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2022年 第48卷 第4期 刊出日期：2022-04-12

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综述

水稻AP2/ERF转录因子参与逆境胁迫应答的分子机制研究进展

陈悦, 孙明哲, 贾博为, 冷月, 孙晓丽

作物学报. 2022, (4):  781-790.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12026

摘要 ( 876 )   HTML ( 73 )   PDF (277KB) ( 826 )  

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AP2/ERF (APETALA2/ethylene responsive factor)是植物特有的转录因子家族, 广泛参与生长发育和胁迫应答等多种生物学进程。水稻是我国重要的粮食作物, 但在其生长过程中受到多种逆境的影响。目前研究发现AP2/ERF转录因子在水稻逆境应答中扮演十分重要的角色。本文结合国内外研究进展, 综述了水稻AP2/ERF转录因子的分类和结构, 并梳理了不同亚家族的AP2/ERF转录因子响应病害、干旱、高盐和低温胁迫的功能和机制研究进展, 为深入阐释水稻AP2/ERF转录因子调控逆境应答的分子网络及品种改良提供参考。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

大豆突变体ygl2黄绿叶基因的精细定位

王好让, 张勇, 于春淼, 董全中, 李微微, 胡凯凤, 张明明, 薛红, 杨梦平, 宋继玲, 王磊, 杨兴勇, 邱丽娟

作物学报. 2022, (4):  791-800.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14062

摘要 ( 490 )   HTML ( 32 )   PDF (2355KB) ( 300 )  

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叶片是大豆进行光合碳同化的主要器官, 其颜色与光能的捕获力和转化效率有关, 也与大豆的产量密切相关。因此, 大豆叶色相关基因的挖掘对从光合碳同化途径解析大豆产量问题具有重要意义。黄绿叶是区别于大豆普通绿色叶片的突变类型, 是研究大豆叶色相关基因的重要遗传材料。本研究发现了一个黄绿叶突变体ygl2 (yellow-green leaf 2), 该突变体是由大豆品系GL11自然突变而来, 其黄绿叶表型可以稳定遗传。与绿叶野生型GL11相比较, 突变体ygl2叶片中叶绿素含量极显著降低, 株高、百粒重、蛋白含量均存在显著差异。利用GL11和ygl2构建分离群体, 遗传分析表明, ygl2的黄绿叶表型受1对隐性核基因控制, 利用分离群体将黄绿叶基因ygl2定位于2号染色体末端SSR标记02_104到02_107之间, 区间物理距离为56.1 kb, 包含9个基因。本研究结果为大豆黄绿叶基因图位克隆及分子标记辅助育种奠定了基础。

通过CRISPR/Cas9技术突变BnMLO6基因提高甘蓝型油菜的抗病性

石育钦, 孙梦丹, 陈帆, 成洪涛, 胡学志, 付丽, 胡琼, 梅德圣, 李超

作物学报. 2022, (4):  801-811.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14077

摘要 ( 499 )   HTML ( 48 )   PDF (4825KB) ( 396 )  

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基因编辑技术可以实现对目标基因高效准确的修饰, 为植物遗传改良开辟了新途径。霉菌抗性位点(Mildew resistance locus O, MLO)基因是植物对白粉病菌防御的主效负向调节因子, 突变后能增强植物对白粉病的抗性, 但在油菜中是否具有同样的功能尚未见报道。为解析该基因在油菜抗病中的功能, 本研究通过分析油菜接种核盘菌后基因的表达情况发现, BnMLO6基因受核盘菌诱导表达; 利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得了一份BnMLO6基因6个同源拷贝同时突变的材料mlo6-212。遗传分析表明, CRISPR/Cas9引起的BnMLO6基因突变能够稳定遗传; mlo6-212突变体在田间和温室条件下都表现出明显的白粉病抗性; 在接种核盘菌24 h后, 病斑面积显著低于野生型, 减小19.5%; BnMLO6基因突变能激发叶片胼胝质的自发堆积, 增强接菌后乙烯和茉莉酸抗病信号。因此, BnMLO6基因可能参与了多条抗病信号路径, 负向调控油菜对白粉病和菌核病的抗性。研究结果不仅为BnMLO6基因协同调控油菜多种病原菌抗性的研究提供了参考, 也为油菜抗病性遗传改良提供了抗性资源和技术支撑。

GmELF3s调控大豆开花时间和生物钟节律的功能分析

徐昕, 秦超, 赵涛, 刘斌, 李宏宇, 刘军

作物学报. 2022, (4):  812-824.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14076

摘要 ( 485 )   HTML ( 22 )   PDF (7298KB) ( 360 )  

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大豆是典型的短日照作物, 光周期的敏感性严重影响大豆的开花时间和产量, 制约大豆的种植范围, 但调控大豆光周期和生物钟节律的机制尚不十分清楚。在模式植物拟南芥中, ELF3与ELF4、LUX一起, 形成ELF4-ELF3-LUX (Evening Complex, EC)生物钟晚间复合物, 在生物钟节律和开花时间调控等方面发挥重要作用。本研究通过CRISPR/Cas9基因编辑系统获得大豆Gmelf3a/j、Gmelf3b-1和Gmelf3b-2的突变体材料。通过观察Gmelf3a/j、Gmelf3b-1和Gmelf3b-2各突变体材料在短日照和长日照下的开花时间发现, GmELF3b-1在长日照下对大豆开花时间起调控作用; 通过观察非纯合双突变体的表型发现, GmELF3a/J与GmELF3b-1和GmELF3b-2之间在调控大豆开花时间方面存在功能冗余。通过qRT-PCR对大豆生物钟节律相关基因的表达进行检测发现, GmCAB、GmPRR9a和GmPRR7a的表达模式发生改变, 这表明GmELF3a/J、GmELF3b-1和GmELF3b-2可能是通过GmPRR9a和GmPRR7a对大豆生物钟节律和开花时间进行调控。

谷子糖转运蛋白基因SiSTPs的鉴定及其参与谷子抗逆胁迫响应的研究

晋敏姗, 曲瑞芳, 李红英, 韩彦卿, 马芳芳, 韩渊怀, 邢国芳

作物学报. 2022, (4):  825-839.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14080

摘要 ( 579 )   HTML ( 39 )   PDF (1779KB) ( 403 )  

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糖转运蛋白(sugar transporter proteins, STPs)是一类主要转运己糖的单糖转运蛋白, 在作物的生长发育和抗逆过程中发挥着重要作用。谷子是绿色旱作农业的主栽作物, 也是C₄光合作用机理和禾本科抗逆基因挖掘的模式植物, 目前有关谷子STP基因功能的研究还鲜有报道。因此, 本研究利用生物信息学方法, 对包括谷子在内的6种禾本科作物的STPs基因进行全基因组鉴定, 重点对谷子SiSTPs基因的理化性质、染色体定位、系统进化、基因结构、保守结构域、组织表达模式, 并对其参与谷子干旱和低磷胁迫以及白发病抗性响应进行了深入分析。在谷子、狗尾草、高粱、玉米、小麦和水稻中分别鉴定出STP基因家族成员24、26、23、22、33和27个, 系统进化分析聚为4类。谷子的24个SiSTP基因不均匀的分布在7条染色体上, 其编码氨基酸的大小为499~581 aa, 这些SiSTP蛋白都具有Sugar_tr (PF00083)保守结构域, 并且在启动子区存在大量的光响应以及逆境响应元件, 分析发现谷子SiSTPs基因在进化过程中受到了强烈的纯化选择压力, 存在明显的组织表达特异性, 且受光诱导, 不同成员在低磷胁迫、干旱胁迫和白发病侵染过程中表达存在差异。本研究为阐明谷子STP蛋白的功能以及响应逆境胁迫机理提供理论基础。

甘蓝型油菜BnMAPK2基因的克隆及功能分析

袁大双, 邓琬玉, 王珍, 彭茜, 张晓莉, 姚梦楠, 缪文杰, 朱冬鸣, 李加纳, 梁颖

作物学报. 2022, (4):  840-850.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14061

摘要 ( 498 )   HTML ( 40 )   PDF (3039KB) ( 225 )  

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从甘蓝型油菜中分离克隆了BnMAPK2 (BnaA01g21880D)基因, cDNA及其编码序列长度分别为1516 bp、1113 bp, 编码370个氨基酸。生物信息学分析表明, BnMAPK2蛋白分子量为42,497.0 kD, 等电点为6.36, 蛋白不稳定系数38.74, 为疏水性蛋白, 具有MAPKs蛋白特有的STKc_TEY_MAPK_plant (cd07858)保守结构域; 蛋白二级结构中α螺旋所占比例最大, 为44.05%, 无信号肽; 与拟南芥C族AtMAPK2的亲缘关系更近。核心元件预测结果显示, BnMAPK2-P含有响应水杨酸激素、热胁迫和光照等相关顺式作用元件, 包括TCA-element、HSE、AAAC-motif和MYB 结合位点等。实时荧光定量PCR (qRT-PCR)结果表明, BnMAPK2在甘蓝型油菜中的各个组织器官中均有表达, 受到茉莉酸甲酯、水杨酸、H₂O₂、损伤、高温和核盘菌的诱导。转基因异源表达BnMAPK2拟南芥株系的表型数据发现, 与野生型相比, 超量表达BnMAPK2使拟南芥植株的抽薹期提前, 株高、主花序有效长度和角果数显著增加, 由此推测BnMAPK2基因参与调节植物生长发育过程。本研究为深入探究BnMAPK2调控甘蓝型油菜生长发育过程的分子机制提供了参考资料和数据支撑。

过表达ZmCIPKHT基因增强植物耐热性

许静, 高景阳, 李程成, 宋云霞, 董朝沛, 王昭, 李云梦, 栾一凡, 陈甲法, 周子键, 吴建宇

作物学报. 2022, (4):  851-859.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13013

摘要 ( 468 )   HTML ( 30 )   PDF (5001KB) ( 329 )  

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高温胁迫对植物正常生长发育及产量的影响越来越显著。为了适应外界环境的变化, 植物进化出了一系列应对高温胁迫的分子遗传机制。类钙调磷酸酶B蛋白(CBL)互作蛋白激酶(CIPK), 在ABA信号转导途径上积极参与植物对高温胁迫的响应。在前期全基因组关联分析的基础上, 本实验克隆了一个与玉米耐高温性状相关的候选基因ZmCIPKHT, qRT-PCR结果表明ZmCIPKHT基因受高温胁迫的显著诱导。室内表型鉴定的实验发现过表达ZmCIPKHT的转基因拟南芥植株在高温胁迫下, 比野生型的存活率显著提高, 生长状态更好。玉米原生质体瞬时转化实验证明ZmCIPKHT蛋白定位于细胞核中。酵母双杂交实验验证了ZmCIPKHT蛋白与玉米CBLs家族中的ZmCBL4蛋白存在互作关系。同时, ZmCIPKHT转基因拟南芥在高温胁迫条件下, 脱落酸(ABA)通路相关基因的表达水平有其相应的变化, 揭示了ZmCIPKHT可能依赖于ABA信号转导通路来增强植物的耐热性。这些结果为解析玉米CBL-CIPK信号通路依赖于ABA途径对植物非生物胁迫响应的分子机制提供了新的实验根据。

不同施肥水平下丛枝菌根真菌对甘蔗生长及养分相关基因共表达网络的影响

孔垂豹, 庞孜钦, 张才芳, 刘强, 胡朝华, 肖以杰, 袁照年

作物学报. 2022, (4):  860-872.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14052

摘要 ( 501 )   HTML ( 32 )   PDF (4783KB) ( 215 )  

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甘蔗是我国重要的糖料作物之一。丛枝菌根(arbuscular mycorrhizas, AM)真菌在自然界中分布广泛, 研究表明AM真菌侵染植物根系能够促进植物的养分吸收和生长发育。本研究利用盆栽试验设置常规施肥(N)和减量施肥(R) 2个施肥水平, 并分别进行接种(AM)和未接种(CK) AM真菌处理, 共计4组, 每组设置4个重复。结果表明, 接种AM真菌不仅可以显著提高甘蔗地上及地下部生物量的积累, 而且还显著影响甘蔗根际土壤pH值、碱解氮、有效磷的含量。同时, 接种AM真菌在减量施肥水平下对甘蔗生物量的提高作用明显高于常规施肥水平。通过加权基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)筛选到与氮、磷等养分表型存在高度特异性的turquoise模块和darkgreen模块。以KME值大于0.7为阈值筛选模块的核心基因, 分别筛选到408个和21个核心基因。通过GO富集分析发现, 这些核心基因主要参与养分转运、代谢以及催化活性等通路。根据基因的注释信息以及基因间的连通性, 在筛选出的核心基因中寻找到28个与氮、磷等养分吸收与转运相关的核心基因以及108个候选基因。本研究揭示了AM真菌对甘蔗养分吸收的影响效应, 为进一步理解AM真菌影响甘蔗养分吸收的分子机制提供了理论基础。

谷子叶绿体基因RNA编辑位点的鉴定与分析

杜晓芬, 王智兰, 韩康妮, 连世超, 李禹欣, 张林义, 王军

作物学报. 2022, (4):  873-885.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14043

摘要 ( 416 )   HTML ( 17 )   PDF (8163KB) ( 158 )  

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RNA编辑是高等植物叶绿体基因转录后加工修饰的现象, 它会影响叶绿体发育, 导致植株叶片出现黄化或白化等表型。本研究以长农35号及其2份叶色突变体(E752和E1005)为试验材料, 利用紫外分光光度计测定了苗期叶绿素含量, 通过透射电镜观察了叶绿体结构; 利用在线工具Prep-Cp对谷子叶绿体基因RNA编辑位点进行了预测, 通过PCR、RT-PCR及测序等方法对预测到的编辑位点进行了验证, 并与其他单子叶作物的编辑位点进行了比较分析; 进一步利用荧光实时定量方法, 分析rpoB及依赖PEP转录的光合途径相关基因(ndhG、psaA、psbA和rbcL)在不同发育时期的表达水平; 最后, 利用生物信息学分析ropB编辑前后蛋白二级结构的变化。结果表明, 与长农35号相比, 2份叶色突变体叶绿素含量显著降低, 叶绿体发育异常; 在谷子中, 有10个叶绿体基因共计20个位点发生RNA编辑, 所有编辑位点均为胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)的转换, 不同基因的编辑位点存在数量差异, 其中ndhB编辑位点数量最多, 共计6个; 20个编辑位点中, 有19个位点在物种进化上具有较高保守性, 只有rpoC1-2753为谷子中特有的编辑位点; 在长农35号及其2份叶色突变体中, rpoB的3个编辑位点(rpoB-467、rpoB-545和rpoB-560)存在编辑效率差异, 而这种编辑效率的改变导致rpoB表达水平改变, 进一步可能影响了ndhG、psaA、psbA和rbcL表达水平的变化; 生物信息学分析表明, rpoB-467和rpoB-560编辑前后影响了蛋白二级结构。研究结果为解析叶绿体RNA编辑参与谷子叶绿体发育的分子机制奠定了一定基础。

玉米矮化突变体gad39的遗传分析与分子鉴定

刘磊, 詹为民, 丁武思, 刘通, 崔连花, 姜良良, 张艳培, 杨建平

作物学报. 2022, (4):  886-895.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13026

摘要 ( 463 )   HTML ( 23 )   PDF (13052KB) ( 194 )  

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株高决定了玉米的种植密度和抗倒伏性, 进而影响产量和品质, 是玉米育种中重要的选择性状之一, 因此对控制玉米株高相关基因的遗传和分子机制的研究具有重要意义。本文对源自玉米自交系Mo17的矮化自然突变体gad39进行了表型鉴定、细胞学观察、遗传分析、基因定位和赤霉素(GA₃)处理等研究。田间种植条件下, 整个生育期gad39的株高都明显矮于野生型Mo17, 吐丝期仅100.00 cm, 与野生型的192.60 cm相比, 下降了48.08%, 差异达到极显著水平; 进一步分析发现gad39的雄穗长度显著变短, 节间数目显著减少。扫描电镜观察发现, 茎秆纵向细胞的宽度和长度显著变小。雄穗变短、节间数目减少和纵向细胞变小是导致gad39植株矮化的主要原因。除植株矮化外, gad39分蘖数增加, 穗位降低, 茎秆变细, 叶片变短和雌穗变短。遗传分析表明, gad39的突变表型由1对隐性核基因控制, 将控制矮化性状的基因定位在3号染色体长臂td4和td6标记之间。这2个标记之间的物理距离为15.34 kb, 其间包含一个控制植株矮化的基因D1/ZmGA3ox2。测序发现, gad39中的D1基因具有10个InDels和21个SNPs, 导致外显子中4个氨基酸的变异。gad39的突变位点与已报道的dwarf1、d1-4、d1-6016和d1-3286突变体不同, 是D1基因一个新的等位突变体。D1/ZmGA3ox2编码GA3氧化酶(GA3-oxidase, GA3ox), 是活性GA生物合成途径中的重要酶之一。对gad39突变体施加GA₃处理, 其株高恢复至野生型水平。本研究在玉米中发现一个新的矮化等位突变遗传材料, 为进一步解析玉米株高的遗传机制奠定了基础。

马铃薯StMAPK4响应低温胁迫的功能解析

冯亚, 朱熙, 罗红玉, 李世贵, 张宁, 司怀军

作物学报. 2022, (4):  896-907.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14036

摘要 ( 344 )   HTML ( 23 )   PDF (14575KB) ( 158 )  

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马铃薯易受低温危害, 造成减产。MAPK基因广泛参与多种环境胁迫, 研究发现其参与低温调控。为探究马铃薯StMAPK4在响应低温胁迫过程中的功能, 本研究以马铃薯栽培品种‘Atlantic’为试验材料, 分析其在低温(4℃)胁迫下不同时间点在马铃薯根茎叶中的表达特性, 并对StMAPK4基因进行生物信息学分析及对其编码的蛋白进行亚细胞定位分析, 构建StMAPK4的过表达和RNAi干扰表达载体, 转化马铃薯获得转基因植株, 并分析了在4℃处理下非转基因(NT)、过表达和RNAi干扰表达转基因植株的超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性、脯氨酸(Pro)和丙二醛(MDA)含量的变化。结果显示, StMAPK4蛋白的等电点为4.97, 属于酸性蛋白, 该蛋白定位于细胞核和细胞膜; 低温胁迫下, StMAPK4在根茎叶中的表达量显著升高; StMAPK4过表达植株的SOD、POD活性和脯氨酸含量较NT植株明显升高, 而MDA含量明显降低; StMAPK4干扰表达植株的SOD、POD活性和脯氨酸含量较NT植株明显降低, 而MDA含量明显升高; 通过表型观察发现, 非转基因和RNAi干扰表达植株的叶片萎蔫严重, 而过表达植株的叶片受影响较小。因此, 过表达StMAPK4基因可以增强马铃薯植株对低温胁迫的耐受性。

基于高基元SSR构建黍稷种质资源的分子身份证

陈小红, 林元香, 王倩, 丁敏, 王海岗, 陈凌, 高志军, 王瑞云, 乔治军

作物学报. 2022, (4):  908-919.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14034

摘要 ( 427 )   HTML ( 16 )   PDF (18169KB) ( 114 )  

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为快速鉴定黍稷(Panicum miliaceum)资源, 建立大数据管理平台, 为种质身份标识和溯源管理提供理论依据。本研究以来源于4个生态栽培区的130份资源为材料, 基于35个高基元SSR (四、五和六碱基重复各21、10和4个)构建分子身份证。结果表明, 35个标记中有30个扩增条带稳定, 可用于分子身份证构建。30个标记共检出等位变异(Na) 90个, 平均为30个; 有效等位变异(Ne)为2.3186~2.9982, 平均为2.7607; Shannon多样性指数(I)为0.9158~1.0873, 平均为1.0472; Nei’s基因多样性指数(Nei)为0.5687~0.6665, 平均为0.6360; 多态性信息含量(PIC)为0.5151~0.7898, 平均为0.6966; 观测杂合度(Ho)为0.5000~ -0.8678, 平均为0.7168; 期望观测杂合度(He)为0.5710~0.6691, 平均为0.6386。基于UPGMA聚类将材料划为3个类群(I、II、III), 就山西省材料而言, 地方品种和育成品种分别划归类群I和III, 农家种在3个类群中均有分布。主成分分析将试材归为4类, 聚类结果与其地理来源一致。基于最少标记区分最多种质的原则, 剔除相似系数高的3个标记(RYW23、RYW49和RYW51), 筛选其余27个标记, 发现仅用17个标记组合(RYW35、RYW40、RYW37、RYW18、RYW30、RYW16、RYW20、RYW19、RYW8、RYW5、RYW3、RYW7、RYW1、RYW14、RYW9、RYW6和RYW10)可将全部材料区分。用ID Analysis 4.0、在线条形码生成器和二维码技术(http://barcode.cnaidc.com/app/html/bcgcode128.php和 https://cli.im/)构建了130份资源的字符串、条形码和二维码DNA分子身份证。

马铃薯SSR引物的开发、特征分析及在彩色马铃薯材料中的扩增研究

张霞, 于卓, 金兴红, 于肖夏, 李景伟, 李佳奇

作物学报. 2022, (4):  920-929.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14065

摘要 ( 312 )   HTML ( 10 )   PDF (3003KB) ( 188 )  

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彩色马铃薯较普通栽培马铃薯具有更丰富的营养物质, 特别是富含抗氧化物质花青素, 是近年来育种家研究的焦点。迄今为止开发的马铃薯SSR引物数量有限, 特别是彩薯相关的SSR引物。本研究基于马铃薯全基因组序列利用MISA软件对SSR位点进行了分析。研究发现, 在马铃薯全基因组序列中共获得218,997个SSR位点, 平均3.39 kb出现一个SSR位点。单核苷酸是主要重复类型, 占总SSR的62.05%, 其次是二核苷酸和三核苷酸, 所占比例为22.39%和13.11%。6种核苷酸类型的重复次数分布在5~746次, 以5~10次为主, 占总SSR的60.9%。在检测到的全部SSR中, 共获得215种基元类型, 除六核苷酸重复类型外, 其他5种核苷酸重复类型的优势基元均以含有A/T-的基序为主。SSR基序长度主要分布在12~20 bp之间, 占全部SSR的43.19%。通过Primer 5共设计出100对SSR引物, 利用彩薯双亲的DNA初步筛选出48对可以扩增出条带的引物, 有效扩增率达48%。进一步验证引物的有效性, 随机选择F₂群体的6个单株进行PCR扩增, 筛选出条带清晰稳定, 多态性较高的引物26对, 平均多态性比率为72.52%。本研究结果表明马铃薯全基因组SSR位点数量丰富、类型多样, 具有中等的多态性。开发的引物多态性较高, 可用于彩色马铃薯SSR标记的开发, 遗传多样性分析和指纹图谱构建等方面的研究, 为进一步挖掘花青素含量相关基因提供科学依据。

耕作栽培·生理生化

我国作物生产碳排放特征及助力碳中和的减排固碳途径

严圣吉, 邓艾兴, 尚子吟, 唐志伟, 陈长青, 张俊, 张卫建

作物学报. 2022, (4):  930-941.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12073

摘要 ( 580 )   HTML ( 35 )   PDF (777KB) ( 622 )  

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作物生产不仅保障了国家粮食安全, 也是农业碳排放的主要源, 以及碳固定的重要汇。阐明主要农区作物生产碳排放特征, 探讨其达峰与中和途径, 可以为全国及地方作物生产绿色高质量发展和农业“双碳”目标的战略制定提供重要科学依据。本文基于国家统计数据, 比较分析了我国各地区作物生产碳排放特征, 探讨了助力碳中和的农田减排固碳途径。2018年我国作物生产碳排放占全国农业碳排放总量45.5%, 其中农田甲烷(CH₄)、氧化亚氮(N₂O)以及农用柴油消费的二氧化碳(CO₂)排放分别占农业碳排放总量的22.9%、14.7%和7.9%。从区域排放来看, 作物生产碳排放总量和单位播种面积排放量均呈现南高北低特征, 其中以华东和华中地区最高, 减排潜力大。在作物生产碳排放中, 稻田CH₄占50.3%, 是减排重点。我国作物生产碳排放总量于2015年出现峰值, 之后呈现下降趋势, 这与水稻播种面积、农田氮肥用量和农用柴油消费等减少趋势相一致。可见, 如果我国农产品进口不受显著影响, 作物生产碳排放已经呈现达峰趋势。情景推算发现, 仅靠农地土壤固碳很难实现作物生产的碳中和, 需要农田减排与固碳的兼顾。在丰产稳产前提下, 作物生产碳中和要以稻田CH₄和旱地N₂O减排优先, 在增强土壤碳汇功能的同时, 充分挖掘秸秆资源化利用、用地养地结合和农田林网建设等农田生态系统的综合固碳潜力。

增密对不同分枝类型大豆品种同化物积累和产量的影响

李瑞东, 尹阳阳, 宋雯雯, 武婷婷, 孙石, 韩天富, 徐彩龙, 吴存祥, 胡水秀

作物学报. 2022, (4):  942-951.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14045

摘要 ( 522 )   HTML ( 38 )   PDF (547KB) ( 386 )  

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试验于2018—2019年进行, 选择2种不同分枝类型的品种(中作XA12938和中黄13)为供试材料, 设置13.5×10⁴ (D1)、18.0×10⁴ (D2)、22.5×10⁴ (D3)、27.0×10⁴ (D4)、31.5×10⁴ (D5)和36.0×10⁴株 hm^-2 (D6) 6个种植密度, 研究增密种植对不同分枝类型品种叶面积指数(LAI)、干物质积累及分配、产量和产量构成因素的影响。结果表明, 随种植密度的提高, 大豆LAI进入高值(>4)的时期提前, 中作XA12938和中黄13分别从出苗后47.0 d和54.6 d (D1)提前至31.0 d和32.9 d (D6)。与中黄13相比, 中作XA12938LAI高值持续期长且中后期降幅小。不同品种处理间干物质随密度的增加程度存在差异, 结荚期中作XA12938和中黄13高密处理(D6)干重较低密处理(D1)干重分别提高77.53%和51.21%。随密度的提升, 成熟期生殖器官干物质占比呈先增加后降低的趋势。产量随种植密度增加总体呈先增加后趋平的趋势, 中作XA12938的最高产量出现在D5 (5000.45 kg hm^-2)处理, 继续增加种植密度产量较稳定, 中黄13两年最高产量分别出现在D4 (4477.90 kg hm^-2)和D5 (3935.30 kg hm^-2)处理, 继续增加种植密度产量逐渐降低, 中作XA12938的平均产量较中黄13产量显著提高22.37%。灰色关联度分析发现, 中作XA12938植株高度和单位面积有效荚数与产量密切相关, 而中黄13的单位面积有效粒数和重心高度与产量的关联度较高。适度增密可提高大豆LAI并延长其高值持续期、促进干物质积累、增加生殖器官的占比、提高大豆产量。在生产中可选用分枝调节能力较强品种, 通过适当增加种植密度, 从而提高产量, 增加效益。

绿肥稻秆协同还田下氮肥减量的增产和培肥短期效应

王吕, 崔月贞, 吴玉红, 郝兴顺, 张春辉, 王俊义, 刘怡欣, 李小刚, 秦宇航

作物学报. 2022, (4):  952-961.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12007

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稻田绿肥秸秆协同还田是稻田培肥地力的有效措施, 本文基于2年田间试验研究了绿肥稻秆协同还田下氮肥减量对水稻产量、产量构成要素及土壤养分含量的影响。试验于2018—2020年在陕西省汉中市汉台区进行, 设置5个处理: (1) 冬闲+水稻秸秆不还田+不施肥(CK); (2) 冬闲+水稻秸秆不还田+常规施氮(NPK); (3) 冬种紫云英+水稻秸秆还田+常规施氮(GRN1); (4) 冬种紫云英+水稻秸秆还田+减氮20% (GRN2); (5) 冬种紫云英+水稻秸秆还田+减氮30% (GRN3)。结果表明: 水稻产量方面, 年际间差异较大, 2019年度GRN1处理‘荃香优1521’产量最高为10,047 kg hm^-2, 显著高于NPK处理, 增幅为6.7%; 其次为GRN2和GRN3, 但与NPK差异不显著; 2020年度GRN2和GRN3处理‘黄华占’产量较NPK处理显著增加, 增幅分别为6.6%和5.8%。绿肥稻秆协同还田处理均可以显著提高水稻产量, 较CK和NPK增幅分别为67.9%~83.0%和2.8%~6.7%。土壤养分方面, 紫云英稻秆协同还田提高了耕层0~20 cm土壤有机碳和速效磷, GRN2处理较NPK处理分别提高了6.8%~13.2%和9.9%~12.6%。相关分析表明, 水稻株高、单株鲜重、根茬鲜重、每穗实粒数及千粒重与水稻产量呈显著正相关, 与NPK相比, 2年GRN2处理可以显著提高水稻有效穗13.0%~29.3%, 每穗实粒数4.5%~14.3%; GRN2处理可以显著提高水稻株高10.4%, 单株鲜重23.6%, 根茬鲜重30.0%。紫云英-水稻轮作条件下, 绿肥稻秆协同还田同时氮肥减量20%, 提高了水稻产量性状及农艺性状, 增强了土壤汇碳功能, 增加了土壤养分, 从而有利于维持水稻稳产高产, 是适宜汉中地区的水稻绿色种植模式。

连作秸秆还田下玉米氮素积累与氮肥替代效应研究

闫宇婷, 宋秋来, 闫超, 刘爽, 张宇辉, 田静芬, 邓钰璇, 马春梅

作物学报. 2022, (4):  962-974.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13010

摘要 ( 348 )   HTML ( 37 )   PDF (421KB) ( 232 )  

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针对东北地区农作物秸秆资源丰富, 然而焚烧弃置严重, 养分利用率较低等问题, 探讨常年玉米连作下还田秸秆的氮肥替代效应在松嫩平原玉米种植生产上的可行性。试验于2017—2019年在东北农业大学校内试验场进行, 采用框栽、连作方式, 采用再裂区试验设计, 主处理为秸秆不还田(S0)和秸秆还田(S1), 副处理为3个施尿素梯度0 (N0)、175 (N1)、350 (N2) kg hm^-2, 再副处理为一次性施肥(基追比1∶0)和2次均匀施肥(基追比1∶1)。结果表明, 每公顷还12 t玉米秸秆可替代单质氮36.80 kg, 2017—2019年黑龙江省产生的玉米秸秆量平均为4650.05万吨, 秸秆还田可替代单质氮14.27万吨。在2次均匀施氮肥处理下, 秸秆氮肥替代量比一次性施氮肥处理高26.88%。秸秆还田与玉米氮肥利用率负相关, 在当地农业常用施尿素量350 kg hm^-2 (纯氮161 kg hm^-2)下, 玉米氮肥利用率3年平均S0较S1高6.09%, 产量S1较S0高4.66%, 且在秸秆还田、2次等量施氮肥处理玉米产量最高为268.22 g 框^-1。综上所述, 东北地区玉米秸秆还田的氮肥替代效果显著, 将秸秆中残留养分有效转化为玉米生长所需氮素, 有利于秸秆资源的肥料化利用, 且作物秸秆与氮肥的长期配施能够显著提高玉米生物产量、产量和氮素累积, 是东北地区玉米增产增效的栽培模式。

播期播量及施氮量对冬小麦生长及光谱指标的影响

李鑫格, 高杨, 刘小军, 田永超, 朱艳, 曹卫星, 曹强

作物学报. 2022, (4):  975-987.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11033

摘要 ( 499 )   HTML ( 31 )   PDF (1099KB) ( 569 )  

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为阐明播期、播量及施氮量对冬小麦生长与光谱指标的影响规律, 本研究通过开展连续两年不同播期、播量及施氮量的冬小麦田间试验, 系统地研究了三因素及其互作对冬小麦产量、关键生育时期叶面积指数(leaf area index, LAI)和归一化红边指数(normalized difference red edge, NDRE)的影响, 并进一步分析了三因素对冬小麦冠层NDRE时序曲线的影响。另一方面建立了不同产量水平下冬小麦冠层NDRE适宜时序曲线, 以便于实时监测不同产量水平下冬小麦长势动态。结果表明, 冬小麦冠层NDRE与LAI随关键生育期的变化相似, 且三因素对关键生育时期2个指标的影响规律基本一致。2018—2019年冬小麦产量、不同生育时期LAI和冠层NDRE均随播期推迟而下降; 2019—2020年除灌浆期外, 晚播冬小麦产量、LAI及冠层NDRE峰值最大。2年冬小麦不同生育时期LAI、冠层NDRE随施氮量增加而增加; 而不同播量间无明显差异。三因素中播期、施氮量对冬小麦冠层NDRE时序曲线有显著影响。冬小麦冠层NDRE时序曲线随施氮量增加被纵向拉长; 曲线下降部分随播期推迟向左平移, 同时2018—2019年随播期推迟曲线峰值下降, 2019—2020年晚播、过晚播冬小麦曲线峰值高于适播期冬小麦。将2个年份数据融合在一起建立了3个产量水平下冬小麦冠层NDRE适宜时序曲线(产量水平分别为: 小于6.75、6.75~8.25、大于8.25 t hm^-2); 发现随产量水平升高, NDRE时序曲线峰值及幅宽均增大。综上所述, 冬小麦应适期早播, 但若冬前积温较高, 应适当推迟播期; 且可通过增加一定播量和施氮量来改善晚播冬小麦群体长势。研究结果可为不同播期及不同产量水平下冬小麦长势监测提供技术支撑。

杂交水稻机插制种的亲本穗茎生长与花期特性

秦琴, 陶有凤, 黄帮超, 李卉, 高云天, 钟晓媛, 周中林, 朱莉, 雷小龙, 冯生强, 王旭, 任万军

作物学报. 2022, (4):  988-1004.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12020

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为明确机插栽培模式下恢复系和不育系穗茎生长与花期特性, 探究机械化栽培下杂交水稻制种亲本花期相遇困难的原因, 选用成恢727×蜀21A、雅恢2115×宜香1A两组合为材料, 于2019—2020年进行大田试验, 设置2种栽插方式及秧龄, 进行恢复系和不育系叶龄动态、穗茎生长和抽穗动态调查, 统计分析不同处理对不育系和恢复系穗、茎、叶生长发育及花遇状态的影响。结果表明, (1) 机插亲本总叶片数发生改变, 恢复系减少0.3~0.8叶, 不育系增加0.1~0.4叶, 同时秧龄缩短恢复系总叶数减少, 不育系总叶数无显著变化。(2) 机插恢复系穗、茎、叶生长发育进程较手栽延迟2~5 d, 不育系延迟5~10 d; 恢复系拔节后开始幼穗分化而不育系进入幼穗分化后5~10 d开始拔节, 机插恢复系与不育系穗分化持续时间无显著变化, 各处理亲本幼穗生长曲线均拟合Logistic曲线较好(R²>0.99)。(3) 机插较手栽亲本播始历期延长, 秧龄延长存在相同效应, 不育系较恢复系对栽插方式及秧龄的响应更显著。(4) 各组合手栽长秧龄的花遇指数为100%, 花遇良好; 机插长秧龄和手栽短秧龄条件下花遇指数介于40%~60%之间, 花遇状态次之; 机插短秧龄成恢727×蜀21A组合与雅恢2115×宜香1A组合花遇指数分别为0和18.18%, 花期严重不遇。综合来看, 机插模式下亲本穗、茎、叶生长发育滞后, 秧龄增大加剧了亲本生长发育的延迟。不同栽插方式和秧龄下恢复系和不育系生长发育和花期特性存在差异, 恢复系和不育系对栽培措施的响应差异是亲本花期不遇的主要原因。

沿江双季稻北缘区晚稻适宜品种类型及高产群体特征

柯健, 陈婷婷, 吴周, 朱铁忠, 孙杰, 何海兵, 尤翠翠, 朱德泉, 武立权

作物学报. 2022, (4):  1005-1016.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12006

摘要 ( 416 )   HTML ( 19 )   PDF (2093KB) ( 170 )  

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研究沿江双季稻北缘区晚季籼稻和粳稻产量差异, 明确适宜类型品种及高产形成机制。试验于2018—2019年在安徽庐江进行, 以当地常规种植的17个籼稻和17个粳稻优质品种(系)为研究对象, 比较和分析籼稻和粳稻在产量及构成、物质积累和生育进程方面的差异。结果表明, 粳稻与籼稻总体上产量水平相当, 但粳稻产量限制因子少, 安全齐穗性有优势, 具有更高的产量稳产性和生态安全性。高产粳稻主要是通过增加移栽-抽穗期干重来增加总干物质积累, 以提高总颖花量和产量。不同穗型粳稻品种生育前中期不同阶段的干物质积累对总颖花量的影响差异较大, 其中大穗型(每穗粒数102.3~112.0)和小穗型粳稻(每穗粒数52.0~99.7)干物质优势积累期分别为移栽-穗分化期和穗分化期-抽穗期, 与总颖花量的相关系数达到0.709和0.829。进一步分析发现, 大穗型粳稻品种移栽-穗分化期干物质积累受穗分化期分蘖数显著影响, 而小穗型粳稻品种穗分化-抽穗期干物质积累由抽穗期分蘖数和单茎干重共同影响。综上所述, 本研究认为粳稻是沿江双季稻北缘区适宜的双季晚稻品种类型, 高产粳稻群体颖花量为33.8×10³~41.0×10³ m^-2, 成熟期干物质积累为15.2~16.6 t hm^-2, 日产量为58.9~64.3 kg hm^-2 d^-1。在品种选择上, 高产大穗型粳稻应具有较强的分蘖能力, 如嘉58、武育粳6571和常优5号; 而小穗型品种则应具有适宜的抽穗期分蘖数和单茎干重, 如宁粳7号、武育粳5745和沪香粳151。另外, 应针对不同穗型的高产粳稻品种研究其配套的优化栽培技术, 以进一步发挥品种产量潜力。

研究简报

甘蔗赤霉素氧化酶基因ScGA20ox1的克隆及功能分析

周慧文, 丘立杭, 黄杏, 李强, 陈荣发, 范业赓, 罗含敏, 闫海锋, 翁梦苓, 周忠凤, 吴建明

作物学报. 2022, (4):  1017-1026.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.04274

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GA20-氧化酶(GA20-oxidase, GA20ox)是赤霉素(gibberellic acid, GA)合成过程中的关键限速酶, 但甘蔗GA20ox1基因(ScGA20ox1)的功能及其表达模式尚未明确。本研究利用RT-PCR和RACE技术克隆了甘蔗GA20-氧化酶基因(ScGA20ox1), ScGA20ox1基因全长1574 bp, 含有一个1125 bp的完整开放阅读框(open reading frame, ORF), 编码375个氨基酸。ScGA20ox1蛋白分子量为42.3 kD, 理论等电点为5.95, 不含信号肽, 不含跨膜结构域, 为可溶性蛋白。实时荧光定量PCR结果表明该基因在甘蔗幼苗中茎秆的表达量最高, 叶片次之, 根的表达量最低; 干旱、低温和赤霉素处理均会改变该基因在不同组织的表达模式。利用农杆菌介导法转化拟南芥, 获得过表达ScGA20ox1的转基因拟南芥植株, 转基因拟南芥植株存在株高增高, 节间长度增长的表型变异。本研究结果表明, ScGA20ox1参与甘蔗的生长发育并在响应非生物逆境中发挥重要调控作用, 过表达转基因拟南芥形态发生变化, 这为深入探究ScGA20ox1生物学功能, 解析甘蔗株型调控分子机制提供理论依据。

耐三唑并嘧啶类除草剂花生种质创制与鉴定

刘嘉欣, 兰玉, 徐倩玉, 李红叶, 周新宇, 赵璇, 甘毅, 刘宏波, 郑月萍, 詹仪花, 张刚, 郑志富

作物学报. 2022, (4):  1027-1034.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14066

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目前耐除草剂花生的种质资源匮乏, 这制约了花生栽培模式的多元化发展。为创制耐不同除草剂的花生种质资源, 我们利用甲基磺酸乙酯诱变技术创建了一个由55,000多个花生株系组成的诱变群体, 随后选择多种不同除草剂对该群体进行筛选, 获得多个对不同除草剂具有耐性的花生突变体。其中一个突变体在田间叶面喷施处理和多种实验室条件下的除草剂耐受性评估试验中均表现出对唑嘧磺草胺和双氟磺草胺极强的耐性, 但这种耐性性状并未对花生的产量与品质产生不良影响。为明确这种性状是否与除草剂靶标抗性相关联, 我们比较分析了该突变体与野生型中这2种除草剂靶标酶(乙酰羟酸合酶, AHAS)的基因序列及其表达量的差异。分子克隆与序列分析显示, 花生A10与B10染色体上各含一个与拟南芥AtAHAS序列高度相似的基因, 分别命名为AhAHAS1a与AhAHAS1b。花生A08与B08染色体上亦各含一个AHAS基因, 分别命名为AhAHAS2a与AhAHAS2b。然而, 与野生型相比, 突变体中的这些基因并未发生能够致使氨基酸序列发生改变的核苷酸替换。进而发现, AhAHAS基因的表达量在突变体与野生型中没有显著差异。这些结果表明, 该花生突变体的除草剂耐性可能由非靶标抗性机制所致。