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2021年 第47卷 第12期 刊出日期：2021-12-12

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综述

大豆种子颜色遗传调控机制研究进展

邱红梅, 陈亮, 侯云龙, 王新风, 陈健, 马晓萍, 崔正果, 张玲, 胡金海, 王跃强, 邱丽娟

作物学报. 2021, (12):  2299-2313.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.14022

摘要 ( 1357 )   HTML ( 104 )   PDF (2315KB) ( 1189 )  

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大豆种子颜色是重要的形态标记和进化性状, 在驯化过程中种皮从黑色逐渐演变成黄、绿、褐及双色, 子叶从绿色进化出黄色。深色种子中含有较多的天然色素——花色素, 具有药用和营养价值。因此, 种子颜色的遗传调控机制研究对进化理论和实际应用均具有重要意义。种子中色素含量及组分构成导致多样的种皮颜色, 其分子调控机制复杂。本文主要阐述了控制大豆种子颜色的遗传位点、相关基因与调控机制、类黄酮生物合成途径三方面的研究进展。具体介绍了9个经典遗传位点I、R、T、O、W1、K1、G、D1、D2和相关分子标记, 以及位点间的相互作用; 23个调控种子颜色的相关基因, 与部分基因等位变异的调控机制; 相关基因参与的类黄酮生物合成途径和主要代谢产物的生理功能。通过综述归纳了大豆种皮、种脐、子叶颜色的遗传调控研究进展, 利用遗传位点、基因、等位基因调控机制及类黄酮代谢途径绘制出调控网路, 以期为种子外观品质及花色苷组分遗传改良等研究提供参考。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

花生全基因组抗病基因鉴定及其对青枯菌侵染的响应分析

张欢, 罗怀勇, 李威涛, 郭建斌, 陈伟刚, 周小静, 黄莉, 刘念, 晏立英, 雷永, 廖伯寿, 姜慧芳

作物学报. 2021, (12):  2314-2323.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04266

摘要 ( 717 )   HTML ( 27 )   PDF (589KB) ( 1575 )  

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花生是主要的油料作物之一, 在生产过程中受到多种病原微生物的危害。培育和选用抗病品种是防治病害最经济有效的途径之一, 而抗病基因是植物抵御病原微生物的重要基因。本文首次对花生抗病基因进行全基因组鉴定, 发掘抗病候选基因4156个, 其中RLK、RLP、NL、CNL、TNL这5种典型抗病基因分别有536、490、232、182和149个。抗病基因在染色体上分布不均匀, 多数抗病基因集中在B02染色体上。转录组测序发现, 抗病材料中特异表达的基因有111个, 感病材料中特异表达的基因有104个, 抗、感病材料均有表达的基因2216个、均不表达的有1725个。筛选出第1类响应青枯菌诱导的抗病基因5个, 第2类持续上调表达抗青枯病基因65个。qRT-PCR成功验证了1个抗病候选基因Arahy.5D95TJ。本文对花生抗病基因的鉴定分析, 为后续研究抗病基因功能与花生抗病的分子育种提供重要参考。

红麻DNA甲基化响应镉胁迫及甲基化差异基因的表达分析

卢海, 李增强, 唐美琼, 罗登杰, 曹珊, 岳娇, 胡亚丽, 黄震, 陈涛, 陈鹏

作物学报. 2021, (12):  2324-2334.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04269

摘要 ( 545 )   HTML ( 31 )   PDF (376KB) ( 835 )  

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DNA甲基化是植物重要的表观遗传修饰方式之一, 在响应逆境胁迫中具有重要作用, 但是有关镉胁迫下植物DNA甲基化水平变化的报道甚少。本研究以红麻P3A为材料, 采用水培法对幼苗进行300 μmol L^-1的CdCl₂处理, 测定幼苗农艺性状及镉含量; 利用甲基化敏感扩增多态性技术(methylation-sensitive amplification polymorphism, MSAP)分析镉胁迫下根系DNA甲基化水平变化; 回收甲基化差异片段并克隆测序, 采用qRT-PCR技术对DNA甲基化差异基因的表达量进行分析。结果表明, CdCl₂胁迫显著抑制红麻幼苗的株高、茎粗、根长、根表面积以及全鲜重。对照及镉处理下幼苗根系的DNA甲基化率分别为62.78%、68.23%, 其中全甲基化率分别为37.50%、36.36%, 半甲基化率分别为25.28%、31.87%, 表明镉胁迫显著提高红麻幼苗根系的DNA甲基化水平。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的差异, 推测DNA甲基化水平变化在响应红麻镉胁迫中发挥重要作用。本结果为深入探索DNA甲基化响应植物镉胁迫的潜在机制提供了理论基础。

长江下游麦区新育成品种(系) 3种主要病害的抗性鉴定及抗病基因/ QTL的分子检测

吕国锋, 别同德, 王慧, 赵仁慧, 范金平, 张伯桥, 吴素兰, 王玲, 汪尊杰, 高德荣

作物学报. 2021, (12):  2335-2347.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.01097

摘要 ( 615 )   HTML ( 29 )   PDF (2377KB) ( 884 )  

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小麦赤霉病、白粉病和黄花叶病是长江下游麦区小麦生产的主要病害。本研究对长江下游麦区新育成49个品种(系)的上述3种病害进行抗性鉴定, 同时利用与抗赤霉病主效QTL Fhb1和QFhs.crc-2D、抗白粉病基因Pm21以及抗黄花叶病主效QTL QYm.nau-5A.1和QYm.nau-2D连锁的分子标记检测试验品种3种病害抗病基因/QTL组成。结果显示, 49.0%的品种赤霉病抗性达中抗以上, 32.6%的品种对白粉病免疫或抗, 44.9%的品种抗黄花叶病。30.6%和73.6%的试验品种分别含有抗赤霉病主效QTL Fhb1和QFhs.crc-2D, 宁麦9号和扬麦158及其衍生品种分别是Fhb1和QFhs.crc-2D的主要载体品种; 28.6%的品种含抗白粉病基因Pm21, 镇麦9号和扬麦18及其衍生品种为Pm21的主要载体品种; 分子检测含抗黄花叶病主效QTL QYm.nau-5A.1和QYm.nau-2D的品种比例均为24.5%, 宁麦9号和苏麦6号及其衍生品种分别是QYm.nau-5A.1和QYm.nau-2D的主要载体品种。宁麦9号和扬麦158衍生品种在小麦抗赤霉病和黄花叶病基因/QTL的组成存在分化。结果为长江下游麦区小麦抗病分子育种提供了重要参考。

马铃薯GAUT基因家族的全基因组鉴定及表达分析

牛娜, 刘震, 黄鹏翔, 朱金勇, 李志涛, 马文婧, 张俊莲, 白江平, 刘玉汇

作物学报. 2021, (12):  2348-2361.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04268

摘要 ( 674 )   HTML ( 46 )   PDF (3346KB) ( 974 )  

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半乳糖醛酸转移酶(GAUT)是一种参与催化糖基化反应的酶类,在植物生长发育过程中发挥着重要作用。本研究鉴定了马铃薯GAUT家族成员,并对其理化性质、染色体定位、基因结构、保守蛋白结构域、基因重复事件和表达模式进行了分析。结果表明,鉴定到的41个GAUT家族成员(StGAUT),不均匀的分布在10条染色体上。根据基因的结构和系统发育蛋白特征,将41个StGAUT分为4个亚组。共线性分析表明,StGAUT基因家族存在12对片段重复基因,均在纯化选择下进化。通过对马铃薯双单倍体(DM)的不同组织部位和非生物胁迫下的RNA-seq数据进行分析,筛选出了组织特异性表达及响应非生物胁迫的StGAUT基因。此外,进一步对不同四倍体栽培种彩色马铃薯的薯皮和薯肉进行RNA-seq测序和分析,获得了可能参与花色素苷生物合成的StGAUT基因。本研究结果为进一步阐明StGAUT基因在马铃薯中的功能提供了有价值的信息。

基于农艺及品质性状与SSR标记的青贮玉米品种遗传多样性分析

刘少荣, 杨扬, 田红丽, 易红梅, 王璐, 康定明, 范亚明, 任洁, 江彬, 葛建镕, 成广雷, 王凤格

作物学报. 2021, (12):  2362-2370.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.03074

摘要 ( 521 )   HTML ( 34 )   PDF (530KB) ( 717 )  

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青贮玉米是优质饲料作物, 对畜牧业的大力发展具有重要意义。为了探究青贮玉米品种的遗传多样性现状, 以141个通过国家及各省区(市)审定的青贮玉米品种为材料, 基于农艺及品质性状与SSR标记从生态区角度对供试品种进行遗传多样性分析。结果表明, 13个农艺及品质性状的变异系数区间为10.30%~30.31%, 平均为16.01%; 多样性指数区间为0.50~0.71, 平均为0.60。农艺及品质性状聚类将供试品种划分为5个组, 同一生态区来源的品种多归为同一组。40个SSR标记共检测到482个等位变异, 平均每个位点12.05个, 多态性信息含量(polymorphism information content, PIC)变幅为0.27~0.89, 平均为0.68。南方品种大部分聚集在同一组, 与东华北、黄淮海和西北品种间的遗传距离均较远, 分别为0.054、0.047和0.046。两种方法分析结果具有共性, 但也存在一定的差异, 南方品种在农艺及品质性状和SSR标记上均具有特异性, 西北和黄淮海品种仅在农艺及品质性状具有特异性。将两种方法相结合, 能更全面、准确的了解青贮玉米品种的遗传背景, 为不同生态区新品种选育及推广种植提供依据和参考。

病毒介导的GFP-ATG8在小麦上的表达和在自噬活性监测上的应用

胡蕊洁, 杨向芸, 贾磊, 李玉如, 项月, 岳洁瑜, 王华忠

作物学报. 2021, (12):  2371-2378.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.01094

摘要 ( 591 )   HTML ( 22 )   PDF (5858KB) ( 472 )  

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自噬相关因子ATG8定位于自噬结构的膜上, 荧光蛋白标记的ATG8在过表达细胞内所呈现的点状荧光常用于表征自噬结构和监测自噬活性。病毒介导的过表达(virus-mediated over-expression, VOX)是一种简便、快速制备目的基因过表达植株的技术。采用基于狗尾草花叶病毒FoMV的VOX技术(FoMV-VOX)在小麦植株中表达GFP标记的小麦ATG8家族成员TaATG8a, 建立小麦活体植株的自噬活性监测技术平台。构建了融合基因GFP-TaATG8a的FoMV-VOX载体, 采用Agroinfiltration方法在本氏烟草叶片中表达携带GFP-TaATG8a的FoMV基因组RNA和组装病毒粒子, 将烟草汁液中的病毒粒子摩擦接种于小麦幼苗植株叶片, 对接种植株叶片和根组织中的荧光信号进行观察和特征鉴定。结果表明, 采用FoMV-VOX技术在小麦植株上不仅可以实现GFP-TaATG8a在接种叶片中的高效表达, 还可以借助病毒的系统侵染实现该融合基因在未接种叶片和根组织中的高效表达。经饥饿处理激活自噬, 融合蛋白GFP-TaATG8a在植株叶表皮、叶肉以及根细胞中呈现表征自噬结构的点状荧光。采用FoMV-VOX技术获得的GFP-TaATG8a过表达植株可以应用于小麦多种组织类型中的自噬活性调节机制和生理功能研究。

甘蓝型油菜丝裂原活化蛋白激酶7基因(BnMAPK7)上游调控因子的鉴定

王珍, 张晓莉, 孟晓静, 姚梦楠, 缪文杰, 袁大双, 朱冬鸣, 曲存民, 卢坤, 李加纳, 梁颖

作物学报. 2021, (12):  2379-2393.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04280

摘要 ( 682 )   HTML ( 183 )   PDF (12120KB) ( 990 )  

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丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinases, MAPKs)级联途径在植物的生长发育、分裂分化、细胞凋亡以及抗逆等多种生命过程中发挥着极其重要的作用。本研究从甘蓝型油菜中分离克隆了1个C族BnMAPK7基因的启动子, 序列长度为1612 bp, 命名为ProBnMAPK7。启动子分析工具PlantCARE预测结果表明, ProBnMAPK7含有大量响应光照、激素、防御和损伤等相关顺式作用元件, 包括ACE、MRE、ABRE、TGACG-motif和TC-rich repeats等。同时, 我们对拟南芥及甘蓝型油菜MAPK7基因的表达模式进行分析发现, MAPK7对生长发育以及生物和非生物胁迫应答过程具有重要调控意义。将ProBnMAPK7逐步分段连接至pCambia1305.1-GUS表达载体筛选启动子的核心区段, GUS组织化学染色分析显示该启动子的核心区段定位于-467~ -239 bp (ProBnMAPK7-rPE)。将核心区段3拷贝串联重复后整合至Y1H gold基因组, 并进行AbA背景测试, 结果显示AbA浓度为500 ng mL^-1时, ProBnMAPK7-rPE×3在酵母细胞中的本底表达被完全抑制。利用酵母单杂交技术对BnMAPK7的上游调控因子进行文库筛选, 获得3个候选因子BnNAD1B (NADH dehydrogenase 1B)、BnERD6 (early response to dehydration 6)和BnPIG3 (quinone oxidoreductase PIG3-like)。表明BnNAD1B、BnERD6及BnPIG3蛋白可能通过结合ProBnMAPK7-rPE区段调控BnMAPK7的转录, 使得BnMAPK7参与光合作用以及逆境胁迫应答等生物学过程, 为进一步阐明甘蓝型油菜BnMAPK7基因的功能奠定了基础, 也为MAPKs级联的研究提供了新的思路。

甘蓝型油菜CBF基因家族的鉴定和表达分析

解盼, 刘蔚, 康郁, 华玮, 钱论文, 官春云, 何昕

作物学报. 2021, (12):  2394-2406.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04259

摘要 ( 763 )   HTML ( 55 )   PDF (3335KB) ( 828 )  

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低温是影响植物生长发育的重要环境胁迫因子, ICE1 (inducer of CBF expression1)-CBF (C-repeat (CRT)-binding factors)-COR (cold responsive)在植物响应低温胁迫的信号途径中具有重要作用。为探究CBF (C-repeat-binding factors)基因在甘蓝型油菜(Brassica napus L.)中的进化以及在低温胁迫应答反应中的功能, 本研究以4个拟南芥CBF基因为基础序列, 鉴定出11个甘蓝型油菜、6个白菜和5个甘蓝CBF基因, 并对它们的分子特性、蛋白保守结构域和系统进化树、基因结构及基因染色体分布、甘蓝型油菜CBF基因组织表达模式以及不同逆境和激素处理下的表达模式进行系统的比较分析。结果表明, 在11个甘蓝型油菜CBF基因中, 可分为亚组I (CBF1/2/3)和亚组II (CBF4) 2个亚组。转录组测序结果表明, 所有甘蓝型油菜CBF基因受低温诱导表达, 其中亚组Ib的4个基因对冷胁迫响应迅速且持续时间长, 亚组II中2个基因对冷胁迫响应表达较弱, 但它们在根中表达量明显高于叶片, 并且参与盐胁迫和渗透胁迫响应; 甘蓝型油菜中CBF基因家族对冻害响应更强烈, 其中亚组I中的BnaA08g30930D、BnaCnng49280D、BnaAnng34260D、BnaC07g39680D和亚组II中BnaA10g07630D、BnaC09g28190D对冻害响应尤为显著。本研究将为进一步了解甘蓝型油菜CBF家族基因的生物学功能及其对低温尤其是冻害响应奠定基础, 同时为CBF家族基因在其他物种中的生物信息学研究提供参考。

结合RNA-seq分析和QTL定位筛选甘蓝型油菜萌发期与铝毒胁迫相关的候选基因

王瑞莉, 王刘艳, 雷维, 吴家怡, 史红松, 李晨阳, 唐章林, 李加纳, 周清元, 崔翠

作物学报. 2021, (12):  2407-2422.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04231

摘要 ( 474 )   HTML ( 19 )   PDF (4714KB) ( 514 )  

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随着土壤酸化程度的加剧, 铝毒害已成为影响种子萌发质量和作物产量的重要胁迫因子之一。为研究铝毒对油菜种子萌发过程影响的分子机理, 本文采用RNA-seq技术对耐铝品系18D300和敏铝品系27011进行转录组分析, 共检测到9344个显著差异表达基因[|log₂(fold change)|≥1和FDR≤0.05], 其中4406个DEGs基因上调, 4938个DEGs下调。GO富集分析发现, 差异表达基因主要与氧化反应、细胞碳水化合物代谢过程、转运蛋白活性等相关。KEGG富集分析表明, 差异表达基因主要富集于苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖代谢、MAPK信号通路-植物、植物-病原体相互作用、植物激素信号转导等途径。此外, 通过整合RNA转录组测序和铝毒胁迫下油菜萌发期根系相关性状的QTL定位结果, 共筛出44个差异表达基因(10个下调和34个上调), 这些基因主要与氧化应激、渗透调节、细胞壁修饰、转运蛋白、激素信号传导等功能有关。

基于多平台基因表达数据的水稻干旱和盐胁迫相关基因预测

刘亚文, 张红燕, 曹丹, 李兰芝

作物学报. 2021, (12):  2423-2439.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.02084

摘要 ( 955 )   HTML ( 48 )   PDF (3476KB) ( 703 )  

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基于多平台基因表达数据挖掘水稻胁迫相关基因, 可增加关键基因预测的可靠性, 获得更具普适意义的结果。本研究从NCBI数据库中收集了与水稻非生物胁迫相关的94份affymetrix基因芯片数据和42份RNA-seq转录组数据。首先对同一类型同一胁迫相关的多个数据集以数据转换法融合, 得到干旱胁迫相关的affymetrix数据集D_affy和RNA-seq数据集D_rnaseq, 盐胁迫相关的affymetrix数据集S_affy和RNA-seq数据集S_rnaseq; 接着对4个数据集分别基于Pearson线性相关系数的经典WGCNA法和基于MIC非线性相关系数的改进WGCNA法进行基因共表达网络分析, 共获取胁迫相关的8个Hub基因集; 进一步, 对同一胁迫相关的Hub基因进行整合分析, 得到最终的水稻干旱胁迫相关Hub基因1936个、盐胁迫相关的Hub基因1504个。最后, 从预测性能、富集分析、文献报道、STRING在线互作分析和Cytoscape可视化分析等多角度解析Hub基因的生物学意义。结果显示: Hub基因整体预测性能较优, 且大多富集到了与干旱/盐胁迫相关的通路上, 其中有文献已报道的干旱胁迫响应基因31个和盐胁迫响应基因22个。此外, 通过对Hub基因的互作分析, 预测得到11个干旱胁迫候选基因和5个盐胁迫候选基因。本研究为“高维度、小样本”的农作物基因测序数据的有效分析提供了新思路, 实验结果为抗逆水稻品种研究提供了参考。

耕作栽培·生理生化

中国玉米机械粒收质量主要指标分析

王克如, 李璐璐, 高尚, 王浥州, 黄兆福, 谢瑞芝, 明博, 侯鹏, 薛军, 张国强, 侯梁宇, 李少昆

作物学报. 2021, (12):  2440-2449.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.03046

摘要 ( 855 )   HTML ( 37 )   PDF (1541KB) ( 786 )  

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机械粒收是中国玉米生产技术的重大变革与发展方向, 团队于2012—2019年在玉米主产区21个省(市区)布设了155个点次的粒收试验与示范, 开展适宜机械粒收品种的筛选和粒收质量调查, 共测试了865个玉米品种(组合), 获取了2987组8961个机械粒收质量样本数据, 分析表明, 收获籽粒的平均含水率为25.91%, 平均破碎率为7.96%, 杂质率为1.18%, 总损失率为3.54%, 其中落穗损失占76.5%, 是收获损失的主要部分。对比2012—2015年测试数据, 近年我国玉米收获质量得到明显改善, 其中, 2015年以来收获期籽粒含水率平均每年下降0.78%、破碎率平均每年下降0.51%。与美国玉米收获质量相比, 收获时籽粒含水率高9.5%, 破碎率、杂质率也明显高于美国。收获质量指标间的相关分析表明, 破碎率、杂质率均与籽粒含水率呈极显著正相关, 籽粒含水率在19.06%时收获破碎率最低, 收获期籽粒含水率高仍是籽粒破碎率高的主要原因。不同生态区间以黄淮海夏播玉米收获时籽粒含水率和破碎率最高、华北春玉米最低, 西北和东北春玉米居中。进一步选育脱水快、收获时含水率低、后期站秆性能好的品种, 推广品种脱水与区域气候配置技术, 改进收获机械, 并适期收获是降低破碎率、损失率的主要方向。

近20年河北省几种高耗水作物的水分利用效率分析

史梦霞, 张佳笑, 石晓宇, 褚庆全, 陈阜, 雷永登

作物学报. 2021, (12):  2450-2458.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.01086

摘要 ( 715 )   HTML ( 28 )   PDF (655KB) ( 847 )  

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近年来高耗水作物的大面积种植是导致河北省农业水资源日益短缺的重要原因之一。本文基于河北省21个国家标准气象站点1999—2018年气象数据和作物生育期相关数据, 采用Penman-Monteith公式和分段单值平均作物系数法, 计算了河北省冬小麦、夏玉米, 以及苹果、梨、西瓜、葡萄等几种高耗水作物的生育期需水量、有效降水量、灌溉需水量以及降水耦合度等指标; 从作物水分利用效率(WUE)、灌溉水分利用效率(WUEI)、营养水分利用效率(WUEN)、经济水分利用效率(WUEE)等角度, 全面分析了6种作物的水分利用时空演变特征。结果表明, 果树类作物的需水量总体大于粮食作物。作物灌溉需水量从大到小依次为苹果、梨、冬小麦、葡萄、西瓜、夏玉米。生育期内有效降水量最大的是苹果和梨, 最低的是冬小麦; 夏玉米的降水耦合度最高, 其次是西瓜; 除冬小麦外, 其他五种作物的降水耦合度在过去20年呈上升趋势。果树类作物的WUE、WUEI、WUEE均高于粮食作物, 尤其WUEE远高于粮食作物, 最高可达到粮食作物的十倍左右; 粮食作物的WUEN整体高于水果作物。本研究开展的作物水分利用效率综合分析, 可为河北省调整优化作物结构, 促进农业水资源的高效可持续利用提供参考。

行距和密度对高粱籽粒灌浆、淀粉及氮磷钾累积特征的影响

董二伟, 王劲松, 武爱莲, 王媛, 王立革, 韩雄, 郭珺, 焦晓燕

作物学报. 2021, (12):  2459-2470.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04252

摘要 ( 584 )   HTML ( 22 )   PDF (842KB) ( 926 )  

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行距与株距影响植株表型和农田生态, 也影响籽粒灌浆特性和产量。本试验于2018—2019进行, 设30、50和60 cm行距, 13.5、16.5、19.5、22.5万株 hm^-2四个密度, 研究行距及密度对辽夏粱1号产量及产量构成的影响。结果表明, 50 cm行距16.5万株 hm^-2优化产量结构, 籽粒产量最高; 与中下部比较, 上部单穗籽粒重最小, 但单粒重及单粒淀粉累积量最高、灌浆好; 50 cm行距16.5万株 hm^-2各部位单穗籽粒重最高, 且延长了上部籽粒的灌浆活跃天数, 提高了下部籽粒最大灌浆速率并缩短了灌浆活跃期。50 cm和60 cm行距提高了上、中、下各部位单粒淀粉累积量、下部籽粒淀粉含量及其淀粉累积速率, 而行距30 cm延长了下部籽粒的灌浆活跃期并降低灌浆速率, 为此宽行距促进下部籽粒的灌浆提早成熟。单粒氮磷累积量随灌浆期延长而增加, 单粒钾累积量在灌浆后30~40 d最大然后下降, 为此籽粒成熟过程中钾会流失。上部单粒中较高的氮磷钾及淀粉累积量说明上部籽粒库容量较大, 宽行距也提高了各部位单粒氮磷钾累积量。综上, 宽行距结合适宜密度能提高高粱籽粒库容量, 促进淀粉累积, 提高下部籽粒(弱势粒)的灌浆速率和提早熟期, 降低气候灾害(早霜)对高粱生产的影响。

盐胁迫对水稻颖花形成及籽粒充实的影响

韦还和, 张徐彬, 葛佳琳, 陈熙, 孟天瑶, 杨洋, 熊飞, 陈英龙, 戴其根

作物学报. 2021, (12):  2471-2480.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.02083

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旨在探明盐胁迫对水稻颖花形成与籽粒充实性状的影响机制, 本研究以江苏沿海滩涂大面积种植的常规粳稻南粳9108和盐稻12为试材, 在盆栽条件下设置对照(check, CK, 盐浓度0%)、中盐(medium-salinity stress, MS, 盐浓度0.15%)和高盐(high-salinity stress, HS, 盐浓度0.3%), 分析盐胁迫对颖花分化与退化、花器官发育及籽粒充实的影响。结果表明, 与对照相比, (1) 盐胁迫下水稻产量显著下降, 中盐和高盐胁迫下南粳9108产量降幅分别为18.7%和54.5%, 盐稻12分别为24.3%和58.6%。(2) 盐胁迫显著降低了每穗粒数, 中盐和高盐胁迫下南粳9108每穗粒数较对照分别低8.6%和19.8%, 盐稻12较对照分别低8.0%和25.9%。此外, 中盐和高盐胁迫下南粳9108和盐稻12的结实率和粒重亦均显著低于对照。(3) 盐胁迫下水稻颖花分化数与现存数下降, 颖花退化数与退化率增加; 盐胁迫降低了一次和二次枝粳颖花分化数和现存数, 提高了一次和二次枝粳颖花退化数, 二次枝粳颖花分化数和现存数的下降幅度和颖花退化数的增加幅度均高于一次枝粳。(4) 盐胁迫下花药长度、宽度与体积降低, 花药开裂率、花粉活力以及颖花长度与宽度呈类似趋势。本研究表明, 盐胁迫抑制水稻颖花分化, 促进颖花退化, 导致每穗颖花数显著下降; 影响花器官正常发育, 并降低籽粒饱满度, 使籽粒充实性状明显变劣。

小麦玉米同步增密有利于优化种间关系而提高间作产量

张金丹, 范虹, 杜进勇, 殷文, 樊志龙, 胡发龙, 柴强

作物学报. 2021, (12):  2481-2489.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.01090

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增密是间作高产的主要措施, 研究间作组分密度变化对其种间关系、产量的影响, 对于夯实间作理论与技术意义重大。2018—2019年, 在河西绿洲灌区开展田间试验, 设单作玉米、单作小麦、小麦/玉米3种种植模式, 4.5万株 hm^-2(传统)、6.0万株 hm^-2(中)、7.5万株 hm^-2(高) 3种玉米密度, 284万粒 hm^-2(传统)、341万粒 hm^-2(高)两种小麦密度, 研究了小麦玉米同步增密对间作种间关系及产量的影响。结果表明, 间作小麦、玉米密度同步增大强化了共生期小麦相对于玉米的竞争力(A_wm), 小麦高密度间作与传统密度间作相比, A_wm提高了10.9%~20.1%; 玉米高、中密度间作与传统玉米密度间作相比, 其A_wm分别提高了25.3%~32.0%、15.8%~17.3%; 小麦、玉米高密度间作与传统密度间作相比, A_wm提高了35.5%~56.5%。间作小麦、玉米密度同步提高可增大麦后间作玉米的恢复效应(R_m), 小麦高密度间作较传统密度间作的R_m提高了14.6%~17.1%; 玉米高、中密度间作与传统密度间作相比, R_m分别提高了27.4%~48.5%、10.3%~30.5%; 小麦高密/玉米高密度较小麦/玉米传统密度处理R_m提高了43.7%~65.5%。增密有利于提高间作优势, 小麦高密/玉米高密度较小麦/玉米传统密度处理土地当量比高8.3%~10.8%。两作物同步增密可进一步提高间作增产优势, 小麦高密度间作较传统密度间作增产3.6%~5.1%, 玉米高、中密度间作较传统密度间作增产14.1%~19.3%、7.3%~15.2%, 小麦高密/玉米高密度较小麦/玉米传统密度处理增产19.0%~24.0%。间作小麦对玉米的竞争力及麦后玉米的恢复效应与间作籽粒产量均呈正相关。小麦玉米同步增密可优化间作种间关系、提高产量, 小麦播种量341万粒 hm^-2和玉米7.5万株 hm^-2是绿洲灌区小麦间作玉米高产的适宜密度。

外源茉莉酸对菊芋镉胁迫下光合特性及镉积累的影响

张云, 王丹媚, 王孝源, 任晴雯, 唐可, 张丽宇, 吴玉环, 刘鹏

作物学报. 2021, (12):  2490-2500.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04246

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镉(Cadmium, Cd)是一种有毒污染物, 揭示外源茉莉酸(jasmonic acid, JA)对菊芋(Helianthus tuberosus L.)镉胁迫下光合特性及镉积累的影响, 为解决土壤重金属问题提供实践依据。以耐镉性强的榆林菊芋和耐镉性弱的成都菊芋为材料, 采用土培盆栽, 设置低、中、高3个镉浓度(75、150、300 mg kg^-1), 叶面喷施25 μmol L^-1 JA, 探究其对不同程度镉污染的缓解效果。结果表明, JA缓解后, 成都菊芋株高在低镉组出现最大值, 为CK组的1.26倍, 榆林菊芋株高变化较小, 二者的叶面积、根长和干重均呈上升趋势。此外, 榆林菊芋的叶绿素含量在低镉组第7天最大, 为胁迫组的1.27倍, 成都菊芋第21天才达到峰值。二者的初始荧光(F₀)恢复正常, PSII最大光能转化效率(F_v/F_m)大幅提升, 光化学淬灭系数(q_P)和电子传递速率(ETR)增加, 非光化学淬灭系数(q_N)下降至对照水平。并且净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)及蒸腾速率(T_r)均呈上升曲线, 胞间CO₂浓度(C_i)减小。各器官镉含量大小为根>叶>茎, 除茎部外其余组织生物富集系数都大于1, 转移系数小于1, 通过激光共聚焦显微观察发现气孔周围镉离子大量减少。综上, 施加外源JA能够提高菊芋的叶绿素含量, 保护叶绿体结构免遭破坏, 净光合速率及光合碳同化效率提升, 增加了干物质的积累, 增强植株抗镉性。JA信号减少了镉的吸收和转移, 减轻了镉毒胁迫, 这为种植菊芋修复土壤镉污染提供理论指导。

基于地貌分区的近30年中国粮食生产空间分异研究

王凯澄, 韩桐, 臧华栋, 陈阜, 薄晓智, 褚庆全

作物学报. 2021, (12):  2501-2510.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.03068

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研究并揭示中国粮食生产时空变化特征及其与耕地等农业资源的匹配性, 对于合理利用土地和提高土地综合生产能力, 保障国家粮食安全和生态安全具有重要意义。本文采用ArcGIS空间分析方法, 利用1985—2015年中国县域粮食生产数据, 定量分析了基于地貌分区的中国粮食生产时空分异特征。结果表明: (1) 1985—2015年, 平原区以占全国22.9%的国土面积生产了平均占全国42.7%的粮食, 其次为山地、台地、丘陵, 分别占全国的25.5%、17.2%、14.7%, 且粮食生产有向平原和台地集中的趋势, 近30年平原区粮食产量集中度上升了3.8%, 而山地下降了4.4%。(2) 在4种地貌分区中, 平原区近30年平均生产水稻、小麦、玉米和大豆占比30.6%、63.3%、46.9%和40.7%的, 而山地生产马铃薯达到了54.1%。水稻、小麦、玉米三大粮食作物的生产均呈现向平原集中的趋势, 而大豆和马铃薯在丘陵、山地的集中度增加。(3) 近30年不同地貌分区的粮食产量变化差异要大于播种面积变化差异, 不同地貌分区的粮食生产差异加大。因此, 在未来进行区域作物布局优化以及制定区域粮食生产技术策略方面, 不仅要考虑到气候资源、社会经济条件的变化, 也要考虑地形地貌的变化和其对农机、土壤耕作等技术的不同需求。

研究简报

商品有机肥替代部分化肥对连作棉田土壤养分、棉花生长发育及产量的影响

卢合全, 唐薇, 罗振, 孔祥强, 李振怀, 徐士振, 辛承松

作物学报. 2021, (12):  2511-2521.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04279

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研究商品有机肥替代部分化肥对连作棉田土壤养分变化、棉花生长发育及产量的影响, 探索有机肥替代部分化肥实现化肥减量增效的可行性, 为黄河流域棉区棉花科学施肥提供理论依据和技术支撑。2016—2018年在山东省临清市安排3年定位施肥试验, 以陆地棉(Gossypium hirsutium L.)品种K836为试验材料, 随机区组设计, 设置不施肥(NF)、化肥常规用量(NPK)、商品有机肥用量(COF)、化肥常规用量与商品有机肥用量配施(NPK+COF)、化肥常规用量的70%与商品有机肥用量配施(0.70NPK+COF)共5个处理。结果表明, 0.70NPK+COF处理较NF显著提高棉田土壤肥力、棉花干物质积累量、SPAD值和叶面积指数, 协调改善了棉花产量构成, 籽棉产量逐年增加9.63%、26.18%和59.96%。0.70NPK+COF处理较NPK提高棉田土壤有机质含量, 而土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量、棉花干物质积累量、SPAD值、叶面积指数、籽棉产量和产量构成因素均无显著差异, 3年内0.70NPK+COF与NPK处理的籽棉产量均保持在一个相对稳定的产量水平(3976~4105 kg hm^-2)。NPK+COF处理较NPK和0.70NPK+COF均增加土壤养分含量, 提高棉花叶绿素SPAD值和净光合速率, 但没有显著提高棉花产量。据此, 商品有机肥替代部分化肥(0.70NPK+COF)能够培肥连作棉田地力、促进棉花生长发育和持续高产稳产, 是一种节肥增效环保的施肥技术模式。

大麦-双季稻轮作体系有机物料与化肥配施对大麦资源利用效率及产量的影响

张帆, 杨茜

作物学报. 2021, (12):  2522-2531.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.01101

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大麦(Hordaum vulgar L.)-双季稻轮作是长江中游典型的三熟种植制度。以开展34年的长期定位试验为平台, 研究大麦-双季稻轮作模式里不同有机物料与化肥配施对冬季作物大麦光热水资源利用率、氮磷钾养分资源利用率及产量的影响, 以期为资源高效利用与大麦稳产增效的大麦-双季稻轮作模式施肥管理提供理论依据和数据支撑。结果表明: (1) 有机肥氮替代60%化学氮处理(NPK+HOM)的光能生产效率、积温生产效率、水分生产效率比化肥氮磷钾+水稻秸秆处理(NPK+straw)分别提高了0.04 g MJ^-1、0.28 kg ℃^-1 d^-1 hm^-2、0.08 kg m^-3, 增幅分别为10.5%、9.4%、9.6% (P<0.05); (2) 有机肥氮替代30%化学氮处理(NPK+LOM) N、P、K养分偏生产力比NPK+straw处理分别提高了22.5%、23.4%、23.5% (P<0.05), K素收获指数较NPK+straw处理提高了36.7% (P<0.05), 而NPK+LOM和NPK+HOM处理的NPK养分偏生产力和N素收获指数差异不显著; (3) 大麦产量的稳定性与可持续性分析表明, NPK+straw处理有利于大麦稳产; (4) NPK+HOM处理能提高土壤肥力。综合来看, NPK+HOM处理在大麦光热水资源利用率和土壤培肥上优于其他施肥结构; NPK+LOM处理在大麦NPK养分资源利用率上优于其他施肥结构; NPK+LOM和NPK+HOM处理均能提高大麦产量。对大麦-双季稻轮作模式, 秸秆还田结合有机肥与化肥配施调控大麦资源利用率与产量的协同提高是今后重要研究任务之一。

高分六号遥感影像植被特征及其在冬小麦苗期LAI反演中的应用

张矞勋, 齐拓野, 孙源, 璩向宁, 曹媛, 吴梦瑶, 刘春虹, 王磊

作物学报. 2021, (12):  2532-2540.  doi:10.3724/SP.J.1006.2021.11002

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高分六号(GF-6)遥感卫星是中国首颗精准农业观测的高分卫星, 与高分一号(GF-1)组网运行, 除具有与GF-1 WFV传感器相同的波段外, 国内首次增加了能够有效反映作物特有光谱特性的红边波段。为评价高分六号卫星影像的农作物监测能力, 以苗期冬小麦为研究对象, 结合地面同步观测的冠层光谱和LAI实测数据, 分析高分六号卫星影像的波段数量、波段光谱范围及新增的红边植被波段特征; 通过提取GF-6 WFV影像中的反射率数据构建植被指数, 借助人工神经网络, 对比GF-6 WFV传感器不同植被指数组合构建反演模型的精度, 以此探究GF-6 WFV红边波段在冬小麦苗期叶面积指数反演的应用能力。结果表明, 高分六号遥感影像能较好反映真实的植被特征; 同时在对冬小麦LAI反演时增加GF-6 WFV传感器的两个红边波段及红边植被指数数据, 对苗期冬小麦LAI反演模型精度有较大的提高, R²分别调高12.48%, RMSE降低14.75%。