极端高温天气频发, 严重威胁农作物的生产。高温胁迫对有性生殖过程的影响与作物减产密切相关, 解析其中的分子机制对于指导作物耐高温遗传改良具有重要意义。然而, 与模式植物拟南芥相比, 目前有关作物有性生殖过程中耐高温的相关研究十分有限。本文从植物有性生殖过程出发, 概述了在减数分裂、花粉绒毡层降解、小孢子发育、花粉管萌发与授精以及籽粒发育等一系列生殖发育过程中响应高温胁迫的分子机制。据此, 我们提出了作物耐高温改良的可行策略, 以期为耐高温品种的遗传改良提供理论依据。

未减数配子的结合实现染色体自动加倍, 是多倍体物种起源的重要途径, 也是提高作物单倍体育种效率的重要手段。我们前期从四倍体小麦发掘出控制未减数配子形成的强效QTL位点QTug.sau-3B, 并通过人工合成小麦为“桥梁”, 将其导入到综合农艺性状优良的小麦新品系中。本实验使用5份含未减数配子基因的优良小麦新品系与不含未减数配子基因的小麦推广品种的F₁杂种作母本与3份白茅(Imperata cylindrica)进行远缘杂交, 共授粉4610朵小花, 结实1965粒, 经幼胚拯救获得244个幼胚, 其中50个幼胚发育正常生长为50个小麦单倍体植株。由于小麦单倍体植株未减数配子基因的表达易受环境影响, 因此, 对单倍体植株在相同光周期(18 h光照/6 h黑暗)下进行了不同温度25℃/18℃、25℃/15℃和25℃/10℃处理, 结果表明, 25℃/18℃和25℃/10℃条件下编号为H31单倍体植株能够结实, 自交结实率分别为4.35%和2.41%。该研究结果为建立“基于小麦-白茅杂交实现染色体消除和未减数配子基因实现染色体自动加倍”的小麦单倍体育种技术提供了参考。

甘蓝型油菜是我国最重要的油料作物之一, 其生产过程中具有较高的渍害发生风险。为了评价甘蓝型油菜田间耐渍性以及筛选稳定的耐渍种质资源, 本研究首先在盆栽条件下确定了苗期耐渍性鉴定的适宜渍水时间, 随后在大田试验中对505份种质资源进行了田间耐渍性的综合评价和比较, 并筛选了稳定的极端材料。盆栽试验结果表明, 甘蓝型油菜的生长在渍水超过4 d时开始受到影响, 在渍水约10 d时生长受到严重抑制。2年的田间试验中, 利用无人机表型采集平台提取到27个指标, 通过因子分析将其转化成了2个公因子, 公因子1代表了甘蓝型油菜渍水条件下的生长状态, 公因子2代表了生理状态。根据2个公因子的载荷与方差贡献率计算出的耐渍性综合评价值(D值)将甘蓝型油菜种质资源的耐渍性划分为4个类型。其中, 极端耐渍型(I型)包含99份种质资源、耐渍型(II型) 200份种质资源、敏感型(III型) 187份种质资源、极端敏感型(IV型) 19份种质资源。通过2022年的大田试验对上述结果进行进一步验证和筛选, 共鉴定到9份稳定的渍水敏感材料和9份稳定的耐渍材料。而且, 2年的试验结果显示植被指数MTVI2D、MCARI2D与耐渍性综合评价值(D值)相关性都高于0.76, 可用于对油菜耐渍性快速、高效的综合评价。总之, 本研究建立了甘蓝型油菜田间耐渍性评价体系以及耐渍性快速和综合评价方法, 解析了甘蓝型油菜种质资源的耐渍性类型, 鉴定到了稳定的耐渍和敏感材料, 为甘蓝型油菜耐渍性的研究和遗传改良提供了可靠的评价方法和重要的种质资源。

利用水分高效基因资源创制新型小麦品种是应对气候变化和人口高速增长的有效途径。MYB (v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog)是植物中最大的转录因子家族之一, 参与调控植物生长发育, 生物和非生物胁迫。本研究在TaPHR1-4A和TaPHR1-4B中分别鉴定出19个和15个SNP, 基于这些多态性位点开发了分子标记。关联分析表明, Hap-4B-I是小穗数多的优异单倍型。通过创制两个回交导入系群体, 进一步证实Hap-4B-I有利于改善小麦穗部性状。TaPHR1的转录表达分析发现Hap-4B-I单倍型幼穗中TaPHR1的表达水平均高于Hap-4B-II单倍型。此外, TaPHR1在水稻中的异源表达导致穗分支变多, 也证实TaPHR1参与调控每穗小穗数。小麦育成品种的时空分布分析发现尽管Hap-4B-II在我国现代育成品种中占比最多, 但随小麦育种时间的推进, Hap-4B-I的占比在逐渐增多。总之, TaPHR1是小麦每穗小穗数的正调节因子。因此, 本研究开发的分子标记可作为小麦标记辅助选择和遗传改良的重要来源。

生育期是决定小麦品种适应性的重要农艺性状, 探索其遗传机制及效应对于小麦品种的选育和推广具有重要意义。本研究以扬麦158和密穗小麦杂交构建的240个重组自交家系(recombinant inbred line, RIL)为材料, 于2~4个环境下对该群体主要生育期性状进行鉴定。利用已构建的高密度遗传图谱, 共检测到52个生育期相关QTL, 分布在2A、2D、3D、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、7A、7B和7D染色体上。QJS/BS/HS/FS/MS.nau-5D.2、QJS/BS/HS/FS/MS.nau-2D.1和QJS/BS/HS/FS/MS.nau-7B.1均在多年被重复检测到, 分别解释4.56%~46.86%、1.32%~33.40%和2.37%~13.27%的表型变异。QBS/HS.nau-2A.3、QHS/FS.nau-5B.2、QFS.nau-2A.5、QBS.nau-6A.2、QJS.nau-4D.2、QJS.nau-6A.3、QBS.nau-2A.2、QBS/HS.nau-6A.1、QFS.nau-7A.2、QMS.nau-3D、QMS.nau-4D.1和QMS.nau-6B.1是新发现的位点。效应分析表明, 生育期相关QTL的聚合能不同程度地缩短生育期, 可应用于培育早熟高产小麦品种。

细胞质雄性不育是杂种生产的重要工具, 也是研究细胞核与细胞质互作的良好系统, 但其机制仍不清楚。本研究以细胞质雄性不育系K326为材料, 研究了烟草细胞质不育系雄蕊异常与花发育基因表达的关系。细胞质雄性不育系K326源于普通烟草天然不育株, 用烤烟品种K326连续回交培育而成, 不仅具有心皮化雄蕊现象, 同时也有花瓣化雄蕊现象, 异常雄蕊基部融合为一体。本研究首先用生信手段对控制普通烟草花发育的MADS-box基因和边界基因SUPERMAN进行了全基因组鉴定, 分析了它们染色体定位和共线性, 预测了B类基因和SUPEMAN基因的顺式作用元件, 并研究了它们在不育系和保持系不同时期花蕾中的表达特征。结果表明, 烟草共鉴定出160个MADS-box基因和5个SUPERMAN基因。这些MADS-box基因中有7个B类基因(4个PI基因, 3个AP3基因), 79个MADS-box基因定位于22条染色体上, 3个SUPERMAN基因定位于3条染色体上。共线性分析表明, 串联和片段DNA重复、倍加作用是MADS-box基因家族扩张的驱动力。观察发现, 细胞质雄性不育系K326异常雄蕊在小蕾期就已出现, 暗示细胞质雄性不育K326中雄蕊异常是早期分生组织发育缺陷的结果。qPCR检测表明, 细胞质雄性不育系及保持系中可以检测到7个B类基因和1个SUPERMAN基因表达。PI基因表达水平NitMADS115在保持系各个时期均高于不育系; AP3基因NitMADS72、NitMADS100表达水平在保持系各个时期均低于不育系; 其他基因呈现小蕾期和大蕾期下调, 中蕾期上调。SUPERMAN基因只在保持系小蕾和中蕾期可以检测到, 而不育系各个时期中均无法检测到; 顺式作用元件分析表明, NitMADS115具有生长素响应元件AuxRR。因此, 生长素可能在烟草细胞质逆行调控细胞核起重要作用。

小麦的株高(plant height, PH)性状与赤霉病(fusarium head blight, FHB)抗性的关系密切。本研究利用扬麦4号/偃展1号(YM4/YZ1)杂交组合衍生的重组自交系(recombinant inbred lines, RIL)群体, 利用55K单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism, SNP)芯片数据, 结合3年共6个环境下RIL群体及其亲本的株高数据, 挖掘株高性状的遗传位点。同时利用土壤表面赤霉病麦粒抛撒法和单花滴注法鉴定株高位点对赤霉病抗侵染(Type I)和抗扩展(Type II)两种类型的效应。在染色体2D、4B、4D、5A和7D上检测到7个与株高相关的数量性状位点(quantitative trait loci, QTL), 经过比对, QPh.yas-2D.2可能是新的株高位点。QPh.yas-2D.1、QPh.yas-2D.2和QPh.yas-5A的矮秆效应来源于扬麦4号, 其余4个QTL的矮秆效应来源于偃展1号。QPh.yas-4D和QPh.yas-5A均在6个环境下被检测到, 表型变异贡献率(PVE)范围分别为19.48%~44.11%和10.48%~13.71%。研究发现Rht-D1和QPh.yas-7D.2位点上的高秆等位变异(YM4等位变异)分别降低侵染型平均病小穗率(average percentage of infected spikelets, PIS) 34.97%和19.09%, QPh.yas-2D.2和QPh.yas-5A位点上的矮秆等位变异(YM4等位变异)分别降低扩展型平均病小穗率(average percentage of diseased spikelets, PDS) 24.73%和14.56%。QPh.yas-5A的矮秆等位变异来源于阿夫。利用小麦中国春2.1版本的参考基因组信息分析QPh.yas-5A区间, 发现一共有146个有注释功能的高置信基因, 主要涉及合成细胞色素P450、脱水反应元件结合蛋白、乙烯响应转录因子、转录因子MYC2和细胞壁受体相关激酶等。进一步将QPh.yas-5A位点紧密连锁SNP标记转化成育种可用分子标记KASP-5A, 并在126份小麦品种(系)中初步验证其对株高和赤霉病抗性的效应。研究结果可为QPh.yas-5A的育种应用和精细定位奠定基础。

CRISPR/Cas9系统作为高效基因编辑系统, 已被广泛应用于动植物中。多种Cas9基因启动子, 如RPS5A、YAO等被报道用于提高CRISPR/Cas9系统的基因编辑效率。但在大豆中, 不同Cas9启动子对CRISPR/Cas9基因编辑系统效率的影响还没有被阐明。本研究选择了6个已知功能的高效Cas9启动子(p35S、pGmRPS5Ab、pGmRPS5Ac、pAtRPS5A、pGmYAO、pZmUbiquitin)和1个大豆内源未知功能的启动子(pGmHE), 构建CRISPR/Cas9基因敲除载体。通过农杆菌介导的大豆发根系统, 检测这些Cas9启动子对大豆内源基因GmSPA1a和GmEID1的编辑效率, 结果显示大豆内源启动子pGmRPS5Ab对靶基因的编辑效率最高, pAtRPS5A、p35S、pZmUbiquitin对下游基因的编辑效率高于pGmYAO和pGmRPS5Ac。进一步对靶位点测序峰图的分析发现, 使用了pGmRPS5Ab和pAtRPS5A启动子的测序峰图中, 高峰占比较大, 分别为64.0%和58.6%; 而使用p35S的测序峰图中, 低峰占比较高, 为63.3%。这表明pGmRP5SAb和pAtRPS5A启动子不但编辑效率高, 而且编辑效果好, 更有利于在下一代中分离出纯合突变体植株。这些结果将为构建高效大豆基因编辑载体提供参考, 为提高大豆基因编辑效率提供依据。

为研究甘薯类胡萝卜素代谢的分子机制, 本研究以浙薯81及其芽变系为材料, 利用RNA-seq技术研究了浙薯81及其芽变系的薯皮(红色变黄色)和脉基(紫色变绿色)类胡萝卜素代谢相关基因。经过生物信息学分析, 在薯皮和脉基分别筛选出24个和10个差异表达基因(DEGs), 其中有4个DEGs同时存在于薯皮和脉基中。类胡萝卜合成代谢上游途径中, 与浙薯81相比, 芽变系薯皮中的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶基因GGDPS (g29773、g38646)、番茄红素合成酶基因PSY (g11630)和ζ-胡萝卜素异构酶基因Z-ISO (g42608)均显著上调, GGDPS (g29773)仅在突变系中有表达; 脉基部在类胡萝卜素上游代谢途径中没有筛选到DEGs。番茄红素环化分支点后, 在薯皮中检测到2个β-胡萝卜素羟化酶基因CHYB (g33351、g953), 与浙薯81相比, 芽变系中g33351下调表达, g953则上调表达。在薯皮和脉基分别检测到一个玉米黄质环氧化酶基因ZEP, 薯皮中的ZEP (g41700)显著下调, 脉基部的ZEP (g1103)显著上调。类胡萝卜素分解代谢中突变体薯皮中类胡萝卜素裂解双加氧酶基因CCD8 (g21348)下调表达; 2个9-顺式环氧类胡萝卜素加氧酶基因NCED (g30636、g43412)在突变系的薯皮和脉基中均下调表达; 此外在薯皮和脉基分别检测出5个黄氧素脱氢酶基因ABA2, 薯皮中有4个上调表达, 而脉基中的则全部下调表达。利用实时定量PCR (qRT-PCR)验证了部分基因的表达模式, 与RNA-seq分析结果一致。该研究对甘薯类胡萝卜素代谢的分子机制及解析甘薯薯皮和脉基不同颜色突变具有重要参考价值。

针对木薯雌花数量严重缺乏的育种难题, 本试验以木薯品种‘新选048’为试材, 测定木薯花性别分化关键时期雌花和雄花的转录组数据, 分析差异表达基因的功能及其可能参与的调控通路, 揭示木薯雌花分化的分子机制, 挖掘木薯雌花分化的相关候选基因, 并采用qRT-PCR方法对测序结果进行验证。结果表明: 在木薯花性别分化关键时期, 雌花和雄花共有545个差异基因, 其中48.63%的差异基因富集到花器官的形态建成及发育的GO途径, 且富集到植物苯丙素生物合成、植物激素信号传导2个代谢通路的基因最多, 4个花性别分化基因AGL11、YABBY4、CRC、SUP在雌花中显著上调表达, 4个细胞分裂素信号通路基因HK4、HPt4、ARR8、ARR12在雌花中显著上调表达, 生长素的早期响应基因IAA14、GH3、SAUR22、SAURR20在雌花中显著下调表达。因此, 木薯花性别分化主要涉及花粉、配子体、花器官的形态建成及发育的生物途径和植物苯丙素生物合成、植物激素信号传导2个代谢通路, 细胞分裂素和生长素可能参与了木薯雌花分化过程, AGL11、YABBY4、CRC、SUP、HK4、HPt4、ARR8、ARR12可能是木薯雌花分化的正调控基因。

花期是玉米重要性状之一, 解析玉米花期的遗传基础, 挖掘玉米花期关键基因, 对于选育广适玉米品种具有重要意义。在580份玉米自交系构成的自然群体中, 3年种植测定散粉期、吐丝期和散粉吐丝间隔期等3个花期性状, 利用分布全基因组的31,826个SNPs (single nucleotide polymorphisms)标记进行全基因组关联分析(genome wide association study, GWAS), 结合自交系B73的14个不同发育阶段的转录组数据进行权重基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA), 挑选与玉米开花相关的组织特异性模块和关键基因。GWAS在多环境(2个环境以上)下共定位标记14个, 挖掘到潜在候选基因10个, WGCNA挖掘到花期潜在候选基因17个, 2种方法共同挖掘到候选基因3个。Zm00001d052180编码一个MADS-box转录因子19, Zm00001d016814编码NAC转录因子133, Zm00001d048082编码MADS-box转录因子8, 这些基因主要参与调节花序生长发育。研究结果为解析玉米花期遗传基础及分子机制提供参考。

为解析大豆R6期籽粒氨基酸含量的遗传机制, 本研究利用264份大豆种质资源材料在2020年和2021年测定了与菜用大豆食味品质相关的精氨酸、丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸含量, 并进行全基因组关联分析(GWAS)。结果表明, 2年共检测到89个与大豆R6期籽粒4种氨基酸含量显著关联的SNP位点, 其中有5个标记能同时被2年或2个性状重复检测到, 分别为S03_40647948 (Chr.3)、S05_2727464 (Chr.5)、S10_4122977 (Chr.10)、S17_34559022 (Chr.17)和S19_48541685 (Chr.19), 单个位点可以解释11.25%~28.19%的表型变异解, 其中Chr.17上的标记S17_34559022在2020年和2021年被共同检测到与谷氨酸含量显著关联, 属稳定遗传的位点。共挖掘出9个候选基因, 其中ZIP蛋白(zinc finger family protein)、转录因子bHLH (bHLH DNA-binding superfamily protein)、生长素反应蛋白家族(auxin-responsive protein family)和天冬氨酸蛋白酶家族蛋白(aspartyl protease family protein), 可能是影响菜用大豆氨基酸代谢的重要基因。本研究挖掘到的5个氨基酸含量主效SNP位点和9个候选基因, 有助于解析大豆R6期籽粒氨基酸含量的遗传基础及其调控机制, 为菜用大豆食味品质遗传改良奠定了基础。

促丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联是生物体内一种重要的信号转导途径, 广泛存在于植物中。MAPKKs位于该级联反应通路中间, 对信号传递起到关键作用, 目前在甘薯中少有报道。基于前期的转录组学分析, 本研究克隆出1个与甘薯抗病相关的基因IbMAPKK9。生物信息学分析表明, IbMAPKK9包含一个987 bp开放阅读框(open reading frame, ORF), 编码328个氨基酸, 具有1个蛋白激酶家族保守结构域(PF00069), IbMAPKK9蛋白以α螺旋和无规则卷曲为主, 启动子区包含多种激素(茉莉酸甲酯、乙烯、脱落酸、赤霉素、水杨酸)相关及胁迫响应元件。进化分析表明, IbMAPKK9蛋白与三叶裂薯、日本牵牛花、番茄和马铃薯亲缘关系较近。亚细胞定位显示IbMAPKK9蛋白定位于细胞核。实时荧光定量PCR发现IbMAPKK9在甘薯根、茎、叶和叶柄中均表达, 并响应甘薯蔓割病侵染。瞬时表达分析结果表明, IbMAPKK9引起5个与水杨酸合成途径及信号转导途径相关的基因在48 h内表达上调, 推测IbMAPKK9通过介导水杨酸信号途径影响植物的抗性。本研究可为进一步解析甘薯IbMAPKK9的生物学功能提供理论依据。

镉离子平衡和解毒调控是探索甜菜镉胁迫耐受机制的核心, 也是利用甜菜进行重金属生物修复的基础。重金属相关的异戊二烯植物蛋白(HIPPs)是一类多功能金属伴侣蛋白, 在镉离子吸收、转运及区隔化中发挥关键作用。前期甜菜响应镉胁迫的转录组表达谱研究中, 发现BvHIPPs存在差异表达。基于此, 本研究通过生物信息学方法全基因组鉴定了BvHIPPs基因家族成员, 并对其理化性质、进化关系、基因结构、顺式作用元件、染色体定位及在镉胁迫下的转录表达特性进行了深入的分析。结果表明, 甜菜基因组中共有23个BvHIPPs家族成员, 均含有HMA结构域和异戊二烯化基序, 其中16个BvHIPPs被定位于细胞核。顺式作用元件分析发现BvHIPPs可参与多种生物与非生物胁迫响应。转录组数据表明23个BvHIPPs均不同程度的参与到甜菜对镉胁迫的应答过程, 并且进一步的qRT-PCR分析验证了BvHIPPs应答镉胁迫的调控特点。结果表明, BvHIPPs可能在甜菜适应镉胁迫的过程中发挥着重要作用, 研究结果为甜菜在重金属污染生物修复的分子机制研究奠定基础。

本研究选用长江流域上中下游各6个油菜品种, 采用相同栽培措施在四川、湖北与浙江试验点种植, 籽粒成熟后收获冷榨, 测定菜籽油不饱和脂肪酸(USFAs)组成及叶绿素、极性总酚、植物甾醇、生育酚等含量等指标, 凝炼各试点菜籽油关键特征。结果表明, 油菜籽粒含油量、出油效率指标, 菜籽油中叶绿素、极性总酚、植物甾醇、生育酚含量等指标在试点间均存在差异。(1) 籽粒含油量四川优于湖北, 浙江试点最低, 并且中下游地区的品种在四川种植, 含油量增加; 浙江试点的籽粒出油效率最高, 其次为四川试点, 湖北试点最低。(2) 四川试点菜籽油油酸含量最高, 其次为浙江试点, 湖北试点最低, 但湖北试点有较高的亚油酸和亚麻酸含量; 菜籽油极性总酚与植物甾醇含量在四川试点最高, 其次为湖北试点, 浙江试点最低; 菜籽油生育酚含量及外观品质则相反, 浙江试点最佳, 其次则依次为湖北、四川试点。(3) 四川试点的菜籽油抗氧化能力优于湖北, 浙江试点最低, 四川试点较强的抗氧化能力主要得益于油菜角果期较低的温度与降雨量。综上, 长江流域不同试验点菜籽油品质存在差异。本研究结果可为各生态区优质油菜品种选用提供参考。

依托山东省东平县农业科学研究所自2010年设立的长期定位试验平台采取裂区试验设计(主区为磷肥, 裂区钾肥, 裂-裂区为氮肥, P₂O₅施入量为0、90、120和150 kg hm^-2, 分别用P₀、P₁、P₂和P₃表示; K₂O施入量为0、180、240和300 kg hm^-2, 分别用K₀、K₁、K₂和K₃表示; 纯氮施入量为0、180、240和300 kg hm^-2, 分别用N₀、N₁、N₂和N₃表示), 于2020—2021年以登海605为试验材料, 深入分析了养分施用量对夏玉米叶片干物质积累和氮浓度的影响, 构建了夏玉米营养生长阶段叶片临界氮稀释曲线, 探讨了不同养分投入量以氮营养指数模型诊断和评价夏玉米氮营养状况的可行性。结果表明: 夏玉米花前叶片干物质积累量和氮浓度随氮、磷、钾素用量的增加呈上升趋势; 叶片氮浓度随生育进程推进和叶片干物质积累呈下降趋势, 表现出稀释现象。叶片干物质积累量和氮浓度变化可分为氮素限制和非氮素限制2组, 据此分别构建了不同磷钾素用量下夏玉米叶片营养生长阶段临界氮浓度曲线模型: N_LC0 = 2.745 LDM^-0.529, N_LC1 = 3.245 LDM^-0.334, N_LC2 = 3.557 LDM^-0.290, N_LC3 = 3.639 LDM^-0.286。相关分析表明基于临界氮浓度稀释曲线计算的氮营养指数与相对叶片干物质积累量、相对籽粒产量均呈极显著相关。结合相对叶片干物质积累量和相对籽粒产量与氮营养指数之间的线性加平台关系, 可以很好地评价氮素限制和非氮素限制2种情况下的作物氮素营养状况。因此, 利用夏玉米叶片营养生长阶段临界氮稀释曲线和氮营养指数可有效预测夏玉米营养生长阶段临界氮浓度, 并表征夏玉米氮营养状况。

花后高温是影响黄淮海夏玉米籽粒灌浆及产量形成的主要逆境胁迫之一。目前关于增施氮肥缓解灌浆期高温胁迫对小麦、玉米和水稻等作物产量形成的抑制作用已得到证实, 但相关调控途径及其生理机制尚不明确。本研究选用郑单958 (Zhengdan 958, ZD958)和先玉335 (Xianyu 335, XY335) 2个玉米品种为试验材料开展盆栽试验, 设置2个温度处理, 分别为自然环境温度(ambient temperature, CK)和温室增温处理(heat stress, HS); 3个施氮水平, 分别为低施氮量(low nitrogen application rate, LN): 120 kg hm^-2, 中施氮量(middle nitrogen application rate, MN): 240 kg hm^-2和高施氮量(high nitrogen application rate, HN): 360 kg hm^-2, 研究增施氮肥对花后初期高温胁迫下玉米碳氮代谢的影响。结果表明, 与自然温度比, 花后增温(35℃)处理20 d导致ZD958和XY335两个品种的成熟期粒重降低10.6%~19.3%, 但粒重降幅随着施氮量增加而下降, 中施氮量(MN)和高施氮量(HN)下粒重降幅(10.6%~11.2%)小于低施氮量(LN)下粒重降幅(16.2%~19.3%), 说明增施氮肥可以显著提高花后高温胁迫下的玉米粒重。这主要是因为增施氮肥有效缓解了花后初期高温胁迫对玉米籽粒氮代谢的抑制作用, 显著提高了谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)等氮代谢关键酶活性, 同时维持了碳代谢关键酶蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性, 促进了籽粒可溶性糖合成增加, 从而保证了较高的籽粒灌浆物质基础。综上所述, 增施氮肥可以缓解玉米花后初期高温胁迫对籽粒碳、氮代谢的抑制, 促进籽粒中同化物积累而增加粒重, 为黄淮海区夏玉米抗逆稳产栽培提供了思路。

作物需水量和作物灌溉需水量的时空分析对水资源优化配置和灌溉制度制定至关重要。为了解新疆主要作物棉花、春小麦、冬小麦和玉米生育期需水量和灌溉需水量的时空特征及影响因素, 本文基于1960—2020年逐日气象观测数据, 采用Penman-Monteith公式和单作物系数法, 利用去趋势预置白(TFPW)的Mann-Kendall (TFPW-MK)研究4种作物需水量变化特征, 并通过重标极差(R/S)分析法预测未来作物需水量和灌溉需水量的时空演变趋势; 运用随机森林模型的重要协变量特征识别原理, 分析气象因素与作物需水量的重要性排名, 探究了作物需水量的变化成因。结果表明: 1) 61年来, 新疆主要作物需水量总体呈现“先增后减又增”的变化趋势; 作物需水量和灌溉需水量从大到小均依次为: 棉花>玉米>冬小麦>春小麦; 空间上呈现“南疆>北疆、东南>西北、东部>西部”的格局; 主要作物需水量变化范围为: 棉花为381.20~991.20 mm (均值为654.94 mm), 玉米为350.26~924.48 mm (均值为607.98 mm), 春小麦为361.96~709.69 mm (均值为464.89 mm), 冬小麦为266.47~753.62 mm (均值为495.7 0 mm); 灌溉需水量变化范围为: 棉花为49.49~975.88 mm (均值为563.19 mm), 玉米为52.47~910.85 mm (均值为530.18 mm), 春小麦为42.58~701.29mm (均值为409.28 mm), 冬小麦为21.94~741.77 mm (均值为418.26 mm), 自80年代中后期开始, 灌溉需水量下降幅度大于需水量。2) TFPW-MK分析中, 近61年来, 分布在塔里木盆地北部边缘的沙雅和阿克苏、东疆的巴里坤等12个站点需水量呈上升趋势; 分布在塔里木盆地中部的塔中、北疆的克拉玛依和南疆的阿图什等区域的27个站点需水量逐步降低; 其余站点呈上下波动。3) 使用R/S方法对未来需水量的预测中, 北疆的塔城、托里、富蕴和乌鲁木齐站, 东疆的巴里坤, 南疆的沙雅、乌恰、塔中、且末和柯坪等站点4种作物需水量和灌溉需水量在未来会减少, 而东疆的红柳河、巴里坤与巴音布鲁克的春、冬小麦需水量在未来呈现上升趋势。4) 在作物全育期中, 风速和气温是新疆主要作物需水量的最重要影响因素, 而降水对新疆主要作物需水量的重要性最小。该研究较为全面的为新疆农业高效用水和灌溉措施的制定提供决策和依据。

为实现基于机器学习方法和无人机影像的叶面积指数(leaf area index, LAI)准确估测。本研究对比了人工神经网络法(Artificial Neural Network algorithm, ANN)、高斯过程回归法(Gaussian Process Regression algorithm, GPR)、支持向量回归法(Support Vector Regression algorithm, SVR)和梯度提升决策树法(Gradient Boosting Decision Tree, GBDT)等几种主流的机器学习方法在基于无人机影像的玉米LAI反演中的优劣。为此, 开展了不同有机肥、无机肥、秸秆还田以及种植密度处理的玉米田间试验, 在不同生育期获取了无人机多光谱影像和LAI数据。基于这些数据, 首先通过相关性分析, 选择对LAI敏感的光谱指数作为估测变量, 然后分别耦合偏最小二乘法(Partial Least Squares Regression, PLSR)和ANN、GPR、SVR、GBDT建立LAI反演模型, 并对它们进行对比分析。结果表明, PLSR+GBDT法构建的LAI反演模型精度最高, 稳定性最好, 建模R_cal²和RMSE_cal为0.90和0.25, 验证R_val²和RMSE_val为0.90和0.29; 与PLSR+GBDT模型结果最接近的是基于PLSR+GPR法建立的模型, 其建模R_cal²和RMSE_cal为0.86和0.30, 验证R_val²和RMSE_val为0.89和0.29, 且具有训练速度快, 并能给出反演结果不确定度的优势; PLSR+ANN法的建模R_cal²和RMSE_cal为0.85和0.31, 验证R_val²和RMSE_val为0.89和0.30; PLSR+SVR法的建模R_cal²和RMSE_cal为0.86和0.32, 验证R_val²和RMSE_val为0.90和0.33。因此, PLSR+GBDT法和PLSR+GPR法被推荐作为玉米LAI反演模型构建的最优方法。

呼吸作用是作物生长发育的重要代谢基础。本研究以4个不同基因型甜菜品种为研究材料, 比较不同基因型甜菜各生育时期块根生长发育特性、呼吸速率、呼吸关键酶活性及其基因表达和能量差异, 分析各呼吸生理指标与甜菜块根增长和糖分积累的关系。研究结果表明, 不同基因型甜菜呼吸代谢水平存在显著差异, 块根呼吸速率、ATP合酶活性、ATP含量与块根重量呈极显著正相关, 表明较强的呼吸与能量代谢可促进甜菜块根的生长。联合分析呼吸代谢途径关键酶(HK、PK、IDH、SDH、6PGDH和G6PDH)活性及其基因表达和呼吸途径抑制剂效果表明, EMP-TCA是甜菜块根生长的主呼吸代谢途径, 抑制各条呼吸途径都降低甜菜的块根重量和直径, EMP、TCA和PPP途径均对甜菜块根膨大具有促进作用。研究结果为进一步深入研究甜菜块根生理机制奠定了理论基础, 为选育和鉴定高产甜菜提供了生理指标。

植物在生长发育过程经常受到病原菌的侵害, 严重影响作物产量。MYC2属于bHLH家族转录因子, 在茉莉酸介导的信号途径中有着重要的调控作用。在前期工作中, 通过对MYC家族进化树分析, 找到了与拟南芥同源的玉米基因ZmMYC2。本研究克隆了ZmMYC2, 该基因全长2118 bp, 编码705个氨基酸残基, 其编码蛋白定位于细胞核。RT-qPCR分析表明, ZmMYC2在玉米各个组织中均有表达, 但在叶中的表达量最高。诱导表达模式分析表明, ZmMYC2可以响应茉莉酸(jasmonic acid, JA)、水杨酸(salicylic acid, SA)和乙烯(ethylene, ETH)的诱导。在50 μmol L^-1茉莉酸处理的培养基上, 过表达拟南芥的根长显著短于野生型, 突变体拟南芥的根长显著长于野生型, 回补材料拟南芥根长与野生型无明显差异。对过表达ZmMYC2拟南芥材料接种丁香假单胞杆菌(psedumonas syrinage pv.tomato DC3000, Pst DC3000), 野生型、突变体和回补拟南芥相对于过表达表现出较好的状态, 推测ZmMYC2降低了拟南芥对病原菌侵害的防御能力。接种前, 外源施加茉莉酸激素, 过表达拟南芥叶片死亡面积和叶内含菌量均有所减少, 茉莉酸激素增强了ZmMYC2对病原菌侵害的抵抗能力。亚细胞定位显示, ZmMYC2为核定位蛋白。酵母双杂交表明ZmMYC2可以与JAZ蛋白中的JAZ1和JAZ3相互作用。茉莉酸、水杨酸和防御基因以及细胞程序性死亡基因的表达量分析表明, ZmMYC2负调控PDF1.2的表达, 正调控PR1、MED25、COI1以及细胞程序性死亡基因HIN1的表达。综上所述, ZmMYC2通过与JAZ1和JAZ3相互作用, 参与茉莉酸信号的转导作用, 降低了拟南芥对病原菌胁迫的抵抗能力。

小麦叶片在逆境下会发生可逆的折叠或卷曲, 通过脱水回避的形态学变化降低非生物胁迫的损害。目前小麦叶片卷曲的生理和遗传调控机制尚不清楚。本文利用EMS诱变晋麦47获得了卷叶突变体RL1 (Rolled Leaf 1), RL1在整个生育期叶片呈现卷曲, 初生叶片沿中轴脉向近轴面微卷, 随着叶片生长加速卷曲, 直至为筒状。与野生型相比, RL1株高降低、穗长变短、旗叶变窄和千粒重降低。氯化三苯基四氮唑(TTC)染色结果表明RL1种子活力低, 且种子发芽率降低了22%。抽穗10 d后, RL1的叶绿素含量与野生型基本一致, 净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、细胞间隙CO₂浓度差异不显著, 但水分利用率降低。低温、高温和干旱促进RL1的叶片卷曲; 石蜡切片观察表明, RL1的大叶脉和小叶脉偏少, 在中脉区域远轴面厚壁细胞和近轴面薄壁细胞数目减少, 且维管束间泡状细胞的面积和数量均明显低于野生型; RL1叶片不同部位泡状细胞缩小以及维管束减少导致整个叶片向近轴面极度卷曲。遗传分析表明该性状受1对不完全显性的核基因控制, 位于1D染色体短臂上, 精细定位将目标区间锁定在9.42 Mb范围内。