当期目录

2022年 第48卷 第11期 刊出日期：2022-11-12

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作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

矮败小麦技术体系在黄淮冬麦区南片抗赤霉病育种中的应用

周阳, 张宏军, 王晨阳, 李洪杰, 买春艳, 杨丽, 刘宏伟, 于立强, 于广军, 刘秉华

作物学报. 2022, (11):  2683-2690.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.21017

摘要 ( 539 )   HTML ( 44 )   PDF (314KB) ( 641 )  

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矮败小麦是一个便利的杂交育种工具材料。我们在育种实践中不断对矮败小麦技术体系进行改进, 改进后的矮败小麦技术体系包括创制矮败小麦骨干亲本、围绕骨干亲本构建大规模有限回交育种群体、分子标记辅助选择、单倍体育种应用和异地加代技术几项主要内容。利用该技术体系, 以黄淮冬麦区高产抗赤霉病为主要育种目标进行了育种实践, 成功将抗赤霉病基因Fhb1快速导入黄淮冬麦区小麦品种遗传背景, 比常规育种方法提前2~3年育成了高产、中抗赤霉病、适宜黄淮冬麦区种植的小麦新品系, 显著提高了高产抗赤霉病育种效率。

玉米叶夹角性状的全基因组关联分析与关键位点优异等位变异挖掘

秦文萱, 鲍建喜, 王彦博, 马雅杰, 龙艳, 李金萍, 董振营, 万向元

作物学报. 2022, (11):  2691-2705.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.23019

摘要 ( 1055 )   HTML ( 60 )   PDF (7109KB) ( 590 )  

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玉米叶夹角是冠层结构的重要组成之一, 可直接影响光和CO₂在冠层的分布及群体的光能利用效率, 从而影响玉米产量。为解析玉米叶夹角的遗传基础, 挖掘与玉米叶夹角性状相关的SNP位点和候选基因, 本研究利用854份玉米自交系作为关联群体, 在5个环境下对玉米穗位上1叶(ULA1)、上2叶(ULA2)和上3叶(ULA3)的叶夹角性状进行测定和统计分析, 并分别利用均匀分布于玉米基因组10条染色体的2795个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)标记进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)。基于FarmCPU算法, 共检测到81个与叶夹角性状显著关联的SNP, 其中与ULA1性状显著关联的SNP为26个, 解释的表型变异率在0.03%~ 9.68%; 与ULA2性状显著关联的SNP为27个, 解释的表型变异率在0.06%~9.30%; 与ULA3性状显著关联的SNP为28个, 解释的表型变异率在0.01%~8.23%。进一步鉴定出17个可被重复检测到的高可信显著关联SNP, 其中3个SNP关联区间为本研究首次报道, 14个SNP标记位于前人已定位QTL置信区间或/和已知叶夹角显著SNP标记1 Mb之内, 9个SNP标记可与不同节位叶夹角性状同时显著关联。鉴定出7个PVE > 5%的主效SNP, 通过等位变异效应分析进一步挖掘出9份聚合7个主效位点优异等位变异、叶夹角性状显著降低的优异种质资源。在17个高可信显著SNP候选区间共鉴定出131个候选基因, 其中1号染色体PZE-101039301 标记下游70 kb存在调控叶夹角的已知基因DRL1, 其他候选基因均尚未验证其调控玉米叶夹角的功能。本研究采用GWAS策略所挖掘玉米叶夹角遗传位点和候选基因有助于揭示叶夹角的遗传机制, 并为今后克隆玉米叶夹角调控基因提供理论指导, 所鉴定优异等位变异和种质资源有助于利用分子标记辅助选择改良叶夹角性状和提高玉米产量。

大豆多基因编辑表达载体的构建及应用

陈向前, 姜奇彦, 孙现军, 牛风娟, 张慧媛, 胡正, 张辉

作物学报. 2022, (11):  2706-2714.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14220

摘要 ( 691 )   HTML ( 37 )   PDF (2091KB) ( 562 )  

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大豆基因家族往往存在多个功能相似的基因, 开发多基因编辑载体对多基因或基因家族进行编辑, 对遗传转化效率低的大豆的基因编辑及基因功能研究具有重要的应用价值。本研究利用大豆特有的不同U6启动子驱动表达sgRNA, 利用载体上同尾酶将不同大豆U6启动子表达的sgRNA进行串联, 成功构建了可以同时对大豆多个基因进行编辑的CRISPR/Cas9多基因编辑表达载体pCambia3301-Cas9-GmU6n-gDNAn。并利用该载体, 在大豆发状根中成功实现了大豆GRF (Growth-Regulating Factor)基因家族不同成员同时被编辑的目的。该载体的创建有效提高了大豆基因编辑效率, 为大豆基因编辑及基因功能研究提供重要的工具。

广西野生稻Y11抗白背飞虱QTL定位

杨明, 李丹婷, 范德佳, 谭嵩娟, 程遐年, 刘裕强, 万建民

作物学报. 2022, (11):  2715-2723.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12040

摘要 ( 402 )   HTML ( 20 )   PDF (8191KB) ( 253 )  

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白背飞虱是危害水稻生产最严重的害虫之一。培育抗性品种是防治白背飞虱最经济有效的措施。本研究发现广西野生稻‘Y11’高抗白背飞虱, ‘Y11’植株上白背飞虱的数量及存活率均显著低于感虫品种‘广恢998’, 表现出较强的排趋性和抗生性。为解析‘Y11’抗白背飞虱的遗传基础, 以‘Y11’为供体亲本, 籼稻品种‘广恢998’为轮回亲本, 构建了BC₃F₉回交重组自交系群体, 并完成了该群体白背飞虱苗期抗性鉴定及全基因组连锁图谱的构建, 进行了抗白背飞虱QTL (quantitative trait locus)检测。结果发现, 在水稻2号、6号和11号染色体上检测到3个抗性位点, 分别命名为qWBPH2^Y11, qWBPH6^Y11和qWBPH1^Y11, 其LOD值分别为4.8、2.5和3.7, 分别解释表型变异的9.3%、2.3%和5.6%, 且3个QTL的抗性等位基因均来自于广西野生稻‘Y11’。进一步从BC₃F₉回交群体中挑选携带qWBPH2位点的家系继续与‘广恢998’回交2次, 经标记辅助选择, 获得了qWBPH2的近等基因系, 近等基因系的白背飞虱抗性显著高于背景亲本‘广恢998’。上述抗白背飞虱QTL的定位及近等基因系的构建, 为抗性基因克隆及通过分子标记辅助选择培育抗性品种奠定了基础。

花生籽仁脂肪和蔗糖含量的胚、细胞质、母体遗传效应分析

胡美玲, 薛晓梦, 吴洁, 郅晨阳, 刘念, 陈小平, 王瑾, 晏立英, 王欣, 陈玉宁, 康彦平, 王志慧, 淮东欣, 姜慧芳, 雷永, 廖伯寿

作物学报. 2022, (11):  2724-2732.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14201

摘要 ( 365 )   HTML ( 9 )   PDF (420KB) ( 170 )  

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脂肪和蔗糖含量是影响花生品质的重要因素, 了解其遗传特性是开展花生品质改良的理论基础。本研究利用5份脂肪含量和蔗糖含量存在显著差异的花生品系配置不完全双列杂交, 采用广义遗传模型对籽仁中脂肪和蔗糖含量的胚、细胞质和母体遗传效应进行分析。结果表明, 脂肪含量主要受胚加性效应控制, 其次为母体加性效应; 蔗糖含量主要受母体加性效应控制。相关性分析发现, 花生籽仁中脂肪含量和蔗糖含量显著负相关(r = -0.886^**), 其中以胚加性相关和细胞质相关为主。杂交亲本遗传效应预测值表明, 高脂肪含量品系18-1951和高蔗糖含量品种冀花甜1号是优良的供体亲本, 以其为亲本, 分别有利于提高花生籽仁的脂肪和蔗糖含量。

草棉不同倍性材料叶片转录组差异表达分析

杨亚杰, 李昱樱, 申状状, 陈天, 荣二花, 吴玉香

作物学报. 2022, (11):  2733-2748.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14168

摘要 ( 463 )   HTML ( 16 )   PDF (595KB) ( 435 )  

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通过转录组测序筛选草棉同源多倍体与二倍体相比差异表达基因, 为同源多倍体的表型变化及其染色体加倍过程中遗传物质的变化提供基因表达水平的依据。本研究以草棉二倍体(CK)和同源多倍体后代为材料, 通过流式细胞仪鉴定出同源三倍体(T)和同源四倍体(M)植株, 比较同源四倍体与二倍体的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、脯氨酸和可溶性蛋白含量生理指标, 并进行转录组测序分析。草棉同源四倍体叶片的SOD、POD、CAT、脯氨酸和可溶性蛋白含量均显著高于二倍体。DESeq差异分析结果表明, CK vs T、T vs M、CK vs M分别有4166 (2832个上调, 1334个下调)、4037 (1766个上调, 2271个下调)、4184 (2679个上调, 1505个下调)个DEGs, 有205个DEGs是不同倍性植株两两比较的3组间共同表达的。GO功能分析表明, DEGs在膜的固有成分、膜的组成部分、催化活性等途径差异显著。KEGG富集分析表明, DEGs在类黄酮生物合成、苯丙烷生物合成、光合作用-天线蛋白等通路较为活跃。通过富集分析筛选CK vs T和CK vs M中与倍性相关的DEGs发现, 多倍体在应激反应(62.46%和54.84%)、逆境反应(57.42%和53.85%)、细胞(70.16%和66.22%)、代谢(72.73%和66.14%)、生物活性物质和抗性(60.33%和63.37%)、光合(58.06%和63.16%)等方面的差异基因大都是上调表达, 这可能是导致多倍体优势的关键因子。Nr注释信息CK vs M中共获得27个与抗性相关的基因(19个上调, 8个下调), 11个与光合相关的基因(9个上调, 2个下调)。对不同倍性草棉与光合相关的27个DEGs进行聚类分析发现, 18个(66.67%)基因在四倍体中表达丰度最高。对3组间共同表达的205个DEGs进行Nr注释和表达情况分析发现, 有30个基因都表现为上调表达, 且在四倍体中表达量最高, 7个基因都表现为下调表达, 且在四倍体中表达量最低, 这37个基因可能是受DNA剂量影响或是与植株倍性相关的基因。研究结果进一步表明多倍体植株在抗性、生长势、新陈代谢以及光合速率方面均优于二倍体。

铝胁迫下甘蓝型油菜苗期光合相关性状的QTL定位及候选基因筛选

吴家怡, 袁芳, 孟丽姣, 李晨阳, 史红松, 白岩松, 武晓如, 李加纳, 周清元, 崔翠

作物学报. 2022, (11):  2749-2764.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14225

摘要 ( 476 )   HTML ( 15 )   PDF (1039KB) ( 477 )  

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随着土壤酸化的加剧, 土壤中的Al³⁺已成为限制光合作用、影响作物生长和产量的主要因素之一。本文以2400 µmol L^-1铝溶液处理由甘蓝型油菜品种中双11号及10D130构建的高世代重组自交系(RIL)群体为研究对象, 测定油菜铝毒胁迫下油菜苗期光合能力和叶绿素荧光相关性状, 计算其相对值(处理/对照)并定位其QTL, 根据QTL置信区间筛选合适的候选基因。研究结果表明, 光合能力性状间和叶绿素荧光参数间分别都存在着显著相关, 但是光合能力参数和叶绿素荧光参数之间相关性不显著; 除相对T_r外, 其余10个性状(相对P_n、相对G_s、相对C_i、相对Φ_PSII、相对F_v/F_o、相对F_v'/F_m°、相对q_P、相对ETR、相对NPQ和相对干重)共检测到16个与铝胁迫和光合相关性状QTL位点, 分别位于A03、A05、A06、A08、A09、A10、C02和C09染色体上, LOD值介于2.05~3.18, 能够解释的表型变异为8.1%~12.3%, 其中在A03染色体106.038~109.129 cM位置上, 相对G_s与相对F_v°/F_m°的位点完全重合, A06染色体上145.355~167.417 cM处检测到相对Φ_PSII和相对ETR的QTL置信区间完全重合。筛选到47个可能与抗铝胁迫及光合相关的候选基因, 涉及到有机酸分泌、金属离子转运、激素调节、启动抗氧化保护以及叶绿体自身调节、磷元素摄入调节等方面。本研究为油菜铝抗性及相关光合基因功能挖掘和油菜耐铝高光合品种选育奠定基础。

ChIP-seq分析花生中AhGLK1与AhHDA1调控的下游靶基因网络

刘星, 苏良辰, 李丽梅, 李玲

作物学报. 2022, (11):  2765-2773.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14143

摘要 ( 473 )   HTML ( 23 )   PDF (4758KB) ( 268 )  

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花生(Arachis hypogaea L.)是重要的经济油料作物, 其生长发育、产量与品质受干旱影响。为深入了解花生的抗旱机理, 本研究通过ChIP-seq对组蛋白去乙酰化酶AhHDA1和转录因子AhGLK1富集的DNA序列进行分析, 揭示两者调控的下游靶基因网络。通过比对分析, GLK-IP获得6571万clean beads, HDA-IP获得6390万clean beads, Input获得7006万clean beads, 唯一比对率分别为74.97%、76.81%和76.75%。GLK-IP获得714个peak, HDA-IP获得543个peak。Peak在基因的外显子、内含子、上游、下游和基因间等功能元件均有分布。GO富集结果显示, AhGLK1-IP和AhHDA1-IP的peak相关基因在分子功能中的富集分别为35.1%和32.8%, 在生物学过程中的富集分别为39.3%和44.2%, 在细胞组分中的富集分别为25.5%和22.8%。KEGG信号通路富集结果显示, AhGLK1-IP相关基因显著富集在“代谢途径(metabolic pathways)”、“抗生素生物合成(biosynthesis of antibiotics)”、“二羧酸代谢(glyoxylate and dicarboxylate metabolism)”、“不同环境中微生物代谢(microbial metabolism in diverse environments)”、“碳代谢(carbon metabolism)”、“次生代谢生物合成(biosynthesis of secondary metabolites)”和“氨基酸生物合成(biosynthesis of amino acids)。而AhHDA1-IP相关基因在“N聚糖生物合成(N-glycan biosynthesis)”、“精氨酸和脯氨酸代谢(arginine and proline metabolism)”和“苯丙氨酸代谢(phenylalanine metabolism)”通路显著富集。AhGLK1-IP和AhHDA1-IP共同富集的peak有4个, 在AhGLK1-IP和AhHDA1-IP特异富集的基序(motif)中存在共同的保守序列AGAA/T。研究结果为深入认识AhGLK1和AhHDA1基因的功能和了解花生响应干旱胁迫和旱后恢复生长中的调控机制具有参考价值。

小豆Dirigent基因家族鉴定及锈菌侵染对不同成员表达的影响

柯希望, 苑梦琦, 徐晓丹, 殷丽华, 郭永霞, 左豫虎

作物学报. 2022, (11):  2774-2785.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14189

摘要 ( 364 )   HTML ( 21 )   PDF (1790KB) ( 108 )  

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为明确Dirigent (DIR)基因在小豆抗锈病中的作用,采用生物信息学方法,对小豆DIR基因家族(VaDIRs)进行了全基因组鉴定,结果发现小豆中共有33个DIR基因,其中29个成员分别定位在8条染色体上,系统进化分析表明,VaDIRs包括DIR-a、DIR-b/d、DIR-e和DIR-f四个亚家族,对VaDIRs成员启动子区顺式作用元件的分析发现,VaDIRs启动子区均包含激素、病原体应答等元件。对小豆抗锈病品种接种后不同时间的转录组数据分析发现,差异表达基因中共有17个VaDIRs成员,其中6个于接种后24 h显著上调,2个于接种后24 h和48 h均高量表达。进一步应用qRT-PCR技术对上述8个基因在抗、感品种中应答锈菌侵染的表达分析表明,高抗品种中VaDIR14、VaDIR16和VaDIR33的表达量在锈菌侵染不同阶段均显著高于感病品种。上述结果表明,VaDIRs家族成员可作为正调节因子参与小豆对锈病的抗性。

蚕豆SSR标记遗传多样性及与淀粉含量的关联分析

刘玉玲, 张红岩, 滕长才, 周仙莉, 侯万伟

作物学报. 2022, (11):  2786-2796.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14190

摘要 ( 404 )   HTML ( 15 )   PDF (6552KB) ( 138 )  

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淀粉是蚕豆籽粒碳水化合物中含量最丰富的一类。淀粉含量会影响其物理和化学性质, 从而影响蚕豆的品质和用途。了解蚕豆品种的遗传多样性, 寻找与蚕豆淀粉含量紧密连锁的分子标记, 对蚕豆分子标记辅助育种具有重要意义。本研究以260份蚕豆种质为供试材料, 测定了2019和2020两年的总淀粉含量、直链淀粉含量和支链淀粉含量。利用具有显著多态性的132对SSR标记对260份蚕豆材料进行遗传多样性分析与群体遗传结构分析, 并采用Tassel 2.1软件的GLM和MLM两种模型进行标记与淀粉含量的关联分析。结果显示, 表型性状的变异系数变幅为13.21%~20.52%, 平均值为14.85%, 表明供试群体具有一定的表型多样性。132个标记在260份蚕豆材料中共检测到629个多态性位点, 各位点的平均等位基因数为4.77个, 变异范围为2~11个。多态性信息量(PIC)值在0.0385~0.7772之间, 平均为0.4935, PIC值大于平均数的约占50%, 表明本研究选用标记基因多样性较高。聚类分析将260份材料划分为3个类群, 第I类群包括42份材料, 第II类群包括59份材料, 第III类群包括159份材料, 划分结果体现了蚕豆品种间的亲缘关系。群体遗传结构分析将260份材料划分为2个亚群, 表明供试群体结构相对单一, 有利于关联分析。基于GLM和MLM模型, 2年均分别检测到8个与总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量极显著(P<0.01)的关联标记, 单个标记对表型变异的解释率分别为4.54%~9.04%和2.69%~10.39%。SSR-10927标记与支链淀粉含量在2年和2种模型中均显著(P<0.05)关联, 且与总淀粉含量在2019年中的2种模型及2020年的MLM模型中显著(P<0.05)关联, 检出率最高。此研究结果为蚕豆分子标记辅助选择育种以及亲本材料选配奠定了理论基础。

马铃薯BBX基因家族的全基因组鉴定及表达分析

马文婧, 刘震, 李志涛, 朱金勇, 李泓阳, 陈丽敏, 史田斌, 张俊莲, 刘玉汇

作物学报. 2022, (11):  2797-2812.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14199

摘要 ( 612 )   HTML ( 35 )   PDF (10466KB) ( 955 )  

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B-box (BBX)基因家族是一类锌指蛋白转录因子, 在植物生长发育过程中起重要作用。本研究鉴定了30个马铃薯BBXs家族成员, 对其理化性质、染色体定位、基因结构、蛋白保守结构域、基因重复事件、表达模式和蛋白互作网络进行了分析。结果表明, 30个StBBX基因家族成员不均匀的分布在11条染色体上。通过对其基因结构和系统发育特征的分析, 将30个StBBXs分为5个亚类。共线性分析表明, 马铃薯StBBXs与拟南芥AtBBXs间存在15对直系同源基因。利用PGSC数据库下载的RNA-seq数据, 分析了BBX基因家族在双单倍体(DM)马铃薯不同组织部位、非生物胁迫和外源激素处理下的表达。此外, 本研究对3种不同颜色块茎的马铃薯品种的薯皮和薯肉进行了RNA-seq, 研究了StBBXs在不同颜色的薯皮和薯肉中的表达模式, 分析了它们与花色素苷合成关键基因表达之间的相关性。利用String数据库构建了在彩色块茎中差异表达的StBBXs基因的蛋白互作网络。这些结果为进一步了解StBBX基因家族以及进一步分析StBBX基因在马铃薯非生物胁迫耐受和花青素生物合成中的功能提供了理论依据。

基于高密度遗传图谱对水稻粒形QTL定位及分析

宋博文, 王朝欢, 赵哲, 陈淳, 黄明, 陈伟雄, 梁克勤, 肖武名

作物学报. 2022, (11):  2813-2825.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12069

摘要 ( 556 )   HTML ( 32 )   PDF (1758KB) ( 685 )  

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通过对水稻粒形相关性状进行QTL定位和不同位点的聚合效应分析, 为后续辅助育种、粒形相关基因的精细定位奠定基础。在3个不同的季节种植籼稻品种魔大穗与航恢315的192个重组自交系群体, 根据全基因组重测序技术构建的高密度遗传图谱, 利用完备区间作图法(inclusive composite interval mapping, ICIM)定位水稻粒形性状QTL, 并用复合区间作图法(CIM)对结果进行验证。对粒长、粒宽、长宽比、千粒重、谷粒截面积、谷粒周长进行QTL定位, ICIM法和CIM法分别检测到65个和81个QTL, 其中有40个QTL能同时被检测到, 成簇分布于2号、3号、5号、7号、8号、9号染色体上。将其归类为6个QTL簇, 其中Loci5、Loci7、Loci9能被重复定位到, 且控制至少4个性状, 表型贡献率最高分别为15.74%、54.07%、15.89%, 这些位点是后续基因功能研究的候选位点。根据bin标记分型结果将不同子代在各个QTL区间分为航恢315型和魔大穗型, 在重组自交系后代进行聚合效应分析。经处理及数据分析发现聚合增效等位基因数量越多的个体, 其在不同环境对应的表型值也越高。鉴定到携带多个增效等位基因的株系, 可作为育种实践中增效等位基因的供体亲本。

鼓粒期遮光对黑绿豆种皮花青素积累及相关基因表达特性的影响

马超, 冯雅岚, 吴姗薇, 张均, 郭彬彬, 熊瑛, 李春霞, 李友军

作物学报. 2022, (11):  2826-2839.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14172

摘要 ( 379 )   HTML ( 26 )   PDF (3349KB) ( 397 )  

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为明确黑绿豆种皮各花青素组分积累规律和遮光对其的影响, 以普通绿豆和黑绿豆为试验材料, 在大田栽培条件下于花后5 d开始对豆荚进行遮光处理。采用分光光度法结合液相色谱串联质谱的方法测定了2个绿豆种皮中不同时期各种花青素组分的积累, 利用Real-time PCR方法分析了花青素合成结构基因的表达, 并测定了3种花青素合成酶的活性。结果显示, 黑绿豆种皮在花后16 d (S3时期)开始大量积累花青素, 近成熟期时(S4时期)能检测到的花青素组分分别为: 飞燕草色素(88.67%, 主调色素)、矢车菊色素(8.68%)、原花青素(1.05%)、矮牵牛花色素(0.94%)、天竺葵色素(0.34%)和芍药花色素(0.32%)。其中, 3种主要花青素的主调色素组分分别为飞燕草素-3-O-葡萄糖苷(76.61%)、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷(89.17%)、原花青素B3 (28.64%)。Real-time PCR分析表明, 黑绿豆种皮花青素合成结构基因PAL、C4H、4CL、CHS、CHI、F3’H、F3’5’H、DFR、LDOX和UFGT相对表达量显著高于普通绿豆, 其中DFR (371.85倍)、LDOX (44.09倍)和F3’5’H (32.99倍) 的差异表达倍数最大。黑绿豆种皮中PAL、CHI和UFGT的活性也均大于普通绿豆。9个花青素合成的结构基因表达量和2个花青素合成相关酶的活性与多数花青素组分含量和总含量都呈显著正相关关系。11个花青素合成结构基因的表达量和3个花青素合成相关酶活性在遮光条件下均显著降低, 最终导致花青素各组分含量和总量显著降低。研究结果为黑绿豆种皮着色的调控机制解析奠定了基础, 也有助于黑绿豆育种的辅助选择。

耕作栽培·生理生化

聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂对东北春谷光合生产特征及产量的调控效应

王琦, 许艳丽, 闫鹏, 董好胜, 张薇, 卢霖, 董志强

作物学报. 2022, (11):  2840-2852.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14224

摘要 ( 442 )   HTML ( 23 )   PDF (683KB) ( 169 )  

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为探究聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂(polyaspartic acid-chitosan, PAC)对东北春谷光合生产特征及产量的调控效应, 2020—2021年在中国农业科学院作物科学研究所公主岭试验站开展大田试验, 以张杂谷13号(Zhangzagu 13, Z13)和华优谷9号(Huayougu 9, H9)为材料, 设置常规氮素(CN)和PAC配合氮素(PN)的不同施氮量(0、75、112.5、150、225和337.5 kg hm^-2)全基施处理。结果表明, 随氮素用量增加, 两品种谷子旗叶净光合速率、SPAD值、可溶性蛋白含量以及净同化速率、光合势、群体生长率等群体指标均呈先升高后降低趋势。同一氮素用量下, PN处理可提高谷子花后旗叶SPAD值及可溶性蛋白含量, 提高花期及灌浆中期旗叶净光合速率, 同时提高谷子净同化速率、光合势和群体生长率, 促进群体光合产物积累, 且上述各项指标在中、低氮水平(75、112.5及150 kg hm^-2)下提高效果更为显著。PN处理后, Z13在2020年和2021年的增产幅度分别为11.24%~21.55%和8.65%~14.22%, H9两年的增产幅度分别为5.53%~15.75%和10.43%~16.17%。相关性分析表明, 谷子产量与净同化速率、光合势、群体生长率及净光合速率均呈显著或极显著正相关。综上, PAC配合氮肥全基施能提高东北春谷光合生产能力和产量, 可作为我国谷子生产中重要的增产增效技术措施。

我国主要麦区小麦籽粒微量元素含量及营养评价

褚宏欣, 牟文燕, 党海燕, 王涛, 孙蕊卿, 侯赛宾, 黄婷苗, 黄倩楠, 石美, 王朝辉

作物学报. 2022, (11):  2853-2865.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11099

摘要 ( 1079 )   HTML ( 34 )   PDF (762KB) ( 2046 )  

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小麦是重要的粮食作物, 其微量元素含量高低直接影响人体健康。明确我国主要麦区小麦籽粒微量元素含量水平, 对优化小麦微量元素营养品质, 保障居民营养健康有重要意义。于2016—2020年, 在我国17个小麦主产省区采集分析了1112份小麦及土壤样品, 参考《中国营养学会人体微量元素摄入标准》和美国环境保护署健康风险评估方法, 结合我国居民饮食特点, 推荐了小麦籽粒微量元素适宜含量范围, 并以此评价了我国小麦的微量元素营养状况。研究发现, 我国小麦籽粒铁含量平均为43.8 mg kg^-1, 72.9%样本低于铁的推荐量下限50 mg kg^-1, 所有样本铁含量均低于推荐量上限140 mg kg^-1; 籽粒锰含量平均为43.0 mg kg^-1, 仅4.1%样本低于推荐锰含量下限22 mg kg^-1, 但23.7%样本高于推荐上限值50 mg kg^-1; 籽粒铜含量平均为4.6 mg kg^-1, 7.6%样本低于推荐量下限3 mg kg^-1, 所有样本铜含量均低于推荐量上限10 mg kg^-1; 籽粒锌含量平均为31.4 mg kg^-1, 85.8%的样本低于推荐量下限40 mg kg^-1, 仅4.1%样本高于50 mg kg^-1的推荐量上限; 籽粒硼含量平均为1.2 mg kg^-1, 低于推荐量下限0.8 mg kg^-1的样本占29.2%, 所有样本均低于推荐值上限10 mg kg^-1; 籽粒钼含量平均为0.5 mg kg^-1, 18.8%的样本钼含量低于推荐量下限0.2 mg kg^-1, 仅有0.4%样本钼含量高于推荐值上限2 mg kg^-1。我国小麦籽粒微量元素含量也存在区域间变异, 其中, 铁、锌含量普遍偏低, 部分地区硼、钼含量不足, 而锰含量偏高, 铜含量基本在推荐范围内。

单粒精播对中、高产旱地花生群体质量及养分利用的影响

王建国, 耿耘, 杨佃卿, 郭峰, 杨莎, 李新国, 唐朝辉, 张佳蕾, 万书波

作物学报. 2022, (11):  2866-2878.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14212

摘要 ( 373 )   HTML ( 21 )   PDF (565KB) ( 396 )  

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通过分析中、高产旱地花生不同单粒精播种植密度下个体和群体质量、养分吸收等方面的差异, 研究单粒精播增产机制, 以确定中、高产旱地适宜的单粒精播密度, 为花生高产高效栽培提供理论依据。2018年和2019年在山东平度(PD)选取高产旱地、济阳(JY)选取中产旱地, 开展大田试验。设3个单粒精播密度处理, 为27.8、23.8和20.8万株 hm^-2, 株距分别为9.0 cm、10.5 cm和12.0 cm, 编号为SS_9.0、SS_10.5和SS_12.0; 双粒播种株数27.8万株 hm^-2, 株距18 cm, 记为DS_18.0。结果表明, 与双粒播种(DS_18.0)相比, 单粒精播栽培提高了叶片叶绿素含量(SPAD)、净光合速率(P_n)、叶面积指数(leaf area index, LAI), 且LAI峰值较高和持续时间长。单粒精播发挥了单株干物质生产潜力, 提高了群体干物质最大积累速率6.1%~20.7%, 实现了干物质的快速积累。对于高产旱地平度, 成熟期群体干物质积累量大小为SS_12.0>SS_9.0>SS_10.5>DS_18.0, 而中产旱地济阳为SS_9.0>SS_12.0>SS_10.5>DS_18.0; 与DS_18.0相比, 单粒精播栽培群体干物质积累量提高5.4%~14.9%。单粒精播栽培促进了单株和群体对N、P、K、Ca的吸收和积累, 增加了N和P养分向荚果中分配比例, 提高了肥料利用效率。高产旱地中单粒精播栽培通过提高个体生产力, 增加单株饱果个数和百果重, 实现了群体增产13.6%~19.1% (2018年)和15.5%~23.8% (2019年), 适宜单粒精播密度为20.8万株 hm^-2。中产旱地, 单粒精播促进个体健壮和形成高密度的群体优势是实现增产的关键, 增幅8.4%~19.4% (2018年)和13.9%~ 27.8% (2019年), 适宜密度为27.8万株 hm^-2。综上, 高产旱地群体质量和养分吸收量均优于中产旱地。单粒精播栽培模式可充分发挥中、高产旱地花生单株生产潜力, 促进光合产物积累和养分吸收利用, 改善了中、高产旱地花生群体质量, 表现为“强源” “畅流” “壮库”, 提高了荚果产量和收获指数, 实现了花生高产高效。

超级稻品种南粳5718高产的光合生理特性研究

魏晓东, 张亚东, 宋雪梅, 陈涛, 朱镇, 赵庆勇, 赵凌, 路凯, 梁文化, 赫磊, 黄胜东, 谢寅峰, 王才林

作物学报. 2022, (11):  2879-2890.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12078

摘要 ( 1264 )   HTML ( 35 )   PDF (2398KB) ( 365 )  

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南粳5718是2019年通过江苏省审定的优良食味粳稻品种, 2021年被农业农村部确认为超级稻。研究其产量构成特点、光合特性及其生理基础, 有助于解析超级稻品种的光合特征并通过遗传改良提高水稻的光合性能, 为粳稻高产育种和栽培提供理论依据。本研究以南粳5718父母本及目前大面积推广的相同生育类型水稻品种淮稻5号为对照, 研究了南粳5718从孕穗始期剑叶全展时到开花后35 d植株地上部分干物重、剑叶叶绿素含量、光合速率、光系统II (PSII)的光化学特性、核心天线蛋白的表达量变化、光合酶活性变化、叶绿体超微结构等特性。结果表明, 南粳5718叶片色素含量高, 与父本盐粳608接近, 生育后期干物重、剑叶净光合速率、PSII电子传递活性显著高于父母本和淮稻5号, PSII光能转化性能优越, 核心天线蛋白CP43、CP47在强光高温下较稳定, 且调整能力优于父母本和淮稻5号, 剑叶中RuBP羧化酶活性较高, 光合同化产物含量高, 叶绿体结构稳定, 出现衰老特征晚, 叶绿体衰败速度慢。本研究表明超级稻南粳5718剑叶良好的光合性能是高产特性形成的基础, 光系统蛋白质的高活性和性能是提高叶片光合功能的主要因素, 叶绿体结构的稳定性是叶片高光效的有力保障。

长江流域旱地多熟模式水分供需平衡特征与水分生产效益

张佳运, 马淑梅, 余常兵, 王淑彬, 魏亚凤, 杨文钰, 王小春

作物学报. 2022, (11):  2891-2907.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14206

摘要 ( 395 )   HTML ( 18 )   PDF (679KB) ( 227 )  

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长江流域年内降雨分布不均, 季节性干旱问题严重, 构建以避旱减灾为主体的多熟间套作种植模式是实现本区域水资源高效利用的根本途径。本研究于2016—2020年在长江流域(四川、湖北、湖南、江西、江苏等5个地区)进行旱地多熟模式水分利用特征评比试验, 分别设置为四川: 小麦-夏玉米(C1)、小麦-夏玉米‖夏大豆(C2)、饲草油菜-春玉米/夏大豆(C3)、马铃薯-春玉米/夏大豆(C4); 湖北: 油菜-夏玉米‖夏大豆(B1)、饲草油菜-春玉米‖春大豆(B2)、马铃薯/春玉米/夏大豆(B3); 湖南: 油菜-夏玉米‖夏大豆(N1)、饲草油菜-春玉米/夏大豆(N2)、饲草油菜-春玉米‖春大豆-秋大豆(N3); 江西: 马铃薯/春玉米/夏大豆(X1)、油菜-夏玉米‖夏大豆(X2)、黑麦草-春玉米/夏大豆(X3)、黑麦草-春玉米‖春大豆(X4); 江苏: 小麦-鲜食玉米/鲜食玉米(S1)、小麦-鲜食玉米/鲜食大豆(S2)、鲜食蚕豆/鲜食玉米-鲜食玉米(S3)、鲜食蚕豆/鲜食玉米-鲜食大豆(S4)。应用AquaCrop模型比较了不同种植模式的水分供需平衡特征、折谷总产量和单方水效益。4年结果表明, 四川C4的水分满足率较C1、C2和C3平均分别增加5.28%、2.91%和6.00%, 折谷总产量分别显著增加71.2%、49.3%和25.6%, 单方水效益分别增加329.29%、123.42%和45.52%; 湖北B3的水分满足率较B1和B2平均分别增加3.99%和3.51%, 折谷总产量分别显著增加36.8%和25.8%, 单方水效益分别增加295.60%和69.01%; 湖南N2的水分满足率较N1和N3平均分别增加9.08%和2.93%, 单方水效益分别增加58.47%和183.33%; 江西X1的水分满足率较X2、X3和X4平均分别增加7.94%、6.70%和4.05%, 折谷总产量分别显著增加112.4%、152.5%和116.8%, 单方水效益分别增加70.13%、15.49%和46.53%; 江苏S4的水分满足率较S1、S2和S3平均分别增加8.93%、5.85%和2.96%, 折谷总产量分别显著增加35.4%、17.5%和12.6%, 单方水效益分别增加60.25%、14.93%和45.56%。四川、湖北、湖南、江西和江苏分别种植马铃薯-春玉米/夏大豆、马铃薯/春玉米/夏大豆、饲草油菜-春玉米/夏大豆、马铃薯/春玉米/夏大豆和鲜食蚕豆-鲜食玉米/鲜食大豆等种植模式, 有利于改善水分供需平衡特征, 提高折谷总产量和单方水效益。长江流域旱地应根据不同的降雨条件选择适宜的多熟间套作种植模式, 以实现避旱减灾和水资源高效利用。

施钾量对夏玉米维管组织结构与物质运输性能的影响

宋杰, 任昊, 赵斌, 张吉旺, 任佰朝, 李亮, 王少祥, 黄金苓, 刘鹏

作物学报. 2022, (11):  2908-2919.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.23005

摘要 ( 585 )   HTML ( 32 )   PDF (7303KB) ( 299 )  

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大田试验于2020和2021年在山东省泰安市东平农科所进行, 以登海605 (Denghai 605, DH605)为试验材料, 在统一的氮、磷肥用量(N 225 kg hm^-2、P₂O₅ 110 kg hm^-2)条件下开展钾肥梯度试验, 分别设置K₀ (0 kg hm^-2)、K₁ (150 kg hm^-2)、K₂ (225 kg hm^-2)、K₃ (300 kg hm^-2)和K₄ (375 kg hm^-2) 5个钾肥(K₂O)施用量, 研究施钾量对夏玉米维管系统结构和物质运输性能的影响。结果表明, 玉米叶片厚度、叶脉横截面积和木质部面积随施钾量的增加先升高后降低, 2020年和2021年分别在K₂和K₃时达到最大。施钾显著提高了玉米基部茎节和穗柄的横截面积、大小维管束数目和面积, 茎秆维管束面积占横截面积之比在K₂处理最大, 而穗柄维管束面积占比则以K₂、K₄处理显著高于其他处理。穗轴维管束数目和面积随钾肥的施入呈先升高后降低的趋势, K₂、K₃处理的维管束总面积显著高于其他处理。施钾显著提高了茎秆、穗柄伤流强度, 灌浆期在K₂处理下最高。相关分析表明, 茎秆维管束总数及其总面积、穗柄维管束总数及其总面积与籽粒产量显著正相关; 穗轴大维管束数目和穗轴维管束总面积与千粒重显著正相关。综合上述结果, 本试验条件下施钾量为225 kg K₂O hm^-2时可促进玉米叶、茎、穗中维管系统的发育, 提高伤流强度, 增强“流”系统的通畅性, 进而提高夏玉米籽粒产量。

土壤水分亏缺和大气CO₂浓度升高对冬小麦光合特性的影响

郑云普, 常志杰, 韩怡, 卢云泽, 陈文娜, 田银帅, 殷嘉伟, 郝立华

作物学报. 2022, (11):  2920-2933.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11109

摘要 ( 499 )   HTML ( 22 )   PDF (2201KB) ( 614 )  

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为深入理解未来大气CO₂浓度([CO₂])升高背景下农田生态系统结构与功能对土壤水分亏缺的响应机制, 利用可精准控制[CO₂]的大型环境生长箱, 研究了土壤水分亏缺和大气[CO₂]升高对冬小麦气孔特征、净光合速率、水分利用效率、叶片碳氮含量、非结构性碳水化合物含量、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)活性及其基因表达量的影响。本研究结果表明, 水分亏缺导致冬小麦的总生物量和净光合速率(P_n)分别相比对照降低33%和29%, 而[CO₂]升高可以在一定程度上缓解水分亏缺对冬小麦生长及生理过程造成的不利影响。同时, 水分亏缺还使冬小麦气孔开度及其空间分布格局规则性的降低, 但高[CO₂]可以通过增加气孔密度和提高气孔分布的规则程度, 进一步优化冬小麦叶片的气体交换效率。另外, [CO₂]升高增加水分亏缺条件下冬小麦的P_n, 但同时却导致蒸腾速率(T_r)降低25%, 从而提高叶片的瞬时水分利用效率(WUEI)61%。此外, 水分亏缺条件下[CO₂]升高不仅导致Rubisco酶初始活性、活化率以及可溶性蛋白含量分别增加66%、38%和15%, 而且还分别提高Rubisco酶编码基因RbcL3和RbcS2的表达水平453%和417%。上述结果表明, 水分亏缺条件下, [CO₂]升高可以通过调整气孔特征和Rubisco酶活性及其编码基因表达水平, 进一步优化冬小麦的气体交换效率, 从而提高植株生物量、净光合速率以及水分利用效率。研究结果将为深入理解未来气候变化背景下冬小麦响应[CO₂]升高和水分亏缺的生理及分子机制提供理论依据。

研究简报

结球甘蓝类钙调蛋白CMLs与花粉萌发NPG1及NPGRs相互作用研究

许彬, 曹绍玉, 苏甜, 彭梦玲, 吕霞, 李振林, 张国平, 许俊强

作物学报. 2022, (11):  2934-2944.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14243

摘要 ( 461 )   HTML ( 14 )   PDF (7087KB) ( 282 )  

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类钙调蛋白作为钙调蛋白的家族之一, 调控植物生长发育、激素调控及各种胁迫, 对类钙调蛋白对参与花粉萌发及伸长的深入研究具有重要意义。为研究结球甘蓝花粉CMLs与NPG1及相关蛋白互作关系, 探索CMLs在花粉发育及萌发过程的功能, 本研究以结球甘蓝ZG为材料, 克隆到12个花粉发育及萌发相关CMLs基因, 及花粉萌发基因NPG1、NPGR1和NPGR2, 通过酵母双杂交试验检测编码蛋白相互之间的互作关系, 并检测NPG1、NPGR1和NPGR2在不同授粉时间后的表达水平。结果表明, 12个CMLs基因开放阅读框(open reading frame, ORF)在447~1095 bp之间, 其中CML20、CML48、CML49、CML50均含有4个内含子, CML21含有2个内含子, 其余均不含内含子; 编码蛋白均不含信号肽和跨膜域, 均为胞外蛋白, 且均为亲水性蛋白; 分别含有2~4个EF-Hands结构域, 氨基酸数目在148~364个氨基酸之间, 亚细胞定位预测主要定位于细胞膜、液泡及细胞核中; 结球甘蓝NPG1、NPGR1、NPGR2分别聚类到不同的进化枝上, 与油菜、白菜的亲缘关系最近, 与拟南芥亲缘关系较近; 酵母双杂交试验表明, CML13、CML21、CML24、CML42不能与NPG1、NPGR1及NPGR2在体外发生相互作用, CML15、CML20、CML25、CML39、CML41、CML48、CML49均能与NPG1、NPGR1及NPGR2在体外发生相互作用, CML50可与NPGR1、NPGR2互作, 而不能与NPG1发生互作。表达分析表明, NPG1表达量在授粉后的柱头中呈显著上升趋势, NPGR1、NPGR2表达量变化均不显著; CMLs在不同授粉时间均有不同的表达量变化, 其中CML15、CML20、CML39、CML41、CML49均呈现出先升高后下降的趋势。本研究在结球甘蓝中筛选得到能与NPG1、NPGRs互作的CMLs蛋白, 说明多个CMLs能参与花粉萌发及花粉管伸长过程, 期望为Ca²⁺信号系统参与花粉萌发及花粉管伸长的机制研究提供参考。

镉胁迫对不同耐镉型玉米品种苗期根系生长的影响

曲梦雪, 宋杰, 孙菁, 胡旦旦, 王洪章, 任昊, 赵斌, 张吉旺, 任佰朝, 刘鹏

作物学报. 2022, (11):  2945-2952.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13077

摘要 ( 768 )   HTML ( 21 )   PDF (609KB) ( 431 )  

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土壤镉污染严重威胁农作物生产, 选用耐镉性能差异的玉米品种为试验材料, 研究其对玉米苗期根系生长发育的影响, 对耐镉玉米新品种选育及镉污染地块玉米栽培具有重要意义。以耐镉型品种鑫瑞57 (Xinrui 57, XR57)和镉敏感型品种立原296 (Liyuan 296, LY296)为试验材料, 采用水培方式, 设置不同镉浓度处理(0 mg L^-1、10 mg L^-1), 研究镉胁迫后2个品种苗期根系形态、生理特性和根系呼吸的差异。结果表明, 镉胁迫后2类型玉米品种根系均积累过量的镉, 严重影响根系生长, 其中LY296单株根系镉积累量达到1219.77 μg, 较XR57提高16.17%, 导致其根系各指标较其对照均显著降低, 表现为总根长、总根表面积、总根体积、根干重以及节根的侧根密度, 分别下降43.92%、40.84%、39.34%、33.33%和62.54%。镉胁迫后2品种的细胞保护酶活性变化趋势不同, XR57和LY296根系的SOD活性均显著降低, 与各自对照相比分别下降43.05%和57.54%, XR57的POD和CAT活性显著上升, 分别为其对照的1.26倍和1.58倍; 而LY296的POD和CAT活性则呈下降趋势, 导致其H₂O₂含量显著上升, 氧化胁迫加重。镉胁迫显著增加了XR57根中可溶性蛋白和脯氨酸含量, 而LY296二者含量无显著变化。2类型玉米品种根系呼吸速率受镉胁迫抑制, 其中XR57的降幅较大, XR57还通过增大交替氧化酶(alternative oxidase, AOX)呼吸途径所占比例, 进一步增强其抗氧化能力。综合分析可知, 根系积累的过量镉显著抑制玉米苗期根系生长, 但是低镉积累的耐镉型玉米品种可以通过调控根系生理特性的变化和改变根系呼吸链传递途径来缓解镉毒害, 还可以通过更低的呼吸消耗减少代谢成本, 维持植株生长发育, 而镉敏感型玉米品种则无此优势。

不同基因型燕麦产量差异与叶片生理特性的关系

柳妍娣, 赵宝平, 张宇, 米俊珍, 武俊英, 刘景辉

作物学报. 2022, (11):  2953-2964.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11107

摘要 ( 419 )   HTML ( 17 )   PDF (865KB) ( 290 )  

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为了解燕麦穗花形成过程中叶片生理特性对产量的影响, 本试验于2020年和2021年, 以9个不同来源、熟期、穗型、株型、小穗数的品种为试验材料, 采用方差分析、主成分分析、聚类分析等方法, 对不同基因型燕麦产量差异与叶片生理特性的关系进行分析。结果表明: 不同品种间, 抽穗期各生理指标存在显著差异, 通过聚类分析, 将供试的9个品种分为高产和低产品种两类, 其中高产品种较低产品种的籽粒产量显著高73.61%~4.78%; 高产品种的GA₃、ZR、IAA含量、SPS、SS活性、净光合速率、叶片蔗糖含量、干物质积累量、穗部蔗糖同化效率的整体水平均优于低产品种; 其中, GA₃含量、SPS活性和净光合速率较低产品种显著高49.17%~13.70%、33.29%~4.43%、87.88%~5.72%。结果表明, 结实小穗数、穗粒数、叶片赤霉素含量、蔗糖磷酸合成酶活性和净光合速率对高产品种的产量形成影响最为显著。说明可将增加结实小穗数、穗粒数作为提高产量的突破口, 适当开“源”、延缓叶片衰老以保证酶和激素的活性, 对燕麦获得高产有积极影响。