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    2022年 第48卷 第7期 刊出日期:2022-07-12
    • 作物遗传育种·种质资源·分子遗传学
      水稻典败型隐性核雄性不育突变体ap90的鉴定与基因定位
      陈驰, 陈代波, 孙志豪, 彭泽群, 贺登美, 张迎信, 程海涛, 于萍, 马兆慧, 宋建, 曹立勇, 程式华, 孙廉平, 占小登, 吕文彦
      作物学报. 2022, (7):  1569-1582.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12044
      摘要 ( 462 )   HTML ( 57 )   PDF (12430KB) ( 373 )  
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      通过甲基磺酸乙酯(Ethyl Methyl Sulfone, EMS)诱变籼稻恢复系中恢8015 (Zhonghui 8015, wild-type, WT)筛选获得了一个性状稳定的典败型雄性不育突变体材料abortive pollen 90 (ap90)。突变体ap90与野生型中恢8015在株高、株型、分蘖数、抽穗期等农艺性状上无显著差异, 但花药瘦小、呈淡乳黄色、花粉完全典败。花药发育不同阶段的半薄切片观察结果显示, ap90突变体内的花药壁细胞发育异常, 主要表现为绒毡层细胞降解异常, 小孢子细胞在有丝分裂阶段无法形成正常的花粉壁结构、无法完成淀粉充实过程, 最终小孢子细胞退化成细线状、花药亦无法开裂。花药和花粉外壁扫描电镜观察结果显示, 突变体ap90的花药外壁皱缩, 角质层排列更紧密; 花药内壁乌氏体形状不规则、排列紧密而混乱; 花粉细胞呈干瘪状, 花粉外壁表面的孢粉素形态异常、呈不规则排列。遗传分析表明, ap90突变性状受1对隐性核基因控制, 基因的初步定位将该突变位点定位于水稻7号染色体长臂RM21421和RM21435之间491.73 kb区间内; 进一步的Mut-Map测序分析证实该区间内LOC_Os07g22850的第2个外显子区存在1个37 bp的缺失和1处单碱基替换, 使得其编码序列发生移码、转录和翻译提前终止, 导致出现ap90中的花粉完全典败和小穗不育表型。表达模式分析结果显示, 该基因在花药中特异表达, OsAP90蛋白主要定位在内质网上。qPCR检测结果表明, ap90突变体中许多雄性不育相关基因的表达量受到了该突变位点的影响, 进一步证明OsAP90在水稻花药发育的乌氏体形成、花粉壁发育中有重要作用。

      基于转录组及WGCNA的甘蔗干旱响应调控网络分析
      李佩婷, 赵振丽, 黄潮华, 黄国强, 徐良年, 邓祖湖, 张玉, 赵新旺
      作物学报. 2022, (7):  1583-1600.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14121
      摘要 ( 516 )   HTML ( 48 )   PDF (2398KB) ( 418 )  
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      干旱是制约甘蔗产业发展的重要因素之一。前人研究表明, 斑茅具有良好的抗性基因, 可以通过远缘杂交遗传给后代。本研究以斑茅与甘蔗杂交F1代无性系YCE96-40为材料, 对苗期干旱处理0 h和24 h后的叶和根进行转录组测序分析, 比较了根和叶在转录水平上响应干旱的差异, 鉴定出21,885个(DR vs CR:10176, DL vs CL:7907)差异表达基因(DEGs), 根中差异表达基因多于叶中, 说明根对干旱胁迫响应更为剧烈。GO功能富集分析发现, 根和叶中DEGs均富集到与脱水反应相关及激素信号转导过程相关的条目, 比如“对渗透胁迫生物过程的响应”和“对缺水生物过程的反应”等。与叶不同的是, 根中大量DEGs显著富集到与细胞膜相关的条目。在根中鉴定出多个木质素相关DEGs, 表明木质素参与了根的干旱响应。通过对所有DEGs进行WGCNA分析, 共鉴定出11个基因共表达模块, 其中与干旱处理后的根显著相关有5个模块, 与干旱处理后的叶显著相关的有2个模块。进一步筛选出了26个转录因子为甘蔗干旱响应的候选转录因子, 构建了调控网络。研究结果为进一步理解甘蔗抗旱性的分子机制及甘蔗抗旱性育种提供了理论指导。

      甘蔗HTD2基因的表达特征及基因多态性分析
      李旭娟, 李纯佳, 吴转娣, 田春艳, 胡鑫, 丘立杭, 吴建明, 刘新龙
      作物学报. 2022, (7):  1601-1613.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14130
      摘要 ( 371 )   HTML ( 18 )   PDF (7328KB) ( 141 )  
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      分蘖是无性繁殖经济作物-甘蔗最重要的农艺性状之一, 挖掘分蘖关键基因用于甘蔗理想株型调控是增加品种产量的重要途径。本研究使用实时荧光定量PCR技术对前期从甘蔗中获得的与水稻分蘖关键基因HTD2高度同源的ScHTD2基因开展表达特征分析, 然后探讨其在甘蔗种质资源群体中的基因多态性情况, 筛选与分蘖性状相关的变异位点。结果显示, 该基因表达具有组织特异性, 在叶中表达最高; 腋芽萌动发育过程中, 在休眠芽中表达量最高, 随着蔗芽萌动, 开始显著下调表达, 负调控蔗芽的萌动发育; 植物激动素、生长素和独脚金内酯都能显著诱导该基因在萌动蔗芽和蔗苗分蘖芽中的表达, 结合激素处理的表型变化特征, 预示生长素和独脚金内酯诱导该基因的高表达会抑制萌动蔗芽的继续发育和延迟蔗苗的分蘖, 但植物激动素诱导的高表达并没有这种抑制效应。对从26份甘蔗种质资源中获得的520条HTD2基因组DNA克隆序列开展基因多态性分析表明, 在基因组结构上, 该基因具有2个外显子和1个内含子, 其中内含子区域变异最为丰富。从群体基因多态性看, 原始种亲本群体在外显子1和2区域表现出较高的核苷酸多样性, 而主栽品种群体在内含子区域表现出较高的核苷酸多样性。从编码区单倍型多样性来看, 原始种亲本群体间单倍型多样性最为丰富, 其次为主栽品种群体。基因选择性测验中, 原始种亲本群体受正向选择, 选择压力较大, 基因进化速度快, 而骨干亲本群体和主栽品种群体受负向选择, 向纯化方向发展。编码区单倍型演化分析表明, Hap3和Hap4处于单倍型演化的辐射中心, 属于较为原始的类型。基因编码区变异位点与分蘖率相关性检测揭示该基因有23个SNP位点和5个InDel位点不同变异类型剂量与甘蔗种质资源分蘖率呈显著相关, 变异类型剂量效应将是未来甘蔗分子辅助育种重要的关注点。研究为进一步深入解析甘蔗分蘖调控关键基因的功能作用和开发功能性标记奠定了重要基础。

      黄麻内参基因筛选及次生细胞壁合成相关基因的表达分析
      杨昕, 李玉, 刘传兵, 张力岚, 何青垚, 祁建民, 张立武
      作物学报. 2022, (7):  1614-1624.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14119
      摘要 ( 388 )   HTML ( 28 )   PDF (2757KB) ( 106 )  
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      选择合适的内参基因进行校正和标准化, 既能提高实时定量荧光PCR的准确性, 也为分析黄麻次生细胞壁合成相关基因的表达模式奠定基础。本研究通过常用的内参基因, 结合课题组已有的基因组数据和转录组数据, 初步筛选出8个内参基因(CcTUBαCcACTCcDnaJCcTUBβCcUBQCcEF1αCcUBCCcUBI)。为验证这些候选内参基因的稳定性, 以优良品种‘黄麻179’为材料, 对种子萌发后14 d的根、茎、叶进行qRT-PCR分析。经Ct值的变异系数、软件geNorm和NormFinder的综合分析, 确定表达最稳定内参基因为CcDnaJ, 最佳内参基因组合方式为CcDnaJ+CcUBQ+CcUBI。通过种子萌发后10 d下胚轴、60 d和90 d茎皮的转录组数据分析次生细胞壁合成相关基因的表达模式, 发现木质素合成基因Cc4CL1CcCCoAOMT1的表达量在种子萌发后60 d茎皮最高, 而种子萌发后90 d茎皮表现为下降; 纤维素合成酶基因CcCesA4CcCesA7CcesA8和木聚糖合成基因CcIRX8CcIRX9、CcFRA8的表达量在种子萌发后10 d下胚轴最高, 而种子萌发后60 d、90 d茎皮的表达量均有下降, 表明这些基因参与了黄麻纤维发育。以CcDnaJ+CcUBQ+CcUBI作为内参基因组合, qRT-PCR分析5个次生细胞壁合成相关基因, 即Cc4CL1CcCCoAOMT1CcCesA4CcCesA7CcesA8, 在种子萌发后7 d下胚轴和14 d茎的表达模式, 发现这5个基因在种子萌发期后14 d茎的表达量均高于种子萌发期后7 d下胚轴, 暗示着黄麻纤维的形成开始于7~14 d之间, 同时表明CcDnaJ+CcUBQ+CcUBI的内参基因组合具有实用性。

      长链非编码RNA (LncRNA)在印度梨形孢促进大麦根部生长发育中的调控作用
      郭楠楠, 刘天策, 史硕, 胡心亭, 牛亚丹, 李亮
      作物学报. 2022, (7):  1625-1634.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11043
      摘要 ( 242 )   HTML ( 16 )   PDF (8332KB) ( 127 )  
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      印度梨形孢定殖植物会促进植物生物产量提高, 其分子机制有待深入挖掘。LncRNA是一类长链非编码RNA, 在植物生长发育过程中具有重要调控作用。然而, 目前我们还不清楚大麦中LncRNA是否对印度梨形孢的定殖有响应。本研究发现, 印度梨形孢定殖大麦会诱导大麦根系迅速发育, 促进较多根分枝。采用全基因组高通量测序RNA-seq和生物信息学方法鉴定LncRNA, 发现在P. indica定殖后3 d和7 d分别有752个和932个差异表达的LncRNA, 7 d相对于3 d有70个差异表达的LncRNA。其中在P. indica定殖后3 d有375个LncRNA表达上调, 377个LncRNA表达下调; 在P. indica定殖后7 d有459个LncRNA表达上调, 473个LncRNA表达下调; 7 d相对于3 d组中, 有39个LncRNA表达上调, 31个LncRNA表达下调。qPCR验证LncRNA的表达与RNA-seq结果一致。GO和KEGG分析表明, 在P. indica定殖大麦促生过程中, 部分LncRNA参与了激素信号途径的转录调控。该工作对于进一步理解LncRNA与靶基因的相互作用以及其对靶基因的调控功能提供了新的理论基础和实验依据, 并以LncRNA为靶点, 进行作物性状改良提供新的思路和方向。

      Bna-novel-miR36421调节拟南芥株型和花器官发育的功能验证
      戴丽诗, 常玮, 张赛, 钱明超, 黎小东, 张凯, 李加纳, 曲存民, 卢坤
      作物学报. 2022, (7):  1635-1644.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14106
      摘要 ( 305 )   HTML ( 29 )   PDF (3079KB) ( 456 )  
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      MicroRNA参与油菜种子发育、胁迫响应和胚胎发育等多种生物学过程, 但其在油菜株型和花器官发育方面的报道还较少。本研究以高/低收获指数油菜中显著差异表达的Bna-novel-miR36421为对象, 通过转基因植株表型、靶基因预测、表达量和双荧光素酶报告系统等解析其调控机制。Bna-novel-miR36421与植物miR167家族成员高度同源, 可能为油菜新的miR167成员。Bna-novel-miR36421能靶向并抑制Bna.C03ARF6Bna.C06ARF8Bna.A09PATL2Bna.C03DUF581的表达。过表达拟南芥植株中, Bna-novel-miR36421的表达量显著上调, 而上述4个靶基因的拟南芥同源基因表达量极显著下降。过表达拟南芥植株株型矮小, 茎间缩短, 叶片高度卷曲; 花器官发育异常, 雌蕊膨大, 雄蕊花丝缩短, 花药不开裂, 花粉败育。推测Bna-novel-miR36421可能通过抑制Bna.C03ARF6Bna.C06ARF8Bna.A09PATL2Bna.C03DUF581基因表达, 进而对油菜株型和花器官的发育起到重要的调控作用。研究结果对解析miRNA介导的植物株型和花器官发育分子机制, 挖掘重要发育性状关键基因奠定了重要基础。

      基于WGCNA发掘谷子穗部类黄酮合成途径调控关键基因
      韩尚玲, 霍轶琼, 李辉, 韩华蕊, 侯思宇, 孙朝霞, 韩渊怀, 李红英
      作物学报. 2022, (7):  1645-1657.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14107
      摘要 ( 464 )   HTML ( 31 )   PDF (1508KB) ( 668 )  
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      类黄酮是植物重要的次生代谢物质, 在植物生长发育中发挥着重要的作用, 此外, 类黄酮具有抗氧化活性, 对人体十分有益。谷子籽粒营养丰富全面, 是一种保健型杂粮, 深受我国人民喜爱。谷子作为C4模式植物, 正在受到越来越多的关注。目前谷子籽粒类黄酮代谢及调控机制研究较少。本研究利用高类黄酮品种晋谷21 (JG21)及低类黄酮品种牛毛白(NMB)谷穗为材料, 分析JG21与NMB小穗发育不同阶段类黄酮靶向代谢组及JG21小穗发育不同阶段转录组, 结合加权基因共表达网络分析挖掘可能参与调控类黄酮代谢的转录因子, 并在不同水平的类黄酮品种中进行表达分析初步验证。结果发现, 2个品种小穗中主要富集的类黄酮组分为芹菜素、牡荆素及柚皮素, 三者共占总类黄酮含量的79%以上。类黄酮代谢基因共表达网络中包含38,921个基因, 共划分为32个模块, 其中turquoise模块、green模块及magenta模块与类黄酮代谢显著相关。利用类黄酮代谢通路差异表达基因作为关键基因筛选出与类黄酮代谢调控相关的27个转录因子家族, 并通过启动子结合基序分析筛选获得11个转录因子。Pearson相关性分析表明, 11个转录因子中有7个候选转录因子可能参与类黄酮代谢, 分别为WRKY38、MYB4a、PI、WRKY15、WRKY62、MYB46、WRKY23。以上结果为研究谷子类黄酮代谢通路转录调控机制提供了新的候选基因, 为深入揭示类黄酮代谢调控机制奠定基础。

      利用WGCNA筛选马铃薯块茎发育候选基因
      荐红举, 张梅花, 尚丽娜, 王季春, 胡柏耿, 吕典秋
      作物学报. 2022, (7):  1658-1668.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14115
      摘要 ( 395 )   HTML ( 43 )   PDF (8629KB) ( 281 )  
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      块茎是马铃薯的主要经济器官, 解析其形成和发育机制对于马铃薯高产育种具有重要意义。虽然结薯相关基因已有报道, 但仍有大量参与结薯的基因有待进一步挖掘和鉴定。随着测序技术的不断革新和发展, 转录组数据愈加丰富和繁杂, 利用加权共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)筛选特定性状、组织或发育阶段相关基因的方法被广泛应用。本研究利用WGCNA分别对马铃薯DM 1-3 516 R44 (DM)材料以及RH89-039-16 (RH)材料各15个组织器官的转录组数据进行分析, 构建共表达网络, 筛选与块茎发育相关的共表达模块。对筛选表达模块中的基因进行GO (Gene Ontology)和KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)通路富集分析。以模块中连通度前10的基因为核心基因, 用PGSC数据库和NCBI数据库进行注释, 并利用qRT-PCR进行验证。通过WGCNA分析, 在DM和RH材料中均得到13个共表达模块, 其中DM材料的Cyan模块和RH材料的Black模块与块茎显著相关。分析表明, 2个模块的基因显著富集在激素代谢、淀粉和蔗糖代谢以及细胞形成等相关过程中。此外, 在Cyan中注释到已被证实与块茎发育相关的基因StGA2ox1, 并且在共表达分析中StGA2ox1与模块中10个核心基因均相互关联。核心基因的qRT-PCR结果与RNA-Seq的结果基本一致。本研究运用WGCNA方法鉴别了2个块茎发育相关的共表达模块, 筛选出多个与块茎发育相关的候选基因, 为马铃薯高产育种奠定基础。

      马铃薯储藏期花青素变化及合成相关基因表达分析
      李洁雅, 李红艳, 叶广继, 苏旺, 孙海宏, 王舰
      作物学报. 2022, (7):  1669-1682.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14111
      摘要 ( 457 )   HTML ( 26 )   PDF (4108KB) ( 413 )  
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      目前植物花青素合成机理研究深入, 但花青素降解机制及组分变化研究鲜少。储藏过程对彩色马铃薯品质影响较大, 然而关于储藏期间马铃薯块茎中花青素含量及组分变化的规律及机制研究尚不完全清楚。本试验测定了不同储藏期间的2种彩色马铃薯的花青素含量、组分, 还原糖含量。同时, 利用qRT-RCR对花青素代谢相关基因(StPALStC4HSt4CLStF3HStDFRStUFGTStF35HStAN1StbHLH1)表达量进行分析。结果表明, 随着储藏时间延长, 花青素的总含量下降, 主要组分减少, 所有基因表达量均降低(黑金刚中StDFR例外), 变化规律与花青素的降解规律基本一致; 还原糖储藏期间缓慢升高可能影响花青素变化。本试验研究结果对彩色马铃薯储藏期间花青素含量的保持具有指导意义, 可为彩色马铃薯品种的选育及资源的合理利用提供理论参考。

      甘薯解偶联蛋白基因家族鉴定与表达分析
      陈璐, 周淑倩, 李永新, 陈刚, 陆国权, 杨虎清
      作物学报. 2022, (7):  1683-1696.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14126
      摘要 ( 364 )   HTML ( 35 )   PDF (8716KB) ( 202 )  
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      本研究旨在鉴定和分析甘薯(Ipomonea batatas (L.) Lam)解偶联蛋白(uncoupling protein, UCPs)基因家族成员, 探究其在甘薯不同组织中的表达特异性及其对低温(4℃)、高盐(NaCl)和干旱(PEG-6000)等胁迫的响应规律。结果发现, 甘薯UCP (IbUCP)含有5个家族基因, 分别将其命名为IbUCP1 (GenBank登录号为MW753000)、IbUCP2 (GenBank登录号为MW753004)、IbUCP3 (GenBank登录号为MW753001)、IbUCP4 (GenBank登录号为MW753002)和IbUCP5 (GenBank登录号为MW753003)。预测IbUCP的理论等电点为8.53~9.86, 含有261~375个的氨基酸残基; IbUCP定位于线粒体; IbUCP为亲水蛋白, 又属于线粒体载体蛋白超家族的成员, 其二级结构主要包括α-螺旋和无规则卷曲, 这与三级结构预测结果相符; IbUCP不存在跨膜螺旋结构和信号肽; IbUCP家族成员分为5个, 与三裂叶薯和牵牛花有较近的亲缘关系, 具有一定的保守性; 启动子预测发现, IbUCPs基因具有基本的转录元件以及一些信号响应元件、转录因子识别结合元件和逆境等响应顺式作用元件。表达分析显示, IbUCPs基因家族成员具有组织特异性, 其中IbUCP4在茎中表达最高, 其余IbUCPs均在块根中最高; IbUCPs基因家族成员中响应低温胁迫的有IbUCP1IbUCP4IbUCP5; IbUCPs基因家族对高盐胁迫均有响应; 在干旱的胁迫下, IbUCP1IbUCP4IbUCP5均有响应, 分别在不同的时间达到峰值。多种胁迫可调控IbUCPs的表达, 本研究为甘薯UCP基因的功能挖掘及甘薯抗逆品种筛选提供了一定的理论依据。

      大豆TGA转录因子基因GmTGA26在盐胁迫中的功能分析
      柯丹霞, 霍娅娅, 刘怡, 李锦颖, 刘晓雪
      作物学报. 2022, (7):  1697-1708.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14123
      摘要 ( 663 )   HTML ( 26 )   PDF (6101KB) ( 219 )  
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      TGA转录因子是bZIP的一个亚家族, 在病原体和非生物胁迫反应中发挥重要作用。本研究在大豆中筛选并克隆得到1个TGA转录因子家族基因GmTGA26, 同源蛋白比对表明GmTGA26具有保守的亮氨酸拉链结构域, 与野生大豆同源性最高。基因表达特性分析表明, GmTGA26在大豆中受盐胁迫诱导表达。此外, GmTGA26编码核定位蛋白并且具有转录激活活性。通过发根农杆菌介导的大豆毛根转化, 得到过表达GmTGA26的“复合体”大豆植株, 在盐胁迫条件下, 与空载体对照相比, “复合体”大豆植株生长状态更好, 丙二醛含量和相对质膜透性明显降低(P < 0.05), 而叶绿素含量和根系活力则有显著的升高(P < 0.05)。qRT-PCR结果表明, 盐胁迫条件下在大豆毛状根中过表达GmTGA26可显著上调胁迫响应基因的表达。以上结果表明, 过表达GmTGA26显著增强了“复合体”大豆植株的耐盐能力。推测GmTGA26通过调控下游一系列胁迫响应基因从而参与调控大豆盐胁迫应激反应过程。

      耕作栽培·生理生化
      基于温度带分区的中国粮食生产格局与热量资源利用效率研究
      王凯澄, 赵炯超, 韩桐, 石晓宇, 高真真, 薄晓智, 陈阜, 褚庆全
      作物学报. 2022, (7):  1709-1720.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13042
      摘要 ( 281 )   HTML ( 14 )   PDF (5419KB) ( 209 )  
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      研究并揭示粮食生产格局及自然资源利用效率变化规律, 对于合理利用资源、保障国家粮食安全和实现可持续发展具有重要意义。本文利用ArcGIS空间分析方法, 基于1985—2015年中国县域粮食生产数据和全国683个气象站点数据, 分析了基于温度带分区的中国粮食生产格局变化及热量资源利用特征。研究表明, 在1985—2015年间, 中国粮食总产的90%左右由中温带、暖温带、北亚热带和中亚热带生产, 其占比分别为18.6%、25.6%、21.6%和25.9%。30年来一熟区的粮食产量比重增加了13.8%, 而二熟区和三熟区分别下降了2.7%和11.2%。其中一熟区的中温带粮食产量占比增加了13.9%, 播种面积和单产的同步增加是中温带粮食增产的驱动因素, 而三熟区中亚热带的粮食生产占比下降了13.9%。30年来不同温度带≥10℃年积温不断增加, 南方增温趋势较北方更明显, 但是热量资源利用效率增幅低于北方, 中国粮食生产格局变化与热量资源分布间存在“错位现象”。因此, 在进行区域粮食生产布局优化和策略制定时, 需要以区域自然资源特点为基础, 分析粮食生产与资源自然匹配的协调性, 从而提高中国粮食生产的资源利用效率。

      小麦生殖发育阶段对低温的敏感性鉴定
      王娟, 刘翼, 姚丹妤, 邹景伟, 肖世和, 孙果忠
      作物学报. 2022, (7):  1721-1729.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11045
      摘要 ( 361 )   HTML ( 18 )   PDF (5207KB) ( 345 )  
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      由春季低温引发的倒春寒是严重威胁我国小麦生产安全的自然灾害之一。为准确评价倒春寒的危害程度与小麦植株发育阶段的关系, 本研究以春性品种中麦8444为试验材料, 在可控环境条件下, 比较了不同幼穗分化发育阶段的小麦遭受低温后的冻害症状和生长发育情况。结果表明, 小麦植株发育叶龄和幼穗分化阶段存在一定的对应关系。小麦植株的茎和叶片受冻害的程度随着温度降低和发育进程而呈现加重趋势, 株高、穗长和结实率随着温度降低和发育进程而呈现降低趋势。二棱末期(S2.25)至小花原基分化期(S3.5)、药隔期(S5)至柱头羽毛突起期(S7)是幼穗发育过程中对低温敏感性发生明显变化的两个阶段。综合茎、叶、穗等器官对低温的耐受性, 减数分裂期可以更全面地评价小麦的倒春寒抗性水平。

      穗肥氮素用量与结实期遮光复合作用对常规粳稻品质的影响
      陶钰, 姚宇, 王坤庭, 邢志鹏, 翟海涛, 冯源, 刘秋员, 胡雅杰, 郭保卫, 魏海燕, 张洪程
      作物学报. 2022, (7):  1730-1745.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12039
      摘要 ( 332 )   HTML ( 23 )   PDF (445KB) ( 275 )  
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      氮素穗肥用量和结实期遮光可通过影响叶片光合和植株氮营养状况对水稻籽粒碳氮代谢能力产生调节作用, 从而形成不同特征的稻米品质。为探明氮素穗肥用量与结实期遮光复合作用对常规粳稻品质的影响, 于2019—2020年以生育期相近的常规粳稻淮稻5号、南粳9108和扬农香28为材料, 设置40.5 kg hm-2 (N1)、81.0 kg hm-2 (N2)、121.5 kg hm-2 (N3) 3个氮素穗肥用量处理, 并于抽穗至成熟期采用人工遮阴方式控制水稻冠层光照, 包括100%自然光照(S0)和50%自然光照(S50)处理, 研究了结实期不同光氮处理组合对稻米品质的影响效应。结果表明: 糙米率、精米率、整精米率在S0条件下随氮素穗肥用量的增加呈先升后降趋势, 在S50条件下呈下降趋势, 其中S0N2处理的整精米率最高, 加工品质较好; 垩白粒率和垩白度均呈S50N3 > S50N2 > S50N1 > S0N3 > S0N2 > S0N1的趋势, 且穗肥氮素用量的增加和结实期遮光对稻米提高垩白粒率和垩白度具有累加作用。穗肥氮素用量增加和结实期遮光均降低直链淀粉含量和胶稠度, 提高蛋白质含量, 其中谷蛋白的变异系数高于其他蛋白组分。穗肥氮素用量增加和结实期遮光不利于稻米食味值评分, 不同品种的食味特征值对食味值评分的直接影响有差异。水稻淀粉的峰值黏度、崩解值随穗肥氮素用量增加和结实期光照强度下降而降低, 消减值则上升, 光氮复合作用增加了上述指标的差异。在穗肥氮素用量与结实期遮光复合作用下从直链淀粉含量和蛋白质含量比值趋势性变化来分析, 结实期植株碳氮代谢能力强弱发生了变化。直链淀粉含量和蛋白质含量均与稻米食味值评分呈极显著的负相关关系, 其中蛋白质的相关系数更大。因此, 适量减施氮素穗肥有利于水稻结实期遭遇寡照后的稻米加工品质、外观品质及蒸煮食味品质提升, 并且降低直链淀粉含量特别是蛋白质含量可能是提升稻米食味的有效途径, 以期为优质水稻丰产调优栽培技术的更新提供依据。

      基于无人机平台多模态数据融合的小麦产量估算研究
      张少华, 段剑钊, 贺利, 井宇航, 郭天财, 王永华, 冯伟
      作物学报. 2022, (7):  1746-1760.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11053
      摘要 ( 445 )   HTML ( 17 )   PDF (7779KB) ( 215 )  
      数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

      作物产量估测关系到人民生活质量和国家粮食安全问题, 在田块尺度下及时准确估算产量, 对于农事操作管理、收获、销售及种植计划制定均具有重要意义。选择地势起伏及空间差异较大的农田为研究区, 利用低空无人机遥感平台搭载多光谱相机、热红外相机和RGB相机, 同步获取小麦关键生育时期的无人机遥感影像, 并提取光谱反射率、热红外温度和数字高程信息。首先统计不同地形特征下遥感参数和生长指标的空间变异情况, 分析植被指数和温度参数与小麦产量的相关性, 然后利用多元线性回归(multiple linear regression, MLR)、偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)、支持向量机回归(support vector machine regression, SVR)和随机森林回归(random forest regression, RFR) 4种机器学习方法以单模态数据和多模态遥感信息融合2种方式进行建模, 比较单模态数据和多模态数据融合的产量估测能力。结果表明, 坡度是影响作物生长和产量的重要因子, 3个生育期内, 不同坡度等级下遥感参数差异明显, 土壤含水量、植株含水量和地上部生物量与坡度的相关性均达显著水平, 植被指数和温度参数与产量的相关性均达显著水平。依据与产量的相关性, 筛选7个植被指数(NDVI、GNDVI、EVI2、OSAVI、SAVI、NDRE、WDRVI)和2个温度参数(NRCT、CTD)作为模型输入变量, 对于单模态数据而言, 对产量的估算效应为植被指数 > 温度参数, 以灌浆期植被指数的RFR模型效果最好(R2=0.724, RMSE=614.72 kg hm-2, MAE=478.08 kg hm-2); 对于双模态数据融合来说, 在植被指数基础上融入冠层温度参数表现最好, 开花期RFR模型效果进一步提高(R2=0.865, RMSE=440.73 kg hm-2, MAE=374.86 kg hm-2); 在双模态数据基础上引入坡度信息进行三模态数据融合, 其产量估算效果明显优于单模态和双模态数据融合, 其中以开花期植被指数、温度参数和坡度信息融合的RFR估算效果最好(R2=0.893, RMSE=420.06 kg hm-2, MAE=352.69 kg hm-2), 模型验证效果较好(R2= 0.892, RMSE=423.55 kg hm-2, MAE=334.43 kg hm-2)。可见, 在本试验条件下通过引入地形因子, 结合随机森林回归算法将多模态数据有效融合, 可充分发挥不同遥感信息源之间互补协同作用, 有效提高了产量估算模型的精度与稳定性, 为作物生长监测及产量估算提供思路参考和方法支持。

      不同镉积累类型小麦各器官镉积累分布规律及机理分析
      冯亚娟, 李廷轩, 蒲勇, 张锡洲
      作物学报. 2022, (7):  1761-1770.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11046
      摘要 ( 341 )   HTML ( 14 )   PDF (461KB) ( 346 )  
      数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

      探讨镉(Cd)低积累小麦不同器官Cd积累分配特性, 有助于明晰其籽粒Cd低积累机制, 对培育Cd安全小麦品种具有重要意义。通过盆栽试验, 研究了不同Cd积累类型小麦生育后期不同器官Cd积累分配特征, 并探讨节点I和颖壳滞留Cd的部分生理机制。结果表明, 不同Cd积累类型小麦成熟期不同部位Cd积累分配存在较大差异, 绵麦37节点I和颖壳Cd含量显著高于抗锈3816, 灌浆期到成熟期是绵麦37节点I和颖壳Cd积累的关键时期。Cd处理下, 不同Cd积累类型小麦节点I和颖壳亚细胞Cd分配比例均是细胞壁最大, 占70%~80%。绵麦37节点I可溶部分分配比例为18%, 抗锈3816为15%; 而绵麦37颖壳可溶部分分配比例为19%, 是抗锈3816的2.7倍, 绵麦37节点I和颖壳将更多的Cd分配在可溶部分。灌浆期, 两类小麦节点I谷胱甘肽(GSH)含量无显著差异, Cd处理下绵麦37节点I中植物螯合肽(PC)1和PC2的含量显著低于抗锈3816, PC3和PC4的含量显著高于抗锈3816, 而绵麦37颖壳中GSH、PC1、PC2、PC3、PC4含量均显著高于抗锈3816。节点I和颖壳的细胞可溶部分对Cd的固定作用和非蛋白巯基的大量合成是绵麦37籽粒Cd低积累的关键环节, 进一步探讨小麦关键器官对Cd的滞留机理对明晰小麦籽粒Cd积累机制具有重要意义。

      覆膜和补施氮肥对晚播冬小麦冬前植株生长及群体质量的影响
      刘阿康, 马瑞琦, 王德梅, 王艳杰, 杨玉双, 赵广才, 常旭虹
      作物学报. 2022, (7):  1771-1786.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11057
      摘要 ( 414 )   HTML ( 20 )   PDF (780KB) ( 219 )  
      数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

      为解决我国北部冬麦区因播期推迟造成越冬前小麦苗情较弱的实际问题, 于2019—2021年在中国农业科学院北京试验基地进行晚播试验, 设3个播期: 10月5日适期播种(S0)、10月15日适当晚播(S1)、10月25日过晚播(S2), 以S0为对照, 对晚播S1、S2采取覆膜和补施氮肥的调控措施, 研究覆膜和补施氮肥对晚播小麦冬前群体质量、个体性状以及茎蘖生长的影响。结果表明: 晚播不利于小麦冬前群体和个体质量的形成, 以及茎蘖的生长。晚播覆膜增温可提高冬前群体总茎数, 与不覆膜处理相比, 适当晚播和过晚播覆膜处理提高了小麦冬前群体生长率和相对生长率, 群体总茎数平均分别提高42.9%、148.4%; 植株冬前叶龄增加, 个体分蘖数平均分别增加1.6个和2.0个; 覆膜增温延长主茎上第1分蘖至第3分蘖营养生长进程, 提高苗期茎叶、分蘖节、根部可溶性糖含量以及叶片中生长素与玉米素核苷的比值(IAA/ZR), 增加冬前群体总茎数。对各处理进行晚播苗情评价可得出, 适期播种条件下均有利于2个不同分蘖力品种冬前群体综合质量的提高, 其中, 多穗型品种中麦8号在晚播覆膜条件下其晚播苗情较好, 大穗型品种航麦501则在适当晚播无调控措施、适当晚播+补施氮肥、适当晚播+覆膜和过晚播+覆膜条件下其晚播苗情较好, 同时2个不同分蘖力品种在晚播条件下对覆膜增温的响应存在差异。中麦8号在适期播种或晚播覆膜条件下更有利其冬前群体综合质量的提升, 而航麦501在适期播种、适当晚播和过晚播覆膜条件下均有利于其晚播苗期质量的提高。补施氮肥则对晚播小麦冬前群体质量、个体性状和茎蘖生长无明显调控效应。综上所述, 在晚播条件下, 覆膜可有效改善小麦冬前群体和个体的综合质量, 进一步促进茎蘖的生长。

      黑龙港平原基于麦-玉复种的两年轮作模式农田水分消耗特征研究
      赵影星, 王彪, 刘晴, 宋彤, 张学鹏, 陈源泉, 隋鹏
      作物学报. 2022, (7):  1787-1779.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11030
      摘要 ( 352 )   HTML ( 14 )   PDF (656KB) ( 220 )  
      数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

      为解决黑龙港平原地下水漏斗区传统冬小麦-夏玉米(简称麦-玉)一年两熟模式的水粮矛盾问题, 设计“一年传统麦-玉模式+一年轮作其他作物”的2年节水稳粮型轮作系统, 试图寻找适合该区域的节水稳粮型绿色种植制度。于2018年10月—2020年9月在河北吴桥地区开展田间试验, 以冬小麦-夏玉米一年两熟模式为对照, 设置春玉米→麦-玉、冬小麦→麦-玉、春甘薯→麦-玉、春花生→麦-玉、冬小麦-夏花生→麦-玉、马铃薯-青贮玉米→麦-玉6个处理, 分析各轮作模式的农田耗水特征。结果表明: (1) 相比对照, 除冬小麦-夏花生→麦-玉外, 不同轮作模式的年均耗水量可减少3.1%~15.2%。春玉米→麦-玉、马铃薯-青贮玉米→麦-玉、春花生→麦-玉和春甘薯→麦-玉模式轮作周期内年均耗水量较对照模式分别减少6.1%、7.2%、9.2%和15.2%, 4种模式的年均地下水净消耗量也较对照模式分别减少9.0%、10.3%、16.2%和32.9%; (2) 不同耗水层次的作物搭配可以在空间上实现水分互补。冬小麦作物主要消耗0~160 cm土层土壤水分, 其含水量相较于播种时减少了20%, 马铃薯作物主要消耗0~100 cm土层土壤水分, 其含水量相较于播种时减少了12%, 春花生作物主要消耗20~80 cm土层土壤水分, 其含水量相较于播种时减少了4%; (3) 部分轮作模式可以减少对灌溉水的需求, 同时有利于土壤水分的固持。2019轮作年, 春玉米→麦-玉和春花生→麦-玉模式在模式灌溉量分别比对照减少145 mm和175 mm的情况下, 2 m土壤贮水量较轮作年起始增加了27.2 mm和12.6 mm, 而麦-玉复种模式在灌溉量为300 mm的情况下, 2 m土壤贮水量较轮作年起始消耗了18.4 mm; (4) 部分轮作模式具有较好的经济水分利用效率, 达到对照的1.2~1.5倍。春花生→麦-玉和冬小麦-夏花生→麦-玉模式经济水分利用效率显著高于对照模式, 分别为对照的1.5倍和1.2倍。综合农田水分利用特征与经济水分利用效率, 春花生→麦-玉、春甘薯→麦-玉、马铃薯-青贮玉米→麦-玉和春玉米→麦-玉2年轮作模式降低了农田耗水量, 同时保持并提高经济水分利用效率, 可作为部分替代连年冬小麦-夏玉米两熟模式的参考模式。

      基于耐低氮综合指数的棉花苗期耐低氮品种筛选
      祝令晓, 宋世佳, 李浩然, 孙红春, 张永江, 白志英, 张科, 李安昌, 刘连涛, 李存东
      作物学报. 2022, (7):  1800-1812.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14085
      摘要 ( 323 )   HTML ( 19 )   PDF (2185KB) ( 190 )  
      数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

      在棉花生产中, 氮肥的过量施用, 不仅增加了生产成本, 还造成了氮肥的大量流失, 对环境造成了破坏。筛选耐低氮棉花品种是解决该问题的有效途径之一。本研究以21个在我国各大棉区主栽的棉花品种为试验材料, 采用苗期土培的方式, 设置正常氮(138 mg kg-1)和低氮(0 mg N kg-1) 2个处理, 测定了23个农艺性状, 采用主成分分析、模糊隶属函数、聚类分析、相关性分析评价各品种的耐低氮能力。结果表明, 所测定的大部分性状的变异系数均大于10%, 说明所选择品种具有很好的代表性。根据主成分分析和相关性分析得出作为棉花低氮耐受性评价的7个性状, 分别为根长、根表面积、根体积、地上部干重、总干重、实际光化学效率、最大光化学效率。根据耐低氮综合指数, 筛选出鲁无403、新海12号、中棉所64号、新陆早23号4个耐低氮品种, 丰抗棉1号、TM-1、农大棉601、中棉所35、新陆早53号5个低氮敏感型品种。4个耐低氮品种的耐低氮综合指数介于0.5723~0.6818, 而5个低氮敏感型品种的耐低氮综合指数介于0.2914~0.3962。本研究提出的基于耐低氮综合指数的筛选方法, 为作物耐低氮品种的筛选提供了新的借鉴。

      研究简报
      水稻产量相关性状的全基因组关联分析及候选基因筛选
      杨飞, 张征锋, 南波, 肖本泽
      作物学报. 2022, (7):  1813-1821.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12047
      摘要 ( 564 )   HTML ( 39 )   PDF (4541KB) ( 959 )  
      数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

      水稻是最重要的粮食作物之一, 培育高产稳产的水稻品种对于维护粮食安全至关重要, 对产量相关性状的遗传解析是提高水稻产量的基础。本文从“3000份水稻核心种质重测序项目” (3K Rice Genome Project)中挑选生育期较为一致的226份核心种质资源材料考察生育期(rice growing period, RGP)、株高(plant height, PH)、有效穗数(effective panicle number, EPN)、穗长(panicle length, PL)、穗着粒密度(spikelet density, SD)、结实率(seed setting rate, SSR)、千粒重(thousand grains weight, TGW)、单株产量(yield per plant, YP)、每穗颖花数(spikelet per panicle, SP)、每穗实粒数(grains per panicle, GP) 10个主要农艺性状, 结合2429 kb的高密度基因型数据进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)。共定位到显著相关位点43个, 除了qRGP7.2qPH12qPL6.2qSD6.2qTGW1.1qGP1qGP5.2 7个QTLs以外, 其余36个QTL为本研究中定位到的新位点。此外, 本研究利用单核苷酸位点功能评估的方式筛选到6个主要农艺性状相关候选基因。分别为株高相关基因LOC_Os12g18760、有效穗数相关基因LOC_Os03g33530、穗长相关基因LOC_Os06g30940、千粒重相关基因LOC_Os01g49810、单株产量相关基因LOC_Os09g25260、穗着粒密度和每穗颖花数相关基因LOC_Os09g32620。本研究结果将为水稻产量遗传改良提供理论参考与重要基因资源。

      再生稻头季和再生季稻米重金属含量的比较研究
      袁珅, 彭少兵
      作物学报. 2022, (7):  1822-1831.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12021
      摘要 ( 391 )   HTML ( 21 )   PDF (2130KB) ( 405 )  
      数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

      稻米镉(Cd)和砷(As)污染已经引起了广泛的关注。再生稻种植面积逐渐扩大并且越来越受农民的欢迎。但是, 目前关于再生稻稻米重金属污染的研究还很少。因此, 本研究目的是分析再生稻稻米Cd和As含量并比较稻米Cd和As含量在头季和再生季之间的差异。该研究于2016年在湖北省12个主要再生稻种植地区进行, 在每个采样点选取3块有代表性的农民种植的再生稻田块, 取样并测定头季和再生季稻米Cd和As元素的含量。与头季相比, 再生季稻米Cd含量在5个采样点显著增加, 在3个采样点显著降低, 在其他4个采样点没有显著变化。与稻米Cd含量表现不同的是, 再生季稻米As含量在12个采样点中均显著低于头季。在12个采样点中, 再生季稻米As含量为68.6~147.4 μg kg-1, 比头季稻米As含量低36.5%~77.4%。值得注意的是, 在所有采样点中, 再生季稻米As含量都低于国家规定的稻米As限量标准(GB2762-2012)。试验结果表明, 在再生稻生产中不管是头季还是再生季都有可能出现稻米重金属污染的问题, 因此关于品种、环境、栽培管理特别是水分管理及这些因素的互作效应对再生稻稻米重金属含量的影响还需要更多的研究, 从而为应对稻米重金属污染问题提供理论依据。

      水稻叶片早衰突变体ospls7的生理特性及其基因定位
      黄福灯, 黄妍, 金泽艳, 贺焕焕, 李春寿, 程方民, 潘刚
      作物学报. 2022, (7):  1832-1842.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12028
      摘要 ( 304 )   HTML ( 12 )   PDF (4730KB) ( 176 )  
      数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

      衰老是叶片发育的最后阶段, 但叶片, 尤其是功能叶, 早衰将影响作物的产量与品质, 因此, 研究叶片早衰的分子生理机制对培育耐早衰优良品种具有重要意义。通过60Co-γ辐射诱变旱稻Monolaya获得一个稳定遗传的叶片早衰突变体ospls7, 本文对其形态、叶片衰老生理特征、茎节细胞特性以及衰老性状遗传与基因定位等方面进行了研究。大田条件下, 突变体ospls7叶片早衰性状始于三至四叶期幼苗, 主要表现为: 叶尖及中上部叶边缘黄色褐化并最终枯萎, 成熟期穗长和各茎节长度均极显著短于野生型对照, 最终导致植株矮化。究其原因, 可能是由于突变体茎节细胞变短。叶片衰老生理结果表明, 与野生型对照相比, 孕穗期突变体ospls7倒二叶和倒三叶的叶绿素总含量、净光合速率、可溶性蛋白、过氧化氢酶活性均极显著降低, 致使其叶片中H2O2大量累积并引起丙二醛含量急剧增加。同时, 孕穗期突变体ospls7剑叶、倒二叶和倒三叶的内源ABA含量均极显著高于野生型对照, qRT-PCR结果证实ABA大量累积的原因在于ABA合成基因OsNCED3OsAAO3显著上调, 而其代谢基因OsABA8ox2OsABA8ox3则显著下调。遗传分析结果表明, 突变体ospls7的叶片早衰性状受单隐性核基因调控, 进一步利用图位克隆技术将该基因定位于10号染色体的InDel标记ID74-33/34和SSR标记RM25040之间, 物理距离为207 kb, 这些结果为最终克隆OsPLS7基因并研究其功能奠定了基础。

      基于高通量测序技术的转基因玉米GM11061分子特征研究
      杨迎霞, 张冠, 王梦梦, 陆国清, 王倩, 陈锐
      作物学报. 2022, (7):  1843-1850.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13043
      摘要 ( 327 )   HTML ( 23 )   PDF (5654KB) ( 151 )  
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      鉴定外源DNA片段在受体基因组中的插入位点、整合序列与拷贝数信息是转基因植物安全评价体系的关键环节。传统的转基因植物分子特征鉴定技术繁杂费力、耗时低效且具有一定的局限性。本研究利用基因组重测序技术与实验室自建的数据分析流程, 针对转基因玉米GM11061开展了分子特征鉴定研究, 结果表明: 外源DNA片段仅插入受体基因组一个拷贝, 位于5号染色体198,621,57~198,621,620 bp之间, 不含载体骨架序列, 并通过Sanger测序验证了其上下游结合位点。测序数据量梯度分析显示, 最低~5×的重测序原始数据可实现该整合位点的鉴定。本研究证实Illumina高通量测序技术与配套的数据分析方法结合可实现简易、快速、精准的植物分子特征鉴定研究。本研究结果有助于植物功能基因组学基础研究, 同时也为转基因安全评价体系的完善提供技术支撑。

主管:中国科学技术协会
主办:中国作物学会
   中国农业科学院作物科学研究所
   中国科技出版传媒股份有限公司
出版:科学出版社
主编:万建民
副主编:陈晓亚 杨建昌 张献龙 王建康
    徐明良 刘春明 王道文 孙传清
    丁艳锋 金危危 储成才 程维红
编辑部主任: 闫春玲
国内统一刊号:CN 11-1809/S
国际标准刊号:ISSN 0496-3490
国内邮发代号:82-336

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  • 2013年创刊
  • SCIE 收录
  • ScienceDirect上开放获取

主编:万建民
CN 10-1112/S
ISSN 2095-5421, 2214-5141(online)
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