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2022年 第48卷 第8期 刊出日期：2022-08-12

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综述

应用分子标记技术改进作物品种保护和监管

徐云碧, 王冰冰, 张健, 张嘉楠, 李建生

作物学报. 2022, (8):  1853-1870.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.23001

摘要 ( 831 )   HTML ( 72 )   PDF (834KB) ( 849 )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

植物品种保护是植物品种知识产权的重要组成部分。品种特异性、一致性和稳定性(distinctness, uniformity, and stability, DUS)检测和实质性派生品种(essentially derived variety, EDV)评价是植物品种保护中的2个重要概念。DUS-EDV评价经历了从形态性状和系谱为主过渡到了综合利用形态、系谱和分子标记信息的阶段, 并将发展到以分子检测为主的阶段。分子标记的主要类型也从RFLP发展到SSR和SNP。基于靶向测序-液相捕获的芯片技术, 具有分析成本低、标记组配灵活、适合用于不同植物的DUS-EDV评价。利用分子标记检测进行DUS-EDV评价有2个重要策略, 一是在全基因组范围内进行全局性的比较和分析, 二是利用与重要表型有关的功能位点特异性进行局部性、特异性检测。应该针对DUS和EDV分别建立各自的评价标准。DUS可以根据分子标记提供的特殊指纹图谱、单倍型、特有等位基因、特异基因组区段、特异功能标记、最低遗传纯合度、品种内单株间的遗传差异作出判断。EDV的主要评价指标是利用全基因组均匀分布的高密度标记所获得的材料间的遗传相似性, 而不是差异的标记数。所采用的分子标记的数量和基因组覆盖率是决定分子检测效率和可靠性的关键。利用少量标记所获得的品种比较具有较大的抽样误差。区别EDV和非EDV品种的相似性指标可因作物物种和所需要的品种保护水平而异。本文回顾了世界各国主要的作物品种保护实践, 建议在利用分子标记保护品种知识产权和监管品种中, 建立由各方面专家组成的咨询委员会, 根据分子检测技术的发展和功能标记的开发, 不断完善和加强DUS-EDV评价体系, 建立权威的品种保护数据库系统, 有序提供查询和比对服务, 以鼓励种业创新。

玉米密植光合生理机制及应用途径研究进展

郭瑶, 柴强, 殷文, 范虹

作物学报. 2022, (8):  1871-1883.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13024

摘要 ( 926 )   HTML ( 79 )   PDF (767KB) ( 1421 )  

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在有限土地面积上生产足够粮食保证粮食安全, 关键在于提高单产。密植作为提高玉米单产的重要农艺措施, 适度增加种植密度, 其群体光合速率不受影响甚至有所提高, 进而可以增加单产。揭示玉米密植光合生理学机理, 是当前提高单产的重点研究方向。密植致使玉米光合特性发生改变, 调控限制光合生理因子是有效促进玉米密植增产的关键所在, 而挖掘密植增产的光合生理学潜力是玉米密植生理学基础, 在保障粮食安全中发挥着重要作用。因此, 本文基于前人研究成果, 重点综述了光合生理研究方法与思路变迁, 国内外玉米适应密植的光合生理响应和相关农艺调控途径研究现状, 为光合生理研究提供理论基础与技术方法。围绕未来玉米密植生产对科技的需求, 依据现代科技的发展趋势, 我们认为, 传统研究方法必须结合分子生物学技术挖掘光合潜力或缩小实际与理论光合速率之间的差距以实现高光效是未来玉米密植研究的主要目标。探讨光合生理功能基因差异表达对栽培措施的响应作为今后研究的重点之一, 明确农艺措施与密植玉米光合相关基因表达信息的联系与互作关系, 通过农艺栽培措施与分子生物学技术融合挖掘玉米密植增产的光合生理潜力, 为玉米密植增产提供光合生理理论和实践支撑。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

野生大豆染色体片段代换系群体中与百粒重关联的野生片段及其候选基因

刘成, 张雅轩, 陈先连, 韩伟, 邢光南, 贺建波, 张焦平, 张逢凯, 孙磊, 李宁, 王吴彬, 盖钧镒

作物学报. 2022, (8):  1884-1893.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14140

摘要 ( 470 )   HTML ( 35 )   PDF (3578KB) ( 424 )  

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一年生野生大豆是栽培大豆的祖先, 在长期驯化改良过程中, 百粒重逐渐增大, 阐明该变化的遗传基础, 对大豆的进化研究与品种改良具有重要意义。为了解析大豆百粒重驯化的遗传基础, 本研究以177份全基因组重测序的野生大豆染色体片段代换系(SojaCSSLP5)为材料, 通过3个不同环境的表型评价, 检测到13个与大豆百粒重相关的野生染色体片段, 均具有减小大豆百粒重的加性效应, 变幅为-0.49~ -1.19 g, 这与野生大豆具有较小百粒重相符。检测到的这些野生染色体片段分布在大豆11条染色体上, 可以解释76.70%的表型变异, 单个片段表型贡献率变幅为2.45%~15.14%。其中片段Gm03_LDB_15和Gm12_LDB_46的贡献率超过10%, 为大豆百粒重由野生向栽培进化的大效应片段。结合双亲栽培大豆南农1138-2和野生大豆N24852的转录组数据和基因组数据, 在这些区段内共预测到13个百粒重候选基因, 涉及以下调控植物种子大小的途径: 泛素蛋白激酶调控途径、G蛋白信号途径、裂原活化蛋白激酶途径、植物激素途径、转录调控因子途径和HAIKU途径。与前人利用栽培大豆的研究结果相比, 本研究检测到13个大豆百粒重相关野生染色体片段中有4个片段是新检测到的, 表明有9个野生染色体片段可能为野生大豆传递给栽培大豆的共享片段, 而这4个新检测到的野生染色体片段相对应栽培片段可能为栽培大豆特有的进化片段。

基于三维模型重构的花生网纹厚度性状QTL分析

张胜忠, 胡晓辉, 慈敦伟, 杨伟强, 王菲菲, 邱俊兰, 张天雨, 钟文, 于豪諒, 孙冬平, 邵战功, 苗华荣, 陈静

作物学报. 2022, (8):  1894-1904.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14114

摘要 ( 504 )   HTML ( 23 )   PDF (10984KB) ( 180 )  

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荚果网纹厚度, 不仅是花生重要的品种特性, 也与花生适宜机械化收获特性密切相关。为探索花生荚果网纹厚度遗传基础, 本研究开发了一种基于三维模型重构测定网纹厚度的方法, 并且以品种花育36号和品系6-13配组衍生的181个重组自交系(recombinant inbred line, RIL)群体为材料, 考察了该RIL群体2019—2020年在山东青岛、东营和威海3个环境下表型数据。结果表明, 横向和纵向网纹厚度在RIL群体中均表现为连续分布和超亲遗传, 广义遗传率分别为0.92和0.91。利用前期构建的高密度遗传图谱, 共定位到11个与网纹厚度相关加性QTL, 其中6个与横纹厚度相关, 5个与纵纹厚度相关, 表型贡献率范围为5.21%~11.06%。定位到2个主效位点qLA2和qLO9, 可在不同环境下表达, 其增效等位基因分别来自花育36号和6-13。共定位到22对上位性QTL, 共涉及34个位点, 表型贡献率范围为0.55%~4.37%, 其中10对与横纹厚度相关, 12对与纵纹厚度相关。本研究结果将为花生相关性状基因定位和分子育种提供重要的参考。

小麦顶端小穗退化突变体asd1基因定位

杜启迪, 郭会君, 熊宏春, 谢永盾, 赵林姝, 古佳玉, 赵世荣, 丁玉萍, 宋希云, 刘录祥

作物学报. 2022, (8):  1905-1913.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11069

摘要 ( 524 )   HTML ( 39 )   PDF (5389KB) ( 385 )  

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穗粒数是小麦产量三要素建成的关键因子, 深入挖掘穗部发育调控基因有助于培育高产小麦品种。以小麦品种京411为野生型, 经EMS诱变获得了表型稳定的小穗退化突变体asd1 (apical spikelet degeneration 1)。该突变体表现顶端小穗明显退化, 穗长缩短了约40%, 结实小穗数减少了约35%, 穗粒数显著减少了54%, 同时株高也明显降低。利用京411×asd1遗传群体的F₂和F₃代表型数据分析表明, 顶端小穗退化性状受1对主效隐性基因控制。采用混合群体分离分析法(BSA), 结合测序所得SNP位点, 在7A染色体上开发了7个KASP标记, 将目标突变基因定位在7A染色体短臂9.91 Mb物理区间内, 遗传距离为17.62 cM, 推断该区段存在一个新的控制小麦花器官发育及穗部形态发育的重要基因。本研究所鉴定的小麦穗发育控制区段有助于深入解析小麦小穗形成的遗传基础, 为进一步揭示小麦产量形成的分子机理提供突变基因。

中国谷子名米品种遗传多样性与亲缘关系研究

王蓉, 陈小红, 王倩, 刘少雄, 陆平, 刁现民, 刘敏轩, 王瑞云

作物学报. 2022, (8):  1914-1925.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14167

摘要 ( 601 )   HTML ( 22 )   PDF (5394KB) ( 329 )  

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中国是谷子的起源地, 历史上的四大传统名米分别为沁州黄、桃花米、龙山小米和金谷米, 由于其具有良好的商品与食用品质特征, 曾被选为皇家贡米。为探究谷子四大名米的遗传多样性以及与同名品种间的亲缘关系, 本研究利用46对SSR标记和22对SRAP标记分别对四大名米及其同名品种共l79份材料的遗传差异进行分析。SSR结果表明, 材料间遗传距离为0.0435~0.6304, 平均0.3267, PIC为0.2406, 等位基因频率为0.7845, 遗传多样性为0.2968; 基于UPGMA将179份资源聚为10个群组, 聚类与其来源有一定相关性; 基于Structure和主成分分析均可将材料分为3个类群。SRAP结果表明材料间遗传距离为0.1818~0.9545, 平均为0.6001, PIC为0.5257, 等位基因频率为0.5718, 遗传多样性为0.5688; 基于UPGMA将179份材料分为14个类群; 基于Structure和主成分分析均可将材料分为3个类群, 类群间界限清楚, 类群划分与其来源一致。

小麦籽粒大小相关基因TaGS2克隆及功能分析

王沙沙, 黄超, 汪庆昌, 晁岳恩, 陈锋, 孙建国, 宋晓

作物学报. 2022, (8):  1926-1937.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11067

摘要 ( 656 )   HTML ( 62 )   PDF (4209KB) ( 284 )  

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籽粒大小影响小麦粒重, 进而影响产量。目前, 对小麦籽粒大小相关基因的研究已有报道, 但其潜在的分子机制尚不清楚。本研究通过同源克隆的方法从普通小麦中克隆了小麦籽粒大小相关基因TaGS2, 并对其序列进行生物信息学分析。烟草亚细胞定位结果表明, TaGS2定位在细胞核和细胞质内。不同组织材料qRT-PCR分析表明, TaGS2基因在小麦籽粒不同发育时期的表达量最高。构建TaGS2-PLGY-02-RNAi表达载体, 转化小麦。研究结果表明, TaGS2基因在RNAi转基因小麦中表达量显著降低。RNAi转基因小麦的籽粒长度变短, 籽粒宽度变窄, 千粒重也降低。因此推测TaGS2基因可能参与小麦籽粒大小或者千粒重的调控。本研究初步揭示了TaGS2基因功能, 并为小麦高产育种中千粒重的提高提供重要的基因资源。

Bna.C02SWEET15通过光周期途径正向调控油菜开花时间

李胜婷, 徐远芳, 常玮, 刘亚俊, 谷嫄, 朱红, 李加纳, 卢坤

作物学报. 2022, (8):  1938-1947.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14155

摘要 ( 387 )   HTML ( 26 )   PDF (6968KB) ( 205 )  

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开花时间是作物的重要农艺指标, 关系着作物的生育周期和产量。糖转运体作为植物重要的碳水化合物运输载体, 作用于油菜开花时间的研究鲜有报道。本研究在油菜FOX-Hunting文库中鉴定了一个与油菜开花相关的蔗糖转运蛋白Bna.C02SWEET15, 通过组织表达和亚细胞定位分析, 转基因和突变体表型观察, 开花关键基因表达水平检测等解析其生物学功能与调控机制。Bna.C02SWEET15在油菜各组织部位均能够表达, 在花后30 d种子中最显著。Bna.C02SWEET15定位于细胞膜, 启动子活性主要在花药和花后30 d种子中。在拟南芥中过表达Bna.C02SWEET15使植株开花提前, 利于植株开花的光周期关键基因CO、FT、LFY表达明显上升, 负调控基因FLC表达量降低。拟南芥突变体atsweet15a和RNAi-Bna.C02SWEET15转基因油菜均为晚花表型。推测Bna.C02SWEET15能够通过光周期途径正向调控油菜开花时间影响油菜的生育周期。研究结果对理解糖转运体在作物中的调控作用, 为油菜高产育种提供了基因资源, 奠定了理论基础。

水稻落粒基因SH8的精细定位与克隆

王穆穆, 何艳芳, 郑永胜, 王晖, 王丽媛, 王东建, 张晗, 李汝玉

作物学报. 2022, (8):  1948-1956.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12049

摘要 ( 522 )   HTML ( 38 )   PDF (7053KB) ( 292 )  

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落粒性是水稻的重要性状之一, 是野生稻种子传播和后代繁衍的重要保障, 但是容易落粒在栽培稻的生产中会造成产量损失。目前, 在水稻中已经克隆了一些落粒相关基因, 但是这些基因并不能解释水稻落粒的全部表型变异。本研究从白谷(Pei-kuh)和普通野生稻(W1944)构建的重组自交系中选取落粒性强且不含有SH4基因的材料E6-5, 与Pei-kuh进行杂交构建分离群体, 将以前检测到位于8号染色体的落粒QTL精细定位于26.4 kb的区间内, 并把该位点的落粒基因命名为SHATTERING8 (SH8)。该区段共有4个编码基因, Pei-kuh和E6-5的测序比对发现LOC_Os08g41950基因在编码区有3个碱基的差异, 同时实时定量PCR分析表明该基因在离层部位表达, 因此我们把LOC_Os08g41950作为SH8的目标候选基因。为了验证LOC_Os08g41950是否参与水稻落粒的调控, 我们利用来自E6-5的LOC_Os08g41950编码序列构建了过表达载体并遗传转化Pei-huh。落粒表型鉴定结果表明, 与Pei-huh相比, 转基因植株的落粒性明显增强, 不仅种子脱落所需的拉力值显著降低, 而且还具有更光滑的离层断裂面。本研究有助于促进水稻驯化和水稻落粒调控机制的研究。

大豆主要营养品质性状相关分子标记的育种应用潜力评价

怀园园, 张晟瑞, 武婷婷, 李静, 孙石, 韩天富, 李斌, 孙君明

作物学报. 2022, (8):  1957-1976.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14127

摘要 ( 610 )   HTML ( 21 )   PDF (987KB) ( 178 )  

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大豆营养品质性状多为数量性状, 受多基因调控。目前, 已定位到大量与营养品质性状相关的分子标记, 但经过大豆育种群体验证的可用标记却很少。本研究以288份黄淮海地区选育的大豆品种和19份野生/半野生大豆种质为材料组成大豆自然群体, 利用近红外光谱法、气相色谱法和高效液相色谱法分析其蛋白质、脂肪、脂肪酸和异黄酮组分含量; 选用已报道的与营养品质性状紧密连锁的18个SSR标记, 采用毛细管电泳方法进行基因型鉴定。采用关联分析方法验证分子标记的选择效果, 共检测出与脂肪含量关联的标记3个, 与蛋脂总和关联的标记3个, 与棕榈酸关联的标记1个, 与硬脂酸关联的标记1个, 与油酸关联的标记2个, 与亚麻酸关联的标记2个, 同时发掘出这些位点的优异等位变异, 表明上述验证的分子标记可用于大豆营养品质分子育种中。

油菜脯氨酸代谢基因家族的生物信息学分析与核心成员鉴定

张天宇, 王越, 刘影, 周婷, 岳彩鹏, 黄进勇, 华营鹏

作物学报. 2022, (8):  1977-1995.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14131

摘要 ( 502 )   HTML ( 35 )   PDF (25477KB) ( 316 )  

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脯氨酸积累是植物在生物和非生物胁迫下的一种重要的代谢适应性机制。吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)、吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR)酶、脯氨酸脱氢酶(PDH)、吡咯啉-5-羧酸脱氢酶(P5CDH)是依赖谷氨酸的脯氨酸生物合成途径中的关键酶。油菜是世界上重要的油料作物, 在油菜生长发育过程中, 其时常遭受各类生物和非生物胁迫。然而迄今为止, 在异源四倍体油菜中缺乏关于这些脯氨酸代谢基因家族的系统分析报道。本研究利用甘蓝型油菜‘中双11'基因组注释信息, 分别鉴定到上述10个BnaP5CSs、6个BnaP5CRs、8个BnaPDHs以及3个BnaP5CDHs基因。这些基因家族在系统发育上分为不同的进化分支, 同一亚组中的成员具有相似的理化特性、基因/蛋白质结构和保守的基序。进化压力分析表明, 这些基因均遭受了强烈的纯化选择。启动子区的顺式作用元件分析揭示了油菜上述4类基因家族之间均存在共同的和特异的转录调控机制。本研究分别对‘中双11'油菜幼苗进行盐胁迫、低钾、低磷以及铵毒胁迫处理, 分别取地上部及根部进行转录组测定与分析。结果显示, 脯氨酸合成相关基因的表达水平在上述4种胁迫下普遍上调, 而调控脯氨酸降解基因的表达水平则在盐胁迫和低磷胁迫情况下调; 基因共表达分析显示BnaC4.P5CS1a、BnaA5.P5CS1等基因可能在脯氨酸介导的油菜逆境响应网络中发挥核心作用。本研究通过脯氨酸代谢基因家族的生物信息学鉴定以及多种非生物逆境下的转录特征分析, 将为深入研究脯氨酸介导的逆境抗性提供理论依据, 也将为脯氨酸介导油菜非生物胁迫抗性的遗传改良提供优异的基因资源。

人工老化玉米种胚ROS产生及ATP合成酶亚基mRNA完整性研究

王天波, 赫文学, 张峻铭, 吕伟增, 梁雨欢, 卢洋, 王雨露, 谷丰序, 宋词, 陈军营

作物学报. 2022, (8):  1996-2006.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13047

摘要 ( 451 )   HTML ( 13 )   PDF (5693KB) ( 174 )  

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为了揭示玉米种子衰老机理, 本研究以“郑单958”玉米杂交种为材料, 研究了人工老化处理(温度45℃﹑相对湿度100%)后种子活力﹑种胚O₂^-产生和积累﹑种胚ATP含量和ATP合成酶活性, 并用反转录阻断-双引物扩增法分析种胚及不同器官(盾片﹑胚根和胚芽) ATP合成酶亚基mRNA的完整性。结果表明, 人工老化处理后, 玉米种子的萌发率和胚根生长速率下降; 种胚生活力降低; 种子呼吸强度减弱。种胚O₂^-产生速率在老化3 d时达到高峰, 随后下降; 胚根和胚芽O₂^-产生速率和含量显著增加; 种胚ATP含量和ATP合成酶活性降低。ATP合成酶ε亚基和γ亚基的mRNA完整性先升高后降低; δ亚基mRNA的完整性没有明显变化; α亚基和β亚基mRNA的完整性则持续降低; 胚根和胚芽ATP合成酶亚基mRNA的损伤程度大于盾片。说明在老化过程中胚根和胚芽ROS产生和积累, 导致ATP合成酶亚基mRNA不同程度的损伤, ATP合成酶活性降低, ATP含量减少, 造成萌发过程种胚供能不足, 这可能是导致玉米种子衰老的重要原因之一。

广西水稻地方品种核心种质芽期耐盐性全基因组关联分析

夏秀忠, 张宗琼, 杨行海, 荘洁, 曾宇, 邓国富, 宋国显, 黄欲晓, 农保选, 李丹婷

作物学报. 2022, (8):  2007-2015.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12030

摘要 ( 453 )   HTML ( 24 )   PDF (5830KB) ( 231 )  

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水稻属盐敏感的作物, 盐胁迫会导致产量显著减少。我国盐渍地总面积大, 并且呈迅速增长趋势, 因此, 筛选水稻耐盐种质, 培育耐盐水稻品种十分必要。本研究在1.5% NaCl盐胁迫条件下评价419份广西水稻地方品种核心种质种子芽期的相对盐害率, 并利用全基因组关联分析鉴定耐盐位点。研究结果表明: 盐胁迫下, 种子芽期平均发芽率为57.67%, 显著低于对照92.55%, 且夏皮罗-威尔克检验(0.9301)不符合正态分布。基于208,993个SNP标记, 将419份核心种质资源分为6个亚群, 利用一般线性模型(general linear model, GLM)和混合线性模型(mixed linear model, MLM)分析分别获得129个和1个显著关联SNP, 分布在1号、2号、3号、4号、5号、6号、8号、9号和12号染色体上。在14个与水稻耐盐性显著关联区域, 有13个区域与前人定位或克隆的耐盐基因重叠。显著关联区域Chr. 8: 10,564,948~10,733,175为首次报道, 命名为qGR8。qGR8区域内含有53个基因, 其中34个经转录组数据比对获得表达谱, 比对结果推测LOC_Os08g17370为候选基因, 该基因为跨膜9超家族成员, 在耐盐亲本的根部和叶部上调表达, 可能为qGR8区域内水稻芽期耐盐的新基因。这些研究结果为耐盐新基因的克隆奠定基础, 为培育耐盐水稻品种提供新的基因资源。

耕作栽培·生理生化

褪黑素和茉莉酸甲酯基质育秧对水稻耐低温胁迫的调控作用

朱春权, 魏倩倩, 项兴佳, 胡文君, 徐青山, 曹小闯, 朱练峰, 孔亚丽, 刘佳, 金千瑜, 张均华

作物学报. 2022, (8):  2016-2027.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12041

摘要 ( 546 )   HTML ( 33 )   PDF (2575KB) ( 602 )  

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早稻育秧过程中易遭受低温冷害, 引起水稻减产。因此, 有必要研制耐低温的水稻育秧基质来保障早稻生产。本研究以我们实验室自己研制的发酵基质作为研究对象, 外源添加褪黑素和茉莉酸甲酯后, 分别在水稻萌发阶段和水稻生长7 d后进行为期3 d的低温处理, 然后测定水稻的萌发状况、理化性质和基因表达, 从而明确2种不同激素对早稻秧苗耐低温胁迫的调控机制。结果表明, 褪黑素和茉莉酸甲酯均显著提高水稻在低温条件下的发芽率和发芽势; 两者均能提高水稻在低温条件下的生长, 包括提高株高、根长、根条数、干物重、叶龄和养分含量。在低温条件下, 褪黑素和茉莉酸甲酯均能通过调节水稻体内抗氧化系统酶的活性和降低水稻体内过氧化氢与丙二醛含量来缓解低温胁迫导致的脂质过氧化损伤。褪黑素和茉莉酸甲酯均能提高低温条件下水稻体内的脯氨酸含量和叶绿素含量, 降低脱落酸的含量, 而茉莉酸甲酯则单独提高了水稻体内GA₃的含量。褪黑素和茉莉酸甲酯对水稻耐冷基因存在不同的调控作用, 在低温条件下, 两者均显著上调OsCDPK7和OsLti6b, 显著下调OsWRKY45基因的表达, 褪黑素单独上调OsFer1基因的表达, 茉莉酸甲酯单独上调OsTrx23基因的表达。以上结果表明, 褪黑素和茉莉酸甲酯均能通过调控水稻体内抗氧化系统酶活、渗透物质含量、叶绿素含量、植物激素含量和耐冷基因表达提高水稻耐低温胁迫能力。

穗肥施氮量对不同穗型超级稻品种产量的影响及其机制

刘昆, 黄健, 周沈琪, 张伟杨, 张耗, 顾骏飞, 刘立军, 杨建昌

作物学报. 2022, (8):  2028-2040.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12068

摘要 ( 554 )   HTML ( 29 )   PDF (1347KB) ( 469 )  

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施用氮素穗肥是水稻增产的一项重要管理措施, 但其用量对不同穗型超级稻品种的增产效应及其机制尚不明确。本研究选用3个穗型(以每穗粒数表示)差异较大的超级稻品种南粳9108 (小穗型)、扬两优6号(中穗型)和甬优1540 (大穗型)为材料, 在基蘖肥用量相同(162 kg N hm^-2)的情况下, 研究了0、54、108、162和216 kg km^-2五种穗肥施氮量对上述水稻品种产量的影响, 并观察了其对颖花分化退化及抽穗后相关形态生理指标的调控效应。结果表明: (1) 在0~216 kg hm^-2穗肥施氮量范围内, 随施氮量增加, 水稻每穗粒数均逐渐增加, 结实率和粒重逐渐降低, 且穗肥施氮量越高结实率和千粒重下降越明显。南粳9108、扬两优6号和甬优1540三个水稻品种在穗肥施氮量分别为162~216、108~162和54~108 kg hm^-2时产量最高。依据产量与穗肥施氮量曲线方程计算出上述3个品种高产最适穗肥施氮量分别为177.6~182.0、134.3~136.3和109.9~125.7 kg hm^-2。(2) 总体而言, 穗型大的品种产量高, 穗型小的品种穗肥增产效应大。施用穗肥后小穗型品种二次颖花分化数和现存数增加幅度大是其增产效应高于中、大穗型品种的主要原因。(3) 3个水稻品种在高产的穗肥施氮量条件下, 高效叶面积率、粒叶比(颖花/叶、实粒/叶和粒重/叶)、非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)转运量、糖花比、抽穗后0~40 d根系氧化力、颖花根活量和籽粒与根系玉米素(zeatin, Z)和玉米素核苷(zeatin riboside, ZR)含量高。相关分析表明, 不同穗型超级稻品种产量与以上指标基本呈显著或极显著正相关关系。上述结果表明, 穗肥施氮量应根据穗型大小进行调节。适宜的穗肥施氮量有助于在较高总颖花量的前提下, 保持抽穗后较高的高效叶面积率、粒叶比、NSC转运量、糖花比、根系氧化力、颖花根活量和籽粒与根系中Z + ZR含量, 这有利于维持较高的结实率和粒重, 从而提高水稻产量。

不同间套作模式对棉花产量和生物量累积、分配的影响

李鑫, 王剑, 李亚兵, 韩迎春, 王占彪, 冯璐, 王国平, 熊世武, 李存东, 李小飞

作物学报. 2022, (8):  2041-2052.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14142

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发展棉花间套作体系是缓解我国黄河流域棉花与其他作物争地矛盾的主要策略, 但目前对棉花间套作体系下棉花的增产机理尚不明确。因此, 本研究通过田间试验设置了棉花与小麦、大蒜和花生间套作, 并对其根系分别采取塑料膜分隔、尼龙网分隔和不分隔处理, 从而研究在隔根处理下不同作物与棉花间作对棉花产量及生物量累积的影响。研究表明: (1) 隔根处理下的不同作物与棉花间作的土地当量比(LER)大于1, 说明试验中棉花间套作体系均体现出间作优势, 且在小麦/棉花套作和大蒜/棉花套作的体系中, 小麦和大蒜对于棉花的资源竞争力大于0, 小麦和大蒜在共生期内是优势种; 花生相对于棉花的资源竞争力小于0, 在花生/棉花间作体系中, 棉花是优势种。(2) 在棉花盛蕾期, 单作棉处理的棉花的叶、茎器官的干物质累积量多于其他3个处理, 而在花铃期后, 间套作体系中的干物质积累量多于单作棉处理, 间套作体系中的棉花生殖器官干物质积累量高于单作棉处理。(3) 盛蕾期和初花期, 单作棉的茎、叶器官的分配率高于小麦套作棉花、大蒜套作棉花和花生间作棉花处理, 在盛花期和盛絮期, 处理间的差异不显著; 不同种植模式下生殖器官干物质分配率的差异与茎、叶器官相反。相关研究结果可为间套作模式下的棉花间作优势的产生机理探究提供理论支持, 为间套作体系生产力的提高提供科学依据。

不同类型水稻品种茎叶维管束与同化物运转特征

周驰燕, 李国辉, 许轲, 张晨晖, 杨子君, 张芬芳, 霍中洋, 戴其根, 张洪程

作物学报. 2022, (8):  2053-2065.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12038

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选用籼型杂交稻、籼粳杂交稻、籼型常规稻和粳型常规稻4种不同类型水稻品种, 比较其穗颈和剑叶维管束特征、茎叶同化物运转特征, 分析穗颈和剑叶维管束特征与茎叶同化物转运和产量形成的关系, 探讨施氮水平对水稻穗颈和剑叶维管束特征和茎叶同化物转运的影响。结果表明, 不同类型水稻品种间穗颈和剑叶维管束数量和解剖结构特征、茎叶非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrates, NSC)转运存在基因型差异。4种不同类型水稻品种中, 籼型杂交稻和籼粳杂交稻穗颈和剑叶维管束数量、平均横截面积和韧皮部面积较高, 其茎叶NSC转运和产量也较高, 其次是籼型常规稻, 粳型常规稻的穗颈和剑叶维管束数量、平均横截面积和韧皮部面积最低, 其茎叶NSC转运和产量也最低。水稻穗颈和剑叶维管束特征和茎叶NSC转运受氮水平的影响, 低氮能够促进茎叶NSC转运, 增施氮肥增加了穗颈和剑叶维管束数量、平均横截面积和韧皮部面积, 但穗颈横截面维管束密度降低。相关性分析表明, 水稻穗颈大、小维管束数量与茎叶NSC转运显著或极显著正相关, 穗颈和剑叶大、小维管束数量、横截面积和韧皮部面积与产量显著或极显著正相关。因此, 选择茎叶维管束系统发育较好的水稻品种, 同时合理施用氮肥改善维管束特征, 有利于茎叶同化物转运, 提高产量。

不同花生品种芽期耐寒性鉴定及评价指标筛选

白冬梅, 薛云云, 黄莉, 淮东欣, 田跃霞, 王鹏冬, 张鑫, 张蕙琪, 李娜, 姜慧芳, 廖伯寿

作物学报. 2022, (8):  2066-2079.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14163

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低温寒害是限制花生产业发展的重要非生物胁迫因子之一。花生品种芽期耐寒能力的强弱是决定花生出苗整齐度和高产高质的重要保障。本研究利用品种综合指标值、权重、隶属函数值、D值对62个花生品种芽期耐寒性进行综合评价。结果表明, D值越大, 其耐寒性越强, 反之耐寒性越弱。系统聚类分析可将62个品种分为5类, 第I类为高耐寒型; 第II类为耐寒型; 第III类为中间型; 第IV类为敏感型, 第V类为高感型。相关性分析表明, 油酸含量与D值及其他4个耐寒性指标值的相关性未达到显著水平, 说明花生油酸含量和花生芽期耐寒性强弱无关; 各相对指标值与D值及各相对指标值间均呈极显著正相关, 说明花生芽期耐寒性相对指标值之间具有一致性。通过对相对指标特征值、贡献值及权重分析表明, 相对发芽率可作为花生芽期耐寒性鉴定的正向指标, 相对发芽率越大, 其芽期耐寒性能力越强, 反之耐寒性能力越弱。本研究筛选出5个高耐寒性品种, 建立了以相对发芽率作为花生芽期耐寒性的评价指标, 对花生芽期耐寒性的高效鉴定和耐寒性新品种培育及其相关理论研究提供基础材料和高效鉴定方法。

甘薯发根分枝期适宜土壤水分促进块根糖供应和块根形成的研究

解黎明, 姜仲禹, 柳洪鹃, 韩俊杰, 刘本奎, 王晓陆, 史春余

作物学报. 2022, (8):  2080-2087.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14134

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为探讨土壤水分对甘薯块根形成的影响及其与块根数量和整齐度的关系。选用鲜食型甘薯品种烟薯25作为试验材料, 在发根分枝期设置50%±5% (W50)、60%±5% (W60)、70%±5% (W70)、80%±5% (W80)、90%±5% (W90) 5个土壤相对含水量水平, 通过2年田间试验, 研究了土壤水分对甘薯潜在块根中碳水化合物含量及其代谢相关酶活性及收获期块根数量、整齐度和产量的影响。结果表明, 甘薯潜在块根中蔗糖、葡萄糖和果糖含量以及蔗糖转化酶活性, 栽植后10~35 d, W70处理均显著高于其他处理。甘薯潜在块根中蔗糖合酶活性和淀粉含量, 栽植后10~25 d, W70处理显著低于其他处理; 栽植后30~35 d, W70处理显著高于其他处理。W70处理的单株结薯数和块根产量分别较其他处理提高14%~120%和22%~122%、单薯重的变异系数较其他处理降低9%~34%。甘薯发根分枝期土壤相对含水量70%有利于促进块根形成, 增加收获期单株结薯数、单薯重和块根产量, 改善块根商品品质。

钙肥对酸性红壤花生种子萌发及种子际微生物菌群结构的调控

徐扬, 张智猛, 丁红, 秦斐斐, 张冠初, 戴良香

作物学报. 2022, (8):  2088-2099.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14101

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红壤因酸度较大且钙素匮乏, 严重阻碍种子萌发和植物的形态建成, 提高花生出苗、健苗率是酸性红壤花生高效栽培的有效策略之一。钙素营养和种子际土壤微生物对种子萌发均有重要的调控作用, 但二者间的内在联系却知之甚少。为揭示钙素营养对花生种子际微生物菌群结构和萌发的潜在影响, 以花生品种花育20号(Huayu 20, HY20)为材料, 设置不施钙素和外源施钙素盆栽试验, 结合菌群高通量测序对花生萌发出苗过程中的种子际微生物菌群结构进行了深度分析。结果表明: 各处理种子际样本均以厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)为优势细菌门; 子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)和被孢霉门(Mortierellomycota)为优势真菌门。CaO的施加, 使厚壁菌门、拟杆菌门、被孢霉门的相对丰度提高, 担子菌门相对丰度降低。另外, 钙素营养增加了有益菌芽孢杆菌属(Bacillus)的数量。对细菌功能预测分析结果表明, 施用钙素后, 与有机物代谢相关的途径(氨基酸转运/代谢、碳水化合物转运等)和抗逆相关的途径(复制重组与修复等)均显著提高, 这在一定程度上改善了红壤花生种子的萌发环境。对真菌营养型预测显示, 钙素处理提高共生菌群数量的同时, 降低了腐生菌群的数量。Redundancy analysis相关性预测分析表明, 施钙后土壤细菌和真菌菌群结构与土壤理化因子钙素和pH均呈负相关性, 并且土壤钙对种子际土壤微生物的多样性影响大于pH。基于上述研究, 酸性红壤施用钙素营养可改善种子际微生物菌群结构, 从而促进花生种子萌发。

研究简报

棉花在盐碱胁迫下代谢产物及通路的分析

郭家鑫, 鲁晓宇, 陶一凡, 郭慧娟, 闵伟

作物学报. 2022, (8):  2100-2114.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14110

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阐明植物盐碱胁迫下的代谢机制将有助于进一步优化育种和栽培, 从而提高盐碱地作物产量。本研究采用液相色谱-质谱(LC-MS), 对中性盐和碱性盐胁迫下棉花叶片代谢产物进行研究, 分析棉花在盐碱胁迫下的代谢差异。结果显示, 盐胁迫下棉花叶片中糖类在正负离子模式下分别有7种和2种上调, 氨基酸类各有3种上调, 有机酸类分别有12种和8种上调; 碱胁迫下棉花叶片中的糖类分别有3种和5种上调, 有机酸类分别有2种和9种上调, 氨基酸类各有2种上调。盐胁迫下发现10条差异代谢通路, 变化最明显的代谢通路是亚油酸代谢, 其次是淀粉和蔗糖代谢与精氨酸生物合成; 碱胁迫下发现5条差异代谢通路, 变化最明显的代谢通路是色氨酸代谢, 其次是精氨酸和脯氨酸代谢与柠檬酸循环(TCA循环)。棉花采取不同的代谢机制抵抗盐碱胁迫, 盐胁迫更倾向于积累糖类, 碱胁迫更倾向于积累有机酸; 在能量代谢方面, 盐胁迫下棉花淀粉和蔗糖代谢更加活跃, 碱胁迫下TCA循环更加活跃; 盐胁迫提高了棉花氮素同化能力, 碱胁迫降低了氮的同化能力。

有机物料还田对夏玉米穗位叶光合性能及氮代谢的影响

裴丽珍, 陈远学, 张雯雯, 肖华, 张森, 周元, 徐开未

作物学报. 2022, (8):  2115-2124.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13048

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明晰不同物料还田对夏玉米穗位叶光合性能及氮代谢的影响, 为有效利用农业废弃物提供理论依据。2018—2019年在川中丘陵区石灰性紫色土上进行大田试验, 设置无物料还田(CK)、蚕豆秸秆还田(faba bean straw, FS)、油菜秸秆还田(rape straw, RS)、猪粪还田(pig manure, PM) 4个处理, 研究不同物料还田下夏玉米产量、叶片光合性能及氮代谢的特征。结果表明: (1) 不同有机物料还田第2年FS处理的玉米籽粒增产效果最佳, 比CK显著增加24.85%。 (2) 各物料还田处理的夏玉米叶面积指数、叶面积积累速率、群体光合势和光合色素含量, 随生育期推进均呈先增后降的趋势。与CK比, FS、PM处理提高叶面积指数、叶面积积累速率和群体光合势, 但RS处理有降低效果; 夏玉米六叶期光合色素含量在处理间差异不显著, 吐丝期叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均是RS处理比CK显著增加, 但吐丝后20 d时FS处理的叶绿素a、b、总叶绿素含量分别比RS处理显著增加34.67%、42.08%、36.24%。(3) 有机物料还田显著增加夏玉米穗位叶硝酸还原酶活性, 各还田处理的营养器官氮素积累与转运表现为FS、PM > RS。主成分分析结果表明, 不同物料还田下夏玉米光合性能、氮代谢能力表现为FS > PM > CK > RS。综上, 不同有机物料还田对玉米光合性能和氮代谢影响不同, 对比无物料还田和油菜秸秆还田, 蚕豆秸秆和猪粪还田更有利于提高叶片光合氮代谢能力, 促进营养器官中的光合代谢产物向籽粒运输, 从而为夏玉米籽粒产量的增加奠定基础。

水稻细长秆突变体sr10的鉴定与基因定位

委刚, 陈单阳, 任德勇, 杨宏霞, 伍靖雯, 冯萍, 王楠

作物学报. 2022, (8):  2125-2133.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12052

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本研究报道的突变体sr10 (slender rice 10)是由籼稻保持系西农1B经甲酰磺酸乙酯(EMS)诱变而成, 表现为茎细长, 雄性不育。细胞学观察显示, sr10细胞变长, 维管束变少。冷冻切片和叶绿素含量测定表明, sr10的叶绿素含量大幅下降, 导致光合速率下降, 但气孔导度的降低可能提高其抗旱性。通过激素含量测定发现, sr10中IAA和GA₃水平显著升高, 而ABA含量显著降低。qRT-PCR分析表明, GAs通路相关基因表达下调, IAA通路相关基因表达异常。遗传分析表明, sr10的突变表型受单个隐性核基因控制。SR10定位于3号染色体的分子标记LIND12和28.5~4之间的175.7 kb的区域内。本研究结果为SR10的克隆和功能分析奠定了基础。