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2022年 第48卷 第9期 刊出日期：2022-09-12

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综述

品种选育与评价的原理和方法评述

严威凯

作物学报. 2022, (9):  2137-2154.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11105

摘要 ( 1946 )   HTML ( 72 )   PDF (890KB) ( 1816 )  

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植物育种对于满足人们日益增长的对衣食住行的需求并适应不断变化的气候条件起着不可或缺的作用。育种过程包括制定育种目标、创建育种群体、选择优良品系三大环节。研究者围绕提高育种效率, 特别是选择效率提出了许多概念和方法, 比如各种应对基因型-环境互作的策略, 各种稳定性分析方法, 各种品种生态区划分方法, 各种试验设计和分析方法, 各种双标图分析方法, 以及各种多性状综合评价方法等等。另外, 全基因组预测已经发展成为育种工作者必须考虑和不能忽视的方法。了解这些概念、方法之间的关系, 哪些是有用的, 哪些是不必要的, 哪些是有问题的, 它们在整个育种体系中处于什么位置, 对提高育种效率具有实际意义。本文以个人长期的研究、思考和育种实践为基础, 对育种目标制定、育种群体创建, 特别是后代选择的基本原理、概念和方法进行了梳理、澄清和补充, 以期对品种选育和评价的理论和方法形成一个较完整、系统的论述, 并用实例演示一些重要的分析方法。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

玉米种质资源对拟轮枝镰孢与禾谷镰孢穗腐病的抗性精准鉴定与分析

段灿星, 崔丽娜, 夏玉生, 董怀玉, 杨知还, 胡清玉, 孙素丽, 李晓, 朱振东, 王晓鸣

作物学报. 2022, (9):  2155-2167.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13055

摘要 ( 1293 )   HTML ( 19 )   PDF (4294KB) ( 1036 )  

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穗腐病是我国玉米生产上的重要病害, 严重影响玉米的产量和品质。利用抗病品种是控制穗腐病的安全有效措施。抗性资源是开展抗病育种的物质基础。本研究优化和完善了玉米种质抗镰孢穗腐病精准鉴定的方法, 比较分析了花丝通道注射接种和果穗注射(创伤)接种鉴定的穗腐病抗性, 发现2种方法鉴定出的抗性结果具有高度的一致性(相关系数r≥0.90)。2018—2020年, 在北京昌平和四川西昌, 利用花丝通道注射接种法, 对690份代表性玉米种质进行了抗拟轮枝镰孢穗腐病的精准鉴定与评价, 筛选出H446、YCF、辽2309、吉资1055、Y1723、XF8-3、铁97085等35份具有稳定抗性的种质, 占比为5.07%。6个环境下玉米对拟轮枝镰孢穗腐病抗性的相关系数为0~0.48, 同一年度(2018、2019和2020年) 2个鉴定点穗腐病抗性值之间的r值分别为0.03、0.20和0.15, 3个年度间穗腐病综合抗性的相关系数为0.20、0.30和0.35, 表明在不同环境下玉米对拟轮枝镰孢穗腐病的抗性反应存在较大差异。在辽宁沈阳和四川西昌共6个环境下, 对690份种质进行了抗禾谷镰孢穗腐病精准鉴定, 6个环境下玉米种质抗性的相关系数为0~0.39, 2018、2019和2020年2个鉴定点之间的r值分别为0.05、0.25和0.29, 表明环境因素对玉米抗禾谷镰孢穗腐病的表型存在较大影响; 3个年度间镰孢穗腐病综合抗性的r值为0.14、0.20和0.13, 显示年度间综合抗性差异较大。共鉴定出17份对禾谷镰孢穗腐病具有稳定抗性的种质(H446、MC7528、Y1632、Y1679、吉资1055、铁97085等)。690份种质对上述2种穗腐病抗性的相关系数为0.52, 表明其对2种穗腐病的抗性存在中等水平的相关性。H446、吉资1055、铁97085三份种质在所有鉴定环境中均对2种穗腐病表现出稳定抗性, 是玉米抗穗腐病育种和品种抗性改良的宝贵资源。

低磷胁迫下陆地棉苗期根生物量相关性状全基因组关联分析

柯会锋, 张震, 谷淇深, 赵艳, 李培育, 张冬梅, 崔彦茹, 王省芬, 吴立强, 张桂寅, 马峙英, 孙正文

作物学报. 2022, (9):  2168-2179.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14152

摘要 ( 1048 )   HTML ( 41 )   PDF (6168KB) ( 288 )  

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磷(phosphorus, P)是植物生长发育所必须的营养元素, 低磷胁迫是制约棉花生长发育的重要因素之一。本研究以419份陆地棉核心种质为材料, 对低磷胁迫下2个环境6个根生物量相关性状进行表型鉴定, 基于366万个SNPs (single nucleotide polymorphisms)进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS), 筛选显著关联的SNPs位点并挖掘候选基因。结果表明, 低磷胁迫下棉花根生物量性状具有广泛的遗传变异, 其中根冠比(root shoot ratio, RSR)的变异系数最大(45.30%)。在2个环境下共检测到393个与根生物量性状显著关联的SNPs, 这些位点主要分布于D02 (75个)、A08 (64个)和A07 (35个)染色体, 其中28个SNPs在至少2个性状或环境中同时检测到。进一步筛选到13个候选基因, 其中Gh_A08G1889在E1环境中低磷条件下的根冠比(LP-RSR-E1)中检测到, A08:99606874 (A/C)位于该基因外显子中并导致了非同义突变(Val/Leu), 且该基因编码赤霉素响应蛋白GID1C (Gibberellin receptor GID1C), 有报道称该基因与DELLA蛋白相互作用参与赤霉素调节途径, 控制植物根部生长发育并响应环境胁迫; Gh_D08G2527在E2环境中低磷条件下的地下部干重和总干重(root dry weight, RDW; total dry weight, TDW; LP- RDW-E2和LP-TDW-E2)中共同检测到, 该基因编码的DREB3 (Dehydration-responsive element-binding protein 3)类转录因子在多种作物中参与了环境胁迫的响应过程, 且DREB可特异性的与DRE结合, 诱导环境胁迫响应基因的表达进而使植株产生抗逆性。qRT-PCR结果显示, 低磷处理后Gh_D08G2527的表达量在耐低磷品种中显著高于低磷敏感品种。本研究结果为深入了解棉花耐低磷胁迫的分子机制提供了理论参考及基因资源。

基于QTL定位和全基因组关联分析挖掘甘蓝型油菜收获指数相关位点

张超, 杨博, 张立源, 肖忠春, 刘景森, 马晋齐, 卢坤, 李加纳

作物学报. 2022, (9):  2180-2195.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14159

摘要 ( 1419 )   HTML ( 53 )   PDF (7746KB) ( 395 )  

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收获指数是一个重要的农艺性状, 甘蓝型油菜的收获指数偏低, 有较大的改良空间, 研究油菜收获指数的遗传机理对该性状的改良具有重要的指导意义。本研究利用已构建的高密度遗传图谱对由高、低收获指数亲本衍生而来的包含186个株系的重组自交系进行收获指数的数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)定位, 2016—2018连续3年环境及最佳线性无偏预测(best linear unbiased prediction, BLUP)值共定位到12个收获指数相关QTL, 分别位于A03、A05、A06、A07、A09、C04和C05_random染色体上, 单个QTL解释的表型变异在1.27%~14.20%之间。同时, 利用588份重测序自然群体对收获指数性状开展了全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS), 2016、2017、2019年及BLUP值共检测到6个显著关联位点, 分别位于A09、C01和C03染色体上, 其中2019年环境检测到的位于A09上的S9_25882060与S9_25961704重叠, 且与2016年环境检测到的位于A09染色体上的S9_24834640位置接近, 此外2016年环境下GWAS检测到的位点2016HI (S9_24834640)位于2017年环境下重组自交系群体定位的q2017HI-9区段内。对比前人研究, 本研究获得的18个位点中有1个位点与收获指数相关位点重叠, 有6个位点与产量相关性状位点接近。结合本课题组已有的转录组测序结果, 在QTL区段及显著关联的SNP位点附近筛选出36个重点候选基因, 这些基因主要涉及光合作用、跨膜运输、储藏物质合成及转录调控等。这些研究结果为甘蓝型油菜收获指数的遗传改良提供了重要的理论依据。

小麦小穗数调控基因WAPO1的单倍型、遗传效应、地理分布及育种利用分析

丁浦洋, 周界光, 赵聪豪, 唐华苹, 牟杨, 唐力为, 邓梅, 魏育明, 兰秀锦, 马建

作物学报. 2022, (9):  2196-2209.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11078

摘要 ( 1218 )   HTML ( 70 )   PDF (7951KB) ( 483 )  

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小麦穗部性状直接与产量相关, 是极重要的农艺性状。WAPO1编码F-box蛋白, 是水稻小穗数发育相关基因APO1在小麦中的直系同源基因。本研究鉴定了WAPO1的优异单倍型, 并对其遗传效应、地理分布和育种利用情况进行了鉴定。通过开发的KASP标记对编码区第140位碱基变异SNP(G/T)进行鉴定, 并使用前人报道的启动子InDel标记对WAPO1启动子115 bp的插入缺失进行鉴定, 在中国地方小麦中进行单倍型鉴定。结果显示, 在前人鉴定到的3种单倍型(H1: 140^G+115^deletion, H2: 140^T+115^insertion, H3: 140^G+115^insertion)基础上, 鉴定到了新的第4种单倍型(H4: 140^T+115^deletion)并证明H2和H4为优异单倍型, 能显著提高小麦每穗小穗数。将开发的KASP标记对223份世界小麦、144份中国育成小麦和119份四川小麦进行分型, 筛选出优异单倍型并对其在育种中的利用和分布进行了鉴定, 结果表明优异单倍型在中国和世界范围都被广泛选育。

优质稻“粤农丝苗”白叶枯病抗性遗传分析及主效QTL qBB-11-1的精细定位

薛皦, 卢东柏, 刘维, 陆展华, 王石光, 王晓飞, 方志强, 何秀英

作物学报. 2022, (9):  2210-2220.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12037

摘要 ( 1302 )   HTML ( 22 )   PDF (3857KB) ( 377 )  

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白叶枯病是对水稻危害最大的细菌性病害, 严重危及我国乃至全球粮食安全。挖掘新的抗病基因是改良水稻对白叶枯病抗病性的重要措施。本研究以广东省及华南稻区主栽的优质抗病水稻品种粤农丝苗为材料, 利用抗病品种粤农丝苗和感病品种丽江新团黑谷为亲本构建重组自交系(recombinant inbred lines, RILs)及回交群体, 进行接种鉴定及基因定位分析。遗传分析表明: 粤农丝苗的抗性由不完全显性的白叶枯病抗病基因控制; 重组自交系抗病表型结合重测序结果初定位到一个抗性QTL qBB-11-1, 位于11号染色体长臂末端; 利用片段重叠群分法将qBB-11-1精细定位在InDel标记P89和P54之间, 物理距离约为63 kb, 区间内包含6个候选基因, 且粤农丝苗中的白叶枯病抗性基因可能是未被报道的新基因。这些研究结果对于主栽品种粤农丝苗的抗性基因挖掘与利用将对华南稻区白叶枯病抗性育种具有重要的代表性意义。

基因聚合选育抗赤霉病小麦新品系百农4299

张一铎, 李国强, 孔忠新, 王玉泉, 李小利, 茹振钢, 贾海燕, 马正强

作物学报. 2022, (9):  2221-2227.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11085

摘要 ( 2812 )   HTML ( 44 )   PDF (5786KB) ( 676 )  

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小麦赤霉病是一种严重危害小麦生产的真菌性病害, 其抗性由多基因控制, 抗性机制复杂。type I (抗侵入)和type II (抗扩展)是小麦抵御赤霉病侵害的2种最主要抗性类型。在抗赤霉病育种中兼顾2种抗性, 对于保证生产上抗性的稳定和持久有着重要意义。在前期研究中, 作者所在课题组从小麦地方品种望水白中克隆了抗赤霉病扩展的主效QTL Fhb1, 精细定位了Fhb4和Fhb5, 获得了功能性/紧密连锁的分子标记。本研究利用这些标记, 以小麦品系NMAS022作为供体亲本, 现代小麦品种百农4199作为受体亲本, 通过分子标记辅助回交育种方法选育成了聚合望水白Fhb1、Fhb4、Fhb5的小麦新品系百农4299。与百农4199相比, 百农4299在2年的田间试验中type I抗性至少增加了73%~74%, type II抗性至少增加了83%~88% (以病小穗数计), 并且产量潜力也得到了提高。上述结果证明了通过分子标记辅助选择聚合不同类型抗赤霉病QTL以提高小麦赤霉病抗性的可行性。抗赤霉病小麦品系百农4299有望成为一个新的抗赤霉病小麦品种。

177份甘薯地方资源表型性状的遗传多样性分析

姚祝芳, 张雄坚, 杨义伶, 黄立飞, 陈新亮, 姚肖健, 罗忠霞, 陈景益, 王章英, 房伯平

作物学报. 2022, (9):  2228-2241.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14166

摘要 ( 1124 )   HTML ( 19 )   PDF (1179KB) ( 1431 )  

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种质资源的遗传多样性是新品种选育的基础。甘薯地方品种具有很多优异的基因, 但是很多性状未能得到利用。为有效利用我国甘薯地方资源的遗传多样性, 分析不同时期收集的甘薯地方资源表型上的差异。本研究分析了177份甘薯地方品种资源。结果表明, 11个表型性状的多样性指数(H')在0.42~2.08之间, 3个数量性状的变异系数(CV)在18.40%~46.83%之间, 大部分性状表现出丰富的遗传多样性。以11个性状为基础的聚类分析将177份甘薯地方资源分为2个类群。主成分分析结果表明, 2000—2009年和2010—2019年收集的甘薯资源主要分布在Cluster 3和Cluster 4, 另外3个时期收集的资源则分布相对分散。相关性分析的结果表明, 各性状之间并不是相互独立的, 而是彼此相互关联。不同时期收集的甘薯地方资源在表型上具有显著差异。在不同的收集时期, “薯皮色、薯肉色、茎直径、最长蔓长、基部分枝”在11个性状中变化最大。在描述型性状上, 5个阶段收集的占比最多的资源的薯肉色以“白肉、黄肉、淡黄肉、桔黄肉、淡黄肉”在变化。在数量性状上, 2010—2019年阶段的茎直径显著缩小, 基部分枝性状在5个时期呈增加趋势, 最长蔓长在2000年后显著变短。本研究为甘薯种质资源的保护和利用提供了重要的参考依据。

小麦TaPIP1基因克隆及其在花药开裂中潜在功能分析

谭照国, 苑少华, 李艳梅, 白建芳, 岳洁茹, 刘子涵, 张天豹, 赵福永, 赵昌平, 许本波, 张胜全, 庞斌双, 张立平

作物学报. 2022, (9):  2242-2254.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11079

摘要 ( 1004 )   HTML ( 27 )   PDF (7533KB) ( 473 )  

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二系杂交小麦育种是小麦产量提高的重要途径之一。光温敏雄性不育小麦生殖生长过程中花药的发育及开裂情况直接影响杂交小麦的制种效率和产量。植物花药的开裂与脱水活动紧密相关。水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是高效转运水分及特异小分子的膜内在蛋白, 其中质膜内在蛋白(plasma membrane intrinsic proteins, PIPs)在水分的吸收与外排中发挥着重要作用。为进一步了解水通道蛋白在小麦光温敏核雄性不育系花药开裂中的作用提供理论基础。本研究以不育系BS366花药的cDNA为模板, 克隆获得了TaPIP1基因。利用生物信息学软件对TaPIP1进行分析, 该基因包含一个879 bp的开放阅读框, 编码292个氨基酸。TaPIP1的启动子区存在赤霉素、脱落酸、茉莉酸和光等响应元件。TaPIP1属于MIP超家族, 具有典型的NPA保守结构域, 亚细胞定位于细胞质膜与核膜上。miRNA互作预测发现TaPIP1受tae-miR1131与tae-miR408的剪切抑制, 表明TaPIP1可能和与植物的抗氧化能力相关。通过蛋白互作预测及qPCR实验, 表明TaPIP1可与热激蛋白(heat shock protein 90, TaHSP90)相互作用, 在高温和干旱复合胁迫下, 参与花药细胞壁膨压调控, 进而调控花药的开裂。

对水稻种子耐储性QTL的研究

黄祎雯, 孙滨, 程灿, 牛付安, 周继华, 张安鹏, 涂荣剑, 李瑶, 姚瑶, 代雨婷, 谢开珍, 陈小荣, 曹黎明, 储黄伟

作物学报. 2022, (9):  2255-2264.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12033

摘要 ( 1396 )   HTML ( 32 )   PDF (3321KB) ( 399 )  

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稻谷的耐储性在种子生产保存和粮食储备中具有重要的意义。本研究以人工陈化的方法对15个三系杂交稻恢复系品种进行筛选, 获得了繁11、繁12、繁31、繁32和繁38五个耐储性较好的品种。选择繁38与粳型恢复系繁26为亲本杂交获得F₁代, 构建了包含154个株系的双单倍体(double haploid, DH)群体。以2b-RAD简化基因组测序技术对亲本和群体中每个株系进行测序, 并构建SNP标记遗传图谱。分析水稻在人工陈化10 d和15 d时与耐储藏相关的QTL。共检测到了6个与稻谷耐储性相关的QTL位点, 分布于3号、5号、6号、11号和12号染色体上, LOD值介于3.4509~6.8036之间, 可解释6.1575%~12.9979%的表型变异, 加性效应在-6.7586%到6.1235%范围内。其中qSI-12位点在陈化10 d和陈化15 d两个条件下均能检测到。qSI-5a和qSI-6这2个位点只在陈化10 d时检测到, 而qSI-3、qSI-5b和qSI-11这3个位点只在陈化15 d时检测到。此外, 还检测到32对上位性互作位点。这些结果丰富了耐储性品种育种的遗传资源, 为进一步精细定位耐储性相关的QTL奠定了基础。

棉花GhIQM1基因克隆及抗黄萎病功能分析

李名江, 雷建峰, 祖丽皮耶•托合尼亚孜, 代培红, 刘超, 刘晓东

作物学报. 2022, (9):  2265-2273.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14109

摘要 ( 867 )   HTML ( 35 )   PDF (3309KB) ( 426 )  

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棉花是我国重要的经济作物, 而黄萎病(Verticillium wilt)是棉花生产上的主要病害, 严重危害棉花产量和纤维品质。本研究通过转录组数据分析筛选出1个与棉花抗病相关、不依赖Ca²⁺的钙调素结合蛋白基因GhIQM1。该基因受黄萎病菌和水杨酸(SA)诱导表达。利用病毒诱导的基因沉默(virus-induced gene silencing, VIGS)技术研究其在棉花抗黄萎病中的功能发现, 抑制GhIQM1基因表达增强了植株对黄萎病的抗性, TRV:GhIQM1植株病情指数、维管束褐化程度、体内病原菌积累量都显著低于TRV:00。qRT-PCR分析表明, 抑制GhIQM1表达的植株接种黄萎病后, 作为参与水杨酸途径中的3个重要基因NPR1、NPR3和PR5的表达量显著高于对照。以上结果初步表明, GhIQM1基因可能通过抑制SA途径负调控了棉花的黄萎病抗性。

基于2b-RAD测序的四倍体马铃薯熟性相关的分子标记开发

惠志明, 徐建飞, 简银巧, 卞春松, 段绍光, 胡军, 李广存, 金黎平

作物学报. 2022, (9):  2274-2284.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14138

摘要 ( 942 )   HTML ( 20 )   PDF (2761KB) ( 329 )  

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马铃薯熟性是由多基因控制的数量性状, 是我国不同栽培区划选择适宜品种的重要指标之一。本研究以晚熟品种中薯18号和早熟品种中薯5号及其F₁分离群体为材料, 2018—2019年连续2年对“中薯18号(母本) × 中薯5号(父本)”杂交分离群体进行熟性评价, 从中筛选出极端晚熟和极端早熟的基因型各30个, 并分别构建极端晚熟和极端早熟基因组DNA混池。利用简化基因组2b-RAD (2b-restriction site-associated DNA)技术测序, 寻找差异标签开发出3个与熟性连锁的分子标记SCARA2-2、SCARA4-21和SCARA5-16, 3个分子标记联合使用对熟性分离群体子代进行验证, 晚、早熟表型符合率分别到达了87.5%和93.0%, 这些分子标记的开发和联合使用对辅助马铃薯熟性选择具有重要的参考价值。

耕作栽培·生理生化

不同施氮量下籼/粳杂交稻甬优2640产量和氮素吸收利用的特点

周群, 袁锐, 朱宽宇, 王志琴, 杨建昌

作物学报. 2022, (9):  2285-2299.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12070

摘要 ( 1253 )   HTML ( 23 )   PDF (561KB) ( 744 )  

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旨在探明在不同施氮量下籼/粳杂交稻产量、氮素吸收利用及损失的特点。2018—2019年籼/粳杂交稻品种甬优2640和常规粳稻品种连粳7号(对照品种1)和常规籼稻品种扬稻6号(对照品种2)种植于大田, 设置6种施氮量(0、100、200、300、400和500 kg hm^-2)处理和¹⁵N示踪微区试验。3个供试品种的产量均随施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势, 甬优2640在施氮量为400 kg hm^-2时产量最高, 连粳7号和扬稻6号均在施氮量为300 kg hm^-2时产量最高。在相同施氮量下, 甬优2640的产量高于对照品种。¹⁵N示踪试验表明, 适量增加施氮量(甬优2640≤400 kg hm^-2、连粳7号和扬稻6号≤300 kg hm^-2), 可以增加成熟期植株和穗中肥料氮积累量、土壤中的残留量、肥料氮对植株地上部氮积累量的贡献率、肥料氮的损失量和损失率, 降低土壤氮对植株地上部氮积累量的贡献率、肥料氮的植株吸收利用率和在土壤的残留率。在相同施氮量下, 甬优2640的肥料氮吸收量、在穗中的积累量、对植株地上部氮积累量的贡献率均高于对照品种, 肥料氮的损失量、损失率、在土壤的残留率均低于对照品种。肥料氮的21.0%~35.7%、6.7%~23.7%和42.3%~72.6%分别被植株吸收、残留在土壤中以及流失到了生态系统中。在相同施氮量条件下, 与常规高产品种相比, 籼/粳杂交稻甬优2640的产量和氮吸收利用率均较高, 氮损失率较低。在本试验条件下, 甬优2640产量和氮肥利用效率协同提高的施氮量为300 kg hm^-2, 产量可达13.0 t hm^-2。

基于特征波段选择和机器学习的小麦白粉病高光谱遥感监测

冯子恒, 李晓, 段剑钊, 高飞, 贺利, 杨天聪, 戎亚思, 宋莉, 尹飞, 冯伟

作物学报. 2022, (9):  2300-2314.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11089

摘要 ( 1310 )   HTML ( 20 )   PDF (12135KB) ( 257 )  

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白粉病严重危害小麦生长及制约产量形成, 精确监测该病害对精确防控及保障国家粮食安全具有重要意义。在小麦孕穗、开花和灌浆期使用地物高光谱仪获取小麦冠层光谱数据, 利用一阶导数(FD)、二阶导数(SD)、对数变换(LOG)、倒数变换(1/R)和连续去除法(CR)对原始光谱(OR)进行光谱变换, 基于CARS算法和SPA算法相结合对五种变换的光谱数据和原始光谱进行特征波段提取, 进而利用偏最小二乘回归(PLSR)、岭回归(RR)和高斯过程回归(GPR)建模方法确立小麦白粉病病情指数(mDI)监测模型。结果表明, 一阶导数在Pearson相关性、两波段优化组合以及机器学习方法建模中, 综合表现最好, 是一种处理病害光谱数据的较好预处理方法。经过光谱数据变换后, 再使用CARS-SPA算法可以更有效的提取特征波段, 特征波段为411、450、476、543、561、594、624、671、726、780、835和950 nm。在不同机器学习建模方法对比中, 高斯过程回归(GPR)模型表现最佳, 其次为岭回归(RR)和偏最小二乘法回归(PLSR)。其中, 一阶导数结合GPR模型的估算精度最高, 建模集和验证集的平均R²为0.805, RMSE和MAE分别为2.532和2.164, 相较于OR-GPR模型, R²提升12%, RMSE和MAE分别降低19.6%和17.6%, 表明GPR模型在小麦白粉病监测中具有良好的估算能力。可见, 使用一阶导数预处理光谱数据, 采用CARS-SPA结合算法提取特征波段, 再利用高斯过程回归建模方法能够提升小麦白粉病遥感监测精度。研究结果为实现遥感监测作物病害提供了思路与方法。

除草型麻地膜在水稻秧田的应用及对水稻的影响

邬腊梅, 杨浩娜, 王立峰, 李祖任, 邓希乐, 柏连阳

作物学报. 2022, (9):  2315-2324.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12054

摘要 ( 917 )   HTML ( 12 )   PDF (620KB) ( 145 )  

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为了明确除草型育秧麻地膜对秧田杂草的防控效果及对水稻的安全性, 为集中育秧提供有效的杂草防控措施, 本研究采用培养皿法和小区实验研究了五氟磺草胺、苄嘧磺隆、吡嘧磺隆、丙草胺四种除草剂附着于麻地膜上对稗草和水稻出苗、秧苗生长及杂草防控效果和水稻产量的影响。室内生物测定结果显示, 24~96 h内, 五氟磺草胺、苄嘧磺隆、吡嘧磺隆和丙草胺均能不同程度抑制稗草和水稻种子萌发, 且对稗草种子萌发的抑制率高于水稻种子; 96 h时, 五氟磺草胺、苄嘧磺隆、吡嘧磺隆3种药剂高剂量处理下的稗草和水稻呈现不同程度的中毒症状, 主要表现为抑制根和芽生长及鲜重降低; 高剂量丙草胺下, 稗草和水稻均死亡。在此基础上, 2018—2020年通过田间试验研究了五氟磺草胺15 g a.i. hm^-2、苄嘧磺隆30 g a.i. hm^-2、吡嘧磺隆15 g a.i. hm^-2附着麻地膜时对秧田杂草的控制效果及对水稻的安全性, 结果显示, 除草剂附着的麻地膜对秧田杂草的防控效果比较理想, 株防效达80%~90%, 与对照药剂丙草胺相当; 在水稻安全性方面, 3种除草剂附膜30 d时, 对水稻秧苗的株高和鲜重均有一定的促进作用; 产量上, 施药区稻谷千粒重和每公顷产量均增加, 2018年增产率为0.57%~2.13%, 2019年和2020年增产率分别为0.55%~1.70%和2.87%~6.21%, 与对照药剂丙草胺相当。水稻育秧中可采用五氟磺草胺、苄嘧磺隆、吡嘧磺隆附着麻地膜育秧膜控制田间杂草, 在合理剂量范围内对秧苗安全, 不影响水稻产量, 在集中育秧中应用前景广阔。

外源钼对水稻产量形成及氮素利用的影响

陈志青, 冯源, 王锐, 崔培媛, 卢豪, 魏海燕, 张海鹏, 张洪程

作物学报. 2022, (9):  2325-2338.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12043

摘要 ( 1084 )   HTML ( 31 )   PDF (370KB) ( 662 )  

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为探明纳米钼和离子钼对水稻产量形成和氮素利用的影响, 以南粳9108为试验对象, 采用盆栽试验研究了纳米钼和离子钼在0、180、225、270和315 kg N hm^-2条件下对水稻的产量、产量构成、干物质积累及氮素积累利用的影响。研究结果表明, 纳米钼和离子钼的施用均能有效提高水稻产量。相同氮肥施用水平下, 施用纳米钼处理的水稻产量均显著高于施用离子钼处理。水稻生育后期叶面积指数和干物质的积累量显著高于施用离子钼处理。施用纳米钼能够改善水稻生育后期干物质形成, 提高抽穗后剑叶SPAD值、光合势和净光合速率, 有效促进了水稻生育后期干物质的合成及在籽粒中的积累, 最终实现促进水稻增产的目的。相同氮肥施用水平下, 离子钼和纳米钼的施用均提高了水稻各器官的氮浓度和氮积累量, 并促进了氮肥偏生产力、氮素农学利用率、氮素生理利用率和氮素吸收利用率的提高。

不同品种小麦灌浆期旗叶光合特性及光合基因表达对臭氧浓度升高的响应

曹际玲, 曾青, 朱建国

作物学报. 2022, (9):  2339-2350.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11065

摘要 ( 1040 )   HTML ( 25 )   PDF (589KB) ( 583 )  

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利用开放式臭氧(O₃)浓度升高平台, 以不同小麦品种(烟农19和扬麦16)为供试作物, 研究了O₃浓度升高条件下不同品种灌浆期叶片光合特性和光合基因表达的差异。结果表明, 与对照处理相比, O₃浓度升高处理达75 d导致小麦灌浆期叶片光合响应参数表观量子效率、最大净光合速率和叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量下降, 使得小麦灌浆期叶片总可溶性糖、蔗糖、果糖、葡萄糖含量增加。通过荧光定量PCR测定发现, O₃浓度升高还引起小麦叶片叶绿体编码基因psaA、psbA和rbcL基因表达下调。不同小麦品种光合生理指标和叶绿体基因表达水平的变化幅度不同, 烟农19的响应幅度均大于扬麦16。该研究结果可为O₃污染环境下不同小麦品种光合响应差异机制和小麦耐性品种的选育提供理论依据。

不同太子参品种对连作胁迫差异响应及种内间作效应分析

林志敏, 秦贤金, 吴红淼, 庞孜钦, 林文雄

作物学报. 2022, (9):  2351-2365.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14145

摘要 ( 802 )   HTML ( 24 )   PDF (4542KB) ( 217 )  

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探索药用植物环境友好型的连作障碍消减技术是促进中药农业可持续发展的重要路径。本研究首先应用ISSR分子标记技术分析了8个引自我国不同道地产区的栽培品种的遗传多态性, 以明确供试品种的遗传差异。2017—2019年, 以上述鉴定具有明显差异的不同来源8个太子参品种为供试材料, 应用高效气相色谱(HPLC)、高通量测序(HTS)、实时荧光定量PCR (qRT-PCR)和作物生理学等研究方法, 探索其在福建柘荣太子参主要产区的环境适应性及其对连作栽培的响应。在此基础上, 选用其中有代表性的2个主栽品种进行种内间作栽培, 研究种内间作对重茬太子参生长的影响及其根际微生态变化机制。研究结果表明, 供试的8个不同来源太子参品种在福建柘荣太子参主产区的生长表现各异。在头茬条件下, 柘参1号、抗病1号和黔太子参1号产量表现最高, 江苏句容和宣参1号2个品种产量表现最低。与头茬太子参相比, 连作导致苗期和收获期太子参株高降低、根长和最大根围变小、块根缩短以及地上(地下)部鲜重明显下降, 最终使单一块根重减小而减产。就药用品质而言, 与头茬太子参相比, 连作引起太子参主要药用成分的总多糖和环肽B含量均显著下降, 而总皂苷的含量显著上升; 其中, 柘参2号(ZS II)在这些活性成分变化上表现尤为突出。本研究证实, 异地换种并与当地主栽品种合理间作, 可以有效减轻再植病, 进而提升重茬太子参的产量与品质。进一步分析结果发现, 产生这一间作效应与根际土壤微生物多样性提高有关, 即太子参种内间作栽培能显著降低尖孢镰刀菌属等病原菌, 同时提高假单胞杆菌等有益菌群丰度, 进而改善根际土壤微生物结构及其功能多样性。因此, 深入挖掘多品种药用植物种内间作的协同效应潜力、构建与之相适应的配套栽培技术是实现中药农业可持续发展的关键。

施氮量对夏玉米籽粒灌浆特性和内源激素作用的影响

张振博, 屈馨月, 于宁宁, 任佰朝, 刘鹏, 赵斌, 张吉旺

作物学报. 2022, (9):  2366-2376.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13056

摘要 ( 1152 )   HTML ( 27 )   PDF (509KB) ( 1451 )  

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为探究施氮量对夏玉米籽粒灌浆特性和内源激素含量与平衡的影响, 试验以登海518 (Denghai 518, DH518)为供试材料, 于2018—2019年大田条件下设置不施氮处理(N0)、少量施氮(N1: N 129 kg hm^-2)、适量施氮(N2: N 184.50 kg hm^-2)和过量施氮(N3: N 300 kg hm^-2) 4个施氮量处理。结果表明: 随着施氮量增加, 籽粒达到最大灌浆速率的天数(T_max)逐渐缩短, 灌浆速率最大时的生长量(W_max)、最大灌浆速率(G_max)增加, 籽粒灌浆活跃期(P: the active grain filling stage)延长, 同时脱水速率增快, 籽粒灌浆特性改善, 最终籽粒干重增加, 产量显著提高, 但过量施氮, 籽粒灌浆受到不良影响, 产量降低。在籽粒内源激素含量达到峰值时, N2处理的吲哚-3-乙酸(IAA)含量较N0处理2年分别显著增加66.35%、88.99%, 玉米素核苷(ZR)含量2年分别显著增加7.45%、14.60%, 赤霉素(GA₃)含量2年分别显著增加24.73%、32.26%, 但脱落酸(Abscisic acid, ABA)含量2年分别显著降低15.57%、10.95%; 而N3较N2处理IAA、ZR、GA₃含量有所降低, 但ABA含量有所增加。结合籽粒灌浆特性和内源激素含量相关性分析可知, W_max与ZR/ABA呈现显著正相关, 与ABA呈现显著负相关; P与IAA/ABA、GA₃/ABA呈现显著正相关。可见, 适量施氮(N2: N 184.50 kg hm^-2)可协调籽粒内源激素含量与平衡, 进而促进籽粒灌浆, 提高产量。

离体饲养下HgCl₂影响水稻叶片光合特性及其生理机制研究

王权, 王乐乐, 朱铁忠, 任浩杰, 王辉, 陈婷婷, 金萍, 武立权, 杨茹, 尤翠翠, 柯健, 何海兵

作物学报. 2022, (9):  2377-2389.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12057

摘要 ( 1082 )   HTML ( 17 )   PDF (3535KB) ( 467 )  

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HgCl₂作为水通道蛋白专用抑制剂, 可有效量化水通道蛋白和叶片结构对光合作用的贡献度, 对认识提高作物光合作用的潜在途径具有重要意义。然而, 有关抑制叶片水通道蛋白的HgCl₂浓度和时长尚不清楚。本研究以水稻品种Y两优900和徽两优898为试材, 采用HgCl₂溶液离体饲养水稻叶片(叶龄余数为2), 设置不同处理浓度: 0、100、200、300和500 µmol L^-1及不同处理时间: 0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4和4.5 h。研究表明, 不同浓度和处理时长对叶片相对含水量无显著影响(P>0.05)。随着浓度增加, 叶片SPAD值、净光合速率和气孔导度呈明显降低趋势。与对照相比, 浓度为100 µmol L^-1时长2 h时的净光合速率降低至最低值(62.33%), 随着处理时间延长, 光合速率趋于稳定。当浓度>100 µmol L^-1时, 随着处理时长增加, 净光合速率持续降低, 且超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量均显著增加(P<0.05), 表明浓度>100 µmol L^-1, 处理时间较长时, HgCl₂溶液能对叶片活体造成伤害。与活体测量相比, 叶片净光合速率离体稳定数值降幅约15%~20%, 因而离体叶片测量光合速率乘以1.25~1.33的矫正系数, 可能较准确反映水稻叶片活体原位测定的光合指标。此外, 100 µmol L^-1 HgCl₂显著降低水稻叶片水通道蛋白基因表达。这些结果表明, HgCl₂高效安全抑制水稻水通道蛋白的最佳组合为100 µmol L^-1下饲养2 h。

研究简报

高度特异性小麦ATG8抗体的研制及其在细胞自噬检测中的应用

李永波, 崔德周, 黄琛, 隋新霞, 樊庆琦, 楚秀生

作物学报. 2022, (9):  2390-2399.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11070

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细胞自噬是一种进化上高度保守的溶酶体/液泡降解途径, 对机体适应各种生物或非生物胁迫, 以及维持自身正常生长发育具有重要的意义。自噬相关蛋白8 (autophagy-related protein 8, ATG8)是检测自噬的金标准。目前由于缺乏特异性好的小麦ATG8抗体, 导致小麦细胞自噬研究进展缓慢。本研究通过人工合成小麦ATG8蛋白序列上的一段18个氨基酸的多肽作为抗原去免疫兔子, 成功获得了高度特异性的小麦ATG8多克隆抗体。该抗体不仅能够识别小麦根、叶及种子中的ATG8蛋白条带, 而且可以在根、叶中检测到细胞自噬结构, 并首次在小麦籽粒中实现了细胞自噬结构的检测。本研究研制的小麦ATG8抗体, 除了能够检测到小麦中常见的ATG8a-h等8种典型类型外, 还能检测到一种非典型的新的ATG8蛋白, 为深入开展植物细胞自噬调控机制研究以及优异新基因挖掘提供了最佳方法学基础。

小麦花后穗部温度变化规律及其与产量的关系

王云奇, 高福莉, 李傲, 郭同济, 戚留冉, 曾寰宇, 赵建云, 王笑鸽, 高国英, 杨佳鹏, 白金泽, 马亚欢, 梁月馨, 张睿

作物学报. 2022, (9):  2400-2408.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11075

摘要 ( 1042 )   HTML ( 22 )   PDF (504KB) ( 595 )  

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小麦的体温是反映小麦生态生理状态的重要参数, 尽管目前已经从冠层温度的角度对小麦的体温进行了一系列研究, 但是小麦花后穗部温度变化规律及其与产量的关系尚不清楚。因此, 该研究以本课题筛选的抗旱性差异显著的6个品种为研究对象, 调查开花期、花后7、14、21和28 d及成熟期穗部温度, 测定穗光合对产量的贡献率、穗粒数、千粒重、穗粒重和产量。研究发现开花期强抗旱品种旗叶SPAD值显著高于弱抗旱品种; 不同品种穗部温度均表现出先降低而后升高的变化趋势, 强抗旱品种最低值小于弱抗旱品种, 且强抗旱品种和中抗旱品种最低值出现时间推迟1周左右; 强抗旱品种穗光合对产量的贡献率、穗粒数、千粒重、穗粒重和产量显著高于中抗旱品种和弱抗旱品种; 开花期旗叶SPAD值、花后7 d穗部温度与产量及产量要素呈现正相关关系, 而花后其他时期穗部温度与产量及产量要素有负相关关系, 且强抗旱品种的相关性强于弱抗旱品种。因此, 穗部温度可以作为抗旱高产品种选育的参考指标。该研究不仅丰富了小麦抗旱高产理论, 而且创新了小麦品种生理育种方法。

基于GEE云平台与Sentinel数据的高分辨率水稻种植范围提取——以湖南省为例

桑国庆, 唐志光, 毛克彪, 邓刚, 王靖文, 李佳

作物学报. 2022, (9):  2409-2420.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12066

摘要 ( 2065 )   HTML ( 76 )   PDF (8767KB) ( 597 )  

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准确获取大范围的水稻种植空间分布信息对调整农业生产结构和保障粮食安全至关重要。本文以湖南省为研究区, 基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine, GEE)云平台, 协同Sentinel-1 SAR和Sentinel-2 MSI数据, 根据水稻物候期极化(vertical transmit/horizontal receive, VH)后向散射系数、增强型植被指数(enhanced vegetation index, EVI)的变化特征构建水稻提取决策树模型, 开展高分辨率水稻种植范围遥感提取, 并进行精度验证。结果表明: 本模型能够准确实现多云多雨地区的水稻种植范围遥感制图; 基于混淆矩阵计算水稻总体分类精度为93.97%, Kappa系数为0.908, 单、双季稻F1-score均超过91%, 可为亚热带多云雨且稻田破碎分布区的水稻种植范围遥感提取提供参考。湖南省水稻分布受地形和气温的影响明显, 主要分布在海拔200 m以下, 坡度小于6°, 年均气温大于17℃的区域; 双季稻集中分布在岳阳、常德和益阳市, 而单季稻种植分布相对零散。