芒是小麦重要的穗部器官和形态特征, 是小麦长期进化和适应环境的结果, 对产量和抗旱性等具有重要影响。目前, 对麦芒的遗传与发育还缺乏系统的研究, 相关基因克隆或精细定位的研究尚未见报道。本试验利用短芒材料‘六柱头’与长芒材料‘石矮1号’构建的F₂群体(SL-F₂)对芒的遗传与发育进行了研究。细胞学观察表明, 短芒主要是由细胞长度变短引起; 遗传分析表明, ‘六柱头’的短芒由显性单基因控制; 借助Wheat660K SNP芯片的BSA分析和SL-F₂群体的精细定位, 确定‘六柱头’的芒长抑制基因是前人报道的B2位点, 并将其定位到6B染色体4.84 Mb的物理区间(471.28~476.12 Mb)内, 该区段在中国春与矮抗58间具有良好的共线性。在B2定位区间共有61个基因, 其中5个在中国春穗部特异表达, TraesCS6B02G264400在中国春和Azhurnaya幼穗表达差异显著。这些研究结果为B2基因的克隆、小麦芒形成机理的解析及育种中的应用奠定了基础。

甘蓝型油菜主茎高度(茎高)是株型的构成因子之一, 研究其遗传机理对油菜株型改良具有重要的理论指导意义。目前对甘蓝型油菜茎高研究的报道较少。本研究以2个油菜茎高差异较大的亲本构建的重组自交系群体为材料, 利用SNP高密度遗传图谱, 2年共检测到11个茎高QTL, 分布在A04、A06、C04、A08和C01染色体上, 位点的表型贡献率为7.25%~19.61%。同时, 以455份来源不同的甘蓝型油菜为材料, 结合重测序产生的SNP标记, 对茎高进行全基因组关联分析, 2年共检测到5个SNP与茎高性状显著关联, 分布在A08、A10、C02和C06染色体上。根据茎高定位结果, 找到一些与激素途径(生长素、赤霉素和油菜素内酯)、光形态建成及植物生长发育相关的候选基因。在此基础上, 结合国内外株高相关性状定位研究结果, 将株高相关性状位点整合到甘蓝型油菜参考基因组上, 发现4个以上群体都在A01、A03、A07、C03和C06染色体上找到株高定位的区间, 2个群体在A10染色体上找到主花序长度共同定位的区间, 在A02和C03染色体上找到一次分枝高度共同定位的区间。本研究中的茎高定位结果与整合后的株高相关性状QTL定位区间有部分重叠, 位于A04、A06、A08、C04和C06染色体上。上述结果为甘蓝型油菜理想株型育种提供了理论依据。

用分蘖与主茎株高一致的高粱品系K35-Y5与分蘖明显高于主茎的高粱恢复系1383杂交, F₁自交获得F₂分离群体, 构建两混池, 采用BSA (bulked segregation analysis)和SLAF (specific length amplified fragment sequencing)技术将高粱分蘖与主茎株高一致基因定位。遗传分析表明, 分蘖与主茎株高一致性状由1对隐性核基因控制。参考已公布高粱基因组设计酶切方案, 构建SLAF文库并测序。对高粱参考基因组序列进行电子酶切预测, 确定限制性内切酶为Rsa I + Hae III, 酶切片段长度为364~414 bp; 测序Q30为91.70%, GC含量为45.79%, 达到测序要求; 与水稻的测序数据相比, 高粱的双端比对效率为93.35%, 酶切效率为90.60%, SLAF建库正常。共获得30.80 M reads, 开发出133,246个SLAF标签, 再通过分析SLAF标签的多态性, 检测到319,428个SNP位点。利用SNP-index法和Euclidean distance法及取两者交集进行关联分析, 最后得到一个关联区域, 位于第9染色体上的54,788,026~56,740,873区间内, 关联区域长度1.95 Mb。分析关联区域内的基因在2个亲本之间SNP, 对这些SNP进行变异的注释, 发现4个非同义突变的SNP。经验证, 这4个SNP位点和分蘖与主茎株高一致性状相关。对应到Sobic.009G197901.1、Sobic.009G213300.1和Sobic.009G221200.1三个基因上, 这些基因可能是与性状直接相关的功能基因。

大豆是重要的油料作物, 其种子脂肪酸中油酸含量是评价大豆油脂品质的重要指标之一。本研究设计了分别由AtU3d、AtU3b和AtU6-1启动子驱动、长20 bp的guide RNA (gRNA)靶点以靶向编辑GmFAD2-1A基因的外显子区, 首先将这3个靶点一起组装到pYLCRISPR/Cas9-DB载体上, 然后利用农杆菌介导的方法转化大豆材料华夏3号。通过PCR技术及测序分析对T₁代转基因大豆植株靶点编辑情况进行检测, 获得纯合GmFAD2-1A大豆突变体。GmFAD2-1A突变大豆植株在株高、主茎节数、单枝分枝数、叶形、花色、种皮色、种脐色、生育期等方面与对照大豆植株没有显著差异; 而GmFAD2-1A突变体大豆种子油酸含量显著高于对照大豆品种华夏3号, 说明GmFAD2-1A是油酸代谢过程中的关键基因。本研究利用CRISPR/Cas9技术成功对控制大豆油酸基因GmFAD2-1A进行编辑, 获得稳定的纯合GmFAD2-1A大豆突变体材料, 为高油酸育种提供了新的种质资源并创建了方法。

CRISPR/Cas9系统是一种广泛应用于细菌、酵母、动物和植物中的基因组定点编辑技术, 但该编辑系统的使用范围受PAM (proto-spacer-motif)位点NGG的限制。本研究通过突变Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9)编码氨基酸 (1135位的天冬氨酸D突变成缬氨酸V, 1335位的精氨酸R突变为谷胱氨酸Q, 1337位的苏氨酸T突变为精氨酸R, 命名该突变子为Cas9-VQR)改造其识别PAM为NGA的位点以扩大其使用范围。并使用玉米Ubi启动子启动Cas9-VQR基因、优化SpCas9的密码子、加入保守的核定位信号序列、增加单子叶植物中保守的 3′ UTR 序列和使用水稻U6启动子启动gRNA来修饰该编辑系统。结果表明Cas9-VQR系统能够识别PAM为NGA的位点, 并进行有效的切割。体外酶切活性检测结果表明Cas9-VQR的切割效率为5%~70%。水稻转化检测结果表明Cas9-VQR的切割效率约为27.5%~70.5%, 平均切割效率为46.23%。本研究拓宽了CRISPR/Cas9系统在作物中的使用范围, 特别是NGA PAM位点较高的作物。

深入剖析干旱胁迫条件下玉米穗部性状的遗传机制可为玉米抗旱高产分子育种提供参考依据。以大穗型旱敏感自交系TS141为共同亲本, 分别与小穗型强抗旱自交系廊黄和昌7-2杂交, 构建了含有202个(LT_POP)和218个(CT_POP)家系的F_2:3群体, 在8种水旱环境下进行单穗重、穗轴重、穗粒重、百粒重、出籽率及穗长等6个穗部性状的表型鉴定, 并采用复合区间作图法(CIM)和基于混合线性模型的复合区间作图法(MCIM)对其进行单环境和多环境联合数量性状位点(QTL)分析。结果表明, 采用CIM法, 单环境下在2套F_2:3群体间检测到62个穗部性状QTL, 其中干旱胁迫环境下检测到38个QTL, 进一步在2套F_2:3群体多个干旱胁迫环境下检测到10个稳定表达的QTL (sQTL), 分别位于Bin 1.01-1.03、Bin 1.03-1.04、Bin 1.05、Bin 1.07、Bin 1.07-1.08、Bin 2.04、Bin 4.08、Bin 5.06-5.07、Bin 6.05和Bin 9.04-9.06。采用MCIM法, 联合分析定位到54个穗部性状联合QTL, 其中24个表现显著的QTL与环境互作(QTL×E), 17对参与了显著的加性与加性/显性(AA/AD)上位性互作, 其表型贡献率较低。这些研究结果可为系统地剖析玉米穗部性状的分子遗传机制提供理论依据; 且这2套F_2:3群体多个环境下检测到的sQTL可作为穗部性状改良的重要候选染色体区段, 用于图位克隆或抗旱高产分子育种, 但要注重环境及上位性互作效应的影响。

SNP (Single Nucleotide Polymorphism)在基因组中数量多、分布广, 适用于大规模、自动化基因型检测。本研究利用205份不同来源的玉米自交系全基因组重测序数据鉴定出一系列多态性高的二态性SNP位点并开发出700个KASP分子标记。其中, 202个在46个玉米代表系中得到验证的KASP标记进一步用于系统进化树构建及群体结构分析。结果显示, 开发成功的KASP标记在染色体上分布均匀, 平均PIC为0.463, 平均MAF为0.451。基于KASP标记位点和总SNP位点的聚类分析结果高度吻合。KASP标记位点与总SNP位点的遗传距离相似性系数高达89.5%, 能成功区分玉米的杂种优势群。该KASP标记可在玉米种质资源分析、连锁群构建以及杂种优势群划分等方面发挥重要作用。

黄淮海麦区水资源短缺, 探明畦灌和微喷补灌对麦田土壤物理性状及冬小麦耗水特性、产量和水分利用效率调节的差异, 可为该地区冬小麦节水高产栽培提供理论和技术支持。2016—2018年冬小麦生长季, 设置畦灌和微喷补灌两处理, 研究其对麦田0~40 cm土层土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、田间持水率, 及冬小麦各生育阶段棵间蒸发量、蒸腾量、籽粒产量和水分利用效率的影响。结果表明微喷补灌处理与畦灌处理相比, 0~20 cm土层土壤容重降低, 总孔隙度、毛管孔隙度和田间持水率增加; 冬小麦返青后春季分蘖明显减少, 返青至拔节期的棵间蒸发量和蒸腾量及全生育期总耗水量均显著减少; 籽粒产量无明显变化, 但水分利用效率显著提高, 说明微喷补灌可以改善麦田土壤物理性状, 优化冬小麦群体结构, 通过减少棵间蒸发和植株无效蒸腾降低麦田耗水量, 从而在维持高产水平的同时提高水分利用效率。

为明确不同秸秆还田模式对黄淮海东部小麦-玉米周年产量与农田土壤固碳的影响, 研究了双季秸秆不还田(NS), 夏玉米季秸秆还田(SS), 冬小麦季秸秆还田(WS)和双季秸秆还田(DS)对0~40 cm各土层土壤容重(SBD), 有机碳含量(SOC)、储量(SCS)和土壤团聚体分布及固碳能力(CPC)的影响。结果表明, 秸秆还田尤其是双季秸秆还田模式显著降低土壤容重, 促进0~30 cm各土层<0.25 mm粒级团聚体向大团聚体团聚, >5 mm、5~2 mm和1~0.5 mm粒级团聚体质量比例显著升高, 平均增加57.2%、25.0%和13.7%; 同时, 土壤团聚体的平均重量直径(MWD)提高22.7%; 与NS相比, 秸秆还田显著提高了土壤有机碳含量, 增幅为4.0%~20.7%; 有机碳储量增幅为0.2%~14.7%。且双季秸秆还田对0~30 cm各粒级团聚体关联SOC和土壤固碳能力的提升作用最为显著。0~30 cm土层中秸秆还田量与SOC、SOC与MWD均呈显著正相关; 而SOC与SBD则呈显著负相关。在30~40 cm土层中, 各处理差异不显著。与不还田处理相比, 各还田处理均提高小麦-玉米周年产量, 其中, DS处理增产幅度最大, 两个周年平均增产达14.3%。双季还田模式是当前黄淮海区域土质提升和作物增产的最佳措施; 单季秸秆还田能维持较高的土壤生产力, 同时提供大量秸秆的饲料化、能源化和原料化多元利用。

黄河流域棉区棉花在蕾期常遭遇冰雹所致的物理伤害, 但棉花具有一定的调节补偿能力。明确棉花对不同程度物理伤害的补偿效应, 对灾后棉田管理具有指导意义。以山东主栽棉花品种K836为材料, 于2014—2015年棉花现蕾后第5天在山东省临清市设置去顶去叶(RTL)、去顶留1叶(RT+1LM)、去顶留叶(RT+ALM)、留顶去叶(TM+RL)、留顶留1叶(TM+1LM)以及未损伤的正常植株(CK) 6个处理, 研究不同程度损伤对棉花生长发育、叶面积动态、净光合速率、生物量、棉柴比、产量及产量构成的影响。结果表明, 对于棉花单株干物质量, TM+1LM处理在15 DAT和30 DAT (物理伤害后天数)分别比CK降低59.0%和12.1%, 但在45 DAT和60 DAT与CK无差异; 其余伤害处理在15~60 DAT均不同程度降低。叶面积指数变化动态与干物质积累趋势一致。处理45 DAT内, RTL、RT+1LM、RT+ALM和TM+RL的净光合速率均低于对照, 且高峰值出现时间推迟, TM+1LM的净光合速率变化趋势及高峰值出现时间与对照一致。TM+RL生物产量较CK降低18.2%, 而RTL、RT+1LM、RT+ALM和TM+1LM的生物产量与CK相当; RTL、RT+1LM、RT+ALM和TM+RL的棉柴比分别比CK降低52.6%、47.3%、36.8%和23.7%, 而TM+1LM的棉柴比与CK无明显差异。RTL、RT+1LM、RT+ALM和TM+RL单位面积铃数分别减少19.0%、7.2%、9.9%和15.6%, 单铃重分别降低23.2%、8.9%、8.9%和19.6%, 籽棉产量分别降低36.3%、17.5%、15.5%和31.9%, 而TM+1LM的铃数和单铃重没有显著降低, 籽棉产量与CK相当。据此, 把蕾期物理损伤分为轻度损伤(TM+1LM)、中度损伤(RT+1LM、RT+ALM)和重度损伤(RTL、TM+RL), 其减产幅度分别在5%以内、15%左右和30%以上。对于轻度和中度损伤棉田, 宜加强水肥管理促进棉花补偿性生长, 减少产量损失; 对于重度损伤棉田, 可以考虑改种其他短季作物。

磷是植物必需营养元素之一, 以多种方式影响作物氮吸收、利用。花生属于豆科作物, 氮素营养来源包括土壤、肥料和根瘤固氮。本研究以山东省主推品种花育22号(大花生)和花育20号(小花生)为材料, 设置5个施磷(P₂O₅)水平(0、45、90、135和180 kg hm ^-2), 利用 ¹⁵N示踪技术, 进行了2年桶栽试验。结果表明, 施磷提高了两花生品种肥料氮、土壤氮及根瘤固氮积累量, 其中根瘤固氮积累量的增幅大于土壤氮和肥料氮, 年份和品种间表现基本一致; 随施磷量增加, 根瘤数量、鲜重及根瘤固氮积累比例呈增加趋势, 土壤氮、肥料氮积累比例呈降低趋势; 施磷量在45~90 kg hm ^-2范围内, 氮肥利用效率、荚果氮素利用效率及产量均呈增加趋势, 施磷量超过90 kg hm ^-2, 上述三指标呈降低趋势或不再增加; 磷肥农学效率随施磷量增加而降低; 根瘤固氮积累量与荚果产量、植株全氮积累量呈极显著正相关, 与土壤氮、肥料氮积累比例及氮素荚果利用效率呈极显著负相关。根瘤固氮积累比例与土壤氮和肥料氮积累量、供氮比例及氮肥利用率呈极显著负相关。综上, 施磷能增加花生根瘤固氮供氮量及供氮比例, 降低对肥料氮和土壤氮的依赖, 但过量施磷不利于氮、磷效率和产量的提高。45~90 kg hm ^-2(P₂O₅)为花生适宜施磷量。

辽河流域处于中国东北春玉米区南部, 积温资源相对丰富, 在该区域推广玉米机械粒收技术具有较好的热量资源基础, 但区域内玉米收获时籽粒含水率偏高, 机械粒收的破碎率、损失率偏高等质量问题突出。分析区域内主推品种的籽粒脱水特征、基于热量资源条件确定机械粒收的适宜时间, 是解决上述问题的合理途径。2017年选择该区域主推的29个不同熟期玉米品种, 在开鲁县和铁岭县开展了籽粒脱水动态观测试验。结合流域内常年春玉米播种日期、不同品种生长发育及籽粒脱水积温需求、历史气象数据等分析结果, 建立不同品种在辽河流域适宜机械粒收时期的预测方法。结果显示, Logistic Power模型可以很好地模拟春玉米籽粒含水率变化过程。不同品种籽粒实收含水率与模拟含水率间存在极显著的线性关系, 决定系数R ²为0.916 (n = 45), 均方根误差RMSE为1.217。研究建立的不同品种籽粒含水率模型具有极佳的区域适用性, 以2017年国审的4个宜机收品种及流域内2个主栽品种研究, 明确了不同品种适宜机械粒收时期的分布规律。国审品种中, 德育919和京农科728自播种至籽粒含水率降至25%活动积温需求低于3200°C d, 在辽河流域大部地区可于9月中下旬达到高质量机械粒收的籽粒含水率要求。泽玉8911和吉单66积温需求低于3400°C d, 可于10月上中旬在流域内实现机械粒收, 较上述德育919和京农科728晚10~20 d。而当地主栽的辽单575和京科968脱水至适宜籽粒含水率的积温需求较泽玉8911和吉单66多200°C d, 无法在当地常规收获期实现高质量的机械粒收。本研究检验了基于Logistic Power模型的籽粒含水率预测模型在区域分析应用中的精度。通过比较国审宜机收品种与当地主栽品种的籽粒含水率变化、成熟和脱水的积温需求以及适宜机械粒收日期的空间分布规律, 更新现有品种有助于在辽河流域实现常规收获期内的高质量机械粒收。

农业领域的活性氮排放日趋严重, 系统分析农业生产过程中活性氮排放有利于促进我国农业绿色健康发展。本文基于2004—2015年我国油菜产量、农资投入产出等统计资料数据, 运用氮足迹理论和生命周期法系统评价我国油菜生产氮足迹时空分布状况及其构成。结果表明, 我国油菜生产单位面积氮足迹为7572.0 g N-eq hm ^-2, 呈现逐年下降的趋势。氮肥投入和NH₃挥发是我国油菜生产活性氮排放主要来源, 分别占油菜生产氮足迹的20%和54%。内蒙古、上海、江苏3个省、区、市的单位面积氮足迹和单位产量氮足迹显著高于低产省市, 其中氮肥、磷肥、复合肥产生的氮足迹值分别高80.6%、76.9%和57.8% (P < 0.05)。我国油菜单位面积氮足迹随着油菜产量的增加呈增加的趋势, 但不存在显著相关性。研究结论表明, 发展油菜生产节肥技术是我国油菜绿色健康发展的重要举措。

实际生产中氮钾肥投入不平衡严重限制了氮肥肥效及作物的产量潜力。为了探明不同施氮量下钾肥施用对油菜产量及氮素利用的影响, 于2016—2017年及2017—2018年在湖北省武穴市开展连续2年的田间试验, 采用氮钾两因素完全试验设计, 设氮0、90、180、270 kg N hm ^-2和钾0、60、120、180 kg K₂O hm ^-2各4个水平。在油菜成熟期取样测定产量、地上部氮钾积累量以及氮肥利用率。结果表明, 在钾供应不足时(K₀和K₆₀), 冬油菜施用氮肥的平均增产率为113.7%, 而在钾供应充足的条件下(K₁₂₀和K₁₈₀), 施用氮肥的平均增产率高达172.9%; 与K₀处理相比, K₁₂₀处理冬油菜氮肥回收利用率平均提高了16.6%, 继续增施钾肥对不同施氮量下冬油菜氮肥回收利用率的进一步提高无显著影响; 达到区域平均产量时, 钾供应充足较低钾(K₆₀)投入平均降低33.9%的氮肥用量。综上所述, 氮钾配施显著提高了冬油菜产量和氮肥利用率, 在冬油菜实际生产中除了重视氮肥施用外, 应增加钾肥投入, 通过优化氮钾肥配施比例可进一步提高油菜产量, 实现冬油菜高产和养分高效。

探究大气CO₂浓度倍增条件下冬小麦气体交换参数对高温干旱及复水过程的生理响应机制, 有助于提高生态过程模型的模拟精度, 更加准确地预测全球气候变化对农田生态系统初级生产力及其生态服务功能的影响。利用4个可精准控制CO₂浓度和温度的大型人工气候室, 研究了CO₂浓度倍增条件下高温干旱及复水过程对冬小麦气孔特征和气体交换参数的影响。结果表明, CO₂浓度倍增(E)导致冬小麦远轴面气孔密度增加、气孔宽度减小、气孔空间分布规则程度降低, 但提高叶片的净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、蒸腾速率(T_r)和水分利用效率(WUE)。高温干旱(HD)使叶片气孔长度、密度、周长和面积减小, 导致叶片气体交换参数均显著下降。然而, 高CO₂浓度及高温干旱(EHD)导致气体交换参数下降幅度相对较小, 表明高CO₂浓度对高温干旱具有一定的缓解作用。此外, 干旱复水后, 不同处理条件下冬小麦叶片气体交换参数均有所升高, 但高温干旱下叶片的气体交换参数仍未能恢复到对照水平, 暗示光合器官可能在高温干旱时遭到损伤和破坏。

采用节水栽培并减少氮肥用量是实现豫北冬小麦生产的高产、高效和环境友好发展的必然选择, 探明限水减氮对冬小麦产量和植株各层次器官干物质运转的影响, 可为该地区冬小麦节水栽培和合理施用氮肥提供科学依据。2009—2010和2010—2011年连续2年在河南浚县钜桥进行小麦田间裂区试验, 主区设置2个灌溉水平[拔节水(W1)和拔节水+开花水 (W2)], 副区设置5个氮肥水平[330 kg hm ^-2 (N4, 豫北地区小麦生产中常规施氮量)、270 kg hm ^-2 (N3)、210 kg hm ^-2 (N2)、120 kg hm ^-2 (N1)、0 kg hm ^-2 (N0)], 测定了籽粒产量和植株各层次器官干物质运转量、运转率和对籽粒贡献率。减量施氮与N4相比, 各营养器官向籽粒运转的干物质量均有增加, 其中, 穗轴+颖壳的干物质运转量增加了323.2%, 增幅远高于茎节的24.5%和叶片的4.6%, 且穗轴+颖壳的干物质运转率和对籽粒贡献率增幅也远高于茎节和叶片。减量施氮处理的叶片干物质运转量的增加主要源于倒三叶和倒四叶, 分别增加28.7%和201.1%, 而茎节干物质运转量的增加主要源于除穗位节外的其他茎节, 分别增加21.7% (倒二节)、71.8% (倒三节)、44.5% (倒四节)和31.1% (余节)。与W2相比, W1干物质运转量无显著差异, 但干物质运转率略高(24.6% vs. 23.8%), 对籽粒贡献率较高(35.1% vs. 30.0%), 籽粒产量降低11.2%, 水分供应量减少750 m ³hm ^-2。可见, 减量施氮促进了营养器官, 尤其是穗轴+颖壳和下层器官(倒三叶、倒四叶、倒三节、倒四节和余节)的干物质向籽粒的运转, 提高了对籽粒贡献率, 有利于提高籽粒产量。