钙是作物必需的中量元素之一, 广泛存在于根、茎、叶、花、果实、种子中, 对作物的生长发育具有重要意义。钙属于再利用难的元素, 其吸收、转运受制于蒸腾作用, 因此农作物常发生生理性缺钙, 从而导致抗逆性减弱, 产量和品质降低。作物体内的钙具有双重功能, 既参与细胞壁与细胞膜的构成, 还可作为细胞内第二信使参与多种环境刺激和内部生长发育信号的响应。细胞中钙的吸收和转运对于维持细胞内钙离子稳态和钙信号精准传导至关重要。近年来, 钙在作物生长与发育中的功能和在作物生产中的应用得到了广泛研究。本文阐述了作物体内钙元素的分布、吸收转运和需求状况, 介绍了作物缺钙症状和原因, 并综述了钙的营养结构功能和第二信使功能及钙信号产生、传导和解码机制, 总结了钙在作物生长发育中的作用, 包括对产量、品质和抗逆性等方面的影响, 同时对其未来研究方向提出了展望。

通过研究类病变突变体, 挖掘抗病基因, 利用分子设计育种的方法快速培育优良抗病大豆新品种, 可减轻化学农药对环境的污染, 降低病害的抗药性。本研究以⁶⁰Coγ诱变获得的类病变皱叶突变体NT301为父本, 分别与W82、KF1和KF35进行杂交, 构建了F₂和F_2:3分离群体, 通过SSR标记和SNP分析, 将目标基因1 (rl1)缩小到18号染色体937 kb区间内, 包含66个候选基因, 将目标基因2 (rl2)缩小到8号染色体130 kb区间内, 包含15个候选基因。接着, 本研究利用基因芯片技术对近等基因系进行了基因表达谱研究, 得到了差异表达基因参与的KEGG调控通路。另外对8号染色体的15个候选基因进行半定量与荧光定量RT-PCR表达分析发现, 只有基因Glyma. 08G332500在突变体NT301与野生型中的差异达到了4倍, 推测Glyma.08G332500基因是突变体NT301的候选基因。

干旱胁迫严重限制了甘蓝型油菜种植面积的扩大和产量的提升。耐旱性是由多基因控制的复杂数量性状, 将QTL定位与转录组测序相结合, 是鉴定甘蓝型油菜耐旱候选基因的有效手段。本研究对甘蓝型油菜干旱敏感品系三六矮和耐旱品系科里纳-2构建的F_2:6和F_2:8重组自交系群体幼苗进行正常灌溉和干旱胁迫处理, 测定地上部鲜重、地上部干重、叶片相对含水量、丙二醛和可溶性糖含量, 利用SSR和SNP多态性分子标记构建遗传连锁图谱, 鉴定耐旱相关QTL和候选区间, 结合耐旱材料No11和干旱敏感材料No28的转录组测序, 筛选耐旱相关候选基因。研究结果表明: 干旱胁迫使甘蓝型油菜幼苗地上部鲜重、地上部干重和叶片相对含水量下降, 使叶片丙二醛和可溶性糖含量上升; 耐旱相关QTL和候选区间分布于A01、A02、A06、A08、A09、A10、C02、C03、C04、C06和C09染色体; 对耐旱材料和干旱敏感材料正常灌溉、干旱24 h、36 h和48 h进行转录组分析, 主要差异表达基因显著富集到光合作用、脂肪酸代谢、氨基酸代谢、植物激素信号转导、核糖体、昼夜节律及角质、木栓素和蜡质的生物合成等相关途径; 将QTL与转录组测序相结合, 鉴定到28个耐旱相关候选基因, 主要编码FLC、bHLH105、TGA4、TEM1、ERF003、ACO3、CHLI1、LHCB6和PORC等, 具有转录因子活性、乙烯产生和信号传导、叶绿素生物合成与结合、叶绿素氧化还原酶以及编码核糖体相关蛋白等功能。这些结果可为揭示甘蓝型油菜耐旱机理及分子标记辅助选育耐旱新品种奠定基础。

针对不同环境、多性状条件下优良品种选择效率低下的问题, 探讨整合环境型鉴定技术(envirotyping techniques, ET)和多性状选择对黄淮海夏玉米区试参试品种进行综合评价, 以期为品种合理布局提供理论依据。本研究以2016—2017年黄淮海夏玉米组区域试验数据为材料, 基于当年19个环境协变量信息采用ET将40个试点划分为不同生态区(mega-environments, ME)。采用品种-产量×性状(genotype by yield × trait, GYT)双标图技术对不同生态区(mega-environments, ME)籽粒产量与生育期、株高、穗位高、倒伏率、空秆率、穗长、秃尖、穗行数、穗粒重、百粒重、茎腐病和黑粉病等农艺性状的组合表现进行综合评价, 研究GYT双标图技术在玉米区域试验多性状评价中的作用。AMMI方差分析表明, 2016年被测农艺性状基因型、环境和互作效应均达到了极显著水平(P<0.01), 2017年被测农艺性状除穗位高互作效应不显著外, 其余性状基因型、环境和互作效应均达到了极显著水平。根据当年气象因子信息将位于8个省份的40个试点划分为4个ME, 降水亏缺(dbp)、饱和水汽压差(vpd)、相对湿度(rh)和最高温度(T_max)在5个物候期中呈现出较大的变化趋势。GYT双标图与ME结合, 可以筛选出不同ME的优势品种。2016年参试品种中, 衡玉321和冀丰118在划定的4个ME中均表现出丰产性突出、稳定性较好的特征, 属于丰产稳产型品种。而潞玉36和潞研1502则属于参试品种中丰产性、稳定性均较差的品种。2017年参试品种中, DK56在ME2和ME4试点中产量-性状组合表现较为协调, DK205和衡玉6105分别在ME1和ME3生态区中有较好的表现。对照品种郑单958两年区域试验表现出较好的稳定性但丰产性一般。基于环境型鉴定技术划分生态区与GYT双标图相结合对参试品种的丰产性、适应性和稳定性进行评价, 实现品种推广的精细定位, 为黄淮海夏玉米区品种多性状综合评价提供理论基础。

类病变突变体是研究植物细胞死亡和抗病分子机制的重要遗传材料。通过辐射诱变粳稻品种武运粳7号, 获得一个少见的抗病性下降的类病变突变体lms1 (lesion mimic and disease susceptible mutant 1)。与野生型相比, 该突变体叶片自发出现红褐色斑点, 其株高、穗长、每穗粒数以及单株产量降低, 但千粒重增加; 对水稻白叶枯病的抗性显著下降, 组织染色表明突变体的叶片中存在明显的细胞死亡以及活性氧的过量积累。遗传分析表明, lms1突变体的表型受单隐性核基因控制, 利用图位克隆技术将lms1基因精细定位于水稻9号染色体Indel7和Indel8两个分子标记间, 物理距离为62 kb。定位区间内候选基因的PCR扩增测序结果表明, 其中一个编码泛素羧基末端水解酶的OsLMP1 (Lesion Mimic Phenotype 1)基因第1个外显子中插入了一段长度为654 bp的序列, 导致其蛋白翻译提前终止。利用蛋白组学技术分析了lms1突变体与野生型对照的蛋白积累水平, 共鉴定到19个差异蛋白(7个上调、12个下调), 主要参与氧化还原、叶绿素合成、光合作用等代谢途径。上述结果为进一步研究OsLMP1基因的功能及其调控细胞程序性死亡与抗病性的分子机制提供借鉴。

橙花叔醇与芳樟醇是广泛分布于植物中的挥发性萜烯醇类化合物, 在茶树新梢中主要以樱草糖苷形式存在, 提高其含量对茶叶香气品质改良具有重要意义。为揭示茶树橙花叔醇和芳樟醇樱草糖苷的遗传机制, 本研究以169个茶树自然杂交后代单株为关联群体, 利用均匀分布在茶树染色体上的675,245个SNP标记, 对3个年份下茶树新梢中橙花叔醇与芳樟醇樱草糖苷含量进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)。结果表明, 橙花叔醇与芳樟醇樱草糖苷含量的表型变异系数为60.83%~80.08%, 广义遗传力分别为51.29%与61.87%, 基本符合正态分布, 具有典型的数量性状遗传特征。全基因组关联分析共检测到50个显著关联位点, 各位点分别对橙花叔醇和芳樟醇樱草糖苷含量变化的贡献率均超过20%, 其中橙花叔醇樱草糖苷含量(nerolidol primeveroside content, NPC)变化位点最大贡献率为38.73%, 芳樟醇樱草糖苷含量(linalool primeveroside content, LPC)变化位点最大贡献率为39.07%。通过等位变异效应分析, 鉴定出4个主效SNP位点及其优异等位变异, 并发现1个可同时调控NPC和LPC的一因多效位点。结合已有的文献报道和基因的功能注释, 筛选出每个显著位点置信区间内最有可能的候选基因共59个, 主要涉及茶树的糖类代谢、转录调控、萜烯类生物合成等多个生物学过程, 其中26个基因在适制绿茶品种和适制乌龙茶品种单芽中的表达水平存在显著差异。本研究为深入解析茶树橙花叔醇和芳樟醇樱草糖苷含量的遗传机制提供了新的信息, 为加速培育高香型优异茶树新品种提供了重要的基因资源。

遗传相似度检测的准确度估计是对SNP标记法在农作物品种检测体系中应用的必要补充和完善。本研究基于2021年小麦品种SNP标记法跨实验室协同验证实验数据, 分析了该方法的检测准确度及在品种间的遗传相似度。分析结果表明: (1) 10个实验室对55组小麦品种组合的标记位点相似度检测的总体准确度约为98%。(2) GGE双标图的品种遗传关系功能图显示, 7组小麦品种的组内遗传相似度在95%以上, 其余组合的遗传相似度较低。(3) 依据GGE双标图的“正确度-精确度”功能图和“准确度排序”功能图, 发现洛旱7号/洛旱11等品种组合的相似度检测准确度较高, 晋麦47/临抗11的检测准确度一般, 而济麦22/婴泊700的检测准确度较差。(4) 10个实验室的检测准确度存在显著差异, 其中2个实验室检测的正确度、精确度和准确度表现显著差于其余实验室。(5) 各实验室检测正确度的容许误差分布于1.3%~1.9%之间, 平均为1.5%; 准确度的容许误差分布于1.5%~2.0%之间, 平均为1.7%。其中, Lab2和Lab3的检测正确度和准确度的容许误差显著差于其余实验室。本研究构建了SNP标记法对品种相似性检测的准确度统计模型, 分析了品种组合和实验室的检测准确度及其容许误差, 采用GGE双标图方法对检测正确度、精确度和准确度进行可视化分析, 验证了各实验室对品种位点相似性检测的准确度和可靠性, 为SNP标记法在农作物品种遗传相似性检测中的准确度评价提供了理论支持和应用范例。

生长调控因子(growth-regulating factor, GRF)在植物的生长发育、逆境响应和激素信号转导中起着重要的调控作用。系统分析小麦及其祖先物种GRF转录因子家族成员在基因组上的分布、结构、进化以及表达特性, 对于深入研究GRF家族的生物学功能和小麦的进化具有重要的意义。本研究利用生物信息学方法, 对乌拉尔图小麦、拟斯卑尔脱山羊草、粗山羊草、栽培二粒小麦和普通小麦5个物种的GRF成员进行全基因组鉴定, 并对其理化性质、系统发育关系、基因结构、启动子顺式作用元件以及表达特性进行了分析。结果表明, 乌拉尔图小麦、拟斯卑尔脱山羊草、粗山羊草、栽培二粒小麦和普通小麦中分别有15、12、19、29和53个GRF成员, 通过种间共线性分析发现, TtGRFs分别有18个和29个成员与TuGRFs和AesGRFs具有共线性, TaGRFs分别有36个和37个成员与TtGRFs和AetGRFs具有共线性。启动子顺式作用元件预测发现GRF基因具有基本的转录元件以及一些与生长发育和逆境响应的结合元件。RT-qPCR分析表明, 多数GRF基因在外源IAA、GA和干旱胁迫条件下呈上调表达趋势, 而在高温胁迫条件下呈下调表达趋势, 表明GRF家族成员在响应激素和逆境胁迫中有重要作用。系统进化分析表明, 小麦与其祖先物种之间的GRF成员存在保守且复杂的进化关系。上述结果为GRF转录因子家族的进化及其功能研究提供了理论基础。

多倍体化是植物进化的重要趋势之一。与二倍体植物相比, 多倍体植物往往具有更强的抗耐性。海稻86是具有强耐盐碱能力的水稻种质资源, 在盐碱地开发应用和粮食增产研究中具有重要利用价值。为充分利用多倍体植物抗逆性增强的优势, 选育耐盐碱能力更强的四倍体水稻新品种, 本研究以海稻86为基础, 对其进行离体染色体加倍获得海稻86同源四倍体; 以海稻86-4x和海稻86-2x发芽期和幼苗期NaCl、Na₂CO₃和PEG-6000胁迫处理的表型指标及生理生化指标鉴定, 检测两者的耐盐碱特性及差异。结果表明: (1) 通过离体染色体加倍可高效诱导获得四倍体植株, 加倍率达27.63%。 (2) 与海稻86-2x相比, 海稻86-4x的细胞核DNA含量及根尖染色体数目增加一倍; 形态及农艺性状发生明显变化, 如植株变矮、茎秆变粗、单株有效穗数减少、籽粒及千粒重增大、每穗总粒数及每穗实粒数减少、结实率降低等。(3) 在发芽期, 海稻86-4x的发芽势、发芽率、芽长、根长、根数、含水量最高, 海稻86-2x次之, 对照黄华占最低; 海稻86-4x的盐碱害率最小、盐碱害等级最低, 海稻86-2x次之, 对照黄华占的盐碱害率最大、盐碱害等级最高。(4) 在幼苗期, 海稻86-4x的脯氨酸和叶绿素含量最高、丙二醛含量和相对电导率最低, 超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性最高, 海稻86-2x次之, 而对照黄华占的脯氨酸和叶绿素含量最低、丙二醛含量和相对电导率最高、超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性最低。综上可知, 与海稻86-2x相比, 海稻86-4x在表型指标和生理生化指标上均表现出明显的耐盐碱性优势, 具有更强的耐盐碱能力。该研究结果为深入解析海稻86的耐盐碱机制奠定基础, 也为耐盐碱四倍体水稻新品种的选育提供了材料基础和理论依据。

赤霉素3-β-双加氧酶(gibberellin 3-beta-dioxygenase, GA3ox)是参与赤霉素生物合成的关键酶之一, 可通过影响赤霉素的形成调控植物的生长发育, 目前在花生中尚无系统研究。本研究利用生物信息学方法在花生栽培种基因组数据库中筛选花生GA3ox家族基因, 对鉴定出的7个AhGA3ox在栽培种花生基因组中的分布、结构及进化特征、理化性质、启动子顺式作用元件进行分析, 并利用qRT-PCR技术对其进行花生组织结构表达模式分析, 同时对AhGA3ox家族基因在不同荚果大小的2个花生品系中的表达量进行分析。结果表明, 7个AhGA3ox基因分布在7条染色体上, 均由1个内含子和2个外显子组成。花生AhGA3ox蛋白中均包含1个DIOX_N结构域和1个2OG-FeII_Oxy结构域, 系统进化分析表明与大豆的亲缘关系较近, 在根、茎、叶、花、果针5个组织中呈现出不同表达模式, 不仅在花生果壳不同发育时期的表达量不同, 在2个荚果大小不同的花生品系果壳相同发育时期的表达量也不相同, 但多数发育时期在大果品系中的表达量均显著高于小果品系, 推测该家族基因的表达可能对荚果的形成具有促进作用。

烟草具有超富集镉的能力, 严重降低烟叶品质, 影响其经济价值。为了阐释烟草响应镉胁迫的分子机制, 本研究采集了镉浓度为0和500 μmol L^-1培养条件下的烟草叶片进行转录组测序。共获得76.94 Gb有效数据(Clean data), Q30 碱基百分比均达到95.43%以上; 在镉胁迫的烟草叶片中, 共筛选出7735个差异表达基因, 其中4833个基因表达上调, 2902个基因表达下调, 并通过qRT-PCR分析验证了转录组数据的可靠性。对差异转录本进行GO和KEGG富集分析, GO注释表明差异基因涉及代谢过程、应激反应、细胞结构体、催化活性和转录调节活性等; KEGG富集分析表明上调差异基因主要富集在氨基酸的生物合成、碳代谢、氧化磷酸化和柠檬酸循环等通路, 下调差异基因则主要富集在光合作用、次生代谢产物的生物合成、代谢途径和植物激素信号转导途径。进一步分析植物激素信号转导通路发现, 共有8条植物激素途径以不同的表达方式参与烟草对镉胁迫的响应。激素喷施烟草的实验结果表明, 叶片通过调控赤霉素、油菜素内酯和茉莉酸途径以应对镉胁迫; 拟南芥激素信号缺失突变体验证实验表明赤霉素、油菜素内酯、茉莉酸和乙烯途径均响应镉胁迫。综上所述, 本文以转录组分析探究了烟草叶片响应镉胁迫的调控网络, 以期为提高作物抗逆性的遗传改良提供理论依据。

柱头外露作为提高作物异交率、制种纯度和降低制种成本的优良性状, 在杂交制种中得到了广泛的利用。绿豆是一种闭花授粉的作物, 被报道的柱头外露突变体很少。通过对冀绿7号的化学诱变, 发现了1个柱头外露突变体se2, 为明确该突变体柱头外露的分子机制, 对该突变体及其野生型冀绿7号即将开放的花蕾进行了转录组测序(RNA-seq)分析。根据差异倍数|log₂ (Fold Change)|≥1, P≤0.05的标准筛选, 在se2中共得到572个差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs), 其中262个DEGs上调, 310个DEGs下调。在基因本体(gene ontology, GO)数据库中, 差异表达基因显著富集到代谢和生物合成等生物过程, 定位在质外体和细胞壁、细胞膜等区域, 与结合、氧化还原等分子功能有关。在京都基因与基因组百科全书(kyoto encyclopedia of genes and genome, KEGG)数据库中, 差异表达基因显著富集在植物激素信号传导、次生代谢物生物合成等通路。功能注释发现许多有关细胞壁合成和代谢、细胞分裂和细胞扩张、植物激素相关的基因, 因此推测se2突变体中龙骨瓣的细胞分裂、细胞扩张以及植物激素信号传导过程受到影响, 从而导致了柱头外露。本研究为今后探究绿豆柱头外露的分子机制以及该性状在绿豆杂种优势中的利用奠定了基础。

花生含油量对单位面积产油量至关重要。该性状受多个微效基因控制, 但可用的紧密连锁标记十分有限, 传统的分子标记辅助选择育种准确性不高。全基因组选择作为一种新的育种方法, 可实现对数量性状的早期预测; 近红外光谱分析可对作物品质性状(如含油量等)进行无损检测。通过两者优势互补, 建立花生含油量全基因组选择和近红外光谱筛选联合的育种技术, 探讨影响花生含油量全基因组选择预测准确性的因素, 为花生分子育种奠定理论基础。本研究以216个重组自交系为材料构建训练群体; 分别以139、464和505株F₂、F₃和F₄为材料构建育种群体; 利用自主开发的“PeanutGBTS40K”液相芯片进行基因分型, 开展含油量全基因组选择育种模型分析; 通过联合全基因组选择和近红外光谱筛选技术, 开展花生含油量性状的育种应用, 并评价其育种效果。结果显示, 对训练群体进行基因分型后, 总共获得30,355个高质量SNPs, 并用于11个全基因组预测的模型选择分析。含油量预测准确性最高的模型为rrBLUP, 其次是randomforest和svmrbf。以重组自交系为预测群体, F₂、F₃和F₄各世代含油量的预测准确性分别为0.116、0.128和0.119; 以重组自交系叠加上一轮的育种群体为预测群体, 各世代含油量的预测准确性分别为0.116、0.131和0.160。全基因组选择联合近红外筛选要比单独的全基因组选择对各世代的含油量选择效果提高1.8%、2.7%和3.4%; 与单独的近红外筛选相比, 差异不显著(0.10%、0.06%和0.07%); 而近红外筛选与全基因组选择相比, 含油量可显著提高1.7%、2.6%和3.3%。通过联合全基因组选择和近红外光谱筛选育种, F₃和F₄分别比F₂的含油量提高1.2%和1.0%。F₄总共获得16个入选改良株系, 有10个株系含油量≥55.0%, 其中2个株系(SF4_201和SF4_379)的理论产量分别比对照增产7.0%和11.1%。本研究通过建立花生含油量性状的全基因组选择-近红外光谱筛选联合育种技术, 可有效实现花生含油量性状的遗传改良。

为了明确不同播幅对小麦籽粒产量的影响及其形成的生理原因, 本研究于2019—2020年和2020—2021年冬小麦生长季, 在山东省济宁市兖州区小孟镇史家王子村小麦试验站大田试验条件下设置2种播幅处理: 处理1是播幅为8 cm (B1); 处理2是播幅为3 cm (B2)。研究了不同播幅对小麦光合特性、冠层光截获特性、干物质积累与转运和籽粒产量的影响。试验结果表明: B1处理开花后叶面积指数和冠层光合有效辐射截获率显著高于B2处理, 其冠层光合有效辐射透射率显著低于B2处理; B1处理开花后旗叶叶绿素相对含量、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均显著高于B2处理, 其胞间二氧化碳浓度显著低于B2处理; B1处理开花期和成熟期干物质积累量、开花后干物质在籽粒中的分配量、成熟期籽粒干物质积累量均显著高于B2处理; B1处理穗粒数、千粒重均显著高于B2处理; 与B2处理相比, B1处理的2年平均籽粒产量和光能利用率分别高6.12%和7.71%。综上所述, 播幅为8 cm的B1处理通过塑造了合理的冠层结构, 改善了开花后叶片的光合性能, 有利于开花后植株的光合物质生产, 从而获得了最高的籽粒产量和光能利用率, 为本试验条件下的最优处理。研究为小麦宽幅播种节水高产高效栽培技术提供了理论依据。

本研究旨在探究大气CO₂浓度升高对冬小麦全生育时期冠层光谱特征的影响, 并基于筛选的敏感波段建立地上生物量(AGB)与光谱参数的定量关系。为此, 在2021—2022年的冬小麦生长季, 利用开放式CO₂富集系统(Mini-FACE), 设定大气CO₂浓度(ACO₂, (420±20) μL L^-1)和高CO₂浓度(ECO₂, (550±20) μL L^-1)两个处理水平, 分析了高CO₂浓度下光谱特征变化, 基于连续投影算法(SPA)、逐步多元线性回归(SMLR)和偏最小二乘法回归(PLSR)筛选AGB敏感波段并构建估算模型。结果表明: CO₂浓度升高使冬小麦拔节期和开花期AGB显著增加。红边和近红边反射率及红边面积在拔节期增加, 在开花期和灌浆期降低, 蓝边、黄边和红边位置在不同生育时期均发生移动; AGB的敏感光谱波段主要分布在红边和近红边区域, CO₂浓度升高缩小了AGB敏感波段范围, 但不影响AGB的估算; AGB的SMLR和PLSR模型均取得了较高的估算精度(R²>0.8), 其中SMLR模型中的R₇₉₉′、D_y、SD_y和PRI等特征参数与AGB显著相关, R²为0.866。PLSR模型(R²>0.9)在估算精度和稳定性上优于SMLR模型。本研究可为未来高CO₂浓度下冬小麦生长发育的遥感监测提供理论基础和技术方法。

气候变化通过改变物种栖息地的适宜性来影响物种的生长区域。天麻作为中国珍稀濒危药用植物, 评估其种植适宜区分布以及气候变化对天麻种植适宜性的影响可以为天麻生产布局提供重要依据。本研究采用MaxEnt模型, 基于我国天麻地理分布数据和环境数据, 模拟天麻种植适宜性和适宜区的空间分布和变化。结果表明, 影响天麻分布的主要环境因子是5月至7月太阳辐射量、10月至11月降水量、最冷月最低温和植被类型。我国天麻种植高适宜区主要分布在四川盆地周围的西南地区。1961—2020年, 天麻种植适宜性呈波动增加趋势, 种植适宜性提高的面积占全国陆地面积的9.10%, 主要分布在西南地区、华中、华东的部分地区以及陕西省。过去60年间5月至7月太阳辐射量总体上的下降是天麻种植适宜性提高的主要原因。本研究通过对天麻种植适宜性准确评估和种植适宜区变化因子解析, 为我国天麻生产与人工栽培选址提供科学依据, 对制定应对未来气候变化的对策具有借鉴意义。

长江流域是中国油菜主产区, 该区域常年湿润多雨, 且产区实行油菜-水稻轮作制度, 导致渍害频发。为明确甘蓝型油菜(Brassica napus L.)对苗期渍害的响应机制, 本研究采用盆栽试验, 以强耐渍品系YZ12、中等耐渍品系YZ45和不耐渍品系YZ59为试验材料, 研究苗期淹水对油菜表型性状、生理特性、光合作用、相关基因相对转录水平等的影响, 同时分析了外源激素抑制剂对油菜渍害胁迫的影响。结果表明, 淹水胁迫严重抑制油菜生长, 根系活力可作为衡量淹水胁迫对油菜生长影响的指示指标。根细胞超微结构观察发现, 淹水胁迫导致油菜根系细胞发生质壁分离及细胞器破碎解体, 强、中耐渍油菜的细胞器受损程度较小, 能够在淹水胁迫中维持较为正常的细胞形态; 淹水胁迫下根部细胞骨架相关基因Bnamicrotubule1.A3、Bnatubulin-α2.C3、Bnatubulin-β7.C6、Bnalamin-like.A2相对转录水平显著下调至对照水平(CK)的0.2~0.5倍; 无氧呼吸相关基因BnaPDC.C9、BnaLDH.A1、BnaADH.A7表达量显著升高, 为CK的3~6倍, 且在中、强耐渍油菜中诱导表达水平更高。过氧化物酶(peroxidase, POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性随淹水时间延长呈先升后降趋势, 过氧化氢酶(catalase, CAT)活性和丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量呈升高趋势, 其中强耐渍品系抗氧化酶活性相对较高, 而MDA增幅较小。淹水胁迫严重影响油菜叶片光合效率及叶绿素含量, 导致油菜叶绿素含量、光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著下降, 胞间CO₂浓度显著升高, 且不耐渍品系变化幅度相对较大。淹水胁迫导致油菜乙烯(ethylene, ET)和脱落酸(abscisic acid, ABA)含量显著升高, 其中强耐渍品系ET含量较高, 不耐渍品系ABA含量较高; 强耐渍品系的ET信号相关基因BnaACO1.C8、BnaERF73.C6相对转录水平显著上调, 不耐渍品系ABA合成相关基因BnaZEP.A7相对转录水平上调。外源喷施激素抑制剂可改善淹水胁迫对油菜的伤害, 但不同外源激素抑制剂效果差异明显。综上, 不同耐渍性甘蓝型油菜苗期对淹水胁迫响应在表型、生理代谢、光合、激素和基因转录水平存在差异。甘蓝型油菜通过调控细胞骨架、无氧呼吸、激素代谢相关基因的相对转录水平, 引起植株内抗氧化酶活性、激素水平、光合效率、根部超微结构及根系活力改变, 进而响应淹水胁迫。

利用高光谱遥感技术监测作物水分状况和籽粒产量, 对于调控作物生长、优化水分管理和改善产量形成具有重要意义。本研究玉米品种选用正红505, 于2018—2019年在四川雅安和仁寿的试验田设置4个水分处理(正常水分、轻度、中度和重度干旱), 分析玉米在拔节期(V6)、抽雄期(VT)和灌浆期(R2)的冠层含水量(canopy water content, CWC)与籽粒产量的定量关系, 利用植被指数和连续小波变换对光谱反射率数据进行处理, 采用线性回归方法构建CWC定量反演模型, 进一步探索以CWC为桥梁建立的玉米籽粒产量的预测模型效果。结果表明, (1) 利用小波特征构建的CWC估测模型的预测效果高于植被指数, V6、VT和R2期分别以小波特征gaus3_770,64、rbio3.3_1635,2和rbio3.3_838,2构建的线性回归模型检验精度较高, R²分别为0.770、0.291和0.233。(2) CWC与玉米籽粒产量间建立的线性回归模型均达极显著水平(P<0.01), V6、VT和R2期的R²分别为0.596、0.366和0.439。(3) 基于光谱反射率构建的产量预测模型以V6期小波特征gaus3_770,64的验证效果最好(R² = 0.577, RMSE = 1.625 t hm^-2), 可作为预测玉米籽粒产量的最佳时期。因此, 本研究提出的“光谱反射率—冠层含水量—产量”建模方法能够实现对玉米籽粒产量的精确估测, 为未来大面积监测玉米生产力提供了理论依据。

施氮能够增加土壤中氮的有效性, 提高植株光合作用, 促进植株对氮的吸收和干物质的积累, 最终增加作物产量。但是在长期高氮秸秆还田条件下, 是否应调整施氮量尚不清楚。为探究长期秸秆还田条件下施氮量对棉花光合速率、干物质和养分积累分配、产量、氮素利用和土壤氮素变化的影响, 本研究设置0 (N0)、150 (N150)、180 (N180)、210 (N210)、240 (N240)、270 (N270)和300 (N300) kg hm^-2共7个施氮量处理。与常规施氮量(N300)相比, 2020—2021年, 减氮30% (N210)处理2年均获得了较高产量, 分别为1853.62 kg hm^-2和1872.43 kg hm^-2, 减氮40% (N180)仅在第1年保持了较高产量, 为1743.68 kg hm^-2。2021年, N210的净光合速率、干物质和养分积累量均高于N180, 两者间生殖器官的干物质和养分分配系数、氮肥利用效率未有显著差异, 但N180的土壤表观氮盈余量显著降低了39.15%。综上, 长期秸秆还田条件下, 鲁西北棉区应适量减少施氮量。

研究有机肥替代部分化肥氮对糯玉米产量、品质及氮素利用的影响, 探索糯玉米生产中有机肥与化肥的最佳配施比例, 为河北省鲜食糯玉米优质栽培提供理论依据。2021和2022年设置田间试验, 以糯玉米品种斯达糯41为试验材料, 采用随机区组设计, 设置不施氮(T1)、常量化肥氮(T2)、有机肥替代20%化肥氮(T3)、有机肥替代40%化肥氮(T4)、有机肥替代60%化肥氮(T5)和有机肥替代100%化肥氮(T6)共6个处理。结果表明, 与T2处理相比, T3、T4和T5处理提高了糯玉米鲜果穗产量, 分别增加3.08%、13.61%、3.20%; T3~T6处理下氮素利用效率降低, T3、T4和T5处理氮肥偏生产力和氮肥农学效率增加。与T2处理相比, T3~T5处理提高了糯玉米外观和品尝品质评分, 其中T4处理总评分最高, 这主要是因为有机肥替代部分化肥氮增加了籽粒总淀粉和支链淀粉含量, 降低了籽粒蛋白质和可溶性糖含量, 同时改善了籽粒质构特性, 籽粒硬度、弹性和咀嚼性增加, 内聚性降低。综上所述, 在总施氮量为180 kg hm^-2条件下, 有机肥替代部分化肥氮的比例为总施氮量40%时可以实现糯玉米鲜果穗产量和品质的协同提高。

针对绿洲灌区玉米生产中普遍水肥投入大、利用效率低等问题, 通过研究不同灌水量和有机无机肥等氮配施对玉米光合生理、籽粒产量和品质的影响, 以期获得最佳的灌水水平和有机无机肥等氮配施比例。2021—2022年, 在绿洲灌区采用两因素裂区试验设计, 主区为2个灌水水平(传统灌水和减量20%灌水), 副区为5个有机无机肥等氮配施比例(全施无机氮肥、75%无机氮肥+25%有机肥、50%无机氮肥+50%有机肥、25%无机氮肥+75%有机肥和全施有机肥), 探究玉米光合生理、籽粒产量和品质对不同水氮管理模式的响应特征。结果表明, 与传统灌水(I2)相比, 减量20%灌水(I1)降低了玉米叶面积指数(leaf area index, LAI)、光合势(photosynthetic potential, LAD)、净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)和气孔导度(G_s), 提高了胞间CO₂浓度(C_i)、籽粒蛋白质含量和籽粒苏氨酸含量; 有机无机肥配施对玉米光合生理指标、籽粒产量和品质都有显著影响, 随有机肥比例增加, 有机无机肥配施对玉米的影响会逐渐从正效应变为负效应; 与传统灌水结合全施无机氮肥(I2F1)相比, 减量20%灌水结合75%无机氮肥+25%有机肥(I1F2)玉米平均叶面积指数(mean leaf area index, MLAI)提高了6.9%~7.1%, 总光合势(total photosynthetic potential, TLAD)无显著变化; 玉米吐丝期-蜡熟期LAI提高了5.0%~11.4%, 吐丝期-蜡熟期LAD提高了7.5%~9.1%。I1F2较I2F1提高了玉米抽雄期-蜡熟期叶绿素含量(chlorophyll content, SPAD)、P_n、T_r和G_s, 降低了C_i。2年内I1F2较I2F1玉米增产12.0%~12.5%, 籽粒中蛋白含量提高了6.9%~18.9%, 籽粒中苯丙氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸含量分别提高了29.6%~43.3%、77.7%~93.3%、49.7%~51.5%、18.4%~28.6%、39.5%~46.0%、57.4%~78.1%和35.1%~41.3%。其他处理对玉米光合生理、籽粒产量及品质指标也有一定影响, 但综合2年结果, I1F2影响更显著。因此, 减量20%灌水(3240 m³ hm^-2)结合75%无机化学氮肥(270 kg hm^-2)配施25%有机肥(90 kg hm^-2)是实现西北灌区玉米高产优质生产目标的适宜水氮管理模式。

为探究外源水杨酸提高小麦条锈病抗性的作用机制, 本文将周麦18分为未处理的小麦幼苗(对照)、条锈菌侵染的小麦幼苗(SR)和水杨酸处理条锈菌侵染的小麦幼苗(SA-SR), 对处理15 d后的小麦幼苗进行抗病性鉴定、氨基酸含量检测、转录组测序及荧光定量分析鉴定。结果表明: 外源水杨酸能够显著降低条锈菌对小麦幼苗的致病力; SR组叶片中氨基酸含量普遍降低, 而经过水杨酸预先处理的SA-SR组与Control无显著差异, 说明小麦条锈病造成叶片中氨基酸的含量显著降低; 通过GO富集分析发现, SR和SA-SR组的差异基因在与光合作用相关的生物过程中富集, 涉及的细胞组分包括叶绿体和类囊体等, KEGG通路富集分析显示, SR和SA-SR两个分组均在MAPK信号通路和次生代谢物的生物合成中显著富集, 在植物的抗病或抗逆中发挥重要作用。