Trends in Plant Science编辑推荐的2022年度综述

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本合集文章展示了2022年Trends in Plant Science所涵盖的前沿而广泛的研究主题。这些综述和观点文章探讨了如何使用植物科学来应对气候变化以及实现现代农业生态系统的可持续性的创新战略；强调了对于植物在地下的相互作用与胁迫生物学基本理解的研究进展；讨论了粮食安全背景下科学与政治的交叉问题；探索了合成生物学在绿色循环生物制造系统中的作用；展示了促进碳固存的途径；以及更多植物科学领域的精彩研究。希望这些由世界各地不同专家小组撰写的主题多样的文章可以为您提供信息，带来启发。如有任何反馈意见，欢迎联系plants@cell.com。

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根系分泌物影响植物对非生物胁迫的反应

植物的根系分泌物在支持植物发育以及根际的理化和生物因素相互作用方面发挥着重要作用。在胁迫条件下，根系分泌物有助于提高植物的资源利用率，促进植物与土壤微生物的相互作用，从而改善胁迫状态。虽然大量根系分泌物的作用仍有待确认，但最新的技术进步使许多分泌化合物的功能得以阐明。来自美国内布拉斯加大学林肯分校的Yen Ning Chai和Daniel P. Schachtman发表综述文章，讨论了在各种非生物胁迫（包括干旱、铝中毒以及磷、氮和铁缺乏）下，对植物的资源利用率有调节作用的关键根系分泌物。另外，在胁迫条件下，关键根系分泌物对于塑造根际微生物群落所发挥的作用也是本文讨论的重要问题。

描绘单细胞RNA测序的蓝图

基于液滴的单细胞RNA测序（scRNA-Seq）已经从一项潜力巨大的技术迅速发展为一种适用于许多广泛问题的方法。已经证明，scRNA-Seq提供的详细信息对于解决细胞对发育和环境线索的反应方面具有非常强大的作用。然而，为了最大限度发挥这项技术的潜力，需要考虑一系列上游的实际问题，其中最主要的是优化细胞分离程序、适应生物/非生物应激反应以及确定所需的细胞数量和测序读数。为了补充对scRNA-Seq应用和数据分析工具的概述和总结，来自德国图宾根大学的Tom Denyer和Marja C.P. Timmermans发表综述文章，讨论了需要考虑的因素，并提供了实用的建议，帮助调整实验设计以确保实现最佳结果。

转的易感性：改良植物易感基因以抵抗细菌

植物已经进化出复杂的防御机制以避免潜在病原体的入侵。然而，适应性病原体通过部署效应蛋白操纵宿主的易感（S）基因，使植物的防御机制失效。被细菌病原体利用的植物S基因的确认与突变，对于培育持久的广谱抗性作物十分重要。但由于潜在的多效性，突变S基因在抗病作物培育中的应用受限，而新的基因组编辑技术为S基因的修饰带来了新的可能。来自荷兰瓦格宁根大学的Yuling Bai及同事发表综述文章，针对被细菌操纵的S基因，提出了识别和精确修饰这类基因的方法。作者最后提出，编码转运蛋白的基因代表了一组新的S基因。

谷类作物光学表型研究进展

光学传感器和基于传感的表型技术已成为高通量表型分析的主流方法，被应用于提高作物的性状选择和遗传增益。来自浙江大学的岑海燕研究员团队发表综述文章，综述了基于光学传感的表型（OSP）技术在谷类作物中的最新进展和当前应用，特别介绍了基于不同电磁波范围的光学传感器原理。另外，作者将OSP测定的表型性状分为四类：形态学性状、生化性状、生理性状和综合性状， 并说明了鉴定不同形状所适用的传感器。除了研究和应用现状外，作者还讨论了OSP面临的挑战并提供了可能的解决方案。文章表示，基于光学传感的性状需要进一步探索，表型语言的标准化以及表型研究者需要建立与其他领域的全球合作。

调节器还是促进器？脂质在植物根-微生物相互作用中的角色

脂质在调节质膜的细胞过程和信号转导方面发挥着多种作用。质膜脂质还参与植物与周围微生物的复杂相互作用，这些微生物和植物是各种形式的共生关系。脂质的作用影响着微生物的整个定植过程，从而塑造了根茎的微生物群。作为化学信号，脂质促进了根际相互作用的各个阶段，包括植物根部到微生物、微生物到微生物以及微生物到植物根部，并且脂质会在感知或接触到有益微生物或植物病原体时调节植物的防御反应。来自澳大利亚墨尔本大学的Allene Macabuhay及同事发表综述文章，总结了这一领域的研究情况。尽管相关研究已经取得了很大进展，但仍需要进一步探索，以发现更多的脂质种类，同时需要阐明新发现的脂质在植物根-微生物相互作用的各个阶段的功能与概况。

植物免疫网络

植物的细胞表面受体和细胞内受体都可以识别不同的自我分子和非自我分子。细胞表面模式识别受体（PRRs）能识别细胞外病原体/损伤衍生分子或凋亡病原体衍生效应物。细胞内结合亮氨酸的富含核苷酸重复蛋白（NLRs）能识别病原体效应物。PRRs和NLRs的激活提高了防御基因的表达和植物激素水杨酸（SA）的累积，从而导致SA依赖的转录重编程。这些受体与其辅助受体连成网络，介导下游的免疫反应。另外，细胞表面和细胞内免疫系统相互依赖，两者协同作用，提供针对病原体的强大抵抗力。来自英国东英吉利大学的Bruno Pok Man Ngou、Jonathan D.G. Jones和Pingtao Ding发表综述文章，总结了这些免疫系统之间的相互作用，并尝试提供植物免疫网络的整体图景。作者重点指出了植物免疫研究当前的挑战，并讨论了潜在的新研究方向。

深色有隔内生真菌：来自副产物的互利共生？

几乎在所有的生态系统中，植物根部都定植着大量深色有隔内生真菌（DSE）。DSE真菌在功能上存在异质性，它们与植物的关系从拮抗到互利各有不同。来自芬兰奥卢大学的Anna L. Ruotsalainen及同事发表观点文章，讨论了副产物效益在DSE和其他根-真菌共生体中的作用。作者将宿主的投入与从共生体中获得的利益进行了对比，并将这些利益归类为需要宿主投入的副产物或益处。副产物效益可能提供了宿主和共生体之间投入的互利共生进化所需的可变性。作者认为，DSE可以被视为腐生真菌的合作菌根共生体进化过程中的“副产物互利过渡阶段”。

气孔介导的植物、食草动物和环境之间的相互作用

气孔在植物对生物和非生物胁迫的反应中发挥着核心作用。关于气孔在植物胁迫中的作用，现有的知识主要关注非生物胁迫以及植物与病原体的相互作用；但气孔如何影响植物与食草动物的相互作用，目前仍不清楚。来自美国宾夕法尼亚州立大学的Po-An Lin及同事发表综述文章，总结了气孔在植物-昆虫相互作用中的功能，尤其关注近期发现的食草动物对植物气孔的操纵。由于气孔与植物中相互关联的生理过程有关，因此食草动物导致的气孔动态变化可能对植物的细胞、机体和/或群体产生影响。作者总结了气孔如何介导植物对食草动物和环境刺激的反应，讨论了食草动物如何影响这些反应，并确定了对于植物与食草动物的相互作用，目前关键的知识空缺有哪些。

丛枝菌根真菌指挥菌丝际细菌奏响“管弦乐”

超过三分之二的陆生植物通过与丛枝菌根（AM）真菌形成共生关系来获取养分。AM真菌菌丝将不同的微生物募集到它们的菌际中，菌丝际指菌丝周围土壤中受菌丝分泌物影响的局部区域。因此，菌丝际塑造了AM真菌的“第二基因组”，对养分的调动和周转有显著贡献。来自中国农业大学国家农业绿色发展研究院的冯固教授团队发表综述文章，总结了当前对菌丝际微生物群特征的了解，以及菌丝分泌物在协调菌丝际组成方面的作用。菌丝分泌物中不仅含有富碳化合物，还能促进细菌的生长和活性，影响微生物群落的结构。这些作用会导致微生物功能转变以及有机养分循环的变化，从而使菌丝际成为生态系统中一个独特但重视不足的功能区。

跨越时间：安第斯山脉植物的演变与分布

安第斯山脉是世界上生物多样性最丰富的山脉，包括了从热带雨林到高山栖息地的一系列复杂的生态系统。来自英国皇家植物园的Oscar Alejandro Pérez-Escobar和谢菲尔德大学的Guillaume Chomicki及同事发表综述文章，提供了一份关于安第斯维管植物多样性的综合资料。研究人员评估了全部有公开记录的物种清单，并将其与194个分支中的14501个新热带植物的系统发育数据整合起来。研究发现，(1)截至目前的记录，安第斯植物区系至少包括28691个地理参考物种；(2)北部中海拔云雾森林是安第斯山脉物种最丰富的生态系统；(3)安第斯山脉是新热带植物多样性的主要来源和汇合区；(4)在安第斯山脉、亚马逊流域以及其他新热带生物群落，随着时间推移已经进行了大量的生物交换。

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为未来作物而准备：重塑胁迫记忆

为了满足日益增长的全球粮食生产需求，农业领域必须培养出更适应气候变化的作物。近期的研究进展阐明了植物产生胁迫记忆的机制基础，为作物改良带来了新机会。来自澳大利亚阿德莱德大学的Haipei Liu、Amanda J. Able和Jason A. Able发表综述文章，讨论了胁迫记忆可以如何协助未来的作物培育。胁迫记忆在植物机体、细胞以及各种组学水平上的协调变化，使植物对世代内或世代间反复出现的胁迫反应更加敏感。当遇到生物或非生物次生胁迫时，通过协同信号通路的汇合，植物暴露于主要胁迫或胁迫启动的经历，也能产生有益影响，这种现象被称作交叉胁迫耐受。具有胁迫记忆的“重塑植物”提供了一种新的手段，可以激发适应性胁迫反应、保护植物繁殖并为未来设计更加智能的气候适应型作物。

虫粪与虫蜕促进植物的生长与健康

土壤中的有益微生物有助于植物病虫害的生物防治、对攻击者的诱导系统抗性（ISR）以及作物产量的提高。有建议认为可以用有机土壤改良剂来刺激土壤中本源有益微生物的丰度和/或活性。来自昆虫养殖的残余物（虫粪和虫蜕）含有几丁质和其他化合物，可能刺激具有ISR和生物控制活性的有益土壤微生物。另外，有益微生物诱导的植物表型变化可能直接影响植物-授粉者相互作用，从而影响植物繁殖。来自荷兰瓦格宁根大学的Marcel Dicke及同事发表观点文章，探讨了作为食物和饲料的昆虫养殖产生的残余物对植物生长和健康的促进作用，以及对可持续农业的潜在益处。

通过收集太阳能和二氧化碳进行循环生物制造

合成生物学带来了绝佳的机会以扩大植物和微藻生物合成库。利用叶绿体并通过直接收集太阳能和消耗二氧化碳，以增加所需高价值化合物以及富含油、碳水化合物或蛋白质的生物质的生产。以分离的高价值化合物和改进的散装产品的单独商业化为特征的多产品线，提高了光驱动生产系统的经济潜力，并加速了商业规模的扩大。来自丹麦哥本哈根大学的Birger Lindberg Møller及同事发表综述文章，概述了建立这类绿色循环生物制造系统的科学基础，并特别指出近期的研究成果使这种循环系统成为可实现的方案，跨学科基础与应用研究有助于推进长期解决方案的开发。

转基因作物支持减缓气候变化

转基因（GM）作物有助于减少农业温室气体（GHG）排放。除了可能减少生产排放之外，转基因作物产量的增加也缓解了土地使用的变化以及相关的气体排放。根据估计，在欧洲更广泛地使用当前已有的转基因作物，可以使欧洲农业温室气体总排放量减少7.5%。来自美国加州环境组织突破研究所的Emma Kovak和Dan Blaustein-Rejto以及德国波恩大学的Matin Qaim发表短评文章，讨论了转基因作物对气候变化的潜在影响。

根系分泌物的土壤固碳作用

根系分泌物是土壤碳的“活性”来源，可以激发微生物活性。最新研究表明，土壤中活性碳输入的稳定性主要取决于周围环境的物理、化学和生物特性。来自印度国家植物基因组研究所的Jitender Giri及同事发表观点文章，认为在一些生态系统中（如森林和草原），根系分泌物可以作为土壤有机碳（SOC）的来源，后者可以通过各种机制固定下来并实现长期固碳。增加土壤固碳量对于捕获大气中的二氧化碳及应对气候变化问题非常重要。因此，迫切需要保护现有的生态系统，并通过植树造林、更新造林以及建立人工草地等措施，增加土壤中的根系分泌物，从而促进碳固存。

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