提高矿物质营养元素含量正在成为世界主要粮食作物的重要研究方向和育种目标。钙元素是人体必需的矿物质元素, 在人类骨骼形成和新陈代谢中发挥着重要作用。全球约35亿人缺钙, 缺钙已成为影响人类健康的国际性重大问题。主食是一种最优安全的矿物质元素补充途径。小麦是我国乃至全世界主要粮食作物, 是全球35%~40%人口主要的食物来源, 是摄入钙的主要来源, 是矿物质元素生物强化的重要作物。通过遗传改良方法提高小麦籽粒钙元素含量被认为是解决缺钙最经济、有效、可持续的措施, 目前已引起了国内外学者的高度关注。本文综述了近年来小麦籽粒钙元素含量的研究进展, 主要包括籽粒钙含量的遗传差异、影响因素以及与相关性状关系、调控机理。此外, 我们还提出了将来进行钙营养强化小麦研究的方向, 此研究内容为加快通过主粮实现有效补钙、倡导健康营养的膳食模式、满足由“量”的需求向“质”的需求转变的粮食安全、改善国民健康状况以及减少因缺钙造成的经济损失提供了解决方案。

我国油菜根肿病发病面积在66.7万公顷左右, 约占总生产面积的10%, 已严重威胁到油菜的安全生产。基于此, 本研究以含有CRb抗根肿病位点的大白菜材料CR Shinki为供体亲本, 以甘蓝型油菜国审杂交种华油杂62的父本Pol.CMS恢复系Bing409为受体亲本, 通过杂交、回交及自交等育种程序, 结合前景和遗传背景筛选, 将CRb抗病位点导入到Bing409中。在BC₃F₂代获得了遗传背景高度接近Bing409且含CRb抗病位点的抗根肿病新恢复系Bing409R, 进而成功选育了我国首个抗根肿病杂交油菜新品种华油杂62R。CRb抗病位点在甘蓝型油菜背景中表现为单基因显性遗传, 根肿病抗性遗传改良的同时并未对Bing409R及由其配制的杂交种华油杂62R的产量、品质造成不良影响, Bing409R及华油杂62R对我国四川、湖北、安徽等地区根肿菌生理小种具有免疫抗性。本研究的开展为我国油菜抗根肿病育种提供了宝贵资源, 为我国抵抗油菜根肿病的威胁提供了重要保障。

为探究韧皮部蛋白2 (Phloem protein 2, PP2)基因在小麦(Triticum aestivum)响应逆境胁迫中的功能及作用机制, 本文以小麦抗叶锈病近等基因系TcLr15为材料获得一个小麦韧皮部蛋白2基因TaPP2-A13。该基因编码一个由298个氨基酸组成的亲水性蛋白质, 相对分子量为33.18 kD, 等电点为6.36。其N端为F-box结构域, C端具有典型的PP2结构域, 属于F-box/PP2 (FBP)亚家族成员。TaPP2-A13与禾本科植物中PP2-A13蛋白的亲缘关系较近。表达模式分析表明, TaPP2-A13的表达受叶锈菌(Puccinia triticina)侵染的诱导, 且感病组合中表达更强。用脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)和甲基茉莉酸(MeJA)处理后, TaPP2-A13总体呈现上调表达趋势。利用聚乙二醇(PEG)和H₂O₂处理后, 小麦TaPP2-A13显著下调表达, 而NaCl处理后TaPP2-A13呈现先上调后下调的表达趋势。亚细胞定位结果表明TaPP2-A13在细胞核和细胞质均有分布。以构建的重组载体BD-TaPP2-A13为诱饵筛选酵母文库, 获得11种可能与TaPP2-A13互作的蛋白, 酵母双杂交(Yeast 2 Hybrid, Y2H)确定其中的5种蛋白TaPP2C5、TaSLY1、TaCHI、TaRbcS和TaSKP1分别与TaPP2-A13存在相互作用。进一步利用BiFC和Co-IP确认TaSKP1与TaPP2-A13两种蛋白质之间的相互作用关系, 推测TaPP2-A13可能为SCF复合体成员。本研究结果为深入解析TaPP2-A13蛋白的功能, 并探究其调控网络奠定了基础。

X12是具有超强致病力的大豆胞囊线虫(SCN)新小种, 于2012年在山西省古交市邢家社首次发现, 该小种对大豆生产有巨大威胁。定期调查X12生理小种分布, 对有目的地采取防治措施阻止X12小种扩散有重要意义。本研究于2019—2020年调查古交市土样, 利用Riggs模式鉴定生理小种, 绘制古交市X12生理小种分布图, 探讨其周围生理小种类型及分布规律。结果表明, 在采集的受SCN感染的33份样本中, 26份鉴定出生理小种类型, 占采集样本的78.8%; 2号和4号生理小种在该地区分布广泛, 2号小种检出频率为57.7%; 4号小种检出频率为42.3%。4号小种群体能够侵染优异抗源兴县灰皮支(ZDD2315)且胞囊指数(female index, FI)大于10, 即被认定为X12小种, 在此次鉴定为4号小种的11份样本中, 有2份进一步鉴定为X12小种, 含重复采集2012年在邢家社发现的X12样本; 另有3份鉴定为4号小种的样本, 其SCN群体能在兴县灰皮支上寄生, 但FI未达到10。这26份样本的SCN群体能在Peking和PI88788上寄生, 且FI > 50的分别占73.1%和57.7%。表明, 除邢家社发现有X12小种, 在河口镇也发现了X12小种; 在邢家社周围810 km²仅检测到2号和4号小种; 有3份样本的SCN群体有可能会优先由4号小种进化为X12小种。建议在古交市采取有力、有效措施减缓SCN的致病力升级及X12小种扩散。

广谱抗性基因的挖掘是马铃薯高抗晚疫病品种选育的基础。本研究以288份国际马铃薯中心筛选的晚疫病抗性群体为试验材料, 经过连续2年田间调查, 计算AUDPC和sAUDPC值, 评估群体晚疫病抗性; 利用SLAF-seq方法进行群体简化基因组测序, 通过对晚疫病抗性表型数据的全基因组关联分析, 挖掘晚疫病抗性相关的遗传位点和候选基因, 为晚疫病抗性品种选育和抗病机理研究提供一定的理论和材料基础。结果表明, 晚疫病抗性在288份材料间存在着广泛的遗传差异; 基于5种分析模型, 共鉴定到82个与晚疫病抗性显著关联的位点; 在关联区间关联到54个已知或可能与晚疫病抗性相关的基因。其中, 23个基因为抗性基因, 包括晚疫病抗性基因R1同源基因、Sw-5同源基因(R8)和Rpi-vnt1以及编码多效性耐药蛋白基因; 5个基因编码MAPK蛋白和WRKY转录因子; 1个基因参与茉莉酸途径; 3个基因与水杨酸途径相关; 6个基因是病程相关的基因; 3个基因参与苯基丙酸类合成途径; 其他与晚疫病抗性相关的基因, 如HMGR基因(2个)、细胞色素P450 (21个)。

锌(Zn)是重要的微量元素之一, 但土壤中过量的锌累积会影响植物的生长发育。本研究以不同遗传来源的140份甘蓝型油菜为材料, 利用芸薹属60K SNP芯片对锌胁迫下(30 mg L^-1)甘蓝型油菜发芽期相对下胚轴长(RHL)进行全基因组关联分析, 筛选与甘蓝型油菜发芽期下胚轴长度显著关联的SNP位点及候选基因。群体结构分析表明, 供试的140份甘蓝型油菜被分为2个亚群, 其中89%材料间亲缘关系小于0.1, 说明供试群体材料亲缘关系比较远。GWAS分析共检测到8个与RHL显著关联的SNP位点, 单个SNP位点分别可解释22.0%~33.2%的表型变异。转录组分析获得的差异基因GO富集分析结果表明, 上调表达基因主要参与氧化还原反应、离子转运、胁迫反应、防御反应和硫化合物转运。综合全基因组关联分析和转录组测序结果, 共鉴定到19个与锌胁迫相关的候选基因, 包括编码锌指蛋白家族成员(B-box型和ZFP1)、谷胱甘肽转移酶GSTU21、过氧化物酶家族蛋白、ABC和MFS转运蛋白及细胞壁相关激酶蛋白和一些重要的转录因子(BnaA07g27330D、BnaA02g30270D、BnaA07g27840D、BnaA07g31860D和BnaA07g28000), 为深入解析油菜锌胁迫分子机制提供了参考。

大豆疫霉根腐病作为影响大豆生产的毁灭性病害之一, 对大豆生产威胁很大。种植抗疫霉根腐病的大豆品种是控制该病害最有效的途径。河南省位于我国黄淮夏大豆产区的腹地, 具有大豆疫霉根腐病发生的潜在威胁。本研究的目的是对河南省新育成的大豆品系进行抗性鉴定和抗病基因分子标记检测, 以明确大豆新品系对大豆疫霉根腐病的抗性水平和抗病基因。采用下胚轴创伤接种法对64个河南省培育的大豆新品系进行接种, 鉴定其对2个具有不同毒力的大豆疫霉分离物PsJS2和Ps41-1的抗性。结果显示, 对分离物Ps41-1和PsJS2抗病的分别有35个和16个品系, 对Ps41-1和PsJS2为中间反应型的分别有16个和10个品系, 其中对2个分离物均抗病的有16个品系, 占鉴定品系的25%。使用抗疫霉病基因RpsZheng共分离标记WZInDel11进行新品系的基因型鉴定发现, 对2个大豆疫霉分离物均抗病的16个品系中有13个含有标记WZInDel11, 对1个或2个大豆疫霉分离物表现为中间反应型的5个大豆品系, 分子检测结果表明, 其为杂合基因型, 这些品系中的纯合抗病单株可直接选育成纯合抗病品系用于抗病育种。综合系谱分析结果推测, 有2个品系可能含抗疫霉根腐病基因RpsZheng, 2个品系可能含RpsYD29, 14个品系可能含有RpsZheng或其等位基因。表明河南省培育的大豆新品系中含有优异的大豆疫霉根腐病抗源, 该研究结果将为病害防控和抗病品种的选育提供参考。

利用甲基磺酸乙酯(EMS)对玉米自交系B73进行诱变, 获得一个可以稳定遗传的小籽粒突变体smk7 (small kernel 7)。smk7成熟籽粒表现为体积变小, 胚和胚乳发育缺陷, 百粒重显著降低。突变籽粒发芽率仅为10%, 且幼苗黄化不能生长成正常植株。成熟smk7胚乳中淀粉、蛋白、油分含量与野生型籽粒相比无显著差异, 但突变体胚乳淀粉粒体积明显变小且形状不规则。smk7突变籽粒在授粉后12 d即可观察到明显的小籽粒和空瘪表型, 石蜡切片显微观察显示突变籽粒的胚和胚乳发育迟缓, 胚乳基部转移层细胞(BETL)相对于野生型细胞壁向内生长减少, 发育受阻。用杂合植株(+/smk7)与多个自交系分别杂交, 构建不同背景的F₂分离群体, 遗传分析结果表明该性状受单隐性核基因控制。利用靶向测序基因型分型(genotyping by target sequencing, GBTS)技术将基因初定位于2号染色体短臂, 进一步精细定位发现该基因位于RM1433917和RM1535316两个标记之间约120 kb的物理范围内, 共有8个蛋白编码基因。本研究为进一步克隆和解析SMK7基因调控玉米籽粒发育的分子机制奠定了基础。

重复测量试验对同一受试对象进行多次测量, 各时间点数据间存在自相关性, 进行方差分析和均值比较时需要进行特殊处理。虽然此方法在农业等研究领域运用十分广泛, 但目前有效地相关统计方法鲜见。为了建立操作简单、实用性强、结果可靠的统计分析方法, 本研究采用SAS的广义线性混合模型(Generalized Linear Mixed Models, GLIMMIX), 以随机区组重复测量试验资料为例, 说明了协方差结构筛选、方差分析和均值比较的具体方法。结果表明, 用传统的裂区设计、多变量统计等方法会造成资料信息浪费, 统计功效降低, 缺区无法处理等问题, 甚至会导致错误的结论。GLIMMIX能很好地处理自相关问题, 功能强大, 结果可靠, 使用简单, 允许缺区, 是进行重复测量试验资料方差分析和均值比较的理想方法。目前在国内将其运用到农学类试验数据的统计分析的相关报道鲜见, 该文在本领域具有很强的实用性和创新性。

探讨铵态氮素对甘薯块根形成的调控效应及其作用机制, 本研究利用单株结薯数差异显著的甘薯品种商薯19 (S19)和济徐23 (J23)为材料, 于2014—2015年进行大田试验和盆栽辅助试验, 设置60 kg hm^-2低氮(L_N60)和180 kg hm^-2高氮(H_N180) 2个氮素水平, 酰胺态(X_N)和铵态(A_N) 2种氮素形态, 进行甘薯幼根向块根分化关键时期的发育解剖观察和IbEXP1基因的表达分析。结果表明, 单株有效结薯数较高的商薯19块根产量显著高于济徐23, 生长前期甘薯块根的分化建成相较于块根的膨大生长更利于最终块根产量的形成。同时, 2个甘薯品种60 kg hm^-2铵态氮素处理在茎叶封垄期建成更多根径介于0.5~5.0 cm的薯块, 显著提高了收获期的单株有效薯块数目, 块根产量最高。其中, 60 kg hm^-2铵态氮素处理2个品种甘薯幼根在前形成层时期原生木质部束的导管数目及中柱薄壁组织木质化薄壁细胞数目最多; 初生形成层发育时期IbEXP1基因高水平表达, 幼根直径、中柱直径大, 原生、次生木质部束数目多; 次生形成层活动初期IbEXP1基因的相对表达和中柱薄壁细胞的木质化程度介于不施氮和高氮素处理之间, 但幼根直径、中柱直径和中柱占横截面比均显著最高, 在块根分化建成中建立了中柱薄壁细胞木质化活动和分裂活动的平衡。

协同提高产量和资源利用效率, 是旱作马铃薯高产高效的基础。本研究以陇薯10号为材料, 于2017—2019年进行大田试验, 设置当地农民习惯栽培(CK)、高产高效栽培(YE)和超高产栽培(HY) 3种栽培模式, 测定旱地马铃薯叶面积指数(LAI)、叶片SPAD值、冠层光合能力、干物质积累转运、块茎产量、水肥利用效率等指标。结果表明, 与CK相比, YE和HY均提高了马铃薯LAI和叶片SPAD值, YE在降雨较少的2017年增幅更明显; 二者均减慢了马铃薯块茎膨大后的LAI和叶片SPAD降低幅度, 使其冠层光合能力在块茎膨大期和淀粉积累期2年平均提高29.9%、34.7%和40.2%、50.5%。基于较高的LAI和冠层光合能力, YE和HY的地上干物质在块茎膨大期较CK 3年平均增加123.05%和118.53%; 同时块茎膨大后同化物对块茎的贡献率增加22.56%和19.29%, 使马铃薯产量在2017—2019年平均增加47.93%和47.78%, 水分利用效率平均增加77.59%和75.85%, 均达到显著差异水平。YE和HY使马铃薯商品薯产量显著增加, 收益显著提高, 在2017—2019年分别较CK新增纯收益7330.3元 hm^-2和6024.6元 hm^-2。较大的群体冠层和较高的物质生产促进了植株对N、P、K的积累, YE的N、P利用效率较CK分别提高15.21%和17.20%, N、K收获指数分别提高3.85%和7.79%; HY的N利用效率提高12.37%。YE的WUE、N和P利用效率较HY提高2.05%、2.53%和23.41%, 新增纯收益1305.7元 hm^-2。因此, YE减施缓释尿素40%并有机替代、密度60,000株 hm^-2, 能够提高水分和养分利用效率, 维持马铃薯花后较高的冠层光合能力, 促进茎叶干物质向块茎转运, 实现作物增产和资源高效利用协同发展, 是半干旱区黑膜覆盖马铃薯种植推荐的高产高效模式。

含糖量是决定和影响花生食用品质和加工特性的重要指标, 蔗糖含量占成熟花生籽仁总糖量的90%以上, 建立蔗糖含量的高效检测技术, 有助于加快高蔗糖甜味食用型花生品种培育进程。本研究利用蔗糖含量差异显著的185份花生材料, 利用近红外仪(波长范围1100~2500 nm), 配合小样品杯, 扫描和采集自然干燥籽仁的近红外光谱, 采用液相色谱(HPLC)结合标准曲线法测定试验材料的蔗糖含量, 利用偏最小二乘法(partial least squares, PLS)构建了花生籽仁蔗糖含量的近红外定标模型, 模型的决定系数R² = 0.962, 均方差为0.383。利用20份材料对模型进行外部验证, 预测值和化学值的决定系数达0.947, 表明该模型可较好地预测蔗糖含量, 可以高效地测定杂交早期世代的单株花生蔗糖含量。利用该模型在“吉花02-1-4×中花26”杂交后代中发掘出6份含糖量7%以上、油酸78%以上、含油量48%以下, 且农艺性状优良的食用花生新品系。

本研究于2015—2019年以晋杂34、辽杂27、晋饲2号、晋糯3号和汾酒粱1号为研究对象, 设0 (N0)、75 (N75)、150 (N150)、225 (N225)、300 (N300)、450 kg hm^-2 (N450) 6个氮素水平, 调查其对产量性状、淀粉含量和土壤硝态氮以及氮素利用特性指标的影响, 以探讨高粱合理的氮素施用方案。结果表明, 高粱的产量、穗粒数及植株地上部氮素累积量, 随施氮水平的增加呈先增加后趋于稳定的趋势, 其中以N75处理增幅最大, 较N0处理最大增幅分别可达23.68%、48.05%和51.86%; 籽粒淀粉含量、5年叠加氮肥利用率、5年叠加氮肥农学效率和氮素5年叠加表观回收率随施氮水平的增加都存在不同程度的降低, 其中N75处理下5年叠加氮肥利用率为63.01%, 较N150处理提高了76.91%; 籽粒淀粉产量则随施氮水平的增加呈先增加后降低的趋势。连续施氮4~5年后, 施氮量≥225 kg hm^-2, 残留的硝态氮在60~200 cm土层逐年累积, 且在0~200 cm土层存在明显的累积峰, 硝态氮淋失风险加剧。施氮量75~150 kg hm^-2之间, 在满足高粱植株基本生长需求的同时, 可以弥补了土壤氮库的消耗, 有效降低了土壤硝态氮的淋失, 亦有利于高粱产量和籽粒淀粉产量的形成。

江淮地区是我国水稻和小麦重要的生产基地, 明确该地区不同产量水平之间的差异特征及形成机制, 探索区域粮食生产的限制因子, 可为缩减江淮地区周年产量差的技术途径提供科学依据和参考。本研究以稻-麦周年生产体系为研究对象, 定量分析不同产量水平田块之间的产量差与气候影响因素。结果表明, 江淮地区水稻、小麦及周年农户水平与试验水平和高产纪录间存在显著的产量差, 分别为3315.9、1537.5、4645.6 kg hm^-2和7498.6、3977.9、9840.9 kg hm^-2。水稻、小麦及周年农户水平较试验水平还有46.2%、29.7%和37.3%的增产潜力, 较高产纪录还有104.5%、77.0%和79.0%的增产潜力。每穗粒数是造成水稻产量差的主要因子, 穗数和每穗粒数是造成小麦产量差的主要因子。与农户水平相比, 水稻试验水平和高产纪录的穗粒数分别增加30.4%和116.1%; 小麦试验水平和高产纪录的穗数和每穗粒数平均分别增加40.9%、70.0%和21.8%、19.6%。缩小产量差水稻主要依赖于增加每穗粒数, 小麦靠穗数和每穗粒数的协同提高。生育期累积辐射和积温较低是导致水稻产量差异的主要气候因素, 而生育期降雨过多是导致小麦产量差异的主要气候因素。根据研究提出了“强稻稳麦”是提升江淮地区周年粮食生产的有效途径。

针对西北雨养旱作地区玉米长期地膜覆盖下出现的植株早衰现象, 从不改变地膜保水功能的角度出发, 采取地膜玉米膜上遮挡降温覆盖措施, 研究不同膜上遮挡措施下土壤温度变化及对玉米产量形成的影响, 分析不同膜上遮挡措施下玉米耕层土壤物理化学性状变化, 为解析普通地膜玉米生育后期早衰提供理论参考。试验以陕单609为材料, 基于2年田间试验, 对比分析普通地膜覆盖+膜上覆黑色遮阳网(A)、普通地膜覆盖+膜上覆盖秸秆(B)与普通地膜覆盖(C) 3种模式对农田土壤温度、土壤养分及玉米干物质量积累、产量和水肥利用效率的影响。结果表明: (1)在普通地膜覆盖的基础上添加遮挡物(黑色遮阳网、秸秆)可以有效降低土壤温度和紧实度, 其中玉米生育前期降温效果最为明显。(2)与对照处理C相比, 膜上遮挡降温处理A和处理B玉米生长后期土壤的有机质和全氮、全钾含量均增加, 玉米肥料偏生产力分别提高7.24%和6.97%。(3)降温处理能够延缓玉米生长后期绿叶面积的衰减速率, 提高植株干物质量的积累, 增加玉米粒重。与处理C相比, 降温处理A和处理B的2年平均玉米产量分别较普通地膜覆盖处理提高6.39%和5.93%, 平均水分利用效率分别提高8.17%和7.67%。在西北雨养旱作区, 适当降低普通地膜玉米的膜下温度有助于改善土壤理化性状, 促进玉米籽粒干物质积累和产量形成, 提高肥水利用效率。

食用型花生是我国乃至世界范围内花生育种的重要方向之一, 但是花生遗传改良中缺乏与食用品质相关的可溶性糖含量的快速检测方法, 限制了食用花生育种进展。本研究建立了80%乙醇和水浴快速提取花生籽仁可溶性糖的方法, 该提取方法与国标法相比, 简化了样品前期处理步骤, 加快了提取进度。通过准确性和重复性试验对该方法的验证表明, 该方法的重复性较好, 而且准确有效。以20份花生品种为材料, 利用高效液相-示差折光法对该方法提取的样品和国标法提取的样品进行检测发现, 成熟花生籽仁中的可溶性糖主要是蔗糖, 葡萄糖和果糖很少, 2种方法测定的结果差异不显著。利用本研究建立的方法检测20份花生品种的结果显示, 蔗糖含量最低为16.19 mg g^-1, 最高为83.81 mg g^-1, 平均为30.41 mg g^-1。利用国标法检测的结果显示, 蔗糖含量最低为15.60 mg g^-1, 最高为81.38 mg g^-1, 平均为30.20 mg g^-1。这些检测结果, 一方面进一步验证了所建立方法的实用性, 另一方面也表明这些花生品种中的蔗糖含量差异较大。

为明确近年我国各甘蔗育种单位育成的新品种及各蔗区主栽品种对甘蔗褐锈病的抗性, 筛选抗褐锈病优良新品种供生产上推广应用, 本研究结合全国甘蔗新品种联合区域试验, 选择甘蔗褐锈病高发的云南临沧、云南普洱、云南玉溪和广西宜州蔗区, 在田间自然发病下, 对我国近年来选育的60个新品种和34个主栽品种进行抗性评价, 并对抗褐锈病基因Bru1进行分子检测。结果表明, 94个新品种及主栽品种中, 66个表现高抗到中抗, 占70.21%; 28个表现为感病到高感, 占29.79%。分子检测结果显示, 共54个抗病新品种及主栽品种含有抗褐锈病基因Bru1, 频率为57.45%。目前大面积种植的桂糖29号、桂糖44号、德蔗03-83、柳城03-1137、粤糖60号、桂糖46号等主栽品种高度感病, 而粤甘48号、福农09-2201、桂糖08-120、柳城09-15、中蔗1号、云蔗08-1609、云瑞10-187、中糖1201等31个新品种抗病性强。建议多雨湿润褐锈病高发蔗区, 应加大淘汰感病主栽品种和推广应用抗病新品种力度, 以期达到品种合理布局, 从根本上控制褐锈病暴发流行, 为甘蔗产业高质量发展提供安全保障。