密植栽培是提升我国玉米单产潜力与保障国家粮食安全的核心战略, 而传统平展型玉米品种在高密度种植条件下容易造成冠层郁闭、光合效率下降、倒伏风险增加等问题, 成为制约密植增产的限制因素。叶夹角作为调控冠层构型、优化群体光分布、提升光能利用效率并增强抗倒伏能力的关键农艺性状, 已成为现代紧凑型玉米分子育种的核心靶标。近年来, 随着玉米功能基因组学研究的深入, ZmTAC1、ZmRAVL1、ZmILI1等调控叶夹角的关键基因相继被克隆, 其分子调控机制逐步阐明, 以CRISPR/Cas9为核心的基因编辑技术, 凭借精准高效、多位点同步修饰、无连锁累赘等优势, 为定向改良叶夹角、快速创制紧凑新种质提供了技术支撑。本文系统梳理了玉米叶夹角的遗传基础与分子调控网络, 重点阐述了关键调控基因的功能, 总结了单基因编辑及多位点协同编辑在紧凑种质创制中的应用进展与现存问题, 并对该领域的发展前景进行了展望, 以期为我国玉米紧凑型新品种的分子设计育种提供参考。

病毒诱导的基因沉默(VIGS)作为一种转录后基因沉默技术, 在植物基因功能研究中得到广泛应用。为探究烟草脆裂病毒(TRV)诱导基因沉默技术是否能够精确靶向甘蓝型油菜基因并显著下调其表达、从而有效提升基因功能研究的效率, 本研究选取BnaJMJ13、BnaSNAP33等4个基因为靶点, 扩增其cDNA中300~500 bp的核心区段, 并将其连接至TRV2载体, 通过真空渗透法处理萌发2 d的甘蓝型油菜种子, 分别对植株的叶片和花蕾组织进行定量分析。结果显示, TRV诱导的基因沉默能显著降低目标基因在甘蓝型油菜叶片和花蕾中的表达水平。花期表型鉴定表明, BnaJMJ13表达下调的植株开花时间显著提前, 表明其是油菜花期的负调控因子。半体外授粉试验表明, BnaSNAP33通过影响花粉附着和水合进而可能影响甘蓝型油菜结实。为了验证TRV诱导基因沉默的有效性, 创建了BnaSNAP33的缺失突变体, 通过半体外授粉试验证明BnaSNAP33通过降低花粉附着和水合从而影响结实, 说明了该技术在甘蓝型油菜中的有效性。综上, 本研究所建立的甘蓝型油菜TRV-VIGS体系具有操作简便、效率高及周期短等优势, 将促进甘蓝型油菜功能基因组学研究的发展。

长江下游地区是我国重要的粳稻产区, 解析该区域主导品种的遗传背景、籼型血缘渗入特征及重要性状的基因型构成, 对于优异种质资源的高效利用与分子设计育种具有重要意义。本研究对长江下游8份代表性常规粳稻主导品种进行了全基因组测序(平均测序深度为19.8×), 系统开展了亲缘关系评估、基因组籼型渗入片段鉴定及重要功能基因的基因型剖析, 并对优质高产品种沪软1212进行了系谱溯源分析。结果表明, 8份供试品种在粳稻群体中具有较好的遗传多样性和代表性。全基因组解析表明, 籼型渗入片段在供试品种的粳稻遗传背景中呈不规则的碎片化分布, 片段总长在品种间变幅较大(0~4.9 Mb), 其中沪早粳193和秀水134的籼型片段渗入量最多; 这些籼稻来源片段中注释到的基因显著富集于抗病、耐逆及生物量积累等通路。基因型分析表明, 主导品种在品质(ALK和Waxy)、耐逆(HAN1、OsPP15、qLTG3-1)及抗条纹叶枯病(STV11)基因上已基本实现优异等位基因的高度聚合, 但在抗稻瘟病及病毒性、细菌性病害上还存在进一步遗传改良潜力; 在主要农艺性状方面, 供试品种携带的优异等位基因分布频率整体较低。系谱溯源表明, 优质品种沪软1212的遗传背景主要源自亲本南粳46 (39.71%), 还整合了来自亲本金丰的多个产量相关优异基因型, 以及大华香粳的籼型渗入片段。本研究在基因组水平上揭示了长江下游8份代表性粳稻主导品种的籼型片段渗入特征与重要性状优异等位基因的分布, 为今后高产优质粳稻的分子设计育种及种质资源的高效利用提供了重要的遗传信息。

苹果酸脱氢酶(MDH; EC1.1.1.37)广泛存在于植物中, 能利用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸催化苹果酸与草酰乙酸之间的转化, 参与三羧酸循环过程, 同时参与调控植物的生长发育及逆境响应等多种生理过程。本研究采用生物信息学方法, 在马铃薯基因组中鉴定出8个MDH家族成员, 依据染色体位置被命名为StMDH1~StMDH8, 并进一步将其划分为5个亚家族。理化性质分析显示, StMDHs编码蛋白的分子量介于30.11~43.85 kD之间, 等电点范围为5.91~9.00; 亚细胞定位预测表明, 这些蛋白主要分布于叶绿体和线粒体中。基因结构分析发现, 同一亚家族成员具有相似的外显子数目和保守的Motif组成。基于公开转录组数据的表达谱分析显示, 多数StMDHs基因对非生物胁迫及激素处理均有响应, 其中StMDH2对盐胁迫表现出最为显著的诱导表达模式。进一步通过酿酒酵母异源表达体系验证, StMDH2的过表达能够显著提高酵母细胞的耐盐性。本研究丰富了马铃薯MDH基因家族的理论认知, 为马铃薯抗逆分子育种提供了潜在的基因资源和候选靶点。

本研究以2021—2025年北部冬麦区水地组国家小麦品种区域试验产量数据为基础, 比较分析原始数据与最佳线性无偏预测值(BLUP)的基因型主效应加基因型与环境互作效应(GGE)双标图在品种生态区划分上的可靠性, 并利用BLUP-GGE双标图对试点进行综合评价和生态亚区划分。结果表明, BLUP-GGE双标图模型拟合度比原始数据GGE双标图提高了13.5%, 对试点的评价更精确可靠。原始数据GGE双标图将试点划分为2个品种生态区, 而在BLUP-GGE双标图中并不存在, 表明传统GGE双标图在分析多年多点品种试验数据上存在一定的局限性。通过BLUP-GGE双标图的试点评价发现, 河北滦南试点综合表现最优秀; 河北固安、天津宝坻和河北遵化试点综合表现优良; 北京昌平、北京顺义、天津武清和河北保定试点综合表现较好; 山西屯留、山西祁县和山西太原试点综合表现一般。采用BLUP-GGE双标图的“哪个赢在哪里”功能图划分的生态亚区仅在试点代表性上有显著差异, 而鉴别力和理想指数无显著差异。采用试点聚类功能图划分的生态亚区在代表性、鉴别力和理想指数上均存在显著差异, 对生态特征表达更加全面, 实用性更强。其中, 第一生态亚区包括河北和天津的全部试点, 占试点总数的60%以上, 是北部冬麦区水地的主体生态亚区, 代表性和理想指数表现最好, 鉴别力较好, 是区域试验的理想试点; 第二生态亚区代表北京市郊的生态环境, 其鉴别力强、代表性中等, 更适用于早期品种选择; 而第三生态亚区包括的山西省屯留和祁县试点因海拔较高和气候冷凉, 鉴别力较差。本研究证实了BLUP-GGE双标图在多年多环境品种试验数据分析中具有一定的优越性, 并提出了一种稳健的试点聚类划分生态亚区的方法, 为优化北部冬麦区水地组小麦区域试验方案和精准推广品种提供了科学依据。

玉米瘤黑粉病是由玉蜀黍黑粉菌(Ustilago maydis)引起的世界性病害, 严重威胁玉米产量与品质, 培育抗病品种是防控该病害最经济有效的策略。为鉴定抗瘤黑粉病优异种质, 挖掘抗病关键基因, 本研究系统评价了425份玉米自交系的抗性水平, 旨在解析抗性遗传基础, 筛选抗病基因。分别于2年2点开展田间人工接种鉴定, 基于病情指数(DI)、发病率(IR)和病程曲线下面积(AUDPC)进行抗性评价。利用970,761个高质量SNP进行全基因组关联分析(GWAS), 结合时空转录组数据, 筛选抗病相关候选基因并进行功能富集分析。425份自交系中鉴定出高抗6份、抗病27份、中抗67份、感病154份、高感171份。DI、IR和AUDPC的广义遗传力均高于75%。GWAS共检测到1665个显著关联SNP位点, 筛选出376个候选基因, 其中, 79个响应病原菌侵染差异表达, 19个显著上调。GO富集分析表明, 筛选到的候选基因主要参与防御反应、细胞壁组织、激素信号传导等过程。本研究明确了玉米瘤黑粉病抗性具有遗传力高、受多基因控制的特点, 鉴定的抗病关联位点及候选基因, 为玉米抗瘤黑粉病分子育种提供重要种质资源和基因靶点。

甘蓝型油菜遗传转化效率受其愈伤组织分化能力的严重制约, 且不同基因型间差异显著。本研究通过2个关键时间点的转录组分析, 解析导致分化能力差异的分子机制, 为遗传改良提供理论依据与基因资源。在20份不同基因型甘蓝型油菜中筛选出愈伤组织分化能力差异极显著的典型材料ZP10 (强)和ZP15 (弱), 对二者分化0 DAI (即诱导后0 d)和30 DAI的愈伤组织进行转录组测序与比较分析。差异表达基因(DEGs)筛选共鉴定出1915个基因。GO与KEGG富集分析显示, 这些基因显著富集于植物激素信号转导、光合作用-天线蛋白、光合器官组装及细胞壁生物合成等通路。结合加权基因共表达网络分析(WGCNA), 最终筛选出25个关键候选基因, 其表达模式与高分化能力密切相关。qRT-PCR结果证实了转录组数据的可靠性。综上, 甘蓝型油菜的高愈伤组织分化能力与一个由多基因协同调控的复杂网络有关, 涉及激素信号响应、光合系统初步建立及细胞壁重构等过程。本研究鉴定得到的关键基因为深入解析油菜再生分子机理及培育高转化效率基因型提供了重要靶点。

本研究以5个薏苡地方品种为母本、念珠薏苡CL91为共同父本, 配制5个杂交组合, 分析F₁主要表型性状及游离脂肪酸含量的中亲优势及超高亲优势特点, 旨在为薏苡的种间渐渗改良及杂种优势利用提供依据。基于13个表型性状的聚类结果显示, JZCL、JFCL、JNCL和BCL四个F₁杂种表型更倾向于母本, WYCL则更倾向于父本。8个农艺性状的中亲优势和超高亲优势范围分别为-30.6%~90.2%和-48.1%~77.3%, 整体上多表现为正向中亲优势, 少部分组合在特定性状中表现为超亲遗传的特点。5个F₁总苞性状的中亲优势和超高亲优势范围分别为-5.3%~52.7%和-32.7%~9.5%, 而且总苞大小和形状介于双亲之间且多表现为正向中亲优势, 超高亲优势整体为负值。在5个杂交组合及其亲本的种仁中共检测出22种游离脂肪酸, 其中不饱和脂肪酸8种, 饱和脂肪酸14种; 亚油酸(C18-2n6c)、油酸(C18-1n9c)、棕榈酸(C16-0)和硬脂酸(C18-0)是4种含量最高的主要单体成分, 而且在5个杂种F₁及其双亲中存在显著差异。杂种JNCL和WYCL的多个脂肪酸单体及总含量表现出明显的杂种优势和超亲遗传, 而JZCL、JFCL和BCL的脂肪酸含量杂种优势弱。“念珠薏苡×薏米”种间杂种在株高、着粒层等与植株形态和发育相关性状具有较为广泛的中亲优势, 且“亚热带(热带) ×温带”杂交模式在植株生长势方面的杂种优势更强, JNYM和WY02可作为高油脂改良品种的重要基础亲本材料。

盐碱地面积的不断扩大对作物生产构成严峻挑战, 挖掘小豆耐盐种质并解析其耐盐分子机制, 对扩大小豆适种区域、保障粮食安全具有重要意义。本研究以110份小豆种质资源为研究对象, 利用隶属函数和主成分分析, 将11个生长指标简化为3个综合指标, 并筛选出耐盐品种东掌小红豆和盐敏感品种特红3号。生理生化指标测定显示, 东掌小红豆在抗氧化和渗透调节能力方面显著优于特红3号。转录组分析发现, 相比对照组, 在盐处理组的东掌小红豆和特红3号中分别鉴定出3801个和7811个差异表达基因。经GO和KEGG分析表明, 这些基因主要参与代谢过程、细胞过程等生物学途径; 结合转录组和qRT-PCR鉴定到3个可能与耐盐相关的基因(LOC108343245、LOC108346293、LOC108331871), 这3个基因主要参与淀粉和糖代谢途径。本研究筛选出小豆耐盐种质, 并推测鉴定到的耐盐基因可能通过参与淀粉和糖代谢途径来调控小豆耐盐, 为培育小豆耐盐新品种和盐碱地利用提供了理论依据。

Paf1复合物是真核生物重要的转录调控因子, 此前尚不清楚其是否在植物的抗病毒反应中发挥作用。小麦是大麦条纹花叶病毒BSMV的天然宿主之一。本研究通过基因表达分析发现, 小麦Paf1亚基基因在表达上响应BSMV侵染。基于病毒诱导的基因沉默(VIGS)原理构建了能在侵染小麦时同步触发宿主Paf1亚基基因沉默的多个BSMV病毒克隆。在被这些病毒克隆侵染的小麦幼苗上, 各Paf1亚基基因的沉默增强了过敏性反应介导的细胞死亡。进一步选择对照病毒克隆和具有触发亚基基因TaCDC73沉默能力的病毒克隆BSMV:CDC73, 对比二者在各自侵染的小麦幼苗和成株中的增殖情况, 结果发现, BSMV:CDC73的增殖水平相对较低, 说明在BSMV:CDC73侵染的小麦中, 抗病反应因TaCDC73的沉默而得到增强。此外, 与对照病毒克隆侵染的植株相比, BSMV:CDC73侵染的植株表现出更为严重的生长抑制现象。综上所述, 本研究揭示了转录调控因子Paf1通过抑制过敏性反应细胞死亡进而负调控抗BSMV反应的作用。Paf1通过这一作用限制抗病反应的过度发生, 以保障小麦在防御BSMV侵染期间的“生长-免疫平衡”。

C2H2型锌指蛋白在植物生长发育和逆境响应中发挥重要调控作用。本研究基于前期冷胁迫转录组数据, 从‘丽秋’狼尾草(Pennisetum alopecuroides cv. ‘Liqiu’)中克隆获得C2H2型锌指蛋白编码基因PaZFP36, 对其进行生物信息学分析, 并构建PaZFP36过表达载体, 获得转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)和‘丽秋’狼尾草, 通过盆栽试验对转基因株系的光合特性及成熟期农艺性状进行观察和系统分析。结果表明, PaZFP36蛋白分子量为24.65 kD, 等电点为8.49, 含有2个典型的C2H2锌指结构域。在拟南芥和‘丽秋’狼尾草中过表达PaZFP36均显著提高了净光合速率(P_n)、最大光化学效率(F_v/F_m)和光合性能指数(PI_abs), 而胞间CO₂浓度(C_i)显著降低, 表明PaZFP36通过提升叶肉细胞CO₂固定能力、优化PSII反应中心性能和电子传递链效率, 协同增强光合效率。与野生型相比, 拟南芥及‘丽秋’狼尾草过表达PaZFP36株系的株高、鲜重、干重、主根长均显著增加; 转基因拟南芥的荚果长、主茎荚果数及转基因‘丽秋’狼尾草的分蘖数也显著提高。相关性分析显示, 净光合速率与干重呈显著正相关。因此, 过表达PaZFP36可以提高‘丽秋’狼尾草光合效率, 并促进生物量积累和产量形成, 为培育抗逆和高产的狼尾草新品种提供了种质资源及理论依据。

来自湖北当阳的白粒农家种孝感麦(ZM011362)具多花多粒、多有效分蘖、稳定的穗发芽和成株期条锈病抗性的特点, 是可供当前小麦育种利用的潜在优异种质。前期研究以小麦农家种孝感麦为供体、携带全生育期条锈病抗性基因且综合性状良好的育成品系蜀麦753为受体, 通过杂交、回交及连续多代自交并利用育种目标性状“分段式”育种技术, 育成了178份蜀麦753/孝感麦衍生品系。本研究旨在分子水平上解析蜀麦753/孝感麦衍生品系的遗传基础, 明确控制其产量、抗病及耐逆性的关键染色体区段, 为利用小麦农家种进行遗传改良提供重要的分子依据。利用小麦55K液相SNP芯片对孝感麦、蜀麦753及其178份衍生品系进行全基因组扫描, 共获得52,779个有效纯合多态性SNP位点。通过多态性SNP位点对双亲及其衍生品系遗传相似性及遗传构成进行分析, 双亲遗传相似性系数仅为0.44, 表明孝感麦与蜀麦753在分子水平上遗传差异大。蜀麦753/孝感麦衍生品系在全基因组分子水平上与其系谱血缘构成基本吻合, 偏分离现象并不明显。基于标记-表型全基因组关联分析, 共鉴定出127个与株高(14个)、穗长(12个)、小穗数(21个)、有效分蘖(20个)、千粒重(25个)及相对籽粒发芽指数(35个)显著相关的染色体区段(位点)。亲本遗传贡献分析发现, 农家种孝感麦和蜀麦753传递至衍生品系的SNP位点占比变幅分别为7.88%~43.95%和56.05%~92.12%, 其平均占比分别为26.45%和73.55%。在衍生品系中, 共鉴定出来自孝感麦和蜀麦753染色体区段大小不等(0.01~108.75 Mb)、贡献率≥ 80%的高频选择区段分别为86个和259个, 且呈不均匀状态分布于小麦基因组的21条染色体上。结合全基因组关联分析发现, 来自孝感麦及蜀麦753的43个高频选择染色体区段与株高、穗长、小穗数、有效分蘖、千粒重及相对籽粒发芽指数显著相关, 其中, 16个区段同时控制着2个或以上性状, 具有多效性。进一步对14个优异衍生品系中的高频选择染色体区段遗传构成进行分析, 发现这些与重要产量相关性状显著关联的高频选择染色体区段在衍生后代中的优先传递及作为主要靶点进行定向选择, 是成功利用农家种孝感麦改良蜀麦753的产量结构并实现了产量与抗病耐逆协同改良的根本所在。

为实现产量与营养品质的协同改良, 本研究通过基因型和基因型与环境互作(GGE)双标图方法, 系统解析不同生态类型区马铃薯产量与类黄酮含量的遗传差异、环境适应性与性状稳定性。以筛选适宜特定生态区高产、高类黄酮含量且稳定的优良基因型为核心, 为营养强化型马铃薯新品种选育提供理论支撑。试验共选取130份马铃薯品种(系), 于2021—2022年在甘肃省渭源县、安定区及永昌县3个生态区开展2年3点试验。收获后测定小区产量及儿茶素、芦丁、烟花苷、槲皮素和山奈酚含量, 并采用联合方差分析与GGE双标图对产量和品质性状进行基因型与环境互作分析。方差分析显示, 除小区产量在年份效应中无显著差异外, 各性状的基因型效应、环境效应及基因型与环境互作效应均达极显著水平(P < 0.01)。其中, 小区产量、儿茶素和芦丁含量主要受基因型效应影响, 而烟花苷、槲皮素和山奈酚含量以基因型与环境互作效应为主。小区产量GGE分析结果表明, G122在2021年安定、2022年安定、2022年渭源和2022年永昌试点产量最高; G27在2021年永昌试点产量最高; G36在2021年渭源试点产量最高; C18、G122、C6、G102、G42、G49、C3、G9高产且稳定; 试点区分力强弱依次为永昌、安定、渭源试点, 以安定试点代表性最强。类黄酮含量GGE分析结果表明, G79在3个试点儿茶素含量均最高, 在安定、渭源试点山奈酚含量最高, 在永昌试点烟花苷含量最高; C16在安定、渭源试点芦丁与烟花苷含量均最高; G37、G4、G46分别在永昌试点中芦丁、槲皮素、山奈酚含量最高; G32在安定、渭源试点槲皮素含量最高; G98、G63、G1、G129、G102儿茶素含量高且稳定; G37、G113、G49、C11、G93芦丁含量高且稳定; G37、G122、G13、G21烟花苷含量高且稳定; G46、G71、G124、G79槲皮素含量高且稳定; G9、C5、G27山奈酚含量高且稳定; 试点区分力强弱依次为永昌、渭源、安定, 以永昌试点代表性最强。结合小区产量和类黄酮含量的GGE模型, 筛选出G122、G102、G49和G93高产、高类黄酮含量且稳定的优良品系。综合试点区分力和代表性, 安定试点可作为产量评价的理想环境, 永昌试点则更适于特定环境下产量和类黄酮含量品种(系)的筛选。

为研究大豆GmbHLH119和GmbHLH120基因的功能, 本研究对GmbHLH119和GmbHLH120进行生物信息学分析、亚细胞定位观察和氮、磷处理下大豆不同组织的基因表达模式分析。结果显示: GmbHLH119和GmbHLH120基因结构高度相似, 初步表达分析发现GmbHLH119和GmbHLH120在叶片中的表达量相对较高; 启动子顺式作用元件分析显示, GmbHLH119和GmbHLH120启动子区域有多个光响应、激素响应和非生物胁迫响应元件; GmbHLH119和GmbHLH120蛋白具有保守的HLH结构域, 均为不稳定的亲水蛋白, 蛋白结构高度保守; 亚细胞定位分析显示, GmbHLH119和GmbHLH120蛋白均定位在细胞核中; 氮、磷处理下的大豆各组织基因表达模式分析显示, GmbHLH119和GmbHLH120可能参与大豆对氮、磷浓度变化响应的调控。该研究为大豆GmbHLH119和GmbHLH120基因的研究提供了生物信息学依据, 为进一步研究大豆GmbHLH119和GmbHLH120的功能奠定基础。

为研究不同耐密性玉米品种根-叶构型、冠层光资源利用和灌浆特性对增密的响应, 于2023年和2024年2个玉米生育季开展双因素试验, 以不同耐密性品种先玉335 (XY335)、郑单958 (ZD958)和MY73为试验材料, 设置5个种植密度, 6.00 (D1)、7.50 (D2)、9.00 (D3)、10.50 (D4)和12.00万株 hm^-2 (D5), 测定了根-叶构型、冠层光分布、叶片光合参数、叶面积、光合有效辐射利用率和籽粒灌浆等相关性状。结果表明, XY335、ZD958和MY73分别在D1~D2、D2~D3、D3~D4密度范围内产量较高, 适宜推广密度分别在D1、D2、D3水平左右浮动。2年试验各密度下, 耐密品种MY73的根开角、根系投影面积、根条数、根冠比、叶向值、冠层各叶层透光率、高密度下净光合速率均显著高于ZD958和XY335; 而叶面积和干物质辐射利用率则显著低于ZD958和XY335。低密度下, XY335的产量及籽粒辐射利用率显著高于ZD958和MY73; 而高密度下, MY73显著高于XY335和ZD958。随密度增加, 各品种的根干重、根冠比、根构型、叶夹角、冠层各叶层透光率、不同叶序的叶面积均显著降低, 叶向值、干物质辐射利用率显著升高; 潜在粒重和最大灌浆速率呈下降趋势, 达最大灌浆速率的时间及活跃灌浆期呈增加趋势。随密度增加, 不同耐密性品种的指标变幅不同, 耐密品种MY73的根系投影面积和根干重在3个品种中降幅最小, 2年降幅均值较ZD958分别降低3.9%和4.4%, 较XY335分别降低16.1%和0.6%; MY73的穗位层叶夹角降幅较低(均值较ZD958低3.0%~47.9%)、叶向值增幅较大(均值较ZD958高14.0%~357.5%); MY73的冠层各叶层透光率降幅最小, 在冠层顶部与穗位之间的中点处2年平均降幅分别比ZD958和XY335低37.0%和46.9%, 穗位处分别低32.4%和49.6%; 各品种上部冠层叶面积受增密影响最大, MY73上部冠层2年降幅均值较ZD958和XY335分别低22.1%和32.3%。综上, 随密度增加, 耐密品种MY73根系性状劣化程度低、叶向值调控能力强、冠层各层透光特性好、高密度下叶片净光合速率大、单株叶面积降幅小、达最大灌浆速率用时短且活跃灌浆期长、高密度时籽粒辐射利用率高, 这些特征可能是其实现耐密高产的群体质量调控机制。

作物叶片氮浓度(LNC)的遥感诊断对指导作物精准施氮、提升氮素利用效率和增加产量具有重要意义。本研究针对传统连续投影算法(SPA)难以处理特征间非线性关系的问题, 提出了一种改进的连续投影算法, 即核化连续投影算法(KSPA)。本研究采用连续小波变换(CWT)对光谱进行多尺度分解, 结合KSPA提取与LNC相关的关键特征。同时, 以植被指数、SPA和偏最小二乘-变量投影重要性(PLS-VIP)作为对比方法, 分别构建偏最小二乘回归(PLSR)、随机森林(RF)和类别提升算法(CatBoost)模型估算冬小麦LNC, 并采用沙普利加性解释(SHAP)方法进行模型可解释性分析。结果表明, CWT中等分解尺度(第5至第7尺度)在估算冬小麦LNC中表现优异, KSPA筛选的特征能有效提升模型性能。CatBoost在CWT第7尺度上结合KSPA的表现最优(R² = 0.829, RMSE = 0.322%, RPD = 2.425), 相较于PLS-VIP (RF模型: R² = 0.729, RMSE = 0.405%)和SPA (CatBoost: R² = 0.731, RMSE = 0.403%)的最优模型, R²分别提升了0.100和0.098, RMSE分别降低了0.083%和0.081%。跨年留一验证进一步证实了该方法的稳健性与泛化能力。改进后的算法能克服传统SPA特征筛选的线性局限性, 可为冬小麦氮营养精准监测提供参考。

为探究土壤耕作方式及添加物对瘠薄型夏玉米田土壤理化性质与籽粒产量的影响, 于2023—2024年夏玉米季在山东省肥城市太平村瘠薄农田开展试验。以郑黄糯2号为材料, 采用裂区设计, 主区为耕作方式: 旋耕15 cm (RT)和深松30 cm+旋耕15 cm (SRT); 副区为土壤添加物, 在等氮磷钾条件下设6个处理: (1) 复合肥750 kg hm^-2 (F); (2) 复合肥+保水剂60 kg hm^-2 (FW); (3) 复合肥+腐殖酸1500 kg hm^-2 (FH); (4) 复合肥+腐殖酸1500 kg hm^-2+保水剂60 kg hm^-2 (FHW); (5) 复合肥+有机肥15 t hm^-2 (FO); (6) 复合肥+有机肥15 t hm^-2+保水剂60 kg hm^-2 (FOW)。探究其对瘠薄型夏玉米田土壤总孔隙度、三相比、水势、有机质、养分含量的调控效应及对玉米生长发育、产量形成的影响。与RT相比, SRT显著提高0~20 cm土层土壤总孔隙度、全氮和全磷含量, 增幅分别为8.57%、9.30%和14.71%; 0~20 cm和20~40 cm土层有机质含量分别显著增加11.27%和14.55%。土壤添加物显著提升了0~20 cm土层总孔隙度、水势及气相和液相值, 改善通透性与持水能力; 同时提高有机质含量, 促进养分供给, 进而增加玉米干物质积累量和产量。其中FHW处理效果最佳, 2年平均地上部干物质积累量和产量分别提高24.57%和26.44%。综上, 深松+旋耕配施复合肥+腐殖酸+保水剂(FHW)是改良瘠薄农田土壤理化性质、提升夏玉米产量的有效措施。

针对河西绿洲灌区青贮玉米可持续生产中急需减施氮肥, 但减施后易导致饲草产量与品质下降的问题, 本研究在减氮条件下, 探讨混作豆科饲草对青贮玉米品质和产量的影响及补偿效应, 以期为该区青贮玉米可持续生产提供科学依据。试验于2023—2024年在武威绿洲农业综合试验站开展, 采用裂区设计, 主区为3个种植模式: 青贮玉米单作(M)、青贮玉米-秣食豆混作(MH)和青贮玉米-拉巴豆混作(ML), 裂区为4个施氮水平: 传统施氮(N3, 360 kg hm^-2)、氮肥减施15% (N2, 306 kg hm^-2)、氮肥减施30% (N1, 252 kg hm^-2)和不施氮(N0, 0 kg hm^-2)。结果表明, 氮肥减施30%下, MH和ML模式粗蛋白含量较M分别提高24.7%和27.6%, 淀粉含量分别提高35.6%和37.3%, 粗灰分含量分别提高26.5%和72.2%, 中性洗涤纤维含量分别降低11.9%和14.0%, 酸性洗涤纤维含量分别降低10.5%和14.9%, 相对饲用价值分别提高18.6%和22.3%。与M模式相比, MH模式下青贮玉米干物质积累量和饲草产量明显提高, 在氮肥减施30%下, 2种模式的青贮玉米干物质积累量较M分别提高18.8%和31.5%, 饲草产量分别提高28.9%、45.2%。此外, 氮肥减施30%下, MH和ML模式下粗蛋白、淀粉、粗灰分、相对饲用价值、饲草产量较传统施氮单作青贮玉米均表现出补偿作用, 且ML模式的补偿作用强于MH模式。因此, 青贮玉米混作拉巴豆结合施氮量252 kg hm^-2可改善饲草品质、提高饲草产量, 是绿洲灌区青贮玉米生产适宜采用的种植模式和施氮量。

探究等总养分下氮钾养分比例差异对甘薯产量、品质及养分吸收利用的影响, 可为甘薯高产优质高效的无机肥养分平衡施用提供科学依据。于2023—2024年在重庆市合川区开展大田试验, 采用裂区试验设计, 以渝红心薯98 (Yhs98)和渝红心薯3号(Yhs3) 2个品种为主区, 以等总养分下5个氮钾比(N︰K₂O)为裂区, 设R1 (1︰3)、R2 (1︰1.5)、R3 (1︰1)、R4 (1.5︰1)和R5 (3︰1)处理, 研究不同氮钾配比对甘薯块根产量及品质、叶片光合特性及碳氮代谢、植株生物量及养分吸收利用的影响。结果表明, 甘薯块根产量、单株薯数、单薯重、块根淀粉及可溶性糖含量、功能叶光合特性参数及碳氮代谢关键酶活性、T/R值、块根干重及氮钾养分积累量均以R2或R1处理较高; 而块根可溶性蛋白含量、藤蔓干重及氮钾养分积累量均以R5或R4处理较高; 长蔓品种对氮钾比变化更为敏感。与R5处理相比, R2处理下Yhs98和Yhs3的产量分别提高31.01%和35.87%, 氮肥利用率分别提高157.63%和89.25%。与R1处理相比, R2处理下Yhs98和Yhs3的钾肥利用率分别提高47.67%和100.56%。综上, 氮钾比为1︰1.5的R2处理可协同优化甘薯功能叶光合性能与碳氮代谢酶活性, 促进光合产物向块根高效分配, 实现块根产量与品质的协同提升, 同步提高氮肥和钾肥利用率, 是本试验条件下的最佳氮钾配比。

大豆玉米带状间作系统中, 玉米氮密互作调控冠层光资源竞争与分配、协调玉米与大豆产量形成的机制尚不明确。针对该问题, 本研究于2023—2024年在黄淮海夏大豆夏玉米带状间作区开展2年大田裂区试验, 设玉米种植密度(D1: 5.25×10⁴株 hm^-2; D2: 6.75×10⁴株 hm^-2; D3: 8.25×10⁴株 hm^-2)与施氮量(2023年, N0 (0 kg hm^-2)、N120 (120 kg hm^-2)、N240 (240 kg hm^-2)、N360 (360 kg hm^-2); 2024年, N0 (0 kg hm^-2)、N240 (240 kg hm^-2)、N300 (300 kg hm^-2)、N360 (360 kg hm^-2)) 2因素处理, 系统分析群体光截获、叶片生长衰老、光合势及产量指标, 旨在明确氮密互作对冠层光截获及群体产量的调控机理。结果表明: (1) 增密显著提升玉米冠层光能截获率, 但过度密植(D3)加速叶片衰老, 适量施氮(240~300 kg hm^-2)可有效延缓。与D1相比, D2使玉米冠层上部光能截获率平均提高31.28%, 叶面积指数(LAI)及总光合势同步提升; D3则加剧种内光竞争, 衰老指数大幅上升。D2N240 (2023)和D2N300 (2024)处理冠层上部光能截获率较相应低密度对照分别提升5.56%和28.80%, LAI及总光合势亦显著提高。(2) 带状间作大豆光能截获率、LAI及光合势均受玉米增密抑制, 适量施氮可部分缓解。与D1相比, D3使大豆边行光能截获率平均降低5.10%。适量施氮(240~300 kg hm^-2)下, N240 (2023)和N300 (2024)大豆边行光能截获率较不施氮分别提高3.92%和10.70%, 但D3处理下大豆仍受严重抑制。D2N240 (2023)和D2N300 (2024)处理大豆边行光能截获率、LAI及总光合势较相应高密度处理降幅均明显减小。(3) 中密(D2)结合施氮(240~300 kg hm^-2)实现玉米与群体产量协同提升。D2N240 (2023)和D2N300 (2024)处理较相应低密度对照玉米产量分别提高15.86%和27.07%, 群体产量分别提高7.19%和16.05%。相关性分析表明, 玉米产量与其冠层中上部光能截获率及全生育期光合势呈极显著正相关, 而大豆产量主要取决于玉米吐丝期大豆冠层的光截获状况。因此, 在黄淮海平原大豆玉米带状间作系统中, 保证玉米种植密度6.75×10⁴株 hm^-2、施氮量240~300 kg hm^-2的配置, 通过氮密协同优化玉米冠层结构、延缓叶片衰老, 同时缓解对大豆的遮荫胁迫, 协调种内与种间光竞争, 实现系统产量协同提升, 可为该区域以“冠层光资源调控”为核心的高产高效栽培提供理论基础与技术支撑。

为筛选合适的耐碱玉米杂交种, 本研究通过设置碱性土壤和对照土壤2个处理, 测定40份玉米杂交种的株高、SPAD值、茎粗、总鲜重等10项指标, 系统评价了玉米杂交种苗期耐碱能力, 并通过逐步回归分析筛选用于评价玉米杂交种苗期耐碱能力的关键指标。结果表明, 测定的10项指标均显著受到碱胁迫影响并且部分指标之间存在较强的相关性。利用隶属函数法和系统聚类分析法将40份玉米杂交种分成5类, 其中YK338和YD903等属于强耐碱品种, DK653、TL1、XY335和GY351等属于碱极敏感品种。进一步通过逐步回归分析建立了玉米苗期耐碱预测模型, 筛选出总鲜重、根系干重、总干重和茎粗可作为玉米苗期耐碱鉴定核心指标(R² = 0.99)。通过对极端品种的分析表明, 在碱胁迫条件下耐碱玉米品种长势明显优于敏感品种, 耐碱品种通过维持低钠离子(Na⁺)、高钾离子(K⁺)含量及高效氮(N)、磷(P)养分吸收等特性来提升其抗性。综上所述, 本研究建立了土培条件下玉米耐碱综合评价体系, 筛选的耐碱品种和关键指标为耐碱玉米育种及盐碱地高效利用提供了理论依据与技术支撑。

解析马铃薯基因型在不同年份及试点环境下的性状表现, 明确基因型与环境互作(G×E)对表型变异的影响, 筛选关键性状优异且稳定的基因型及其适宜环境, 为特定区域品种选育及合理布局提供依据。本研究以17份马铃薯品种为供试材料, 2023—2025年连续种植于甘肃省张掖市山丹县清泉镇、位奇镇和霍城镇, 测定植株农艺性状(株高、茎粗、主茎数)和块茎产量组分(单株结薯数、单株产量、小区产量)。采用联合方差分析与基因型与环境互作效应(GGE)双标图评价基因型适应性、稳定性及试点区分力和代表性; 采用多性状稳定性指数(MTSI)进行综合筛选。联合方差分析表明, 除茎粗外, 其余农艺与产量性状在基因型、年份及试点间均差异显著。基因型效应及其与年份、试点的互作是引起基因型表型变异的主要因素。单株结薯数基因型效应占比最高(50.04%), 其次为单株薯重(36.72%)和小区产量(20.92%); 在互作效应中, 茎粗的基因型×年份×试点互作效应占比最高(36.85%), 主茎数、小区产量及单株薯重次之, 分别为27.35%、25.89%和25.04%。对照品种大西洋、陇薯23号和中薯18号在株高、产量等关键性状上表现优异且稳定性高。清泉与霍城试点对基因型具有较强的区分力和环境代表性, 且2024—2025年试点区分力整体优于2023年。GGE双标图及MTSI可有效鉴定基因型并筛选出理想试点环境。大西洋、陇薯23号等基因型在关键性状上表现优异且稳定, 2024—2025年的清泉与霍城试点可代表理想环境用于品种精准评价与推广。