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2024年 第50卷 第11期 刊出日期：2024-11-12

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综述

小麦淀粉的理化特性及其合成的分子机制

康国章, 王永华, 郭天财

作物学报. 2024, (11):  2665-2673.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41020

摘要 ( 376 )   HTML ( 27 )   PDF (681KB) ( 366 )  

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淀粉是小麦籽粒中最重要的组分, 其含量直接影响粒重和产量, 其理化特性是面条、馒头等蒸煮面食制品的主要决定因子。因此, 研究小麦淀粉理化特性及其合成的分子机制具有重要意义。直链淀粉和支链淀粉分别占小麦总淀粉含量的17%~34%和66%~83%, 以A型和B型2种颗粒形状存在, 淀粉含量、直/支比、膨胀和糊化等理化特性显著影响了面条和馒头等蒸煮面食制品的加工品质。小麦基因组中有26个基因编码了淀粉合成酶的亚基或同工酶, 这些基因的表达在转录、转录后和翻译后修饰等水平上受到调控。本文综述了小麦淀粉理化特性及其与面食制品品质之间的关系, 小麦淀粉合成功能基因及其在转录水平调控、转录后调控和翻译后修饰等分子机制方面的最新研究进展, 并对小麦淀粉研究的未来方向进行了展望。

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

玉米无基因型限制遗传转化体系建立和应用

杨雅文, 朱东杰, 潘弘, 张云涛, 夏梦吟, 韩宝柱, 金敏亮, 李梦娇, 董鲁朋, 杨宁, 周英, 许洁婷, 严建兵

作物学报. 2024, (11):  2674-2683.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.43014

摘要 ( 307 )   HTML ( 26 )   PDF (7901KB) ( 343 )  

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农杆菌介导的玉米自交系遗传转化具有基因型依赖性。形态发生基因Baby boom (Bbm)和Wuschel2 (Wus2)显著提高了转化效率, 拓宽了可转化自交系的范围。然而, 多数玉米自交系仍然难以得到转基因苗, 且潜在机制尚不清楚。本研究发现, 目标载体与Bbm和Wus2的辅助载体按10∶1比例混合能使大部分自交系产生体细胞胚。瞬时侵染效率和筛选是影响体细胞胚形成和成苗的关键因素。通过利用Bbm和Wus2混转以及优化侵染和延迟筛选的方式, 建立了一个快速、不受基因型限制的玉米遗传转化体系。利用该技术体系对131个自交系进行遗传转化, 其中104个自交系获得阳性转基因植株。

水旱条件下小麦持绿相关性状QTL定位

陈晨, 程宇坤, 王伟, 任毅, 张海燕, 陈慧波, 耿洪伟

作物学报. 2024, (11):  2684-2698.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41022

摘要 ( 197 )   HTML ( 20 )   PDF (3637KB) ( 193 )  

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干旱是影响小麦生产中最重要的非生物胁迫。延长叶片持绿周期, 进而增加光合时间, 提高光合效率, 对小麦在旱胁迫下保证有机物积累, 最终达到小麦产量的稳定具有重要的意义。了解小麦旗叶持绿性保持的发育和遗传特征, 并探索与小麦持绿基因密切相关且不受环境影响的稳定的分子标记, 应用于育种可大大缩短抗旱育种周期。本研究以扬麦16和中麦895衍生的174个家系的DH群体为试验材料, 通过设置正常滴灌(NI)和干旱胁迫(DS)处理, 对2年2个水分处理下花后10 d、14 d、18 d、22 d、26 d和30 d旗叶绿色叶面积百分率(GLA)及叶绿素相对含量(SPAD值)进行表型测定, 运用Gompertz模型模拟出GLA (%)变化趋势。将达到最大衰老速度的时间(TMRS)、绿色叶面积持续期(GLAD)、平均衰老速率(ARS)、旗叶快速衰老开始的时间(T1)、旗叶快速衰老结束的时间(T2)和旗叶动态SPAD值等11个持绿相关性状进行QTL定位。 结果表明,水旱条件下, DH群体和亲本不同日龄下的GLA, 衰老特征参数和旗叶动态SPAD值均存在超亲分离现象, 并表现出一定差异。各家系和亲本不同日龄下的GLA均呈缓慢-快速-缓慢的动态下降趋势, 快速衰老主要集中在18 d、22 d和26 d。除ARS和GLA-10D呈负相关, 其余性状之间均呈现正相关。各性状遗传力范围在0.50~0.81之间。连锁分析在2个及以上环境中共鉴定到27个与小麦持绿相关的稳定位点, 其中11个与小麦衰老特征参数相关, 16个与旗叶动态SPAD值相关, 分布在1A、1B、4B、4D、5D、7B和7D染色体上, 分别解释表型变异3.86%~14.11%和2.99%~17.45%。在4B、4D和7B染色体上有1个调控T1和5个调控SPAD值的QTL在3个环境中被重复检测到, 分别解释8.97%~14.11%和6.85%~17.45%的表型变异。QTL聚合效应分析发现, 含有Rht-D1b和AA基因型的位点对SPAD-10D具有显著的增效作用和累加效应, 含有GG和TT基因型的位点对SPAD-18D具有显著的增效作用和累加效应。在4B、4D、7B和7D染色体上发现了4个效应明显的QTL簇, 位于4D染色体的QTL簇中存在不受水分环境影响的区段(18.80~28.58 Mb), 该区段内包含Rht-D1基因, 调控SPAD-0D和SPAD-10D的位点可能受到该基因的多效应影响。候选基因分析发现TraesCS4D01G054000、TraesCS1B01G434300和TraesCS7B01G010200等8个影响持绿相关性状的候选基因。以上研究结果为小麦持绿性分子标记辅助育种提供了理论依据。

基于荧光SSR的宁夏糜子DNA分子身份证的构建

曹越, 张立媛, 辛旭霞, 冯智尊, 郭娟, 王晓丹, 曹晓宁, SANTRA Dipak K, 陈凌, 乔治军, 王瑞云

作物学报. 2024, (11):  2699-2711.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44036

摘要 ( 104 )   HTML ( 12 )   PDF (2319KB) ( 74 )  

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糜子(Panicum miliaceum L.)种质资源丰富, 在干旱环境中具生产优势, 基于荧光SSR标记构建其DNA分子身份证可为资源的数字化管理提供理论依据和分子检测工具。本文以274份宁夏糜子核心种质为试验材料, 对山西农业大学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), 利用毛细管电泳给出材料的基因型, 采用“0, 1”二进制编码方式记录扩增条带的有无, 使用IDAnalysis 4.0检测材料的区分程度。采用十进制(0~9)统计扩增片段大小以获得材料的字符串分子身份证。使用Popgene、Powermarker、MEGA、NTSYS进行遗传多样性、遗传聚类和主成分分析。利用二维码在线软件(https://cli.im/)给出材料的二维码DNA分子身份证。PCR扩增结果发现, 10个荧光SSR (RYW6、RYW125、RYW43、RYW3、RYW40、RYW37、RYW42、RYW8、RYW28和RYW124)组合在一起可以将274份材料全部区分开。BLAST结果表明, RYW124分布在12号染色体上, 位于7.8 cM处; RYW40分布在4号染色体上, 位于42.64 cM处; RYW42分布在13号染色体上, 位于34.63 cM处, RYW28分布在16号染色体上, 位于2.34 cM处, RYW8分布在3号染色体上, 位于9.90 cM处。274份材料在10个位点共检出125个等位变异, 平均每个位点为12.5个, 变幅为5.0000 (RYW3)~25.0000 (RYW6); 检出的Shannon多样性指数(I)为1.2458 (RYW3)~2.6568 (RYW6), 平均为1.8532; 观测杂合度(Ho)为0.5185 (RYW40)~0.9964 (RYW124), 平均为0.8674; 期望观测杂合度(He)为0.5724 (RYW40)~0.9108 (RYW42), 平均为0.7784; Nei’s基因多样性指数(Nei)为0.5711 (RYW40)~0.9091 (RYW42), 平均为0.7767; 多态性信息含量(PIC)为0.6563 (RYW3)~0.9602 (RYW42), 平均为0.8399。聚类分析和主成分分析均将材料划归4个类群。将电泳条带进行数字编码, 利用10个标记组合, 构建了全部材料的字符串和二维码DNA分子身份证。

玉米穗发芽突变体vp2的基因克隆及功能研究

张馨月, 秦阳, 李瑞, 黄全生, 王逸茹, 郑军

作物学报. 2024, (11):  2712-2719.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.43008

摘要 ( 110 )   HTML ( 14 )   PDF (5097KB) ( 137 )  

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玉米穗发芽是指籽粒在果穗上未脱离母体时胚芽便开始萌发生长, 穗发芽会严重影响玉米的产量和品质。因此高效挖掘和利用优良基因, 培育抗穗发芽玉米品种对我国农业生产非常重要。本研究中的玉米穗发芽突变体vp2具有明显的穗发芽表型且性状能稳定遗传, 受隐性单基因控制。通过分析vp2突变体基因组序列发现突变体中2个编码基因(Zm00001d015355和Zm00001d015356)存在缺失, Zm00001d015356编码对羟基苯丙酮酸双加氧酶(ZmHPPD1)。hppd1突变体表现穗发芽表型, 且与vp2杂交后代中正常与穗发芽籽粒符合3∶1遗传分离比, 结果表明Vp2编码ZmHPPD1基因。为进一步分析ZmHPPD1调控籽粒穗发芽的机制, 我们检测了突变体中内源激素和ABA合成通路代谢物含量的变化, 发现与正常籽粒相比, 穗发芽籽粒中ABA含量显著下降, 八氢番茄红素显著积累, 且紫黄质、玉米黄质和叶黄素含量显著降低。这表明ZmHPPD1通过影响八氢番茄红素向番茄红素的转化, 使ABA合成受阻, 导致玉米籽粒打破休眠提前萌发。以上研究结果为解析玉米穗发芽的机制提供了基因资源。

MeTCP3a转录因子在木薯叶片发育中的功能鉴定

王连南, 李远超, 余乃通, 麦伟涛, 李亚军, 陈新

作物学报. 2024, (11):  2720-2730.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44019

摘要 ( 103 )   HTML ( 10 )   PDF (14084KB) ( 89 )  

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叶片是绿色植物进行光合作用的主要器官, 木薯叶片的发育间接影响其块根产量以及淀粉含量, 但木薯叶片发育的调控机制并不明晰, 本文探究了转录因子MeTCP3a在木薯叶片发育中的功能。氨基酸序列比对及进化树分析表明, MeTCP3a与橡胶(Hevea brasiliensis Muell. Arg) TCP4蛋白相似性最高。通过亚细胞定位和蛋白互作试验证实, MeTCP3a定位于细胞核, 且具有转录激活能力, 还能形成同源及异源二聚体, 表明其具备转录因子特性。此外, 不同组织部位表达分析发现, MeTCP3a在成熟叶片中表达活性最高, 而通过VIGS技术在木薯叶片中将其沉默后, 发现木薯心叶形态出现卷曲、皱缩。进一步实时荧光定量PCR分析发现, 与叶片形态发育相关的下游基因MeCUC1/2/3和MeIAA的表达量也随之下调, 表明MeTCP3a可能通过调控下游基因的表达来影响叶片形态发育。本文为进一步探索TCP类转录因子在木薯叶片生长发育中的调控机制提供了理论依据。

大豆GmRSM1通过调节PIN基因表达促进顶端弯钩消失

付佳祺, 李世宽, 谭萌慧, 罗方, 张传玲, 刘祾悦, 卢倩, 谷勇哲

作物学报. 2024, (11):  2731-2741.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44024

摘要 ( 118 )   HTML ( 6 )   PDF (8281KB) ( 155 )  

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顶端弯钩是双子叶植物黄化幼苗短暂出现的独有结构, 尽管当前拟南芥顶端弯钩的模型网络已经相对透彻, 但在大豆中的研究却非常少。本试验构建pBAR-GmRSM1过表达载体, 通过遗传转化和阳性植株筛选, 得到3个拟南芥过表达纯合株系(OE-GmRSM1#64、#69和#70)和3个大豆纯合株系(OE-GmRSM1#103、#78和#95), 转化体的表达量均显著高于野生型。暗培养拟南芥和大豆, 过表达转化体的顶端弯钩消失或消失速度快于野生型。在扫描电镜下观察拟南芥野生型和转化体植株顶端弯钩部位细胞长度发现, 野生型在弯钩维持阶段弯钩内侧细胞长度小于外侧, 而转化体植株两侧细胞长度相同。分离大豆顶端弯钩内外两侧, 并通过检测PIN基因在大豆野生型与3个过表达转化体顶端弯钩的表达情况, 发现PIN1e、PIN3d和PIN6a三个基因在子叶出土时的顶端弯钩部位表达量显著高于顶端弯钩展开后的表达量, 而转化体中弯钩处这3个基因在弯钩维持阶段的表达量显著高于野生型, 但在展开后的表达量并无显著性差异。经过烟草瞬时表达, 确定GmRSM1蛋白定位在细胞核和细胞膜。因此, 顶端弯钩出现的原因是弯钩内外两侧细胞差异伸长, 因而导致下胚轴弯曲。GmRSM1可以通过正向调控生长素运输载体PIN1e、PIN3d和PIN6a缩短弯钩维持和展开时间, 验证了该基因对生长素转运的调控作用。本试验通过验证GmRSM1基因在顶端弯钩消失表型中的作用, 进一步完善了顶端弯钩的基因通路, 为后续研究奠定基础。

ICARDA引进小麦种质苗期的抗旱性鉴定及SNP关联分析

李云香, 张思甜, 侯万伟, 张小娟

作物学报. 2024, (11):  2742-2753.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41007

摘要 ( 86 )   HTML ( 2 )   PDF (5712KB) ( 80 )  

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以引进国际干旱地区农业研究中心(ICARDA)的159份小麦为研究对象, 在苗期用20% PEG-6000模拟干旱条件进行处理, 以正常营养液作为对照, 分析干旱环境对7个苗期相关生理性状(丙二醛含量、超氧化物歧化酶活性、相对电导率、过氧化物酶活性、可溶性糖含量、脯氨酸含量和叶绿素含量)的影响, 进行相关性分析, 并结合55K SNP芯片对159份小麦的苗期抗旱相关生理性状进行关联分析。研究结果表明, 干旱处理后, 其体内脯氨酸含量和可溶性糖含量均呈现上升趋势, 其余性状则并未表现出一致的上升或下降。相关性分析表明, 在正常处理条件下, 丙二醛含量与过氧化物酶活性呈显著正相关, 和脯氨酸含量呈极显著负相关; 过氧化物酶活性和可溶性糖含量呈极显著负相关。在干旱胁迫处理条件下, 可溶性糖含量与丙二醛含量呈极显著正相关, 与相对电导率呈显著正相关; 叶绿素含量与可溶性糖含量呈极显著正相关, 与脯氨酸含量呈显著负相关。关联分析结果显示, 利用24,151个SNP标记位点结合苗期相关生理性状在P≤0.001水平下共定位到311个抗旱相关标记, 分布于小麦的21条染色体上, 贡献率为7.13%~21.11%。2种处理下检测到8个稳定位点, 分别位于1B、2B和6A染色体上, 贡献率为7.85%~14.58%。检测到1个多效应位点, 同时关联了超氧化物歧化酶活性和可溶性糖含量2个性状, 位于3D染色体上, 贡献率为7.95%~8.69%。检测到4个显著位点与相对电导率、过氧化物酶活性、叶绿素含量的抗旱系数和干旱处理下的相对电导率、过氧化物酶活性、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性等性状相关联, 分别位于2D、3A和4A染色体上, 贡献率为7.61%~14.74%。

工业大麻腺毛发育基因CsMIXTA启动子克隆及功能分析

周智满, 张小雨, 高峰, 戴志刚, 许英, 程超华, 杨泽茂, 粟建光, 唐蜻

作物学报. 2024, (11):  2754-2763.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44001

摘要 ( 89 )   HTML ( 5 )   PDF (2949KB) ( 105 )  

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CsMIXTA在调控大麻雌性花器官中腺毛的发生和发育中发挥重要作用。为了研究CsMIXTA基因的表达调控, 对CsMIXTA基因上游2199 bp启动子序列进行了克隆。通过PlantCARE预测发现, 该启动子序列具有多个胁迫响应元件与光响应元件。根据预测的响应元件分布情况, 扩增获得5个5′端缺失的启动子片段。用克隆的启动子全长和缺失片段分别构建融合GUS基因的表达载体, 并将其瞬时转化到烟草叶片和工业大麻糖叶中。通过GUS染色观察发现, CsMIXTA启动子的核心区域位于-393~ -99 bp之间, 包含赤霉素响应元件TATC-box和转录起始元件TATA-box。通过LUC荧光素酶表达发现, CsMIXTA启动子的核心区域具有转录活性。研究还发现, CsMIXTA基因在工业大麻糖叶的腺毛中特异性表达。对启动子进行胁迫响应分析的结果显示, 低温、脱落酸(ABA)和赤霉素(GA₃)都能增强该启动子的活性。这些结果为CsMIXTA基因调控机制研究奠定了重要基础。

水稻类病变早衰突变体lmes6的表型鉴定与基因定位

胡瑶洁, 刘亚萍, 郑君妍, 韩婷, 马伯军, 叶亚峰, 刘斌美, 陈析丰

作物学报. 2024, (11):  2764-2774.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42008

摘要 ( 150 )   HTML ( 18 )   PDF (7545KB) ( 122 )  

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植物类病变与早衰的发生受激素、代谢、环境信号等多重因素影响, 其分子机制尚未完全清楚。从水稻辐射诱变库中筛选到一个类病变早衰突变体lmes6 (lesion mimic and early senescence 6), 与野生型相比, lmes6突变体叶片从分蘖期开始出现类病变、叶色发黄、叶绿素含量显著降低, 其穗长、每穗粒数、粒长及单株产量显著降低; 组织染色显示该突变体的叶片出现细胞程序性死亡及活性氧过量积累; 且该突变体增强了对水稻白叶枯病与细菌性条斑病的抗性。遗传分析表明lmes6的突变表型受单隐性核基因控制。利用图位克隆技术将目的基因精细定位在水稻7号染色体53 kb区间内, 经候选基因预测与PCR测序分析, 发现在lmes6突变体中一个编码Fd-GOGAT1 (依赖于铁氧还蛋白的谷氨酸合酶)的基因LOC_Os07g46460发生了一个碱基替换, 导致苯丙氨酸(F)变为亮氨酸(L), 是该基因的一个新的复等位基因, 与其他已报道的lc7、abc1、spl32等位突变相比, lmes6对水稻的生长发育、产量等方面抑制较小。对Fd-GOGAT1进行系统发育树分析及同源蛋白序列比对, 结果表明Fd-GOGAT1蛋白在单子叶植物中高度保守。

320份蚕豆蛋白质含量的SSR关联分析

陈志凯, 周仙莉, 张红岩, 滕长才, 侯万伟

作物学报. 2024, (11):  2775-2786.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44013

摘要 ( 128 )   HTML ( 2 )   PDF (7780KB) ( 62 )  

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蚕豆是重要的植物蛋白源作物, 富含8种必须氨基酸且含量均衡, 挖掘蚕豆蛋白质相关基因不仅有利于优质蛋白蚕豆品种选育, 而且对于未来植物蛋白的需求具有重要意义。本研究以320份蚕豆种质资源为材料, 测定了1年3个点(青海西宁市、互助县、湟源县)的蛋白质含量, 并用筛选的132对SSR引物进行了蚕豆蛋白质含量关联分析。结果表明,蛋白质含量范围在19.51%~54.34%, 3个地点的变异系数分别为10.835、20.865、13.380, 均符合正态分布, 具有表型多样性。132个标记在320份材料中共检测到778个多态性位点, 平均等位基因数为6, 变幅为3~12, 多态性信息量(PIC)的变幅为0.1527 (V1797)~0.8225 (SSR-12192), 平均值为0.5583, PIC值大于平均值的标记占总数的49.24%, 选用的标记基因遗传多样性较高; 遗传结构分析将320份材料分成2个亚群, 其中亚群I有176份材料, 亚群II有107份材料, 其余37份没有明显的群类归属特性, 为混合类群, 供试群体结构较为单一; 利用GLM和MLM 2种关联分析模型共检测到与蛋白质含量显著相关的22个SSR标记, 有3个SSR标记与蛋白质含量极显著相关(SSR-10894、SSR-12695、V1929), 在多个环境中均检测到SSR-13584, 解释率范围在4.07%~5.19%, V1929在湟源县的2种模型关联分析中均极显著相关, 解释率分别为10.00%、9.20%。该研究结果可为亲本选配及蚕豆蛋白相关基因挖掘及品质育种提供理论基础。

耕作栽培·生理生化

二氢赤霉素对不同增密条件下蜀麦133冠层光能截获和产量的影响

刘雨杭, 赵书宏, 祝婷婷, 梁振宇, 贺大海, 陈佳博, 任勇, 黄林, 樊高琼, 伍碧华

作物学报. 2024, (11):  2787-2800.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41013

摘要 ( 104 )   HTML ( 7 )   PDF (1528KB) ( 202 )  

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为探究新型赤霉素抑制剂“二氢赤霉素”对不同增密条件下小麦冠层光能截获和产量的影响, 于2021—2023两个生长年度选用国审小麦品种蜀麦133在成都大邑县开展二因素裂区大田试验, 主区密度分别为250万株 hm^-2 (常规密度, B1)、300万株hm^-2 (增密20%, B2)、350万株 hm^-2 (增密40%, B3)和400万株 hm^-2 (增密60%, B4), 副区分别为喷施清水(CK0)、200 mg L^-1多效唑-甲哌鎓混合剂(CK1)、100 mg L^-1二氢赤霉素(C2)和200 mg L^-1二氢赤霉素(C3)。结果表明,增密导致小麦冠层光环境变差, 从B1增密到B4, 小麦叶面积指数(LAI)和上部光能截获率(IPAR)分别增加16.7%~61.0%和10.3%~17.9%; 旗叶面积、叶夹角、叶绿素含量、下部IPAR和净光合速率分别降低8.5%~16.8%、3.5%~11.2%、1.6%~6.1%、4.2%~12.0%和2.2%~7.3%。喷施二氢赤霉素显著改善小麦冠层结构, C3显著降低各密度下的旗叶叶面积、叶夹角和上部IPAR, 分别达18.5%、17.0%和19.1%; 显著提升叶绿素含量、LAI、下部IPAR、光能转换率和光能利用率, 分别达18.7%、21.5%、62.2%、23.1%和26.6%。二氢赤霉素显著增加籽粒占比和花后干物质积累量, C3显著提升分别达36.4%和13.3%。增密显著增加有效穗数达23.7%, 降低穗粒数和千粒重。喷施二氢赤霉素进一步提升增产潜力, C3显著增加有效穗数、穗粒数、收获指数和产量分别达4.4%、12.4%、10.3%和8.5%。因此, 二氢赤霉素对增密后的小麦冠层光环境具有显著改善作用, 有效提高小麦光能截获率与光能利用率, 增加花后干物质积累, 显著提高籽粒产量。在本试验条件下, 增密到300万株 hm^-2配施200 mg L^-1二氢赤霉素产量最高。

基于能量效率与碳效率的长江中游不同水旱轮作系统可持续性分析

杨博文, 梁修仁, 秦明广, 曹英健, 熊航, 展茗

作物学报. 2024, (11):  2801-2817.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.32052

摘要 ( 116 )   HTML ( 3 )   PDF (857KB) ( 67 )  

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长江中游地区是我国典型水旱轮作区, 合理评价不同水旱轮作模式的生态经济效益对推动该区稻田可持续生产具有重要意义。本研究选取玉米-晚稻(MR)、油菜-中稻(RR)和小麦-中稻(WR) 3种水旱轮作模式, 对比其在秸秆还田(S+)与秸秆不还田(S-)处理下的作物产量、能量效率和碳效率等方面的差异。结果表明:(1) MR模式作物产量较RR和WR模式显著高22.25%和14.81%。秸秆还田显著提高MR、RR和WR模式作物产量7.12%、6.54%和6.43%。(2) MR模式光能利用率和产投比均显著高于RR与WR模式, 耗能强度显著低于RR和WR模式。秸秆还田显著提高MR、WR模式光能利用率和RR、WR模式耗能强度, 显著降低MR、RR和WR模式产投比。(3) MR模式碳生产效率和碳生态效率显著高于RR和WR模式。秸秆还田显著提高了MR、RR和WR模式碳生产效率和碳生态效率。(4) MR模式碳足迹显著低于RR和WR模式。秸秆还田显著降低了MR、RR和WR模式碳足迹。综上, 与油菜-中稻和小麦-中稻模式相比, 玉米-晚稻模式具有较高的作物产量、能量效率、碳效率和较低的碳足迹; 秸秆还田利于提高作物产量, 同时提高了各模式能量效率和碳效率, 降低了碳足迹。可见, 玉米-晚稻水旱轮作配合秸秆还田具有较好的生态经济效益, 可作为长江中游水旱轮作区一种可持续生产技术。

绿洲灌区绿肥还田对减量灌水小麦产量的补偿机制

毛守发, 韦金贵, 柴强, 樊志龙, 胡发龙, 殷文, 王琦明

作物学报. 2024, (11):  2818-2830.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.31055

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探讨绿肥对减量灌水春小麦产量构成及光合产物积累分配特征的响应和机制, 可为构建新型小麦节水型种植制度提供实践和理论依据。依托2017年在甘肃河西绿洲灌区开始的小麦复种绿肥田间定位试验, 于2021—2022年研究了不同绿肥处理方式下减量灌水小麦的群体生长动态、光合产物累积、转运分配和产量特性。试验采用裂区设计, 设420 mm (I3, 地方常规灌水量)、370 mm (I2, 减量50 mm)和320 mm (I1, 减量100 mm) 3个灌水水平, 绿肥全量翻压还田(WG)、绿肥仅根茬还田(WGR)和不种绿肥(W) 3种绿肥处理方式, 组成9个处理。结果表明,减量灌水降低了小麦产量和收获指数, 绿肥还田可补偿因减量灌水造成的产量负效应。与I3相比, I1处理小麦籽粒产量、生物产量和收获指数分别降低11.5%、3.8%和8.1%, I2籽粒产量降低了3.4%; 与W相比, WG籽粒产量、生物产量和收获指数分别提高10.9%、3.7%和8.0%, WGR籽粒产量和收获指数提高了4.8%和3.4%; 与WI3相比, WGI2籽粒产量和收获指数分别提高7.2%和5.3%, WGI1和WGRI2的籽粒产量、生物产量和收获指数差异不显著, 即麦后复种绿肥并全量还田可补偿减量灌水100 mm产生的产量负效应, 可超量补偿在减量灌水50 mm的负效应。绿肥还田补偿减量灌水对小麦产量负效应的主要原因是: (1) 绿肥还田提高了小麦生育后期的群体生长率(CGR)和净同化率(NAR), 增大了小麦穗数、穗粒数与千粒重。与WI3相比, WGI2拔节至孕穗、孕穗至开花、开花至灌浆期CGR分别提高10.4%、10.5%和7.9%, WGRI2拔节至孕穗、孕穗至灌浆期CGR分别提高6.7%和5.7%, WGI1无显著变化; WGI2较WI3孕穗至开花、开花至灌浆期NAR分别提高4.5%、4.8%, 穗数和千粒重分别提高5.7%和6.9%, WGI1、WGRI2较WI3穗数、穗粒数与千粒重差异不显著。(2) 绿肥还田提高了减量灌水小麦的花后干物质积累量和对籽粒的贡献率。I2、I1较I3花后干物质积累量和对籽粒的贡献率分别降低8.8%、5.3%和23.1%、13.7%; WG、WGR较W花后干物质积累量和对籽粒的贡献率分别提高19.6%、8.9%和14.0%、9.3%; 与WI3相比, WGI2、WGRI2花后干物质积累量差异不显著。在干旱绿洲灌区, 麦后复种绿肥是实现小麦生育期减量灌水的可行措施, 绿肥可通过优化小麦光合产物的累积和分配补偿由于减量灌水造成的小麦减产, 绿肥全量还田的节水潜力更高。

播量对缩行带状滴灌燕麦抗倒伏能力和产量的影响

杨志雪, 刘景辉, 米俊珍, 孙婧, 赵宝平, 任长忠, 田露, 郑成忠

作物学报. 2024, (11):  2831-2447.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.41012

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为明确缩行带状滴灌下播量对燕麦抗倒伏能力和产量的影响, 于2022—2023年以抗倒伏品种“坝莜1号”和易倒伏品种“燕科2号”为试验材料, 分别设90 kg hm^-2 (S1)、120 kg hm^-2 (S2)、150 kg hm^-2 (S3)、180 kg hm^-2 (S4)和210 kg hm^-2 (S5) 5个播量, 研究其对燕麦茎秆基部理化特性、抗倒伏能力、产量及构成因素的影响。结果表明, 燕麦株高和重心高度随播量增加呈先升高后降低趋势, “坝莜1号”在S3处理下最高, 较其他处理株分别增加了2.63%~13.36%和1.49%~12.30%; “燕科2号”在S2处理下最高, 较其他处理分别增加了2.52%~15.20%、4.67%~21.21%。两燕麦茎秆基部第二节间长随播量增加而增加, S1较其他处理降低了10.86%~96.39%, 第二节间粗、干重、充实度及抗折力随播量增加而减小, S1较其他处理分别增加了1.76%~32.81%、9.08%~125.89%、26.88%~292.64%、6.48%~129.70%。随着播量的增加, 燕麦茎秆基部纤维素、可溶性糖、C/N、钾、硅含量逐渐降低, 氮含量相反。与其他处理相比较, S1处理各化学组分含量分别增加了5.81%~74.10%、1.62%~24.34%、4.78%~55.41%、1.90%~107.78%、2.00%~17.37%, 氮含量降低了2.95%~22.66%。倒伏率和倒伏级别在不同年份和品种间表现不同: 2022年坝莜1号和燕科2号分别在S4~S5和S3~S5播量下发生倒伏, 2023年两燕麦均发生倒伏, 且倒伏率和倒伏分级随播量增加而增加。穗粒数和千粒重随播量增加而降低, 但籽粒产量呈先升高后降低趋势, “坝莜1号”和“燕科2号”分别在150 kg hm^-2和120 kg hm^-2下籽粒产量最高。相关性分析表明, 燕麦茎秆基部节间形态特征和化学组分含量显著影响茎秆基部抗折力, 从而影响田间倒伏率和级别, 可作为评价燕麦抗倒伏能力的关键指标。综合考虑抗倒伏能力与籽粒产量, 坝莜1号最佳播量为150 kg hm^-2, 燕科2号最佳播量为120 kg hm^-2。

氮肥减施对青贮玉米豆科饲草间作系统水分利用特征的影响

桑会哲, 王超, 樊志龙, 殷文, 范虹, 何蔚, 胡发龙, 柴强

作物学报. 2024, (11):  2848-2859.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.43003

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针对河西绿洲灌区青贮玉米氮肥投入高、水分利用效率低等问题, 本研究在减氮条件下, 探讨间作豆科饲草对青贮玉米产量及耗水特征的影响, 为青贮玉米水分高效利用提供理论依据和技术支撑。试验于2022—2023年在武威绿洲农业综合试验站开展, 设置3个种植模式(M: 青贮玉米单作; MH: 青贮玉米-秣食豆间作; ML: 青贮玉米-拉巴豆间作)和4个施氮水平(N3: 360 kg hm^-2; N2: 306 kg hm^-2; N1: 252 kg hm^-2; N0: 0 kg hm^-2 )。结果表明,2种混播模式下N1处理的青贮玉米和豆科饲草干物质积累量较N3显著提高, MH模式下分别提高10.0%和20.5%, ML模式下分别提高16.5%和28.8%。MH模式下N1处理饲草产量与N3差异不显著, 但ML模式下较之提高22.4%, 且ML模式饲草产量在N1水平下较MH模式提高12.3%。引入豆科饲草可降低间作系统棵间蒸发量, MH、ML模式的棵间蒸发量在N1水平下比M模式相同施氮水平分别降低23.5%、30.0%, 但2种模式不同施氮处理间棵间蒸发量差异不显著。青贮玉米间作拉巴豆结合氮肥减施30%可降低蒸散比, 较M模式相同施氮水平降低23.0%。间作豆科饲草提高了水分利用效率, MH、ML模式水分利用效率在N1、N2、N3水平下较M模式分别提高43.3%、29.5%、17.9%和51.9%、30.2%、21.2%。其中, 以MLN1处理提升幅度最大, 较MN3处理水分利用效率提高52.4%。因此, 青贮玉米间作豆科饲草结合施氮量252 kg hm^-2可降低棵间蒸发量、提高饲草产量和水分生产力, 是绿洲灌区青贮玉米生产适宜采用的种植模式和施氮量。

三七种植适宜区的分布及其对气候变化的响应

王露, 赵炯超, 王艺璇, 米艳华, 张宁怡, 赵明宇, 褚庆全

作物学报. 2024, (11):  2860-2869.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44005

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探究气候变化背景下三七种植适宜区的时空变化特征可为三七引种栽培、规模生产以及产业发展提供理论参考。基于云南省131条三七地理分布数据和15个环境变量, 利用MaxEnt模型分析影响三七分布的主导因子, 划分云南省三七种植适宜区, 明确1961—2020年间云南省三七种植适宜区变化特征。研究结果表明: (1) 影响三七分布的主导因子和对应的最适宜区的阈值分别为平均气温日较差(小于10.0℃)、最高气温≥33℃天数(少于5 d)、坡向(北向)、≥10℃年积温(4708.0~5331.9℃ d)、年日照时数(1636.7~1963.3 h)和降水季节性差异(92%~96%)。(2) 三七种植适宜区主要集中在云南省东南部, 包括文山、红河、昆明、玉溪和曲靖等地, 约占云南省国土面积的4.8%。(3) 1961— 2020年间的气候变化提高了云南三七的种植适宜性和适宜区面积, 适宜性提高的区域约占全省的18.1%。(4) 60多年间, 云南省三七最适宜区界限呈向北扩张趋势, 适宜区呈向高海拔、高纬度区域迁移的趋势。本研究对于制定合理的云南省三七产业布局和降低气候变化对三七生产的潜在风险, 以及农业土地资源管理利用提供理论基础和技术支撑。

叶面喷施调节剂对迟播油菜越冬期氮素利用和产量的影响

郭茂畅, 陈杜娟, 袁金展, 张哲, 蒋博, 杨书婷, 陈敏, 郭安达, 王琪, 蒯婕, 汪波, 王晶, 赵杰, 徐正华, 周广生

作物学报. 2024, (11):  2870-2882.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.44027

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确保迟播油菜产量是缓解长江流域稻油茬口矛盾、挖掘冬闲田潜力的关键。本研究以早熟油菜品种华油杂137为试验材料, 随机区组设计, 3叶期设置清水对照(CK)及10、25、50 mg L^-1的赤霉素(gibberellic acid, GA₃, G1, G2, G3), 0.25、0.5 mg L^-1的2,4-表油菜素内酯(2,4-epibrassinolide, 2,4-EBR, B1, B2), 10、20 mg L^-1的胺鲜酯(diethyl aminoethyl hexanoate, DA-6, D1, D2)的叶面喷施处理。于2021—2023年2个生长季进行田间小区试验, 研究叶面喷施调节剂对迟播油菜越冬期氮素利用和产量形成的影响。结果表明,与CK相比, 迟播油菜叶面喷施适量浓度的GA₃、2,4-EBR和DA-6具有增产效应, 过量施用(如G3、B2处理)则会有负面作用, 其中G1、B1和D2的产量增幅较高, 2021—2022较CK分别增加13.9%、10.3%和6.3%, 2022—2023则分别增加12.5%、7.2%和6.2%。叶面喷施调节剂处理后, 越冬期叶面积和叶干重显著增加。其机制一方面是叶片赤霉素(GA₃)、吲哚乙酸(IAA)和玉米素(Zt)含量增加, 脱落酸(ABA)含量下降, 叶面积增加; 另一方面是叶片硝酸还原酶(nitrate reductase, NR)、谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)和谷氨酸合成酶(glutamate synthetase, GOGAT)活性增强, 叶片氮同化能力提高, 叶干重增加。相关分析表明, 产量与叶面积和叶干重呈正相关, 叶面积与GA₃、IAA和Zt含量呈显著正相关, 与ABA含量呈显著负相关, 且NR、GS和GOGAT活性分别与GA₃、IAA和Zt含量呈显著正相关, 而与ABA含量呈显著负相关。综上, 迟播油菜在三叶期叶面喷施适宜浓度GA₃、2,4-EBR和DA-6通过调节叶片激素含量, 一方面提高了NR、GS和GOGAT酶活性, 叶片氮素同化能力改善, 氮素利用率提高; 另一方面促进了叶片扩张, 形成更大叶面积, 有利于干物质积累而提高产量; 且以G1 (10 mg L^-1 GA₃)、B1 (0.25 mg L^-1 24-EBR)和D2 (10 mg L^-1 DA-6)的处理效果较好。本研究可为长江流域迟播油菜冬前壮苗培育及提高冬闲田利用率提供理论和技术支撑。

研究简报

外源水杨酸对镉胁迫下大豆生理特性和抗逆基因表达的影响

王子然, 鲁一薇, 杨婧怡, 王成龙, 宋亚萍, 马金虎

作物学报. 2024, (11):  2883-2895.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.34211

摘要 ( 139 )   HTML ( 10 )   PDF (2443KB) ( 195 )  

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研究镉(Cd)对大豆种子萌发和早期幼苗生长的胁迫伤害及外源水杨酸(SA)的缓解作用。以大豆品种“中黄13”为试验材料, 采用纸间发芽法和水培法。研究Cd和外源SA对大豆种子萌发、种胚和幼苗抗氧化系统、幼苗光合特性、营养元素吸收转运和抗逆基因表达的影响。2.5 μmol L^-1 CdCl₂胁迫诱发大豆种胚和幼苗氧化损伤, 抑制幼苗对营养元素的吸收和转运、降低幼苗光合作用, 进而抑制大豆种子萌发和早期幼苗的生长。添加50 μmol L^-1 SA可减轻Cd对种胚和幼苗的氧化胁迫伤害, 降低Cd在幼苗中的积累, 促进幼苗对营养元素的吸收和转运、增强幼苗光合作用。Cd胁迫下, 添加SA幼苗生长7 d, 幼苗叶片H₂O₂、O₂^-和MDA含量分别比Cd胁迫处理降低46.31%、29.85%和37.89%。根系H₂O₂、O₂^-和MDA含量分别比Cd胁迫处理降低59.24%、46.30%和46.84%。幼苗叶中Cd含量比Cd胁迫处理降低63.50%, 幼苗叶中Ca、Cu、Fe、Mg、Zn等元素含量比Cd胁迫处理分别增加84.45%、71.42%、192.50%、145.13%和141.20%, 幼苗根中Ca、Cu、Fe、Mg、Zn等元素含量比Cd胁迫处理分别增加186.13%、453.51%、198.05%、131.39%和112.50%, 幼苗净光合速率(P_n)、PSII最大光合效率(F_v/F_m)比Cd胁迫处理提高137.60%和24.99%。外源SA通过诱导上调大豆幼苗抗氧化系统基因表达, 下调参与Cd转运蛋白基因DMT、IRT和MT1表达量, 诱导抗氧化酶活性提高、降低幼苗对Cd的吸收, 促进幼苗对营养元素的吸收和转运、增强幼苗光合作用, 缓解Cd对大豆种子萌发和早期幼苗生长的胁迫伤害。

玉米、花生根际土AMF群落特点及其对磷肥的响应

赵维, 胡晓娜, 郑艳, 梁娜, 郑宾, 王笑笑, 汪江涛, 刘领, 付国占, 石兆勇, 焦念元

作物学报. 2024, (11):  2896-2907.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.43006

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为了探明玉米、花生根际土丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)多样性和群落结构特点及其对磷肥的响应, 本试验基于高通量测序技术研究了不施磷与施磷时玉米和花生根际土AMF群落的多样性、组成和结构, 并结合其土壤理化因子进行相关性分析。结果表明:玉米根际土AMF群落α多样性高于花生, 施磷较不施磷降低玉米、花生根际土AMF群落α多样性; 玉米、花生AMF群落优势科(属)均集中在球囊霉科(球囊霉属), 但其优势种的组成及优势群落的相对丰度存在显著差异。玉米根际土AMF群落的近明球囊霉科、近球囊霉属、GlBb12、Torrecillas12b_Glo_G5和Lamellosum的相对丰度显著高于花生, 分别高17.38%、16.97%、5.90%、3.29%和7.79%; 施磷较不施磷显著降低玉米根际土近明球囊霉科、近明球囊霉属和花生根际土球囊霉科的相对丰度, 分别降低16.89%、16.88%和11.00%, 显著增加玉米根际土Viscosum和Yamato09_A1的相对丰度。通过冗余分析(RDA)可知, 土壤速效磷(AP)、有效铁(AFe)、有机质(OM)和全磷(TP)的含量及pH值是影响玉米、花生根际土AMF群落α多样性及其基于科、属水平AMF群落结构的主要因子。综上, 玉米、花生招募AMF群落具有偏好性, 对磷肥响应存在差别, 关键在于玉米、花生与磷肥影响了根际土中AP、AFe、OM和TP的含量及pH值。本研究为玉米、花生AMF群落结构的改善和磷肥调控高产提供理论基础。

抑制交替氧化酶对水稻稻瘟菌防治的影响初探

徐飞, 刘杨, 许健成, 余璐璐

作物学报. 2024, (11):  2908-2916.  doi:10.3724/SP.J.1006.2024.42013

摘要 ( 118 )   HTML ( 8 )   PDF (48757KB) ( 91 )  

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水稻(Oryza sativa L.)是世界主要粮食作物之一。中国作为世界上最大的稻米生产国, 每年因稻瘟菌(Magnaporthe oryzae)引起的稻瘟病受到广泛关注。稻瘟病在水稻整个生育期中均可发生, 从而引起水稻大幅度减产, 甚至颗粒无收。值得注意的是, 交替氧化酶(alternative oxidase, AOX)广泛存在于植物和真菌中, 是线粒体呼吸电子传递链中的末端氧化酶, 被证实参与了胁迫条件下植物的生长发育调节以及真菌胁迫响应等。本文比较分析了水稻AOX和稻瘟菌AOX蛋白结构差异, 并利用AOX抑制剂开展稻瘟菌防治试验。结果表明,水稻AOX和稻瘟菌AOX蛋白的双铁催化活性中心的氨基酸残基相对保守, 但其在泛醌通道大小、氨基酸组成以及形成的疏水口袋等方面有较大差异。通过AOX抑制剂处理可明显减缓稻瘟菌菌丝的生长, 并减轻水稻叶片稻瘟菌病害症状。本研究表明, AOX可作为有效靶标用于抑制稻瘟菌, 在水稻稻瘟菌病害防治方面具有潜在应用价值。