当期目录

2024年 第50卷 第12期 刊出日期：2024-12-12

上一期   

综述

黄淮海地区夏玉米育种目标与策略

陈永强, 王雅菲, 谢惠玲, 张战辉, 黑洪超, 彭强, 杨雪利, 何革命, 汤继华

作物学报. 2024, (12):  2917-2924.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.43026

摘要 ( 433 )   HTML ( 143 )   PDF (554KB) ( 510 )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

黄淮海地区是我国第二大玉米产区, 位于亚热带向北温带的过渡区域, 具有全球唯一的小麦玉米周年两熟耕作制度, 特殊的生态环境和耕作制度对玉米品种的综合抗性与适应性提出了更高要求。本文详细分析了黄淮海地区玉米生产概况及存在问题, 明确了“高产、宜机收、早熟、耐密、耐非生物逆境、抗主要病虫害”的育种目标, 提出了黄淮海地区“降优(杂种优势)增密(密度)、增容(容重)扩率(脱籽率)、多重(基因)增抗(逆)、增(气生)根抗倒(伏)、提早散粉避高温”的育种策略, 同时要针对育种目标发掘优异基因资源, 加强核心种质资源创制, 建立基因编辑和全基因组选择等现代分子育种体系, 组建科研院校和企业从种质资源创新、高效育种体系建立和新品种选育与推广的全产业链科企创新模式, 进而选育出优良新品种为黄淮海玉米生产提供有效支撑。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

陆地棉CLE基因家族的鉴定及GhCLE13参与调控棉花抗旱性的功能分析

戎宇轩, 惠留洋, 王沛琦, 孙思敏, 张献龙, 袁道军, 杨细燕

作物学报. 2024, (12):  2925-2939.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44029

摘要 ( 301 )   HTML ( 132 )   PDF (8243KB) ( 434 )  

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CLAVATA3/Embryo surrounding region-related (CLE)小肽家族是植物中最大的小肽激素家族, 在植物中广泛存在, 且参与植物多个重要的生命活动。本研究对陆地棉CLE基因家族进行了鉴定, 并对GhCLE基因家族成员进行基因结构、启动子顺式作用元件、蛋白质理化性质、系统发育的分析; 通过RNA-seq数据构建了GhCLE基因家族成员在陆地棉各组织的表达谱及干旱处理下的表达模式, 并筛选在棉花根系特异表达且受干旱诱导的CLE基因; 最后通过VIGS技术对筛选出的GhCLE基因进行了抗旱功能的验证。结果显示,在陆地棉全基因组共鉴定出40个GhCLE基因, GhCLE基因结构较为简单, 32个GhCLE基因没有内含子, 所有基因编码的蛋白序列均包含12 aa的CLE结构域; GhCLE基因启动子区域包含多种光诱导响应、胁迫响应、激素响应和发育相关的顺式作用元件; GhCLE基因在陆地棉多个组织均有表达, 筛选出了1个根系特异表达且受干旱诱导的GhCLE13-D-2基因。通过VIGS技术和MDA含量的测定和比较验证了GhCLE13-D-2基因提高棉花的抗旱性的功能。本研究为CLE小肽在植物抗逆方面的深入研究以及棉花种质创新提供了新的理论依据。

TaEMF2调控小麦抽穗期的功能分析

武丽芬, 夏川, 张立超, 孔秀英, 陈景堂, 刘旭

作物学报. 2024, (12):  2940-2949.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41027

摘要 ( 230 )   HTML ( 111 )   PDF (4896KB) ( 251 )  

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适宜的抽穗期(开花时间)是作物获得高产和稳产的重要育种目标, EMF2是参与成花调控过程中的重要基因之一, 但该基因在小麦中的功能仍不清楚。本研究从普通小麦中克隆了水稻OsEMF2b的直系同源基因TaEMF2, TaEMF2-2D是一个细胞核和细胞质定位蛋白。敲除TaEMF2会推迟小麦的抽穗期, 过表达TaEMF2-2D会使小麦抽穗期提前。利用RT-qPCR检测小麦开花相关基因在TaEMF2转基因株系中的表达, 结果表明,VRN1和VRN3在敲除转基因株系中的表达水平显著下调, 在过表达株系中这2个基因的表达量则显著上调, 表明TaEMF2可能通过调控VRN1和VRN3的表达来影响小麦的抽穗期。

花生种皮类黄酮物质的代谢组与转录组分析

金欣欣, 苏俏, 宋亚辉, 杨永庆, 李玉荣, 王瑾

作物学报. 2024, (12):  2950-2961.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44057

摘要 ( 242 )   HTML ( 21 )   PDF (7493KB) ( 215 )  

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为探究不同颜色花生种皮的类黄酮物质成分及花青素生物合成对种皮颜色形成的调控机制, 本研究利用粉色、红色、白色、黑色以及花斑色(红色和白色)共5种颜色差异明显的花生品种, 对种皮进行类黄酮代谢组和转录组分析, 明确种皮花青素合成相关的关键代谢物和关键基因。结果表明,5种花生种皮共鉴定到329种类黄酮代谢物, 其中黄酮醇类物质相对含量及种类最多。共检测到19种花青素色苷, 主要是矢车菊素色苷、飞燕草素色苷、矮牵牛素色苷, 多以葡萄糖苷、桑布苷、芸香苷、半乳糖苷等糖苷修饰。黑色种皮花青素含量约是其他皮色的22.60~66.72倍。黑色种皮中以矢车菊素-3-O-桑布双糖苷相对含量最高。4种有色种皮分别与白色种皮相比, 差异代谢物主要在花青素生物合成、类黄酮生物合成、黄酮和黄酮醇生物合成、异黄酮生物合成途径中显著富集。有色种皮中, 类黄酮和花青素生物合成途径结构基因的高表达水平, 是促进种皮花青素积累的主要原因。花青素还原酶(ANR)和糖基转移酶(UGT)是参与种皮色素沉着的候选基因, 两者的活性以及对底物花青素的竞争, 最终决定花生种皮的颜色模式。本研究解析了类黄酮物质对花生种皮颜色合成的调控机制, 可为特色花生品种培育以及营养价值利用提供重要参考。

过表达水稻OsPIN2通过减弱地上部重力反应增大分蘖角度

吴佳俊, 涂燃冉, 张秋丽, 邹沁雯, 孙志豪, 王宏, 何光华

作物学报. 2024, (12):  2962-2970.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42021

摘要 ( 142 )   HTML ( 21 )   PDF (10448KB) ( 110 )  

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地上部向重力性与分蘖角度形成紧密相关, 解析其调控机制有助于合理设计分蘖角度, 从而促进作物株型改良。在水稻生长素输出载体基因OsPIN2过表达株系中鉴定到2个分蘖角度显著增大的株系OE-OsPIN2-1/2。扫描电镜观察显示OE-OsPIN2-1/2分蘖基部的近地端与远地端近乎对称生长。向重力性检测发现OE-OsPIN2-1/2幼苗地上部重力反应降低, 且重力刺激后生长素标志基因OsIAA20和WUSCHEL相关同源盒基因WOX6/11不对称表达减弱, 表明过表达OsPIN2减弱重力作用下的生长素不对称分布。此外, OE-OsPIN2-1/2分蘖基部参与重力反应的正调控基因下调表达而负调控基因上调表达, 进一步表明过表达OsPIN2能够减弱地上部重力反应。本研究结果揭示了OsPIN2通过调控地上部向重力性从而控制水稻分蘖角度的机制, 为深入研究植物地上部重力反应提供理论依据。

基于转录组分析的低铁胁迫下Bt棉苗杀虫蛋白表达量下降机制

王永慧, 贺江, 张向向, 娄向弟, 高进, 孙艳茹, 曹婷, 施洋

作物学报. 2024, (12):  2971-2983.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44071

摘要 ( 109 )   HTML ( 17 )   PDF (4351KB) ( 108 )  

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研究低铁对Bt棉杀虫蛋白含量的影响及其生理和分子机制, 可为Bt棉抗虫性安全表达提供理论参考。本文以转基因抗虫棉品种中棉50为试验材料, 设置正常铁(CK, 20.0 μmol L^-1)和低铁(LI, 0.1 μmol L^-1) 2个铁水平处理, 采用水培法研究了低铁胁迫下Bt棉苗期Bt杀虫蛋白含量变化及氮代谢生理特征, 通过转录组测序挖掘差异表达基因及其相关代谢途径, 并采用qRT-PCR方法对测序结果进行验证。结果表明,与对照处理相比, 低铁胁迫下Bt棉根和叶片中杀虫蛋白含量显著下降, 且根中杀虫蛋白含量下降幅度更大。低铁胁迫降低了叶片中NH4⁺-N和NO₃^--N含量, 降低根和叶片中可溶性蛋白含量和全氮含量。根和叶片中硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和谷氨酸合成酶活性的变化趋势与Bt杀虫蛋白含量表现一致。转录组结果表明, 根和叶片中分别鉴定出11,661个和8972个差异表达基因, 其中有1652个差异表达基因在根和叶片中均下调表达。GO注释表明, 低铁处理根和叶片中差异基因的功能都主要富集于刺激反应、细胞壁、质膜、结合、氧化还原活性等。KEGG富集分析显示, 苯丙烷类物质生物合成、苯丙氨酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、激素信号转导、玉米素生物合成、氮代谢、淀粉和蔗糖代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢和酪氨酸代谢等途径在根和叶片中均发生显著变化。低铁胁迫下与氮素还原、同化途径相关的NR、NiR1和GLT1基因表达显著下调。以上结果表明, 低铁胁迫会抑制Bt棉氮代谢相关基因的转录水平, 减弱氮代谢的生理活性, 抑制Bt杀虫蛋白的合成。

山西谷子种质资源株高全基因组关联分析

阳世杰, 王华智, 潘怡敏, 黄蕊, 侯森, 秦慧彬, 穆志新, 王海岗

作物学报. 2024, (12):  2984-2997.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44070

摘要 ( 146 )   HTML ( 25 )   PDF (7061KB) ( 238 )  

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适宜的株高能够有效增强谷子养分利用效率和抗倒伏能力。本研究以313份山西谷子地方品种微核心种质为关联群体, 在5个环境下调查谷子株高, 对其进行全基因组深度重测序, 数据质量控制后得到均匀分布于谷子9条染色体的3,160,066个SNP标记, 进行株高全基因组关联分析(GWAS)。共定位到8个与株高显著关联的QTL位点, 单个位点表型变异解释率为7.13%~12.08%。在8个稳定QTL位点上下游各25 kb的置信区间内共发现40个候选基因, 结合基因注释信息等筛选到6个候选基因, 主要参与激素合成、细胞分裂调控、信号转导和糖类物质代谢等途径, 并通过单倍型分析发现候选基因Millet_GLEAN_10031852的一个优异单倍型Hap2可以有效降低株高。

代谢组和转录组分析籼稻福香占干旱胁迫的分子响应

王颖姮, 崔丽丽, 蔡秋华, 林强, 吴方喜, 陈飞鹤, 谢鸿光, 朱永生, 陈丽萍, 谢华安, 张建福

作物学报. 2024, (12):  2998-3012.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42023

摘要 ( 187 )   HTML ( 23 )   PDF (9180KB) ( 283 )  

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干旱是影响农业生产最重要的原因之一。本研究以优质香稻福香占为材料, 对其苗期干旱响应的生理指标、激素代谢物及基因表达调控网络进行分析。干旱处理后, 福香占干旱存活率、抗氧化酶活性高于恢复系明恢63、明恢86和干旱敏感的丽江新团黑谷, 但电导率较低且过氧化物累积较少。IAA、ICA、ABA、cZ和SA等5种激素的代谢物含量上升, tZ、DHZ、GA1、JA等11种激素的代谢物含量下降。6118个差异表达基因(DGEs)中有2615个上调、3503个下调, 涉及了光合作用、能量代谢、转录调控、氧化还原、离子结合等生物学过程和氨基酸、糖、脂肪酸、激素等合成代谢及植物激素信号转导等相关途径。激素代谢组和转录组学分析同时鉴别出植物激素信号转导、玉米素生物合成、类胡萝卜素生物合成和色氨酸代谢4个KEGG代谢通路, 并构建了差异表达基因调控网络。转录因子、抗氧化酶基因、渗透调节等相关的28个干旱应答关键基因在福香占干旱处理后的表达量均上调。福香占受干旱胁迫后, 激素水平发生了变化; 抗逆应答的基因表达量均上调, 包括转录因子、抗氧化系统基因、渗透调节及其他耐旱基因; 抗氧化酶活性相关生理指标发生改变。研究结果有助于进一步挖掘抗旱基因, 服务水稻抗旱育种。

生育期基因E1~E4不同突变组合对大豆纬度适应性的影响

方然, 袁丽媚, 王玉林, 芦思佳, 孔凡江, 刘宝辉, 孔令平

作物学报. 2024, (12):  3013-3024.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44060

摘要 ( 109 )   HTML ( 19 )   PDF (4524KB) ( 75 )  

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大豆作为重要的油料作物, 是人类优质蛋白和食用油的主要来源之一。大豆产量、种子品质和生育期性状密切相关, 生育期性状主要受一系列生育期相关基因的控制。本研究以Harosoy为遗传背景创制了E1~E4不同基因组合的16种近等基因系材料, 种植在河北石家庄和安徽合肥试验田, 调查了生育期、品质及产量性状, 以此来了解E1~E4不同突变组合对中纬度种植区域的适应性。研究结果表明, 16种近等基因系材料, 对光周期敏感程度不同, 开花期存在差异, WT和e4单突近等基因系由于晚花晚熟、产量低, 不适合在石家庄种植, 而所有的近等基因系在合肥种植时均能正常成熟。E1~E4不同等位基因组合还影响株高、节间距、单株产量、品质等农艺性状。本研究发现, 在长日照条件下, e3或e4单独突变可以提前开花, 同时还会使大豆产生避荫反应, 株高增高、节间距变大。测量种子的蛋白质、油分和蔗糖含量时发现, WT材料在较高纬度的石家庄地区种植时, 种子不能正常成熟, 含油量最低, 而蔗糖的含量最高。整体来看, 其余近等基因系的种子在石家庄地区种植时总油分、蔗糖含量高于合肥, 而蛋白含量总体低于合肥地区。因此, 在评估大豆品种的纬度适应性时, 需综合考察生育期基因对光周期敏感性、品质和产量的影响。

小麦籽粒大小相关基因TaCYP78A17的功能标记开发

张天星, 李梦, 吴林楠, 赵惠贤, 胡胜武, 马猛

作物学报. 2024, (12):  3025-3034.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41009

摘要 ( 150 )   HTML ( 22 )   PDF (923KB) ( 157 )  

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籽粒大小是影响小麦产量的重要因素之一。为了开发小麦籽粒大小相关的功能标记, 本研究克隆得到一个潜在籽粒大小相关基因TaCYP78A17, 并对其进行了系统进化、表达模式、等位变异分析和功能标记开发。结果表明,TaCYP78A17基因是小麦细胞色素P450 CYP78A家族的一员, 且在小麦幼穗和籽粒中高表达; 在30份普通小麦品种中发现TaCYP78A17-Ap存在6个SNP和2个InDel; 根据InDel 4和InDel 8开发功能标记InDel-A17, 可将30份普通小麦品种分为TaCYP78A17-Ap-HapI, TaCYP78A17-Ap-HapII和TaCYP78A17-Ap-HapIII三种单倍型; 利用该功能标记在323份普通小麦品种中进行验证, 发现该功能标记可以有效区分上述3种单倍型; 表型调查发现具有TaCYP78A17-Ap-HapI单倍型的小麦其千粒重和籽粒大小显著高于具有TaCYP78A17-Ap-HapII或TaCYP78A17- Ap-HapIII单倍型的小麦。研究结果有望应用于小麦分子标记辅助选择育种。

155份蚕豆种质资源全生育期耐盐碱性鉴定与综合评价

范惠玲, 白生文, 路妍, 彭小星, 周仙莉, 张红岩, 滕长才, 武学霞, 刘玉皎

作物学报. 2024, (12):  3035-3045.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44067

摘要 ( 156 )   HTML ( 20 )   PDF (9034KB) ( 264 )  

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土壤盐渍化是影响蚕豆生长的重要非生物胁迫之一。蚕豆耐盐碱性种质鉴定为挖掘耐盐碱基因和耐盐碱品种选育奠定基础, 对利用盐碱地具有重要意义。本研究对155份国内外蚕豆种质全生育期利用基质+混合盐碱(9 g L^-1 NaCl+Na₂CO₃+Na₂SO₄, pH 10.5)进行胁迫处理。测定了成苗率、盐害指数、株高、鲜重、干重、叶绿素含量和氮含量7个指标, 采用相关性、主成分、隶属函数和系统聚类分析, 对各种质的耐盐碱性进行了综合评价和归类, 并采用逐步回归分析建立了耐盐碱性预测回归方程。结果表明,(1) 筛选出耐盐碱(20≤盐害指数<40)蚕豆种质3份, 占1.94%; 中耐盐碱(40≤盐害指数<60)种质8份, 占5.16%; 未发现高耐盐碱(盐害指数<20)蚕豆种质。(2) 盐害指数与株高、鲜重、干重、叶绿素含量和氮含量呈极显著负相关(P < 0.01)。(3) 鲜重、株高、盐害指数、叶绿素含量和成苗率5个指标可以作为蚕豆全生育期耐盐碱鉴定评价指标。(4) 155份蚕豆种质可分为2大类群, 其中耐盐碱种质类群具有较高的成苗率、生物量、含氮量和叶绿素含量。研究结果可为蚕豆耐盐碱机理研究、耐盐碱基因挖掘和耐盐碱品种的选育提供可靠的材料。

大麦稃壳白化突变性状的遗传解析

孙曼, 安朝丹, 高广奇, 郭杰, 杨平, 蒋枞璁

作物学报. 2024, (12):  3046-3054.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41014

摘要 ( 122 )   HTML ( 14 )   PDF (3215KB) ( 150 )  

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大麦(Hordeum vulgare L.)稃壳是在小穗上包裹种子的花器官, 包括内稃和外稃。大麦稃壳具有光合作用能力, 为籽粒发育提供部分营养物质。通过EMS诱变获得的大麦稃壳白化突变体, 其稃壳明显呈白色, 叶枕、茎节和茎基部均呈白化变异, 但叶片和芒均为绿色。本研究对稃壳白化突变性状进行鉴定和遗传分析, 发现该突变性状由单个隐性基因控制; 通过候选基因测序及竞争性等位基因特异性PCR (KASP)共分离检测, 证实该白化突变是由基因HvGLK2的功能缺失所致; 并在HvGLK2基因上鉴定到3个独立突变事件, 均与已发表的大麦alm1和ebu-a等白化变异不同。HvGLK2基因编码一个Golden 2-like (GLK)转录因子, 为MYB基因家族GARP亚家族成员, 在多数的单、双子叶植物中均存在另一个同源基因GLK1。通过公共数据库检索HvGLK2基因的表达谱数据, 发现HvGLK2在大麦衰老叶片、外稃及穗轴中高丰度表达。本研究明确了HvGLK2基因对大麦稃壳和茎节等组织叶绿素合成的关键作用, 相关的稃壳白化突变体为稃壳光合作用对产量形成的机制研究提供了理想材料。

耕作栽培·生理生化

低温胁迫对水稻胚芽中葡萄糖和水分状态的影响及其与种子出苗成活间的关系

郑广杰, 叶昌, 徐春梅, 陈松, 褚光, 陈里鹏, 章秀福, 王丹英

作物学报. 2024, (12):  3055-3068.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42014

摘要 ( 142 )   HTML ( 16 )   PDF (5236KB) ( 168 )  

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为了探明低温逆境下水稻种子出苗成活的品种间差异, 解析水稻芽苗期耐低温机理, 本研究以4个低温耐性不同的品种为试验材料, 设置低温和常温2个处理, 分析了水稻出苗过程中种子和胚芽组织的碳水化合物含量、含水量, 种子的α-淀粉酶、胚芽蔗糖合酶和抗氧化酶活性, 胚芽的过氧化氢与丙二醛含量随时间的变化, 及其与胚芽存活率的相关性。研究发现, 低温下冷敏感品种中嘉8号(S1)、中嘉早17 (S2)胚芽的葡萄糖含量、抗氧化酶(SOD、POD、CAT)比蛋白活性在低温4 d后显著下降, 而H₂O₂、MDA含量逐渐增加, 其胚芽尖端逐渐枯死卷曲; 而耐冷品种日本晴(T1)、耘两优玖48 (T2)的胚芽葡萄糖含量维持在一个较高水平, 抗氧化酶(SOD、POD、CAT)比蛋白活性、H₂O₂、MDA含量也都保持不变, 其胚芽保持挺立生长状态。分析发现低温抑制了种子的α-淀粉酶活性, 但增加了胚芽的蔗糖合酶活性; 低温延缓了耐冷品种T1和T2的胚根向种子根发育的进程, 却抑制了冷敏感品种S1和S2胚根的发育, 低温下冷敏感品种S1、S2的根系活力显著低于耐冷品种T1、T2, 冷敏感品种S1、S2种子和胚芽的含水量随低温时间的延长不断降低, 而耐冷品种T1、T2相对稳定。相关分析发现, 胚芽的存活率与胚芽和种子的葡萄糖含量、含水量和胚根的长度、体积、活力呈极显著正相关, 但与种子中淀粉和胚芽中蔗糖的含量呈极显著负相关。外源增加S1、S2的水分供应能够显著地提高种子和胚芽在低温下的存活率。上述结果表明, 在种子出苗过程中, 低温胁迫在抑制种子α-淀粉酶活性的同时, 也抑制了胚根的生长发育, 降低了根系向种子和胚芽运输水分的能力, 导致种子中淀粉和胚芽中蔗糖的分解能力下降, 胚芽葡萄糖供应不足, 使得胚芽抗氧化代谢失衡、存活率降低, 而外源增加水分供应可在一定程度上提高低温下胚芽的存活率。

种植方式与施氮量对杂交籼稻养分吸收特性及根系活力的影响

王成, 马杨明, 王春雨, 李志欣, 罗健升, 彭政岚, 刘儒宏基, 黄兴海, 曹云, 彭政菠, 马均

作物学报. 2024, (12):  3069-3082.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42012

摘要 ( 175 )   HTML ( 25 )   PDF (749KB) ( 194 )  

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为探明不同种植方式与施氮量对杂交籼稻养分吸收特性、产量及根系活力的影响, 以杂交籼稻F优498为试验材料, 采用二因素裂区设计, 主区为3种种植方式(毯苗机插、湿润精量穴直播和人工移栽), 副区为4个施氮量(0 kg hm^-2、90 kg hm^-2、135 kg hm^-2和180 kg hm^-2), 探究F优498在不同处理下对养分积累、根系活力、产量及其构成因子的影响。结果表明,水稻抽穗期及成熟期的氮积累量均为人工移栽>机插>直播, 拔节期磷积累总量和抽穗期钾积累总量均为人工移栽最大, 拔节前直播稻的氮、磷和钾积累速率最高, 分别比机插和人工移栽高40.68%~63.64%和19.42%~71.43%, 不同种植方式下均在拔节至抽穗期养分积累速率达到最大; 人工移栽和机插方式下水稻产量差异不显著, 直播与人工移栽相比, 减产8.09%~15.00%, 人工移栽的水稻千粒重、穗粒数和结实率均高于机插和直播, 但有效穗数显著降低, 分别比机插和直播低15.99%~41.77%和23.19%~29.60%, 施氮后产量的显著提高是由于提高了单位面积有效穗数和每穗粒数; 各种植方式的地上部和根系干物重分别在成熟期和抽穗期达到最大, 就不同施氮量而言, 施氮处理的群体根系干物重显著高于不施氮处理; 水稻抽穗后单茎和群体伤流强度降低, 机插的单茎及群体根系活力显著高于人工移栽和直播。机插稻施氮量在中低氮水平(90~135 kg hm^-2)较适宜, 直播稻和人工移栽稻施氮量在中高氮水平(135~180 kg hm^-2)较适宜。

基于改进Pix2Pix-HD网络的多品种水稻生长可视化预测方法

段凌凤, 王新轶, 王治昊, 耿泽栋, 卢运瑞, 杨万能

作物学报. 2024, (12):  3083-3095.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42016

摘要 ( 150 )   HTML ( 12 )   PDF (6794KB) ( 127 )  

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植物生长建模与预测能模拟植物的生长过程, 有助于生理学家和植物学家分析植物未来的生长模式, 缩短试验周期、降低试验成本, 受时间和条件限制的植物试验与研究指导。生长可视化预测能提供未来生长时间点的植物图像, 能更逼真、直观地描述植物的生长过程。水稻作为重要的粮食作物, 实现水稻的生长可视化预测, 对水稻生长发育分析具有十分重要的意义。针对传统作物生长预测方法存在的视觉真实度和可视化效果较差等问题, 本文提出了一种基于改进Pix2Pix-HD模型的多品种水稻生长可视化预测方法, 利用数据驱动的方式, 实现了对水稻抽穗期到灌浆期的高分辨率生长可视化预测, 通过水稻抽穗期的图像预测灌浆期水稻生长图像。方法评估中,本文从视觉相似性、表型准确性和不同尺度评估模型预测性能, 通过消融实验评估改进方法的有效性, 并与现有研究进行比较。结果表明,测试集预测的灌浆期水稻图像与真实灌浆期水稻图像之间的FID、PSNR和SSIM值分别达到24.75、13.58和0.78, 预测表型和真实表型相关系数的平均值为0.762, 在不同尺度上都能保持较好的准确性。本文提出的基于数据驱动的水稻生长预测方法能够实现高分辨率和高视觉真实性的水稻生长可视化预测, 为水稻生长预测提供了新思路。

精准条播育秧机插下侧深施肥对优质早籼稻产量、品质形成及氮素吸收的影响

江达仁, 熊若愚, 吴家青, 毛付琴, 冯俊杰, 陶磊, 谢小兵, 潘晓华, 曾勇军, 王亚梁, 曾研华

作物学报. 2024, (12):  3096-3106.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42017

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水稻作为中国的主要粮食作物, 通过高效栽培技术增产对保障国家粮食安全至关重要。侧深施肥和精准条播育秧技术是提高水稻机械化高效种植的关键措施。明确精准条播育秧机插下侧深施肥对水稻产量形成、稻米品质及氮素吸收的影响, 以期为南方稻区水稻机械化优质栽培提供理论依据。于2022—2023年连续进行2年大田试验, 以五丰优286为供试材料, 设置精准条播(PS)、传统撒播(BS) 2种机械播种育秧方式与侧深施肥(SF)、常规施肥(CK)两种施肥方式的二因素试验, 研究了不同处理对优质早籼稻秧苗素质、机插质量、产量形成、氮素吸收与稻米品质的影响。(1) 侧深施肥精准条播的产量显著最高, 与常规施肥相比, 侧深施肥处理产量增幅9.97%~19.62%; 相比传统撒播处理, 精准条播处理增产4.32%~6.29%, 主要得益于提高机插群体的有效穗数和均匀度。(2) 与传统撒播相比, 精准条播显著提高秧苗素质, 降低漏秧率5.6%~6.0%, 同时提高机插苗数均匀度22.0%~33.0%。(3) 精准条播与侧深施肥均提高水稻分蘖高峰苗数, 且增加生长期干物质积累量和叶面积指数, 与常规施肥相比, 侧深施肥显著提高成熟期干物质积累量15.71%~18.08%、叶面积指数19.15%~20.78%; 相较传统撒播, 精准条播显著提高成熟期干物质积累量4.56%~7.42%、叶面积指数8.08%~9.88%。(4) 在生育中后期(穗分化期—成熟期), 侧深施肥精准条播提高植株氮素积累量, 与常规施肥相比, 侧深施肥显著提高成熟期氮素积累量22.66%~28.24%; 相较传统撒播, 精准条播显著提高成熟期氮素积累量7.97%~11.76%。(5) 与常规施肥相比, 侧深施肥显著降低稻米垩白粒率10.63%~20.41%、垩白度13.63%~19.62%和直链淀粉含量8.08%~10.42%, 但提高蛋白质含量10.98%~11.25%。精准条播育秧机插下侧深施肥能提高秧苗素质, 改善机插质量, 提高水稻分蘖成穗与生长发育特性, 以及氮素吸收量, 从而增加优质早籼稻产量; 同时, 改善稻米外观品质, 但增加稻米蛋白质含量。

微喷限水灌溉对冬小麦产量及水氮利用效率的影响

亢秀丽, 马爱平, 靖华, 赵玉坤, 崔欢虎, 席吉龙, 黄学芳

作物学报. 2024, (12):  3107-3117.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41010

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为探究微喷限水灌溉对冬小麦产量及水氮利用效率的影响, 在山西南部麦区设置正常微喷(S₀)、限水微喷(S₁)、过量微喷(S₂)、漫灌(F₀) 4个灌溉处理, 比较分析不同灌溉水平下麦田土壤贮水耗水特性、籽粒产量构成因素、植株氮素分配及水氮利用的差异化表现规律。结果表明,过量灌溉(S₂、F₀)处理0~200 cm土层贮水量显著高于S₀、S₁处理, 而S₀和S₁处理间无显著差异; 不同处理各土层贮水量均随灌水量增加而增加, 0~100 cm土层贮水量低于100~200 cm。4种灌溉方式下麦田0~200 cm土壤水耗水量在生育期总耗水量的占比区间为8.95%~48.48%, 该比例随灌水量增加而减小; 0~200 cm土壤水耗水最高处理为S₁, 而灌溉水耗水最高处理为F₀; F₀、S₂处理的100~200 cm土层耗水量显著低于S₀和S₁。在产量构成因素中, F₀、S₂处理的穗数显著低于S₀和S₁, 而千粒重高于S₀和S₁; 各处理冬小麦籽粒产量S₀>S₁>S₂>F₀, S₀和S₁处理间产量差异较小, 均显著高于F₀和S₂。各处理水分利用效率随灌水量增多而降低, 限水微喷S₁处理水分利用效率较其余灌溉处理高1.39~7.36 kg hm^-2 mm^-1。与正常微喷S₀相比, S₁处理的氮素吸收效率、氮素收获指数分别高1.64%和1.91%, 氮肥偏生产力略低(P > 0.05), 但两处理氮肥偏生产力均显著高于F₀和S₂。S₁处理的土壤氮素表观盈余量较其余灌溉处理低2.46%~21.01%, 而籽粒氮素积累量较其余处理高3.64%~ 31.39%。综上所述, 限水微喷灌溉能促进冬小麦对深层土壤水分的吸收和籽粒氮素积累, 优化灌溉制度, 提高水氮利用效率, 稳产增效, 同时可减少麦田土壤氮素盈余, 降低无机氮向下淋溶风险, 推进节水农业可持续健康发展。

稻油轮作下秸秆还田对土壤养分和作物产量的影响

车品高, 陈国徽, 曹国军, 高冰可, 陈艳芳, 熊文, 应治宏, 周庆友

作物学报. 2024, (12):  3118-3128.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32045

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为明确长江中下游稻油轮作区不同秸秆还田方式对土壤养分和作物产量的影响。试验于2016—2023年在江西省九江市的典型稻油轮作区进行了为期7年的秸秆还田定位试验, 设置稻油2季秸秆均不还田(CK)、仅油菜季水稻秸杆还田(T1)、仅水稻季油菜秸秆还田(T2)及稻油两季秸秆均还田(T3) 4个处理, 分别测定了2022年水稻季及2022—2023年油菜季各作物关键生育期地上部和地下部干物质含量、成熟期作物产量和土壤养分含量。结果表明,与不还田相比, 秸秆还田显著增加土壤pH、有机质及N、P、K等养分含量。以T3处理较为突出, 其在水稻季和油菜季分别显著提高土壤pH值9.7%和12.9%、碱解氮32.9%和25.5%、有效磷33.5%和24.3%、速效钾56.3%和58.6%、全氮22.9%和33.0%、有机质26.6%和50.8% (P < 0.05)。水稻干物质积累随生育期延长呈先增后降趋势, T2处理对干物质积累起到显著促进作用, 而T3处理对水稻生育前期干物质积累产生一定抑制。与不还田相比, 秸秆还田提高了水稻籽粒产量, 以T2增幅最大, 为13.9% (P < 0.05)。油菜干物质积累随生育期延长持续增加, 以T2处理对油菜干物质积累促进最显著。与不还田相比, T2处理油菜籽粒产量增幅最大, 为20.0% (P < 0.05)。相关分析表明, 速效钾与水稻结实率呈极显著正相关(r = 0.84^**, P < 0.01), 全氮和速效钾分别与油菜单株分枝角果数(r = 0.705^*, r = 0.623^*, P < 0.05)、油菜籽粒产量(r = 0.623^*, r = 0.690^*, P < 0.05)呈显著正相关, 表明秸秆还田提高了土壤全氮和速效钾含量可能是导致作物产量提高的主要原因。综合土壤养分、干物质积累及作物产量, 水稻季油菜秸秆还田表现最佳, 可在长江中下游区域进行推广与应用。

绿肥对减量施氮小麦籽粒产量和氮素利用的补偿机制

韦金贵, 毛守发, 江俞欣, 樊志龙, 胡发龙, 柴强, 殷文

作物学报. 2024, (12):  3129-3143.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41026

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针对西北绿洲灌区小麦连作普遍、化肥施用量较大及氮素利用率低等问题, 探究麦后复种绿肥对减量施氮小麦籽粒产量和氮素利用的补偿效应, 以期为构建减氮小麦高效生产技术提供理论依据。本研究依托始于2018年的定位试验进行, 2020—2022年期间采集数据。试验采用裂区设计, 主区设4种绿肥种植模式, 即麦后分别复种毛叶苕子混播箭筈豌豆(HCV)、箭筈豌豆(CV)、油菜(R)和麦后休闲(F); 副区为3种施氮水平: 试区习惯施氮量(N3, 180 kg hm^-2)、习惯施氮减量20% (N2, 144 kg hm^-2)、习惯施氮减量40% (N1, 108 kg hm^-2)。研究表明, 习惯施氮减量20%和40%显著降低了小麦籽粒产量和氮素吸收, 但麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆可补偿因减量施氮40%造成的籽粒产量和氮素吸收损失, 且麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆结合减量施氮20%提高小麦籽粒产量21.4%和氮素吸收6.9% (P < 0.05)。麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆可补偿因减量施氮40%造成的氮素利用率损失, 且其结合减量施氮20%氮素利用率提高13.4% (P < 0.05)。其补偿机制归因于: (1) 麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆在减量施氮40%条件下可补偿小麦氮素吸收速率, 提高氮素净同化速率34.3% (P < 0.05), 维持穗部氮素分配, 增加茎氮素转运率6.6% (P < 0.05)。(2) 与麦后休闲传统施氮量相比, 麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆结合减量施氮20%提高氮素平均吸收速率和氮素净同化速率7.2%和34.1% (P < 0.05), 增加灌浆初期至成熟期穗氮素分配6.7% (P < 0.05), 提高叶、茎氮素对穗的转运贡献率17.8%、8.9% (P < 0.05)。因此, 在干旱绿洲灌区, 麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆是实现小麦减氮40%的可行措施, 麦后复种毛叶苕子混播箭筈豌豆结合减氮20%可通过提高小麦氮素吸收速率和氮素净同化率, 提高叶、茎对穗的转运贡献率从而促进穗部氮素分配, 实现小麦产量和氮素利用率双提升。

研究简报

玉米突变体caspl2b2的耐盐特性评价及转录组分析

张锦辉, 肖姿仪, 李旭华, 张明, 贾春兰, 潘振远, 邱法展

作物学报. 2024, (12):  3144-3154.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.43017

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盐胁迫敏感突变体是研究作物耐盐遗传基础和分子机制的重要遗传材料。本研究以自交系LY8405和突变体caspl2b2为材料, 开展正常生长、盐胁迫条件下苗期表型鉴定和生理生化指标测定分析。结果表明,与LY8405相比, 盐胁迫下caspl2b2存活率显著降低, 地上部分生长显著受到抑制; 地上部Na⁺离子含量显著升高, 丙二醛(MDA)含量显著升高; 蒸腾速率、气孔导度及胞间CO₂浓度显著升高, 净光合速率显著下降。为揭示其盐胁迫下表型差异的分子基础, 对LY8405和caspl2b2突变体材料在正常生长和盐胁迫条件下叶片组织进行转录组分析。结果表明,差异表达基因主要富集到谷胱甘肽转移酶活性、谷胱甘肽代谢过程、氧化还原酶活性和细胞稳态等相关途径, 其中谷胱甘肽代谢过程最为显著。本研究不仅为作物耐盐遗传基础解析提供了重要的种质资源, 也为耐盐基因的挖掘及其遗传调控网络分析奠定了基础。

花生转录因子基因AhWRI1的克隆及表达分析

殷祥贞, 赵健鑫, 郝翠翠, 潘丽娟, 陈娜, 许静, 姜骁, 赵旭红, 王恩琪, 曹欢, 禹山林, 迟晓元

作物学报. 2024, (12):  3155-3164.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44054

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花生是世界范围内广泛栽培的油料和经济作物之一, 由于其高油脂和高蛋白质含量, 已成为人们主要的油脂和蛋白质来源。随着世界对植物油需求的不断增加, 改良花生脂肪酸组成和提高油脂含量成为花生育种工作的重要内容。转录调控因子可调控油脂合成相关代谢途径中一系列基因的表达, 显著影响油脂合成和代谢。本研究从花生品种花育33号的叶片中克隆得到2个转录因子基因AhWRI1-1和AhWRI1-2, AhWRI1-1的ORF为1101 bp, 编码366个氨基酸; AhWRI1-2的ORF为1128 bp, 编码375个氨基酸。生物信息学分析发现, AhWRI1-1和AhWRI1-2均含有2个AP2/EREBP结构域。利用qRT-PCR检测AhWRI1-1和AhWRI1-2在不同组织中的表达模式发现, AhWRI1-1在种子中的表达量最高, 可能参与调节脂肪酸合成和油脂积累; AhWRI1-2在下胚轴中的表达量最高, 可能参与下胚轴的发育。此外, AhWRI1-1和AhWRI1-2对非生物胁迫的响应存在差异, 表明AhWRI1-1和AhWRI1-2非生物胁迫中的作用也存在差异。通过在酵母中的转录激活试验验证, AhWRI1-1和AhWRI1-2均具有转录激活活性。本研究为以后对AhWRI1-1和AhWRI1-2的功能进行深入研究奠定了基础。