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2024年 第50卷 第10期 刊出日期：2024-10-12

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作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

不同CRISPR-Cas12f系统的编辑效率比较

黄灵芝, 符晓, 祁显涛, 刘昌林, 谢传晓, 吴鹏昊, 任姣姣, 朱金洁

作物学报. 2024, (10):  2425-2434.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.43012

摘要 ( 995 )   HTML ( 47 )   PDF (9242KB) ( 1452 )  

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来自Type V-F家族的CRISPR/Cas12f蛋白报道仅为Cas9蛋白分子的1/4到1/3大小, 在病毒载体的递送上具有重要优势。然而, CRISPR/Cas12f系统介导植物基因编辑的报道较少, 编辑活性相对较低, 限制了该系统在植物上的进一步应用。本研究分别在体外酶切、酵母以及玉米原生质体瞬时表达3个体系中比较了OsCas12f、SpCas12f及UnCas12f的编辑活性。 结果表明, 基于Cas12f/sgRNA的体外酶切, OsCas12f与SpCas12f蛋白的编辑活性相当, 未检测到UnCas12f对底物酶切活性; 在酵母突变eGFP的恢复表达试验中, OsCas12f在2个测试位点对eGFP蛋白的表达恢复效率达到95%以上, 效率与Cas12i.3相当; SpCas12f介导的2个位点eGFP蛋白表达恢复效率分别是1.63%与3.20%, 效果次之; UnCas12f蛋白几乎无编辑活性; 玉米原生质体瞬时表达比较OsCas12f和SpCas12f介导的玉米内源位点的编辑效率, 发现OsCas12f对2个位点的编辑效率分别为2.72%和1.97%, 而SpCas12f仅能介导其中1个位点的定点编辑, 编辑效率为1.09%。Cas12f蛋白在靶位点处引入的突变类型以碱基的缺失为主, 缺失碱基长度在-9~ -17 bp之间。综上, OsCas12f可以作为植物微型基因编辑器及衍生技术开发的底盘工具酶。

利用基因编辑技术创制低谷蛋白水稻种质

周田田, 唐兆成, 李笑, 朱鹏, 邓晶晶, 杨郁文, 张保龙, 郭冬姝

作物学报. 2024, (10):  2435-2446.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32060

摘要 ( 984 )   HTML ( 45 )   PDF (10159KB) ( 439 )  

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水稻(Oryza sativa L.)是重要的粮食作物，蛋白质是稻米的第二大营养物质。肾脏病人通常需要限制蛋白质的摄入量以减轻肾脏的负担和控制病情进展。稻米蛋白中谷蛋白含量最高，且易被人体消化。本研究以LGC-1作为供体亲本培育出的粳稻品种为转基因受体，利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术一次性敲除谷蛋白A (Glutelin A，GluA)亚家族编码基因GluA1、GluA2和GluA3，获得了不含转基因元件的谷蛋白含量约为1.8%的低谷蛋白种质，并对所得种质的稻米品质和农艺性状进行了全面评估。所得低谷蛋白种质外观品质较好，相比于受体品种垩白度降低、糙米率和精米率提高。本研究为创制低谷蛋白水稻品种提供了一种高效、简便的方法，为培育适合肾病患者的功能性水稻品种提供了一种新的遗传材料。

转录因子GhWRKY41促进水杨酸合成增强棉花对黄萎病菌的抗性

肖胜华, 董贤镘, 彭鑫, 李安子, 闭兆福, 廖铭静, 黄礼豪, 管倩倩, 胡琴, 朱龙付

作物学报. 2024, (10):  2447-2457.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44009

摘要 ( 961 )   HTML ( 29 )   PDF (7490KB) ( 757 )  

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棉花是我国最重要的经济作物之一, 但其产量和品质受黄萎病菌危害而大幅度下降。挖掘棉花黄萎病抗性相关基因并解析其分子机制, 对加快棉花抗黄萎病育种进程具有重要意义。前期研究鉴定到一个在多个抗病棉花品种中均受黄萎病菌诱导显著上调表达的WRKY基因GhWRKY41, 该基因通过激活苯丙烷代谢增强棉花对黄萎病菌的抗性。本研究进一步分析了GhWRKY41在不同激素处理下的诱导表达模式, 利用病毒介导的基因沉默(VIGS)技术验证了GhWRKY41的抗病功能, 并利用前期已创制的GhWRKY41转基因棉花株系‘Jin668’测定了其内源植物抗病激素含量。 结果显示, GhWRKY41受水杨酸(SA)、Me-JA和H₂O₂诱导均显著上调表达; GhWRKY41被沉默后可削弱棉花对黄萎病菌的抗性; SA含量在GhWRKY41超表达棉花中显著增加, 而在GhWRKY41干涉棉花中则明显减少。RT-qPCR分析显示, SA合成基因GhSID2及SA信号转导基因GhNPR1、GhPR1、GhPR5的表达水平在超表达植株中明显上调, 而在干涉植株中则显著下降。ChIP-qPCR和双荧光素酶报告基因试验结果表明, GhWRKY41可结合并激活GhSID2、GhPR1和GhPR5的表达。此外, 外施SA可明显提高棉花的黄萎病抗性。综上表明, GhWRKY41可通过促进棉花中内源植物激素SA的合成来增强植株的黄萎病抗性, 这一结果完善了GhWRKY41在棉花抵御黄萎病菌过程中的生物学功能, 为未来利用黄萎病抗性基因创制棉花抗病材料提供了理论基础。

过表达野生大豆耐盐碱基因GsGSTU13提高了水稻苗期耐盐碱性

李宛鸿, 胡冰霜, 孙晓丽, 才晓溪, 孙明哲

作物学报. 2024, (10):  2458-2467.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44017

摘要 ( 825 )   HTML ( 59 )   PDF (3054KB) ( 1026 )  

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谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferases, GSTs)是一类高度保守的功能酶, 在植物对非生物胁迫应答过程中发挥重要作用。本研究通过生物信息学分析发现, 野生大豆GsGSTU13与水稻GSTU17蛋白序列相似性最高, 均含有高度保守的结构域。为探究GsGSTU13基因对水稻耐盐碱性的影响, 通过遗传转化、PCR、RT-PCR和GST活性检测, 获得了2个GsGSTU13过表达转基因水稻纯合株系。苗期耐盐碱性分析显示, 200 mmol L^-1 NaHCO₃处理下, GsGSTU13转基因株系的活性氧积累显著低于野生型, 而存活率、相对含水量、超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和GST活性均显著高于野生型。综上, 在水稻中过表达GsGSTU13基因增强了活性氧清除能力, 提高了转基因水稻耐盐碱性, 为耐盐碱水稻新种质创制提供了参考。

国内外谷子资源农艺、品质性状差异分析以及遗传多样性研究

薛亚鹏, 辛旭霞, 王若楠, 于筱菡, 刘少雄, 王瑞云, 刘敏轩

作物学报. 2024, (10):  2468-2482.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44041

摘要 ( 863 )   HTML ( 28 )   PDF (1740KB) ( 567 )  

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对新引进国外谷子资源的综合农艺性状、品质性状以及与国内地方品种的亲缘关系进行研究, 为优异资源挖掘、利用提供数据参考。本研究以88份新引进谷子品种和152份国内地方品种为研究对象, 对其开展田间农艺性状的调查, 对收获后的种子进行品质测定, 同时利用重测序获得的SNP标记开展亲缘关系分析。 结果表明, 数量性状在参试材料之间有显著的差异, 遗传多样性丰富, 遗传多样性指数H'≥2.00的性状有7个, 数量性状综合评价排名前3的材料为来自山东省的半月硬(F=2.47)、来自英国的新引进种质Y-190 (F=2.45)和来自山西省的大白谷I (F=2.38); 质量性状差异不显著, 遗传多样性指数H°介于0.38~1.37之间; 相关性分析显示除穗粗与千粒重呈现不显著负相关外, 其余数量性状之间均呈现不同程度的正相关。品质测定结果显示各性状基本符合正态分布且在不同品种间存在差异, 品质性状的遗传多样性指数H'介于1.65~2.05, 粗蛋白和粗脂肪的遗传多样性最丰富(H'≥2.00); 相关性分析显示, 粗蛋白含量与粗脂肪含量、粗脂肪含量与粗纤维含量均呈现不显著负相关; 淀粉含量与粗纤维含量、L^*与b^*均呈现显著的正相关。基于表型性状将参试材料划分为4类, 且每个类群均存在表型特异性; 基于SNP的进化树和群体结构分析表明不同品种间存在多样的亲缘关系, 部分新引进种质与国内地方品种间存在较近的亲缘关系, 不同材料间的具体的亲缘关系还需进一步研究。通过本研究对近几年新引进的国外资源的农艺性状、品质性状以及与国内资源的异同进行了全面的评价, 为后续优异资源的利用、推广奠定了基础。

大麦籽粒β-葡聚糖含量的全基因组关联分析及候选基因预测

鲁宗辉, 司二静, 叶霈颖, 汪军成, 姚立蓉, 马小乐, 李葆春, 王化俊, 尚勋武, 孟亚雄

作物学报. 2024, (10):  2483-2492.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31084

摘要 ( 755 )   HTML ( 24 )   PDF (2464KB) ( 252 )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标 | 文章附图附表

利用高通量SNP芯片对238份不同来源的大麦种质资源进行基因型分析, 并测定2年的籽粒β-葡聚糖含量, 通过基于PCA模型的一般线性模型(general linear model, GLM)进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)。 结果表明, 238份大麦材料的β-葡聚糖含量分布在1.23%~6.55%和1.79%~6.64%之间且均呈正态分布。GWAS分析共检测到19个显著的SNP标记, 分布在1H、2H、3H、4H和5H染色体上, 可解释表型变异的7.39%~10.29%。在显著关联的SNP位点上下游各300 kb范围内进行候选基因挖掘, 共寻找到37个基因, 基于前人研究和BLAST基因注释共筛选到4个最有可能与β-葡聚糖合成相关的候选基因, 在最显著SNP位点B1_1033963上游89 kb处找到候选基因HORVU.MOREX.r3.1HG0000140, 该基因可能是与β-葡聚糖合成过程紧密相关的基因。本研究可为大麦β-葡聚糖含量遗传改良提供理论指导与优异基因资源。

深水稻全生育期耐盐性状的QTL定位

夏秀忠, 张宗琼, 农保选, 冯锐, 郭辉, 陈灿, 梁树辉, 荘洁, 廖祖宇, 宋国显, 杨行海, 李丹婷

作物学报. 2024, (10):  2493-2502.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42007

摘要 ( 793 )   HTML ( 24 )   PDF (552KB) ( 271 )  

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盐胁迫是许多沿海地区水稻生产的主要制约因素, 尤其是沿海地区的咸淡水交汇区域。耐盐性是一种复杂的性状, 可以通过QTL定位来帮助耐盐育种, 以培育更高耐盐性的水稻品种。本研究供体亲本为沿海深水稻品种赤禾, 受体亲本为美国水稻品种Lemont, 杂交获得174份F₉代的重组自交系, 在芽期、苗期和生殖生长期分别利用浓度为15 g L^-1、5 g L^-1和5~6 g L^-1的NaCl进行胁迫, 通过芽期相对发芽率、苗期耐盐性评级和生殖生长期的7个表型性状为基础数据, 利用142个SSR分子标记绘制连锁遗传图并进行QTL分析。鉴定结果发现, 赤禾在芽期表现敏盐, 在苗期和生殖生长期表现耐盐; Lemont相反。3个生长时期分别有70.11%、50.57%和60.34%的品系表现为弱耐盐性, 而且耐盐性为弱的负相关。本研究共鉴定出33个LOD值为2.52~10.32的QTL, 解释0.06%~13.68%的表型遗传变异, 解释最大遗传变异的QTL均由耐盐亲本贡献, 其中芽期4个、苗期6个和生殖生长期23个位点, 并在生殖生长期发现4个QTL重叠区域。这些QTL可以进一步研究, 不仅为提高水稻育种的耐盐性提供了新的遗传资源, 还有助于在水稻耐盐育种中, 提高水稻品种的耐盐性。

大麦HvMBF1c耐盐机制分析

湛潇潇, 冯举伶, 张震欢, 张宏, 汪军成, 李葆春, 杨轲, 司二静, 孟亚雄, 马小乐, 王化俊, 姚立蓉

作物学报. 2024, (10):  2503-2514.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31075

摘要 ( 681 )   HTML ( 23 )   PDF (3660KB) ( 385 )  

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大麦HvMBF1c基因参与调控植物盐胁迫表达, 为探究其对盐胁迫的响应模式, 本文对大麦HvMBF1基因进行生物信息学分析, 并以中川大麦(耐盐型)、GN18 (盐敏感型)及WT与转HvMBF1c基因拟南芥为材料, 分别取200 mmol L^-1 NaCl胁迫0 h、6 h、12 h、24 h、48 h及72 h样品, 对其进行qRT-PCR分析和生理指标的测定。 结果显示, 大麦HvMBF1c基因与小麦TaMBF1c亲缘关系最近, 位于7H染色体上。HvMBF1c的外显子比HvMBF1a和HvMBF1b的大, 且HvMBF1a和HvMBF1b两者具有典型的motif 4结构域, 而HvMBF1c基因具有独特的motif 5结构域。HvMBF1c基因的启动子序列含有光响应、根特定调节元件和缺氧特异性诱导增强元件, 与小麦2号、3号和7号染色体存在同源性。qRT-PCR分析表明, 随着盐处理时间的延长, 大麦HvMBF1c基因在2份种质材料苗期、拔节期、抽穗期和灌浆期的表达量呈上升趋势, 且中川大麦中该基因的表达量高于GN18中的表达量; 转HvMBF1c拟南芥中其表达量随着盐处理时间的延长而升高。盐胁迫下, 中川大麦苗期、拔节期、抽穗期及灌浆期的SOD、POD、CAT、MDA和可溶性蛋白低于GN18, 转基因拟南芥中各生理指标的变化量低于WT。本研究结果为进一步探索HvMBF1c的功能提供参考。

胡麻P5CS基因家族进化模式分析及LusP5CS1基因耐旱能力验证

王玲, 张艳萍, 齐燕妮, 汪磊, 李玉骁, 谭美莲, 汪魏

作物学报. 2024, (10):  2515-2527.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34149

摘要 ( 819 )   HTML ( 28 )   PDF (14077KB) ( 371 )  

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吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是植物中由P5CS基因编码的一种与干旱胁迫响应紧密联系的关键酶, 它主要负责调节脯氨酸的生物合成。研究胡麻P5CS基因家族进化模式对进一步探索其在胡麻耐旱过程中的作用机制具有重要意义。本研究以拟南芥的2个P5CS基因作为查询序列, 从胡麻、油菜、大豆、花生、向日葵、水稻、小麦等主要粮油作物的基因组中筛选获得P5CS基因家族成员。并通过分析不同作物P5CS基因受选择压力的大小、位点及功能分化潜力等阐明其进化模式, 并在拟南芥中对其进行功能验证。研究结果显示, 与其他作物的同源基因相比, 胡麻P5CS基因家族成员在基因结构和进化模式上存在显著差异。在拟南芥中过表达受正向选择的胡麻LusP5CS1基因可以显著增加转基因拟南芥脯氨酸的积累并增强其耐旱性; 在非干旱胁迫下过表达转基因拟南芥也表现出明显的适合度优势。本研究为胡麻耐旱分子机制和抗旱育种提供了理论基础。

不同种植环境下国内外棉花种质资源的遗传多样性分析与评价

尚红燕, 普静, 柯会锋, 谷淇深, 孙正文, 杨君, 王国宁, 张艳, 卢怀玉, 徐东永, 吴立强, 马峙英, 王省芬, 吴金华

作物学报. 2024, (10):  2528-2537.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44012

摘要 ( 839 )   HTML ( 21 )   PDF (3074KB) ( 397 )  

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目前, 我国棉花育种存在着现有品种同质性高, 种质资源遗传多样性下降, 优异基因资源挖掘不足等问题。鉴于此, 本研究以来自我国三大棉区(黄河流域棉区、长江流域棉区和西北内陆棉区)与国外的415份棉花种质资源为材料, 在海南三亚、河北河间和河北辛集3个环境下, 对3个产量性状指标和7个纤维品质指标进行鉴定和综合评价。 结果发现, 三亚单铃纤维重和衣分值最高, 纤维品质最差, 河间单铃重最高, 纤维品质最佳, 辛集产量性状最差; 同时发现, 10个表型性状在3个环境下变异系数较大, 且具有丰富的遗传多样性。不同来源棉花种质资源除纤维长度、整齐度及短纤维率外均存在显著差异, 黄河流域棉区种质资源产量性状最好, 纤维长度和断裂比强度最高, 且大于“双30”的材料占比最多, 但马克隆值偏高; 长江流域棉区的单铃纤维重和衣分较高; 国外种质资源铃重较高, 衣分最低。相关性和聚类分析结果表明, 产量性状之间多呈正相关, 供试种质资源被分为5类。通过因子分析法对供试材料进行综合排名, 筛选出7份大铃(>7 g), 26份高衣分(>42%), 11份纤维长度与断裂比强度均大于“30”的种质资源, 以及9份综合性状表现优异的资源, 为棉花育种提供了优异亲本材料, 也为进一步开展研究提供了重要依据。

耕作栽培·生理生化

镉胁迫下复合菌剂对大豆的光合修复及其固定化效果的探究

刘宏缘, 岑锎, 刘怡琳, 楼雪怡, 张雅婷, 吴嘉睿, 谭驭宇, 祝嘉丞, 方芳, 刘鹏

作物学报. 2024, (10):  2538-2549.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44046

摘要 ( 561 )   HTML ( 12 )   PDF (4145KB) ( 396 )  

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镉(cadmium, Cd)作为对大豆等粮食类作物毒害最大的重金属之一, 不仅会抑制植物生长发育, 还会损害其光合系统致使光合速率下降。目前对于镉修复技术的探讨多集中于施加植物激素、改变种植模式等方向, 微生物与植物互作的研究仍有待探索。本研究为探究复合白腐真菌(White rot fungi)对镉污染的修复效果和固定化技术的实际应用价值, 以4种白腐真菌和大豆作为供试材料, 制备固态菌剂并对大豆设置土培处理, 且模拟镉污染土壤的浓度为0、50、100 mg L^-1, 对应每个浓度分别进行3种处理(CK组-不做处理、EG1组-加入游离菌株、EG2组-加入固态菌剂), 研究混菌发酵与固定化技术对菌株吸附效能的影响, 同时探明镉毒害、固定化菌球以及大豆植株三者间的关联性。结果表明: (1) 除黄孢原毛平革菌外, 其余3种菌株兼容性良好。(2) 当混菌菌株组别为凤尾:云芝等于1∶1时, 处理浓度为50 mg L^-1的镉溶液时可达到87.33%的吸附率。(3) 为延长混合菌株的使用时效, 提高吸附效果, 以海藻酸钠(SA)质量浓度为10 g L^-1、生物炭(BC)质量浓度为15 g L^-1、加菌量为2%制得的PVA固定化小球, 在加入适量添加剂后96 h吸附率可达(95.12±1.68)%。(4) 将固定化混菌菌剂施加入模拟镉污染土壤后, 大豆的各项生长和光合指标受到的抑制作用均得到缓释, 其中F_o的最大降幅为42.5%, F_v/F_m最大增幅为17.2%。(5) 大豆的抗氧化系统在菌剂处理14 d时得到增强, CK组中SOD、POD、CAT 3种酶最高活性均得以提升, 分别为27.34%、12.41%、13.58%; 此外, Pro及MDA含量分别呈上升和下降趋势, 共同表现出植物抗性的提高。综上, 镉胁迫下植株的PSII光化学反应中心受到抑制, 混合菌株固定化与单个或游离状态的菌株相比吸附效率更高, 施加固态菌剂后可有效开启大豆的光保护机制, 产生渗透调节物质, 同时激活抗氧化系统, 保证了大豆体内稳定的氧化还原环境以应对镉胁迫。

高密度直播油菜不同类型叶片功能探究

黄肖玉, 娄洪祥, 邵东李, 张哲, 蒋博, 肖雅丹, 常影, 郭安达, 赵杰, 徐正华, 王晶, 汪波, 蒯婕, 周广生

作物学报. 2024, (10):  2550-2561.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44032

摘要 ( 647 )   HTML ( 25 )   PDF (3328KB) ( 576 )  

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合理密植是确保油菜产量和效益的核心, 但过度密植则加重倒伏, 难以实现密植再高产。叶片是油菜干物质累积的重要光合器官, 但高密度条件下, 不同类型叶片对油菜产量及抗倒性的影响尚不明确。本试验以中双11号为材料, 设置2个种植密度(D3: 4.5×10⁵株 hm^-2、D5: 7.5×10⁵株 hm^-2)、4个剪叶处理(CK: 不剪叶、LP: 剪去一半长柄叶、SP: 剪去一半短柄叶、SL: 剪去一半无柄叶), 探究油菜3种不同类型的叶片对高密度直播油菜产量及抗倒性的影响, 为协调高密度油菜源库关系、高产和倒伏矛盾提供理论依据。结果表明: 同一密度下, 油菜3种不同类型叶片占比均为短柄叶>长柄叶>无柄叶, 当密度由D3增加至D5, 短柄叶减少约2片, 占比由50.6%下降至46.7%。2个密度下, 剪叶均降低单株角果数, 导致单株产量和实收产量的降低, 且以SP处理对产量的影响最大。随着密度增加, SP处理下, 单株产量下降幅度由19.61%增加至37.67%, 实收产量下降幅度由13.65%增加至22.03%。不同剪叶处理, 倒伏指数均增加, 且SP处理显著增加了上部和下部的倒伏指数, 与其他处理相比抗倒性最弱。此外, 单株根系表面积、体积随着密度增加而下降, LP、SP处理下根系表面积和体积均显著下降, 以LP处理影响最大。基于相关性分析结果, 在D3密度下, 剪去短柄叶减少了单株角果数, D5密度下, 剪去短柄叶减少了单株角果数和每角果粒数, 使产量显著下降、抗倒性下降; 剪去长柄叶导致根系表面积、体积显著下降, 不利于产量形成。

不同灌水量下玉米的产量可持续性对间作绿肥的响应

王昀杰, 樊志龙, 张刁亮, 毛守发, 胡发龙, 殷文, 柴强

作物学报. 2024, (10):  2562-2574.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.33068

摘要 ( 608 )   HTML ( 19 )   PDF (939KB) ( 558 )  

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明确间作绿肥对不同灌水量下玉米产量可持续性的影响, 对构建节水增效型玉米间作豆科绿肥模式具有重要支撑作用。于2018—2022年开展田间定位试验, 采用裂区试验设计, 设置玉米间作箭筈豌豆(M/V)和单作玉米(SM) 2种种植模式, 以及玉米地方习惯灌水量(I₃: 4000 m³ hm^-2)、减量15% (I₂: 3400 m³ hm^-2)、减量30% (I₁: 2800 m³ hm^-2) 3种灌水水平。研究了间作绿肥对不同灌水量下玉米产量及产量构成因素、相对多作物抗性指数、产量可持续性指数、关键土壤养分指标和经济效益的影响。结果表明, 间作绿肥可在减量15%灌水条件下较单作玉米提高玉米穗粒数和千粒重, 从而提高玉米籽粒产量, 2019—2022年, 间作玉米在减量15%灌水水平下较单作玉米的穗粒数和千粒重分别提高8.7%~16.4%和7.1%~13.4%, 籽粒产量提高9.3%~23.6%, 同时与间作玉米地方习惯灌水量处理的籽粒产量无显著差异。间作绿肥使玉米在减量灌水条件下的相对多作物抗性指数均大于0, 且随种植年限的增加而提高, 进而降低了减灌条件下产量的变异系数、提高了产量可持续性指数, 间作玉米产量变异系数较同一灌水量单作玉米降低77.9%~82.8%、产量可持续性指数提高12.2%~19.9%。玉米间作绿肥可以增加土壤养分, 与单作玉米相比土壤有机质、速效氮含量分别增加6.4%~15.8%、12.1%~35.6%, 土壤速效磷含量在减量15%和减量30%灌水水平下分别增加了19.4%、11.3%, 玉米间作绿肥在减量15%灌水水平下的土壤有机质、速效氮和速效磷含量与地方习惯灌水量处理无显著差异, 均显著大于其他处理。在2020—2022年, 间作玉米在减量15%灌水水平下较单作玉米的纯收益提高了10.5%~34.2%; 在2021—2022年产投比提高了7.8%~10.4%, 与间作玉米地方习惯灌水量处理无显著差异。间作绿肥主要通过增加土壤有机质, 改善土壤氮、磷养分条件而增强玉米产量可持续性。总之, 间作绿肥能够缓减因灌水量减少造成的产量损失, 增强减量灌水下玉米产量稳定性和可持续性指数。本研究中玉米间作箭筈豌豆灌水量3400 m³ hm^-2, 可作为试区玉米可持续生产模式及其适宜灌水量的参考。

生长前期光照强度对甘薯叶片光合生理和结薯的影响

蒋杨影, 唐铭均, 张林茜, 吕长文, 唐道彬, 王季春

作物学报. 2024, (10):  2575-2585.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44011

摘要 ( 717 )   HTML ( 17 )   PDF (2450KB) ( 367 )  

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探明甘薯生长前期不同光照强度对叶片光合生理和结薯性的影响, 为甘薯合理套作高位作物提供高产理论依据和实践对策。于2021年, 以不同干率和叶型的甘薯品种S1 (潮薯1号)、S2 (广薯87)和S3 (渝苏162)为主区, 以L200 [(200 ± 50) μmol m^-2 s^-1]、L500 [(500 ± 50) μmol m^-2 s^-1]和L800 [(800 ± 50) μmol m^-2 s^-1]不同光照强度为副区, 开展双因素裂区试验, 研究了叶片的光合特性、组织结构和植株结薯情况。结果表明, 随着光照强度的减弱, 甘薯叶片上表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、叶片厚度、净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、RUBP羧化酶活性、单株结薯数、单株薯重、块根干物质重逐渐降低, 以高光照强度L800处理最优; 而胞间CO₂浓度(C_i)、叶绿素a含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量、叶绿素a/b、块根干率, 以低光照强度L200处理最优。通过因子分析综合评价, 高干率S3品种在弱光环境下表现最好, 低干率S1品种表现最差。甘薯叶片主要通过增加光合色素的含量与增加叶面积指数来提高对光能的捕获, 协同叶片组织结构、光合生理及RUBP羧化酶活性的可塑性变化来适应弱光环境。

增密减肥处理对籼型杂交稻产量及生长发育的影响

卢建祥, 高倩文, 高志强, 阳会兵, 文双雅, 石楠, 胡文瑞, 金宇豪, 陈龙, 刘芸, 曹正邓渊

作物学报. 2024, (10):  2586-2598.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32051

摘要 ( 534 )   HTML ( 15 )   PDF (982KB) ( 308 )  

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为探究增密减肥对水稻地上部干物质积累、产量等的影响, 在2021—2022年, 采用有序机抛技术, 设置3种移栽密度, 低密度(low density, LD)、中密度(medium density, MD)和高密度(high density, HD)分别为18万株 hm^-2、22万株 hm^-2和27万株 hm^-2, 设置3种施肥量水平, 低肥料(low fertility, LF)、中肥料(medium fertility, MF)和高肥料(high fertility, HF)分别为450 kg hm^-2、525 kg hm^-2和675 kg hm^-2进行大田试验。 结果表明: 中密中肥(medium density and medium fertilizer, MDMF)处理的产量最高, 与低密高肥(low density and high fertilizer, LDHF)相比, MDMF处理的产量2年平均增幅3.15%, 显著增加了有效穗数, 稳定了其他产量因素, 但收获指数增幅不高, 甚至降低。齐穗期前高密高肥(high density and high fertilizer, HDHF)处理的地上部干物质量最高, 2年平均增幅0.17%, 齐穗后MDMF处理的地上部干物质量最高, 2年平均增幅0.16%。MDMF处理在各生育时期的叶面积指数(leaf area index, LAI)、叶绿素相对含量(soil and plant analyzer development, SPAD)与LDHF处理相差不大, 但MDMF处理的SPAD衰减率和LAI衰减率维持在较高水平, 2021年和2022年MDMF处理条件下水稻SPAD衰减率分别为12.65%和16.85%, LAI衰减率分别为6.42%和6.74%。随着移栽密度和肥料的增加水稻分蘖数增加。由以上可知, 适当的增密减肥可增加有效穗数, 构造较高的群体结构和地上部干物质量, 增加齐穗期至成熟期籼型杂交稻群体光合物质的生产及转运能力, 保持了源的稳定, 增加了产量库容量而获得高产, 籼型杂交稻生产上宜采用栽插密度为22万株 hm^-2和施肥量为525 kg hm^-2的组合。

气候变化与轮作制度对晋北饲用燕麦产草量的影响

成华强, 侯青青, 朱敏, 杨轩

作物学报. 2024, (10):  2599-2613.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31082

摘要 ( 683 )   HTML ( 10 )   PDF (536KB) ( 488 )  

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本研究旨在探究适合晋北地区饲用燕麦(Avena sativa L.)轮作制度及各区域饲用燕麦产量对气候变化和轮作制度的响应。为此, 基于已验证的APSIM (Agricultural Production System sIMulator)设定3种轮作制度, 即O-O (饲用燕麦连作)、P-O (马铃薯-饲用燕麦轮作)、M-O (玉米-饲用燕麦轮作), 结合气候模型对晋北18个站点进行模拟研究。 结果表明: APSIM可有效模拟晋北地区玉米, 马铃薯和饲用燕麦的生产, 归一化均方根误差NRMSE小于21%, 一致性系数d大于0.90; 平鲁、神池、左云饲用燕麦产草量高(16,020~20,817 kg hm^-2); 对比MID与BAS时期, 各站点O-O、M-O、P-O饲用燕麦产草量增加5.49%~23.20%; 对比END和MID时期, 代县、大同等10站点O-O、M-O和P-O的饲用燕麦产草量提高0.27%~9.15%, 繁峙仅O-O产草量显著下降22.76%; P-O系统有更多的季后土壤水分留存, 多数情况下实行该系统更利于饲用燕麦高稳产; 土壤储水能力较差但植物可利用水分较高的阳高点, 易因预测情景的降雨量提高弥补燕麦生长旺盛期被利用的水分, 利于耗水较多的O-O。综上, 本研究结果有助于挖掘晋北区域饲用燕麦生产对区域气候变化的响应机制, 并为饲用燕麦高产、稳产的科学管理提供理论基础。

基于DSSAT模型模拟气候变化对江西双季稻生长期和产量的影响

张方亮, 刘文英, 田俊, 汪建军, 刘丹, 杨军, 李迎春, 章毅之

作物学报. 2024, (10):  2614-2624.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32057

摘要 ( 865 )   HTML ( 15 )   PDF (7838KB) ( 570 )  

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江西是中国双季稻的主要种植地区。气候变化严重影响了双季稻生产。基于江西省1981—2022年逐日气象资料和双季稻作物资料, 对DSSAT模型进行调参验证; 利用验证后的DSSAT模型, 分析江西省双季稻生长期和产量空间分布和时间变化趋势; 采用t检验方法, 明确气候变化对江西早稻和晚稻的影响差异。结果表明: (1) 江西早稻(晚稻)播种期至开花期天数、播种期至成熟期天数和产量模拟值与观测值的归一化均方根误差分别为1.87% (1.86%)、2.05% (2.36%)和6.05% (7.30%), D指标分别为0.97 (0.98)、0.96 (0.96)和0.95 (0.94); (2) 固定播期和品种条件下, 1981— 2022年江西早稻和晚稻生长期均呈显著缩短趋势, 平均每10年分别减少2.22 d和1.61 d; 研究期间江西早稻和晚稻潜在产量均呈显著下降趋势, 平均每10年分别减少181.30 kg hm^-2和276.16 kg hm^-2; (3) t检验表明, 江西早稻生长期气候倾向率极显著地小于晚稻, 而江西早稻潜在产量气候倾向率极显著地大于晚稻。DSSAT模型可较好的模拟江西双季稻生长发育和产量。气候变化对江西早稻生长期和晚稻潜在产量影响更加明显。本研究为江西双季稻作物模型研究、产量预报和气候变化评估提供了科学依据。

机插种植均匀度对水稻产量构建及品质形成的影响

唐承翰, 陈惠哲, 叶天承, 张玉屏, 向镜, 张义凯, 王志刚, 王亚梁

作物学报. 2024, (10):  2625-2636.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42004

摘要 ( 658 )   HTML ( 16 )   PDF (389KB) ( 261 )  

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水稻种植均匀度对产量和品质有显著的影响, 本试验旨在明确均匀度的提高协同产量和品质提升的机理。试验选用籼粳杂交稻甬优1540, 常规粳稻浙禾香2号, 杂交籼稻华浙优210为供试品种, 设置4种不同种植均匀度处理: T₁ (条播机插, 种植均匀度65%~75%)、T₂ (撒播机插, 种植均匀度45%~55%)、T₃ (人工模拟机插, 种植均匀度100%)、T₄ (人工模拟机插, 种植均匀度50%), 比较不同种植均匀度群体的分蘖动态变化、叶面积光合效能、干物质积累与转运、产量形成及稻米品质的变化。 结果表明: (1) 种植均匀度提高通过促进分蘖增加了群体有效分蘖数, 3个品种平均分蘖高峰苗数表现为T₃>T₁>T₂>T₄, 不同品种在处理间变化趋势一致。(2) 种植均匀度的提高增加了群体叶面积指数, 同时显著提高了抽穗期上三叶高效叶面积指数。而且, 增加均匀度显著提高了干物质积累并促进了植株干物质转运, 成熟期干物质积累量表现为T₃>T₁>T₂>T₄, 品种间趋势一致, 但是T₂跟T₄差异不明显。均匀度提高对灌浆期茎鞘物质运转有一定促进作用, 品种间存在差异, T₁、T₂和T₄间差异不明显。(3) 不同均匀度处理下每穗粒数无显著性差异, 但高均匀度下一次枝梗和二次枝梗的着粒分布更均匀。(4) 高均匀度群体主要通过有效穗数提高产量, 品种间趋势一致, T₃比T₁、T₂、T₄平均产量分别高8.16%、15.41%、15.61%。(5) 提高种植均匀度提高了稻米糙米率、精米率、整精米率和蛋白质含量, 降低了稻米垩白米率和垩白度。以上结果表明, 提高种植均匀度能够促进群体分蘖, 增加群体叶面积指数和干物质积累, 提高有效穗数, 从而提升了稻谷产量和出米率, 并一定程度上改善了稻米品质。试验结果明确生产上采用精准条播育秧机插能够通过提高种植均匀度协同提升稻谷产量和稻米品质。

研究简报

陆地棉抗虫与抗草甘膦基因的分子聚合及经济性状相关分析

陈旭升, 赵亮, 狄佳春

作物学报. 2024, (10):  2637-2642.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44028

摘要 ( 763 )   HTML ( 9 )   PDF (1541KB) ( 148 )  

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培育抗棉铃虫兼抗草甘膦的棉花, 可以同步提高品种的抗虫与抗除草剂能力, 降低植棉的除虫、除草用工成本, 提升植棉综合经济效益。本研究利用自育的高产优质陆地棉品系、国产转Bt基因抗虫棉品系以及转GR79+GAT基因的抗草甘膦陆地棉品系为杂交亲本, 配置复交组合。在繁殖的复交分离群体后代, 通过在苗床喷洒0.2%草甘膦, 去除不抗草甘膦棉苗; 并在大田不防治棉铃虫的条件下, 筛选抗虫棉株。而后在实验室利用特异引物对抗虫基因与抗草甘膦基因进行分子跟踪检测, 将同时具有Bt基因与GR79+GAT基因的单株繁殖成株系, 经大田筛选获得9个抗虫兼抗草甘膦的优良品系。然后对育成品系进行产量比较试验, 结果显示, 其中品系BG-6不但实现了抗虫与抗草甘膦基因的聚合, 而且该品系的皮棉产量水平较高、纤维品质表现良好: 纤维长度达30.9 cm、比强度30.1 cN tex^-1、马克隆值4.9。对产量性状与纤维品质性状相关分析显示, 只有衣分与棉纤维整齐度呈极显著负相关(r= -0.838^**), 其他产量性状与纤维品质性状均不存在显著相关性。文章最后得出结论: 在复合杂交组合的分离后代, 通过在苗床喷洒草甘膦筛选抗性棉苗, 再结合大田不治虫筛选抗虫单株; 而后在室内对2种抗性基因进行PCR分子跟踪检测, 再在大田对产量性状与品质性状进行系统选育, 可实现抗虫与抗草甘膦基因以及高产与优质性状的多元聚合。

基于SSR的陕西糜子种质资源的分子鉴定

郭娟, 辛旭霞, 冯智尊, 曹越, 王晓丹, 曹晓宁, 陈凌, 乔治军, 王瑞云

作物学报. 2024, (10):  2643-2653.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44037

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为构建糜子(Panicum miliaceum L.) DNA分子身份证, 试验以181份陕西糜子核心种质为材料, 对课题组前期开发的糜子特异性SSR标记进行多次PCR筛选和优化后获取核心引物。基于糜子参考基因组信息, 经过BLAST序列比对后将核心标记进行染色体定位。在SSR引物的5′端标注荧光(FAM/HEX), 根据毛细管电泳检测的片段有无采用“0/1”表示, 利用ID Analysis4.0进行区分, 十进制(0~9)统计扩增片段大小构建材料字符串, 用Pop Gene、Power Marker、MEGA、Structure和NTSYS进行遗传多样性分析。试验结果表明, 7个荧光SSR(RYW3、RYW6、RYW37、RYW40、RYW43、RYW125和RYW146)组合可区分181份材料, 不均匀的分布在5条染色体上, 共检测出77个等位变异, 平均为11; 检出Shannon多样性指数(I)为0.8145 (RYW146)~7.8254 (RYW125), 平均5.9076; 观测杂合度(Ho)为0.2627 (RYW146)~0.9506 (RYW3); 期望观测杂合度(He)为0.3329 (RYW146)~0.8747 (RYW125); Nei’s基因多样性指数(Nei)为0.3315 (RYW146)~0.8722 (RYW125); 多态性信息含量(PIC)为0.5923 (RYW146)~0.9445 (RYW125), 平均为0.8419。基于UPGMA将181份资源划分为3个群组。基于主成分分析将材料分为10个类群, 与地理来源一致。利用在线二维码技术(https://cli.im/)构建181份陕西糜子核心种质的DNA分子身份证。

小麦E3泛素连接酶基因TaSINA-3A与多种环境下的株高和千粒重相关

赵阳, 李龙, 杨进文, 景蕊莲, 孙黛珍, 王景一

作物学报. 2024, (10):  2654-2664.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41008

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E3泛素连接酶SINA (seven in absentia)家族参与植物的生长发育、免疫共生并响应逆境胁迫。本研究克隆了位于小麦染色体3A上的TaSINA-3A基因, 其基因组序列长度为3897 bp, 其中启动子区为2001 bp, 基因序列为1896 bp, 编码244个氨基酸, 在50~91位氨基酸处有一个RING (really interesting new gene)保守结构域。RT-qPCR结果显示, TaSINA-3A基因在小麦的各个发育阶段的不同组织中均有表达。序列多态性分析表明, 在TaSINA-3A的启动子区存在33个SNP (single nucleotide polymorphism)位点, 编码区有4个SNP位点。基于启动子区的变异位点SNP-159、SNP-418和SNP-1286开发分子标记, 扫描小麦自然群体, 并与表型性状进行关联分析。结果表明,标记CAPS-159与多种环境下的株高和倒二节长显著相关, SNP-159-C是倒二节较短的矮秆等位变异, 标记dCAPS-418分别与多种环境下的穗长和千粒重显著关联, SNP-418-A是长穗、高千粒重的优异等位变异; TaSINA-3A负调控穗和籽粒的发育, TaSINA-3A的表达可能受到MYC转录因子的抑制; 在我国小麦育种进程中SNP-418-A受到正向选择, 在育成品种中的频率逐步增加, 但尚未充分利用。研究结果为深入探讨小麦株高、倒二节长及产量的形成机制提供参考, 并为培育高产稳产广适新品种提供了基因资源。