中科院植物所公布2022年十大重要科研进展|进化_新浪财经

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2022年，植物所面向植物科学前沿及生态文明建设、农业转型发展等国家重大战略需求，围绕植物多样性形成与保护、植被与生态系统功能、光合作用与饲草种质创新三大主攻方向，取得多项重要科研成果。经各实验室推荐，学术委员会投票，最终评选出2022年度植物所重要科研进展。

揭示全球杜鹃花属植物的时空进化历史和辐射进化机制

辐射进化是一种广泛发生的物种快速多样化模式，但其在物种丰富的世界广布植物大属中的发生机制缺乏深入研究，尤其是生物和环境因子如何共同驱动了进化辐射在特定区域的发生仍是未解之谜。汪小全研究组对北半球最大的木本植物属—杜鹃花属开展了深入的谱系基因组学、生物地理学和辐射进化机制研究，坚实重建了该属的系统发生关系和地理分布格局的形成过程，发现该属于早古新世起源于北方高纬度地区，在中新世南迁至喜马拉雅-横断山区和马来群岛时发生了辐射分化，且造山运动导致的地形异质性和亚洲季风增强导致的年降水量增加是辐射分化的重要驱动因子。进而通过叶片比叶面积、叶片含氮量、叶片含磷量等7个性状的测定和分析，发现叶片功能性状的适应性进一步促进了该属的辐射进化。该研究为世界性植物大属的进化研究提供了一个范例，并表明谱系转录组学在植物生命之树重建中是一个非常高效的方法。此外，该研究重建的杜鹃花属坚实的系统发育树为该属的未来研究提供了进化框架，并为其亚属的划分等分类修订奠定了坚实基础（Mol. Biol. Evol., 2022, 39: msab314）。

杜鹃花属植物的系统发育关系

杜鹃花属植物的祖先分布区重建

揭示东亚-北美被子植物多样性的时空差异

东亚和北美具有相似的环境和植物区系来源，但两地植物多样性差异显著，是研究生物多样性不均匀分布的理想区域。陈之端研究团队选取中国和美国分别作为东亚和北美的代表区域，结合被子植物属级和物种水平生命之树以及详细的地理分布数据，对两个地区被子植物的时空格局进行了对比研究。研究发现，中国比美国拥有更高的系统发生多样性，且中国拥有更高比例的中新世之前分化的古老属；两地植物区系均呈现出东部古老、西部年轻的特征，当地造山运动及伴随的环境变化可能是造成两个地区生物多样性差异的主要原因。该研究通过进一步识别两个地区的系统发生多样性热点，建议了两个国家当前的保护空缺区域，为制定生物多样性保护策略提供了科学依据（Natl. Sci. Rev., 2022, 9: nwab199）。

中国和美国被子植物多样性时空格局和优先保护区域

揭示了东亚亚热带地区洞穴生物迁入规律

洞穴内部通常光照弱、温度恒定、湿度高，且营养贫瘠，是一种极为独特的生态系统。相对地表生物，人们对洞穴生物的关注则较少。王伟研究组通过整合28个植物、动物和真菌类群，对东亚特殊生境——喀斯特洞穴生物的定殖规律进行了研究，发现88%的洞穴生物迁入事件发生在渐新世-中新世交界期之后，绝大多数洞穴特有支系起源于地表的东亚亚热带常绿阔叶林，提出该地区的地质、古气候以及亚热带常绿阔叶林的演变共同驱动了洞穴生物的迁入。该研究不仅加深了人们对洞穴生物多样性进化历史的理解，而且对地上、地下生物多样性保护具有重要意义（PNAS, 2022, 119: e2207199119）。

研究所涉及东亚亚热带喀斯特洞穴的分布

东亚亚热带洞穴生物迁入动态

提出至2060年，中国陆地碳汇可抵消碳达峰时能源CO2排放量的13%-18%

中国能源CO2排放约占人为CO2排放总量的88%。降低化石能源消费，提高能源利用效率和发展非化石能源是削减CO2排放，实现碳中和的必然举措；通过持续提升陆地生态系统碳汇，抵消部分人为CO2排放，是实现碳中和的重要途径。黄耀研究员、孙文娟研究员等的相关研究结果表明，中国陆地生态系统年均固碳将从2010s的3.8亿吨增加到2050s的4.6-4.9亿吨。在各类陆地生态系统中，森林碳汇强度最大，占比68%-71%，农田占12%-13%，其他生态系统占17%-19%。实施目标管理将极大提升陆地生态系统碳汇强度，至2050s，目标管理对中国陆地碳汇的贡献将接近24%。至2060年，中国陆地生态系统碳汇可抵消碳达峰时能源CO2排放量的13%-18%（Natl. Sci. Rev., 2022, 9: nwac057）。

不同气候变化情景（RCP2.6和RCP4.5）下，2010-2060年中国陆地生态系统碳汇变化（左）；不同政策和气候情景下，中国陆地生态系统碳汇抵消能源CO2排放的比例（右），2030s-2060年的比例指与2030年碳达峰时能源CO2排放之比

揭示极端干旱对生产力的正遗留效应及其作用机制

近年来，极端气候事件逐渐增加，不仅显著影响当年的草原生产力，而且对下一年的生产力有遗留效应。一般认为，极端干旱对下一年草原生产力仍有负面影响（负遗留效应），但是，潘庆民研究组等基于降水梯度实验发现极端干旱具有显著的正遗留效应，其背后的驱动机制是极端干旱显著抑制了多年生植物生长，却为一年生植物（机会种）的增加提供了便利，使一年生/多年生植物比例显著提高。同时在内蒙古草原生长季“前期少、中期多”的降水格局有利于一年生植物的生长。这样，极端干旱引起的群落结构改变与下一年降水格局的耦合作用共同导致了正遗留效应（Sci. Adv., 2022, 8: eadd6249）。

极端干旱引起的一年生植物增加和降水格局对草地生产力遗留效应的耦合作用机制

揭示生物钟与光信号互作的新机制

生物钟可为植物的生长发育提供适应性优势。光信号是重要的生物钟授时因子，同时光信号又在时间维度受到生物钟的严格调控。但目前生物钟与光信号互作的机制尚不清楚。王雷研究组揭示了蓝光受体CRY2直接与生物钟组分PRR9互作调控生物钟周期，为解析Aschoff法则提供了理论借鉴。发现生物钟组分TIC通过多层次负调控远红光的光受体phyA进而调节植物的下胚轴生长，为未来全面解析生物钟与光信号之间复杂的反馈调控网络奠定了基础。此外，还系统解析了生物钟核心组分OsCCA1协调脱落酸信号网络增强水稻对多种非生物逆境胁迫适应的分子机制（Nat. Commun., 2022, 13:5869；Plant Cell, 2022, 34:2907-2924；Plant Physiol., 2022, 190:1057-1073）。

蓝光受体CRY2与生物钟组分PRR9互作介导蓝光信号输入的工作模型

TIC在黎明期调节phyA活性和下胚轴生长的分子模型

发现水稻钙网蛋白构象变化感知低温以及驯化选择DNA寒害损伤修复机制

全球气候变化导致的异常低温严重影响水稻的生产，培育具有异常温度耐受的设计型品种是解决这一问题的重要途径。作物的品种分子设计技术依赖于细胞感知温度信号的转导网络机制，细胞中温度感受器是信号网络的源头，而温度感受器如何将温度物理信号转换成化学信号，其机制尚不明晰。种康研究组发现水稻中内质网定位的钙网蛋白OsCRT3感知低温后二级结构发生改变，增强OsCRT3-OsCIPK7间的互作，提高OsCIPK7的激酶活性，引起细胞质钙离子浓度上升。质膜定位的钙离子受体OsCBL7/8感知钙离子信号后在细胞膜上与OsCIPK7特异性互作，激活下游信号转导途径，从而实现将低温物理信号转换成细胞内的生化信号，启动水稻寒害防御反应。这是动植物中首次报道通过蛋白构象改变感知温度信号并产生生物学效应的研究（EMBO J., 2022, doi: 10.15252/embj.2021110518）。

发现水稻钙网蛋白OsCRT3通过构象变化感知低温

水稻OsCRT3-OsCIPK7-OsCBL7/8复合物冷胁迫响应工作模式图

解析大麦光系统I-NDH超分子光合膜蛋白复合体结构

光系统I（PSI）的环式电子传递对光合固碳及光合生物响应环境变化非常重要，此前关于高等植物叶绿体环式电子传递复合体PSI-NDH结构及其精确调控机制的认识不清楚。光合膜蛋白结构生物学研究组利用冷冻电镜技术在国际上首次解析了大麦PSI-NDH超大分子光合膜蛋白复合体的高分辨率结构，揭示了PSI-NDH整体结构由2个PSI-LHCI亚复合体、1个NDH亚复合体组成，阐明了高等植物叶绿体中特殊天线亚基Lhca5和Lhca6及10个特有NDH亚基的精确位置、结构特点及复合物的组装原理。该研究成果为理解光合环式电子传递的调控机制提供了结构基础，对设计高产和高抗逆性的优质作物及饲草具有重要指导意义（Nature, 2022, 601: 649-654）。

大麦光系统I-NDH超分子膜蛋白复合体结构

大麦光系统I-NDH介导的环试电子传递模型

揭示了翻译后调控在叶绿体蛋白功能发挥中的重要作用以及可变剪接调控光形态建成的分子机制

林荣呈研究组揭示了叶绿体MORF蛋白担当分子伴侣的生化特性，解析了MORF在翻译后调控四吡咯生物合成途径的新机制，并拓展了MORF家族的生物学功能，为理解植物叶绿体乃至线粒体发育提供了新见解。研究还发现CDC48复合体可以通过泛素化蛋白酶体途径介导叶绿体内RbcL和AtpB蛋白的降解，拓展了CDC48复合物在植物体内的新功能，打破了以往人们认为叶绿体内不存在泛素化蛋白修饰的看法，为叶绿体内蛋白质的质量控制方式和机制提供了新的认识。鉴定了光形态建成的新成员RNA解旋酶UAP56，发现UAP56和COP1通过作用于剪接体从而直接调控光信号介导的选择性剪接，建立了可变剪接调控光形态建成的分子调控网络（New Phytol., 2022, 235: 1868-1883; Cell Rep., 2022, 39: 110664; Plant Cell, 2022, 34: 4191-4212）。

UAP56-COP1与剪接体互作调控RNA可变剪接进而影响光暗形态建成的工作模型

CDC48复合体介导叶绿体内蛋白质降解的模型

揭示葡萄白藜芦醇合成及山葡萄耐寒旱的调控机制

白藜芦醇是具有强抗氧化特性的多酚类化合物。葡萄是天然白藜芦醇的重要来源，但其含量低。梁振昌研究团队揭示了MYB14-MYB30-WRKY8激活-抑制分子模块调控白藜芦醇合成和积累的动态平衡机制，并阐释了不同葡萄品种白藜芦醇含量差异的可能机制，为培育高含量白藜芦醇葡萄品种和通过基因工程等手段生产白藜芦醇奠定了重要的理论基础。脱落酸是植物应对非生物胁迫的重要激素，脱落酸受体PYL在ABA信号通路中发挥重要作用，而葡萄PYL在抗寒旱等非生物胁迫中的功能研究尚不深入。团队在山葡萄中筛选到一个被冷胁迫显著诱导的成员VaPYL4。在葡萄愈伤和拟南芥中过表达该基因能明显提高植物材料的抗寒性，并增强了对干旱和盐胁迫的抗性，研究为培育能够抵抗多种非生物胁迫的新材料提供了思路（Plant Cell, 2022. 00: 1-22; BMC Plant Biol., 2022, 22:427）。

MYB14-MYB30-WRKY8分子模块调控白藜芦醇合成和积累的工作模型

葡萄VaPYL4基因增强葡萄和拟南芥对多种胁迫的抗性

(环境生态网)

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