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2022年 第48卷 第5期 刊出日期：2022-05-12

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综述

稻米氨基酸含量和组分及其调控

杨建昌, 李超卿, 江贻

作物学报. 2022, (5):  1037-1050.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12062

摘要 ( 1141 )   HTML ( 72 )   PDF (658KB) ( 1323 )  

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谷类作物籽粒中氨基酸是人和动物的重要营养物质。提高稻米氨基酸含量特别是赖氨酸等必需氨基酸含量是水稻育种和栽培的一个重要目标和研究热点。本文概述了水稻成熟籽粒氨基酸含量和组分及其在不同部位的分布, 籽粒氨基酸的合成与代谢, 植物激素对籽粒氨基酸合成与代谢的调控作用, 籽粒氨基酸含量和组分的环境影响与栽培调控; 讨论了存在问题和今后研究重点。深入研究花后籽粒氨基酸含量和组分的时(不同灌浆阶段)、空(籽粒不同部位)分布特点及其生理生化机制、栽培调控与调控原理, 可望获得对稻米氨基酸形成与分布机制的新认识, 开发提高精米中氨基酸含量特别是赖氨酸等必需氨基酸含量的新途径。

基于种子萌发出苗过程中弯钩建成和下胚轴生长的棉花出苗壮苗机制与技术

周静远, 孔祥强, 张艳军, 李雪源, 张冬梅, 董合忠

作物学报. 2022, (5):  1051-1058.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14116

摘要 ( 552 )   HTML ( 24 )   PDF (839KB) ( 729 )  

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苗全苗壮是实现棉花丰产丰收的基础, 但棉花属于子叶全出土的双子叶植物, 播种出苗易受环境条件和播种技术的影响, 一播全苗、壮苗的难度很大。棉苗顶端弯钩及时建成和下胚轴稳健生长是棉花出苗壮苗的关键, 本文首次以单粒精播调控种子萌发出苗过程中的顶端弯钩建成和下胚轴生长的生理与分子机制为核心, 系统评述了棉花成苗壮苗的调控机制。棉花种子单粒精播、适当浅播, 促进下胚轴伸长、弯钩建成和展开的关键基因HLS1和COP1适时、适量表达, 棉苗下胚轴伸长、弯钩及时建成, 保证出土并适时展开弯钩和脱掉种壳, 正常出苗。单粒精播种子出苗后通过调控下胚轴生长关键基因HY5和ARF2表达, 下胚轴稳健生长, 形成壮苗。在此基础上, 总结提出了以单粒精播、适当浅播为核心, 配合精细整地、提高种子质量、地膜覆盖、膜下滴灌等措施的棉花成苗壮苗关键栽培技术, 为实现一播全苗、壮苗早发提供了重要参考和指导。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

转基因玉米NK603基体标准物质研制

单露英, 李俊, 李亮, 张丽, 王颢潜, 高佳琪, 吴刚, 武玉花, 张秀杰

作物学报. 2022, (5):  1059-1070.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13025

摘要 ( 634 )   HTML ( 19 )   PDF (1543KB) ( 359 )  

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转基因安全管理和标识制度的实施需要标准化的检测方法和转基因检测标准物质, 转基因标准物质是获得准确、可靠、可比检测结果的保证。目前, 转基因玉米NK603已在我国批准进口用作加工原料, 其安全监管亟须制备标准物质。本研究将筛选后的转基因玉米NK603杂合种子和对应的非转基因受体种子, 按转基因质量分数为60.0 mg g^-1、100.0 mg g^-1、1000 mg g^-1 (理论值)的比例配置了3个梯度浓度水平的转基因基体标准物质。利用二重微滴数字聚合酶链式反应(droplet digital polymerase chain reaction, ddPCR)对研制的标准物质进行均匀性与稳定性检测。结果表明: 研制的标准物质均匀性良好, 可在60℃下运输14 d, 稳定性不低于6个月。同时, 由8家实验室采用二重ddPCR方法联合测定标准物质NK603转化体与内标基因的拷贝数比值, 其标准值及不确定度为: (2.75±0.26)%、(4.68±0.39)%、(51.8±3.7)%。本批标物使用时最小取样量100 mg。可用于转基因食品和饲料中转基因成分NK603的定性和定量检测以及转基因玉米特异性检测方法的评价和实验室质量控制等领域。

隆两优与晶两优系列杂交稻的稻瘟病抗性基因分析

邓钊, 江南, 符辰建, 严天泽, 符星学, 胡小淳, 秦鹏, 刘珊珊, 王凯, 杨远柱

作物学报. 2022, (5):  1071-1080.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12002

摘要 ( 640 )   HTML ( 29 )   PDF (1601KB) ( 717 )  

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隆科638S与晶4155S是袁隆平农业高科技股份有限公司于2014年培育出的抗病优质高配合力中籼型两用核不育系。本研究对2015—2019年通过国家审定的隆两优和晶两优系列杂交稻品种区试稻瘟病抗性评价数据进行分析, 并利用基于KASP技术开发的针对16个稻瘟病抗性基因的标记组合, 对隆两优和晶两优系列杂交稻品种进行基因型检测, 以期为隆两优和晶两优系列杂交稻品种的布局和进一步改良提供理论依据。结果表明, 隆两优和晶两优系列杂交稻品种, 中抗至高抗稻瘟病的比例达43.92%, 综合抗性指数和穗瘟最高损失率均值分别为3.3和4.7; 品种携带3~7个抗性基因, 平均携带5.1个抗性基因; Pia、Pita、Pi2、Pi5和Piz基因在品种中的检出频率较高, 达到50%以上, 其中Pia的检出频率达到100%, 而Pi9、Pi35、Pi36和Pb1基因未被检出; 随着抗性基因数量的增加, 品种的综合抗性指数与穗瘟最高损失率均值都呈现整体下降趋势。据此提出, 将Pi9基因导入至隆科638S与晶4155S中, 可进一步提升其组合的稻瘟病抗性。

棉花苗期根系分型及根系性状的关联分析

孙思敏, 韩贝, 陈林, 孙伟男, 张献龙, 杨细燕

作物学报. 2022, (5):  1081-1090.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14067

摘要 ( 780 )   HTML ( 51 )   PDF (4931KB) ( 505 )  

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根系是吸收水分和养分的主要器官, 根系的生长状态会直接影响棉花对营养物质的吸收利用、对非生物胁迫的抵御能力以及产量。本研究选取220份陆地棉栽培种组成的自然群体和以鄂棉22为母本、3-79为父本获得的325份材料的海陆导入系群体为试验材料, 对自然群体和导入系群体的根系4个主要表型性状(主根长、根鲜重、根干重和侧根夹角)进行采集, 并结合基因组重测序对自然群体的4个根系性状进行全基因组关联分析。结果表明, 自然群体材料的4个根系性状均符合正态分布, 导入系群体材料的4个根系性状呈偏正态分布, 导入系群体根系各指标的平均值均高于自然群体; 220份陆地棉重测序数据分析后共获得2,714,140个SNP; 主成分分析表明, 根鲜重和主根长可作为棉花根系分型的2个主要指标, 通过这2个指标可将棉花根系分为9种类型。群体结构分析表明, 自然群体可分为5个亚群。全基因组关联分析(GWAS)表明, 自然群体中通过根鲜重和根干重同时关联到2个位点。本研究结果为进一步研究根系构型及其遗传机理提供理论基础, 也对棉花抵御非生物胁迫的育种工作有重要的意义。

栽培大豆×半野生大豆高密度遗传图谱构建及株高QTL定位

于春淼, 张勇, 王好让, 杨兴勇, 董全中, 薛红, 张明明, 李微微, 王磊, 胡凯凤, 谷勇哲, 邱丽娟

作物学报. 2022, (5):  1091-1102.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14063

摘要 ( 535 )   HTML ( 23 )   PDF (3016KB) ( 378 )  

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采用中SNP160K芯片对丰收24×通交83-611 F₂群体252个植株及其亲本进行基因分型, 构建了一张由5861个SNP标记组成的全长为3661.46 cM的高密度遗传连锁图谱。利用完备区间作图法(ICIM)定位到7个株高QTL, 每个QTL可解释2.56%~10.41%的株高变异。qPH-6-1具有最高的表型变异贡献率和显性效应, 可解释10.41%的株高变异, 加性效应和显性效应分别为-1.72和18.94; qPH-18-1贡献率次之, 可解释9.64%的株高变异, 但具有最高的加性效应, 达-12.42。在F₂群体中筛选出11个qPH-6-1和qPH-18-1基因型为Q6Q6/Q18Q18的单株, 平均株高167.00 cm; 筛选出16个基因型为q6q6/q18q18的植株, 平均株高为91.25 cm。在qPH-18-1定位区间内外增加23个SNP标记, 将定位区间由766.97 kb缩小至66.03 kb, 包含8个基因, 结合基因注释和相对表达量差异分析, 推测Glyma.18G279800和Glyma.18G280200可能与大豆的株高相关。本研究为大豆株型的改良提供了分子参考依据和遗传基础。

大豆叶片响应CO₂浓度升高、干旱及其交互作用的转录组分析

李阿立, 冯雅楠, 李萍, 张东升, 宗毓铮, 林文, 郝兴宇

作物学报. 2022, (5):  1103-1118.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14055

摘要 ( 664 )   HTML ( 35 )   PDF (6292KB) ( 379 )  

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气候变暖及大气CO₂浓度升高成为全球共识, 由此增加极端天气气候事件(干旱)发生的频率和强度并对大豆生产带来不确定性。本研究通过大豆表型和叶片转录组测序(RNA-seq)分析, 阐释CO₂浓度升高、干旱及其交互条件对大豆基因表达影响, 明确CO₂浓度升高影响大豆耐旱性的调控途径, 并在两个不同遗传背景品种中验证, 从分子水平为未来气候变化背景下大豆抗旱育种提供理论参考。表型结果表明, CO₂浓度升高促进了大豆的生长并缓解干旱胁迫的负面效应。叶片转录组测序分析共筛选到89个CO₂响应基因, KEGG分类显示这些基因主要参与抗氧化物质(萜类、黄酮类等)代谢, 同时特异性差异表达基因功能主要集中在细胞组分和生长发育方面。干旱条件下筛选的1006个差异表达(16倍)基因主要参与各类氨基酸(脯氨酸、色氨酸等)代谢途径, 绝大多数蛋白质合成与转运相关基因上调, 表明干旱胁迫下大豆叶片内物质合成交换过程加强。交互条件下筛选出的8566个差异表达基因主要参与碳水化合物代谢, 光合作用-天线蛋白途径的相关基因几乎全部下调表达, 表明交互条件下大豆光合能力下降。34个基因在3种条件下均差异表达, 这些基因主要集中在抗氧化物质(黄酮类物质、谷胱甘肽、苯丙素等)代谢方面, 且多数参与各类植物激素代谢和刺激响应。6个具有抗旱性功能的差异表达基因在两个不同遗传背景品种中的qRT-PCR结果说明RNA-seq数据准确。总之, CO₂浓度升高提高了大豆叶片抗氧化物质代谢和生长发育相关基因的表达; 干旱胁迫诱导各类氨基酸代谢和蛋白质合成途径相关基因表达; 交互条件下大豆光合能力受限, CO₂浓度升高主要通过调控激素代谢、抗氧化物质(抗氧化酶类、黄酮类、苯丙素等)代谢、碳水化合物代谢等途径提高大豆对干旱胁迫的耐受性。

OsSAMS1在水稻稻瘟病抗性中的功能研究

杨德卫, 王勋, 郑星星, 项信权, 崔海涛, 李生平, 唐定中

作物学报. 2022, (5):  1119-1128.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12022

摘要 ( 585 )   HTML ( 38 )   PDF (6096KB) ( 411 )  

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稻瘟病是水稻最重要的病害之一, 对农业生产造成巨大的经济损失。研究表明, 水稻中S-腺苷-L-甲硫氨酸合成酶OsSAMS1参与了水稻衰老相关的进程, 我们实验室前期利用转录组测序分析发现, OsSAMS1基因的表达水平受稻瘟病菌诱导后明显提高。然而, OsSAMS1是否参与水稻的免疫反应, 尚未明确。基于此, 本研究选取野生型ZH11为背景材料, 通过构建OsSAMS1基因敲除突变体来探究该基因在水稻抗病中的功能。结果表明, OsSAMS1主要在水稻叶片中表达; 且其表达明显受稻瘟病菌侵染所诱导。亚细胞定位结果显示, OsSAMS1在细胞膜、细胞质和细胞核内均有表达。通过接种稻瘟病菌发现, 与对照相比, 2个等位敲除突变体ossams1-1和ossams1-2均表现为更加感病, 且体内病程相关基因的表达也明显更低, 同时突变体中乙烯合成相关基因的表达也受到明显抑制。综上所述, OsSAMS1参与了水稻的免疫反应, 且正调控水稻稻瘟病的抗性。本研究为深入揭示OsSAMS1在稻瘟病免疫反应的分子机理奠定了基础, 并为稻瘟病抗病育种研究提供了基因资源。

水稻转录因子WRKY68在Xa21介导的抗白叶枯病反应中发挥正调控作用

朱峥, 王田幸子, 陈悦, 刘玉晴, 燕高伟, 徐珊, 马金姣, 窦世娟, 李莉云, 刘国振

作物学报. 2022, (5):  1129-1140.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12010

摘要 ( 467 )   HTML ( 23 )   PDF (3133KB) ( 499 )  

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白叶枯病是一种严重影响水稻产量的细菌性病害。Xa21是第一个克隆的抗白叶枯病基因, 具有广谱抗性, 在水稻抗病育种中被广泛应用。转录因子的鉴定对解析Xa21介导的水稻抗白叶枯病分子机制具有重要意义。本研究构建了Xa21背景下的WRKY68-RNAi转基因水稻。与受体材料4021相比, 转基因水稻中WRKY68蛋白质丰度下调, 接种白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo)后抗病性下降, 证明WRKY68基因在Xa21介导的抗白叶枯病反应中发挥正调控作用。此外, 转基因受体材料4021和感病对照TP309接种后不同时期和部位叶片中WRKY68的蛋白质丰度没有显著差异, 表明WRKY68蛋白质的表达不受抗病基因Xa21和病原物Xoo诱导, 推测其功能主要是调控下游基因的表达。WRKY68-RNAi转基因水稻接种后, PR1A、PR5、PR10A、PR-pha和PAL1等病程相关蛋白质表达丰度发生变化, 表明相关基因可能在WRKY68基因的调控下参与下游抗病反应。

基于染色体片段置换系群体检测水稻株型性状QTL

王小雷, 李炜星, 欧阳林娟, 徐杰, 陈小荣, 边建民, 胡丽芳, 彭小松, 贺晓鹏, 傅军如, 周大虎, 贺浩华, 孙晓棠, 朱昌兰

作物学报. 2022, (5):  1141-1151.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12024

摘要 ( 651 )   HTML ( 14 )   PDF (1367KB) ( 482 )  

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株型是由多个形态和生理性状集成的复合性状, 它与水稻产量密切相关。挖掘优异株型等位基因或QTL, 对水稻超高产育种具有重要意义。本研究利用籼稻昌恢121和粳稻Koshihikari构建的208个染色体片段置换系(chromosome segment substitution lines, CSSLs), 在3个环境下, 对控制株高、剑叶形态和分蘖数的QTL进行检测, 共鉴定到35个株型性状QTL, 分布于11条染色体上(除9号染色体以外), 解释表型变异2.00%~22.86%。值得关注的是qPH-1-1、qFLW-6和qFLA-3均能在3个环境下被检测到, 其中qFLW-6为1个新鉴定到的剑叶宽QTL。对qPH-1-1和qFLA-3位点进行鉴定, 验证了这2个位点等位基因的加性效应和环境稳定性。本研究为株型性状QTL的进一步精细定位、克隆及分子辅助聚合育种奠定了基础。

甘蓝S-位点基因SRK、SLG和SP11/SCR密码子偏好性分析

张以忠, 曾文艺, 邓琳琼, 张贺翠, 刘倩莹, 左同鸿, 谢琴琴, 胡燈科, 袁崇墨, 廉小平, 朱利泉

作物学报. 2022, (5):  1152-1168.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14003

摘要 ( 377 )   HTML ( 15 )   PDF (738KB) ( 554 )  

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S位点是芸薹属植物自交不亲和反应的关键位点, 控制自交不亲和反应的识别与启动。为明确甘蓝S位点基因SRK和SLG的S域和SP11/SCR编码序列密码子的使用特性, 利用Codon W、SPSS软件、Python程序和EMBOSS在线程序分析甘蓝41个SRK、36个SLG和11个SP11/SCR等位基因的偏好性, 同时通过中性绘图、ENC-GC3绘图、PR2绘图及多元统计分析探讨基因密码子偏好性形成原因, 并利用不同方法对其进行聚类分析。结果表明, 甘蓝SRK、SLG和SP11/SCR基因编码序列富含A/T, 密码子偏好以A/T碱基结尾, 偏好性较低。自然选择是影响密码子使用模式的主要因素, 突变压力为次要因素, 还受到二核苷酸丰度的影响。根据RSCU值发现, SRK和SLG基因高表现密码子有4个, SP11/SCR基因有11个。基于RSCU的聚类能够较准确地反应甘蓝SRK、SLG和SP11/SCR等位基因间的关系, 并与基于CDS核酸序列的聚类具有一致性和可靠性。根据密码子使用偏好性和聚类关系发现, SRK的S域和SP11/SCR编码序列在密码子偏好性上可能是协同进化的。这为更好理解甘蓝中密码子的分布机制和SRK、SLG和SP11/SCR基因的进化提供新内容。

芥菜型油菜BjA09.TT8和BjB08.TT8基因调节类黄酮的合成

黄伟, 高国应, 吴金锋, 刘丽莉, 张大为, 周定港, 成洪涛, 张凯旋, 周美亮, 李莓, 严明理

作物学报. 2022, (5):  1169-1180.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14058

摘要 ( 463 )   HTML ( 16 )   PDF (8553KB) ( 250 )  

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bHLH类转录因子TT8具有调控植物类黄酮合成的功能。本研究采用同源克隆法, 在芥菜型油菜紫叶芥中获得了2个TT8拷贝, 分别命名为BjA09.TT8和BjB08.TT8, 它们分别编码521和517个氨基酸。定量表达分析表明, 这2个拷贝在叶中的表达量均显著高于茎和根中, 且都响应茉莉酸(JA)信号, 在50 μmol L^-1的茉莉酸甲酯处理0.5 h后表达量均达到峰值; 利用毛状根体系过表达发现, BjA09.TT8和BjB08.TT8分别可使紫叶芥和绿叶芥菜型油菜四川黄籽的毛状根中总黄酮含量升高, 同时对类黄酮合成基因Bj.CHS的表达具有促进作用, 说明二者在功能上具有冗余性。分别在野生型拟南芥和拟南芥tt8突变体中过表达BjA09.TT8和BjB08.TT8发现, 过表达拟南芥植株叶片颜色变紫, 植株总黄酮和原花色素含量显著升高。本研究表明, BjA09.TT8和BjB08.TT8基因能够促进芥菜型油菜类黄酮的合成, 为进一步解析芸薹属植物原花色素合成的调控机制提供了参考。

青稞新基因HvMEL1 AGO的克隆和条纹病胁迫下的表达

姚晓华, 王越, 姚有华, 安立昆, 王燕, 吴昆仑

作物学报. 2022, (5):  1181-1190.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11042

摘要 ( 423 )   HTML ( 14 )   PDF (13041KB) ( 432 )  

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为筛选与青稞条纹病相关的AGO类基因, 本研究以青稞抗病品种昆仑14号和感病品种1141为材料, 从感病和正常叶片的转录组测序结果中获得一个差异表达的AGO家族新基因, 克隆验证了该基因为青稞HvMEL1 AGO。HvMEL1 AGO基因全长3462 bp, 其中蛋白质编码区(CDS, coding domain sequence)在昆仑14号和1141品种中的一致性为100%, 无内含子, 全长3161 bp, 包含一个3129 bp开放阅读框, 编码1043个氨基酸, 理论等电点为9.33, 预测蛋白分子量为115,865.58 Da。蛋白质序列分析表明, HvMEL1 AGO为亲水性的不稳定酸性蛋白, 具有高度保守的DUF1785、PAZ和PIWI结构域, 属于AGO基因家族成员。进化树分析表明, HvMEL1 AGO与大麦AGO家族中HvAGO12、HvAGO18、HvAGO1D、HvAGO1B在拟南芥AGO家族系统发育树上属于AGO1一类; 与HvAGO12的亲缘关系最近。蛋白质互作预测结果表明, 在水稻中与MEL1作用密切的已知蛋白为DCL类, 分别为DCL1、DCL2A、DCL3A、DCL3B和DCL4。半定量和定量PCR结果表明, 条纹病胁迫下, 抗病品种昆仑14号与感病品种1141的HvMEL1 AGO基因表达量显著下降; 且1141显著高于昆仑14号(P<0.01)。推测青稞HvMEL1 AGO基因在青稞抗条纹病过程中发挥重要作用。本研究为探索HvMEL1 AGO基因在青稞抗条纹病过程中的作用及调控机制奠定基础。

干旱锻炼对B73自交后代当代干旱胁迫记忆基因表达及其启动子区DNA甲基化的影响

王霞, 尹晓雨, 于晓明, 刘晓丹

作物学报. 2022, (5):  1191-1198.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13027

摘要 ( 376 )   HTML ( 11 )   PDF (1196KB) ( 360 )  

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植物可能会记住已有的逆境刺激,且这种记忆可以跨代遗传。为研究G₀代干旱锻炼对玉米B73 G₁代当代干旱胁迫记忆基因表达的影响及其启动子区DNA甲基化的影响,实验用20% PEG-6000模拟干旱条件,选取在玉米和拟南芥已知的当代均具有干旱胁迫记忆特性的6个基因为研究对象,利用qRT-PCR技术分析这些基因的表达水平变化,并进一步利用重亚硫酸盐测序PCR技术分析在2个世代中表达差异最显著基因启动子区的DNA甲基化率变化规律。结果表明：干旱胁迫上调了6个当代胁迫记忆基因的表达水平,均呈+/+模式,同当代多次干旱胁迫时表达水平变化趋势一致,且G₁代表达水平显著高于G₀代;干旱胁迫降低了GRMZM2G088396基因启动子区的甲基化水平,检测区1两个世代DNA甲基化率的降低主要由CHG和CHH甲基化水平降低造成,检测区2 DNA甲基化率的降低主要是由CG和CHH甲基化水平降低造成,G₁代2个检测区总胞嘧啶甲基化率均显著低于G₀代,说明G₀代干旱锻炼使G₁代GRMZM2G088396基因启动子区的DNA甲基化修饰产生了可遗传的变异,它可能直接参与GRMZM2G088396基因的表达。

耕作栽培·生理生化

减量施氮对带状套作大豆土壤通气环境及结瘤固氮的影响

彭西红, 陈平, 杜青, 杨雪丽, 任俊波, 郑本川, 罗凯, 谢琛, 雷鹿, 雍太文, 杨文钰

作物学报. 2022, (5):  1199-1209.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14069

摘要 ( 505 )   HTML ( 28 )   PDF (703KB) ( 397 )  

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为研究种植模式和施氮量对大豆土壤通气环境及结瘤固氮的影响, 本研究采用二因素裂区试验设计, 主区为种植模式: 大豆单作(SS)、玉米/大豆带状套作(MS), 副区为不同施氮量: 不施氮(NN: 0 kg hm^-2)、减量施氮(RN: 45 kg hm^-2)和常量施氮(CN: 60 kg hm^-2), 监测了大豆生育期内土壤的O₂含量和土壤呼吸速率的动态变化规律, 分析了各处理的土壤水稳性团聚体、容重和孔隙度差异, 探讨了大豆生育期内结瘤量、固氮能力的变化特征。2年数据结果表明, 与单作大豆相比, 带状套作大豆可提高土壤O₂含量、>2 mm粒径团聚体的百分含量、显著增加土壤孔隙度、显著增强后期土壤呼吸的速率, 显著降低<1 mm粒径团聚体百分含量与土壤孔隙度; R5期根瘤干重差异不显著, 但结瘤数量显著增加39.9%, 固氮酶活性与固氮潜力也在此时显著高于单作大豆。各施氮量间, 土壤O₂含量、0.25~1.00 mm粒径的百分含量、带状套作大豆的土壤呼吸速率以RN处理最高, 施氮能降低<0.25 mm粒径的水稳性团聚体的百分含量、土壤容重, 施氮显著抑制单作大豆前期的结瘤量、固氮酶活性和固氮潜力, 至R5期氮肥的抑制作用有所缓解, 减量施氮可提升带状套作大豆后期的结瘤量, 显著增强大豆生育期内的固氮酶活性和固氮潜力。带状套作大豆配施减量施氮会促进大团聚体的形成, 增加土壤的孔隙度, 改善大豆土壤的通气环境状况, 保持了较高的土壤O₂含量, 促进土壤呼吸, 有利于大豆后期结瘤固氮。

褪黑素与2,4-表油菜素内酯浸种对盐胁迫下荞麦发芽与幼苗生长的促进效应

雷新慧, 万晨茜, 陶金才, 冷佳俊, 吴怡欣, 王家乐, 王鹏科, 杨清华, 冯佰利, 高金锋

作物学报. 2022, (5):  1210-1221.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11040

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土壤盐渍化是影响农作物种子萌发出苗以及生长发育的重要限制因素, 探究外源激素对盐胁迫条件下荞麦种子萌发与幼苗生长的缓解作用具有重要意义。本试验以荞麦品种西农9976为材料, 采用培养皿萌发和盆栽发芽2种方法, 研究褪黑素(MT)与2,4-表油菜素内酯(EBR)浸种对不同盐浓度胁迫下荞麦种子萌发、幼苗生长、抗氧化酶活性、渗透调节物质的影响。结果表明, 盐胁迫增加了荞麦种子和幼苗叶片丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量和抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性, 降低了荞麦种子发芽势、发芽率和成苗率, 使荞麦种子胚芽长度、胚根长度和幼苗高度显著下降。MT、EBR浸种荞麦种子可有效缓解盐胁迫危害, 使荞麦种子发芽势、发芽率和成苗率较对照分别增加14.9%~33.3%、11.5%~27.3%和20.0%~46.2%, 显著提高荞麦种子胚根长度、胚芽长度、胚芽鲜重和干重、幼苗高度、幼苗鲜重和干重, 并显著增加荞麦种子和幼苗叶片中可溶性糖含量和SOD、POD、CAT活性, 降低MDA含量。综上所述, MT和EBR浸种均能通过提高荞麦种子保护酶活性、减少活性氧积累、增加渗透调节物质含量, 促进盐胁迫条件下荞麦种子发芽及幼苗生长, 提高荞麦的抗盐性。

不同施肥水平下甘蔗植株根系内生细菌群落结构特征

肖健, 陈思宇, 孙妍, 杨尚东, 谭宏伟

作物学报. 2022, (5):  1222-1234.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14060

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分析不同施肥水平下甘蔗植株根系内生细菌群落结构特征, 旨在解析不同施肥水平对甘蔗植株内生细菌群落的影响, 为挖掘和利用有益内生细菌及其功能提供理论依据。结果发现, 门分类水平, 施肥处理条件下甘蔗植株根系中放线菌门(Actinobacteria)细菌丰度占比均低于相应的不施肥处理, 但绿弯菌门(Chloroflexi)细菌丰度占比均高于不施肥处理。属分类水平, Haliangium、Acidicapsa、unclassified_f__Ktedonobacteraceae和unclassified_f__ Acidobacteriaceae_Subgroup_1是常规施肥水平(3000 kg hm^-2, H处理)条件下甘蔗植株根系特有的优势内生细菌属; 而鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)是减量施肥水平(1500 kg hm^-2, M处理)下特有的优势内生细菌属; 中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)、norank_f__BIrii41、糖霉菌属(Glycomyces)、norank_f__67-14、Reyranella、unclassified_f__ Steroidobacteraceae、unclassified_f__Xanthobacteraceae和norank_f__Roseiflexaceae、Dongia是低施肥水平处理(300 kg hm^-2, L处理)甘蔗植株根系特有的内生细菌优势菌属; 柄杆菌属(Caulobacter)、假诺卡菌属(Pseudonocardia)、诺卡氏菌属(Nocardia)、Kitasatospora、norank_f__norank_o__norank_c__Actinobacteria、Oceanibaculum和拟无枝菌酸菌属(Amycolatopsis)是不施肥水平(CK)条件下甘蔗植株根系中特有的内生细菌优势属。基因功能预测结果显示, 与不施肥处理相比, 施肥不仅影响甘蔗植株根系内生细菌群落组成, 而且影响植株根系内生细菌的代谢功能; 但不同施肥水平处理之间, 依施肥量的多少对甘蔗植株根系内生细菌群落组成影响存在显著差异。与常规施肥相比, 减量施肥(1500 kg hm^-2)处理不仅没有导致甘蔗产量显著降低, 而且没有显著改变常规施肥条件下甘蔗植株内生细菌的群落组成和代谢功能, 完全可替代常规施肥进行施肥管理。

滨海盐碱地棉花秸秆还田和深松对棉花干物质积累、养分吸收及产量的影响

闫晓宇, 郭文君, 秦都林, 王双磊, 聂军军, 赵娜, 祁杰, 宋宪亮, 毛丽丽, 孙学振

作物学报. 2022, (5):  1235-1247.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14064

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以鲁棉研36号为试验材料, 在滨海盐碱地设置常规耕作(CT)、深松(ST)、秸秆还田(SR)、秸秆还田+深松(SRT) 4个处理, 研究棉花秸秆还田和深松对棉花产量、0~40 cm土层含盐量、棉花干物质积累动态、氮(N)磷(P)钾(K)养分积累和分配特性的影响。结果表明, 秸秆还田在2年试验内均可增加棉花产量, SR产量比CT增加33.9%, SRT比ST增加32.1%; 深松在2017年增加了棉花产量, 2018年对产量无影响。秸秆还田在2年试验中均降低0~40 cm土层含盐量, SR的含盐量在棉花生育后期比CT降低22.4%, SRT的土壤含盐量比ST降低20.7%; 深松在2年试验内对20~40 cm土层含盐量的影响不一致, ST含盐量在2017年棉花生育后期比CT降低16.5%, 但在2018年深松对土壤含盐量无影响。棉花干物质和N、P、K积累动态均符合Logistic生长曲线。棉花秸秆还田后增加了棉花干物质和N、P、K的最大积累量, SR的干物质、N、P、K最大积累量比CT分别提高35.5%、38.3%、53.4%和55.0%, SRT比ST分别提高27.0%、30.7%、21.2%和42.4%; ST的干物质、N、P、K积累量在2017年比CT分别提高17.8%、22.2%、51.3%和40.6%, 但在2018年无影响。棉株干物质和养分积累动态主要受到最大积累速率和快速积累持续期的影响。秸秆还田增加了2年试验中棉花干物质和N、P、K分配到生殖器官的量及其比例, ST在2017年增加了棉花干物质和N、P、K分配到生殖器官的量, 但在2018年无影响。本研究表明, 棉花秸秆还田(SR)或秸秆还田+深松(SRT)可作为滨海盐碱棉区土壤改良和棉花高产的推荐耕作措施。

基于无人机和地面图像的田间水稻冠层参数估测与评价

王泽, 周钦阳, 刘聪, 穆悦, 郭威, 丁艳锋, 二宫正士

作物学报. 2022, (5):  1248-1261.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.02065

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田间水稻表型监测可用于分析水稻产量相关性状, 对指导水稻栽培管理以及产量预测具有重要意义。本研究以3种氮肥处理下6个不同栽培品种的水稻为研究对象, 估测并评价了水稻冠层的主要表型参数, 以探讨利用图像分析方法评价多品种及栽培环境下田间水稻长势的适用性。基于无人机和田间固定相机图像, 本研究通过图像处理、三维建模和机器学习自动测算出田间水稻冠层覆盖度、株高、穗数, 并结合实际测量结果进行了精度评价。结果表明: (1) 基于无人机图像使用决策树分类模型提取的水稻冠层图像与人工勾绘结果一致性较好(Q_seg均值为0.75, 方差为0.08), 由此计算的冠层覆盖度与人工勾绘计算的冠层覆盖度相关性较高(R²= 0.83, RMSE = 5.36%); (2) 使用冠层高度模型估测的各小区水稻株高均值与田间实测高度均值相关性较高(R²= 0.81, RMSE = 9.81 cm), 但整体呈现低估; (3) 基于地面图像使用决策树分类和形态参数过滤得到的穗数计数结果与实测穗数相关性较高(R²= 0.83, RMSE = 10.99)。总体而言, 结合图像分析算法, 应用低空无人机遥感技术高通量自动化估测水稻冠层覆盖度、株高的精度较高, 而应用地面平台进行稻穗精确识别的潜力很大, 可用于分析氮肥施用量对水稻长势指标的影响及不同品种对氮肥的响应情况, 对田间水稻表型信息的深入挖掘及实际产量预测具有重要意义。

旱地冬小麦产量、氮肥利用率及土壤氮素平衡对降水年型与施氮量的响应

郭星宇, 刘朋召, 王瑞, 王小利, 李军

作物学报. 2022, (5):  1262-1272.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11034

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研究不同降水年型施氮量对旱地冬小麦产量、氮素利用及土壤氮素表观平衡的影响, 探讨渭北旱塬旱作麦田稳产增效的最佳氮素投入量, 为高效施氮提供理论依据。田间定位施氮试验于2017—2020年连续3年在陕西合阳县开展, 以长6359为试验材料, 设置5个施氮量处理包括0、60、120、180和240 kg hm^-2 (分别以N0、N60、N120、N180和N240表示), 研究旱地冬小麦产量、氮肥利用率及土壤氮素平衡对降水年型与施氮量的响应。连续3年定位试验表明: (1) 降水年型对冬小麦产量和经济收益影响显著, 丰水年较平水年和欠水年分别增产33.6%和113.3%, 经济收益提高2~3倍以上。冬小麦氮肥回收利用率和农学效率与产量有相似的变化规律, 丰水年氮肥回收利用率和农学效率较平水年和欠水年分别提高4.7个百分点、0.6 kg kg^-1 (平水年)和11.9个百分点、2.5 kg kg^-1 (欠水年)。(2) 无论何种降水年型, 冬小麦产量、氮肥回收利用率和农学效率均随施氮量增加呈现先增加后下降的趋势。在丰水年和平水年, 均以N180处理下最高, 收获期0~100 cm土层土壤硝态氮积累分别为108.9 kg hm^-2和113.6 kg hm^-2; 在欠水年则以N120处理下最高, 收获期0~100 cm土层土壤硝态氮积累为100.8 kg hm^-2。(3) 通过最佳经济效益和最高产量来拟定氮素投入阈值, 丰水年、欠水年和平水年施氮量分别为158.9~166.5、121.2~130.0和148.1~155.7 kg hm^-2; 通过土壤氮库平衡和最高吸氮量来拟定氮素投入阈值, 丰水年、欠水年和平水年施氮量分别为166.5~190.3、109.6~147.7和153.5~198.9 kg hm^-2。综合考虑冬小麦高产高效及低土壤氮素损失下得出, 渭北旱塬丰水年、欠水年和平水年施氮量分别为158.9~190.3、109.6~147.7和148.1~198.9 kg hm^-2时, 是兼顾产量和环境效益的适宜施氮量, 可供本地区生产中参考。

研究简报

rDNA和端粒重复序列鉴定马铃薯和茄子体细胞杂种染色体丢失和融合

王海波, 应静文, 何礼, 叶文宣, 涂卫, 蔡兴奎, 宋波涛, 柳俊

作物学报. 2022, (5):  1273-1278.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14070

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植物体细胞杂交是植物种质资源创制的重要方法。体细胞杂种在原生质体再生的过程中染色体会产生非常多的遗传变异。研究体细胞杂种的染色体行为为马铃薯体细胞杂种的创制和利用提供理论基础。本研究采用rDNA和端粒重复序列作为探针进行原位杂交(fluorescence in situ hybridization), 并结合基因组原位杂交(genomic in situ hybridization), 对马铃薯和茄子体细胞杂种染色体组成和变异进行了分析。原位杂交结果表明, 体细胞杂种中存在马铃薯和茄子融合的染色体和双着丝粒染色体, 并发现部分融合染色体是由马铃薯和茄子2号染色体末端对末端融合得到的。重排的双着丝粒染色体的着丝粒一个来源于马铃薯, 一个来源于茄子。此外, 体细胞杂种中来源于茄子的5S rDNA在体细胞杂种再生及稳定的过程中全部丢失。研究结果表明马铃薯与茄子在进行体细胞杂交的过程中, 染色体是不稳定的, 容易造成融合后代出现双着丝粒和染色体重排等现象。体细胞杂种的染色体会通过染色体重排、双着丝粒、rDNA均一化等多种形式使其染色体趋于稳定。

青稞种质资源成株期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选

王兴荣, 李玥, 张彦军, 李永生, 汪军成, 徐银萍, 祁旭升

作物学报. 2022, (5):  1279-1287.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11048

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干旱是影响青藏高原青稞生产的主要因素之一, 鉴定青稞种质资源成株期抗旱性, 筛选可靠的抗旱指标, 可对抗旱青稞品种培育提供依据。本研究以238份青稞种质为材料, 于2019和2020年在甘肃省张掖市设置正常灌水和干旱胁迫2个处理, 测定青稞株高、单株穗数、单株生物量、单穗粒重、穗长、千粒重和产量, 结果表明: 采用抗旱性度量值(D值)、综合抗旱系数(CDC值)、加权抗旱系数(WDC值)分别进行成株期抗旱性综合评价。相关性分析表明,干旱胁迫对各指标的影响均达到极显著水平, 产量与株高、千粒重呈极显著正相关, 与单穗粒重呈显著正相关。频次分析表明, 各指标对干旱胁迫的敏感程度依次为株高、产量、单株生物量、单穗粒重、单株穗数、穗长和千粒重。基于D值、CDC值及WDC值的种质排序基本一致。灰色关联度分析表明, 各指标DC值与D值之间的关联度大小依次为产量、单株生物量、单穗粒重、株高、单株穗数、穗长和千粒重, 这与各指标DC值与WDC值的密切程度基本一致。逐步回归分析表明, 产量、株高、单株穗数、千粒重及单株生物量可作为青稞成株期抗旱鉴定的可靠指标, D值为适宜的抗旱评价方法。以D值为依据将供试青稞种质划分为5个抗旱等级, 筛选出紫眼窝青稞、六棱青稞、紫青稞、ZDM8125、土葫芦紫青稞等1级抗旱种质38份。研究结果为青稞抗旱品种选育和抗旱机制研究提供了重要基础材料和理论参考。

垄作沟覆地膜对旱地马铃薯光合特性及产量形成的影响

石艳艳, 马志花, 吴春花, 周永瑾, 李荣

作物学报. 2022, (5):  1288-1297.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14050

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为探讨垄作沟覆不同地膜对旱地马铃薯光合特性及产量形成的影响, 于2018—2019年在宁夏南部山区设置垄上覆盖普通塑料地膜, 沟内分别覆盖普通塑料地膜(DD)、可降解渗水地膜(DS)和麻纤维地膜(DM), 以沟不覆盖为对照(CK), 研究其对作物关键生育时期(播后60~120 d)土壤水分、马铃薯功能叶光合特性及产量形成的影响。结果表明, 现蕾期(播后60 d)不同覆盖处理可显著提高0~100 cm层土壤贮水量, 2018年以DD处理最高, 2019年以DM处理最高, 分别较CK显著提高11.2%和21.6%。马铃薯关键生育时期, 除2019年DS处理叶面积指数较CK显著提高外, 其他处理间差异均不显著; 不同覆盖处理可有效提高净光合速率和蒸腾速率, 其中在块茎膨大期(播后120 d) DM处理分别较CK显著提高30.0%和23.2%。2年块茎膨大期DD、DM和DS处理块茎干物质累积量平均分别较CK显著提高54.9%、50.0%和22.6%, 马铃薯产量平均分别较CK增产13.2%、14.1%和5.2%, 平均净收入分别增收16.3%、14.6%和4.0%, 而DS处理马铃薯产量和净收益与CK相比差异均不显著。相关分析发现, 土壤水分和净光合速率是影响马铃薯产量形成的主要因素。垄作沟覆普通塑料地膜(DD)与垄作沟覆麻纤维地膜(DM)处理均可改善现蕾期土壤水分, 从而促进马铃薯光合和产量的提高。因此, 垄作沟覆麻纤维地膜与垄作沟覆普通塑料地膜的增产增收效果相当, 具有部分替代普通塑料地膜的优势。