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2021年 第47卷 第4期 刊出日期：2021-04-12

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作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

甘蔗抗黄锈病G1标记的分子检测及候选抗病基因WAK的分析

王恒波, 陈姝琦, 郭晋隆, 阙友雄

作物学报. 2021, (4):  577-586.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04131

摘要 ( 727 )   HTML ( 47 )   PDF (7876KB) ( 698 )  

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甘蔗黄锈病是屈恩柄锈菌(Puccinia kuehnii Butler)引起的一种世界性真菌病害, 导致产量减少和糖分降低, 给甘蔗产业造成严重损失。本研究采用抗黄锈病分子标记G1, 检测我国和世界上重要的甘蔗栽培品种、野生种和近缘属的抗黄锈病基因, 并对扩增的代表性特异条带进行克隆测序、功能注释和聚类分析, 推测其抗性基因的起源和进化。G1检测结果表明, 国内124份甘蔗栽培品种检测到G1标记的有83份, 占66.9%; 国外46份甘蔗栽培品种检测到G1标记的有31份, 占67.4%。34份甘蔗野生种和近缘属中检测到G1标记的有17份, 占50%, 其中割手密种含有该基因比例最高, 为100%。功能注释揭示, G1标记的候选基因编码一种细胞壁连接的类受体激酶, 并在甘蔗栽培品种的单倍体蛋白组数据库中鉴定到3个相似度较高的蛋白, 这些蛋白都有细胞壁受体激酶结构的胞外域、跨膜域和激酶活性的胞内域。聚类结果则清晰展示了抗病候选基因的起源及进化关系, 具体可分为3组, 第1组来源于割手密种和大茎野生种; 第2组来源于大茎野生种、热带种和河八王属; 第3组来源于割手密种、大茎野生种、中国种和栽培品种。研究结果为抗黄锈病甘蔗品种的选育提供重要的抗源支撑, 并为抗性分子机制的解析奠定基础。

GBS高密度遗传连锁图谱定位甘蓝型油菜粉色花性状

周新桐, 郭青青, 陈雪, 李加纳, 王瑞

作物学报. 2021, (4):  587-598.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04115

摘要 ( 829 )   HTML ( 42 )   PDF (1443KB) ( 864 )  

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甘蓝型油菜花瓣颜色是重要的观赏性状, 花瓣颜色的选育和改良已成为材料创制的主要研究方向。目前对甘蓝型油菜粉色花性状定位研究未见报道。本研究以甘蓝型油菜纯系黄花62和甘蓝型油菜纯系粉花77为亲本构建双单倍体(doubled haploid, DH)群体。利用简化基因组测序技术(genotyping-by-sequencing, GBS)筛选出3253个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)标记, 构建了全长1766.06 cM甘蓝型油菜连锁图谱, 标记间平均遗传距离为0.54 cM; 使用WinQTL Cartographer复合区间作图方法对粉色花性状进行数量性状座位(quantitative trait locus, QTL)定位, 检测到位于A07和C03染色体上各1个QTL; 将定位区间内基因与甘蓝和白菜同源基因进行线性比对, 在这些区间中找到了一些存在于3个物种的同源基因; 对粉色花定位区间内基因进行可变剪切分析发现, 2个花色相关基因BnaA07g15980D和BnaA07g17500D在亲本粉色花瓣中发生内含子保留可变剪切。上述研究结果为甘蓝型油菜粉色花相关基因精细定位和分子连锁标记开发提供了更多线索。

DNA甲基化参与调控马铃薯响应干旱胁迫的关键基因挖掘

李鹏程, 毕真真, 孙超, 秦天元, 梁文君, 王一好, 许德蓉, 刘玉汇, 张俊莲, 白江平

作物学报. 2021, (4):  599-612.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04152

摘要 ( 814 )   HTML ( 42 )   PDF (3516KB) ( 906 )  

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植物受到干旱胁迫时, 会通过DNA甲基化做出快速反应以帮助其应对胁迫。为探究在干旱胁迫下, DNA甲基化是如何影响基因转录表达, 本研究对甘露醇模拟干旱和5-azadC (去甲基化)处理下, 抗旱性不同的2个马铃薯品种(抗旱型, 青薯9号; 干旱敏感型, 大西洋)进行转录组学分析, 以Fold-change > 2和校正后P < 0.01进行差异表达基因(DEG)的筛选。GO富集分析发现, 2种处理都共同显著富集到氧化应激和碳水化合物代谢过程相关的GO term。说明不同耐旱性马铃薯在响应干旱胁迫时, 与这些GO term相关的基因也受DNA去甲基化调控。对既响应干旱又响应DNA去甲基化的1345个DEG进行KEGG功能富集发现, 与植物抗旱相关的通路有植物MAPK信号途径、植物激素信号转导途径、植物谷胱甘肽代谢通路、糖酵解与糖异生和磷酸肌醇代谢通路。说明这些通路相关基因在大西洋和青薯9号2个抗旱性不同的马铃薯品种中, 响应干旱的敏感性受DNA甲基化调控。接着对DEG上游1500 bp启动子区域进行顺式作用原件和甲基化CpG岛分析发现, 干旱胁迫下参与植物谷胱甘肽代谢的GST基因通过DNA去甲基化来降低启动子区ABRE和CAAT-box作用元件的甲基化水平, 进而激活该基因的表达以应对干旱胁迫。因此, 利用比较转录组学分析干旱和DNA去甲基化处理下的差异基因, 可挖掘到DNA甲基化参与调控马铃薯响应干旱胁迫的相关基因, 为研究马铃薯干旱胁迫响应的表观遗传学机理提供新的研究思路。

花生荚果发育过程中的microRNA鉴定与表达分析

胡冬秀, 刘浩, 洪彦彬, 梁炫强, 陈小平

作物学报. 2021, (4):  613-625.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04144

摘要 ( 740 )   HTML ( 17 )   PDF (5437KB) ( 588 )  

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花生(Arachis hypogaea L.)是典型“地上开花、地下结果”的作物, 为从转录后调控水平解析此独特的果实发育现象, 本文应用small RNA测序技术研究荚果发育11个时期果壳及种子中的microRNA及其靶基因。通过测序分别获得212个已知的microRNA和112个新microRNA, 其中, 已知microRNA包括197个保守microRNA和15个花生特异microRNA, 新microRNA来自62个新的microRNA前体序列。表达分析发现, 67个microRNA及其靶基因在荚果发育的11个时期存在时空特异性表达, 部分microRNA的表达量积累阶段性调节果壳与种子的发育, 表明microRNA参与了花生荚果暗发育的整个过程。此外, 对28个microRNA与30个靶基因进行荧光定量PCR验证发现, microRNA和靶基因的表达趋势与测序结果基本一致。本研究通过对花生荚果不同发育时期的果壳和种子进行small RNA测序, 鉴定参与调控花生荚果膨大相关的microRNA, 为研究黑暗条件下植物果实发育的调控机制与花生遗传改良奠定理论基础。

甘蓝型油菜早熟性状QTL定位及候选基因筛选

李书宇, 黄杨, 熊洁, 丁戈, 陈伦林, 宋来强

作物学报. 2021, (4):  626-637.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04145

摘要 ( 615 )   HTML ( 22 )   PDF (1047KB) ( 755 )  

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目前对于油菜早熟的研究主要围绕开花期性状进行, 虽然开花期与生育期呈显著正相关, 但却并不完全一致。对于油菜开花后一系列生长发育进程相关性状的遗传研究和QTL定位鲜有报道。本研究以成熟期差异较大的2个油菜品种‘花前早’和‘Global’构建的DH群体为材料, 对影响油菜全生育期的各个发育阶段(开花期、花期持续时间、角果期持续时间和全生育期等)进行表型调查和QTL定位分析。共检测到30个早熟相关性状QTL位点, 其中开花期、花期持续时间、角果期持续时间和全生育期等分别检测到12、5、4和9个QTL位点, 解释了5.8%~22.4%的表型方差。发现4、2和1个全生育期QTL置信区间分别与开花期、花期持续时间、角果期持续时间位点置信区间完全或部分重叠。筛选到29个可能与油菜早熟性状相关的候选基因, 它们通过调控花期或籽粒发育等生长发育进程影响油菜早熟。因此, 在早熟性状的研究中, 可以同时从开花期和籽粒发育过程入手, 不但有利于使熟期进一步提前, 也可减缓早熟油菜品种过早开花导致的冬前低温寒潮天气的不利影响。

谷子SiPRR37基因对光温、非生物胁迫的响应特点及其有利等位变异鉴定

贾小平, 李剑峰, 张博, 全建章, 王永芳, 赵渊, 张小梅, 王振山, 桑璐曼, 董志平

作物学报. 2021, (4):  638-649.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04139

摘要 ( 659 )   HTML ( 43 )   PDF (1129KB) ( 1000 )  

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从谷子品种延谷11号克隆生物钟基因SiPRR37, 通过生物信息学分析、组织特异性表达分析、4种不同光温组合条件的昼夜表达模式分析以及对NaCl、ABA、PEG、低温、Fe 5种非生物胁迫的响应特点分析, 揭示SiPRR37参与谷子光温互作调控以及应对非生物胁迫的作用机制; 并对160份谷子材料重测序检测SiPRR37基因的突变位点进行单倍型分析, 探究该基因对谷子主要农艺性状的影响。结果表明, SiPRR37基因蛋白质编码区(sequence coding for amino acids in protein, CDS)全长2247 bp, 编码748个氨基酸, 含有REC和CCT 2个结构域, 基于PRR37蛋白的系统进化分析发现, 谷子与糜子、高粱、玉米亲缘关系最近; 启动子预测分析发现, SiPRR37启动子区存在光、温、生长素、赤霉素、脱落酸、茉莉酸甲酯、干旱和盐胁迫等多种应答元件。SiPRR37相对表达量从高到低依次为根、穗颈、穗、顶叶、次顶叶、茎秆; 4个光温组合条件SiPRR37均只在光照期出现1个表达峰, 无论高温(27℃)还是低温(22℃), 短日照相比长日照表达峰均要提前, 无论长日照还是短日照, 低温(22℃)相比高温(27℃)表达峰均要提前; NaCl、低温(15℃)胁迫能够抑制SiPRR37表达, PEG模拟干旱胁迫和Fe胁迫能够诱导SiPRR37基因表达, SiPRR37参与了ABA信号传导过程。位于SiPRR37 CDS区的10个SNP将160份谷子材料分为19个单倍型, 其中3个单倍型(Hap_7、Hap_10、Hap_19)是改善穗部性状的有利单倍型。谷子SiPRR37基因表达具有昼夜节律性, 同时受光周期和温度调控, 并且参与了谷子对盐胁迫、低温胁迫、干旱胁迫和铁胁迫的应答反应, 同时SiPRR37与抽穗期和多个穗部性状相关, 在开展谷子高产分子辅助选育中具有一定应用潜力。

甘蓝型油菜千粒重全基因组关联分析

张春, 赵小珍, 庞承珂, 彭门路, 王晓东, 陈锋, 张维, 陈松, 彭琦, 易斌, 孙程明, 张洁夫, 傅廷栋

作物学报. 2021, (4):  650-659.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04136

摘要 ( 692 )   HTML ( 41 )   PDF (2798KB) ( 708 )  

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千粒重是油菜产量构成的重要因素之一。本研究利用高通量SNP芯片对496份具有代表性的油菜种质资源进行基因型分析, 考察群体在3个环境(14NJ、15TZ、16TZ)中的千粒重表型, 利用混合线性模型(mixed linear model, MLM)和一般线性模型(general linear model, GLM)进行全基因组关联分析。结果表明, 本群体在3个环境中千粒重的广义遗传力为63.12%。MLM模型检测到6个显著位点, 解释28.92%的表型变异; GLM模型检测到61个显著位点, 解释47.08%的表型变异。合并共同位点后得到62个显著位点, 联合解释47.31%的表型变异。这些位点分布在基因组所有染色体上, 在A07、A03和C06染色体上分别检测到数目最多的9、8和7个位点。其中效应最大的位点Bn-scaff_17526_1-p1066214位于C09染色体, 在MLM和GLM模型中表型贡献值分别为5.55%和15.26%。21个位点与前人报道的QTL重叠, 其中8个位点得到至少2个群体的验证。其余41个位点为新鉴定的位点, 其中多个位点效应高且在多环境中被检测到, 如位点Bn-A03-p560769、Bn-scaff_15743_1-p599416和Bn-scaff_15743_1-p590955等。在11个位点附近找到DGAT、EOD3、AGL61、WRI1、DA2、RAV1等拟南芥已报道千粒重基因的同源基因。本研究结果有助于解析甘蓝型油菜千粒重的遗传基础, 为研究千粒重的调控机制、指导千粒重的遗传改良奠定基础。

基于GYT双标图对西北内陆棉区国审棉花品种的分类评价

许乃银, 赵素琴, 张芳, 付小琼, 杨晓妮, 乔银桃, 孙世贤

作物学报. 2021, (4):  660-671.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04135

摘要 ( 643 )   HTML ( 11 )   PDF (784KB) ( 505 )  

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西北内陆棉区是我国最重要的主产棉区, 对该棉区历年国审棉花品种进行科学分类和综合评价有利于国审品种资源的合理利用和棉花生产效率的提升。本研究采用GYT双标图分析对2003—2019年期间西北内陆棉区37个国审棉花品种的产量与霜前花率、纤维长度、比强度、马克隆值、枯萎病指数和黄萎病指数等性状的组合水平进行了综合分析和品种分类评价。结果表明, 西北内陆棉区37个国审棉花品种可划分为3个特征明显的品种类型。其中, I型品种包括新陆早13号、中棉所49、新陆早21号、巴13222、新46、天云0769、Z1112、新石K18、J206-5、新石K21、禾棉A9-9、创棉508、H33-1-4、金科20、新K28、创棉512和J8031等17个品种, 是产量与其余性状组合协调最好的品种类型, 在生产上推广应用价值最高。II型品种产量和纤维品质表现一般, 抗病性差, 在当前生产上应用价值有限。III型品种的抗枯萎病性表现最好, 但在其余性状上表现略差, 综合生产应用价值有限, 也许可作为抗病亲本应用。同时, 根据各品种的理想指数筛选出创棉512、J8031、新K28、H33-1-4、金科20、新陆早13号和创棉508等综合表现优良的品种, 也鉴别出新陆棉1号、新陆早33号、创棉501号和新陆早51号等综合表现相对略差的品种。本研究采用的GYT双标图分析方法是基于“产量-性状”组合水平对品种进行综合评价和分类研究, 产量-性状组合之间的相关关系更加简单, 多数组合间表现显著正相关, 更适用于品种的多性状直观选择和综合评价, 通常比先前的GT双标图解释的变异比率高, 双标图模型拟合度更好, 结果更可靠。本研究采用GYT双标图分析方法对西北内陆棉区国审品种的分类研究揭示了该棉区国审棉花品种的分类特征和应用价值, 为本区的国家棉花品种试验审定提供了借鉴, 也为其他作物品种的类似研究提供了范例。

马铃薯热激转录因子HsfA3基因的克隆及其耐热性功能分析

唐锐敏, 贾小云, 朱文娇, 印敬明, 杨清

作物学报. 2021, (4):  672-683.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04114

摘要 ( 796 )   HTML ( 34 )   PDF (3680KB) ( 533 )  

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马铃薯在田间生长时常会受到各种不利环境的影响。夏季高温常导致马铃薯块茎产量和质量的下降。因此, 阐明马铃薯对热胁迫的响应机制, 发掘耐热相关基因, 对马铃薯耐热性的提高意义重大。热激转录因子(heat shock transcription factor A3, HsfA3)在植物机体内的活动影响到大量功能基因的表达, 在植物响应热胁迫的过程中发挥重要的作用。为了研究马铃薯中HsfA3的结构和功能, 本研究通过RT-PCR从马铃薯品种Désirée中克隆到长度为1506 bp的StHsfA3基因, 编码501个氨基酸。StHsfA3的相对分子量为55.23 kD, 理论等电点为4.9, 属于亲水性蛋白。构建StHsfA3-pBA002过表达载体, 并转化马铃薯植株, 共鉴定得到5个独立的StHsfA3过表达转基因马铃薯株系。通过对转基因植株和非转基因植株叶片中的相对含水量(relative water content, RWC)以及丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量的测定发现, 在高温胁迫下, 转基因植株叶片中的RWC显著高于非转基因植株, MDA含量显著低于非转基因植株, 说明StHsfA3在耐热过程中起到正调控作用。对StHsfA3、StHsp26-CP和StHsp70在不同马铃薯植株中的表达分析显示, StHsfA3过量表达诱导了StHsp26-CP和StHsp70的表达, 预示着StHsfA3可能协同StHsp26-CP和StHsp70来增强过表达转基因株系的耐热性。

水稻氮高效、耐冷基因OsGRF4功能标记的开发及其利用

孙平勇, 张武汉, 张莉, 舒服, 何强, 彭志荣, 邓华凤

作物学报. 2021, (4):  684-690.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.02035

摘要 ( 606 )   HTML ( 22 )   PDF (582KB) ( 1077 )  

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通过分子标记辅助选择(molecular marker-assisted selection, MAS)培育氮高效水稻品种是减少氮肥使用量、发展绿色农业和可持续农业的一个重要途经。水稻OsGRF4基因编码生长调节因子蛋白, 编码区第487和488碱基由TC变异为AA, 导致丝氨酸突变为赖氨酸, 使得水稻具有氮高效利用、高产和耐冷的特性。为了提高OsGRF4基因在育种中的选择效率, 本研究根据功能SNP (single nucleotide polymorphism)位点设计和筛选出等位基因特异PCR (polymerase chain reaction)功能标记PF+DMR+PR和PF+XMR+PR。利用此功能标记对不同品种(品系)和川大粒/巨穗稻的F₂群体进行基因型检测, 结合测序分析验证, 能准确快速鉴定OsGRF4的纯合显性、纯合隐性和杂合基因型, 且具有操作简单、成本低的特点。本研究开发的功能标记为通过MAS方法利用OsGRF4基因培育氮高效、高产和耐冷水稻新品种提供了技术支撑。

耕作栽培·生理生化

控释尿素对环洞庭湖区双季稻吸氮特征和产量的影响

田昌, 靳拓, 周旋, 黄思怡, 王英姿, 徐泽, 彭建伟, 荣湘民, 谢桂先

作物学报. 2021, (4):  691-700.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.02038

摘要 ( 502 )   HTML ( 15 )   PDF (400KB) ( 224 )  

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缓控释肥料应用于我国水稻生产中, 对化肥使用量零增长和农业可持续发展具有重要推动作用。本研究以连续在湖南进行6年(2013—2018年)的双季稻控释尿素施用试验为研究平台, 分析控释尿素施用下环洞庭湖区早晚稻主要生育期地上部氮素累积、氮素阶段吸收速率与氮素利用的关系, 探究控释尿素减施对水稻持续稳产增产的原因。结果表明: 早稻各施氮处理均有1次明显的氮素阶段吸收速率峰值, 控释尿素(controlled-release urea, CRU)处理氮素吸收相对延后, 氮素累积主要在幼穗分化始期至抽穗期阶段, 占生育期总量的35.31%~42.33%, 其次为始分蘖期至幼穗分化始期和抽穗期至乳熟期。晚稻于始分蘖期至幼穗分化始期和抽穗期至乳熟期出现2次明显的氮素阶段吸收速率峰值, 均以1.0 CRU (等氮量控释尿素)处理峰值最高; 始分蘖期至幼穗分化始期、抽穗期至乳熟期水稻大量吸收氮素, 累积增量分别占35.92%~40.52%和23.05%~24.58%。控释尿素还能显著提高双季稻产量, 早晚稻分别以0.9 CRU (控释尿素减氮10%)和0.8 CRU (控释尿素减氮20%)处理最佳, 控释尿素减施的晚稻增产效果优于早稻, 且显著提高早晚稻氮肥吸收利用率、农学利用率和偏生产力。CRU处理早晚稻产量与幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期、腊熟期氮素累积量和有效穗数均呈极显著正相关, 且晚稻产量与穗长呈显著正相关; 早晚稻幼穗分化始期氮素累积量与氮肥农学利用率、生理利用率呈显著负相关, 氮肥偏生产力与早稻幼穗分化始期、抽穗期、乳熟期和腊熟期氮素累积量呈极显著或显著负相关, 与晚稻抽穗期氮素累积量呈显著负相关。因此, 控释尿素施用使水稻氮素阶段吸收速率、地上部氮素累积后延, 有利于后期生殖生长及籽粒结实, 显著提高双季稻产量及氮肥利用效率。结合双季稻吸氮特征和籽粒产量, 建议环洞庭湖区早稻采用释放期较短的控释尿素或配合速效氮肥施用, 进一步实现增产。

再生稻次适宜区迟播栽对不同杂交籼稻淀粉RVA谱的影响

杨帆, 钟晓媛, 李秋萍, 李书先, 李武, 周涛, 李博, 袁玉洁, 邓飞, 陈勇, 任万军

作物学报. 2021, (4):  701-713.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.02037

摘要 ( 593 )   HTML ( 8 )   PDF (499KB) ( 656 )  

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为探讨再生稻次适宜区播栽期对杂交籼稻淀粉RVA谱的影响, 以2个杂交籼稻品种, 川优6203和宜香优2115为材料, 在四川的隆昌和犍为2个生态点, 研究不同生态条件下推迟播栽期对籼稻淀粉RVA谱特征值的影响。结果表明, 播栽期的主效应对籼稻淀粉RVA谱特征值存在明显的影响。在再生稻次适宜区, 推迟播栽期会导致水稻灌浆期温度降低, 日照时长缩短, 降雨量减少, 从而降低了籼稻淀粉RVA谱的峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度和崩解值, 提高了消减值以及峰值时间; 与再生稻相比, 迟播栽期处理具有较大的峰值黏度、崩解值以及较小的冷胶黏度、消减值、回复值、峰值时间和糊化温度。播栽期对籼稻淀粉RVA谱特征值的影响在不同生态点具有差异, 与隆昌生态点相比, 犍为生态点处理间的峰值黏度、消减值和崩解值差异更为显著。播栽期对不同品种淀粉RVA谱的影响程度不同, 宜香优2115的峰值黏度和崩解值比川优6203更容易受到播栽期的影响。从淀粉RVA谱的变化趋势来看, 迟播栽期处理的籼稻淀粉RVA谱表现与再生稻更为接近, 蒸煮食味品质更高。

山西省小麦苗期根系性状及抗旱特性分析

赵佳佳, 乔玲, 武棒棒, 葛川, 乔麟轶, 张树伟, 闫素仙, 郑兴卫, 郑军

作物学报. 2021, (4):  714-727.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.01048

摘要 ( 909 )   HTML ( 26 )   PDF (1008KB) ( 1416 )  

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小麦苗期根系形态是成株期根系分布的基础, 与抗逆和产量密切相关, 全面认识苗期根系及抗旱特性, 对于抗旱优异种质的利用和早期筛选具有重要意义。采用239份山西省小麦品种(系)在土培条件下, 研究了苗期根系性状及对水分胁迫的响应。结果表明, 正常生长下山西小麦苗期根系性状多样性丰富, 地方种变异最大; 不同年代品种中, 除最大根长随年代略下降外, 其他性状均呈先升后降的趋势; 不同根系性状对水分胁迫响应存在差异, 总根长对水分最敏感, 其次为根表面积、根体积和根生物量, 最大根长和平均根数不敏感。苗期根系综合抗旱能力随年代呈先降后升的趋势, 地方种和20世纪70年代品种多为中抗, 80和90年代的品种抗旱性较低, 2000年以后审定品种的抗性较高, 其中旱地品种抗性最好。苗期根系抗旱特性与产量性状相关分析发现, 最大根长、总根长、根体积和根生物量与雨养条件下的千粒重和产量显著正相关, 最大根长和根生物量与成株期抗旱性也显著正相关。因此苗期最大根长和根生物量可作为半干旱地区旱地育种过程中抗旱性和产量的早期筛选指标。

苗期重金属胁迫下蓖麻生长、生理和重金属积累效应

吕冬梅, 朱广龙, 王玥, 施雨, 卢发光, 任桢, 刘昱茜, 顾立峰, 卢海潼, Irshad Ahmad, 焦秀荣, 孟天瑶, 周桂生

作物学报. 2021, (4):  728-737.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04146

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农业面源和重金属污染日益加剧, 严重威胁农业生态环境与人类健康。探究作物对重金属的累积效应及生理机制对重金属污染的治理意义重大。本文以淄蓖5号为材料, 研究重金属处理下(Cu、Zn、Cd, 处理浓度分别为0、30、60、120 mg L^-1)蓖麻幼苗对各重金属的积累效应及相关生理机制, 为重金属污染土壤的修复与防治奠定基础。重金属处理显著影响蓖麻植株的生长、生理及对重金属的积累。随着重金属浓度的增加, 株高先增后降, 在60 mg L^-1时达最大值; 根长、鲜重、干重显著降低。叶片中SOD活性先降后增, 在10 DAS (播种后天数) 120 mg L^-1 Cu和Zn处理下活性最高, 分别增加了45.5%和31.8%; POD活性在10 DAS先降后增, 而在25 DAS和45 DAS显著增加, 且POD活性随生长进程的推进增加显著。可溶性蛋白含量仅在120 mg L^-1Cu处理下显著增加, 分别增加了18.8%、66.7%和83.3%。MDA含量随着处理浓度的增加显著增加, 随生育进程的推进而显著降低, 且Cd处理下的MDA含量显著高于Cu和Zn处理。蓖麻植株对Cu、Zn、Cd的积累量随处理浓度的增加而递增, 在120 mg L^-1浓度下积累量最大, 其中对Zn的积累量最高, Cd次之, 各器官对重金属的积累量表现为根>茎>叶。表明蓖麻对重金属具有一定的耐受性, 蓖麻植株主要通过提高抗氧化酶活性缓解重金属胁迫; 蓖麻对不同重金属的积累具有器官特异性; 种植蓖麻可作为修复Cu、Zn、Cd等重金属污染土壤的有效途径之一。

种植密度对贵州春玉米茎秆抗倒伏性能及籽粒产量的影响

郑迎霞, 陈杜, 魏鹏程, 卢平, 杨锦越, 罗上轲, 叶开梅, 宋碧

作物学报. 2021, (4):  738-751.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.03044

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为了明确密植条件下春玉米茎秆特性和产量的变化及其相互关系, 为贵州春玉米密植高产提供理论依据和实践指导。以贵州广泛种植的玉米品种先玉1171和新中玉801为材料, 设置3.0、4.5、6.0、7.5、9.0和10.5万株 hm^-26个密度, 于2018—2019年开展田间试验, 研究种植密度对春玉米茎秆形态特征和力学特性、空秆率、倒伏率和产量的影响。结果表明: (1) 春玉米株高和穗位高随密度增加先增高后降低; 增密后第3节长增幅最大, 第3节单位茎长干重、穿刺强度和抗折力, 第7节茎粗、干重和横截面积下降幅度最大; 密度对茎秆横截面扁率影响不显著。品种之间比较, 先玉1171节间长, 第3、5节的节间干重和第3节穿刺强度显著高于新中玉801, 第7节干重、节间粗、单位茎长干重、节间横截面积、横截面扁率和抗折力显著低于新中玉801。(2) 倒伏率和空秆率随密度增加而增大, 增密后先玉1171倒伏率显著高于新中玉801, 空秆率显著低于新中玉801。(3) 产量随密度增加先增加后降低, 先玉1171和新中玉801分别在9.3万株 hm^-2和8.6万株 hm^-2时产量最高。增密后先玉1171比新中玉801增产10.28%, 有效穗数和穗粒数更高。(4) 相关和多元回归分析表明, 株高、穗位高与倒伏率显著正相关, 节间粗和单位茎长干物质对玉米茎秆抗折力的正向影响显著。产量与茎秆性状密切相关, 株高对产量的正向影响最大。可见, 不同春玉米茎秆抗倒伏性能和籽粒产量对密度的响应有差异, 新中玉801增密后茎秆节间短而粗, 单位茎长干重较大, 抗倒伏能力较强。而先玉1171由于在高密度下空秆率比新中玉801低, 有较高的有效穗数和穗粒数, 因此高密度下产量更高。综合考虑茎秆性状和产量, 先玉1171和新中玉801在贵州适宜密度分别为9.0万株 hm^-2和8.5万株 hm^-2。

外源喷施植物生长调节剂对套作大豆碳氮代谢和花荚脱落的影响

罗凯, 谢琛, 汪锦, 王甜, 何舜, 雍太文, 杨文钰

作物学报. 2021, (4):  752-760.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04129

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玉米-大豆带状套作模式下, 玉米荫蔽会抑制大豆苗期生长、减少花荚数、降低产量, 探究外源植物生长调节剂对大豆开花结荚和产量的调控效应对套作大豆生产具有重要意义。采用单因素随机区组设计研究套作大豆初花期叶面喷施6-苄基腺嘌呤(6-Benzylaminopurine, 6-BA)、2-N,N-二乙氨基乙基己酸酯(diethyl aminoethyl hexanoate, DTA-6)、烯效唑(S3307)对花荚脱落、叶片碳氮代谢及产量形成的影响。结果表明, 外源调节剂会增强盛荚期和鼓粒期叶片蔗糖合成酶(sucrose synthetase, SS)、蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase, SPS)及转化酶(invertase, Inv)的酶活性; 提高始粒期茎、叶、荚果的可溶性糖含量, 促进后期茎、叶中可溶性糖向荚果的转移。外源调节剂会增加始荚期叶片碳、氮含量, 降低叶片C/N比值; 增加始粒期叶片碳含量, 减少氮含量, 提高叶片C/N比值。外源调节剂会增加大豆开花结荚数, 降低落荚数、落荚率及花荚脱落率, 以DTA-6效果较好, 其处理下2年大豆单株有效荚数和产量显著高于CK, 较CK分别增加25.4%、41.3%和32.9%、37.6%。套作大豆初花期叶面喷施6-BA、DTA-6、S3307提高叶片SPS、SS和Inv酶活性, 协调大豆各器官碳氮代谢动态平衡, 促进大豆开花结荚、减少大豆落荚, 显著提高大豆的单株有效荚数与产量, 其中DTA-6的增产效果最好。

研究简报

小麦谷氨酰胺合成酶同工酶转录特点及其启动子序列分析

王小纯, 王露露, 张志勇, 秦步坛, 于美琴, 韦一昊, 马新明

作物学报. 2021, (4):  761-769.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.01046

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谷氨酰胺合成酶是小麦氮同化关键酶, 分为胞液型和质体型(TaGS2)两类, 其中胞液型TaGS又分为TaGS1、TaGSr和TaGSe。为了研究异源六倍体小麦A、B、D染色体组TaGS同工酶表达差异及调控机制, 本项目利用三代测序技术测定了TaGS同工酶基因转录水平, 依据中国春基因组序列克隆了豫麦49的12个TaGS同工酶启动子, 并对其序列进行了分析。结果表明, TaGS1主要由6B染色体基因转录, TaGSe和TaGSr主要由4D染色体基因转录, TaGS2主要由2D染色体基因转录, 不同TaGS同工酶转录起始位点距起始密码子ATG的距离不同。启动子元件分析显示, 6B染色体上的TaGS1启动子有较多W-box、AC-I、ABRE、as-1和茉莉酸甲酯等响应元件, 4D染色体上的TaGSe启动子有较多胁迫响应转录因子(MYB、MBS、LTR等)结合元件和植物生长素响应元件, 4D染色体上的TaGSr启动子有较多WRE3等转录因子结合元件, 2D染色体上的TaGS2启动子有较多A-box、WRE3、ARE及AT富集区。不同TaGS同工酶启动子顺式元件种类、数目及排列顺序均不同, 为进一步研究GS同工酶调控机制奠定了基础。

玉米杂交种纯度鉴定SNP核心引物的确定及高通量检测方案的建立

王蕊, 施龙建, 田红丽, 易红梅, 杨扬, 葛建镕, 范亚明, 任洁, 王璐, 陆大雷, 赵久然, 王凤格

作物学报. 2021, (4):  770-779.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.03031

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纯度是玉米种子质量的重要指标之一, 尤其杂交种自交株是影响田间产量的关键因素。KASP (kompetitive allele specific PCR)技术具有高通量、低成本的优点, 适用于种子纯度检测。本研究基于12套杂交种及其父母本的三联体样本及335份玉米杂交种国家审定标准样品SNP指纹, 从384个SNP基础位点筛选获得60个候选位点, 位点转化为KASP引物的成功率为95%。综合考虑引物双亲互补率、多态性、稳定性和分型效果等多项指标, 最终确定20个引物作为玉米杂交种纯度鉴定的核心引物, 能够有效鉴定99.7%供试样品纯度。对于待测样品京科968通过SNP-DNA指纹数据库查询, 并选择双亲互补型引物进行纯度鉴定。在检测的110个个体中, 共检出1个自交苗和2个异型株, 纯度为97.3%。同时, 基于纯度核心引物对批量样品检测建立高通量纯度检测方案, 具有快捷、准确、高通量和低成本的特点, 为政府监管和企业提供了更多纯度鉴定方案的选择。

马铃薯StIgt基因家族的鉴定及其对干旱胁迫的响应分析

秦天元, 刘玉汇, 孙超, 毕真真, 李安一, 许德蓉, 王一好, 张俊莲, 白江平

作物学报. 2021, (4):  780-786.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04122

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干旱胁迫是影响马铃薯产量和品质的主要非生物胁迫因素之一。马铃薯在抵御干旱胁迫的过程中, 根系的生长发育和构型分布发挥着重要作用。Igt基因家族是普遍存在于植物中的一类功能基因, 在调控植物根系构型和提高植株抗逆性等方面效果显著。本研究以马铃薯双单倍体‘DM-v4.03’高质量基因组为参考, 在全基因组范围内分析鉴定了StIgt基因家族的成员, 并采用多种生物信息学软件对其进行了系统进化树构建、染色体定位、保守蛋白结构域、基因结构和顺式元件预测。同时, 利用本课题组前期对马铃薯四倍体品系在不同干旱条件下的转录组测序结果, 分析了StIgts响应干旱胁迫的表达谱。结果表明, 在马铃薯中共鉴定获得10个StIgt家族成员, 其中StIgt1由本课题组前期克隆获得。除StIgt1位置信息不明外, 其余基因不均匀地分布在1、2、5、7、10和11号染色体上。StIgt家族蛋白长度为110~283个氨基酸, 分子量介于13.136~32.542 kD之间, 预测等电点为3.82~9.86。系统进化树分析发现, 该基因家族可分为3个亚族, 亚族间的基因结构、蛋白保守域和顺式作用元件差别明显。干旱胁迫下的表达谱分析表明, StIgt6、StIgt7、StIgt9和StIgt10响应早期干旱胁迫, 在干旱2 h时即迅速上调表达。这些结果为阐明StIgt基因家族的进化关系和进一步研究其成员的功能特性提供了理论基础。