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2021年 第47卷 第6期 刊出日期：2021-06-12

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专题：主要麻类作物基因组学与遗传改良

专题导读: 加强麻类作物基因组学研究, 推动优异等位基因发掘及种质创新

张立武

作物学报. 2021, (6):  993-996.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04993

摘要 ( 693 )   HTML ( 53 )   PDF (180KB) ( 793 )  

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主要麻类作物基因组学与遗传改良: 现状与展望

徐益, 张力岚, 祁建民, 张列梅, 张立武

作物学报. 2021, (6):  997-1019.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04121

摘要 ( 792 )   HTML ( 53 )   PDF (706KB) ( 829 )  

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随着测序技术的发展, 主要麻类作物(黄麻、红麻、苎麻、亚麻和工业大麻)参考基因组从2011年至2020年陆续完成测序, 这标志着麻类作物科学已经进入基因组时代。文章首先详细概述主要麻类作物基因组测序。其次, 评述了基于基因组学的麻类作物重要应用价值基因挖掘。基于参考基因组和转录组测序, 大量关于纤维发育、响应非生物胁迫的候选基因被挖掘, 以促进麻类作物纤维的物种特性和“不与粮食争好地”的逆境农业。同时不同麻类作物特异性状候选基因陆续被报道, 如红麻雄性不育、亚麻种子含油量和大麻大麻素相关候选基因等。再次, 麻类作物基因组测序完成为基于组学的麻类作物遗传改良提供可能: 有助于麻类作物种质资源形成和演化机制研究, 系统解析纤维产量、纤维品质、抗病耐逆等农艺性状形成的分子基础; 有助于建立高通量基因型-表型数据库, 挖掘优异基因资源与创制新种质; 有助于创新并集成分子标记辅助选择、基因组选择、转基因等技术, 建立高效的快速育种技术体系。宜选育高产高效、抗逆抗病、适宜轻简化机械化、优质专用的多用途麻类作物新品种, 以满足麻类作物相关产业的市场需求, 适应麻类作物生产方式。尽管已经获得重要基因以及位点的信息, 但如何高效率利用已有基因资源对麻类作物进行遗传改良仍需面临一系列挑战, 如成熟稳定的遗传转化体系、麻类作物基因编辑体系构建及基因组选择育种等。

苎麻茎皮环状RNA表达谱分析

李富, 王延周, 严理, 朱四元, 刘头明

作物学报. 2021, (6):  1020-1030.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04042

摘要 ( 546 )   HTML ( 20 )   PDF (1873KB) ( 557 )  

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苎麻[Boehmeria nivea (L.) Gaud.]是我国特色的天然纤维作物, 其纤维具有拉伸力强、纤维束长等特点。解析苎麻纤维发育调控机制, 对实现纤维产量和品质性状遗传改良具有重要意义。本研究基于高通量测序技术开展了苎麻茎顶部和中部的茎皮组织环状RNA (circRNA)分析, 在2个组织中共鉴定到5268个苎麻circRNA。比较circRNA的表达水平发现, 78个circRNA在2个组织中呈现差异表达。因苎麻茎中部韧皮纤维处于生长发育期, 而茎顶部韧皮纤维尚未起始生长, 推测这78个circRNA是纤维不同发育时期差异表达基因, 它们可能参与了苎麻的纤维发育调控。研究结果将为解析circRNA调控苎麻纤维生长发育机制奠定基础。

铅胁迫下红麻生理特性及DNA甲基化分析

李增强, 丁鑫超, 卢海, 胡亚丽, 岳娇, 黄震, 莫良玉, 陈立, 陈涛, 陈鹏

作物学报. 2021, (6):  1031-1042.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04104

摘要 ( 467 )   HTML ( 15 )   PDF (1137KB) ( 753 )  

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DNA甲基化在植物响应生物和非生物胁迫中起重要作用, 但是有关铅胁迫下植物DNA甲基化水平变化的研究报道甚少。本研究以红麻P3A为材料, 采用水培法对幼苗进行不同浓度(0、200、400、600 μmol L ^-1) PbCl₂处理, 测定幼苗农艺性状、根系ROS含量和抗氧化酶活性等变化情况; 利用甲基化敏感扩增多态性技术(methylation-sensitive amplification polymorphism, MSAP)分析600 μmol L ^-1铅胁迫条件下根系DNA甲基化水平变化, 回收差异甲基化片段并克隆测序, 采用qRT-PCR技术对DNA甲基化差异基因进行表达分析。结果表明, 不同浓度PbCl₂胁迫均显著抑制幼苗的茎粗、根长和根表面积, 且400 μmol L ^-1及以上浓度PbCl₂胁迫显著抑制红麻幼苗的株高和全鲜重。随着铅浓度的提高, 红麻幼苗根系的铅含量显著升高, O₂ ^?和MDA含量显著增加, SOD活性显著升高, POD活性呈先降低后升高, CAT活性呈先升高后降低的趋势。对照及600 μmol L ^-1 PbCl₂处理下的幼苗根系DNA甲基化率分别为71.13%、62.20%, 其中全甲基化率分别为50.52%、37.80%, 半甲基化率分别为20.62%、24.40%, 即铅胁迫显著降低了红麻幼苗根系的DNA甲基化率和全甲基化率, 提高了根系的半甲基化率。qRT-PCR分析表明, 7个与抗性密切相关的DNA甲基化差异基因也存在表达量差异, 推测DNA甲基化水平变化在响应红麻铅胁迫中发挥重要作用。本结果为深入探索DNA甲基化响应植物非生物胁迫的潜在机制, 以及生产上利用红麻改良土壤铅污染提供了理论基础。

利用红麻HcPDIL5-2a非全长基因创制雄性不育新种质

周步进, 李刚, 金刚, 周瑞阳, 刘冬梅, 汤丹峰, 廖小芳, 刘一丁, 赵艳红, 王颐宁

作物学报. 2021, (6):  1043-1053.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04069

摘要 ( 523 )   HTML ( 20 )   PDF (5223KB) ( 515 )  

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为创造转基因雄性不育种质, 将缺失酶活性中心序列的红麻HcPDIL5-2a非全长基因通过花粉管通道法转化红麻保持系722B, 获得了海南冬繁不育、南宁夏繁可育的低温敏雄性不育种质722THS, 并从其姊妹交后代选育出了稳定型核不育(GMS)系722HS; 此后, 又以722HS作母本, 以非转基因野生型722B为轮回亲本连续回交, 选育出了细胞质雄性不育系722HA。对722THS与722HA的细胞学观察和线粒体DNA分子鉴定表明, 二者的小孢子败育时期均为双核期, 但722HA发生了线粒体DNA重排, 而722THS与722B的线粒体DNA保持不变。本研究结果为转基因创造作物雄性不育种质找到了一条新途径, 具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

大麻GRAS转录因子家族的全基因组鉴定及镉胁迫下表达分析

尹明, 杨大为, 唐慧娟, 潘根, 李德芳, 赵立宁, 黄思齐

作物学报. 2021, (6):  1054-1069.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04078

摘要 ( 771 )   HTML ( 21 )   PDF (5747KB) ( 610 )  

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GRAS转录因子在植物生长发育及抗逆境胁迫中具有重要作用。本文对大麻GRAS转录因子家族进行了全基因组鉴定, 对其理化性质、系统进化发育、基因结构、基因间的共线性关系进行了分析, 并利用云麻1号及内蒙古小粒大麻的转录组数据分析其在镉胁迫下的表达量变化。结果表明, 大麻基因组中鉴定出54个GRAS基因, 96.30%的基因编码酸性蛋白, 长度为415~757 aa, 分子质量为46,405.05~85,748.52 kD, 等电点为4.77~8.54, 划分为9个亚家族, 其中PAT1、LS、SHR、HAM保守性较高, PAT1、LISCL、CsGRASA出现大量基因串联重复, CSGRAS12基因在5种植物的共线性分析中均存在。将2个大麻品种进行镉胁迫处理发现, 云麻1号株高下降10.48%, 鲜重下降6.33%; 内蒙古小粒大麻株高下降66.07%, 鲜重下降42.67%, 表明云麻1号较内蒙古小粒大麻更耐镉胁迫。云麻1号的54个GRAS基因中, 42个(77.78%)基因表达上调1.05~18.10, 11个(20.37%)基因表达下调0.13~0.91; 内蒙古小粒大麻的54个GRAS基因中, 27个(50.00%)基因表达上调1.01~6.46, 27个(50.00%)基因表达下调0.30~0.96。将两者GRAS基因进行同源基因鉴定并分析其表达情况发现, 耐镉品种云麻1号中40个同源GRAS基因较内蒙古小粒大麻在镉胁迫下的上调或下调幅度更明显, 表明这些GRAS基因与镉胁迫有明显相关性。本文可为挖掘和验证大麻GRAS基因提供参考。

亚麻响应低钾胁迫转录谱分析

黄文功, 姜卫东, 姚玉波, 宋喜霞, 刘岩, 陈思, 赵东升, 吴广文, 袁红梅, 任传英, 孙中义, 吴建忠, 康庆华

作物学报. 2021, (6):  1070-1081.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04133

摘要 ( 469 )   HTML ( 19 )   PDF (2828KB) ( 150 )  

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钾是亚麻生长发育必需的大量元素。本研究以钾高效利用亚麻品种Sofie为试验材料, 在低钾处理12 h和96 h下, 利用转录组测序及qRT-PCR进行低钾胁迫下差异基因表达调控的研究。结果表明, 低钾处理7 d的亚麻叶片边缘变黄, 与对照相比, 低钾处理植株矮化。筛选出对低钾响应强烈的3个钾运转蛋白基因LusKC1 (Lus K channel 1)、LusSKOR (Lus STELAR K ⁺ outward rectifier)和LusHAK5 (Lus high affinity K ⁺ transporter 5), 低钾胁迫响应峰值时间为12 h和96 h; 与对照相比, 低钾处理12 h鉴定到差异表达基因1154个(508个上调, 646个下调), GO功能富集分析表明, 这些差异表达基因主要富集于代谢过程、细胞进程、单一生物过程、催化活性和结合功能五大类, KEGG通路富集分析表明, 这些差异表达基因涉及到能量代谢、碳水化合物代谢、碳代谢、氨基酸代谢、萜类化合物代谢和植物激素信号转导等通路。进而筛选出7个与钾直接相关基因(4个钾运输蛋白、2个钾通道蛋白及1个钠钾钙交换蛋白)、13个与激素相关基因以及6个与纤维素合成相关基因。7个与钾直接相关基因中, 2个基因表达量上调1.75倍和2.64倍, 5个基因表达量下调1.21~9.57倍。以上解析的差异基因初步揭示了亚麻低钾涉及的转录调控途径, 可为亚麻耐低钾相关基因的克隆与功能验证奠定基础。

剑麻苯丙氨酸裂解酶基因的鉴定及表达分析

黄兴, 习金根, 陈涛, 覃旭, 谭施北, 陈河龙, 易克贤

作物学报. 2021, (6):  1082-1089.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04116

摘要 ( 530 )   HTML ( 16 )   PDF (597KB) ( 515 )  

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剑麻是热带地区重要的纤维作物, 但其分子生物学研究基础薄弱, 纤维发育机制尚未明确。苯丙氨酸裂解酶(phenylalanine ammonia-lyase, PAL)是纤维重要组分木质素生物合成的起始酶, 近年来转录组测序技术快速发展, 使开展剑麻PAL基因相关研究更为便利。本文根据已报道转录组数据成功鉴定出2个含完整编码序列的剑麻PAL基因, 其在剑麻叶片发育过程中的表达模式与前人报道的PAL在纤维发育过程中的活性变化规律一致, 表明其与木质素生物合成密切相关。遗传进化分析结果显示, 剑麻和番麻PAL基因进化关系更近, 选择压力分析结果显示, 剑麻和番麻PAL基因序列选择压力一致且高于太匮龙舌兰PAL基因, 这一现象可能由剑麻和番麻纤维性状的趋同进化引起。此外, 剑麻PAL基因在铜铅胁迫后差异表达不显著, 其可能在重金属胁迫后受到转录后调控。值得一提的是, 在烟草疫霉侵染后, 剑麻PAL基因表达水平上调倍数较高, 其可能同时参与苯丙烷类代谢途径中抗病相关次生代谢产物的合成和细胞壁介导的免疫机制。因此开展剑麻PAL基因功能解析可加深对剑麻纤维发育机制和抗病机制的理解, 对培育高产、优质、多抗剑麻新品种具有重要意义。

红麻非生物逆境胁迫响应基因HCWRKY71表达分析及转化拟南芥

李辉, 李德芳, 邓勇, 潘根, 陈安国, 赵立宁, 唐慧娟

作物学报. 2021, (6):  1090-1099.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04201

摘要 ( 532 )   HTML ( 18 )   PDF (8740KB) ( 587 )  

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WRKY转录因子在植物响应非生物逆境胁迫过程中具有重要的调控作用。本研究根据红麻转录组unigene序列(CL3883.Contig4), 设计引物进行PCR扩增, 经sanger测序获得全长为957 bp的HcWRKY71基因cDNA序列。该基因开放读码框为957 bp, 编码1个含有318个氨基酸的蛋白, 具有1个WRKY功能保守结构域, 属于II类WRKY转录因子。在盐胁迫下, HcWRKY71基因表达量随NaCl溶液浓度升高而增加; 在干旱胁迫下, HcWRKY71基因表达量随干旱胁迫时间的增加呈现先下降再上升然后再下降的趋势; 在重金属镉胁迫下, HcWRKY71基因表达量随CdCl₂溶液浓度的增加而降低。表明该基因表达受盐、干旱和重金属镉胁迫的诱导。利用农杆菌介导花序浸染法将该基因转化拟南芥发现, HcWRKY71基因提高了转基因拟南芥幼苗的耐盐性, 这为进一步研究HcWRKY71基因的耐逆机制奠定了坚实的基础。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

花生巢式群体的脂肪含量遗传分析

黄冰艳, 孙子淇, 刘华, 房元瑾, 石磊, 苗利娟, 张毛宁, 张忠信, 徐静, 张梦圆, 董文召, 张新友

作物学报. 2021, (6):  1100-1108.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04138

摘要 ( 626 )   HTML ( 15 )   PDF (350KB) ( 470 )  

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巢式群体可以利用多个亲本解析复杂性状的遗传机制。本研究利用1个共同亲本与6个基础亲本所配置巢式组合F_2:3家系的种子脂肪含量数据, 分析了花生脂肪含量的遗传模型, 旨在探明不同的基础亲本组合中脂肪含量性状的遗传差异, 为制定脂肪含量遗传改良的亲本选配和后代选择策略提供依据。6个组合的共同亲本为高脂肪含量的普通型大果品种豫花15号, 其他6个基础亲本为不同脂肪含量和不同植物学类型的品种。结果表明, 在不同杂交组合中脂肪含量的遗传模式有所不同, 6个组合分别符合无主基因模型、1对主基因加性显性模型和2对主基因等显性模型3种遗传模式。各种遗传效应的估计值也各不相同, 主基因遗传力从32%到80%, 说明不同杂交组合中, 控制脂肪含量的基因位点差异及其重组和分离方式不同。高脂肪含量双亲杂交后代的高脂肪含量个体较多, 但主基因遗传力较低, 不宜在早代实施表型选择; 双亲脂肪含量差异较大的后代脂肪含量变异幅度更大, 能够选择到不同脂肪含量的类型。本研究也表明, 巢式组合具有较丰富的脂肪含量变异类型, 揭示出脂肪含量性状遗传的复杂性和多基因调控的特点, 为较全面地了解脂肪含量的遗传提供了基础。该巢式群体也将有助于进一步开展脂肪含量的QTL定位研究。

有毛野生甘蓝(Brassica incana)抗蚜虫特性研究

左香君, 房朋朋, 李加纳, 钱伟, 梅家琴

作物学报. 2021, (6):  1109-1113.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04147

摘要 ( 546 )   HTML ( 10 )   PDF (3554KB) ( 326 )  

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甘蓝(Brassica oleracea var.)是重要的十字花科芸薹属蔬菜, 但生产中常遭受蚜虫危害, 鉴定抗虫资源并了解其抗虫机制是抗虫育种的重要基础。课题组前期征集到1份周身覆盖浓密表皮毛的野生甘蓝(B. incana), 为调查该材料是否具有蚜虫抗性, 并明确其抗性是否与表皮毛有关, 本研究利用该有毛野生甘蓝与1份无毛芥蓝(B. alboglabra)杂交, 对双亲及其F_2:3家系中有毛和无毛家系进行室内蚜虫接种发现, 蚜虫在无表皮毛甘蓝上的平均产卵数(36.7枚)和存活天数(22.2 d)均显著高于有表皮毛甘蓝(平均产卵8.1枚, 平均存活13.1 d)。为进一步明确该野生甘蓝对蚜虫是否具有化学毒杀或排拒作用, 采用有毛和无毛甘蓝叶片的浸提液对蚜虫进行胃杀、触杀和拒食性调查发现, 2种浸提液对蚜虫均无胃杀和触杀作用, 但有毛甘蓝浸提液对蚜虫存在一定的趋避作用。表明野生甘蓝B. incana对蚜虫的抗性一方面源于其表皮毛的物理阻碍, 另一方面与其体内化学物质的趋避作用有关。

广西水稻地方品种核心种质稻瘟病抗性位点全基因组关联分析

陈灿, 农保选, 夏秀忠, 张宗琼, 曾宇, 冯锐, 郭辉, 邓国富, 李丹婷, 杨行海

作物学报. 2021, (6):  1114-1123.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.02047

摘要 ( 606 )   HTML ( 15 )   PDF (2361KB) ( 689 )  

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稻瘟病是水稻重要病害之一, 严重影响水稻的产量与品质。培育抗性品种是防治稻瘟病最经济、环保的方式。稻瘟病抗性基因的鉴定与挖掘是开展抗病育种的基础与前提。本课题组前期对419份广西水稻地方品种核心种质进行简化基因组测序, 获得208,993个高质量SNP标记。本研究采用苗期喷雾接种方法, 研究了该419份核心种质对7个稻瘟病生理小种的抗性, 并根据表型和基因型数据, 利用一般线性模型(general linear model, GLM)和混合线性模型(mixed linear model, MLM)进行全基因组关联分析。2种模型下共检测到20个位点, 其中GLM检测到20个位点, MLM检测到1个位点, Chr12_10803913位点在2种模型下都检测到。17个位点与前人定位的基因/QTLs重叠, 其余3个是新位点, 分别为Chr3_18302718、Chr3_18302744及Chr5_10379127位点。在20个显著关联位点上下游各150 kb的基因组区域中共筛选出候选基因323个, 初步确定8个候选基因与抗病相关, 其中LOC_Os12g18360 (Pita)、LOC_Os12g18729 (Ptr)为已知克隆的基因, LOC_Os03g32100、LOC_Os03g32180和LOC_Os05g18090为新位点附近筛选到的候选基因。本研究结果为稻瘟病抗性位点挖掘与稻瘟病相关基因克隆提供了科学依据。

花生油脂合成相关基因的表达谱分析

许静, 潘丽娟, 李昊远, 王通, 陈娜, 陈明娜, 王冕, 禹山林, 侯艳华, 迟晓元

作物学报. 2021, (6):  1124-1137.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04150

摘要 ( 707 )   HTML ( 14 )   PDF (2203KB) ( 960 )  

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为研究不同发育时期花生籽仁油脂合成过程中基因表达调控模式, 本研究以高油酸、中油花生品系F18和低油酸、低油花生品种‘鲁花6号’为材料, 对下针后10、30、40、60 DAP (days after pegging)的花生种子进行表达谱芯片测序。结果表明, 130、3556、2783个基因分别在30、40、60 DAP时期差异表达。GO注释和KEGG富集结果显示, 差异表达的基因主要富集在脂肪酸合成和光合等代谢进程中, 其中FAB2、FAD2、WRI1等主要参与油酸的积累, 参与光合作用的基因均为捕光叶绿素a/b结合蛋白, 全部上调表达。代谢通路图结果表明, 籽仁发育的40 DAP和60 DAP时期, 脂肪酸合成途径的基因均上调表达。研究结果为花生油脂代谢的分子机制提供理论基础, 同时也为花生品质改良贡献了基因资源。

玉米生长素响应因子家族基因的表达模式分析

李文兰, 李文才, 孙琦, 于彦丽, 赵勐, 鲁守平, 李艳娇, 孟昭东

作物学报. 2021, (6):  1138-1148.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.03043

摘要 ( 951 )   HTML ( 31 )   PDF (2120KB) ( 720 )  

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生长素响应因子(auxin response factor, ARF)是一类重要的转录因子, 通过特异性地结合生长素响应元件调节下游靶基因的转录, 参与诸多植物生长发育过程的调控。玉米中有许多ARF家族基因, 但其表达模式有待深入研究。本研究分析了玉米ARF家族基因在不同组织器官中的表达, 发现除ARF10、ARF16和ARF34组成型表达外, 其余32个ARF基因的表达水平在生殖器官中要明显高于营养器官。对ARF基因启动子区的顺式作用元件分析显示, 28个ARF基因的启动子区含有逆境胁迫相关顺式元件, 实时定量PCR分析结果显示, 多个ARF基因分别响应冷、热、盐和渗透胁迫。研究结果不仅暗示了ARF家族基因在玉米生殖生长和非生物逆境胁迫响应中的重要性, 也为全面解析ARF基因在玉米中的生物学功能提供有用信息。

耕作栽培·生理生化

全膜覆土种植和施肥对旱地苦荞耗水特征及产量的影响

方彦杰, 张绪成, 侯慧芝, 于显枫, 王红丽, 马一凡, 张国平, 雷康宁

作物学报. 2021, (6):  1149-1161.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.01059

摘要 ( 681 )   HTML ( 24 )   PDF (669KB) ( 686 )  

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探究全膜覆土种植和施肥水平对半干旱区旱地苦荞土壤耗水特征和产量的影响, 于2015—2017年连续3年进行定位试验, 全膜覆土种植方式下, 设置高量(N 120 kg hm^-2+ P₂O₅ 90 kg hm^-2 + K₂O 60 kg hm^-2, HF)、中量(N 80 kg hm^-2+ P₂O₅ 60 kg hm^-2 + K₂O 40 kg hm^-2, MF)、低量(N 40 kg hm^-2+ P₂O₅ 30 kg hm^-2 + K₂O 20 kg hm^-2, LF)和零施肥(ZF), 以传统露地种植不施肥为CK, 共5个处理, 以明确全膜覆土种植和施肥对半干旱区苦荞的耗水特性、产量和水分利用效率的影响。结果表明, 苦荞全膜覆土种植后集雨保墒效果明显, 能够改善土壤水分环境, 增加花前贮水, LF能够根据不同降水年型和土壤水分状况调控苦荞花前花后土壤耗水, 在干旱年LF较ZF、MF、HF、CK能够提高苦荞花后土壤贮水量2.8~23.5 mm, 增加花前0~100 cm土层土壤剖面水分耗散量26.3~32.4 mm, 增加生育期总耗水量44.5 mm, 提高耗水模系数、耗水强度, 显著增加成熟期干物质量1.2%~58.8%、灌浆期叶面积指数4.1%~68.5%, 增加单株粒重1.6%~61.6%, 提高籽粒饱满率0.6%~29.2%, 增加生物量1.1%~182.5%, 提高产量1.1%~130.4%, 提高水分利用效率0.3%~102.7%。可见, 旱地苦荞全膜覆土种植低量施肥处理贮水效果明显, 能够达到水肥耦合作用, 且能够根据降水等环境条件调控植株生育期耗水, 显著提高苦荞生物产量、产量和水分利用效率, 是适宜于半干旱区苦荞增产增效的栽培模式。

“独秆”栽培模式下全程氮肥在分蘖中后期施用对旱直播水稻产量和品质的影响

赵杰, 李绍平, 程爽, 田晋钰, 邢志鹏, 陶钰, 周磊, 刘秋员, 胡雅杰, 郭保卫, 高辉, 魏海燕, 张洪程

作物学报. 2021, (6):  1162-1174.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.02052

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稻麦两熟地区, 旱直播水稻生产受前茬小麦收获、全量麦秸秆还田及耕整地质量不高等因素的影响, 常采用迟播期、大播量、高基本苗和主茎成穗为主的“独秆”栽培模式, 而配套该模式直播稻优质丰产的氮肥管理技术尚缺乏系统的研究。以优质食味粳稻南粳9108为材料, 采用机械旱直播方式, 基本苗为380×10⁴ hm^-2, 设置不同叶龄期(六、七、八、九和十叶龄期)氮肥追施处理及氮肥追施用量(纯氮180 kg hm^-2和225 kg hm^-2)处理, 以基本苗380×10⁴ hm^-2和300×10⁴ hm^-2的旱直播精确定量氮肥管理(纯氮270 kg hm^-2, 基肥︰分蘖肥︰穗肥=3.5︰3.5︰3.0)为对照, 系统比较研究“独秆”栽培模式下, 全程氮肥在分蘖中后期施用对旱直播水稻产量和品质的影响。结果表明, 随追施叶龄的延后, 水稻产量呈先增后降趋势, 八叶期追施氮肥水稻产量显著高于其他处理, 且追施量增加, 水稻产量进一步提高。与2组对照相比, 在纯氮180 kg hm^-2, 氮肥减量33.3%情况下, 不施氮素基肥配合八叶期一次性追施氮肥, 可显著提高水稻产量5.10%和8.65%; 在纯氮225 kg hm^-2, 氮肥减量16.7%情况下, 不施氮素基肥配合八叶期及7 d后二次追肥可显著提高水稻产量7.46%和11.09%。不施氮素基肥配合八叶期追施氮肥水稻产量提高的原因是, 保障较大穗型的基础上增加有效穗数, 显著提高群体颖花量, 同时保持较高水平的结实率和千粒重。随追肥叶龄延后, 水稻整精米率呈增加趋势, 垩白度呈增大趋势, 蛋白质含量增加, 直链淀粉含量下降, 食味值呈降低趋势。与2组对照相比, 不施氮素基肥配合八叶期追施氮肥的水稻, 加工品质提高, 整精米率提高0.67%~2.23%; 外观品质变好, 垩白度降低3.6%~14.5%; 营养品质提升, 蛋白质含量增加3.03%~14.08%; 蒸煮食味品质呈变优趋势, 直链淀粉含量下降4.23%~10.95%; 食味值无显著差异。综上所述, “独秆”栽培模式下基肥不施氮肥配合全程氮肥在分蘖中后期适宜叶龄施用可实现稻麦两熟地区旱直播稻迟播期、大播量和高基本苗生产方式的提质增产生产。

糜子/绿豆间作模式下施氮量对绿豆叶片光合特性及产量的影响

党科, 宫香伟, 吕思明, 赵冠, 田礼欣, 靳飞, 杨璞, 冯佰利, 高小丽

作物学报. 2021, (6):  1175-1187.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04148

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探讨施氮量对间作条件下绿豆叶片光合特性、氮素特征及产量的影响, 以期为西北旱区糜子//绿豆间作模式的合理施氮提供理论依据。试验于2018—2019年在陕西榆林采用裂区设计, 主处理设糜子间作绿豆(PM)、绿豆单作(SM)2种种植模式, 副处理设0 (N0)、45 (N1)、90 (N2)和135 kg hm^-2 (N3) 4个氮肥水平。结果表明, 施氮处理下间作绿豆叶片净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)比不施氮平均增加10.5%~24.5%、15.2%~29.5%, 提高了叶片光合特性; PSII最大光化学效率(F_v/F_m)、PSII实际光化学效率(Φ_PSII)平均增加2.9%~7.8%、11.7%~28.4%, PSII非光化学淬灭系数(non-photochemical quenching coefficient, NPQ)降低10.3%~17.4%, 叶片叶绿素荧光参数得到改善, 对弱光的截获和利用能力提高, 叶片PSII反应中心活性增强。单株叶面积、单位干质量叶片氮含量(N_mass)和单位面积氮含量(N_area)均随施氮量增加表现为先升高后降低的趋势; Chl a、Chl b含量增加, 光合氮利用效率(photosynthetic N-use efficiency, PNUE)则比不施氮有所降低; 不同施氮量均显著增加间作绿豆干物质积累量和荚数, 百粒重2年平均分别比不施氮增加1.1%~6.9%, 产量增加9.3%~19.7%。2年试验间作各处理土地当量比(land equivalent ratio, LER)为1.63~2.07, 表现为间作产量优势。由此可知, 施氮可改善间作绿豆叶片光合物质生产能力, 延缓衰老, 有效调节了光合系统对遮阴的适应性反应, 且间作叶片光合性能对氮肥的响应要大于单作。糜子/绿豆间作模式LER大于1, 可作为西北旱作农业区推广种植模式, 在90 kg hm^-2施氮量下间作绿豆叶片光合特性表现最好, 产量最高, LER最大, 是其适宜施氮水平。

研究简报

小麦株高QTL Qph.nau-5B的效应评价

韩玉洲, 张勇, 杨阳, 顾正中, 吴科, 谢全, 孔忠新, 贾海燕, 马正强

作物学报. 2021, (6):  1188-1196.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.01053

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株高直接影响小麦的产量潜力, 也是植株抗倒伏性的重要组成部分。目前虽有大量株高相关QTL被鉴定到, 但大多QTL的遗传效应仍不清楚。本研究前期利用小麦品种群体, 通过关联分析鉴定到一个小麦株高主效QTL Qph.nau-5B。为了评价该QTL的效应, 通过分子标记辅助选择分别构建了以南大2419、吉春1016和郑麦9023为供体亲本, 中优9507为背景的3种等位变异的近等基因系, 背景回复率均高于93%。在7个独立的试验环境中, 所有近等基因系的株高较轮回亲本均显著降低, 平均降幅为11.1 cm (10.3%)。Qph.nau-5B不同等位变异效应强弱不同, 其中来源于吉春1016和郑麦9023的等位变异平均降秆效应相似(12.4 cm), 显著大于南大2419的等位变异(8.6 cm), 但各等位变异相对降秆效应大小受环境影响。此外, Qph.nau-5B对单株穗数、穗长、千粒重等农艺性状无明显负效应。本研究结果表明Qph.nau-5B具有重要的育种价值, 可为小麦的株型分子设计育种提供基因资源。

玉米光敏色素A1基因(ZmPHYA1)在棉花中的转化及分子鉴定

马燕斌, 王霞, 李换丽, 王平, 张建诚, 文晋, 王新胜, 宋梅芳, 吴霞, 杨建平

作物学报. 2021, (6):  1197-1202.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.03037

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为评价玉米ZmPHYA1基因在棉花种质资源改良中的价值, 本研究利用农杆菌介导法在陆地棉(Gossypium hirsutum) R15材料中进行了玉米ZmPHYA1基因的遗传转化。经过愈伤组织诱导、抗性愈伤筛选、体细胞分化诱导后获得棉花转基因再生植株。通过田间草铵膦除草剂筛选鉴定抗性植株, 并利用PCR扩增其草铵膦抗性基因和目的基因ZmPHYA1进行分子鉴定, 发现阳性植株对草铵膦除草剂具较好抗性, 并可扩增到256 bp的草铵膦抗性基因和217 bp ZmPHYA1基因的特异条带。进一步通过免疫印迹检测表明, 3个不同转基因株系中外源ZmPHYA1基因可正常表达约170 kD大小的蛋白, 且在不同组织中该外源蛋白均可正常表达。此外, 对转基因植株的不同农艺性状分析表明, 转基因株系株高明显低于受体对照, 而铃重和纤维长度等性状无明显差异。本研究成功获得具有草铵膦抗性和外源ZmPHYA1基因的棉花新种质材料, 为进一步利用光敏色素基因创新种质资源提供了材料来源。