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2023年 第49卷 第3期 刊出日期：2023-03-12

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综述

水稻大穗形成及其调控的研究进展

刘立军, 周沈琪, 刘昆, 张伟杨, 杨建昌

作物学报. 2023, (3):  585-596.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22035

摘要 ( 1235 )   HTML ( 101 )   PDF (796KB) ( 1183 )  

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水稻每穗粒数是构成产量的关键因素, 现代高产水稻品种多表现为穗大粒多。增加每穗粒数、促进大穗形成是提高水稻产量的重要途径。本文概述了水稻每穗粒数形成与幼穗发育的关系, 并结合作者相关研究, 从水稻穗型的遗传调控、营养状况与氮肥管理、水分、温光条件和内源激素等方面分析了其对每穗粒数形成的影响。从根系形态生理与幼穗发育、水肥管理和温光条件以及植物激素间的相互作用调节颖花分化与退化的生理和分子机制等方面提出了未来加强水稻大穗形成研究的重点, 以期为大穗高产水稻品种选育和栽培调控提供依据。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

包穗突变体sui1-5鉴定及OsPSS1互作蛋白筛选

杨晔, 孙琦, 邢欣欣, 张海涛, 赵志超, 程治军

作物学报. 2023, (3):  597-607.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22014

摘要 ( 614 )   HTML ( 30 )   PDF (6705KB) ( 306 )  

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包穗是水稻生产上的不利性状, 表现为倒一节间伸长异常, 穗部不能正常从叶鞘伸出。目前, 已经鉴定报道了多个包穗性状突变体, 但对该性状产生的分子机制认识仍然有限。OsPSS1/SUI1是一个磷脂酰丝氨酸合酶的编码基因, 该基因突变会引起突变体sui1-4的倒一节间严重缩短。我们鉴定到了一个新的OsPSS1/SUI1等位突变体sui1-5, 该突变体倒一节间缩短程度明显减轻。测序发现突变体中基因SUI1的第7个外显子存在1个单碱基G→T替换, 导致甘氨酸突变为缬氨酸。为了研究OsPSS1的功能, 我们通过酵母筛库发现了一个与OsPSS1互作的蛋白GH9A3, 并通过酵母双杂交、荧光素酶互补(LCI)和双分子荧光互补(BIFC)实验加以验证。GH9A3是GH9基因家族成员, 编码内切-1,4-β葡聚糖酶, 推测是细胞壁成分纤维素合成的一个关键酶。在苗期, SUI1和互作蛋白编码基因GH9A3的表达量并不同步, GH9A3在sui1-5的表达量上调。但是在拔节抽穗期, SUI1和GH9A3在sui1-5中的表达量都相应降低, 其他纤维素合酶CESAs家族基因的表达量在sui1-5中也明显降低。这些结果为进一步研究OsPSS1的功能奠定了一定的理论基础。

南疆陆地棉杂种F₂的遗传分析及遗传主效聚类

郭宏, 于霁雯, 裴文锋, 关永虎, 李航, 李长喜, 刘金伟, 王伟, 王宝全, 梅拥军

作物学报. 2023, (3):  608-621.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24008

摘要 ( 510 )   HTML ( 25 )   PDF (698KB) ( 284 )  

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采用加性-显性及其与环境互作的遗传模型对298个陆地棉品种(系)及其884个F₂组合在新疆南疆阿拉尔垦区4个产量性状和5个纤维品质性状2年的资料进行遗传分析, 并对亲本的加性效应和显性效应进行了聚类, 以明确各类品种(系)的育种利用价值。结果表明, 在南疆陆地棉“矮(0.8~1.0 m)、密(225,000~300,000株 hm^-2)、早、膜”高密度种植模式下, 298个亲本的加性效应被分为12类。第2类的23个品种(系)产量(除衣分外)和纤维品质性状的加性效应较高, 可通过这类品种(系)间杂交较易获得产量性状和纤维品质性状兼优的后代。第8类品种(系)的纤维品质性状的加性效应较高, 第4类品种(系)的产量性状加性效应较高, 通过2类品种间杂交可以获得产量性状和纤维品质性状互补的后代。298个亲本的显性效应被分成了9类。第8类包括8个品种(系), 其产量性状和纤维品质性状(除马克隆值外)的显性效应较高, 可作为综合利用产量性状和纤维品质性状杂种优势兼优的一类亲本。产量性状的显性效应平均值较高的是第8类, 第3类的纤维品质性状的显性效应较高。

利用F_2:3家系来源单倍体定位玉米雄穗相关性状QTL及全基因组选择

许加波, 吴鹏昊, 黄博文, 陈占辉, 马月虹, 任姣姣

作物学报. 2023, (3):  622-633.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23024

摘要 ( 505 )   HTML ( 12 )   PDF (686KB) ( 748 )  

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雄穗大小影响玉米光合作用合成的养分分配, 进而影响雌穗发育以及由此决定的穗行数、行粒数、结实率、百粒重等产量构成因素。本研究用优良自交系郑58和B73构建的F_2:3家系诱导单倍体, 通过48K液相杂交探针捕获技术获得基因型, 结合多环境单倍体表型数据, 对雄穗相关性状采用完备区间作图法(inclusive composite interval mapping, ICIM)进行QTL (quantitative trait locus)定位, 采用(ridge regression best linear unbiased prediction, RRBLUP)模型探索全基因组选择中训练群体大小及SNP标记数目对预测精度的影响。结果表明, 雄穗主轴长、一级分枝数、二级分枝数和总分枝数遗传力分别为0.82、0.88、0.84和0.88。雄穗主轴长检测到2个QTL, 分别位于bin1.03和bin4.09, 表型贡献率为6.02%和11.10%。一级分枝数检测到2个QTL, 分别位于bin1.05和bin4.05, 表型贡献率为9.17%和11.75%。二级分枝检测到2个QTL, 分别位于bin2.03和bin3.06, 表型贡献率为5.51%和5.65%。总分枝数检测到2个QTL, 分别位于bin1.04和bin4.05, 表型贡献率为9.37%和10.83%。其中, 一级分枝数和总分枝数在bin4.05定位到了一个相同位点, 一因多效。全基因组选择五倍交叉验证的预测精度分别为0.36、0.41、0.28、0.38。当训练群体达到总群体60%时, 标记密度达到500个时, 即可以得到较高的预测精度。

水稻半育突变体sfp10的生理特征分析及基因定位

李秋平, 张春龙, 杨宏, 王拓, 李娟, 金寿林, 黄大军, 李丹丹, 文建成

作物学报. 2023, (3):  634-646.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22005

摘要 ( 429 )   HTML ( 15 )   PDF (12203KB) ( 160 )  

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以水稻花粉半育性突变体lsm与籼稻93-11构建的高世代回交导入系semi-fertility plant 10 (sfp10)为研究对象, 与野生型93-11相比, 突变体在在株高、叶长、叶宽、分蘖数、花粉数量等农艺性状上均未发现显著差异, 但花粉育性却显著下降。花粉镜检及花粉发育后期的扫描电镜观察结果显示, sfp10突变体部分花粉在发育后期淀粉积累减少并最终败育。花粉发育相关生理指标检测结果表明, 突变体花药中脯氨酸和淀粉的含量显著下降; 蔗糖在突变体穗部上游组织(源叶、库叶、茎)中积累量显著增加, 但穗部含量却明显减少, 说明蔗糖到穗部的运输过程受到影响。遗传分析表明, sfp10突变体性状受1对隐性核基因控制, 基因初定位将突变位点定位于水稻10号染色体RM25389和RM25404之间的398 kb区间内, 该区间包含3个与蔗糖转运相关的基因和1个与淀粉合成相关的基因。本研究为进一步开展花粉半育性调控基因的精细定位、基因功能及调控机制的深入研究奠定基础。

玉米株高和穗位高性状全基因组关联分析

马雅杰, 鲍建喜, 高悦欣, 李雅楠, 秦文萱, 王彦博, 龙艳, 李金萍, 董振营, 万向元

作物学报. 2023, (3):  647-661.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23023

摘要 ( 982 )   HTML ( 46 )   PDF (8823KB) ( 559 )  

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适宜的株高和穗位高可提高植株的养分利用效率及抗倒伏性, 对玉米增产和稳产具有重要意义。为揭示玉米株高和穗位高遗传机制, 本研究以854份玉米自交系为关联群体, 利用均匀分布于玉米10条染色体的2795个SNP标记对4个环境下玉米株高、穗位高以及穗位系数进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)。共定位到81个显著关联SNP位点(P<0.0001), 其中与株高显著关联的SNP为35个, 单个位点表型解释率为0.02%~6.23%; 与穗位高显著关联SNP为31个, 单个位点表型变异解释率为0.03%~3.06%; 与穗位系数显著关联的SNP位点为24个, 单个位点表型变异解释率为0.03%~6.64%。进一步鉴定出15个可在2个及以上环境共定位的稳定SNP, 其中6个为本研究首次发现, 9个位于前人定位QTL区间或/和关联SNP位点2 Mb范围内。在15个稳定SNP位点上下游各200 kb的置信区间共发现83个功能注释基因, 结合文献分析筛选出了每个位点最有可能的候选基因, 这些候选基因主要参与激素合成与信号转导、糖类代谢、细胞分裂调控等途径。鉴定出6个主效SNP位点, 并发现1个可同时调控株高、穗位高和穗位系数的一因多效位点。本研究可为分子标记辅助选择育种提供有效遗传位点, 为精细定位和克隆株高与穗位高相关性状基因提供参考。

水稻早衰基因ESL8的遗传与定位

朱晓彤, 叶亚峰, 郭均瑶, 杨惠杰, 王紫瑶, 詹玥, 吴跃进, 陶亮之, 马伯军, 陈析丰, 刘斌美

作物学报. 2023, (3):  662-671.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22012

摘要 ( 463 )   HTML ( 32 )   PDF (8774KB) ( 290 )  

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早衰突变体是研究植物细胞凋亡分子机制的重要遗传材料。从水稻“科辐粳7号”诱变库中, 筛选到一个早衰突变体esl8 (early senescence leaf 8)。与野生型相比, 该突变体叶片在抽穗期表现出严重的早衰, 其株高、分蘖数、穂长、每穗粒数以及结实率, 在成熟期均极显著降低, 但千粒重无显著变化; 该突变体叶片的叶绿素含量显著下降, 组织化学染色进一步检测到细胞死亡、活性氧与丙二醛过量积累。遗传分析发现, 该突变体的早衰表型受单隐性核基因控制。采用图位克隆技术将esl8基因精细定位在12号染色体的FM12-14和FM12-15分子标记之间, 物理距离为359 kb。候选基因预测与PCR测序结果表明, esl8基因是OsSL/ELL1基因的一个新等位变异, 突变位点发生在该基因的保守区域。以上结果为进一步研究该基因编码蛋白的功能及其早衰分子机制提供理论依据。

利用WGCNA鉴定玉米非生物胁迫相关基因共表达网络

邓照, 蒋环琪, 程丽沙, 刘睿, 黄敏, 李曼菲, 杜何为

作物学报. 2023, (3):  672-686.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23017

摘要 ( 624 )   HTML ( 39 )   PDF (2789KB) ( 1144 )  

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加权基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)是一种经典的系统生物学分析方法, 可用来鉴定协同表达的基因模块, 探索模块与目标性状的生物学相关性, 并挖掘模块网络中的核心基因。本文收集了低温胁迫、高温胁迫、干旱胁迫和盐胁迫处理下玉米(Zea mays L.)根、茎、叶等组织的58份转录组数据, 利用WGCNA方法鉴定玉米非生物胁迫的基因共表达网络模块。过滤转录组数据中12,552个低表达基因后, 利用余下27,204个高表达基因构建共表达网络, 分析得到25个模块。根据玉米中已报道非生物胁迫相关基因与差异表达基因在模块中的分布, 筛选出与低温胁迫、高温胁迫、干旱胁迫和盐胁迫最相关的mediumpurple4、ivory、coral2、darkseagreen4模块和响应多种胁迫的green模块。随后对这5个模块的基因进行GO富集分析, 发现在这些模块内与非生物胁迫相关基因的在非生物胁迫调控相关功能显著富集, 如胁迫响应、过氧化物酶活性等。对这5个模块作相关性分析, 预测出Zm00001eb072870、Zm00001eb320970、Zm00001eb037640、Zm00001eb423300和Zm00001eb265310等10个非生物胁迫相关的核心基因。本研究为玉米非生物胁迫相关基因的挖掘和非生物胁迫调控网络研究等提供了新思路。

亚麻生氰糖苷合成关键酶CYP79基因家族的鉴定及表达分析

齐燕妮, 李闻娟, 赵丽蓉, 李雯, 王利民, 谢亚萍, 赵玮, 党照, 张建平

作物学报. 2023, (3):  687-702.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24042

摘要 ( 512 )   HTML ( 19 )   PDF (1530KB) ( 424 )  

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CYP79蛋白是生氰糖苷合成关键酶, 但关于亚麻CYP79基因的研究鲜有报道。本研究对包括亚麻在内的9种作物的CYP79基因家族进行了鉴定, 并分析了亚麻CYP79基因的序列特征、复制事件、共线性关系、系统进化、顺式作用元件及表达模式。结果表明, 在亚麻、白亚麻、毛果杨、木薯、芝麻、高粱、大豆、葡萄及水稻中分别鉴定到9、9、3、2、5、7、6、16和4个CYP79家族成员; 系统进化分析显示, CYP79基因的进化具有物种特异性; LuCYP79不均匀分布在4条染色体上, 具有1~3个外显子, 其启动子区含大量激素与逆境响应相关元件; 共克隆到8个亚麻CYP79基因的全长DNA序列及5个成员的全长cDNA序列; LuCYP79蛋白序列长度为282~565 aa, 等电点为5.84~9.14, 分子量为31.56~62.86 kD, 均为亲水性蛋白, 定位于内质网; 共有5对基因发生复制事件, 占全部基因的77.8%, 全部经历了强烈的纯化选择, 其中LuCYP79-1和LuCYP79-9在拟南芥和木薯中均具有同源基因。表达分析表明, LuCYP79家族成员具有组织特异性, 且各成员在不同遗传背景下表达模式不同, 其中LuCYP79-1、LuCYP79-7、LuCYP79-8和LuCYP79-9在4个品种中的表达差异显著。相关分析表明, 50 d时的LuCYP79-1/LuCYP79-7与成熟亚麻籽中生氰糖苷含量呈极显著正相关, 20 d时的LuCYP79-7/LuCYP79-8及(LuCYP79-7+LuCYP79-9)/LuCYP79-8分别与成熟亚麻籽中生氰糖苷含量呈极显著正相关, 初步推测其可能是亚麻籽生氰糖苷合成的关键基因。研究结果对进一步阐明亚麻CYP79蛋白的功能具有积极意义, 并为培育低生氰糖苷亚麻品种提供了理论参考。

糜子GBSSI基因功能标记的开发与验证

丁敏, 段政勇, 王宇卓, 薛亚鹏, 王海岗, 陈凌, 王瑞云, 乔治军

作物学报. 2023, (3):  703-718.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24028

摘要 ( 447 )   HTML ( 11 )   PDF (5822KB) ( 208 )  

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根据糜子胚乳直链淀粉合成调控基因Waxy (GBSSI)上已知功能位点的核苷酸差异设计功能分子标记, 并对山西省270份糜子资源进行基因型检测和基因分型。通过对粳糯性状的鉴定, 将表型与基因型结合对分子标记进行验证。对46份不同基因型糜子资源进行直链淀粉含量测定, 分析该基因的遗传效应, 评估其育种利用价值。GBSSI基因在糜子中以2种形式(L和S)存在, 针对S型基因15 bp的InDel位点设计了一个功能标记(RYW214), 该标记能有效区分126 bp、141 bp和杂合(126/141 bp) 3种带型, 粳糯性鉴定显示该标记结果与表型鉴定结果吻合度高, 达93.30%, Pearson相关性指数r为0.745。针对L型基因上的一个单核苷酸插入位点和一个SNP位点, 设计了2个CAPS标记(RYW215、RYW216), 该标记可对L基因准确分型。270份资源中, 共有11种基因型。其中, 基因型S_-15/L_F最多, 有84份(31.10%), 其次是S₀/S_-15/L_F (22.96%), S_-15/L_Y/L_F最少(0.74%), 未发现S_-15/L_C。46份材料中, 直链淀粉含量较高的基因型为S₀/L_Y/L_F(15.50%), 最低为S-₁₅/L_F (0.58%)。突变基因型S_-15会导致直链淀粉含量出现质的下降, 杂合基因型S₀S_-15直链淀粉含量稍高于纯合基因型S_-15。

基于高密度遗传图谱的蓖麻种子大小性状QTL定位

杨俊芳, 王宙, 乔麟轶, 王亚, 赵宜婷, 张宏斌, 申登高, 王宏伟, 曹越

作物学报. 2023, (3):  719-730.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.14195

摘要 ( 511 )   HTML ( 13 )   PDF (4928KB) ( 168 )  

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蓖麻种子大小直接影响产量, 不同的蓖麻材料间种子大小差异较大, 深入研究蓖麻种子大小性状的遗传机制对蓖麻种子产业的发展具有重要意义。本研究以蓖麻两性自交系SL1为父本, 雌性系HCH1为母本1 (组合1)、雌性系HCH3为母本2 (组合2), 分别构建F₂、BC₁群体。首先, 分析2组遗传群体种子大小性状间的相关性。其次, 利用全基因组测序技术(whole genome sequencing,WGS)对组合1的F₂群体中的150个单株进行测序分析, 构建高密度遗传图谱并结合种子大小性状表型数据进行数量性状座位(quantitative trait locus, QTL)定位分析。最后, 对QTL区间包含的基因进行BLAST同源比对和KEGG通路富集分析确定候选基因。结果表明, 不同组合群体的种子大小各性状间的相关性有差异, 种子的长度和宽度相关性最显著。共检测到种子大小性状相关QTL位点18个, 其中种子长度2个QTLs、种子宽度5个QTL、种子厚度4个QTL、百粒重7个QTL, 分别分布在连锁群1、4、7、8、9、10上, LOD值介于3.77~7.40, 变异贡献率介于0.71%~86.20%。基于这些分析, 筛选到6个调控蓖麻种子大小的候选基因28470.m000435、29908.m006143、29848.m004589、27752.m000045、29683.m000480和29848.m004611。本研究为蓖麻种子大小相关基因的精细定位和克隆、分子标记辅助育种及基因功能的深入研究奠定了一定的理论基础。

基于水稻长大粒染色体片段代换系Z66的粒型QTL的鉴定及其聚合分析

向思茜, 李儒香, 徐光益, 邓岢莉, 余金琎, 李苗苗, 杨正林, 凌英华, 桑贤春, 何光华, 赵芳明

作物学报. 2023, (3):  731-743.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.12081

摘要 ( 469 )   HTML ( 15 )   PDF (6124KB) ( 254 )  

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水稻籽粒大小是一个复杂的农艺性状, 受多基因控制。染色体片段代换系是创造自然变异的有效手段, 也是复杂性状研究的理想材料。本研究构建了一个新的水稻长大粒染色体片段代换系Z66, Z66以日本晴的基因组为遗传背景, 含有来自R225的12个代换片段, 平均代换长度为3.32 Mb。然后, 以日本晴/Z66创建的次级F₂群体定位出12个控制水稻籽粒大小的QTL, 并培育出具有目标QTL的5个新单片段代换系(S1~S5)和4个新双片段代换系(D1~D4)。其中有9个QTL (qGL3、qGL7、qGL10、qGW6、qGW10、qRLW3、qRLW10、qGWT3、qGWT10)可被单片段代换系所验证, 表明这些QTL遗传稳定。此外, 还利用单片段代换系鉴定到6个新的QTL (qGL9-2、qGW9-2、qRLW6、qRLW7、qRLW9-2、qGWT7)。在这18个QTL中, qGL9-2、qRLW9-1、qRLW9-2、qGW9-2、qGWT9-2可能是新鉴定的QTL。双基因聚合分析表明, 不同QTL间聚合产生不同的上位性效应。如qRLW3 (a=0.21)和qRLW9-2 (a=0.08)聚合产生了0.10的上位性效应, 使D2具有比受体日本晴、S1 (qRLW3)和S4 (qRLW9-2)更大的谷粒长宽比, 且差异显著。qGWT3 (a=3.99)和qGWT10 (a=3.98)聚合产生了-5.35的上位性效应, 其遗传效应(2.62)使D3的千粒重比日本晴显著增加, 而比S1 (qGWT3)和S5 (qGWT10)显著减少。了解QTL间的互作效应可对未来基因型的表型进行预测, 从而对实现智能型设计育种至关重要。

小麦旗叶叶绿素含量的QTL定位及验证

杨斌, 乔玲, 赵佳佳, 武棒棒, 温宏伟, 张树伟, 郑兴卫, 郑军

作物学报. 2023, (3):  744-754.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21018

摘要 ( 717 )   HTML ( 35 )   PDF (1946KB) ( 784 )  

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旗叶是小麦主要的光合器官, 叶绿素既是旗叶最主要的光合色素, 也是品种选育中重要的表型指标, 因此挖掘和利用旗叶叶绿素含量有关的主效基因/位点, 对于培育高产稳产小麦新品种意义重大。以旗叶叶绿素含量差异较大双亲构建的双单倍体群体(DH群体)为材料, 利用小麦90K SNP芯片对5个环境旗叶叶绿素含量进行QTL分析, 共定位到20个旗叶叶绿素含量有关的遗传位点, 表型贡献率为4.10%~27.16%; 其中3个QTL (Qchl.saw-2D.1、Qchl.saw-4D.2和Qchl.saw-6A)能在多个环境条件下检测到; Qchl.saw-2D.1的遗传效应最高, 该位点与2D染色体上已报道的其他叶绿素位点不同, 初步确定是1个新的主效QTL。并进一步将Qchl.saw-2D.1紧密连锁的SNP标记开发为KASP标记, 通过在含有共同亲本金麦919的RIL群体中验证其效应, 发现在多个环境条件下具有Qchl.saw-2D.1有利等位基因的家系叶绿素含量显著或极显著高于其他家系。对Qchl.saw-2D.1、Qchl.saw-4D.2和Qchl.saw-6A所在功能区段进行基因注释, 筛选到12个与叶绿素相关的候选基因, 其中3个基因参与镁等金属离子的结合过程, 5个基因参与调控叶绿体结构组成, 4个基因参与调控光合作用过程中相关电子链的传递活性。本文研究结果为叶绿素调控的遗传机制提供了有价值的信息, 并为高光效分子标记辅助育种提供依据与参考。

耕作栽培·生理生化

再生季稻与同期抽穗主季稻干物质分配特性及机制研究

吴冬青, 李洲, 郭春林, 邹京南, 庞孜钦, 林非凡, 何海斌, 林文雄

作物学报. 2023, (3):  755-771.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22016

摘要 ( 533 )   HTML ( 34 )   PDF (957KB) ( 580 )  

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研究再生稻干物质积累与转运特性对深入理解再生稻产量形成的生理机制及进一步挖掘增产潜力有重要的理论与实际意义。本研究以华东南稻区推广的常规籼稻佳辐占和籼粳杂交稻甬优2640两个再生稻品种作为供试材料, 在确保2个供试水稻品种的再生季稻和主季稻在籽粒灌浆阶段处于同一晚秋气温条件下抽穗成熟, 比较再生季稻及其同期抽穗的主季晚稻的光合生理、激素含量、干物质生产、非结构性碳水化合物(NSC)、¹³C同化物在植株地上部和地下部的干物质积累与分配差异。结果表明, 相比同期抽穗的同基因型主季晚稻, 2个供试品种的再生季稻生育期缩短50%, 但有效穗数和收获指数分别增加50%和10%, 最终产量可达到对照产量的55%~65%; 再生季稻在籽粒灌浆前期叶片光合速率和SPAD值均明显增高, 但齐穗后20 d至成熟期其光合速率和SPAD值则明显降低; 再生季稻株体内的ZR、IAA含量在齐穗期较高, 之后相比较低, 再生季稻株内的ABA含量在齐穗期至齐穗后10 d或20 d较高, 达到10%~20%, 而其GA₃含量普遍较低; 再生季稻稻桩、叶片和茎鞘的NSC转运率高达67%~78%、59%~67%和52%~61%, 因此其NSC转运对产量贡献率也分别高达10%~18%; ¹³C光合同化物分配在穗部占比大, 成熟期再生季稻穗部的分配率高20.83%, 同时, 减少了再生季稻¹³C同化物向地下部的转移量达5%, 因而有效穗多, 收获指数高。再生季稻减少了光合同化物向根际土壤的转移与分配, 既能提高其收获指数, 又有利于减少水稻的CH₄等温室气体排放量, 是一种经济高效益和环境友好型的稻作模式。

氮磷钾肥对旱地和水田油菜产量及养分利用的影响差异

方娅婷, 任涛, 张顺涛, 周橡棋, 赵剑, 廖世鹏, 丛日环, 鲁剑巍

作物学报. 2023, (3):  772-783.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24061

摘要 ( 653 )   HTML ( 35 )   PDF (658KB) ( 545 )  

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氮磷钾肥施用是农业生产中的重要增产措施, 旱-旱和水-旱周年复种轮作是我国长江流域冬油菜的主要种植模式。为探究氮磷钾养分对不同轮作油菜产量和养分吸收利用的影响及其差异, 于2017—2020年在湖北省沙洋县连续3年开展田间定位试验, 采用旱地油菜(玉米-油菜)和水田油菜(水稻-油菜)2种轮作模式, 各轮作分别设置氮磷钾(NPK)、不施氮(-N)、不施磷(-P)和不施钾(-K) 4个处理, 分析了油菜籽产量、产量构成和养分吸收情况, 并对肥料利用率和土壤养分供应能力进行了评估。3年试验的平均结果表明, 与NPK处理相比, -N、-P和-K处理的旱地油菜分别减产68.4%、89.6%和7.0%; 水田油菜分别减产71.0%、84.7%和6.4%。对产量构成因子进一步分析发现, 无论是旱地油菜还是水田油菜, 施肥对角果数影响最大, 其次是每角粒数, 对千粒重影响最小。与NPK处理相比, 旱地和水田油菜的角果数因缺氮、缺磷和缺钾分别减少61.6%和52.0%、82.0%和67.8%、16.2%和19.7%。相同施肥处理的旱地和水田油菜产量及养分吸收均存在显著差异, 在-N、-K和NPK处理, 旱地油菜产量均高于水田油菜, 分别高27.2%、15.9%和16.7%, 而-P处理的旱地油菜产量比水田油菜低20.8%; 养分积累量趋势与产量相似, 除-P处理外, 其余3个处理的旱地油菜地上部养分积累量均高于水田, NPK处理的旱地油菜地上部氮、磷和钾积累量分别比水田油菜高20.4%、37.3%和4.2%。旱地油菜季的年均土壤本底氮和钾供应量分别比水田高15.0%和20.9%, 而磷供应量比水田低39.2%。旱地油菜季氮肥和磷肥回收利用率均高于水田, 而钾肥回收利用率低于水田。综上, 养分的配合施用显著提高油菜产量和养分利用效率, 旱-旱轮作和水-旱轮作油菜产量存在显著差异并受养分种类的影响。与旱地油菜相比, 水田油菜种植需格外注重氮肥和钾肥的施用, 而旱地油菜较水田油菜则需适当增施磷肥, 以针对性地补充土壤缺乏养分和实现油菜高产高效生产。

微喷补灌水肥一体化对冬小麦产量及水分和氮素利用效率的影响

王雪, 谷淑波, 林祥, 王威雁, 张保军, 朱俊科, 王东

作物学报. 2023, (3):  784-794.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21009

摘要 ( 599 )   HTML ( 24 )   PDF (1777KB) ( 613 )  

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为探明微喷补灌水肥一体化对冬小麦产量及水分和氮素利用效率的影响, 于2019—2021年冬小麦生长季进行不同水肥管理模式试验。以山农29为试验材料, 采用裂区设计, 设置畦灌(W1)、微喷补灌(W2)两个主区, 设置拔节期随水追施均匀供氮(T1)和开沟条施局部供氮(T2)两个副区。结果表明, 与W1处理相比, W2处理全生育期灌水量两年度分别减少53.3 mm和45.9 mm, 节约用水35.5%和30.6%。同一灌溉模式下, T2处理施肥行在开花期0~80 cm土层和成熟期0~120 cm土层土壤硝态氮含量均显著高于T1处理。W1模式下, T1处理开花期和成熟期0~30 cm土层土壤硝态氮含量显著高于T2处理非施肥行相应土层, 开花期和成熟期0~100 cm土层根长密度、根表面积密度显著高于T2处理的施肥行和非施肥行, 开花后0~20 cm土层根系活力、开花后氮素同化量和营养器官氮素向籽粒转运量、氮肥偏生产力、氮素利用效率、水分利用效率和籽粒产量与T2处理均无显著差异。W2模式下, T1处理开花期和成熟期0~60 cm土层土壤硝态氮含量显著高于T2处理非施肥行相应土层, 开花期和成熟期0~100 cm土层根长密度和根表面积密度显著高于T2处理的施肥行和非施肥行, 开花后0~20 cm土层根系活力、开花后氮素同化量和营养器官氮素向籽粒转运量、氮素吸收效率、氮素利用效率、氮肥偏生产力、水分利用效率和籽粒产量均显著高于T2处理。以上结果说明, 在传统畦灌条件下, 拔节期随水追肥均匀供氮与开沟条施局部供氮相比, 小麦籽粒产量和水分与氮素利用效率无显著差异; 在微喷补灌节水条件下, 拔节期随水追肥均匀供氮明显优于开沟条施局部供氮; 微喷补灌水肥一体化(微喷补灌+拔节期随水追肥均匀供氮)优化了土壤硝态氮的空间分布, 能够在小麦生育中后期保持较高的供氮水平, 显著提高根系吸收面积和吸收强度, 增加开花后氮素同化量和营养器官向籽粒氮素转运量, 与局部供氮处理相比, 实现了籽粒产量和水分与氮素利用效率的同步提高。

基于根冠协调发展的东北春玉米高产种植密度分析

刘月, 明博, 李姚姚, 王克如, 侯鹏, 薛军, 李少昆, 谢瑞芝

作物学报. 2023, (3):  795-807.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.23026

摘要 ( 426 )   HTML ( 26 )   PDF (8248KB) ( 430 )  

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植株地上部与地下部的协调是生长发育的内在需求, 分析种植密度对冠根协调的影响能够为玉米增密高产理论和技术提供新的视角。本研究于2020—2021年在吉林省中国农业科学院作物科学研究所公主岭试验站进行, 以郑单958和先玉335两个耐密品种为试验材料, 调查了玉米关键生育时期内根系和冠层的相关指标在产量稳定区间的2个种植密度(D1: 6.75万株 hm^-2; D2: 9.75万株 hm^-2)下的差异。试验条件下, 种植密度从D1增加到D2, 玉米的单株干物质积累量、根干重等均出现显著降低, 群体指标表现不同。其中, 2个品种的群体籽粒产量未出现显著提升, 在根系各指标达到最大值的吐丝后15 d (R2期), 群体根干重、根长密度等也未出现显著提升。随着生育进程推进, 玉米的冠根比呈指数函数增长(y=ae^bx), 增加种植密度显著提高了玉米冠根比, 粒根比、叶根比也增加, 根系压力增大。研究结果表明, 玉米根系对种植密度的响应程度与地上部存在差异, 在产量水平基本相当的前提下, 根系压力较小的种植密度更有利于冠根协调和合理群体的构建。

干湿交替灌溉耦合施氮量对水稻籽粒灌浆生理和根系生理的影响

付景, 王亚, 杨文博, 王越涛, 李本银, 王付华, 王生轩, 白涛, 尹海庆

作物学报. 2023, (3):  808-820.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.22032

摘要 ( 516 )   HTML ( 21 )   PDF (688KB) ( 772 )  

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干湿交替灌溉耦合施氮量对水稻根系生长和产量形成有重要影响, 但其对籽粒灌浆生理的影响, 以及与根系生理的关系尚不明确。为探讨干湿交替灌溉和施氮量对水稻籽粒灌浆、籽粒淀粉合成相关酶活性和激素含量变化及其根系生理的影响, 以超级稻品种南粳9108为材料, 大田种植, 设置常规灌溉(conventional irrigation, CI)和干湿交替灌溉(alternate wetting and drying, AWD) 2种灌溉方式及5个施氮水平, 全生育期不施氮肥(0N)、全生育期施氮肥90 kg hm^-2 (90N)、全生育期施氮肥180 kg hm^-2 (180N)、全生育期施氮肥270 kg hm^-2 (270N)和全生育期施氮肥360 kg hm^-2 (360N)。结果表明: 灌溉方式与施氮量存在显著的互作效应, 干湿交替灌溉增加了南粳9108籽粒最大灌浆速率和平均灌浆速率, 提高了籽粒中蔗糖合成酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分枝酶的活性和玉米素+玉米素核苷、3-吲哚乙酸、脱落酸的含量, 增加了花后根系氧化力和根系中玉米素+玉米素核苷含量, 促进水稻生育前期茎鞘中储存的NSC向籽粒的运转, 且与270N耦合后产量最高, 为本试验最佳水氮耦合模式。表明通过适宜的水肥调控发挥水氮耦合效应, 可以提高水稻根系生理性能和籽粒灌浆生理活性, 实现水稻高产。

施氮量对花后高温胁迫下冬小麦籽粒淀粉合成的影响

高春华, 冯波, 李国芳, 李宗新, 李升东, 曹芳, 慈文亮, 赵海军

作物学报. 2023, (3):  821-832.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.21016

摘要 ( 565 )   HTML ( 24 )   PDF (609KB) ( 686 )  

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为探明氮肥对花后高温胁迫下小麦籽粒淀粉合成的响应机制, 明确氮肥缓解高温胁迫危害的生理机理及适宜运筹措施, 本研究于2018—2019年和2019—2020年在山东济南、济阳试验基地进行, 以不同耐热性小麦品种济麦44 (耐热型)和新麦26 (敏感型)为材料, 设2个温度水平(对照: CK; 花后10~16 d高温: H)和3个施氮量(N1: 180 kg hm^-2; N2: 240 kg hm^-2; N3: 300 kg hm^-2), 研究了施氮量对花后高温胁迫后粒重、灌浆特性、蔗糖与淀粉合成及其相关酶活性影响。结果表明, 花后高温显著缩短2个品种各施氮处理的灌浆天数, 显著降低了籽粒最大灌浆速率、支链淀粉含量、总淀粉含量及支/直比值。花后高温胁迫下, 与180 kg hm^-2和300 kg hm^-2处理相比, 240 kg hm^-2处理2个品种旗叶中蔗糖含量最高; 同时籽粒中直链淀粉、支链淀粉、总淀粉含量和粒重最高; 籽粒中蔗糖合成酶分解方向(SS-I)活性、可溶性淀粉合成酶(SSS)活性和淀粉分支酶(SBE)活性最高。花后高温胁迫和240 kg hm^-2施氮量处理下, 济麦44旗叶中蔗糖合成酶合成方向(SS-II)和籽粒中蔗糖合成酶分解方向(SS-I)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、淀粉分支酶(SBE)活性均显著高于新麦26; 济麦44旗叶中蔗糖含量、籽粒中淀粉含量和粒重显著高于新麦26。研究表明耐热性不同品种在适宜施氮量(240 kg hm^-2)下能保持高温胁迫后较高的旗叶合成蔗糖能力和籽粒分解蔗糖能力, 维持高温胁迫下籽粒较高的淀粉合成底物供给能力, 适宜施氮量可以缓解高温胁迫对籽粒淀粉合成的抑制作用。合理施氮和选择耐热性强的品种是提高冬小麦花后高温胁迫后籽粒淀粉含量和缓解高温胁迫危害的一项应对措施。

种间距对不同结瘤特性套作大豆根瘤生长及固氮潜力的影响

刘姗姗, 庞婷, 袁晓婷, 罗凯, 陈平, 付智丹, 王小春, 杨峰, 雍太文, 杨文钰

作物学报. 2023, (3):  833-844.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24027

摘要 ( 573 )   HTML ( 16 )   PDF (18768KB) ( 250 )  

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为充分挖掘套作大豆的固氮潜力, 本试验以玉米/大豆带状套作系统为对象, 研究了不同玉豆间距(30 cm、45 cm、60 cm和75 cm)下不同结瘤特性大豆品种(贡选1号、桂夏3号和南豆25号)的根瘤生长及固氮潜力差异。结果表明, 与单作相比, 带状套作可延缓大豆根瘤数目和鲜重峰值出现的时间: 玉豆间距60 cm处理下, 各品种大豆根瘤数目和鲜重显著高于其他间距处理, 并在达到峰值期后高于单作大豆;品种间表现为: 南豆25号>桂夏3号>贡选1号。带状套作相对于单作会降低始粒期(R5)前大豆根瘤的单株固氮潜力, 但玉豆间距60 cm处理下, R5期贡选1号、桂夏3号和南豆25号的单株固氮潜力2年平均较单作提高8.53%、16.40%和13.70%。不同大豆品种根瘤侵染细胞内含物积累过程差异较大, 相较单作, 玉豆间距60 cm处理下, R5期类菌体数量增多, 其中聚-β-羟基丁酸盐颗粒(PHB)增加, 以南豆25号表现最优。因此, 带状套作下适宜的种间距(玉豆间距60 cm)可增加R5期大豆根瘤数目和鲜重, 提高大豆根瘤类菌体和PHB的数量, 增强大豆根瘤的固氮潜力, 以强结瘤品种南豆25号效果最好。

长期不同施肥处理对高粱花后叶片衰老、抗氧化酶活性及产量的影响

王劲松, 白歌, 张艳慧, 申甜雨, 董二伟, 焦晓燕

作物学报. 2023, (3):  845-855.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24092

摘要 ( 503 )   HTML ( 23 )   PDF (484KB) ( 462 )  

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高粱花后叶片缓慢衰老及持绿能提高高粱应对干旱等逆境胁迫能力, 也与籽粒产量密切相关; 在育种上已将叶片抗早衰性作为育种的优异性状以提高谷物产量及稳定性, 栽培措施(包括施肥)也能够提高高粱花后叶片的抗早衰能力。为探明长期不同施肥处理对高粱花后叶片抗早衰性和叶片功能的影响, 2020和2021年在大田条件下研究了长期单施氮磷钾化学肥料(NPK)、化学肥料结合有机肥(NPKM)、化学肥料结合有机肥和秸秆还田(NPKMS)、有机肥和秸秆还田(MS)和不施肥(CK)各处理对高粱花后叶面积变化、叶片SPAD值、单位叶面积氮累积量(SLN)、叶片抗氧化酶活性及籽粒产量等影响。结果表明, 施肥提高了高粱花后持绿叶面积、SPAD值和SLN值; 与NPK比较, NPKM、NPKMS和MS能够有效控制持绿叶面积的衰减, 提高上中下3个部位叶片的SPAD值和SLN值, 其中MS与NPK处理氮投入相当。施肥也提高了不同部位叶片的SOD、POD和CAT抗氧化酶活性, 降低了MDA的含量; 与NPK比较, NPKM、NPKMS和MS显著提高了SOD、POD和CAT抗氧化酶活性和降低了MDA的含量。与CK和NPK比较, NPKM、NPKMS和MS显著提高了单穗粒数而提高了高粱籽粒产量。为此, 长期施用有机肥结合秸秆还田即能代替化肥, 又能防止高粱叶片早衰提高高粱产量。

研究简报

甘蓝型油菜BnMAPK1超量表达及中油821的转录差异表达分析

王珍, 张晓莉, 刘淼, 姚梦楠, 孟晓静, 曲存民, 卢坤, 李加纳, 梁颖

作物学报. 2023, (3):  856-868.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24073

摘要 ( 431 )   HTML ( 18 )   PDF (3875KB) ( 142 )  

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甘蓝型油菜(Brassica napus L.)是我国重要的油料作物之一, 具有较高的产量及营养价值。挖掘油菜广谱抗逆基因并深入探究其分子机制, 对提高油菜抗逆性且保证产量及品质具有重要意义。MAPK级联(Mitogen-activated protein kinase cascades)是多种信号跨膜传递的交汇点, 参与生长发育、生物及非生物胁迫应答等生物学过程。为了解甘蓝型油菜BnMAPK1基因的生物学功能, 本研究以BnMAPK1超量表达(OE)和中油821 (CK)油菜为材料进行数字基因表达谱分析。结果显示, 与CK相比, 650个基因在OE油菜中差异表达; 其中上调表达基因243个, 下调表达基因407个。GO注释共富集到生物学过程118条途径, 其中18条与光合作用相关(包含77个差异表达基因); 分子功能7条途径, 包括草酸氧化酶活性、锰离子结合、氧化还原酶活性等; 细胞组分38条途径, 包括叶绿体、质体、类囊体等。KEGG分析结果表明, BnMAPK1参与调控油菜光合作用、碳代谢、次生代谢物生物合成等14条过程。此外, 利用实时荧光定量PCR验证8个候选基因在OE和CK油菜中的表达, 其表达变化与测序结果基本一致。本研究结果为甘蓝型油菜BnMAPK1在生长发育及光响应等生物学过程中的功能分析奠定了基础, 也为农作物广谱抗逆遗传育种提供了理论依据。

花生籽仁品质性状高通量表型分析模型的构建

纪红昌, 胡畅丽, 邱晓臣, 吴兰荣, 李晶晶, 李鑫, 李晓婷, 刘雨函, 唐艳艳, 张晓军, 王晶珊, 乔利仙

作物学报. 2023, (3):  869-876.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.24030

摘要 ( 396 )   HTML ( 15 )   PDF (2926KB) ( 389 )  

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花生是重要的油料作物之一, 其籽仁品质直接影响加工特性, 是花生品质评价的重要指标。建立花生籽仁品质高通量分析模型, 快速高效地对花生籽仁品质进行评价, 可显著提高花生育种效率。本研究选用宇花14与LOP215杂交构建的140个RIL家系和35份其他品系为建模材料, 使用Thermo公司生产的Antaris II型傅立叶变换近红外光谱分析仪对175份样品籽仁进行光谱采集。采用索氏提取法测定籽仁含油量, 杜马斯定氮法测定蛋白含量, 蒽酮比色法测定糖含量, 气相色谱法测定脂肪酸含量。利用偏最小二乘法(partial least squares, PLS)构建花生籽仁含油量、蛋白含量、糖含量以及部分脂肪酸含量的多粒近红外定标模型。选用未参与建模的30份花生样品对该模型进行验证, 模型决定系数R²值均大于0.9000, 表明该模型可用于花生籽仁品质性状的分析预测。本研究为花生籽仁品质性状高通量表型分析提供了检测模型。