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2024年 第50卷 第8期 刊出日期：2024-08-12

上一期   

综述

豆科作物轮作强化农田生态系统功能的研究进展

刘春燕, 张利影, 周杰, 许依, 杨亚东, 曾昭海, 臧华栋

作物学报. 2024, (8):  1885-1895.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34195

摘要 ( 108 )   HTML ( 12 )   PDF (4936KB) ( 154 )  

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集约化农业对保障国家粮食安全至关重要, 但其导致的生态环境代价与绿色可持续发展之间的矛盾日益突出。引入豆科作物到农田生态系统对于实现地力保育、作物丰产稳产和资源优化利用等多目标协同具有重要意义。本文系统总结了豆科作物轮作对作物生产和土壤功能的主要影响: 1) 豆科作物通过生物固氮、高质量的根际分泌物输入、秸秆还田等过程改善了土壤氮素水平, 产生正向的残留效应, 有利于后茬作物增产, 且增产效应在低产区更显著; 2) 豆科作物轮作可以通过氮肥减施降低系统N₂O排放, 但豆科的生物固氮过程有增加CO₂排放的风险; 3) 低C/N、高氮含量的豆科秸秆还田能够提高土壤微生物活性和残体积累, 提高土壤固碳效率, 但其固碳效应也受到较低的秸秆生物量投入限制; 4) 豆科作物可以提高后茬作物的水肥利用效率, 同时利用前后茬作物根系深浅合理搭配, 实现轮作周年水肥高效利用。因此, 将豆科作物引入到轮作系统可实现氮肥减施和增产, 但其产生的土壤固碳和温室气体减排效应受到作物种类、肥料投入、土壤和气候条件等多种因素的综合影响。为更好地发挥豆科作物轮作优势, 应深入探究豆科促进后茬作物增产和驱动地下部生态功能提升的耦合机制, 开发豆科作物轮作配套田间管理技术, 并定向设计适合我国典型生态区的新型生态高效种植体系, 对推动豆科作物轮作模式构建与应用及农业绿色发展具有重要理论意义和实践价值。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

基于大刍草渗入系的玉米抗旱优异等位基因挖掘

刘爽, 李珅, 王东梅, 沙小茜, 何冠华, 张登峰, 李永祥, 刘旭洋, 王天宇, 黎裕, 李春辉

作物学报. 2024, (8):  1896-1906.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.43007

摘要 ( 80 )   HTML ( 3 )   PDF (3040KB) ( 42 )  

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干旱是影响玉米生产的主要非生物胁迫之一。为了挖掘玉米优异抗旱基因, 本研究基于墨西哥大刍草和玉米自交系PH4CV构建的BC₂F₆群体, 通过苗期抗旱性初步鉴定, 筛选出抗旱性强的渗入系TP180。干旱胁迫后发现渗入系TP180较轮回亲本PH4CV萎蔫程度更小, 并且复水后存活率显著高于PH4CV。全基因组基因型鉴定发现, 渗入系TP180含有0.6%的墨西哥大刍草导入。通过开展TP180和PH4CV不同水分条件下的转录组测序, 在渗入系TP180和PH4CV之间共鉴定了 2307个差异表达基因, 不同胁迫重叠差异表达基因共122个, 这些基因涉及生长素途径, 茉莉酸途径等, 包含多个转录因子。整合差异表达基因和含大刍草导入区段分析, 鉴定出2个抗旱候选基因Zm00001d033050和Zm00001d002025, 并进一步开展了RT-PCR分析。本研究为挖掘大刍草中抗旱基因资源提供了重要材料和信息基础。

水稻黄华占背景选择导入系的耐低氮筛选评价与利用

邵美红, 赵玲玲, 程楚, 程思明, 朱双兵, 翟来圆, 陈凯, 徐建龙

作物学报. 2024, (8):  1907-1919.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42002

摘要 ( 81 )   HTML ( 4 )   PDF (516KB) ( 89 )  

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中低产田的氮素不足是制约水稻高产的重要因素, 筛选和培育耐低氮品种是解决这一问题的有效途径之一。本研究利用种质资源导入黄华占背景培育的目标性状选择导入系群体, 经连续3个季节在低氮和正常施氮条件下评价导入系的产量及其相关性状表现, 发现低氮处理对导入系的抽穗期、结实率和千粒重影响最小, 平均耐低氮指数均接近1; 对单株产量和单株有效穗数的影响较大, 平均耐低氮指数分别仅为0.45和0.62, 认为单株产量和单株有效穗数是衡量水稻耐低氮性的有用指标。基于单株产量的耐低氮指数, 从导入系群体中筛选出9份耐低氮株系, 其单株产量的耐低氮指数变幅为0.87~1.04。对其中的5份进行多点品比验证, 其中1份不具备耐低氮性, 产量平均耐低氮指数为0.66, 其余4份表现较强的耐低氮水平, 产量平均耐低氮指数为0.94, 表明耐低氮性具有个体和群体水平的差异, 强调对分离群体中筛选出来的耐低氮材料进行群体水平验证的重要性。4份耐低氮株系中, M85耐低氮性主要通过在低氮条件下较高有效穗数和千粒重来实现, 其余3份耐低氮株系(M382、M563和M79)则主要通过较多每穗实粒数和较高的千粒重来实现, 提出在一定穗数基础上增加每穗实粒数是提高低氮条件下水稻产量的重要途径。结合选择导入系的苗期耐盐、成株期抗旱和全生育期耐低氮特性, 对利用不同供体来源的选择导入系通过分子设计同步改良多个复杂抗逆性状进行了讨论。

玉米转录因子ZmEREB180调控根系生长发育及耐逆的功能研究

刘宸铭, 赵克勇, 悦曼芳, 赵延明, 吴忠义, 张春

作物学报. 2024, (8):  1920-1933.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.33070

摘要 ( 67 )   HTML ( 3 )   PDF (11183KB) ( 85 )  

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AP2/ERF (APETALA2/ethylene-responsive factor)转录因子是植物中最大的转录因子家族之一, 在调控植物生长发育、响应逆境胁迫、调节激素信号转导和物质代谢等多种生物学过程中发挥着重要作用。目前AP2/ERF超家族基因在许多植物物种中的生物学功能已经得到验证, 但对玉米(Zea mays L.)中AP2/ERF基因的结构和功能的研究报道较少。前期工作中我们发现, ZmEREB180 (ethylene-responsive element binding)转录因子, 在鉴定的玉米六叶期(V6)、十二叶期(V12)和抽雄期(VT)等关键发育时期, 根系中的表达量均存在显著差异; 通过组织表达分析发现该基因主要在玉米根系中表达, 且在幼根中的表达量显著高于成熟根, 推测该基因可能参与玉米根系生长发育调控。本研究克隆了ZmEREB180 (Gene ID: 100192457)基因, 结合生物信息学分析、实时荧光定量PCR (RT-qPCR)、亚细胞定位和转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)株系的耐逆表型鉴定等生物学手段, 初步分析了该基因的表达模式和生物学功能。该基因包含2个外显子, 编码序列全长1023 bp, 编码340个氨基酸, 具有AP2/ERF家族所特有的保守结构域; 该基因在玉米根系中表达量最高, 且在高盐、干旱、高氮和低氮等胁迫处理条件下的玉米根部皆有不同程度的诱导表达, 其中, 低氮处理较高氮处理具有更高的表达量和更快的响应速率; 在含0.10、0.15 mol L^-1 NaCl以及0.15、0.20和0.30 mol L^-1甘露醇(mannitol)的1/2 MS固体培养基上, 转ZmEREB180基因拟南芥的主根长度均显著长于野生型; 土壤环境中, 高盐和干旱胁迫条件下的转基因植株比野生型拟南芥具有更健康的生长状态、更高的绿叶率、更低的丙二醛含量和更高的过氧化物酶活性。转录因子ZmEREB180可能在调控玉米根系生长发育方面具有积极的促进作用, 并且能增强玉米植株对高盐、干旱、渗透、低氮等逆境胁迫的耐受性。本研究为下一步鉴定转录因子ZmEREB180在玉米中的生物学功能和分子机制奠定了良好的基础。

OsRPTA18参与调控水稻叶片倾角的功能

何丹丹, 舒亚洲, 周海连, 吴松果, 魏晓双, 杨明冲, 李波, 吴正丹, 韩世健, 杨娟, 王继斌, 王令强

作物学报. 2024, (8):  1934-1947.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32046

摘要 ( 65 )   HTML ( 1 )   PDF (15721KB) ( 26 )  

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RPTA (regulatory particle triple-A ATPase)家族与植物的生长发育、激素调控和逆境胁迫反应密切相关。本研究一共鉴定到33个OsRPTA基因家族成员, 并分析了其基因位置、基因结构、motif组成和启动子顺式作用元件等信息。随后, 利用水稻CREP数据库下载的数据, 分析了OsRPTA基因家族成员的全生育期组织表达模式。发现大部分OsRPTA基因在穗、胚乳和愈伤组织中具有较高的表达水平。β-D-葡萄糖苷酸酶(GUS)染色进一步显示, 基因成员OsRPTA18主要在叶枕、根、叶、叶鞘、茎节、内稃和外稃的维管束等部位表达。亚细胞定位结果显示OsRPTA18蛋白定位于细胞核。通过CRISPR/Cas9基因编辑获得了突变体材料osrpta18-1和osrpta18-2。与中花11相比, 突变体植株的株高、叶倾角变小, 粒宽和千粒重降低。组织切片结果表明, 突变体osrpta18旗叶倾角变小是由于叶枕近轴面厚壁细胞增殖, 导致近轴面与远轴面细胞和维管束的不对称性减弱。本研究有助于了解水稻RPTA基因家族功能, 并为利用OsRPTA18基因培育理想株型的水稻品种提供参考。

基于55K SNP芯片的小麦籽粒主要品质性状的全基因组关联分析

彭小爱, 卢茂昂, 张玲, 刘童, 曹磊, 宋有洪, 郑文寅, 何贤芳, 朱玉磊

作物学报. 2024, (8):  1948-1960.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31052

摘要 ( 63 )   HTML ( 2 )   PDF (4443KB) ( 32 )  

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通过检测118份小麦材料3个环境下吸水率、蛋白质含量、容重、湿面筋含量、面团稳定时间、面团形成时间、沉降值和出粉率8个小麦籽粒品质的表型值, 结合小麦55K SNP芯片分析基因型, 采用Q+K混合模型进行全基因组关联分析。在不同环境下, 8个籽粒品质性状均具有广泛变异, 其中沉降值的变异系数最大为16.47%~17.03%, 各品质性状遗传力为0.71~0.85。118份小麦材料被分为3个亚群, 亚群I包括41 (34.75%)份, 安徽供试材料占绝大部分; 亚群II包括32 (27.12%)份, 是以安徽、江苏、四川为主体的群体; 亚群III包括45 (38.13%)份, 主要为安徽及江苏省份材料。22个与小麦籽粒品质性状显著关联的稳定位点(P<0.001)在2个及以上的环境中被重复检测到, 分布于染色体1B (4)、1D (1)、2B (1)、2D (1)、3B (2)、3D (1)、4D (1)、5A (1)、5B (1)、5D (3)、6B (2)、7B (3)和7D (1), 解释了8.53%~16.32%的表型变异。稳定位点中包含3个一因多效显著关联位点, 14个可能控制小麦品质性状的新遗传位点, 并筛选出11个可能与小麦籽粒品质性状相关的候选基因; 有利等位基因的数量越多, 品质性状表型值越高, 并发现了在8个主要品质性状均携带有利等位基因的载体材料, 其中, 华成859和济麦44包含最多的有利等位基因, 可供改良小麦品质的育种亲本使用。本研究结果为小麦优良品质小麦培育提供了理论依据、亲本材料和分子标记。

编辑ZmCCT10、ZmCCT9、ZmGhd7基因的串联DsRed荧光表达盒的CRISPR/Cas9系统的构建及验证

曹晓晴, 祁显涛, 刘昌林, 谢传晓

作物学报. 2024, (8):  1961-1970.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.33050

摘要 ( 78 )   HTML ( 2 )   PDF (10289KB) ( 94 )  

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CCT家族基因影响植物开花, 在玉米中, ZmCCT10、ZmCCT9基因是光周期敏感基因, ZmGhd7基因是与开花期相关的基因。利用CRISPR/Cas9技术靶向编辑ZmCCT10、ZmCCT9、ZmGhd7基因为研究基因的功能和快速改良玉米的开花期提供了可能。本研究以玉米ZmCCT10、ZmCCT9、ZmGhd7基因为编辑对象, 以KN5585为稳定转化受体、以CML312SR、LCL-1、LCL-2为预改良的晚熟材料受体, 首先通过Sanger测序验证了3个基因靶标区域在4份玉米材料中的保守性, 其次根据sgRNA设计原则选择了1个sgRNA复合编辑3个基因, 并利用同源重组方法构建了将由胚特异性启动子Zm3896驱动的DsRed表达盒和由ZmU6-2启动子驱动的sgRNA表达盒串联的CRISPR/Cas9基因编辑敲除载体CCT-CPD, 然后采用酶切法和Sanger测序法分析T₀代KN5585中3个基因的突变率和突变类型, 验证了该系统的基因编辑效果, 最后通过对稳定遗传转化植株所结籽粒在籽粒水平、组织水平进行DsRed荧光标记表型鉴定, 验证了该系统中DsRed荧光筛选标记的有效性。在此基础上, 通过杂交育种法以晚熟材料为母本、以T₁代KN5585阳性株为父本获得F₁并经过DsRed荧光筛选获得含有有效编辑转基因元件的晚熟材料。本研究构建的编辑ZmCCT10/ZmCCT9/ZmGhd7基因的串联DsRed荧光表达盒的CRISPR/Cas9系统为创制单基因突变体, 双基因突变体, 三基因突变体奠定了基础, 该系统中DsRed荧光筛选标记的应用可以快速筛选区分有无转基因成分的玉米籽粒, 成本低, 鉴定效率高, 具有大规模籽粒筛选的潜力, 本研究为鉴定ZmCCT10、ZmCCT9、ZmGhd7三个基因的功能和创制玉米光周期钝感材料奠定了材料基础和高效的技术基础。

小麦泛素结合酶TaUBC16基因的克隆与功能分析

高维东, 胡城祯, 张龙, 张艳艳, 张沛沛, 杨德龙, 陈涛

作物学报. 2024, (8):  1971-1988.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31080

摘要 ( 59 )   HTML ( 2 )   PDF (15452KB) ( 33 )  

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E2泛素结合酶在调控植物生长发育和胁迫信号转导过程中发挥着重要作用。本研究以小麦抗旱品种晋麦47的cDNA为模板克隆出E2泛素结合酶TaUBC16, 该基因全长447 bp, 编码148个氨基酸。顺式作用元件分析发现, TaUBC16启动子区含有与分生组织发育、胁迫响应、植物激素应答相关的多种顺式作用元件。利用小麦RNA-Seq转录组数据结合qRT-PCR验证分析发现, TaUBC16在小麦不同组织器官和发育阶段普遍表达, 其中在30 d籽粒中的表达量较高, 且均能被PEG-6000、甘露醇和ABA显著诱导表达。烟草叶片和小麦原生质体亚细胞定位分析表明, TaUBC16蛋白分布于细胞质和细胞核。通过异源表达TaUBC16转基因拟南芥进行生长发育表型分析发现, 转基因株系开花时间早于野生型, 其籽粒相比于野生型更为饱满, 千粒重显著高于野生型。基于启动子区-388 bp位点(T-A)的多态性, 开发了TaUBC16基因的竞争性等位基因特异性PCR (kompetitive allele-specific PCR, KASP)标记, 鉴定了TaUBC16的单倍型, 发现TaUBC16-Hap I的千粒重、粒长和粒宽显著高于TaUBC16-Hap II, 并在我国小麦育种进程中得到正向选择。本研究结果将为进一步揭示TaUBC16基因参与调控小麦生长发育和响应逆境胁迫分子机理提供理论依据。

利用130K液相芯片分析中国蚕豆种质资源遗传多样性

张红岩, 敏玉霞, 滕长才, 彭小星, 陈志凯, 周仙莉, 娄树宝, 刘玉皎

作物学报. 2024, (8):  1989-2000.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34059

摘要 ( 47 )   HTML ( 2 )   PDF (621KB) ( 17 )  

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全面了解我国蚕豆种质资源遗传多样性和群体结构, 对优异资源的挖掘和创新利用具有重大意义。本研究利用130K液相芯片对822份中国蚕豆种质资源进行基因分型, 开展遗传多样性研究。经过严格过滤, 获得了30,946个高质量SNP位点, 其中多态性信息量(PIC)变化范围为0.0905~0.3750, 平均为0.2600; Nei’s基因多样性指数变化范围为0.0950~0.5000, 平均为0.3222。基于地理来源, 利用Nei’s基因多样性指数和PIC评价蚕豆资源遗传多样性, 发现江苏和四川蚕豆资源的遗传多样性较为丰富; 新疆蚕豆资源遗传多样性最低。群体结构分析表明, 822份蚕豆资源可被划分为2个亚群, 当Q≥0.6时, 717份资源遗传背景相对比较单一; 同一亚群内包含不同生态类型的材料, 表明材料间发生了基因交流或渐渗现象。基于邻接法(NJ)的聚类分析和主成分分析结果表明, 822份蚕豆资源同样分为2个类群, 与群体结构分析结果基本一致。总体而言, 地理来源邻近和生境相近的资源间的遗传关系较近, 且常被归为同一类群或亚群。分子方差分析结果表明, 个体间的遗传变异是总遗传变异的主要来源。

玉米N-乙酰转移酶ZmNAT1基因响应非生物胁迫的功能分析

郭思语, 赵克勇, 代正罡, 邹华文, 吴忠义, 张春

作物学报. 2024, (8):  2001-2013.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.33059

摘要 ( 64 )   HTML ( 1 )   PDF (12104KB) ( 30 )  

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GNAT (Gcn5-related N-acetyltransferase)家族蛋白在调控植物生长发育和响应逆境胁迫等过程中发挥着重要作用。目前GNAT家族基因在多个物种中的生物学功能已有报道, 但在玉米(Zea mays L.)中的功能验证研究却很少。探究玉米GNAT家族基因的功能, 不仅能丰富我国的玉米育种基因资源, 同时也可为玉米的新种质资源创制提供重要依据。本研究克隆了ZmNAT1基因(Gene ID: 541936, GRMZM2G123159), 通过生物信息学分析发现, 该基因CDS全长为519 bp, 编码172个氨基酸, 具有GNAT家族特有的保守结构域。通过对ZmNAT1基因在玉米不同时期不同组织中的表达量和不同逆境胁迫下表达模式分析发现: ZmNAT1在成熟根中的表达量最高, 在不同非生物逆境胁迫处理下, ZmNAT1基因均有不同程度的诱导表达。通过异源表达获得了3株独立的表达量较高的转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)纯合株系, 对其进行了不同逆境胁迫处理下表型鉴定实验, 结果表明, 转基因拟南芥相对于野生型拟南芥有更好的表型, 在盐胁迫、渗透胁迫和干旱条件下的转基因株系的根显著长于野生型, 且植株较野生型植株的绿叶率和叶绿素含量均升高、丙二醛含量降低, 差异均达到显著水平。由此推测, ZmNAT1基因可能参与玉米对干旱、盐等非生物逆境胁迫的应答。本研究为进一步解析ZmNAT1在玉米中的生物学功能提供了重要的参考依据。

耕作栽培·生理生化

宽幅精播下施氮量对冬小麦耗水特性和产量的影响

延飞龙, 张振, 赵俊晔, 石玉, 于振文

作物学报. 2024, (8):  2014-2024.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41004

摘要 ( 60 )   HTML ( 1 )   PDF (712KB) ( 59 )  

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为明确宽幅精播条件下冬小麦高产高效的适宜施氮量, 于2020—2022年在山东省兖州小麦试验站进行田间试验, 供试品种为济麦22。在宽幅精播条件下, 设置5个处理, 分别为不施氮(N0)、施氮150 kg hm^-2 (N1)、180 kg hm^-2 (N2)、210 kg hm^-2 (N3)、240 kg hm^-2 (N4), 研究施氮量对冬小麦耗水特性、旗叶衰老特性、荧光特性和籽粒产量的影响。结果表明, N2处理显著增加了60~120 cm土层土壤水分的吸收利用, 与N3和N4处理相比, N2处理有效减少了开花前无效分蘖的水分消耗, 降低了总耗水量。N2处理开花后日耗水量高, 显著增加了旗叶抗氧化酶活性, 其开花后14~28 d旗叶荧光参数显著高于其他处理。N2和N3处理籽粒产量和水分利用效率显著高于其他处理, 但N2处理氮肥农学效率最高, 较N1、N3、N4处理分别高6.88%、10.60%、45.37% (2020—2021年)和7.03%、13.56%、43.71% (2021—2022年)。综上所述, 施氮180 kg hm^-2处理可提高冬小麦对深层土壤水分的吸收利用, 增加开花至成熟期阶段耗水量, 延缓旗叶衰老, 提高籽粒产量与水氮利用效率, 是本试验条件下的最优处理。

滴灌条件下施氮量对不同氮效率水稻品种物质积累及养分吸收的影响

宋志文, 赵蕾, 毕俊国, 唐清芸, 王国栋, 李玉祥

作物学报. 2024, (8):  2025-2038.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32061

摘要 ( 66 )   HTML ( 1 )   PDF (1059KB) ( 80 )  

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研究滴灌条件下施氮量对不同氮效率品种关键生育时期干物质积累和氮素吸收转运及产量的影响, 为干旱半干旱区滴灌水稻高产高效生产提供技术参考。试验于2021—2022年开展, 以氮高效品种(T-43)和氮低效品种(LX-3)为供试材料, 采用裂区设计; 设置4个施氮水平, 分别为N0 (0 kg hm^-2)、N1 (150 kg hm^-2)、N2 (300 kg hm^-2)和N3 (450 kg hm^-2)。分析滴灌水稻在抽穗期和成熟期干物质积累、氮素吸收利用及产量对施氮量的响应差异。结果表明: (1) 施用氮肥可以增加滴灌水稻干物质积累量(1.99%~26.02%)和氮素积累量(25.67%~97.69%), 提高水稻产量(23.75%~66.75%); 但过量施氮(450 kg hm^-2)会减小对干物质积累的促进作用, 导致结实率和穗粒数下降, 使氮素主要集中在秸秆中, 最终降低水稻对氮素的利用效率。(2) 在同一施氮条件下, T-43的有效穗数、结实率、抽穗期叶片和穗部干物质及氮素积累量均高于LX-3 (分别为1.65%~5.19%、0.42%~8.47%、7.61%~19.68%、19.81%~40.73%、19.81%~30.23%和20.14%~49.65%), 最终产量高于LX-3 (4.23%~28.47%)。(3) 氮素利用效率对施氮量的响应存在品种间差异(P<0.05)。与LX-3相比, T-43有更高的氮肥农学利用效率、氮素回收率和氮肥偏生产力(分别高1.05%~25.23%、5.86%~20.05%和10.09%~18.01%)。综上所述, 在滴灌栽培条件下, 选用氮高效品种(T-43), 配施300 kg hm^-2氮肥表现出更佳的氮素吸收转运能力和更高的产量, 能更好地利用养分资源, 是本试验最佳的品种和施氮量组合方式。

根际微生物响应再生稻衰老的演变特征及其延效机制

郭春林, 林满红, 陈婷, 陈鸿飞, 林文芳, 林文雄

作物学报. 2024, (8):  2039-2052.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32047

摘要 ( 48 )   HTML ( 2 )   PDF (7456KB) ( 13 )  

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探索根际微生物响应再生稻生育后期植株衰老进程的菌群演变规律及其生态对策是防止作物早衰发生, 促进耕地土壤肥力和作物生产力协同提升的关键。本研究选用2个具有亲缘关系的常规再生稻品种黄华占(Huanghuazhan, HHZ)和丰华占(Fenghuazhan, FHZ)为供试材料, 采用高通量测序等方法研究再生稻生育后期根际菌群随植株衰老进程而发生的多样变化、菌群演变生态策略和物种间生态位关系。结果表明, 2个具有紧密亲缘关系的供试品种其生育后期的自然衰老变化趋于一致。但在同等施肥条件下, 丰华占生育后期的所有相关生理指标衰败速度均明显高于黄华占, 即呈现早衰现象, 并显著影响其头季和再生季稻的干物质积累与籽粒灌浆结实, 进而减产。进一步分析结果证实, 根际微生物多样性与再生稻植株的衰老进程紧密关联, 具体表现在随着再生稻生育后期的推进, FHZ根际微生物多样性Chao 1指数和Shannon指数下降幅度更大, 根际微生物生态位宽度变小。进一步分析发现, HHZ头季稻成熟期较FHZ头季稻成熟期根际土壤显著提高了地杆菌属(Geobacter)、卤囊菌属(Haliangium)、亚硝酸盐氧化菌属(Candidatus_Nitrotoga)以及硝化螺菌属(Nitrospira)的相对丰度(0.61%、0.17%、0.42%和0.045%); 而在慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)以及芽单胞菌属(Gemmatimonas)上HHZ较FHZ显著下降了0.29%、0.76%和0.15%; HHZ根际上调的微生物在土壤的营养循环和有效性转化上起到重要功能作用, 其根际土壤微生物生态位宽度比FHZ高36.81%, 反映了根际微生物对资源利用的差异, 是微生物适应土壤胁迫环境的生物印迹。本研究认为植物早衰发生是根际微生物生态对策的结果, 再生稻头季植株根际土壤微生物群落结构差异对其再生季具有显著的延效作用。因此, 加强再生稻头季后期的根际调控, 强化根际土壤微生物菌群的合理构建, 促进根际正效应形成, 是活化土壤营养环境, 防止再生稻早衰发生, 进一步提升再生季稻产量的关键。

不同品种玉米根-冠生长对土壤紧实胁迫的差异性响应特征

梁璐, 周宝元, 高卓晗, 王瑞, 王新兵, 赵明, 李从锋

作物学报. 2024, (8):  2053-2066.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.33071

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黄淮海地区农业集约化和机械化发展导致土壤紧实问题日益加重, 限制玉米产量的进一步提升。明确不同品种玉米根系和地上部生长对土壤紧实胁迫的差异性响应特征, 可为该区玉米高产栽培提供理论依据。本研究选用3个玉米品种, 采用机械碾压的方法在同一田块模拟无紧实胁迫(NC: no compaction stress, 容重1.0~1.3 g cm^-3)、中度紧实胁迫(MC: moderate compaction stress, 容重1.4~1.5 g cm^-3)和重度紧实胁迫(HC: heavy compaction stress, 容重>1.6 g cm^-3) 3个紧实程度处理, 定量解析不同程度土壤紧实胁迫下不同品种玉米根冠生长各指标及产量的变化规律。结果表明, 与NC相比, MC和HC处理导致玉米减产3.8%~10.3%和12.5%~33.3%。玉米根冠生长及产量形成对土壤紧实胁迫的响应存在基因型差异。MC处理下, DK517的根长、根干重及根冠比较ZD958和DH605分别提高6.0%和14.0%、15.7%和29.6%、18.8%和24.8%, 但最大叶面积指数、植株总干物重和产量无显著差异; HC处理下, DK517的根长和根干重较ZD958和DH605分别提高8.4%和22.5%、29.6%和57.8%, 且最大叶面积指数、植株总干物重和根冠比分别提高4.6%和15.5%、3.7%和20.9%、28.0%和32.1%, 因此产量分别增加7.5%和27.2%。相关分析表明, 土壤容重和贯穿阻力与玉米根冠生长各指标和产量呈显著负相关关系(P<0.01)。综上所述, 土壤紧实胁迫会显著抑制玉米根系和地上部生长而造成减产, 但不同品种玉米根冠生长对不同程度土壤紧实胁迫的响应存在着差异, 重度土壤紧实胁迫下根冠生长均具有优势的品种能够维持较高的产量, 研究结果可为玉米品种改良和土壤紧实下耕作措施优化提供理论依据。

氮肥用量对玉米-油菜和水稻-油菜轮作模式下油菜产量及氮素吸收利用的影响

刘陈, 王昆昆, 廖世鹏, 杨佳群, 丛日环, 任涛, 李小坤, 鲁剑巍

作物学报. 2024, (8):  2067-2077.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34181

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旱-旱和水-旱轮作是我国长江流域冬油菜的典型种植模式, 氮养分缺乏是油菜产量主要限制因子。利用2016—2023年在湖北省武汉市布置的裂区同田对比定位试验, 探究氮肥用量对不同轮作模式下油菜产量和氮素吸收利用的影响差异, 为科学施氮提供依据。试验设计的主处理为旱地油菜(玉米-油菜)和水田油菜(水稻-油菜) 2种轮作模式, 副处理为4个氮肥用量(0 kg N hm^-2、75 kg N hm^-2、150 kg N hm^-2、225 kg N hm^-2), 分析了油菜产量、产量构成因子和氮素积累量等相关指标。7年试验结果表明, 旱地和水田油菜的产量和氮素吸收在不同氮肥投入下的响应存在差异。当不施氮或低施氮(75 kg N hm^-2)时, 水田油菜产量显著高于旱地油菜, 分别高出53.9%和20.8%, 地上部氮素积累量分别高出57.8%和18.3%; 当施氮量为150 kg N hm^-2时, 2种轮作无显著差异; 在高施氮(225 kg N hm^-2)时, 旱地油菜产量和氮素积累量较水田分别增加11.2%和16.0%。旱地油菜的氮肥农学利用效率、贡献率和表观利用率较水田油菜分别平均增加16.5%、20.5%和22.0%, 氮肥对旱地油菜的增产潜力更大, 但水田油菜季土壤基础氮素供应量较旱地高61.5%, 对氮肥的依赖性更小。综上, 增加氮肥用量显著提高了油菜产量和氮素积累, 水田油菜在低氮投入下表现出较高的稳产性, 而旱地油菜在较高氮投入下丰产潜力更高。因此, 在实际生产中应根据不同轮作模式调整油菜施氮量, 旱地油菜可以适当增加氮肥用量以获得高产, 水田油菜要充分利用土壤供氮能力适当控制氮肥用量, 以达到油菜高产高效生产和氮肥高效利用的目的。

干旱条件下深施肥对春小麦旗叶生态化学计量特征及其光合碳同化的影响

梁进宇, 尹嘉德, 侯慧芝, 薛云贵, 郭宏娟, 王硕, 赵绮志, 张绪成, 谢军红

作物学报. 2024, (8):  2078-2090.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31074

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深施肥能提高旱地作物的水肥利用效率, 是作物增产的重要技术途径之一, 但目前对其营养生理机制, 尤其是从旗叶生态化学计量特征的角度缺乏系统研究分析。本研究采用桶栽定量控制试验的方法, 在2021—2022年以‘陇春35号’为供试品种, 设置30 cm深施肥(D30)、15 cm浅施肥(D15)和不施肥(CK) 3个处理, 研究不同处理对春小麦挑旗至灌浆期春小麦旗叶碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及生态化学计量特征(C/N、C/P、N/P)的影响, 揭示春小麦旗叶养分含量及生态化学计量特征对旗叶SPAD值、P_n、地上部干物质积累、地上部生长速率、产量形成的影响。结果表明, 灌浆期D30旗叶C/N值较D15和CK分别降低2.1%~6.4%、5.4%~10.2%; C/P值分别降低3.8%~5.2%、5.4%~6.0%; 2021年N/P值分布提高1.4%和4.1%, 2022年N/P值分别降低1.6%和0.2%。灌浆期D30旗叶SPAD值较D15和CK分别提高1.8%~6.5%、15.5%~18.2%; P_n分别提高21.6%~27.0%、28.5%~36.6%。扬花至灌浆期D30地上部生长速率较D15和CK分别提高22.1%~41.2%、68.4%~80.8%。成熟期D30地上部干物质积累量较D15和CK分别提高10.6%~11.1%; 产量分别提高15.7%~16.0%、46.5%~49.3%。D30氮肥贡献率较D15提高46.6%~52.4%; 氮肥偏生产力提高15.7%~16.0%; 氮肥农学效率提高69.6%~76.7%。相关性分析表明, 灌浆期春小麦旗叶C、N、P含量与旗叶SPAD值、P_n、地上部干物质积累呈正相关; 旗叶生态化学计量特征与旗叶SPAD值、P_n、干物质积累呈负相关。因此, 在干旱条件下30 cm深施肥通过提高春小麦挑旗至灌浆期旗叶C、N、P含量, 延缓扬花期后旗叶N、P含量的降低, 优化旗叶生态化学计量特征, 降低N、P对春小麦旗叶光合作用的限制, 提高春小麦旗叶P_n和地上部生长速率, 并且延缓旗叶衰老, 促进产量增加。

长江流域迟播甘蓝型油菜播种期和播种量优化配置研究

娄洪祥, 黄肖玉, 江萌, 宁宁, 卞孟磊, 张磊, 罗东旭, 秦梦倩, 蒯婕, 汪波, 王晶, 赵杰, 徐正华, 周广生

作物学报. 2024, (8):  2091-2105.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34166

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为解决长江流域稻油茬口矛盾, 提高冬闲田利用率, 亟须迟播油菜(10月25日之后播种)配套技术研究。本研究以早熟品种‘华油杂137’为材料, 在湖北武汉进行2年播种期(10月25日至11月15日间, 各播种期间隔3 d, 用S1~S8表示)和播种量(2.5、5.0、7.5、10.0和12.5 kg hm^-2, 用R1~R5表示)单因素试验, 考察生育期、成苗动态、农艺性状、产量和倒伏指标, 统计有效积温, 通过线性回归和平滑曲线拟合分析, 优化播种期和播种量的配置参数, 为迟播油菜生产提供技术支撑。结果表明, (1) 播种期推迟, 迟播油菜的生育期缩短、根颈粗降低、分枝数减少、产量降低且茎秆倒伏指数增加; 4个生育期中, 苗期和花期有效积温与产量呈极显著正相关。(2) 播种量增加, 各生育期成苗数和收获密度提高, 但生育期缩短、有效积温减少, 角果层厚度降低、倒伏指数先降后增、产量呈先增后降趋势。(3) 2年不同播种期产量数据回归分析表明, 播种期推迟至S3~S4时, 越冬前有效积温保持在317.1℃以上, 苗期有效积温达401.1℃, 终花35 d收获产量可达2700.0 kg hm^-2, 倒伏指数为1.5左右; 2年不同播种量产量数据平滑曲线拟合分析表明, 不同播种量下收获密度与产量呈抛物线关系, 收获密度为64.2×10⁴株 hm^-2时终花35 d收获产量达峰值, 为2948.5 kg hm^-2, 而倒伏指数为1.6。综上, 配置7.5~10.0 kg hm^-2的播种量确保收获密度达64.2×10⁴株 hm^-2, 抢时播种确保冬前有效积温达317.1℃, 可显著提高迟播油菜产量与抗倒性。

秸秆还田方式与播种深度对夏直播花生土壤物理性状与出苗特性的影响

朱荣昱, 赵蒙杰, 姚云凤, 李艳红, 李向东, 刘兆新

作物学报. 2024, (8):  2106-2121.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34215

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为探讨播种深度及不同小麦秸秆还田方式下对土壤物理性状、花生下胚轴生长动态以及出苗率的影响, 通过设置小麦-花生周年定位试验, 花生季采用裂区试验设计, 主区为小麦秸秆还田方式, 包括翻耕还田(P)、旋耕还田(R)、免耕覆盖(N); 裂区为花生品种, 试验选用大粒花生品种山花108 (B)与小粒花生品种山花106 (S); 裂裂区为播种深度, 2021年设置3 cm (3)、5 cm (5)、9 cm (9)、15 cm (15), 2022年设置3 cm (3)、6 cm (6)、9 cm (9)。结果表明, 翻耕还田和旋耕还田提高了土壤温度, 但降低了土壤含水量; 免耕覆盖处理显著增加了6 cm以下土层的土壤紧实度; 相同秸秆还田方式下, 两品种均表现为适当浅播(播深3 cm和6 cm)显著提高了出苗率, 深播(播深>9 cm)处理增加了下胚轴伸长速率, 提高了子叶脂肪酶活性, 降低了子叶干重、子叶中蔗糖与可溶性糖的含量, 与PB3相比, PB6和PB9子叶可溶性糖和蔗糖含量分别下降19.72%和39.43%和14.15%和40.23%; 与PS3相比, PS6、PS9子叶可溶性糖和蔗糖含量分别下降10.08%、24.84%和20.04%、37.08%, 说明深播增加了出苗过程中子叶养分消耗; 相同播种深度下, 翻耕还田和旋耕还田的籽粒产量显著高于免耕覆盖; 增加播种深度, 各秸秆还田方式下单位面积株数以及单株结果数均显著降低, 与PB6相比, PB3和PB9处理荚果产量分别降低7.47%和14.94%; 与PS3相比, PS6和PS9处理荚果产量分别降低11.66%和24.03%。因此, 秸秆翻耕还田处理有利于改善土壤结构, 缩短花生出苗时间, 提高出苗率以及花生荚果产量, 在此条件下大粒型花生与小粒型花生的适宜播深分别为5~6 cm与3 cm。

研究简报

大豆萌发期耐盐性鉴定方法建立及耐盐大豆资源筛选

刘欣玥, 郭潇阳, 王欣茹, 辛大伟, 关荣霞, 邱丽娟

作物学报. 2024, (8):  2122-2130.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44006

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土壤盐渍化会影响大豆萌发和生长, 筛选萌发期耐盐大豆种质对于耐盐大豆品种选育及盐渍土利用意义重大。本研究以8份代表性大豆种质为材料, 蛭石为培养基质, 用150 mmol L^-1 NaCl进行盐胁迫处理, 以水处理作为对照, 测量2 d和3 d的大豆发芽率和芽长, 旨在建立大豆萌发期耐盐性鉴定指标和评价方法。与对照相比, 盐胁迫下大豆发芽率和芽长均下降。盐处理2 d不同种质间相对发芽率、相对芽长无显著差异, 盐处理3 d相对芽长差异显著, 可用以进行不同大豆萌发期耐盐性评价。以150 mmol L^-1 NaCl对48份大豆种质进行盐处理, 3 d相对芽长作为评价指标, 将萌发期耐盐性划分为5级, 1级为高度耐盐型, 2级为耐盐型, 3级为中度盐敏感型, 4级为盐敏感型, 5级为高度盐敏感型。鉴定出萌发期高度耐盐种质5份, 耐盐种质12份。同时对48份种质进行出苗期和苗期耐盐性鉴定, 鉴定出3份从萌发期到苗期均耐盐的种质, 分别为中黄685、黑农94和东生104。本研究建立了一套室内大豆萌发期耐盐性鉴定方法, 为耐盐种质鉴定利用奠定了基础。

甘蔗硝酸盐转运蛋白1/肽转运蛋白家族6.4基因(ScNPF6.4)克隆及其调控分蘖功能分析

李旭娟, 李纯佳, 田春艳, 孔春艳, 徐超华, 刘新龙

作物学报. 2024, (8):  2131-2142.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44002

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甘蔗(Saccharum spp. hybrid)是重要的糖料和能源作物, 分蘖是影响其产量的重要性状之一。硝酸盐转运蛋白1/肽转运蛋白家族(NITRATE TRANSPORTER 1 (NRT1)/PEPTIDE TRANSPORTER (PTR) family, NPF)成员在植生长发育中发挥重要作用, 甘蔗中NPF基因的挖掘利用可为甘蔗品种分蘖遗传调控和产业升级奠定重要基础。本研究通过前期转录组数据结合反转录PCR (reverse transcription PCR, RT-PCR)从甘蔗品种ROC22中获得其NPF家族成员6.4基因的cDNA全长序列(命名为ScNPF6.4), 并对其进行序列结构、理化性质、系统进化等分析, 然后开展了该基因在苗期甘蔗中的组织特异性、甘蔗腋芽萌发过程中的表达情况以及响应激素处理的表达模式分析, 最后将该基因遗传转化水稻过表达进行功能验证。结果表明, ScNPF6.4的cDNA包含1个1806 bp的开放阅读框, 编码601个氨基酸, 属于易化子超家族(major facilitator superfamily, MFS)蛋白, 其蛋白分子量为63.9 kD, 理论等电点为9.23, 包含12个跨膜螺旋区。该蛋白不存在信号肽, 具疏水性, 属于一类稳定的非分泌蛋白, 系统进化分析表明其属于NPF 6.4亚族蛋白。亚细胞定位分析表明该蛋白定位于内质网。组织特异性分析发现, ScNPF6.4在苗期甘蔗根中相对表达量最高, 在叶和茎基部相对表达量较低; ScNPF6.4在不同甘蔗品种腋芽萌发阶段均上调表达; 适量浓度的植物外源激素6-BA、ABA、GA₃、IBA、乙烯利和SLs均能诱导苗期甘蔗中ScNPF6.4的上调表达; 水稻中异位过表达ScNPF6.4可增加水稻分蘖数并提前孕穗。以上结果表明, ScNPF6.4正调控甘蔗分蘖芽萌发, 其表达受外源植物激素调控, 该基因过表达可增加水稻分蘖数并促进提前孕穗, 克隆该基因可为甘蔗分蘖早生快发高产育种提供重要的基因资源。

卷叶木薯及其突变体叶片的比较转录组分析

肖明昆, 严炜, 宋记明, 张林辉, 刘倩, 段春芳, 李月仙, 姜太玲, 沈绍斌, 周迎春, 沈正松, 熊贤坤, 罗鑫, 白丽娜, 刘光华

作物学报. 2024, (8):  2143-2156.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34168

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为解析卷叶木薯叶片异常发育的分子调控机制及代谢通路, 以正常卷叶木薯叶片(JY)、突变株展叶叶片(ZY)和突变株卷叶叶片(BJ)为试验材料, 基于转录组测序(RNA-seq)数据进行生物信息学分析。DESeq差异分析结果显示, ZY vs BJ、JY vs ZY、JY vs BJ分别有327 (255个上调, 72个下调)、1085 (337个上调, 748个下调)、689 (381个上调, 308个下调)个DEGs, 有19个DEGs是3个比较组共同表达的。GO功能分析显示, DEGs在刺激反应、膜的组成部分、跨膜转运蛋白活性等途径差异显著。KEGG富集分析显示, DEGs在苯丙素的生物合成、植物激素信号转导、内质网中的蛋白加工等通路较为活跃。进一步对变异展叶与同株的卷叶和其他植株正常卷叶的DEGs分析发现集中富集到苯丙素的生物合成途径、淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导, 这可能是展叶突变体形成的关键因子。展叶与卷叶差异基因的主要KEGG代谢通路有9条, 重要差异基因有9个。对不同类型叶片显微分析发现突变后的展叶木薯上表皮细胞层数增加、海绵组织结构变得疏松、维管束细胞减少。研究结果为进一步理解木薯叶片异常发育的分子机制提供了理论指导, 为木薯遗传改良、种质创新挖掘提供基因资源和改良策略。