others. Among these unfavorable conditions, drought is one of the main occurrences and negatively affects crop development. This environmental adversity generally induces the accumulation of reactive oxygen species (ROS). These molecules lead to oxidative stress, and at high levels cause cell effects, like loss of organelle functions, electrolyte leakage, and reduction in metabolic efficiency. High concentration of ROS in cells can still cause molecular damage that include damage in proteins, amino acids, and lipids, and even lead to cell death. To neutralize these damages, plants increase enzymatic antioxidant activity and non-enzymatic antioxidant contents. ROS are essential to life in plants, and at basal levels performs cellular functions, such as signaling and defense responses. Here, we focus on the ROS production, the involvement and damages of these species in water deficit condition, changes in activity of antioxidant enzymes and non-enzymatic antioxidant contents in plants under drought stress. In addition, the signaling reactions of ROS under stress water restriction, changes on yield components of species under water deficit and the antioxidant genes involved in plant responses to stress were also addressed.     

ABA在生物胁迫应答中的调控作用

植物激素ABA不仅调控非生物胁迫应答,而且在应对各种生物胁迫中发挥重要的调控作用。ABA负调控植物对生物胁迫的抗性主要是通过与水杨酸、茉莉素和乙烯信号传导途径的互作以及影响这些信号途径中的信号组分来实现的。文章综述了ABA信号转导途径及其在生物胁迫应答过程中的调控作用。