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2023年 第49卷 第7期 刊出日期：2023-07-12

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综述

水稻株型生理生态与遗传基础研究进展

许娜, 徐铨, 徐正进, 陈温福

作物学报. 2023, (7):  1735-1746.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22050

摘要 ( 651 )   HTML ( 98 )   PDF (5416KB) ( 948 )  

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株型是水稻重要农艺性状, 与产量、品质及抗逆性有密切关系。株型改良过去曾对水稻育种发挥了重要作用, 未来还将对水稻育种产生深远影响。本文结合沈阳农业大学水稻团队相关工作, 从株型的概念、株型育种研究简要回顾、株型生理生态与遗传基础等方面综合评述了水稻株型研究进展, 还讨论了水稻株型相关领域存在问题与发展方向。充分利用现代分子生物学相关理论与技术最新研究结果, 解析群体与个体、个体器官之间的相互关系及其优化组合模式, 明确生理生态基础及其分子调控网络并付诸株型育种实践, 有望实现更高水平上全方位的水稻“理想株型”。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

热诱导转录因子ZmNF-YC13调控热胁迫应答基因提高玉米耐热性

梅秀鹏, 赵子堃, 贾欣瑶, 白洋, 李梅, 甘宇玲, 杨秋悦, 蔡一林

作物学报. 2023, (7):  1747-1757.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23054

摘要 ( 406 )   HTML ( 60 )   PDF (2878KB) ( 975 )  

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热胁迫是影响玉米生长发育和产量形成的重要因素, 相关抗性基因的挖掘和机制解析是进行玉米耐热品种培育的重要分子基础, 而目前这方面的研究仍是缺乏。本研究鉴定到一个与热胁迫应答相关的核因子ZmNF-YC13, 该基因受高温和渗透胁迫快速诱导表达。用拟南芥热胁迫诱导表达基因AtHSP70的启动子驱动ZmNF-YC13基因, 转化玉米筛选出了热诱导表达的转基因材料HSP21Pro:ZmNF-YC13-myc。高温处理后的表型鉴定表明, 叶长、叶宽、地上部粗、地上部分和地下部分的鲜重和干重均显著高于野生型。表达分析表明, ZmNF-YC13能增强下游热胁迫应答基因响应热胁迫的程度。荧光素酶报告基因实验和ChIP-qPCR实验表明, ZmNF-YC13可调控热应激转录因子ZmHsfA2c的表达。这些结果初步证实了ZmNF-YC13可通过调控下游热胁迫应答基因来提高玉米的耐热能力, 可为利用该位点的多态性进行分子标记辅助选择和种质资源鉴定提供理论依据。

谷子毛状根诱导方法的建立与优化

万夷曼, 肖圣慧, 白依超, 范佳音, 王琰, 吴长艾

作物学报. 2023, (7):  1758-1768.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24197

摘要 ( 336 )   HTML ( 37 )   PDF (5458KB) ( 261 )  

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为建立一种快速鉴定谷子基因功能的技术体系, 本研究通过比较谷子外植体、品种、乙酰丁香酮、菌液浓度和共培养时间对发根农杆菌K599介导的毛状根诱导效率的影响, 发现发根农杆菌浓度在OD₆₀₀为0.5、以谷子芽尖为外植体、在含有100 μmol L^-1乙酰丁香酮的毛状根诱导培养基上共培养3 d时, 可使毛状根诱导率高达80.24%。将GFP基因进行毛状根遗传转化, 通过GFP基因的PCR扩增和GFP荧光观察结果分析, 发现谷子毛状根的转基因效率大于70%。利用该体系对谷子SiDVL1和SiDVL3的亚细胞定位和SiNHX2、SiCBL4和SiCBL7基因功能进行了分析和鉴定。结果表明SiDVL1和SiDVL3在谷子毛状根中的亚细胞定位与在烟草叶片中的一致; SiNHX2、SiCBL4和SiCBL7转基因谷子的存活率显著高于空载体转化谷子。说明本研究建立了一种高效快速鉴定谷子基因定位和功能的方法。

甘蔗割手密种LRRII-RLK基因家族演化和表达分析

丁洪艳, 冯晓溪, 汪柏宇, 张积森

作物学报. 2023, (7):  1769-1784.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24180

摘要 ( 272 )   HTML ( 28 )   PDF (2513KB) ( 433 )  

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LRRII-RLK是一种类受体激酶(receptor-like kinase, RLK), 该基因家族在植物中广泛存在, 在植物的生长发育和生物胁迫中发挥着重要的作用, 但目前在甘蔗中未见对该基因家族的系统鉴定和分析。本研究对甘蔗的LRRII-RLK基因进行分类, 并研究了其结构和功能。结合割手密种基因组和发育组织、叶片发育梯度、昼夜节律和生物胁迫反应转录组数据, 在甘蔗割手密种中共鉴定到27个LRRII-RLK基因, 分布在17条染色体上。系统进化分析发现, 它们分别属NIK、SERK和LRRII-C分支, 其中处于LRRII-C分支的SsLRRII-RLK基因出现了显著扩增。顺式元件分析显示, 它们的启动子共包含32类顺式元件, 其主要参与植物光反应、响应胁迫反应、调控植物激素和植物生长发育。这些基因共有35对共线性基因对, 具有多个保守基序, 主要通过片段复制的方式进行扩增, 且根据Ka/Ks比率发现, 它们在演化过程中经历了严格的纯化选择作用。此外, SsLRRII-RLK基因表达分析显示, 它们在甘蔗不同组织中表达量不同, 其中部分基因在昼夜不同时期表达量呈现差异, 这表明它们参与了植物生长和光合作用的调节。值得注意的是, SsLRRII-RLK基因的表达模式在不同病害(甘蔗梢腐病和花叶病)胁迫下呈现差异, 因此, 我们认为这些基因在病毒复制和发病机制过程中发挥作用。本研究结果有助于深入了解甘蔗LRRII-RLK基因的演化过程, 且为LRRII-RLK基因在甘蔗生长发育、光合作用以及在病害胁迫中的功能研究提供初步的理论基础。

转录组与代谢组联合分析揭示遮阴胁迫下甘薯的代谢响应途径

王雁楠, 陈金金, 卞倩倩, 胡琳琳, 张莉, 尹雨萌, 乔守晨, 曹郭郑, 康志河, 赵国瑞, 杨国红, 杨育峰

作物学报. 2023, (7):  1785-1798.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24137

摘要 ( 343 )   HTML ( 23 )   PDF (13640KB) ( 318 )  

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甘薯是喜光作物, 但其在套种栽培模式中一般处于低位被遮阴, 大田生长中后期也时常面临阴雨寡照天气而影响块根干物质积累, 因此, 解析甘薯在遮阴胁迫下的代谢响应途径可为其耐荫性品种改良提供理论依据。本研究对甘薯品种郑红23号进行透光率50%的遮阴胁迫15 d后发现, 遮阴胁迫下郑红23号的叶绿素b以及总叶绿素含量较自然光照下均显著提高; 叶绿素光系统PSII最大光化学效率(F_v/F_m)、PSII潜在活性(F_v/F_o)和光合性能综合指数(PI_ABS)在遮阴胁迫下均显著下降; 净光合速率和水分利用率显著降低, SOD酶和POD酶活性则显著提高; 此外, 遮阴胁迫显著提高了郑红23号的蔓长和比叶面积, 根鲜重则显著降低。对遮阴胁迫和自然光照条件下的叶片组织进行转录组和代谢组联合分析发现, 差异基因和差异代谢物主要共同富集于苯丙素合成途径、糖代谢相关途径、鞘脂代谢途径和精氨酸合成途径。苯丙素合成途径富集到的上调差异表达基因多数为POD酶家族基因, 说明遮阴胁迫触发了甘薯的ROS活性氧清除系统。同时, 遮阴胁迫降低了甘薯植株的糖代谢水平, 叶片可溶性糖含量下降, 淀粉合成与降解均受到抑制, 块根膨大受阻。而鞘脂及精氨酸代谢途径则可能通过提高生物膜的稳定性以及增加多胺类抗逆因子的合成底物来使植株更好地适应遮阴胁迫。以上结果为理解遮阴胁迫下甘薯的代谢响应途径提供了新的理论依据。

适用于多种禾本科植物染色质转座酶可及性测序的提核建库方法

祁泽文, 黄铭涵, 张佳卉, 刘艺, 韩烈保, 何航

作物学报. 2023, (7):  1799-1807.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22041

摘要 ( 195 )   HTML ( 13 )   PDF (3162KB) ( 173 )  

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为建立适用于多种禾本科植物染色质转座酶可及性测序(assay for transposase accessible chromatin with high-throughput sequencing, ATAC-seq)的细胞核提取和建库体系, 本试验以水稻、小麦和结缕草的叶片及根系为研究材料, 通过控制变量试验确定最佳的细胞核提取方法: 采用液氮研磨样品, 初步提核离心速度选取1200×g, 2次ORB溶液去除细胞器等杂质, 蔗糖梯度缓冲液纯化细胞核。通过构建文库、库检及测序分析发现, 所提取的细胞核适用于染色质转座酶可及性测序的建库, 可获得高质量测序数据。本试验建立的适用于多种禾本科植物的提核体系为获取禾本科植物染色质开放区域信息以及深入研究基因表达的调控方式奠定了基础。

外源6-BA调控孕穗期低温后小麦幼穗发育的转录组分析

李凌雨, 周琦锐, 李洋, 张安民, 王贝贝, 马尚宇, 樊永惠, 黄正来, 张文静

作物学报. 2023, (7):  1808-1817.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21050

摘要 ( 269 )   HTML ( 30 )   PDF (1075KB) ( 294 )  

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小麦孕穗期对低温非常敏感, 低温胁迫后外源喷施6-苄氨基腺嘌呤(6-BA), 能够缓解低温胁迫对小麦造成的伤害, 通过转录组测序技术分析6-BA提高小麦抗寒性的分子机制。选用低温敏感型品种皖麦52和低温迟钝型品种烟农19为试验材料, 在孕穗期低温胁迫后喷施20 mg L^-1的6-BA溶液, 以喷施等量蒸馏水处理为对照。观察幼穗形态, 并测定幼穗可溶性糖含量和淀粉含量。再通过转录组测序筛选并分析差异表达基因, 探究差异表达基因的功能及可能参与的调控通路, 采用qRT-PCR方法对测序结果进行验证。外源6-BA处理10 d后, 与对照相比小麦幼穗形态发育良好, 可溶性糖、淀粉含量均升高。转录组结果表明, 在皖麦52和烟农19中分别鉴定出22,770个和9866个差异基因, 其中有661个基因在两个品种中均上调, 从中筛选出ARF5、AGPL1、1-SST、SWEET15等基因, 这些基因与调节植物激素水平、淀粉合成、糖代谢等有关。对筛选出的差异基因进行GO和KEGG富集分析。GO注释表明皖麦52和烟农19差异基因的功能都主要富集于细胞结构稳定性、代谢、催化活性等。KEGG富集分析表示信号转导、内源激素水平的调节、碳代谢、膜结构和功能的改变等途径发生显著变化。选择部分候选基因对其表达模式进行qRT-PCR分析, 结果说明RNA-seq数据准确。综上所述, 6-BA可以通过调节小麦内部抗氧化物质代谢、激素信号转导、碳水化合物代谢、渗透调节等途径缓解低温损伤, 研究结果可为探索减轻春季低温对小麦伤害的栽培措施提供理论基础。

转基因玉米ND207转化事件特异性定性PCR检测方法及其标准化

常丽娟, 梁晋刚, 宋君, 刘文娟, 付成平, 代晓航, 王东, 魏超, 熊梅

作物学报. 2023, (7):  1818-1828.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23048

摘要 ( 333 )   HTML ( 27 )   PDF (5712KB) ( 173 )  

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转基因玉米ND207是中国农业大学研发的转mCry1Ab和mCry2Ab基因的抗虫玉米, 本研究的目的是建立ND207转化事件特异性定性PCR检测方法。根据研发者提供的引物进行PCR扩增, PCR产物测序分析, 获得了5'端旁侧序列262 bp, 包括109 bp的载体序列和153 bp的玉米基因组序列, 3'端旁侧序列316 bp, 包括76 bp的载体序列和240 bp的玉米基因组序列。针对两端旁侧序列设计14条引物, 组成25对引物组合进行引物筛选, 选中3'端一对最佳引物优化PCR反应体系及反应条件, 建立ND207的转化事件特异性定性PCR检测方法, PCR产物片段大小为166 bp。经过测试, 该方法的检出限为0.1%, 相当于20个拷贝的ND207特异分子片段。国内8家转基因生物安全检测机构对本方法进行了特异性测试、检出限测试和再现性测试, 循环验证报告显示: 该方法符合国家标准方法的各项要求, 可在检测行业推广应用。ND207转化事件特异性定性PCR检测方法的建立, 为我国ND207及其衍生品系的安全监管提供技术支撑。

甘蓝型油菜SGR基因家族的全基因组鉴定与功能分析

唐玉凤, 姚敏, 何昕, 官梅, 刘忠松, 官春云, 钱论文

作物学报. 2023, (7):  1829-1842.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24188

摘要 ( 394 )   HTML ( 37 )   PDF (5878KB) ( 172 )  

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叶绿素是植物进行光合作用的一类绿色色素, 对植物生长有着直接的影响。本研究利用生物信息学方法在全基因组水平上对甘蓝型油菜(Brassica napus)、白菜(Brassica rapa)、甘蓝(Brassica oleracea)和拟南芥(Arabidopsis thaliana)中滞绿基因(STAY-GREEN, SGR)家族成员进行分析发现, 28个SGR基因大多数包含4个外显子, 编码碱性蛋白。染色体定位和共线性分析显示, 甘蓝型油菜SGR基因家族成员中不存在串联复制, SGR基因家族成员之间具有线性关系, 高度同源, 且在进化过程中非常保守。此外, 利用60K SNP对203份半冬性甘蓝型油菜自交系的叶绿素含量进行全基因组关联分析(Genome-wide association study, GWAS), 检测到2个单体型区域Chr.A01: 6,193,165~ 6,317,757 bp和Chr.C01: 9,059,861~9,906,618 bp携带的BnaSGR1a-A01和BnaSGR1-C01与叶绿素含量显著相关。同时, 结合50份半冬性甘蓝型油菜重测序数据, 对这2个单体型进行进区域关联分析, 检测到1个SNP定位在BnaSGR1a-A01的外显子2区域, 并与叶绿素含量显著关联。共表达网络分析结果验证了BnaSGR1a-A01与BnaSGR2-A03直接相连, 与BnaSGR1-C01、BnaSGR1-A08、BnaSGR2-C03、BnaSGR1-C07、BnaSGRL-C06、BnaSGRL-A10等基因间接相连形成了一个网络体系, 共同调节叶绿素含量。T₂拟南芥转BnaSGR1a-A01基因超表达植株的叶绿素a、叶绿素b和总的叶绿素含量相比野生型显著降低, 表明BnaSGR1调控叶绿素降解。本研究为油菜SGR基因的功能研究和利用奠定了基础。

茶树新梢中香叶醇樱草糖苷含量的全基因组关联分析

王让剑, 杨军, 张力岚, 高香凤

作物学报. 2023, (7):  1843-1859.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24173

摘要 ( 266 )   HTML ( 11 )   PDF (4543KB) ( 156 )  

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香叶醇是茶树中含有的一种重要的挥发性单萜醇, 在茶树与环境互作中起重要作用, 也是茶叶中关键呈香成分之一, 茶树新梢中的香叶醇主要以香叶醇樱草糖苷形式存在。发掘香叶醇樱草糖苷含量性状显著关联的SNP位点与候选基因, 对香叶醇樱草糖苷含量的遗传调控机制研究与茶树遗传改良具有重要意义。以169个茶树种质为研究对象, 连续3年对其新梢香叶醇樱草糖苷含量进行鉴定, 基于SLAF简化基因组测序技术开发SNP标记, 然后利用一般线性模型(GLM)对茶树新梢香叶醇樱草糖苷含量性状进行GWAS分析, 发掘该性状显著关联的SNP位点与候选基因, 最后对极端含量材料间的候选基因编码区碱基差异及其上游顺式作用元件进行分析。结果表明, 参试群体在3个环境下香叶醇樱草糖苷含量变异系数范围为77.6%~81.8%, 广义遗传力为62.6%。香叶醇樱草糖苷含量性状在基因型、环境间均呈现显著差异, 变异受遗传影响为主。3个环境下共检测到340个SNP与香叶醇樱草糖苷含量显著相关, 其中2个环境下重复检测到65个SNP。基于参考基因组与连锁不平衡衰减距离, 获得重复检测到的SNP两侧各100 kb范围内的基因共88个, 包含信号蛋白、激酶、磷酸酶、离子转运蛋白、转录因子、热激蛋白、激素相关蛋白、抗性蛋白、萜类代谢酶、糖基转移酶、糖苷酶, 从中初筛出10个与香叶醇樱草糖苷含量相关的候选基因。极端含量材料之间的候选基因编码区序列均存在SNP非同义突变, 多数候选基因上游2 kb区域存在不同数量的与环境胁迫和激素相关的顺式作用元件。本研究为阐明茶新梢中香叶醇樱草糖苷含量的遗传调控机制提供了新的视角, 为分子标记辅助选择茶树新品种提供了标记与基因资源。

转录组分析揭示光诱导转录因子StMYB113调控马铃薯块茎表皮叶绿素合成

赵喜娟, 刘圣宣, 刘腾飞, 郑洁, 杜鹃, 胡新喜, 宋波涛, 何长征

作物学报. 2023, (7):  1860-1870.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24259

摘要 ( 262 )   HTML ( 24 )   PDF (2964KB) ( 265 )  

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马铃薯块茎见光变绿严重影响了其食用安全性和经济效益, 但光诱导马铃薯块茎合成叶绿素的机制尚不清楚。本研究对不同光照时间处理的马铃薯块茎进行了相关代谢产物分析, 结果表明随着光照时间的延长块茎叶绿素含量逐渐上升, 且在36 h时叶绿素含量上升显著, 块茎表皮也随之出现明显的绿色; 对光诱导0、6、36 h的样品的转录组测序和生物信息学分析共鉴定到5646个差异表达基因(DEGs), 进一步通过共表达聚类分析和qRT-PCR定量验证, 9个主要的叶绿素生物合成结构基因StGAS1、StCHLD、StCrd1、StHEMA、StGUN4、StPORA、StUROD、StCHLM、StCHLG以及6个转录因子StSBP、StLSD、StGATA、StWRKY、StMYB-like、StMYB113显著上调。对这9个结构基因的启动子序列的顺式作用元件的预测结果显示它们都含有多个MYB结合位点, 启动子元件分析和转录激活验证试验结果表明StMYB113具有光响应元件, 并能在烟草激活StUROD的表达, 由此说明StMYB113可能受光响应且调控马铃薯块茎的见光变绿。本研究结果为光诱导马铃薯块茎叶绿素合成调控机制研究提供参考, 对减少马铃薯块茎绿化造成的损失具有重要意义。

基于干旱胁迫转录组信息的蚕豆ASPAT基因家族分析

魏正欣, 刘昌燕, 陈宏伟, 李莉, 孙龙清, 韩雪松, 焦春海, 沙爱华

作物学报. 2023, (7):  1871-1881.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24134

摘要 ( 225 )   HTML ( 26 )   PDF (2259KB) ( 403 )  

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蚕豆(Vicia faba L.)是一种重要的食用豆作物, 干旱会导致蚕豆产量降低。鉴定蚕豆耐旱基因, 有利于通过分子标记辅助育种和基因工程手段培育抗旱品种。在前期研究中, 我们通过转录组测序鉴定出了一类天冬氨酸转氨酶基因(ASPAT)响应蚕豆干旱胁迫。ASPAT催化天冬氨酸(ASP)和α-酮戊二酸的可逆转氨反应, 生成草酰乙酸和谷氨酸, 是参与植物体代谢的关键酶。本文基于转录组测序数据, 通过生物信息学方法全基因组鉴定了蚕豆ASPAT基因家族成员, 并分析了各基因家族成员的理化性质、亚细胞定位、基因结构、蛋白结构域、保守基序、系统进化、蛋白质互作和基因表达模式。结果显示, 蚕豆转录参考基因组中共有8个ASPAT基因家族成员, 包括3个真核型ASPAT (AAT)基因和5个原核型ASPAT (PAT)基因, 分别定位于线粒体和叶绿体。系统发育分析表明, 蚕豆ASPAT蛋白主要可分为2个亚族Iα和Iβ。Iα为AAT蛋白, 包括VfASPAT1~VfASPAT3。Iβ为PAT蛋白, 包括VfASPAT4~VfASPAT8。蚕豆ASPAT家族成员均含有motif 1、motif 3、motif 9, 且具有相似的基因结构和共同的蛋白结构域Aminotran-1-2。VfASPAT蛋白互作网络分析表明该家族成员可能参与逆境胁迫代谢过程。转录组和荧光定量PCR分析表明该家族8个成员在干旱处理16 h和64 h表达模式不同, 除VfASPAT4和VfASPAT6外其他基因表达量都呈上调趋势, 表明VfASPAT基因可能对干旱胁迫有正向调控作用。本文研究结果为进一步分析蚕豆ASPAT的抗旱功能, 应用ASPAT提高蚕豆抗旱性奠定了基础。

油莎豆耐盐性评估及盐胁迫下幼苗根系转录组学分析

王会伟, 张向歌, 李春鑫, 许欣然, 胡海燕, 朱雅婧, 王艳, 张新友

作物学报. 2023, (7):  1882-1894.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24172

摘要 ( 290 )   HTML ( 32 )   PDF (5774KB) ( 312 )  

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油莎豆是一种综合利用价值高的新型经济作物, 抗逆性极强, 具有在盐渍化土壤上种植发展的潜力。为明确其耐盐特性, 本研究设置5个NaCl浓度(0、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%), 分析了NaCl胁迫对油莎豆茎豆萌发和幼苗生长过程中形态和生理指标的影响。结果表明, 在0.3%和0.6% NaCl胁迫下, 茎豆发芽率、幼苗根长和苗高受影响程度较小; 根系中膜受损程度指标物丙二醛(MDA)和氧化胁迫物过氧化氢(H₂O₂)的含量增加不显著, 而渗透调节物甜菜碱(GB)、脯氨酸(Pro)的含量和抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)的活性显著提高, 整体上受到的盐胁迫伤害较小。而在0.9%和1.2% NaCl胁迫下, 盐胁迫伤害十分明显, 茎豆萌发和幼苗生长受到严重的抑制。为进一步鉴定油莎豆耐盐相关基因, 利用RNA-seq技术检测了0、0.3%和0.6% NaCl胁迫下油莎豆根系的基因表达情况。通过基因差异表达分析、加权基因共表达网络分析(WGCNA)以及GO富集分析发现, 24个主要与氧化还原、跨膜转运、几丁质水解相关的GO terms显著富集, 涉及了15个显著上调表达基因。其中, DN23985_c0_g1、DN2960_c0_g1、DN8384_c1_g1分别编码玉米黄质环氧酶、L-抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽转移酶, 具有抗氧化作用, 参与抗氧化调节; DN21785_c1_g1和DN6596_c0_g1二者均编码氨基酸转运蛋白, 可能通过积累氨基酸类小分子(如Pro)而增强渗透调节; DN14393_c0_g1编码几丁质酶, 能够水解几丁质而促进植物应对胁迫响应。本研究明确了油莎豆在0.6%及以下浓度NaCl胁迫时具有较好的耐盐性, 并进一步筛选出耐盐相关基因, 为油莎豆在盐渍化土壤的种植和耐盐品种的培育提供了重要的参考。

耕作栽培·生理生化

土壤水分含量对小麦耗水特性和旗叶/根系衰老特性的影响

张振, 石玉, 张永丽, 于振文, 王西芝

作物学报. 2023, (7):  1895-1905.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21052

摘要 ( 254 )   HTML ( 21 )   PDF (633KB) ( 533 )  

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为明确土壤含水量对小麦籽粒产量的影响及其形成的生理原因, 于2019—2021年小麦生长季在山东省兖州区小孟镇史家王子村小麦试验站进行试验, 选用冬小麦品种济麦22, 设置4种土壤含水量处理: 分别为全生育不灌水(W0), 于小麦拔节期和开花期将0~40 cm土层土壤相对含水量均补灌至65% (W1)、75% (W2)、85% (W3), 研究了土壤含水量对小麦耗水特性、旗叶与根系衰老特性和籽粒产量的影响。结果表明: W2处理的穗粒数和千粒重显著高于其他处理, 获得了最高的籽粒产量和水分利用效率, 相较于W0、W1、W3, 籽粒产量分别高48.49%、20.80%、8.68% (2019—2020)和46.87%、17.36%、7.53% (2020—2021), 水分利用效率分别高21.70%、14.25%、15.59% (2019—2020)和25.44%、11.90%、13.39% (2020—2021); W2处理开花后40~100 cm土层根长密度、40~60 cm土层根系超氧化物歧化酶活性和根系活力显著高于其他处理, 丙二醛含量显著低于其他处理; W2处理开花后旗叶超氧化物歧化酶活性显著高于W0、W1处理, 与W3处理无显著差异, 丙二醛含量显著低于W0、W1处理, 与W3处理无显著差异; W2处理显著提高了开花期至成熟期阶段耗水量、日耗水量、耗水模系数和40~120 cm土层土壤贮水消耗量。由此可见, 适宜的土壤含水量能够促进根系下扎, 延缓植株衰老, 提高对深层土壤水分的吸收利用, 保证了籽粒灌浆期水分供应, 显著提高籽粒产量。在本试验条件下以小麦拔节期和开花期将0~40 cm土层土壤相对含水量均补灌至75%的W2处理效果最好。

我国主要麦区小麦籽粒锰含量: 品种与土壤因素的影响

张露露, 张学美, 牟文燕, 黄宁, 郭子糠, 罗一诺, 魏蕾, 孙利谦, 王星舒, 石美, 王朝辉

作物学报. 2023, (7):  1906-1918.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21042

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为明确影响小麦锰营养的品种和土壤因素, 优化小麦锰营养, 实现小麦丰产优质生产提供理论依据, 于2016—2020年西北旱作小麦区(旱作区)以及黄淮小麦玉米轮作区(麦玉区)、南方水稻小麦轮作区(稻麦区) 3个麦区13个省份38个试验点开展试验, 测定了小麦产量、产量构成因素、籽粒锰含量以及土壤有效锰、pH等指标。结果表明, 小麦产量为麦玉区>稻麦区>旱作区, 平均为8.1、5.9和5.9 t hm^-2; 小麦籽粒锰含量为稻麦区>旱作区>麦玉区, 平均为46.9、45.4和41.4 mg kg^-1。小麦品种籽粒锰含量与干物质累积分配、产量构成因素及锰吸收利用之间的关系因麦区而异。旱作区小麦品种籽粒锰含量与产量、生物量、收获指数均显著负相关, 麦玉区与产量和收获指数显著负相关, 稻麦区无相关。旱作区籽粒锰含量与穗数及穗粒数显著负相关; 麦玉区与穗数显著负相关; 稻麦区与穗数显著正相关, 而与千粒重显著负相关。麦玉区和稻麦区籽粒锰含量均与地上部锰吸收量和籽粒吸锰量显著正相关, 旱作区籽粒锰含量与籽粒吸锰量显著正相关; 稻麦区籽粒锰含量与锰收获指数显著负相关, 旱作区和麦玉区两者显著正相关。影响小麦籽粒锰含量的主要土壤因素包括土壤全氮、pH、有效铁、有效锰和有效铜。麦玉区, 小麦籽粒锰含量与土壤有效铁、有效铜和有效锰显著正相关, 与土壤pH显著负相关; 稻麦区小麦籽粒锰含量与土壤pH、有效铜和全氮显著负相关, 而与土壤有效锰无显著相关。旱作区, 土壤有效磷和速效钾是影响小麦籽粒锰含量的主要原因。可见, 我国稻麦区小麦品种籽粒锰含量较高, 较低的土壤pH、全氮和较高的土壤有效铁、有效锰有利于籽粒锰含量提高, 土壤有效铜对籽粒锰含量的影响因麦区而异。产量对锰含量存在稀释效应, 通过提高穗数、穗粒数、千粒重有利于降低小麦籽粒锰含量。

水氮减量密植玉米的产量及产量构成

韦金贵, 郭瑶, 柴强, 殷文, 樊志龙, 胡发龙

作物学报. 2023, (7):  1919-1929.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23056

摘要 ( 289 )   HTML ( 17 )   PDF (539KB) ( 546 )  

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针对干旱绿洲灌区水资源匮乏、玉米生产化肥投入量大等问题, 在水氮减量条件下, 探讨增大密度对玉米干物质积累、籽粒产量和产量构成的影响, 以期为建立水氮减量玉米稳产高效技术体系提供依据。2020—2021年, 在地方习惯灌水减量20% (3240 m³ hm^-2, W1)、习惯灌水(4050 m³ hm^-2, W2)和减量施氮25% (270 kg hm^-2, N1)、习惯施氮(360 kg hm^-2, N2)条件下, 研究密度从7.50万株 hm^-2 (低, D1)提高30% (中, D2)、60% (高, D3)时, 玉米干物质积累及产量的响应特征。研究表明, 水、氮减量均显著降低玉米籽粒产量, 增密30%可补偿水氮同时减量导致的产量降低效应; 施氮量不变降低灌水量时, 增密可显著提高产量。2个试验年度内, W1较W2、N1较N2产量分别降低3.0%、12.9%, D2、D3较D1产量分别高12.9%、9.2%; W1N1D1较W2N2D1处理减产12.3%, W1N1D2与W2N2D1处理产量差异不显著。增密30%能够补偿水氮减量减产的主要原因是提高了灌浆初期到成熟期干物质的累积量和成穗数, W1N1D2与W2N2D1相比, 灌浆初期到成熟期干物质积累量提高5.8%, V_max (最大干物质积累速率)、V_mean (平均干物质积累速率)、T_m (最大干物质积累速率出现时间)、HI (收获指数)差异均不显著, 穗数增加24.7%, 但穗粒数、千粒重分别降低19.3%和14.8%。W1N2D2较W2N2D1处理增产13.9%。当施氮量不变时, 减水增密稳产的主要原因是提高了干物质积累量、V_mean、HI和穗数, W1N2D2与W2N2D1相比, 穗数、干物质积累、V_mean和HI分别提高24.8%、10.2%、8.4%和4.7%, 千粒重差异不显著。因此, 本试验水氮同步减量条件下增密30%, 是绿洲灌区玉米水氮节约稳产高产的可行措施; 在施氮量保持不变但灌水量减少20%时, 密度提高30%是玉米节水增产的有效措施。

齐穗后遮阴时长对西北稻区粳稻产量和品质的影响

邓艾兴, 李歌星, 吕玉平, 刘猷红, 孟英, 张俊, 张卫建

作物学报. 2023, (7):  1930-1941.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22037

摘要 ( 244 )   HTML ( 16 )   PDF (472KB) ( 317 )  

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灌浆期光照强度对保障水稻产量和稻米品质至关重要。本研究以常规高产水稻品种(新稻41、吉粳88)和优质水稻品种(粮粳10号、吉粳515)作为研究对象, 以不遮阴作为对照, 于2018和2019年在新疆乌鲁木齐研究了齐穗后不同遮阴时长处理(遮阴10 d、20 d和持续遮阴)对水稻产量及稻米品质的影响。结果表明, 齐穗后遮阴延长了水稻灌浆进程, 降低了结实率、千粒重和产量; 遮阴同时导致了籽粒直链淀粉含量显著降低, 蛋白质含量显著增加, 进而导致水稻垩白粒率和垩白度增加, 淀粉糊化特性和食味值变差。与不遮阴相比, 齐穗后遮阴10 d、20 d和持续遮阴处理2年平均水稻结实率和千粒重分别下降了3.5%、9.7%、11.1%和3.7%、7.1%、13.1%, 进而导致产量分别下降了11.3%、16.5%和31.7%。直链淀粉含量和食味值受齐穗后0~10 d遮阴的影响不大, 齐穗后遮阴20 d和持续遮阴处理较对照2年平均籽粒蛋白质含量分别增加了20.5%和30.8%, 直链淀粉含量降低了3.6%和4.6%, 崩解值和食味值分别降低了15.2%、26.1%和3.9%、7.7%。籽粒垩白粒率受齐穗后遮阴的影响因灌浆期背景光照强度而异, 2018年齐穗后遮阴10 d水稻垩白粒率增幅最大, 达152.1%, 2019年为齐穗后遮阴20 d增幅最大, 达345.5%。高产水稻品种对齐穗后遮阴时长的敏感程度大于优质水稻品种, 其结实率和千粒重下降幅度更大, 产量更易受遮阴的影响; 并且高产水稻品种垩白粒率增加幅度明显大于优质水稻品种, 导致其更易受遮阴影响。综上, 齐穗后20 d是遮阴影响稻米外观品质的关键时期, 且遮阴时长的影响取决于背景光照强度; 遮阴时间越长, 稻米蒸煮食味品质越差。本研究将为我国优质粳稻生产应对未来气候变化提供科学依据。

水氮互作下强筋小麦师栾02-1产量和品质

董志强, 吕丽华, 姚艳荣, 张经廷, 张丽华, 姚海坡, 申海平, 贾秀领

作物学报. 2023, (7):  1942-1953.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21049

摘要 ( 296 )   HTML ( 14 )   PDF (265KB) ( 505 )  

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明确不同水氮互作对强筋优质小麦师栾02-1产量和加工品质的影响, 为强筋小麦生产中如何通过合理灌溉和优化氮肥施用量来实现协同提高籽粒产量和加工品质的目标提供理论依据。2017—2020年, 大田条件下设置浇水次数和施氮量二因子裂区试验, 主区为浇水次数, 设春浇一水(W1, 拔节水)和春浇两水(W2, 拔节水+开花水); 副区为氮肥施用量, 设N0、N1、N2、N3、N4和N5(0、60、120、180、240和300 kg hm^-2) 6个水平。结果表明, 施氮量0~300 kg hm^-2时, 不同降水年型春浇一水、春浇两水小麦产量随施氮量的增加均先增加后减少, 产量最高值对应的施氮量均为240 kg hm^-2。施氮量120~300 kg hm^-2时, 春浇两水处理产量显著高于春浇一水处理。水氮互作对小麦单位面积收获穗数的影响最大, 其次是千粒重, 对穗粒数的影响最小。施氮量0~300 kg hm^-2时, 2017—2018年度(丰水年型), 春浇两水小麦湿面筋含量、沉降值、吸水率、面团稳定时间、拉伸能量、最大拉伸阻力平均值均高于春浇一水, 而2018—2019、2019—2020年度(干旱年型)则相反: 春浇一水高于春浇两水。不同降水年型春浇一水、春浇两水小麦湿面筋含量和沉降值随施氮量的增加先增加后减少或逐渐增加, 二者最大值对应的施氮量为240 kg hm^-2或300 kg hm^-2; 稳定时间、拉伸能量和最大拉伸阻力随施氮量的增加均先增加后减少, 施氮量240 kg hm^-2时达到最大值。不同降水年型强筋优质小麦师栾02-1生育期春浇两水、施氮量240 kg hm^-2时, 籽粒产量和加工品质表现最佳。

基于“LabelmeP1.0”提取的高粱维管束参数与农艺性状关联研究

陆梦琪, 谢若涵, 李想, 杨明冲, 何紫薇, 高杰, 赵晓燕, 沈祥陵, 陈燕, 王继斌, 胡利华, 段明政, 王令强

作物学报. 2023, (7):  1954-1967.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24185

摘要 ( 225 )   HTML ( 3 )   PDF (1648KB) ( 385 )  

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茎秆维管束对作物机械支撑和物质运输具有重要作用。为了高通量导出作物茎秆切片的维管束参数, 本研究开发了基于Labelme标注图片和Python编程语言的方法“LabelmeP1.0”。利用该方法导出了92份高粱种质资源的茎秆维管束和区域相关的26个参数。通过相关分析和主成分分析, 从中归纳了各区域面积以及和维管束数量、大小、位置、比例和密度相关的15个参数作为核心指标。研究还发现, 高粱维管束性状和农艺学性状关系密切, 维管束数目、密度与穗重、粒重和一级枝梗数正相关。进一步可将资源材料分为3类, 分别为矮粗薄皮、种子少和维管束大而多的类I, 高个细茎、种子少和维管束少而稀的类II, 以及矮粗厚皮、种子多和维管束数多的类III。本研究可为禾本科作物的茎秆解剖学结构参数研究提供技术和新思路。

施氮量对高粱籽粒灌浆及淀粉累积的影响

王媛, 王劲松, 董二伟, 刘秋霞, 武爱莲, 焦晓燕

作物学报. 2023, (7):  1968-1978.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24152

摘要 ( 232 )   HTML ( 4 )   PDF (660KB) ( 467 )  

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本试验于2019—2020年以汾酒粱1号为材料, 在0、75、150、225、300 和450 kg N hm^-2 6个施氮水平下, 于花后每隔7 d采集不同穗位籽粒分析其灌浆特性及淀粉形成过程, 探究不同氮素用量对高粱籽粒灌浆及单粒淀粉累积的影响。结果表明, 与不施氮相比施氮75 kg hm^-2显著提高了穗粒数和产量, 但随施氮量的增加产量没有显著变化; 氮素对优势粒(始花日开始2 d内开花的籽粒)和劣势粒(始花日开始5~6 d间开花的籽粒)的单粒重及单粒体积、灌浆特性和单粒淀粉累积的影响趋势基本一致, 施氮条件下单粒重、单粒体积和灌浆速率随施氮量增加而增加, 但不施氮处理的单粒重和单粒体积仍高于各施氮处理, 且缺氮显著延长了灌浆活跃期。籽粒淀粉累积速率与参与籽粒淀粉合成的关键酶ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)和可溶性淀粉合酶(SSS)活性显著相关; 过量施氮(450 kg N hm^-2)灌浆前期籽粒中AGPase和SSS的活性最高, 促进了灌浆前期籽粒淀粉累积; 施氮75 kg hm^-2灌浆前期籽粒中AGPase和SSS的活性和淀粉累积速率次之; 虽然缺氮降低了灌浆前期籽粒中AGPase和SSS的活性, 但在灌浆后期维持较高活性而延长了灌浆活跃期, 因而后期具有较高的单粒淀粉累积速率, 提升了单粒淀粉累积量和单粒重。

外源水杨酸提高云麻1号(Cannabis sativa L.)对铜胁迫的耐受性

项嘉铭, 戴茜, 刘立军

作物学报. 2023, (7):  1979-1993.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24160

摘要 ( 225 )   HTML ( 9 )   PDF (6362KB) ( 175 )  

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工业大麻是我国重要的天然纤维作物, 其主要种植区铜矿丰富, 耕地土壤受铜污染严重; 工业大麻有较强的耐铜性和较高的生物量, 可代替粮食作物在铜污染土壤上种植, 探究如何增强其耐铜性具有重要意义。水杨酸(SA)在植物抗逆方面有重要作用。本研究采用铜敏感品种云麻1号, 探究外源SA对铜胁迫下工业大麻耐铜性和铜富集的影响。结果表明, 铜胁迫对工业大麻具有明显毒害作用; 外源SA降低了麻纤维铜含量, 增强了根系对Cu²⁺的吸收和固定, 地下部铜含量是胁迫组的1610.1%, 铜累积量是胁迫组的857.1%, 这可能是通过提高半纤维素和木葡聚糖的代谢及葡萄糖苷酶的活性实现的。外源SA促进了铜胁迫下工业大麻光合作用和干物质累积, 显著增强了氧化还原酶的活性, 降低了ROS和MDA含量, 减少氧化损伤。在铜胁迫下施用外源SA, 可以特异性诱导CsCIPK25和CsWRKY32表达, 并通过调控作物离子转运、铜吸收固定、金属螯合物合成等多种途径增强铜胁迫下工业大麻的耐受性。

研究简报

马铃薯锌转运蛋白基因StZIP12调控锌吸收功能

索海翠, 刘计涛, 王丽, 李成晨, 单建伟, 李小波

作物学报. 2023, (7):  1994-2001.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24196

摘要 ( 232 )   HTML ( 15 )   PDF (4818KB) ( 153 )  

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马铃薯作为世界第四大粮食作物, 是全球2/3人口的主食, 是锌生物强化策略的重要目标作物, 因此研究马铃薯锌吸收具有重要作用。锌转运蛋白调节植物锌吸收过程。本研究在前期研究基础上克隆了马铃薯锌转运蛋白基因StZIP12, 定量PCR结果表明该基因在马铃薯各组织中均有表达, 在新叶中表达量显著高于其他组织, 且受到低锌诱导表达; 利用异源酵母互补试验证实了StZIP12能够恢复锌吸收障碍酵母突变体ZHY3 (zrt1zrt2)的锌吸收功能; 利用转基因手段过表达StZIP12于马铃薯品种鄂薯3号, 在缺锌处理下, 与非转基因对照植株相比较, 过表达StZIP12提高了转基因马铃薯株高, 转基因组培苗的根长和总锌含量以及盆栽转基因植株块茎的锌含量增加, 其中2个株系块茎锌含量分别比对照提高22.00%和32.95%。以上结果证明了StZIP12在马铃薯锌的吸收过程中起着重要调节作用, 为马铃薯锌生物强化提供了理论依据。

氮肥用量对冬油菜籽粒产量和品质的影响

宋毅, 李静, 谷贺贺, 陆志峰, 廖世鹏, 李小坤, 丛日环, 任涛, 鲁剑巍

作物学报. 2023, (7):  2002-2011.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24179

摘要 ( 232 )   HTML ( 14 )   PDF (572KB) ( 344 )  

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为探明不同氮肥用量对冬油菜籽粒产量和品质的影响, 于2019/2020以及2020/2021年在湖北省武穴市开展田间试验, 试验设置0、90、180、270、360 kg N hm^-2 5个氮肥施用水平。在成熟期测定油菜籽产量、氮含量和油菜籽品质指标。结果表明, 施氮显著提高冬油菜籽粒产量及氮含量, 与不施氮相比, 氮肥施用后平均增产1548 kg hm^-2, 平均增产率达32.9%, 在施氮量为0~270 kg N hm^-2范围内, 油菜籽产量随氮肥施用量显著增加, 继续增施氮肥, 油菜籽产量无明显变化或有下降趋势, 施氮主要通过提高单株角果数来提高油菜籽粒产量。施氮显著增加了籽粒蛋白质含量, 当施氮量达270 kg N hm^-2时籽粒氮含量和蛋白质含量最高。施氮显著降低籽粒含油量, 氮肥用量每增加100 kg N hm^-2, 籽粒含油量下降1.6个百分点。随着氮肥用量的增加, 籽粒硫甙、油酸、亚麻酸、芥酸以及饱和脂肪酸 (棕榈酸和硬脂酸)呈升高趋势, 亚油酸呈降低趋势, 油菜籽粒品质整体呈降低趋势。综上所述, 以追求高品质食用油为目标, 同时兼顾油菜籽粒产量, 氮肥适宜用量约为180 kg N hm^-2; 以追求油菜籽粒产量并考虑油菜饼粕作饲料为目标时, 氮肥适宜用量约为270 kg N hm^-2。

施氮对还田秸秆腐解及养分释放、土壤肥力与玉米产量的影响

李荣, 勉有明, 侯贤清, 李培富, 王西娜

作物学报. 2023, (7):  2012-2022.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23055

摘要 ( 238 )   HTML ( 13 )   PDF (625KB) ( 452 )  

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基于2年秸秆还田定位试验, 为了解析宁夏扬黄灌区连续施氮对第3年还田后秸秆腐解及养分释放、土壤肥力特征与玉米产量的影响, 采用尼龙网袋法和大田试验相结合的方法, 研究连续施用不同纯氮量(0、150、300和450 kg hm^-2)对第3年还田后秸秆腐解、养分释放和土壤理化性质及玉米产量的影响。结果表明, 施氮可在玉米播后50~170 d促进秸秆腐解, 以施氮300 kg hm^-2处理最为显著, 平均秸秆累积腐解率与腐解速率分别较不施氮肥(对照)处理提高25.6%和20.3%; 施氮可促进秸秆养分释放, 其各养分元素释放率均表现为钾>碳>氮>磷, 且均随施氮量的增加呈先增加后降低, 以施氮300 kg hm^-2处理效果最佳。施氮可使0~40 cm层土壤容重降低, 总孔隙度增加, 以施氮300~450 kg hm^-2处理效果最为显著; 施氮可提高玉米播后20 d土壤温度和播后80~170 d土壤贮水量, 均以施氮300 kg hm^-2处理效果最佳。施氮可改善0~40 cm层土壤肥力, 以施氮300 kg hm^-2处理对提高土壤有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量效果最佳。施氮300 kg hm^-2处理能通过影响产量构成来提高玉米产量, 较对照增产63.7%。综合分析认为, 施氮300 kg hm^-2可显著改善土壤肥力特征, 促进还田秸秆的腐解和养分元素的释放, 从而有利于宁夏扬黄灌区土壤培肥和玉米产量的提高。