惊艳！图解植物科学的最前沿技术
这张图自上而下展现了仅长5毫米的玉米穗。干细胞形成了扭曲的带状结构，最终会分裂长成玉米穗。这些玉米棒将比正常玉米更粗，玉米排数更多，从而提升产量。基因技术有助于人类培育出产量更高的品种。海藻（红色）寄居在海葵（绿色轮廓）的触手内。海葵是海藻的寄主，两者之间存在着一种动植物之间的互利关系。藻类利用阳光中的能量通过二氧化碳和水制造糖分，并将90%的糖分提供给自己的宿主。这种关系对珊瑚礁生态系统的繁荣和多样性非常重要。这种动态关系的丧失可能会导致整个珊瑚礁生态系统的崩溃。探究这种关系中的细胞生物学有望为珊瑚礁的维护工作带来启发。图中的蓝色斑点是经人工改造的微型染色体。它们的色彩是如何显现的？借助带有荧光标记物（黄箭头所指的红点）的“着色”DNA。这些人造染色体是一种将替代特征引入植物进行育种或研究基因功能的新方法。该技术为改造及培育可适应特定环境的植物开启了大门。对染色体的基因改造有助于科学家更快地测试添加基因对植物特性的影响，有助于缩短在作物中培育新特性所需的时间。蜈蚣草这种蕨类植物能够忍受和积累极高水平的致命毒素——砷。这是怎么回事？从土壤中吸收的砷进入叶子后，它们能够编码出一种蛋白质，把这种毒素转移到自身的“垃圾箱”中，这样砷就不会对它们产生影响。蜈蚣草能够耐受的砷比其他植物高100倍至1000倍。通过实验，研究人员发现了蜈蚣草这种耐受性所需的基因。该基因可用于培育一些植物用来净化被砷污染的水和土壤。这一发现还有助于防止水稻积累有害的毒素水平。目前，稻米是全球一半以上人口的主食。这些共聚焦显微镜的观察图揭示了单倍体、二倍体和四倍体玉米（从左到右）的叶片细胞。左图中，每个细胞只有一组染色体。中图中，每个细胞拥有两组染色体。右图中，每个细胞拥有四组染色体。细胞大小随着倍性的提高而成比例增加。植物结构的倍性效应可帮助让科学家们极具针对性地影响植物的大小或产量。通过应用共焦成像技术，研究人员现在可以量化细胞的数量和大小。这两个因素有助于启示如何通过基因技术控制植物特征，最终在农业和科研中得到应用。紫红色的光芒与定制的二极管发光生长灯构成了一个自动化系统的关键部分，该系统通过传送带移动植物、浇灌它们并记录日常生长情况。科学家们正致力于一个通过提高作物抗逆性以确保全球粮食安全的项目，该系统是这一项目的一部分内容，研究对象是为全球人类提供着超过50%的摄入热量的水稻和小麦。植物的茎上长出叶子时，叶子看起来好像是对称的，但事实并不是这样。研究人员通过研究植物激素生长素的模式，发现生长素浓度无论是分子水平还是在叶片结构中都出现不对称的分布，从而改变着基因表达和叶形。通过这种方式，植物能够长出所需的叶片形状和方向。这项研究探查了植物以可预测的排布长出各种叶形的机制。该研究中使用的植物之一是一种杂草——拟南芥。早在1990年，美国国家科学基金会就与其他联邦机构一起发起了拟南芥基因组研究计划。该倡议通过国际合作促成了一系列变革植物科学的研究成果，其中包括为整个拟南芥基因组测序。这是首个被测序的植物基因组，拟南芥从超过25万种植物中被选出成为研究对象，它的意义不亚于实验鼠在动物研究中的地位。玉米植株的花分为雄性和雌性两种。玉米顶端的雄穗会产生花粉。当风吹动时，花粉松动后落在下方的穗丝上，穗丝与新长出的玉米穗（雌花）相连。没有雄穗，就无法形成可食用的玉米。研究者正通过机器学习技术监测玉米植株产生花粉的情况。雄穗上的亮粉色标记显示了花粉囊的密度。虽然雄性不育植物可用于制造杂交种子，但作物中雄性可育性的丧失会大大降低种子产量。这种新型的量化方法可评估变化的环境条件如何令不育植物恢复部分可育性，或用于监测雄性可育性的丧失。植物的根部与居住在附近的多种微生物相互作用形成了根围。图为一个根围模型。植物根部周围的土壤含有既有益又有害的微生物。为了更好地理解这些关系，研究者正在研究根系的代谢如何决定根系发出的化学信号、对土壤微生物的后续影响以及如何最终实现植物的健康生长和提升产量。新型生物学工具的研发将允许研究人员利用他们的发现来修改植物基因组以实现抗旱性、高产量等性状。植物通过叶片下面的气孔“呼吸”。最近研究者通过改变基因结构让这些微小的唇状孔洞仅部分张开，从而让植物生长所需的水减少25%以上。研发更多的节水型植物有助于缓解水资源有限区域的压力。山羊草是普通小麦的野生原种，它的遗传图谱有助于培育高度适应性和耐病性的小麦。近20年前，当研究者试图提取遗传图谱时，他们缺乏对这一高度复杂的基因组进行测序的工具。然而，技术进步使研究者最终提取了山羊草的基因组序列。这些发现有助于研究者调查新基因，以改善小麦烘烤质量、抗病性以及对霜冻和干旱等条件的耐受性。研究人员已发现两个可帮助小麦抵抗一种小麦秆锈病的新基因。小麦秆锈病是一种常见的枯萎病。这些基因现在可供小麦育种者使用。大豆根尖的一些细胞中分布着植物激素生长素（绿色）和细胞分裂素（红色）。这两种激素在决定根系形状和长度上发挥着重要作用。根系有助于植物从土壤中获取营养和水分。一组研究人员使用图像分析方法来量化大豆根部和根瘤细胞中的激素，以了解激素之间的比率如何让每个细胞拥有特定的作用和功能。这些信息有助于培育拥有更高效根系和根瘤的作物，以增强汲取水分和养分的能力，从而提升可持续的粮食生产能力并确保粮食安全。
