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2022年 第48卷 第12期 刊出日期：2022-12-12

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作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

利用病毒诱导的基因沉默cDNA文库高通量筛选鉴定棉花功能基因

梁曦彤, 高先原, 周琳, 穆春, 杜明伟, 李芳军, 田晓莉, 李召虎

作物学报. 2022, (12):  2967-2977.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14210

摘要 ( 406 )   HTML ( 53 )   PDF (2798KB) ( 500 )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为快速、高通量研究棉花功能基因, 本研究以陆地棉欣试17为材料, 棉花GhCLA1为标记基因, 利用棉花病毒诱导的基因沉默(virus induced gene silencing, VIGS) cDNA文库对幼苗生长和盐胁迫应答相关基因进行筛选和鉴定。VIGS转化7~14 d观察植株长势和盐胁迫应答表型, 共获得8个与幼苗生长相关以及4个与盐胁迫应答相关的基因。水培条件下, VIGS沉默GhANT17、GhSTP14、GhUSPA、GhFES1、GhS15-4、GhRBL8基因对植株地上部生长较对照植株有明显的抑制作用; VIGS沉默GhOIDO基因促进了植株生长; VIGS沉默GhRBCSC1基因抑制叶片中叶绿素的合成。盐胁迫处理条件下, 与对照植株相比VIGS沉默GhATCYP1、GhSAC52基因提高了植株的耐盐性, VIGS沉默GhPSBW、GhRBCSC2的植株对盐胁迫更敏感。本研究建立了高通量筛选棉花功能基因的技术体系, 为快速挖掘、研究棉花功能基因提供了可行技术手段。

基于高密度Bin图谱的大豆百粒重QTL定位和候选基因分析

葛天丽, 田宇, 张皓, 刘章雄, 李英慧, 邱丽娟

作物学报. 2022, (12):  2978-2986.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14226

摘要 ( 333 )   HTML ( 27 )   PDF (2081KB) ( 254 )  

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百粒重是决定大豆产量的关键因子, 鉴定百粒重相关的QTL和候选基因, 进而利用现代分子设计育种技术改良粒大小, 是培育大粒高产品种的重要途径。本研究以中黄13和中品03-5373为亲本所构建的重组自交系(recombinant inberd lines, RIL)群体为材料, 利用前期构建的高密度Bin图谱和3年6个环境下的百粒重表型, 检测到2个在环境间稳定的百粒重相关QTL, 分别位于12号和18号染色体。其中qSW12-2表型贡献率为7.31%~11.03%, 加性效应为0.52~0.91 g, 增效等位基因来自中黄13。qSW12-2区间长度为0.19 Mb, 覆盖20个注释基因, 进一步根据候选区间内各基因的组织表达量、注释和双亲多态性分析结果, 推测参与油菜素类固醇的生物合成、在籽粒发育期高度表达且携带大效应遗传位点的Glyma.12G195500为百粒重功能基因。基于全基因组重测序数据, 多态性分析表明Glyma.12G195500在385份大豆种质资源形成3种单倍型, 其中以中黄13为代表的携带H2单倍型的种质资源的百粒重显著高于以中品03-5373为代表的携带H1单倍型的种质资源, H2单倍型在大豆驯化过程中被选择。本研究挖掘的新位点可为进一步揭示大豆百粒重的遗传机制和培育高产大豆新品种奠定基础。

不依赖基因型的高效玉米遗传转化体系的建立

许洁婷, 刘相国, 金敏亮, 潘弘, 韩宝柱, 李梦娇, 岩说, 胡国庆, 严建兵

作物学报. 2022, (12):  2987-2993.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13068

摘要 ( 515 )   HTML ( 32 )   PDF (4330KB) ( 260 )  

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玉米遗传转化严重依赖于受体基因型, 目前绝大部分商业化玉米骨干自交系的遗传转化仍然十分困难。Baby boom (Bbm)和Wuschel2 (Wus2)是植物干细胞发育中的2个关键基因, 调节这2个基因的时空表达可以有效提高植物遗传转化效率。本研究以多个我国玉米骨干自交系为受体材料开展转化效率测试, 发现虽然Bbm和Wus2的超表达可以显著提高转化效率, 但对玉米的生长发育具有不利影响。本研究开发了一种新型辅助转化技术, 在辅助载体中加入致死基因表达元件, 并调节2个基因的时空表达。结果表明该辅助载体和目标载体混合转化时, 不但可以在T₀代成功获得不含Bbm和Wus2辅助载体的正常生长发育的优质转化苗, 还显著提高转化效率(平均达19.5%)。本研究成功建立和完善了一套不依赖基因型的高效玉米遗传转化体系, 为提高生物育种效率和精准改良提供了有力支持。

290个吉林省审定玉米品种SSR-DNA指纹构建及遗传多样性分析

田红丽, 赵紫薇, 杨扬, 范亚明, 班秀丽, 易红梅, 杨洪明, 刘少荣, 高玉倩, 刘亚维, 王凤格

作物学报. 2022, (12):  2994-3003.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13076

摘要 ( 289 )   HTML ( 24 )   PDF (2022KB) ( 174 )  

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吉林省审定玉米品种标准指纹构建及遗传多样性分析, 可为其品种审定、保护、市场监测等提供核心数据支撑, 同时对于品种选育、种质创新也具有重要意义。本研究利用40对SSR标记构建了吉林省2010—2017年审定的290个玉米品种标准SSR-DNA指纹并进行了遗传多样性分析。结果表明, 40对SSR标记检测到等位基因数平均值为11.85个, PIC平均值为0.64; 品种杂合基因型频率平均值为0.66; 品种间差异位点数目均≥2个。6个熟期组的遗传多样性分析显示, 中晚熟和中熟审定的品种较多占71.72%, 极早熟、早熟、晚熟审定品种较少; 早熟组具有基因多样性参数最高值0.69, 品种数量最多的中晚熟组具有相对低的基因多样性值。聚类结果显示, 吉林省审定推广种植品种被划分为3类, 分别是甜糯爆裂、极早熟和早熟类、偏中或晚熟类; 偏中或晚熟的品种显示了两大趋势, 代表了选用杂优群的差异、品种选育单位的不同、品种类型的差异等。本研究为吉林省玉米品种管理、品种选育、种质创新提供了重要的理论和数据基础。

玉米转录因子ZmbHLH91对非生物逆境胁迫的应答

悦曼芳, 张春, 郑登俞, 邹华文, 吴忠义

作物学报. 2022, (12):  3004-3017.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13060

摘要 ( 386 )   HTML ( 35 )   PDF (15519KB) ( 296 )  

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bHLH (basic helix-loop-helix)是植物中一个重要的转录因子家族, 在调控植物生长发育、逆境胁迫及信号转导过程中发挥着重要作用。目前, 动物中大部分bHLH转录因子功能已明确, 但是在植物中, 尤其是玉米中的研究报道较少。在前期工作中, 我们对玉米生长发育过程中的4个关键时期进行了根系表型鉴定和转录组测序分析, 发现转录因子ZmbHLH91在六叶期(V6)、十二叶期(V12)和抽雄期(VT)的相邻时期间的表达均差异显著, 且ZmbHLH91在V6, V12和VT这些根系生长发育活跃期的表达量较高, 推测该基因可能调控玉米根系的生长发育。为探究ZmbHLH91基因在根系生长和抵抗逆境胁迫方面的作用, 本研究克隆了ZmbHLH91 (AC: NC_AQL05369)基因, 该基因全长2112 bp, 具有bHLH转录因子家族特有的保守结构域。实时荧光定量PCR (RT-qPCR)分析表明, ZmbHLH91在玉米根中的表达量最高, 其在三叶期幼根中的表达量高于抽雄期成熟根。在高盐、渗透、低温以及脱水胁迫处理下, 玉米幼苗中ZmbHLH91的表达均上调。在无胁迫处理的1/2 MS培养基上, ZmbHLH91异源表达拟南芥与野生型拟南芥的根长无明显差别, 而在梯度浓度NaCl和甘露醇处理的培养基上, ZmbHLH91异源表达拟南芥的根均长于野生型, 且差异显著; 在土壤中进行干旱和高盐处理后, 转基因拟南芥比野生型拟南芥表现出更好的生长状态、更高的过氧化物酶(POD)活性和更高的绿叶率。推测ZmbHLH91基因可能参与响应高盐、干旱以及渗透胁迫等逆境条件。ZmbHLH91基因在茉莉酸(jasmonic acid, JA)、脱落酸(abscisic acid, ABA)等激素处理下均上调表达, 推测ZmbHLH91基因可能参与响应JA和ABA激素信号。在梯度浓度JA处理的培养基上, 转基因拟南芥的根长均长于野生型, 且差异显著。酵母双杂交实验表明ZmbHLH91与ZmMYC2相互作用, ZmMYC2是JA信号通路中重要的蛋白, 由此推测ZmbHLH91蛋白可能参与JA信号通路。综上所述, ZmbHLH91可能参与高盐、干旱和渗透胁迫应答及JA信号转导途径。本研究为进一步解析ZmbHLH91在玉米中的生物学功能提供了重要的参考依据。

玉米苗期根汞胁迫响应中miRNA的鉴定及初步验证

秦永田, 陈黎霞, 汤继华, 陈建辉, 马拴红, 张雪海, 丁冬, 付志远

作物学报. 2022, (12):  3018-3028.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13074

摘要 ( 314 )   HTML ( 17 )   PDF (3715KB) ( 91 )  

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汞污染已成为威胁全球作物生产的主要重金属污染源之一。microRNA (miRNA)是调控植物生长发育和非生物胁迫响应的重要因子, 但其在单子叶植物汞胁迫响应中的作用尚不明确。为挖掘响应汞胁迫的关键miRNA, 本研究对B73和郑58 (Zheng 58, Z58)自交系幼苗在HgCl₂处理后的表型和差异表达的miRNA进行了分析。结果表明, B73对汞胁迫较郑58更敏感, miRNA166l是B73和Z58中共同鉴定到的下调表达的miRNA。为进一步验证miRNA166在汞胁迫中的作用, 利用STTM (short tandem target mimic)技术获得了STTM165/166拟南芥转基因稳定株系。STTM166稳定系在HgCl₂处理后的表型与玉米幼苗在汞胁迫处理后的表型类似, 叶片失绿萎蔫、根长变短。本研究证明miRNA166在玉米汞胁迫响应中有重要调控作用, 对其作用机制进行更深入的研究有重要意义。

割手密萜烯合成酶(TPS)基因家族分析及其在生物胁迫下的表达分析

林焕泰, 张天杰, 史梦婷, 郭燕芳, 高三基, 王锦达

作物学报. 2022, (12):  3029-3044.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14237

摘要 ( 525 )   HTML ( 21 )   PDF (8418KB) ( 135 )  

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由萜烯合酶(TPS)合成的萜类化合物在植物生物和非生物胁迫中起重要作用。作为现代甘蔗栽培种的重要亲本材料, 割手密(Saccharum spontaneum)含有大量的抗逆基因。为调查割手密TPS基因家族的特征和功能, 通过使用HMMER搜索在割手密基因组中鉴定出39个TPS基因, 该基因含有2个保守域(PF01397和PF03936)的蛋白质, 系统进化树分析显示SsTPS蛋白可以分为TPS-a、b、e/f和g四个分支。SsTPS基因家族主要通过片段复制进行扩展, 共有12个SsTPS基因参与了片段复制事件。定量实时PCR显示, 在草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)胁迫和甘蔗白条黄单胞菌(Xanthomonas albilineans)感染的割手密植株中, SsTPS基因的表达模式不同, 其中7个SsTPS基因的表达受到强烈的调节。值得注意的是, SsTPS15在草地贪夜蛾的胁迫中显著上调, 但被甘蔗白条黄单胞菌感染时表达下调, 而SsTPS26、SsTPS37和SsTPS39显示相反的结果。研究结果对于进一步了解萜烯合酶的生物学作用和基于割手密的甘蔗抗逆育种具有重要意义。

水稻氮高效基因分子标记开发与基因型筛选

陶亚军, 朱静妍, 王军, 范方军, 许扬, 李文奇, 王芳权, 陈智慧, 蒋彦婕, 朱建平, 李霞, 杨杰

作物学报. 2022, (12):  3045-3056.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12080

摘要 ( 433 )   HTML ( 31 )   PDF (2244KB) ( 662 )  

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氮素是促进水稻物质生产和产量形成的首要因素, 其高效与合理的利用是农业可持续发展的重要保障。培育含有氮高效基因的水稻品种, 充分发挥氮素高效吸收和利用遗传潜力是提高氮肥利用率、减少氮肥施用量的有效途径。本研究从氮素的吸收、转运、再分配和再利用等环节, 选择了OsNR2、OsNPF6.1、OsTCP19、OsLHT1和OsGRF4共5个基因作为水稻氮高效遗传改良的基因组合, 根据已报道的功能位点设计得到与目标基因共分离的基因功能标记, 包括6对等位特异PCR标记和1对InDel标记, 并对70份常规籼稻, 34份常规粳稻和84份太湖资源水稻材料进行了鉴定。结果表明, OsNR2在籼稻中分布较广, OsNPF6.1、OsTCP19、OsGRF4在籼稻中分布较少, 但是均未在常规粳稻中检出; 常规粳稻中仅含有OsLHT1; 同时我们还筛选出2份材料同时含有OsNR2、OsNPF6.1和OsGRF4高效单倍型。本研究开发的功能标记和筛选出的材料为通过分子标记辅助选择方法培育氮高效水稻新品种提供了技术支撑。

栽培黑麦光敏色素PHYA、PHYB和PHYC基因转录丰度对不同光质处理的响应

杨陆浩, 王立建, 孙广华, 王少瓷, 崔连花, 陈昌, 宋梅芳, 张艳培, 姜良良, 杨建平, 王晨阳

作物学报. 2022, (12):  3057-3070.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11115

摘要 ( 226 )   HTML ( 7 )   PDF (2211KB) ( 229 )  

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栽培黑麦(Secale cereal L.)属于禾本科黑麦属, 是一种有价值的粮食和饲料作物, 对生物和非生物胁迫具有很高的抗性。黑麦1RS染色体臂携带的抗病基因通过染色体易位转入小麦基因组, 1BL/1RS易位系在世界范围内提高了小麦对白粉病和条锈病抗性。光敏色素是一类红光/远红光受体, 调控植物的种子萌发、株高、避荫性反应和开花等适应性反应。本试验克隆了黑麦光敏色素基因(phytochrome) ScPHYA、ScPHYB和ScPHYC, 利用荧光定量PCR (qRT-PCR)方法分析ScPHYs在不同组织中的转录丰度, 及其在幼苗期对不同光质和光周期处理的响应。研究发现, 黑麦与拟南芥、水稻及普通小麦等植物的phys蛋白具有相似的结构域, 且与小麦、水稻等禾本科植物的phys蛋白有较高的氨基酸序列一致性, 暗示它们可能具有相似的功能。ScPHYs在根中的表达水平最高, 并在黑暗和远红光条件下的转录丰度较高; 由黑暗转红光、远红光、蓝光和白光条件下三者的表达模式略有不同。在光周期反应中, 长日照条件下三者的表达模式相似, 短日照条件下三者的表达模式各不相同。以上结果表明, ScPHYs可能在黑麦光形态建成中发挥重要功能。本文通过对3个黑麦光敏色素基因的转录分析, 为研究黑麦的光信号系统提供参考, 同时也为进一步探究光敏色素在黑麦遗传改良及分子育种中的应用提供依据。

Bna-miR171g提高甘蓝型油菜耐渗透胁迫能力的功能鉴定

杨文静, 陆海芹, 陈吴钧, 曾蕾, 谢涛, 蒋金金, 王幼平

作物学报. 2022, (12):  3071-3079.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14227

摘要 ( 251 )   HTML ( 12 )   PDF (4723KB) ( 97 )  

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MicroRNA171 (miR171)是植物中非常保守的miRNA分子, 在调控植物生长发育方面具有重要的功能。关于其功能研究的报道多见于拟南芥、水稻、番茄等植物, 而甘蓝型油菜中miR171的功能研究还尚未报道。本研究发现Bna-miR171家族7个成员的序列高度保守, 其中miR171g受甘露醇诱导上调表达。在150 mmol L^-1甘露醇模拟的渗透胁迫条件下, Bna-miR171g过表达油菜(OE-miR171g)的根长显著高于对照(J9712)。DAB组织化学染色结果表明渗透胁迫后OE-miR171g中过氧化氢的积累量低于J9712, 推测Bna-miR171g过表达材料的活性氧清除能力高于对照植株。渗透胁迫后OE-miR171g中脯氨酸含量、过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性均高于对照, 而丙二醛含量显著低于对照。此外, 胁迫应答基因ABI5、ERD10、RAB18、OSR1、RD20、RD29B在OE-miR171g中的表达水平均高于对照植株。综上, 过表达Bna-miR171g可以提高甘蓝型油菜对渗透胁迫的耐受性, 本研究可以为甘蓝型油菜的抗逆性状改良提供理论依据。

甘蔗易化子家族蛋白ScZIFL1与6K2互作应答SCMV侵染

刘淑娴, 杨宗桃, 程光远, 张海, 周营栓, 商贺阳, 黄国强, 徐景升

作物学报. 2022, (12):  3080-3090.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14244

摘要 ( 282 )   HTML ( 9 )   PDF (4632KB) ( 48 )  

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易化子超家族转运蛋白(major facilitator superfamily, MFS)在生物中普遍存在, 锌诱导类辅助因子(zinc induced facilitator like, ZIFL)是MFS成员, 参与小分子有机物运输。本课题组前期利用酵母双杂交(yeast two-hybrid, Y2H)技术从甘蔗(Saccharum spp. hybrid)中分离鉴定了1个与甘蔗花叶病毒(Sugarcane mosaic virus, SCMV)编码蛋白6K2互作的ZIFL, 命名为ScZIFL1。本研究利用双分子荧光互补技术(bimolecular fluorescence complementation, BiFC)进一步验证了ScZIFL1与SCMV-6K2的互作。生物信息学分析表明, ScZIFL1长度为484个氨基酸, 无信号肽, 具有12个跨膜结构域, 为不稳定的疏水性蛋白。序列比对分析表明, ScZIFL1具有MFS保守的半胱氨酸模体、特征基序及反向运输基序。系统进化树分析表明, 该蛋白在单子叶和双子叶植物之间, 以及单子叶C₃植物和C₄植物之间存在明显分化。亚细胞定位试验表明, ScZIFL1定位于液泡膜, 部分与SCMV-6K2共定位。实时荧光定量PCR分析发现, ScZIFL1基因的表达具有明显的组织特异性, 在茎中表达最高, 叶中次之, 根中最低; 在完成形态建成且处于旺盛工作状态的+1叶和第8节间中的相对表达量显著高于未成熟的心叶、第3节间和渐衰叶片+7叶; 接种SCMV后, ScZIFL1表达量在侵染早期显著上调, 随后持续高表达。

苦荞种质资源主要农艺性状SSR标记关联分析

李晓瑜, 方小梅, 伍浩天, 王莹倩, 刘洋, 唐恬, 王于栋, 吴银环, 岳林清, 张瑞丰, 崔静斌, 张建, 易泽林

作物学报. 2022, (12):  3091-3107.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11113

摘要 ( 333 )   HTML ( 9 )   PDF (1474KB) ( 98 )  

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分析苦荞(Fagopyrum tataricum)种质资源遗传多样性和群体遗传结构, 筛选与苦荞农艺性状关联的分子标记, 为苦荞杂交组合的亲本选配及分子标记辅助育种提供依据。本试验以318份苦荞种质资源为材料, 分别于2019年和2020年对其主要农艺性状(株高、主茎分枝数、主茎节数和千粒重)及籽粒特征值(粒长、粒宽、籽粒长宽比、籽粒面积、籽粒周长、籽粒直径、籽粒圆度)进行了表型鉴定, 并通过分析2年的表型数据计算出BLUP值。77对具有良好多态性的SSR标记扫描群体, 共检测到293个等位变异, 基因多样性均值为0.52, PIC值平均为0.46; 聚类分析将318份苦荞资源分成4大类, 平均遗传距离0.44; 群体结构分析表明该群体可分为2个亚群。上述SSR标记分别对这11个表型性状进行了关联分析, 共检测有54个SSR标记与苦荞种质资源农艺性状极显著关联, 表型变异解释率为1.77%~16.40%, 其中25个标记在3个环境中均检测到, 47个SSR标记同时和2个或以上的表型性状呈极显著关联。该研究结果对苦荞相关性状的候选基因挖掘和高产苦荞分子标记辅助育种具有重要意义。

木薯PEPC基因家族成员鉴定及表达分析

李相辰, 沈旭, 周新成, 陈新, 王海燕, 王文泉

作物学报. 2022, (12):  3108-3119.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14241

摘要 ( 389 )   HTML ( 25 )   PDF (5140KB) ( 280 )  

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磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是C₄植物光合作用的关键酶, 而木薯是C₃-C₄型植物, MePEPC在栽培种的表达量显著高于野生型, 迄今尚未有人对MePEPC进行过系统研究。为了解木薯中MePEPC家族成员的基本信息, 本文运用生物信息学方法在木薯全基因组中确认了5个MePEPC基因家族成员, 并对MePEPC基因家族进行基本理化性质分析、亚细胞定位预测、进化树分析、染色体定位、二级结构预测、基因结构域及启动子顺式作用元件预测。结果表明, 鉴定到5个MePEPC基因家族成员, 分布在5条染色体上, 其中分布在3号染色体的MePEPC2发生可变剪切, 序列提前终止, 发生功能缺失。系统进化树表明, MePEPC可分为2个亚家族(植物型和细菌型), 同组成员基因结构和功能域相似。MePEPC家族成员启动子区域含有不同数量的光响应元件、激素响应元件及胁迫响应元件, 表明MePEPC基因家族成员可能参与不同的生长发育调节过程。表达谱显示, MePEPC1、MePEPC4和MePEPC5具有较高表达, 且在不同光照时间、不同发育时期、干旱及ABA胁迫下呈现出不同的表达模式, 而MePEPC2和MePEPC3表达量极低, 几乎不表达。以上研究为深入研究MePEPC基因家族在木薯中的功能提供了基础数据, 为木薯高光效育种提供候选基因。

水稻叶脉黄化突变体yml的遗传分析及基因定位

郭均瑶, 刘斌美, 杨惠杰, 秦超琦, 任艳, 姜鸿瑞, 陶亮之, 叶亚峰, 吴跃进

作物学报. 2022, (12):  3120-3129.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12077

摘要 ( 263 )   HTML ( 15 )   PDF (4034KB) ( 340 )  

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水稻(Oryza sativa L.)是重要的粮食作物之一, 其产量一直备受关注。水稻叶片是光合作用的重要场所, 叶脉是叶片中具有支撑和运输功能的组织。同时, 叶脉中存在的光合色素也能提供一定的光合作用。本研究采用重离子束诱变籼稻9311获得的叶脉黄化突变体yml进行遗传分析及基因定位研究。该突变体在抽穗期开花后5 d左右, 开始出现叶脉黄化表型, 并于抽穗后期黄化性状明显, 并持续至成熟期。在分蘖期, 突变体与野生型相比, 光合色素含量无显著差异。但在抽穗后期, 突变体叶片及叶脉中光合色素含量显著降低, 导致光合效率明显降低, 净光合速率仅为野生型的50.37%。成熟期突变体的株高、穗长、有效穗数、每穗实粒数、结实率、千粒重均显著低于野生型。通过遗传分析, 确定该突变性状由一对隐性基因控制。利用图位克隆技术, 将该基因定位于6号染色体。进一步通过简单重复序列(SSR)及插入缺失(InDel)标记, 将该基因位置缩小至InDel5与RM3431之间, 物理距离约为700 kb。本研究为后续突变体基因的克隆和功能分析提供了研究基础。

耕作栽培·生理生化

不同夏玉米品种大喇叭口期耐热性评价和鉴定指标筛选

朱亚迪, 王慧琴, 王洪章, 任昊, 吕建华, 赵斌, 张吉旺, 任佰朝, 殷复伟, 刘鹏

作物学报. 2022, (12):  3130-3143.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13079

摘要 ( 379 )   HTML ( 18 )   PDF (518KB) ( 199 )  

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目前, 我国平均气温逐年递增、高温发生时间前移、持续时间延长, 导致夏玉米大喇叭口期极易遭受高温胁迫。大喇叭口期正值夏玉米雌、雄穗分化的关键时期, 对温度敏感, 此期遭遇高温胁迫将导致产量显著下降。建立耐热性能鉴定指标体系,对品种进行耐热性评价筛选是缓解高温热害胁迫经济有效的措施。本试验以近年来黄淮海地区35个主推夏玉米品种为试验材料, 采用大田种植人工增温的方式, 在大喇叭口期设置持续7 d的高温处理,依据产量和雌、雄穗形态等多组性状, 采用相关性分析以及主成分分析、模糊隶属函数法、聚类分析、逐步回归分析和灰色关联度分析等多元分析方法, 对其大喇叭口期的耐热性进行评价和分类, 确定夏玉米大喇叭口期耐热性能鉴定指标。结果显示, 大喇叭口期高温胁迫降低雄穗小穂数量、密度、总散粉量; 改变果穗形态, 减少花丝数量和穗粒数, 降低结实率, 且粒重的增加无法弥补穗粒数下降带来的负面效应, 从而导致籽粒产量降低。通过聚类分析, 筛选出耐热型品种登海111、强盛339、鲁单9088、登海605、德瑞88和登海533。综合逐步回归分析、相关性分析和灰色关联度分析, 确定籽粒产量、穗粒数、结实率、穗长、穗粗、雄穗主轴着生小穂长度和雄穗分枝长度可作为夏玉米大喇叭口期耐热能力的鉴定指标。多元统计分析是评价玉米耐热性的有效方式, 本文筛选出的耐热品种和鉴定指标可为今后耐热玉米品种的选育提供依据。

高产高效型半冬性小麦品种的产量构成、氮素积累转运和籽粒品质特征分析

丁永刚, 陈立, 董金鑫, 朱敏, 李春燕, 朱新开, 丁锦峰, 郭文善

作物学报. 2022, (12):  3144-3154.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11117

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为给半冬性小麦优质、高产、高效协同生产提供理论依据, 在江苏睢宁连续3个小麦生长季, 以22个半冬性品种为材料进行大田试验。根据籽粒产量和氮肥利用效率, 通过系统聚类将品种分为高产高效(HH)、中产中效(MM)和低产低效(LL) 3个类型, 研究其产量构成、氮素吸收与利用和籽粒品质间差异。结果表明, 3个年度HH籽粒产量和氮肥利用效率均显著高于MM和LL。HH实现高产是由于具有显著高的总结实粒数, 即穗数和穗粒数的协同增加; 实现高效得益于高的氮肥吸收效率和氮肥生理利用效率。HH高的氮肥吸收效率是由于花前氮素积累量的提高, 有助于更多的氮素向籽粒转运, 进而提升籽粒氮素积累量。分析指示, 在一定范围内籽粒产量和总结实粒数可与单粒氮素积累量协同提升; 当籽粒产量高于9.5 t hm^-2 或总结实粒数高于2.2×10⁸ hm^-2, 单粒氮素积累有下降趋势。蛋白质、湿面筋含量和沉降值表现为HH类型均显著高于MM和LL。综上所述, 高产高效型半冬性小麦品种具有高的总结实粒数、氮素吸收与转运量以及籽粒氮素积累的特征, 且因单粒氮素积累量提升, 改善了籽粒中蛋白相关品质。

结实期动态温度对软米粳稻产量和品质的影响

胡雅杰, 余恩唯, 丛舒敏, 李娈, 薛建涛, 夏陈钰, 郭保卫, 邢志鹏

作物学报. 2022, (12):  3155-3165.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12087

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以软米粳稻南粳46和苏香粳100为供试材料, 通过人工气候室设置梯度温度模拟水稻灌浆结实期温度动态递减变化, 设置结实期动态高温、常温和低温3个处理, 以室外温度作为对照(CK), 研究结实期动态温度对软米粳稻产量及其构成、干物质生产和稻米品质的影响。结果表明, 与常温处理相比, 结实期低温处理显著降低水稻产量, 而高温处理并未减产。结实期温度主要通过影响结实率和千粒重而影响产量, 高温处理下千粒重呈减少趋势; 低温处理显著降低了结实率, 但千粒重显著增加。对物质生产而言, 结实期低温处理显著提高茎鞘干物质重及其比例, 降低穗部干物质重及其比例, 减少总干物质积累量。对稻米品质而言, 结实期高温和低温处理均降低精米率和整精米率, 导致加工品质变劣; 高温处理增加垩白粒率和垩白度, 而低温处理减少垩白粒率和垩白度, 但品种间变化不一; 随着结实期温度升高, 稻米蛋白质含量增加, 直链淀粉含量降低; 高温和低温处理下稻米胶稠度均变短和米饭食味值下降。因此, 结实期温度过高或过低都不利于软米粳稻加工和食味品质改善。

不同氮肥水平下丛枝菌根真菌对玉米籽粒灌浆期磷和钾吸收的影响

田明慧, 杨硕, 杜嘉琪, 张晨曦, 何堂庆, 张学林

作物学报. 2022, (12):  3166-3178.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13078

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明确不同氮肥水平下丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF)对灌浆期玉米籽粒磷、钾吸收的影响, 为农田合理配施生物肥料、提高养分吸收利用提供理论依据。2020年6月至10月夏玉米生育期, 在郑州与商丘2个试验点设置氮肥用量(N1: 180 kg N hm^-2; N2: 270 kg N hm^-2)和丛枝菌根真菌(M0: 不接种AMF菌剂; M1: 接种AMF菌剂)双因素试验, 测定玉米灌浆期籽粒粒重、植株生物量、根系特性、植株磷和钾含量及其累积量。结果表明, 2个试验点氮肥用量和AMF均显著影响灌浆期玉米籽粒百粒重、灌浆速率、根系特性和植株各器官磷、钾含量及其累积量。其中, 籽粒磷累积量随着灌浆期呈逐渐增加趋势, 钾累积量呈先增加后降低趋势。与N1相比, N2处理百粒重和灌浆速率均值分别增加8.4%和7.8%; 磷累积量和钾累积量平均增加58%和79%。与M0相比, 郑州和商丘2个试验点不同氮肥条件下M1处理的籽粒百粒重、灌浆速率、籽粒磷累积量和钾累积量均显著提高, 其中在商丘试验点的促进作用更大。2个试验点低氮和高氮条件下, 接种AMF均能提高根长、根表面积、根体积、根直径和根尖数。本研究表明, 在不同氮肥条件下玉米生育期接种丛枝菌根真菌均能够提高灌浆速率、改善根系吸收能力, 增加灌浆期玉米磷、钾累积量, 其中在低养分地区和低氮条件下的促进作用更大。

玉米耐高密品种冠层光氮分布及匹配特征研究

王梦, 周光远, 高聚林, 于晓芳, 孙继颖, 胡树平, 青格尔, 屈佳伟, 马达灵, 王志刚

作物学报. 2022, (12):  3179-3191.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13073

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在有限氮投入下通过增密种植实现玉米增产增效, 需要进一步挖掘耐密品种的光氮匹配利用潜力。揭示不同耐密品种冠层光氮空间分布和匹配特征差异, 及其与玉米产量形成及氮效率的关系, 对探索玉米产量效率层次差异消减途径具有指导意义。本试验以常规品种KH8和耐高密品种MC670为试验材料, 在减氮增密条件下, 系统分析了常规和耐密型玉米品种冠层光氮分布及匹配特征的差异。结果表明, 耐高密品种MC670穗位以上透光率较常规品种KH8高20.6%。两品种的比叶氮(specific leaf nitrogen, SLN)均表现为上层叶片、中层叶片显著高于下层叶片; MC670上层、中层叶片SLN显著高于KH8, 但下层叶片差异不显著。KH8和MC670的光氮匹配系数分别为1.28和0.86, MC670的光氮匹配系数与理想值差异较小, 说明MC670的光氮匹配程度优于KH8。综上所述, 与常规品种KH8相比, 耐高密品种MC670冠层具有较低的消光系数和较高的氮消减系数, 使耐高密品种冠层具有较优的光氮匹配程度, 同时使其中上部冠层具有更高的光合氮比例、光合氮效率和光合生产力, 这是其实现较高的氮肥生理效率、氮肥利用效率及获得高产的重要生理内因。

中国主要麦区小麦品种(系)产量与需硫特征关系分析

牟文燕, 褚宏欣, 黄宁, 张露露, 张学美, 郭子糠, 黄翠, 孙利谦, 魏蕾, 罗一诺, 王朝辉, 刘金山

作物学报. 2022, (12):  3192-3202.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.11106

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明确我国主要麦区主栽小麦品种(系)需硫量与籽粒产量和硫含量的关系, 为我国小麦合理施用硫肥和丰产优质绿色生产提供依据。于2017—2020年在我国西北旱地小麦种植区(旱作区)、华北小麦玉米轮作区(麦玉区)和南方水稻小麦轮作区(稻麦区)进行田间试验, 以各麦区主栽高产品种(系)为材料, 研究了各区域主栽小麦品种(系)的籽粒产量、硫含量和需硫量及其相互关系。旱作区、麦玉区和稻麦区主栽小麦品种(系)产量范围分别为4.1~6.9、6.2~9.3和4.4~7.1 t hm^-2, 平均为5.9、8.1和5.9 t hm^-2; 籽粒硫含量范围分别为1.73~2.27、1.59~2.01和1.42~1.73 g kg^-1, 平均为1.98、1.78和1.53 g kg^-1; 同一产量水平下不同小麦品种(系)籽粒硫含量差异显著。旱作区、麦玉区和稻麦区主栽小麦品种(系)的需硫量分别介于3.7~5.3、3.1~4.2和2.1~6.1 kg Mg^-1, 平均为4.5、3.7、3.7 kg Mg^-1; 产量由低产增至高产时, 旱作区与稻麦区小麦品种(系)需硫量分别降低16.3%和23.4%, 而麦玉区增加7.6%; 籽粒硫含量由1.5 g kg^-1增至1.8 g kg^-1时, 旱作区小麦品种(系)的需硫量增加17.2%, 籽粒硫含量由1.2 g kg^-1增至1.8 g kg^-1时, 麦玉区和稻麦区小麦品种(系)需硫量增加21.4%和116.5%。小麦生产中施用硫肥时, 应根据不同麦区种植的小麦品种(系)产量和硫含量差异确定需硫量, 再结合土壤供硫能力, 确定合理的硫肥施用量。

黄淮海农作区花生生产水足迹及耗水结构分析

王艺璇, 贾浩, 逯杰, 石晓宇, 赵明宇, 高真真, 赵炯超, 褚庆全

作物学报. 2022, (12):  3203-3214.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.14235

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准确评估作物生产耗水结构, 可为优化区域作物布局和促进农业水资源可持续利用提供主要依据。本研究借助水足迹理论和方法, 基于分县数据量化了黄淮海农作区1985—2015年花生生产的水足迹, 并分析了其耗水结构和时空分布的变化特征。结果表明, 2015年黄淮海农作区花生生产的水足迹总量为178.32×10⁸ m³, 其中蓝水、绿水、灰水足迹分别为34.04×10⁸、73.58×10⁸、70.70×10⁸ m³, 水足迹在空间上呈东南高西北低的分布格局, 河南省东部和山东省南部是花生水足迹的高值区。1985—2015年间, 花生水足迹总量增幅为87.94%, 其中蓝水、绿水、灰水足迹分别增加1.12%、25.16%、1221%; 从空间变化上看, 蓝绿水足迹均呈西南部升高、东部降低的趋势, 而灰水足迹在全区范围上升明显。30年间, 花生水足迹的重心持续向西南方向偏移, 累计移动160.90 km。花生水足迹空间集聚趋势在局部地区发生明显变化, 原以山东省为核心的主要热点区域收缩明显, 并在河南省西南部出现新的热点。本研究通过对黄淮海农作区分县花生生产水足迹准确评估和时空演变规律分析, 为本区域花生布局优化与农业水资源管理策略提供理论基础。

研究简报

丛枝菌根真菌对玉米籽粒氮素吸收和土壤细菌群落组成的影响

张富粮, 陈冰洁, 杨硕, 李晓立, 何堂庆, 张晨曦, 田明慧, 吴梅, 郝晓峰, 张学林

作物学报. 2022, (12):  3215-3224.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.13082

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明确丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)通过调控土壤细菌群落组成影响玉米产量和籽粒氮素吸收的作用机制, 为玉米增产增效提供理论依据。2018和2019年2个玉米生育季, 采用分室(生长室和菌丝室)箱体装置, 设置氮肥形态和丛枝菌根真菌双因素试验, 测定玉米籽粒产量、籽粒氮素积累量、植株根系性状; 并采用Hiseq 2500 PE250高通量测序技术测定土壤细菌群落结构和多样性。结果表明, 不同形态氮肥处理下接种丛枝菌根真菌, 均显著增加玉米籽粒产量及其氮素积累量, 并显著改善玉米根系性状。与铵态氮肥处理均值相比, 硝态氮肥处理下分别提高玉米产量和籽粒氮素积累量14%和31%。与M0处理均值相比, 铵态氮肥处理下M1和M2处理产量分别增加65%和182%, 籽粒氮素积累量增加158%和813%; 硝态氮肥处理下产量分别增加48%和123%, 籽粒部氮素积累量增加106%和387%。NMDS 分析表明, 不同形态氮肥和丛枝菌根真菌均显著影响细菌群落组成。与铵态氮肥处理均值相比, 硝态氮肥处理目水平Tepidisphaerales相对丰度增加10%, Bradyrhizobium相对丰度降低5%。与M0处理均值相比, 铵态氮肥条件下M1和M2处理目水平Bradyrhizobium相对丰度分别增加21%和55%; 硝态氮条件下Bradyrhizobium相对丰度分别增加49%和74%, 其中 Tepidisphaerales和Bradyrhizobium的相对丰度与玉米籽粒氮素积累量呈显著正相关。本研究表明, 不同形态氮肥处理下玉米接种丛枝菌根真菌通过改善土壤细菌群落组成, 促进玉米产量和籽粒氮素积累量增加, 其中主要是增加了土壤目水平Tepidisphaerales和属水平Bradyrhizobium细菌的相对丰度。

蒸煮米水比对不同直链淀粉含量杂交籼稻米粒微观结构和食味特性的影响

袁玉洁, 张丝琪, 王明玥, 罗霄, 曾钰涵, 宋璐炘, 卢慧, 陈虹, 陶有凤, 邓飞, 任万军

作物学报. 2022, (12):  3225-3233.  doi:10.3724/SP.J.1006.2022.12088

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明确蒸煮米水比对稻米食味品质的影响, 为不同直链淀粉含量杂交籼稻最适蒸煮米水比的选择提供理论依据。在前期品种筛选试验的基础上, 以2个高直链淀粉、2个低直链淀粉杂交籼稻品种为试验材料, 研究了米饭外观形态、微观结构、质构特性及感官食味品质对不同蒸煮米水比的响应。结果表明: (1) 低直链杂交籼稻具有较高的溶胀因子, 在浸泡阶段米粒即出现较大裂缝且贯穿整颗籽粒, 水分充分进入籽粒, 仅需较少加水量就能糊化完全, 在加水量过高时籽粒内部形成孔洞, 结构不稳定; 而高直链杂交籼稻则呈相反趋势。(2) 蒸煮米水比显著影响米饭的硬度、黏性、咀嚼性、胶着性、内聚性和回复性, 以及米饭的适口性、冷饭质地和感官综合评分。(3) 加水量可显著提高米饭的粘性, 降低米饭的硬度、咀嚼性、胶着性、内聚性和回复性; 米饭适口性、滋味、冷饭质地和感官综合评分随加水量增加呈先上升后下降的趋势, 而米饭气味和外观差异较小。(4)米饭气味和外观在各米水比处理间均以低直链品种优于高直链品种, 低直链品种在米水比1∶1.3达到最佳适口性, 高直链品种在2.3倍加水量时适口性最优, 两类品种滋味和冷饭质地指标变化规律与适口性指标相似。综上所述, 增加蒸煮加水量可以显著改善高直链杂交籼稻的食味品质; 低直链杂交籼稻在米水比1∶1.3时食味品质最佳, 而高直链杂交籼稻在1∶2.3时达到最佳食味。