为植物科学领域培养众多人才，该所2024年发表SCI论文426篇，平均影响因子>10，品种审定12项，授权专利78项

乙烯信号在植物生长发育与逆境胁迫中发挥重要作用。 张劲松团队 与合作者鉴定了新的乙烯信号调控组分MHZ9，揭示了水稻乙烯信号转导的翻译调控机制，为培育耐逆稳产水稻等作物提供了新的基因资源和理论依据 (Huang et al., Nat Commun , 2023)。

抗性淀粉是健康人小肠内难以消化吸收的淀粉及降解物的总称，在预防和控制糖尿病、降低血脂、控制体重和维持肠道健康等方面有着重要的生理功能。普通水稻品种中抗性淀粉含量很低。 李家洋团队 与合作者鉴定并克隆了控制抗性淀粉合成的新基因 SSIIIb ，解析了SSIIIb与SSIIIa共同调控抗性淀粉合成的分子机制和进化意义，为改良稻米营养品质、培育高抗性淀粉营养功能型水稻品种提供了重要遗传资源 (Wang et al., PNAS , 2023)。

氮、磷是作物生长发育必需的大量元素，作物的高产依赖于氮肥、磷肥等化肥的大量投入。然而，在提高作物产量的同时也降低了氮磷的利用效率，过量的化肥生产和施用导致了农业资源浪费和环境污染等问题，不利于农业的可持续发展。 李家洋团队 系统解析了低磷激活独脚金内酯途径进而调控水稻株型和氮磷吸收的机制，为改良水稻在低磷环境中的株型、提高养分利用效率和产量提供了重要基因资源 (Yuan et al., Mol Plant , 2023)。 肖军团队 及合作者聚焦两个低氮条件下生长存在差异的代表性小麦品种，分别在正常氮和低氮条件下绘制了这两个品种三种组织 (根、旗叶、种子) 的多种组蛋白修饰，解析了小麦不同品种低氮适应性差异的表观调控机理 (Zhang et al., Nat Commun , 2023)。 左建儒团队 和 李家洋团队 发现MYB类转录因子ARE4调控水稻氮利用的新机制，为提高氮素利用效率和增加作物产量提供了新线索与基因资源 (Ma et al., Dev Cell , 2023)。

植物的基因功能研究和遗传改良都离不开遗传转化，小麦的遗传转化中组织培养的过程是一个植株再生的过程，但目前对小麦再生过程的调控机理知之甚少。 肖军团队 与合作者通过多组学联合分析的方式绘制了小麦再生过程的转录及染色质动态图谱，并搭建了一个顺序的转录调控网络，分析鉴定出2个能够提高小麦遗传转化效率的新因子，显著提高小麦多个品种的愈伤组织诱导率和遗传转化效率，可以在小麦遗传转化过程中应用 (Liu et al., Nat Plants , 2023)。

着丝粒是真核生物染色体的重要结构。着丝粒功能异常往往导致细胞分裂过程中染色体不分离，从而导致植物生长发育受阻。现代栽培大豆大约在5000年前由其近亲野生大豆驯化和改良而成。 韩方普团队 和 田志喜团队 对多个大豆种质进行着丝粒序列、结构及位置分析，发现在大豆基因组进化过程中存在广泛的着丝粒重定位现象 (Liu et al, PNAS , 2023)。

小麦是世界上最重要的粮食作物之一，同时也是人类最早驯化的谷物之一，面包小麦及近缘种推动了人类从狩猎采集社会向农耕社会的转变，拉开了人类文明发展的序幕。 鲁非团队 利用小麦属和粗山羊草属的25个小麦亚种共795份材料的全基因组测序数据，构建了升级版小麦属全基因组遗传变异图谱，系统重建了面包小麦及其近缘种的群体演化历史。该研究不仅为小麦重要性状形成与演化规律解析奠定了坚实的基础，为小麦遗传资源的保护和高效利用提供了重要依据，而且将成为探索所有作物适应性进化机制的研究范式，为通过遗传育种帮助作物应对气候变化挑战提供新的思路 (Zhao et al., Nat Plants , 2023)。普通小麦是经过两次杂交事件形成的异源六倍体，融合了三个二倍体祖先不同的特性。然而，不同基因组的融合的分子机制并不清楚。 薛勇彪团队 与合作者揭示小麦增强子类似元件能够产生新生链RNA，在预测增强子活性方面更加精确有效，为庞大的小麦基因组中大量远端调控元件功能鉴定提供了新的思路，特别是为研究小麦大量转座元件与多倍体功能演化之间的关系提供了新的线索 (Xie et al., Nat Commun , 2023)。

不同的小麦生产区，由于气候以及育种者的喜好等因素，会培育出截然不同的品种。比较分析现代育种过程对不同地域的小麦基因组和表型的重塑，可以揭示不同地域的育种轨迹。 凌宏清团队 、 贺飞团队 与合作者，通过对355份中国和美国的育成品种以及地方品种进行表型评价和基因组重测序分析，发现大部分位点的优异等位变异频率在中美品种中均明显增加，但中国品种和美国品种增加幅度有所差异，这预示着不同国家在现代育种过程中对这些位点进行了不同程度的趋同选择。该研究揭示了中美两国现代小麦育种选择的异同，并为培育更加优良的小麦新品种提供了重要线索、理论基础及基因资源 (Niu et al., Plant Cell , 2023)。

随着功能基因组研究的不断深入和现代分子生物学技术的不断发展，对全基因组设计育种技术体系的进一步完善是目前作物遗传育种领域的研究热点。 储成才团队 、 李家洋团队 与合作者成功构建了我国东北稻区经验育种史的分子诠释模型，归纳并验证了该地区不同时期水稻育种规律及未来趋势（图1），为后继的品种设计选育提供了依据 (Chen et al., Natl Sci Rev, 2023)

草种业是国家战略性产业，也是确保草地生态与草牧业可持续发展的关键。羊草是我国重要的乡土草种和欧亚草原上的优势草种之一。然而，其基因组庞大且存在高度杂合性，导致羊草基因组学研究具有挑战性。 曹晓风团队 与合作者对羊草基因组进行了深入解析，揭示了其演化规律，通过羊草基因组编辑体系提高了羊草生物量相关性状，该研究为提升羊草产量与品质提供可能，也为羊草的快速改良和基因组育种创立了先例 (Li et al., PNAS , 2023)。

图1 东北地区水稻亚群演变及关键QTL或籼稻渗入片段 (Chen et al., Natl Sci Rev , 2023)

卵子向胚胎转变过程是人类繁衍后代最重要的生命过程之一，此过程主要由卵子中储存的母源mRNA调控。 陆发隆团队 与合作者绘制了人类卵子向胚胎转变过程中的两套相互支撑的全转录组poly(A)尾巴图谱，并对全局性母源mRNA重塑的机制进行了初步探索，证明poly(A)尾巴介导的母源mRNA重塑是人类受精卵第一次卵裂所必需的。这一工作为将来研究人类卵子成熟和早期胚胎发育过程中的母源RNA转录后调控奠定了坚实的基础，为不孕不育相关疾病的机制研究打开了一扇新的大门 (Liu et al., Nat Struct Mol Biol , 2023)。

脂滴是一类从细菌到哺乳动物细胞保守的细胞器。正常情况下，神经细胞不储存脂滴。然而，在鸟类中，视锥细胞作为一种神经细胞，正常情况下却有脂滴。 黄勋团队 以鸡为模式动物，建立了视网膜体外组织培养和体外细胞培养系统，发现促脂滴融合蛋白CIDEA和微管参与了鸡视锥细胞中单个脂滴的形成，新脂滴蛋白Centrin-SPDL-1帮助脂滴定位在视锥细胞内段的顶端。脂滴的数目和位置变化会改变视锥细胞的感光能力 (Pan et al., Dev Cell , 2023)。

“物竞天择，适者生存”，生命个体之间彼此存在竞争，细胞——组成生命体的最基本单位——之间也存在竞争。 吴青峰团队 首次报道了神经干细胞之间的细胞竞争，揭示了脑发育过程中神经干细胞竞争的正负调控子、时空属性和分子特征，并第一次在哺乳动物中证明了细胞竞争对组织器官大小的调控作用 (图2)。同时，也为研究神经细胞之间的竞争提供了方法与策略，为探索脑肿瘤、脑发育疾病和神经元脆弱性的起源提供了新的视角 (Sun et al., Dev Cell , 2023)。

图2  Axin2-p53轴介导的神经干细胞竞争对脑器官大小具有重要调控作用 (Sun et al., Dev Cell , 2023)

哺乳动物中成体神经干细胞 (NSCs) 可以源源不断地产生新生神经元，在学习记忆和情绪调节等方面发挥重要功能。 郭伟翔团队 使用Axin2-CreER ^T2 或Gli1-CreER ^T2 小鼠分别对海马体中Wnt响应(Axin2 ⁺ )和Shh响应(Gli1 ⁺ )的两个不同NSCs亚群，从胚胎起源、细胞增殖分化以及对海马功能的全面性研究，不仅揭示了成体NSC异质性的多重起源，而且进一步拓展了成体NSC异质性的概念：不同成体NSC亚群可能具有不同功能而且产生的神经元也具有异质性 (Luo et al., Dev Cell , 2023)。

Manchette是精子形态建成过程中的一种临时性结构，主要由非中心体微管组成，其动态调控对精子的形态建成至关重要。 孟文翔团队 发现非中体微管负端蛋白CAMSAP1缺失会导致小鼠表现为典型的少弱畸形精子症，并进一步揭示了精子发育过程中manchette微管动态调控的机制，该研究为畸形精子症的临床研究和治疗手段的开发提供了理论依据 (Hu et al., PNAS , 2023)。

戴建武团队 通过单细胞转录组测序深入解析了恒河猴完全性脊髓损伤近端和远端不同区域的细胞动态变化，并阐明胶原材料支架移植对完全性脊髓损伤不同区域的治疗效应和机制 (Fan et al., Nat Commun , 2023)。

N ⁶ -甲基化腺嘌呤 (m ⁶ A) 是真核生物细胞中普遍存在并且丰度最高的一类mRNA修饰。 王秀杰团队 应邀撰写了题为《m ⁶ A修饰：从位点选择性到神经系统功能》的综述，系统总结了研究组自2015年以来在m ⁶ A修饰的动态变化、位点选择性和m ⁶ A修饰在小脑发育与记忆形成中的功能研究相关的成果，围绕着“m ⁶ A动态变化调控细胞刺激响应”这一观点展开了深入讨论，强调了RNA修饰动态性和特异性调控的重要性，并对未来研究方向进行了展望 (Zhang and Wang, Acc Chem Res , 2023)。

地球上所有的食物均直接或间接地来自于植物光合作用，核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶 (Rubisco) 是光合作用碳反应的关键酶，其催化效率对提升农作物的产量起着决定性的作用。 刘翠敏团队 利用真核生物拟南芥的组装因子完成了原核生物Rubisco的折叠与组装，产生了有酶活性的Rubisco。该研究进一步解析了原核与真核Rubisco生物合成途径 (Wang et al., Mol Plant , 2023)。

植物细胞壁是植物塑形的细胞结构基础，揭示细胞壁形成的分子调控网络一直是植物学研究的前沿热点之一。 周奕华团队 揭示了CSK1-VND6模块作为“制动装置”精准调控水稻次生细胞壁形成的作用机制，并发现CSK1-VND6参与了脱落酸信号通路，可协同调控ABA介导的次生细胞壁形成和细胞生长，为多性状协同改良的分子设计育种提供了理论依据和新分子靶标 (Cao et al., Mol Plant , 2023)。

植物开花受精发育形成果实是人类熟知的自然规律，也为人类提供了赖以生存的重要“口粮”。植物如何感知雌配子受精失败进而启动受精恢复，成了延续百年的科学之问。 李红菊团队 发现了雌配子直接通过分泌花粉管吸引信号恢复受精的机制 (图3)，回答了为什么双受精失败后胚珠会持续吸引花粉管这一问题，也为回答自然界有些物种的助细胞在进化中丢失提供了线索，为通过人工授粉挽救濒危物种提供了理论参考 (Meng et al., Cell , 2023)。

图3  SALVAGER负责受精恢复机制模式图 (Meng et al., Cell , 2023)

植物如何调控种子和器官大小是重要的发育生物学问题，而且与作物产量密切相关，是影响农业生产的重要因素。 李云海团队 、 凌宏清团队 与合作者发现器官大小与铁吸收协同调控的重要机制，为提高作物产量和营养元素吸收利用提供理论基础和基因资源 (Zheng et al., Nat Plants , 2023)；进一步提出了同时改良产量和铁元素吸收的重要策略 (Wu et al., Nat Plants , 2023)。籽粒大小和粒重是影响水稻产量的重要决定因素，阐明水稻籽粒大小的调控机理对于提高水稻产量具有重要的指导意义。 李云海团队 与合作者发现ERAD相关的E2-E3蛋白复合物SMG3和DGS1部分通过油菜素内酯途径调控水稻籽粒大小和粒重的新途径。该研究为深入了解ERAD相关途径在水稻籽粒大小和粒重调控中的作用提供了分子基础，为高产育种提供了一定的理论依据 (Li et al., Plant Cell , 2023)。

在谷物自然进化过程中，种子是需要颖壳来保护的；然而在农业生产中，种子一直受到人类进行易脱粒的选择压力，而被迫形成各种各样的颖壳状花器官。 谢旗团队 应邀撰写综述，比较了具有代表性的七大禾本科作物 (水稻、小麦、大麦、谷子、玉米、高粱和薏苡) 的花序、小穗、小花以及颖壳等花器官形态结构的异同点，总结分析了禾本科作物的花器官形态变异和种子易脱粒性调控网络，对深入了解谷物如何产生适应性的进化具有重要意义 (Xie et al., Trends Plant Sci , 2023)。

番茄果实由圆变方可以增加果实的耐压能力，该位点的育种应用能够极大地推动加工番茄从人工采收到机械采收的变革。 李传友团队 克隆了 FS8.1 基因，阐明了其调控果形建成的细胞学基础和转录调控网络，并创制出株型紧凑、果实耐压能力显著增强、成熟一致性提高的适合机采的鲜食番茄材料 (Zhu et al., Nat Plants, 2023)。

图4 WTS 的作用机制 (Wang et al., Cell , 2023)

水稻对冷胁迫十分敏感，苗期遇到低温天气，稻苗会发生生长迟缓、黄化甚至死苗，引起水稻减产。提高水稻苗期耐冷能力，对于减少水稻苗期冷害损失、推广水稻直播种植具有重要意义。 曹晓风团队 通过创制低温敏感叶色突变体 ospus1 的抑制子，成功获得了一个耐冷基因 sop10 ，解析了水稻苗期耐冷调控机制，为水稻耐冷育种提供了遗传资源 (Zu et al., Nat Commun , 2023)。

植物作为固着生长的生物，在长期的环境适应中进化出多种机制以感知环境变化。 曹晓风团队 应邀撰写综述，系统总结了近年来植物响应高温的调控机制，重点梳理了表观因子与高温诱导的转录因子协同调控植物响应高温的研究进展，同时对植物茎尖干细胞如何响应高温进行了深入探讨，并结合单细胞测序及表观基因编辑等前沿生物技术提出了未来植物逆境胁迫响应研究的方向和趋势 (Zhu et al., Trends Biochem Sci , 2023)。

干旱及盐碱等引起的渗透胁迫是限制农作物生长速度与产量的关键因素之一。 陈宇航团队 解析了盐胁迫响应信号通路SOS信号通路中关键Na ⁺ /H ⁺ 转运蛋白SOS1的三维结构，为理解SOS1激活的分子机制提供了坚实的结构基础，为培育耐盐作物提供了重要线索 (Zhang et al., Nat Plants , 2023)。谷子起源于我国黄河流域，是最早被驯化和栽培的作物之一，且正在快速成为禾本科C4作物遗传研究的模式植物。 赵美丞团队 与合作者以谷子为模式研究体系，鉴定了一个对渗透胁迫信号转导起关键作用的膜蛋白受体激酶，并将核心响应激酶SnRK2的激活关联到细胞膜。该研究揭示了DPY1在感知渗透势变化及信号转导中发挥着关键作用 (Zhao et al., Plant Cell , 2023)。

通过培育耐盐碱农作物，提高盐渍化土地产能，是解决未来人类粮食安全和农业发展的重要途径。高粱具有很强的耐盐碱、耐干旱和耐土壤贫瘠的能力，是世界干旱和半干旱地区的主要粮食来源。 谢旗团队 与合作者定位克隆了一个与高粱耐碱性显著相关的主效位点 AT1 ，并揭示了其负调控碱胁迫的分子机制 (图5)，该基因功能在其它几种禾本科作物中都高度保守，大田实验发现基于耐盐碱等位基因 AT1 / GS3 改良的水稻、玉米、高粱和谷子均有效提高了约20%-30%的产量和生物量。未来围绕该基因对耐盐碱作物进行育种遗传改良，将为解决全球粮食安全危机和高效利用盐碱土地做出贡献 (Zhang et al., Science , 2023)。

图5  Gγ亚基编码基因 AT1 介导植物对碱胁迫的响应机制 (Zhang et al., Science , 2023)

黑土粮仓是中国粮食安全的“压舱石”。近几十年频现的极端水文干旱事件对黑土粮仓“水-粮-生态”安全造成了极大影响。 沈彦俊团队 通过多个机器学习模型重建了我国黑土粮仓的主体部分松花江流域自1960年以来的长时序水储量变化序列。研究推测，未来十年黑土粮仓很可能会进入少雨期，水文干旱的极端性问题将会进一步加剧，不仅会影响到黑土区域水资源保障以及“水-粮-生态”协同发展，也会给我国粮食安全带来极大挑战。研究团队提出应高度重视这种多雨现象下的“隐性”缺水问题，针对黑土粮仓的水资源安全保障尽早采取应对措施，以保障国家粮食安全的稳定性 (Liu et al., Sci Bull , 2023)。

土壤有机碳库是陆地生态系统最大的碳库，其稳定性对全球气候变化影响巨大。长期以来学界普遍认为深层古碳库具有高度稳定性且不易受地表人类活动影响，其周转时间高达万年尺度。 秦树平 与 胡春胜 等人通过20年长期定位实验，研究了人类氮输入对2–12米农田关键带深层土壤有机碳稳定性的影响及其微生物-矿物耦合机制，结果表明长期施氮不仅导致表层土壤氮面源污染，而且会触发关键带深层沉睡古碳的大量释放。这项研究为理解地表人类活动对深层关键带生物地球化学循环的影响提供了新的视角，同时为保护深层关键带的古碳库稳定性和促进农业碳中和提供了新的理论依据 (Qin et al., Sci Adv , 2023)。

图6  基于AI辅助的蛋白结构聚类挖掘脱氨酶并开发具有新特性的碱基编辑系统 (Huang et al., Cell , 2023)

蛋 白质磷酸化是一种能调控蛋白质结构与功能并参与细胞内信号转导的重要翻译后修饰，在植物的生长、发育、环境适应以及作物的产量和品质调控中发挥着重要的作用。 汪迎春团队 研发了一种高效的植物磷酸化蛋白质组学新技术，能够在色素与其它干扰分子共存的情况下进行高特异性、高灵敏度地磷酸肽富集。该技术主要面向高等植物及其它绿色生物 (如衣藻) ，操作简便，极大地降低了实验所需的人力和试剂费用，可定量分析不同植物的磷酸化蛋白组，有望成为植物磷酸化蛋白组学的通用技术 (Duan et al., Mol Plant , 2024)。

高通量植物表型采集技术在植物表型组学研究中广泛应用，产生了大量的图像和基于图像的性状数据，这些数据是种质筛选、植物病虫害鉴定、农艺性状挖掘等应用的重要资源。作物表型组学研究中心与合作者开发了植物图像及相关性状开放归档库OPIA (Open Plant Image Archive)，向国内外科研人员提供植物图像及相关性状数据递交与共享的公共服务，进而推动全球植物表型组学领域的创新和发展 (Cao et al., Nucleic Acids Res , 2023)