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2024年 第50卷 第2期 刊出日期：2024-02-12

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综述

谷子中矮秆资源创制、遗传解析和育种利用

刁现民, 王立伟, 智慧, 张俊, 李顺国, 程汝宏

作物学报. 2024, (2):  265-279.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34131

摘要 ( 1282 )   HTML ( 67 )   PDF (4944KB) ( 954 )  

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谷子是旱作生态农业的主栽作物和应对气候变化的战略储备作物, 也是新时期功能基因研究的模式作物。谷子品种的中矮秆化是产业发展的必然趋势。国内外目前已报道的谷子矮秆材料达70多个, 从形态上谷子矮秆种质可以分为叶穗直立的紧凑型和叶穗下披的常规型2类; 赤霉素(GA)敏感性测定发现4个材料对GA不敏感, 其他均是GA敏感型; 显隐性分析表明, 多数矮秆材料为隐性单基因控制, 但矮88株高为多基因控制。利用自然群体关联分析和双亲杂交分离群体合计发掘了109个控制株高的QTL, 精细定位了7个矮秆基因, 半显性矮秆材料84133的矮化基因SiDW1是唯一克隆并进行功能分析的矮化基因。对谷子中矮秆品种选育的梳理表明, 利用矮88和其衍生系为亲本已培育出139个中矮品种(系), 实现了谷子株高的显著矮化, 满足了机械化收获对抗倒伏降株高的要求。本文综述了国内外谷子株高矮化基因的研究进展, 梳理了已经定位和克隆的谷子矮秆基因, 讨论了谷子矮秆遗传和育种研究中的问题, 展望了未来发展方向。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

棉花现代品种资源产量与纤维品质性状鉴定及分子标记评价

柯会锋, 苏红梅, 孙正文, 谷淇深, 杨君, 王国宁, 徐东永, 王洪这, 吴立强, 张艳, 张桂寅, 马峙英, 王省芬

作物学报. 2024, (2):  280-293.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.34075

摘要 ( 1168 )   HTML ( 37 )   PDF (7599KB) ( 358 )  

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棉花是重要经济作物和天然纺织工业原料。品种是棉花生产的限制性源头, 取决于优异种质资源的鉴定、评价和有效利用。鉴于此, 本研究以我国三大棉区(黄河流域棉区、长江流域棉区和西北内陆棉区) 141份陆地棉现代品种资源为材料, 在不同环境条件鉴定其9个产量与纤维品质性状, 并结合KASP和SSR标记对其进行遗传多样性评价。结果发现, 长江流域棉区品种的衣分和衣指最高, 黄河流域棉区品种的单铃重和子指最大, 西北内陆棉区品种的纤维品质最优; 同时发现, 4个产量性状与5个纤维品质性状在供试品种间存在极显著差异, 产量性状以衣指的变异系数最大(10.09%), 品质性状以断裂比强度的变异系数最大(8.81%), 说明存在较大选择潜力。依据9个性状进行聚类分析, 可将141份品种资源分为2类, 且类别间的产量与品质性状存在差异。分子标记检测发现, 30对SSR引物在141份品种资源中扩增出74个多态性条带, 32个KASP标记在供试品种中分型清晰, 依据标记计算品种的遗传相似系数均值为0.62, 说明存在较丰富遗传变异; 分子标记聚类分析将供试品种分为2类, 且分类结果与表型性状分类结果有一定相似性。本研究共筛选出3份大铃(>7 g)优异种质、24份高衣分(>42%)种质、6份纤维长度和断裂比强度>30的种质以及2份综合性状优异种质, 为棉花新品种培育提供了优异亲本资源, 为深入利用棉花品种资源提供了依据。

BSA-Seq结合RNA-Seq技术挖掘大豆叶片提前黄化衰老基因

李世宽, 洪慧龙, 付佳祺, 谷勇哲, 孙如建, 邱丽娟

作物学报. 2024, (2):  294-309.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.34062

摘要 ( 1103 )   HTML ( 41 )   PDF (9043KB) ( 494 )  

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大豆产量与其生殖生长的持续时间呈正相关, 延缓其开花后叶片的衰老, 提高其生理功能, 有利于增加植物的粒重。叶片黄化是植物衰老的显著特征之一。关于在大豆鼓粒后期叶片黄化的研究鲜见报道。本研究对鼓粒后期叶片提前黄化突变体ly和野生型ofc杂交组合进行遗传分析, 结果表明, 大豆鼓粒后期叶片提前黄化性状受单隐性核基因控制。通过BSA-Seq在19号染色体得到一个2.23 Mb的初定位区间, 经开发标记图位克隆后将区间缩短至1.75 Mb, 区间内有219个基因, 再结合RNA-Seq分析, 得到了区间内12个候选基因, 其中有4个SNP变异基因和8个差异表达基因。本研究结果为大豆鼓粒后期叶片黄化衰老基因的克隆奠定了基础。

甘蔗3个育种性状与SSR标记的关联分析及优异等位变异发掘

田春艳, 边芯, 郎荣斌, 俞华先, 桃联安, 安汝东, 董立华, 张钰, 经艳芬

作物学报. 2024, (2):  310-324.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.34066

摘要 ( 832 )   HTML ( 22 )   PDF (368KB) ( 1260 )  

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株高、茎径和锤度是甘蔗产量和蔗糖分两大育种目标的主要构成因子, 鉴定与其相关的分子标记、发掘优异等位变异及典型载体材料, 可为甘蔗分子标记辅助育种提供依据。本试验以62份甘蔗种质资源为材料, 于成熟期调查4个种植环境条件下甘蔗株高、茎径和锤度3个育种性状, 对表型数据进行方差和遗传变异分析, 并基于37对SSR标记的分子数据, 利用MLM方法进行关联分析, 鉴定出优异关联标记并进行表型效应解析, 发掘优异等位变异及载体材料。结果表明, 基因型、种植环境及其两者互作对株高、茎径和锤度具有极显着影响。3个性状的广义遗传力范围为0.68~0.76, 说明具有较稳定的遗传特性, 其表现型主要由基因型决定。表型数据统计分析表明, 3个性状均呈现出数量性状的正态分布特征, 变异系数范围为6.73%~19.89%, 具有较丰富的表型变异。37对SSR引物共检测到204个等位变异, 平均每对扩增到5.5135个, 基因多样性平均值为0.6779, PIC平均值为0.6252, 高度多态性标记(PIC>0.5)占总量的89.19%。群体结构分析表明该群体可分为3个亚群。基于MLM模型, 共检测到与株高、茎径和锤度相关的标记20个, 表型变异解释率为5.04%~27.98%。其中7个标记在2个及以上环境中均检测到认为是优异关联标记, 经表型效应解析共鉴定出8个具有增效效应的优异等位变异及携带优异等位变异的典型载体材料10份。该研究结果对甘蔗产量和糖分性状候选基因挖掘和杂交组合亲本选配具有重要指导意义。

棉属人工异源四倍体后代性状鉴定及花器转录组学分析

陈天, 李昱樱, 荣二花, 吴玉香

作物学报. 2024, (2):  325-339.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.34061

摘要 ( 875 )   HTML ( 28 )   PDF (7441KB) ( 161 )  

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实验室前期通过远缘杂交及加倍人工合成草棉与雷蒙德氏棉异源四倍体, 旨在拓宽棉花遗传背景, 为棉花种质创新提供新材料。本试验以人工异源四倍体3个世代为材料, 将其与亲本及陆地棉标准系TM-1进行纤维性状、生理生化比较、SSR标记鉴定以及花器转录组学分析。结果表明, 人工异源四倍体纤维颜色介于亲本之间, 呈浅黄色, 纤维长度与TM-1接近。人工异源四倍体的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性以及丙二醛(MDA)含量均显著高于亲本和TM-1, 表明人工异源四倍体经过远缘杂交及加倍后, 抗逆性得到加强。选取11对SSR引物在材料中共检测到55个多态性位点, 每对引物变异位点为2~10个, 平均为5个; 多态信息含量(PIC)变幅为0.498~0.892, 平均为0.742; 表明SSR标记在试验材料中表现出丰富的遗传多样性。S₂、S₃、S₄同时扩增出亲本互补条带和特异性条带, 表明该异源四倍体在分子水平上出现了染色体片段的重组。S₂、S₃、S₄与TM-1相同的条带分别是37条、19条、20条, 其中17条是各世代与TM-1共有, 表明人工异源四倍体与TM-1有相同的遗传背景。花器转录组学结果表明, 人工异源四倍体与TM-1中有5653个DEGs, 其中3062个上调, 2591个下调。GO功能分析表明, DEGs在光合作用、光系统II、RNA指导的DNA聚合酶活性等途径差异显著。KEGG富集分析表明, DEGs在光合作用-天线蛋白、光合作用和异黄酮的生物合成等相关代谢通路较为活跃。通过富集分析筛选人工异源四倍体与TM-1中与育性相关的DEGs发现, 人工异源四倍体在花粉发育与识别方面的差异基因大都是下调表达, 这可能是导致人工异源四倍体结实率低的关键因子。通过聚类从Nr注释信息获得3个G型凝集素类受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(基因Gh_D01G067500、Gh_D05G168100、Gh_A01G062500)。研究结果表明人工异源四倍体综合了父母本的优良性状, 在纤维颜色、抗逆、光合方面表现出优势。期望通过和陆地棉杂交恢复其育性, 进一步育成生产上有价值的新材料。

不同磷胁迫处理转OsPHR2小麦的转录组学分析

李艳, 方宇辉, 王永霞, 彭超军, 华夏, 齐学礼, 胡琳, 许为钢

作物学报. 2024, (2):  340-353.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31020

摘要 ( 1103 )   HTML ( 41 )   PDF (1779KB) ( 1209 )  

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PHR基因是磷信号调控体系的核心转录因子, 负责启动下游部分应对磷饥饿的适应性反应。本课题前期获得了磷高效转OsPHR2小麦纯系, 但OsPHR2提高小麦磷吸收利用效率的分子机制尚不清楚。为揭示该机制, 本研究以前期获得的磷高效转OsPHR2小麦纯系为研究材料, 采用水培试验, 小麦长至四叶一心时进行低磷胁迫处理, 分别在低磷胁迫0、6、24和72 h, 利用RNA-Seq进行转录组测定, 分析转基因小麦与对照之间根部和叶片的差异表达基因(differentially expression gene, DEG), 并分别对根部和叶片DEG进行GO和KEGG功能富集分析。结果显示: 低磷胁迫处理0、6、24和72 h转基因系与对照根部有22个共同的DEG, 叶片有9个共同的DEG。转基因小麦与对照根部DEG数量在低磷胁迫处理0 h最多, 其次为6 h。GO和KEGG富集分析显示, 低磷胁迫0 h和6 h, 根部DEG主要富集在糖代谢、苯丙素生物合成等生物学过程, 以及养分贮存器活性、ATP酶活性等分子功能。转基因小麦与对照叶片DEG数量在低磷胁迫72 h最多, 主要富集在糖代谢、有机酸生物合成等生物学过程, 以及与糖基转移酶活性、纤维素合酶活性等有关的分子功能。与对照相比, 转基因系OsT5-28根部血红素过氧化物酶、谷胱甘肽S-转移酶等防御系统关键酶基因, 以及叶片磷酸丙糖转运体家族基因在低磷胁迫前后均上调表达。转OsPHR2小麦与对照对低磷胁迫的响应程度具有一定的差异性, 低磷胁迫下转基因小麦较对照具有较强的磷素吸收利用能力, 主要是OsPHR2调控了小麦中相关基因表达。

渗透胁迫下玉米自然反义转录本cis-NAT_ZmNAC48启动子的功能分析

毛燕, 郑名敏, 牟成香, 谢吴兵, 唐琦

作物学报. 2024, (2):  354-362.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.33013

摘要 ( 656 )   HTML ( 22 )   PDF (5170KB) ( 385 )  

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前期研究发现自然反义转录本cis-NAT_ZmNAC48可负调控干旱响应基因ZmNAC48, 为了进一步探索cis- NAT_ZmNAC48的功能, 本研究以cis-NAT_ZmNAC48 cDNA序列、ZmNAC48蛋白质编码序列检索玉米B73参考基因组, 获取基因上游启动子序列, 并利用PlantCARE^[1]和New PLACE^[2]预测启动子调控元件, 发现cis-NAT_ZmNAC48和ZmNAC48启动子序列中除含有CAAT-box, TATA-box等基本元件外, 还含有激素响应元件以及转录因子结合元件等。构建cis-NAT_ZmNAC48和ZmNAC48启动子融合GUS的表达载体, 并通过花序侵染法获得转基因拟南芥。分析GUS染色和GUS酶活性发现, Pro_{cis-NATZmNAC48}:GUS和Pro_ZmNAC48:GUS转基因拟南芥根、茎、叶中均有GUS表达, 且渗透胁迫处理后Pro_{cis-NATZmNAC48}:GUS转基因拟南芥中GUS 基因的表达量和GUS酶活性显著降低, 而Pro_ZmNAC48:GUS转基因拟南芥中GUS基因的表达量和GUS酶活性显著增加, 可见cis-NAT_ZmNAC48和ZmNAC48启动子均响应渗透胁迫。DNA甲基化是影响启动子活性的调控事件之一, 本研究通过分析cis-NAT_ZmNAC48启动子区域DNA甲基化情况, 发现在cis-NAT_ZmNAC48序列前400~1000 bp存在DNA甲基化修饰, 渗透胁迫处理后, 该甲基化区域甲基化富集情况发生了显著的变化, 但发生显著性变化的甲基化位点并未在顺式调控元件上。这些结果为后续cis-NAT_ZmNAC48的调控分析奠定了重要的基础。

玉米杂交群体产量性状及其特殊配合力全基因组关联分析

马娟, 曹言勇

作物学报. 2024, (2):  363-372.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.33022

摘要 ( 1059 )   HTML ( 31 )   PDF (462KB) ( 1321 )  

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提高产量是玉米育种的长期目标, 解析产量相关性状及其配合力的遗传基础对选育高产玉米新品种具有重要意义。本研究选用123份玉米自交系和8份测验种作为亲本, 根据NCII (North Carolina design II)获得540份杂交种为材料, 在新乡和周口试验田调查F₁杂交种的单穗粒重、单穗重、百粒重、行粒数等8个产量及构成性状, 利用玉米5.5K液相育种芯片检测亲本基因型, 推断F₁杂交种的基因型, 利用BLINK (Bayesian information and linkage-disequilibrium iteratively nested keyway)加性和显性模型开展F₁杂交种表型与其特殊配合力(special combining ability, SCA)的全基因组关联分析。结果表明, 利用加性和显性模型对F₁杂交种分别检测到10个和31个显著关联位点。利用显性模型检测到8个SNPs (single nucleotide polymorphisms)与SCA显著关联。不同性状和模型间共定位位点有7个, 其中1个为单穗重与其SCA同时关联位点。通过对主效和共定位SNPs的扫描, 共鉴定到26个候选基因, 其中转录因子MYBR85、NLP9、PHD3、生长素上调小RNA (SAUR11和SAUR12)、FCS-like锌指蛋白基因FLZ16等可能是控制F₁杂交种产量性状与其SCA的重要候选基因。

基于多维组学数据的玉米农艺和品质性状预测研究

杨静蕾, 吴冰杰, 王安洲, 肖英杰

作物学报. 2024, (2):  373-382.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.33021

摘要 ( 886 )   HTML ( 26 )   PDF (2499KB) ( 789 )  

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基因组选择是利用覆盖基因组的高密度标记对未知表型进行预测并选择的技术。在植物中, 利用该技术可对不同作物性状进行早期选择, 保留优势个体, 节约田间管理和表型鉴定成本, 大大加快育种进程。本研究使用rrBLUP和LASSO两种统计模型, 基于基因组、转录组和代谢组数据对玉米的农艺性状和品质性状进行了基因组预测。研究发现, 对于不同组学数据而言, 其预测能力高低依次为基因组、转录组、代谢组数据。对于不同性状而言, 品质性状的预测能力高于农艺性状。对于rrBLUP和LASSO两种模型而言, 基于基因组数据预测时所有性状均是rrBLUP为最优预测模型; 基于转录组数据预测时有53种性状是以rrBLUP为最佳预测模型, 2种性状以LASSO为最佳预测模型; 基于代谢组数据, 有43种性状以rrBLUP为最佳预测模型, 12种性状以LASSO为最佳预测模型。此外, 还发现用不同系谱材料进行预测时, 热带玉米预测温带玉米, 其效果略优于温带玉米预测热带玉米。而对于品质性状, 不同系谱间材料的预测精度高于同一系谱内。本研究系统评估了各种组学数据和不同统计模型对玉米农艺及品质性状预测能力的差异, 为未来玉米重要性状的基因组育种提供了理论依据。

叶面喷施丹参碳点缓解甘薯低磷胁迫的转录组与代谢组学分析

朱晓亚, 张强强, 赵鹏, 刘明, 王静, 靳容, 于永超, 唐忠厚

作物学报. 2024, (2):  383-393.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34063

摘要 ( 936 )   HTML ( 33 )   PDF (10990KB) ( 281 )  

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为探究叶面喷施碳点(CDs)对低磷胁迫下甘薯幼苗生长发育的影响, 发掘CDs调控甘薯根系响应低磷胁迫的关键基因, 解析根系代谢产物与关键基因的协同变化, 探讨CDs缓解甘薯低磷胁迫的机制, 本研究以商薯19和徐薯32为研究对象, 设置低磷水平下(0.01 mmol L^-1 KH₂PO₄)叶面喷施超纯水(CK1)、喷施丹参碳点(CDs)和正常磷水平下(1 mmol L^-1 KH₂PO₄)喷施超纯水(CK2) 3个处理, 对不同处理甘薯根系进行转录组和代谢组学分析, 同时考查不同处理中甘薯叶、茎和根系生物量和磷含量的变化。结果表明, 叶面喷施丹参CDs显著增加了低磷胁迫下甘薯幼苗叶、茎和根系的生物量, 提高了根系磷含量, 增强了甘薯幼苗的耐低磷性。转录组分析结果显示, 磷酸盐吸收和转运基因(PHO1、PHT1-4)、根系构型调控基因(ZAT6、ZFP5、PLT5)和肌醇磷酸盐生物合成基因(VIP2)在缓解甘薯低磷胁迫中发挥着关键作用。代谢组分析结果显示, CDs处理较CK1处理甘薯根系磷酸肌醇的表达量均显著降低。这表明, 低磷胁迫下, 叶面喷施CDs通过诱导甘薯根系高亲和磷吸收转运系统、优化根系构型等以提高甘薯对磷素的吸收能力, 同时通过调整植株体内的磷代谢过程来维持磷稳态。但CDs介导下不同甘薯品种的低磷胁迫反应也存在差异。与CK1处理相比, CDs处理中还观察到商薯19根系磷酸乙醇胺和4-磷酸肌醇等磷酸酯的表达量显著降低; 而徐薯32根系分泌的柠檬酸和草酸的表达量显著增加, 它们能够活化土壤中的难溶性磷, 促进植物磷吸收。这可能与不同甘薯品种本身的耐低磷性存在差异有关。研究结果可为建立甘薯磷养分高效的调控理论与调控新途径提供科学支撑和理论依据, 也为后续针对纳米CDs缓解甘薯低磷胁迫的相关研究提供了候选分子资源。

磷转运蛋白StPHO1.2提高马铃薯耐热性

李万, 李成, 程敏, 吴芳

作物学报. 2024, (2):  394-402.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.34064

摘要 ( 731 )   HTML ( 25 )   PDF (6839KB) ( 160 )  

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植物通过磷转运蛋白吸收和转运磷元素, 充足的磷元素能够提高作物产量、品质和抗逆性。高温是影响马铃薯生长发育的重要环境因子, 严重时会造成减产甚至绝收。本研究利用农杆菌介导, 在马铃薯(Solanum tuberosum L.)中过表达磷转运蛋白基因StPHO1.2, 比较转基因株系和野生型株系在高温(35℃)和常温(22℃±1℃)环境下的生长状况。结果表明, 过表达StPHO1.2能够提高马铃薯耐热性, 促进其生长, 且磷元素浓度越高, 抗性越强, 长势越好。本氏烟草中的亚细胞定位结果显示, StPHO1.2在细胞膜上表达, 因此, 选择膜系统文库质粒筛选StPHO1.2的互作蛋白。通过酵母双杂交试验和BiFC试验, 本研究证明磷转运蛋白StPHO1.2与钙离子转运相关蛋白(StCAX1)和光系统II蛋白亚基(StPsbR)均有相互作用。综上所述, 过表达StPHO1.2可能通过影响光合作用和信号转导, 从而提高马铃薯耐热性, 促进马铃薯生长。这些结果为深入理解磷转运蛋白的功能提供了理论依据和参考, 对马铃薯新品种的选育具有促进作用。

小麦TabHLH112-2B基因克隆及每穗小穗数相关功能标记开发

范子培, 李龙, 史雨刚, 孙黛珍, 李超男, 景蕊莲

作物学报. 2024, (2):  403-413.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31016

摘要 ( 844 )   HTML ( 36 )   PDF (4989KB) ( 3716 )  

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bHLH (basic Helix-Loop-Helix)转录因子在植物生长发育过程中发挥着重要作用。本研究克隆了小麦TabHLH112-2B, 该基因由7个外显子和6个内含子构成, 编码444个氨基酸, 在315~364位氨基酸处具有一个典型的HLH保守结构域。组织表达模式分析表明TabHLH112-2B在小麦幼苗期、拔节期、抽穗期和开花期的各个组织中均有表达, 其中在叶和根中表达量较高。顺式作用元件分析发现TabHLH112-2B启动子区含有植物激素应答、胁迫响应、与分生组织发育相关的多种顺式作用元件, qRT-PCR结果显示其表达响应ABA、IAA、MeJA等植物激素和干旱、高盐、低温、高温等胁迫处理。基因组序列多态性分析检测到启动子区域的2个SNP, 分为2种单倍型。根据SNP-682开发分子标记并进行关联分析, 发现该标记与干旱、高温等多种环境下的每穗小穗数显著相关, Hap-2B-2为每穗小穗数多的优异单倍型。研究结果为培育高产广适小麦新品种的分子标记辅助育种提供了优异基因资源和技术支撑。

耕作栽培·生理生化

低氮条件下超级杂交稻苗期根系特征的变化及与其高氮素积累的关系

吴宇, 刘磊, 崔克辉, 齐晓丽, 黄见良, 彭少兵

作物学报. 2024, (2):  414-424.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32015

摘要 ( 982 )   HTML ( 32 )   PDF (459KB) ( 693 )  

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作物根系在氮素吸收与分配中起着重要作用。本研究选用2个根系特征具有差异的水稻品种黄华占(Huanghuazhan, HHZ, 常规稻)和扬两优6号(Yangliangyou 6, YLY6, 超级杂交稻), 在水培条件和2个氮素浓度(低氮, low nitrogen, LN; 高氮, high nitrogen, HN)处理下, 研究根系形态和解剖结构特征的变化及其与LN下氮素积累的关系。与HN处理相比, LN处理下HHZ总氮积累量显著下降了19.7%, YLY6没有显著下降; YLY6根干重、总根长、根表面积、根尖数分别显著增加了41.3%、57.1%、74.9%和20.6%, 而HHZ没有显著变化。与HN处理相比, LN处理下YLY6的根直径和根皮层面积分别显著增加了12.4%和24.2%, 而HHZ根直径和根皮层面积、中柱直径分别显著降低了12.0%、21.9%和11.4%。LN处理下, YLY6根系铵转运蛋白基因AMT2;1、AMT2;3、AMT3;1、AMT3;2的表达量分别显著增加了195.6%、29.3%、314.9%和388.9%, 谷氨酰胺合成酶基因GS1;1表达量增加了158.2%, HHZ中这5个基因的表达量没有显著变化。LN下总氮积累量与根系性状显著正相关(根厚壁组织厚度除外), 与部分铵转运和同化相关基因的表达量显著正相关。这些结果表明超级杂交稻YLY6幼苗在LN下根系特征变化有利于增加氮积累。选育根系对减氮表现出有利变化的水稻品种应是绿色水稻生产的一个重要途径。

不同灌溉模式对籼粳杂交稻甬优1540产量与水分利用效率的影响

徐冉, 杨文叶, 朱均林, 陈松, 徐春梅, 刘元辉, 章秀福, 王丹英, 褚光

作物学报. 2024, (2):  425-439.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32016

摘要 ( 747 )   HTML ( 16 )   PDF (1106KB) ( 707 )  

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旨在探讨不同灌溉模式对籼粳杂交稻甬优1540产量与水分利用效率的影响, 并阐明其相关生理基础。本研究以甬优1540为材料, 设置了3种灌溉模式, 即长淹灌溉(continuous flooding, CF)、轻度干湿交替灌溉(alternate wetting and moderate drying, AWMD)以及重度干湿交替灌溉(alternate wetting and severe drying, AWSD)。研究结果表明, 与CF相比, AWMD与AWSD均能显著提高水分利用效率, 增幅分别为22.6%~25.6%与18.2%~23.1%; AWMD可以显著提高水稻产量, 增幅为8.6%~10.0%, 而AWSD则显著降低水稻产量, 降幅为6.0%~7.5%。与CF相比, AWMD显著降低了拔节期水稻的茎蘖数、地上部干物质重、叶面积指数、移栽至齐穗期的光合势以及移栽至拔节期的作物生长速率, 但显著提高了茎蘖成穗率、拔节至齐穗期的作物生长速率、主要生育期水稻根长密度、深根比、比根长、根系总吸收表面积与活跃吸收表面积, 以及灌浆后2次土壤复水期的剑叶净光合速率、根系氧化力、根系与叶片中玉米素和玉米素核苷(Z+ZR)含量、籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性等指标。以上结果表明, AWMD可以协同提高甬优1540产量与水分利用效率, 优化根-冠生长发育特征, 提高灌浆期植株生理活性, 实现高产与水分高效利用, 为本研究最佳水分管理模式。

秋闲期秸秆覆盖与施磷对冬小麦氮素吸收利用的影响

谢炜, 贺鹏, 马宏亮, 雷芳, 黄秀兰, 樊高琼, 杨洪坤

作物学报. 2024, (2):  440-450.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31019

摘要 ( 791 )   HTML ( 27 )   PDF (583KB) ( 620 )  

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西南冬麦区气候冬干春旱频发、土壤速效磷缺乏, 限制冬小麦氮素吸收。本研究探究秋闲期秸秆覆盖与施磷对小麦根系NO₃^-吸收动力势、氮素吸收利用、叶绿素含量和籽粒产量的影响, 以期为小麦高产稳产及养分的高效利用提供理论依据。试验于2020—2022年在四川仁寿进行, 采用二因素裂区设计, 以秸秆覆盖(SM)和不覆盖(NSM)为主区; 3个磷水平0 (P0)、75 (P75)和120 (P120) kg hm^-2为裂区。结果表明: 秸秆覆盖与施磷显著提高地上部磷素积累量, SM较NSM的小麦根尖NO₃^-净吸收速率、籽粒氮积累量、氮素转运量、氮素同化量、氮肥偏生产力和籽粒产量分别增加28.2%、8.4%、9.0%、41.9%、23.3%和21.9%。与P0相比, P75和P120增加幅度分别达到35.1%~37.6%、12.6%~19.0%、7.1%~9.3%、35.7%~60.5%、17.6%~23.8%、17.2%~23.6%。与NSM相比, SM的小麦旗叶灌浆期叶绿素含量上升, 进而提高籽粒产量。综上所述, 秸秆覆盖与施磷可促进小麦根尖NO₃^-吸收, 提高叶绿素含量, 从而显著增加花后氮素的吸收及营养器官临时贮存氮素向籽粒的再分配, 最终提高籽粒产量。考虑经济效益和产量回报, 西南地区小麦高产高效栽培时, 推荐采用秋闲期秸秆覆盖配施磷肥75 kg hm^-2。

米粉稻早季与晚季种植品质差异研究

肖正午, 胡丽琴, 黎星, 解嘉鑫, 廖成静, 康玉灵, 胡玉萍, 张珂骞, 方升亮, 曹放波, 陈佳娜, 黄敏

作物学报. 2024, (2):  451-463.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32014

摘要 ( 970 )   HTML ( 16 )   PDF (556KB) ( 1200 )  

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为探明不同种植季节气候条件对米粉稻米粉蒸煮品质的影响, 于2020—2022年在湖南浏阳开展大田试验, 以5个米粉稻品种(广陆矮4号、中嘉早17、湘早籼24号、中早39、株两优729)为材料, 比较米粉稻早季与晚季种植米粉蒸煮品质和稻米品质的差异。结果表明, 米粉稻品种在晚季种植时, 灌浆期平均温度和平均辐射量比在早季种植分别降低18.7%和12.7%。米粉稻在晚季种植时, 米粉损失率比在早季种植降低7.4%; 米粉断条率和吸水率早晚季间差异不显著。与早季种植相比, 米粉稻在晚季种植时稻米RVA谱特征值中峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度、回复值和糊化温度分别下降25.8%、22.9%、34.3%、19.7%、14.2%和2.0%, 而消减值和峰值时间分别上升11.8%和2.3%。相关性分析表明, 灌浆期平均温度与稻米峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度、回复值和糊化温度呈显著正相关, 与消减值呈显著负相关; 灌浆期平均辐射量与峰值黏度、热浆黏度、最终黏度呈显著正相关, 与消减值呈显著负相关; 米粉蒸煮损失率与最终黏度、糊化温度和峰值时间呈显著正相关。由此可见, 米粉稻在晚季种植有助于米粉蒸煮品质提高。米粉稻RVA谱特征值中最终黏度和糊化温度是影响米粉损失率的关键指标。

温度升高下APSIM模型春小麦籽粒生长参数敏感性分析及优化

张康, 聂志刚, 王钧, 李广

作物学报. 2024, (2):  464-477.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31018

摘要 ( 966 )   HTML ( 22 )   PDF (643KB) ( 486 )  

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为有效识别基于APSIM模型籽粒生长参数中春小麦产量敏感性参数, 快速并准确的估算当地模型参数。使用甘肃省定西市安定区凤翔镇安家沟村1971—2018年的气象数据和2000—2018年旱地春小麦大田试验数据, 并利用EFAST方法对进行了5个增温梯度(0℃、0.5℃、1.0℃、1.5℃和2.0℃)下32个模型参数进行敏感性分析。粒子群算法对各个增温条件下均敏感的参数进行优化验证。结果表明: 不同温度变化梯度下, 对旱地春小麦产量影响最大的籽粒生长模型参数有9个, 分别为消光系数、每克茎籽粒数量、穗粒数、单株最大籽粒质量、灌浆到成熟积温、出苗到拔节积温、株高、最大比叶面积和光合叶片老化的水分胁迫斜率。并且对产量敏感性强度有着显著的差异, 其中消光系数和每克茎籽粒数量是对春小麦产量影响最大的参数, 其他参数在不同温度下对春小麦产量的敏感性顺序存在差异。利用粒子群算法针对这9个参数进行优化, 相较于优化前, 优化后的春小麦产量、开花期和灌浆期籽粒干物质的均方根误差、归一化均方根误差和模型有效性指数均得到了显著改善, 参数优化后开花期、灌浆期、成熟期产量的均方根误差平均值分别由13.50 kg hm^-2减小到5.99 kg hm^-2、183.17 kg hm^-2减小到69.44 kg hm^-2、141.69 kg hm^-2减小到48.51 kg hm^-2, 归一化均方根误差平均值分别由4.94%减小到2.19%、10.92%减小到4.65%、8.39%减小到2.87%, 模型有效性指数平均值分别由0.894提高到0.979、0.893提高到0.981、0.898提高到0.988。优化后的参数有效地提高了模型的预测精度。此研究为APSIM模型在当地应用和模型参数校准提供了科学依据。

栽培优化对长江下游水稻灌浆期根系特征和稻米淀粉特性的影响

吴昊, 张瑛, 王琛, 顾汉柱, 周天阳, 张伟杨, 顾骏飞, 刘立军, 杨建昌, 张耗

作物学报. 2024, (2):  478-492.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32011

摘要 ( 806 )   HTML ( 19 )   PDF (1289KB) ( 735 )  

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为研究不同栽培管理技术下长江下游水稻灌浆期根系特征与稻米淀粉特性的关系, 以甬优2640、武运粳24号、扬稻6号和金香玉1号品种为材料进行大田试验, 设置氮空白区(0N)、当地常规(对照)、增密减氮、干湿交替灌溉和增施饼肥5种栽培模式处理。结果表明, 与当地常规处理(对照)相比, 甬优2640在增密减氮、干湿交替灌溉和增施饼肥处理下的产量增幅分别为6.49%、11.06%和12.72%, 武运粳24号分别增加1.92%、11.10%和17.05%, 扬稻6号增幅分别为9.30%、18.50%和22.89%, 金香玉1号产量增幅分别为6.92%、14.72%和17.89%。同时我们也观察到随着栽培技术的集成和优化, 根系形态生理特征(根干重、根长、根直径、根系氧化力、根系伤流强度、根系和根系伤流液中玉米素+玉米素核苷含量和根系分泌物中有机酸总量)以及籽粒淀粉合成关键酶(可溶性淀粉合成酶和颗粒结合型淀粉合成酶)活性、淀粉峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度、溶解度和膨胀度逐渐提高。相关分析表明, 灌浆期根系形态生理特征与产量和稻米淀粉特性关系密切。表明栽培技术的集成和优化可能通过调节地下部根系生长来改善稻米品质, 最终实现高产优质高效的目标。

种植密度对角果期弱光胁迫油菜籽粒油脂积累的影响

聂晓玉, 李真, 王天尧, 周元委, 徐正华, 王晶, 汪波, 蒯婕, 周广生

作物学报. 2024, (2):  493-505.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.24273

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角果期光照不足显著影响油菜籽粒含油量, 而增加种植密度具有明显的增产效果, 但其对角果期弱光胁迫下籽粒含油量的影响未见报道。本试验选用华油杂62和沣油520两个品种进行大田试验, 设置3个种植密度(15×10⁴、30×10⁴、45×10⁴株 hm^-2)和2个光照强度(透光率为100%, LT100%和花后10~35 d透光率为70%, LT70%), 从籽粒碳代谢和油脂代谢角度, 研究种植密度对角果期弱光胁迫下油菜籽粒含油量的影响机制。结果表明: 与LT100%相比, LT70%处理下2个品种花后25 d、35 d时籽粒叶绿素含量、核酮糖-1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(Ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase, Rubisco)活性降低, 光合速率下降, 光合产物葡萄糖含量降低0.4%~27.9%; 蔗糖合成酶(Sucrose synthase, SuSy)分解活性降低, 导致果糖含量降低了4.8%~24.5%, 减少了籽粒碳水化合物积累与转运, 同时磷脂酸磷酸酯酶(Phosphatidate phosphatase, PPase)、6-磷酸葡萄糖脱氢酶(Glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PDH)活性降低, 导致含油量降低2.1%~11.8%, 油脂产量降低27.0%~35.3%。与低密度遮阴相比, 高密度LT70%处理下籽粒的Rubisco、SuSy活性降幅变小, 但籽粒G6PDH和PPase活性降幅变大。这些结果表明, 在本试验条件下, 通过增加密度可以缓解弱光对籽粒光合碳代谢的抑制, 通过增加群体产量缓解弱光胁迫下产油量的损失。

研究简报

小麦穗型相关生长素通路基因发掘及TaARF23-A与小穗数关联分析

谭丹, 陈家婷, 郜钰, 张晓军, 李欣, 闫贵云, 李锐, 陈芳, 常利芳, 张树伟, 郭慧娟, 畅志坚, 乔麟轶

作物学报. 2024, (2):  506-513.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31040

摘要 ( 873 )   HTML ( 22 )   PDF (4066KB) ( 584 )  

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生长素是调控作物穗部形态的主要内源激素之一。为了发掘小麦中与穗型相关的生长素通路基因, 本研究选择了纺锤穗型品系SY95-71和密穗品系CH7034, 对其幼穗内源生长素含量进行了检测, 结果显示SY95-71幼穗中的色胺含量显著高于CH7034。转录组测序结果表明, 在高置信区间(P<0.01)范围内, SY95-71幼穗中富集到4个特有的生长素相关条目, 并且色氨酸脱羧酶基因(负责将色氨酸转化为色胺)和生长素响应因子基因(Auxin Response Factors, ARFs)的转录水平均显著高于CH7034。对在SY95-71中高表达的2个ARF基因(TraesCS7A02G475700和TraesCS7A02G475600)作了进一步分析, 结果显示二者是位于7A染色体长臂上的一对串联重复基因, 根据小麦ARF家族成员编号, 将其分别命名为TaARF23-A1和TaARF23-A2。qRT-PCR结果证实SY95-71幼穗中TaARF23-A1和TaARF23-A2的表达量极显著高于CH7034。测序结果显示TaARF23-A的外显子序列在SY95-71和CH7034间具有2个SNP和1个InDel。根据InDel位点开发分子标记, 并将其与SY95-71和CH7034的RILs群体在6个大田环境下的穗部表型进行关联分析, 结果显示TaARF23-A与小穗数显著相关(P<0.0001), 其CH7034型等位变异比SY95-71型等位变异增加了1.67个小穗。本研究结果将为小穗发育机制解析提供参考, 也为小麦理想穗型改良提供了分子标记。

氮肥和缩节胺对棉花纤维产量及品质时间分布的影响

李志坤, 贾文华, 朱伟, 刘伟, 马宗斌

作物学报. 2024, (2):  514-528.  doi:10.3724/SP.J.1006.2023.34086

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棉花伏前桃、伏桃、早秋桃和晚秋桃(“四桃”)的时空分布不同, 但目前“四桃”的纤维产量和品质差异及其对氮(N)肥与缩节胺(DPC)配施的响应鲜见报道。2015—2017年, 在郑州市黄河滩区采用双因素裂区设计, 以3个N肥用量为主区, 即不施N肥(N0)、常量施N(N1)和过量施N(N2), 用量分别为0、225和450 kg hm^-2; 以3个DPC用量为副区, 即不喷施DPC (D0)、常量DPC (D1)和过量DPC (D2), 用量分别为0、75和150 g hm^-2。研究了N肥与DPC配施对棉花纤维产量及品质时间分布的影响。结果表明, (1) N1处理的“四桃”纤维产量比N0和N2处理分别增加36.79%和3.27%, N2处理减产不显著; D1处理比D0和D2处理分别增产17.53%和8.50%, D2处理减产达到显著水平; N1D1组合产量最高, 其余组合减产1.15%~51.53%。N1D1组合的伏前桃、伏桃、早秋桃和晚秋桃产量分别占8.89%、45.35%、33.41%和12.36%, 伏桃和早秋桃是产量主体, 但早秋桃的成产强度大。随着施N量增加, 早秋桃和晚秋桃的纤维产量占比增加, 而随着DPC用量增加则表现相反。(2) N肥用量和DPC用量均对纤维长度、整齐度、比强度和马克隆值有显著影响, 但对纤维伸长率影响达不到显著水平。N1处理和D1处理的纤维品质综合表现最优, 但D0处理马克隆值最佳。N肥与DPC用量互作对“四桃”的纤维比强度和马克隆值有显著影响, 其中, N1D1处理“四桃”的比强度和马克隆值均表现最优, 而N2D2处理“四桃”的比强度和马克隆值表现最差。此外, 过量施N和过量喷施DPC均会升高马克隆值。(3) “四桃”的纤维品质存在差异。伏前桃的纤维品质除马克隆值最优外, 其纤维长度、整齐度和比强度最差; 伏桃和早秋桃的纤维长度、整齐度和比强度最优, 但马克隆值表现最差, 伸长率居中; 晚秋桃的伸长率最优, 其余品质指标均居中。研究结果丰富了“四桃”产量和品质差异的相关理论, 并为棉花合理施N和喷施DPC以及“四桃”纤维的合理利用提供了科学依据。