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    2019年 第52卷 第24期 刊出日期:2019-12-16
      
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    中国农业科学. 2019, 52(24):  0.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.0578-1752-52-24-0
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    作物遗传育种·种质资源·分子遗传学
    小麦穗部性状的主基因+多基因混合遗传模型分析
    解松峰,吉万全,王长有,胡卫国,李俊,张耀元,师晓曦,张俊杰,张宏,陈春环
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4437-4452.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.001
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    【目的】穗部性状是小麦重要的产量性状,在小麦产量构成中占据重要地位和作用。开展小麦穗部性状遗传研究、分析其遗传机制,对制定高产育种策略、提高育种效率提供理论和实践指导。【方法】以主茎穗长、小穗数、穗粒数、小穗粒数为指标,采用数量性状的主基因+多基因混合遗传模型方法,对不同生态环境条件下来自母本品冬34与父本BARRAN及其衍生的F7:8、F8:9代重组自交系群体(RIL)进行穗部性状的遗传模型分析与遗传参数估计,以确定控制各性状的基因数目,估计遗传效应值及遗传率。【结果】穗长和小穗数的最佳遗传模型均是B-2-1(PG-AI),符合2对连锁主基因+加性-上位性多基因遗传模型。穗长的多基因遗传率是90.64%,小穗数的多基因遗传率是89.52%,穗长的环境变异平均值占表型变异的比例为9.39%,小穗数的环境变异平均值占表型变异的比例为10.50%;穗粒数的最佳遗传模型是G-1(MX3-AI-A),符合3对加性-上位性主基因加多基因+加性混合遗传模型,主基因遗传率是69.39%,多基因遗传率是29.94%,环境变异平均值占表型变异的比例为2.18%。控制穗粒数的第1对主基因的加性效应值和第3对主基因的加性效应值数值相等,同是4.56,具有正向效应。第2对主基因的加性效应值与加性效应和第1对主基因×第2对主基因×第3对主基因的加性效应值相同,均是-1.64,且为负向效应。加性和加性×加性上位性互作效应值与加性和第2对主基因加性×第3对主基因加性上位性互作效应值相等,均是-6.02。加性和第1对主基因加性×第3对主基因加性上位性互作效应值是0.18,多基因的加性效应值是0.15,表现为较低的正向遗传效应;小穗粒数的最佳遗传模型是H-1(4MG-AI),符合4个主基因+加性-上位性遗传模型,主基因遗传率是81.50%。第1至4对主基因加性效应值分别为0.22、0.18、-0.20和0.24,加性和第1对主基因×第1对主基因的加性上位性互作效应值是-0.170,加性和第1对主基因×第3对主基因的加性效应值是0.240,加性和第1对主基因×第4对主基因的加性效应值是-0.20,加性和第2对主基因×第3对主基因的加性效应值与加性和第2对主基因加性×第4对主基因加性上位性互作效应值绝对值相同,效应相反,前者值是0.03,后者值是-0.03。加性和第3对主基因×第4对主基因×的加性效应值是0.06。【结论】小麦穗部性状以多基因遗传效应为主,符合数量遗传特征,易受环境影响。小穗粒数存在着主基因遗传特性,主基因遗传力较高,受环境影响小,小穗粒数可作为有效改良穗部性状早期选择的直接指标,实现单株定向选择,提高育种效率。

    基于SSR标记的谷子主要农艺性状关联位点检测及等位变异分析
    李剑峰,张博,全建章,王永芳,张小梅,赵渊,袁玺垒,贾小平,董志平
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4453-4469.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.002
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    【目的】通过在海南省乐东县、河南省洛阳市、吉林省吉林市和公主岭市4个不同地理环境调查谷子10个主要性状,进行SSR标记与性状的关联分析,获得单一环境特异表达位点及多个环境共同表达位点,发掘优异等位变异,探究谷子可能的生态适应性形成机制,为开展谷子分子辅助选择育种奠定基础。【方法】连续2年在吉林省吉林市和公主岭市、河南省洛阳市、海南省乐东县调查102份谷子资源株高、穗长、叶片数、穗粗、抽穗期、穗码数、码粒数、穗重、穗粒重、千粒重10个主要农艺性状的基础上,首先利用SPSS19.0软件对每个地理环境进行性状间相关性分析,再用70个多态性SSR标记对谷子资源进行基因型鉴定,分析102份谷子资源的遗传多样性和群体遗传结构,最后用TASSEL5.0软件进行标记间的连锁不平衡分析,并用GLM和MLM 2种模型开展分子标记与表型性状的关联分析。【结果】除了千粒重,其余9个性状间在4个地理环境普遍存在显著或极显著正相关,千粒重只在在吉林市、公主岭市、洛阳市3个环境与穗粒重、株高、穗长、穗重呈显著或极显著正相关,在海南乐东县与其他9个性状没有显著相关性;70对SSR引物共检测到397个等位基因,平均每个标记的观测等位基因数、有效等位基因数、期望杂合度、Shannon指数分别为6、2.24、0.4637、0.7738;遗传多样性和群体结构分析均将102份谷子材料分为4个群,来自河南的谷子材料散布在4个群中,表现较丰富的遗传多样性;70对SSR标记间连锁不平衡分析未发现明显的连锁不平衡结构;GLM、MLM 2种模型共检测到10个关联标记,结合等位效应分析确定b115、MPGC13、b227、b194、p56在吉林市、公主岭市2个环境与穗重、穗长、叶片数、抽穗期4个性状关联,sigms9034、b125在洛阳市与穗长、穗码数关联,P18和p59在乐东县与穗重关联,p6在吉林市、公主岭市和洛阳市分别与叶片数和穗码数关联,单个标记对表型变异的平均贡献率在7.76%—34.05%;3个标记等位基因sigms9034-168、P18-166、p56-244分别能够显著增加穗长、穗重,缩短抽穗期。【结论】连续2年获得了5个在吉林市、公主岭市稳定表达的标记位点b115、MPGC13、b227、b194和p56,2个在洛阳市稳定表达的标记位点sigms9034、b125,2个在乐东县稳定表达的位点P18和p59,1个在洛阳市和吉林市、公主岭市同时稳定表达的标记位点p6;获得了3个可用于穗部性状、生育期标记辅助选择的优异等位基因sigms9034(168 bp)、P18(166 bp)、p56(244 bp)。

    耕作栽培·生理生化·农业信息技术
    基于高光谱指数的棉花冠层等效水厚度估算
    马岩川, 刘浩, 陈智芳, 张凯, 余轩, 王景雷, 孙景生
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4470-4483.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.003
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    【目的】建立快速、无损监测棉花冠层等效水厚度(canopy equivalent water thickness,CEWT)的估算模型,进一步提高利用高光谱遥感技术监测棉花CEWT的估算精度。【方法】通过在不同生育期设置灌溉梯度试验,于棉花蕾期和花铃期同步测定冠层光谱反射率、冠层等效水厚度等信息,综合分析棉花冠层等效水厚度与原始光谱反射率、一阶导数光谱反射率、全波段组合光谱指数、已有光谱指数的相关性,确定蕾期、花铃期及全生育期的最优光谱指数,并通过线性回归构建棉花CEWT的高光谱监测模型。【结果】冠层等效水厚度与原始光谱反射率在近红外波段(NIR)780—1 130 nm和短波红外波段(SWIR)1 450—1 830 nm、1 950—2 450 nm附近均出现连续的敏感波段,一阶导数光谱在NIR波段内对CEWT的敏感程度较原始光谱有所加强,但在SWIR波段内敏感程度弱于原始光谱;利用原始光谱反射率构建的光谱指数与CEWT的相关性强于一阶导数光谱,且比值光谱指数(RSI)较归一化差分光谱指数(NDSI)更适合CEWT的监测。在全生育期内(R1135-5R1494)/R2003对CEWT的反演精度最佳(R 2=0.7878,RRMSE=0.1803);在蕾期RSIb(1130,1996)对CEWT的估算效果最好(R 2=0.7258,RRMSE=0.1444);在花铃期RSIa(904,1952)是估算CEWT的最优光谱指数(R 2=0.7853,RRMSE=0.2454)。【结论】该研究在不同生育阶段内提出的新型高光谱指数均可用于棉花冠层等效水厚度的定量监测,研究结果可为高光谱技术在棉花冠层水分含量监测中的应用提供参考,为棉花精准灌溉提供技术依据。

    硝酸镧浸种对藜麦种子萌发及盐胁迫下幼苗生长的影响
    庞春花,张媛,李亚妮
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4484-4492.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.004
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    【目的】盐碱地的形成,不仅造成了资源浪费,也严重制约着农业生产。藜麦具有耐盐的特性,能够缓解部分盐胁迫。中国是稀土含量最多的国家,有研究表明,稀土元素镧可能对盐分胁迫有缓解作用。本试验通过硝酸镧浸种后对藜麦幼苗进行盐胁迫处理,探讨该浸种方法对藜麦种子萌发以及盐胁迫下幼苗生长的影响,为缓解盐害、提高藜麦抗盐性研究提理论依据。【方法】本研究以藜麦为研究材料,采用温室盆栽法,研究不同硝酸镧浓度浸种(25、50 和100 mg·L -1)对藜麦种子萌发及不同浓度盐胁迫下(100、200和300 mmol·L -1 NaCl溶液)对幼苗生长的影响。【结果】(1)50 mg·L -1 La(NO3)3浸种时,藜麦种子的萌发效果最好,发芽率、发芽势和发芽指数均达到最高,并与其他浓度处理具有显著差异;(2)相同La(NO3)3浓度浸种时,300 mmol·L -1NaCl以内藜麦幼苗的株高、根长随着盐胁迫浓度的增加逐渐降低,POD、SOD、MDA、可溶性糖、脯氨酸都随着盐胁迫浓度的增加而升高;(3)在相同浓度盐胁迫下,藜麦幼苗的株高、根长,POD、SOD、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸均随硝酸镧浸种浓度的增加呈先升后降的变化趋势,MDA随浸种浓度的增加呈先降后升的变化趋势;(4)藜麦在300 mmol·L -1NaCl范围下均能生长,在300 mmol·L -1NaCl时,幼苗各项指标基本最好,其中50 mg·L -1硝酸镧浸种处理下各项生长指标均达到最佳。【结论】低浓度50 mg·L -1硝酸镧能够促进藜麦种子的萌发以及盐胁迫下藜麦幼苗地上部分生长,加强藜麦幼苗的抗氧化酶活性,增加渗透调节物质含量,对盐胁迫起到缓解作用;高浓度则抑制生长。本文结果表明硝酸镧浸种可提高藜麦对盐分胁迫的抗性。

    基于不规则三棱柱分割法实时测算果树冠层体积
    李鹏,张明,戴祥生,王腾,郑永强,易时来,吕强
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4493-4504.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.005
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    【目的】果树冠层体积、结构的精准测量可以为药、肥的变量施用和果树估产等提供重要的参考依据。针对植株冠层枝叶空间分布不规则的特点,现有的果树冠层体积实时测量方法测量精度较差,难以准确量化柑橘果树冠层体积及结构,为了实现对果树冠层体积的精准测量,搭建了基于SICK LMS111-10100型激光传感器的果树冠层扫描检测平台,并提出了一种基于不规则三棱柱模块的果树冠层体积测算方法。【方法】研究以5株冠形规则的球形景观树、10株冠形不规则的柑橘树为靶标,分别在0.5、1.0和1.5 m·s -1 3个行进速度下使用常用的长方体分割法、不规则三棱柱分割法等2种方法测算冠层体积,并以人工测量为基准进行误差分析。【结果】长方体分割法测量景观树误差范围分别为4.17%—6.59%、4.56%—7.42%和4.17%—9.86%;不规则三棱柱分割法测量景观树误差范围分别为2.37%—4.63%、3.18%—5.00%和4.10%—5.73%,2种方法测算果树冠层体积相对误差差值范围-0.28%—4.22%,平均差值1.78%。长方体分割法测量柑橘树误差范围分别为11.63%—31.02%、11.88%—33.23%和13.28%—33.30%;不规则三棱柱分割法测量柑橘树误差范围分别为3.25%—6.69%、4.50%—8.31%和5.66%—11.55%,2种方法测算果树冠层体积相对误差差值范围6.43%—26.20%,平均差值13.04%。【结论】不规则三棱柱分割法测算误差明显小于长方体分割法,精度更高;对于同一靶标,当速度为0.5 m·s -1时,2种方法的测量精度最高,随着速度的增加,激光采样点密度下降,相对误差有增大的趋势。当扫描规则靶标时,2种方法精度差异较小;当扫描不规则靶标时,长方体分割法误差较大。长方体分割法处理单帧数据的平均时间为2.86 ms,不规则三棱柱分割法处理单帧数据的平均时间为4.73 ms,均小于激光传感器的扫描周期20 ms,可以达到实时获取并处理数据的目的。

    植物保护
    西兰花残体还田对棉花黄萎病防治效果及其对不同生育时期土壤细菌群落的影响
    赵卫松,郭庆港,李社增,王亚娇,鹿秀云,王培培,苏振贺,张晓云,马平
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4505-4517.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.006
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    【目的】研究土壤中添加西兰花残体(broccoli residues,BR)对棉花黄萎病及不同生育时期土壤细菌群落结构的影响,为棉花黄萎病的绿色生态防控和化学农药的减量施用提供新途径和思路。【方法】通过田间小区试验,分别以西兰花残体还田和不含有西兰花残体(CK)的耕层土壤中播种的棉花为试验对象,监测不同处理的棉花黄萎病的发生动态。采用实时荧光定量PCR(real-time PCR)和高通量测序(Illumina MiSeq)技术分别测定不同时期土壤中大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)DNA拷贝数量和土壤细菌群落,进而分析西兰花残体还田对土壤中病原菌数量变化和土壤细菌群落的影响。采用主成分分析探索西兰花残体还田对不同生育时期土壤细菌群落在门和属水平的结构变化特征与规律。【结果】西兰花残体还田后棉花黄萎病的发病率和病情指数均呈现出下降趋势,且发病高峰时间推迟,在发病高峰期对黄萎病的防治效果达到70.77%,建立了整个生育期内病情指数-时间病程发展曲线,平均防治效果为57.21%。与空白对照相比,西兰花残体还田处理在棉花生长季和非生长季的4个阶段土壤中大丽轮枝菌DNA拷贝数量分别降低了10.96%、11.11%、25.95%和11.25%。高通量测序分析表明,不同生育时期西兰花残体还田处理显著提高了土壤细菌多样性,丰富度指数Chao1均显著上升,ACE指数在播种前期、花铃期和吐絮期显著上升。与空白对照相比,在不同生育时期内,西兰花残体还田后土壤中的放线菌门(Actinobacteria)菌群的相对丰度呈现显著上升。同时研究表明,西兰花残体还田后优势菌群组成在不同生育时期存在差别,在播种前期和苗期,厚壁菌门(Firmicutes)菌群上升为优势菌群;在蕾期和花铃期,蓝藻细菌门(Cyanobacteria)菌群成为优势菌群。主成分分析表明,西兰花残体还田改变了苗期、蕾期、花铃期和吐絮期的细菌群落结构。进一步分析表明,西兰花残体还田显著增加了链霉菌属(Streptomyces)和芽孢杆菌属(Bacillus)菌群的相对丰度。【结论】西兰花残体还田能够有效抑制棉花黄萎病的发生,降低土壤中大丽轮枝菌DNA拷贝的数量,改变土壤细菌群落结构,增加有益微生物的相对丰度,是一种有效控制棉花黄萎病的绿色措施。

    葡萄溃疡病菌外泌蛋白LtGH61A的致病力及基因表达模式
    彭军波,李兴红,张玮,周莹,黄金宝,燕继晔
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4518-4526.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.007
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    【目的】由葡萄座腔菌属(Botryosphaeria)真菌引起的溃疡病是葡萄生产上的重要病害之一,在国内多个葡萄产区发生,严重威胁葡萄的产量及品质。本研究对葡萄溃疡病菌(Lasiodiplodia theobromae)中一个假定外泌蛋白LtGH61A进行功能分析,为进一步解析葡萄溃疡病菌的致病机理及病害防控提供理论依据。【方法】通过SignalP 4.0预测LtGH61A蛋白的信号肽;氨基酸序列同源比对结合基因功能注释,预测LtGH61A蛋白的功能;通过酵母互补试验分析LtGH61A蛋白的外泌特性;采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析LtGH61A在病原菌营养菌丝及侵染寄主不同阶段的表达量;借助RNA干涉(RNAi)对LtGH61A进行表达抑制;通过葡萄枝干离体接种试验,分析LtGH61A蛋白对葡萄溃疡病菌致病力的影响。通过比较菌落直径,分析LtGH61A蛋白对葡萄溃疡病菌菌丝生长速率的影响。【结果】信号肽预测表明LtGH61A蛋白N端具有一个长度为18个氨基酸的信号肽;基因功能注释推定LtGH61A的编码产物属于糖苷水解酶61(GH61)家族,能酶解纤维素类物质;互补蔗糖酶外泌缺陷型酵母YTK12结果表明,LtGH61A蛋白的信号肽具有外泌活性,能够引导酵母YTK12蔗糖酶的外泌;与营养菌丝阶段相比,LtGH61A的表达量在病原菌侵染阶段显著升高,并且在接种后48 h高达营养菌丝阶段的19倍;通过RNAi试验及qRT-PCR验证,获得了2个LtGH61A表达量明显降低的阳性转化子,分别命名为RNAi-LtGH61A1和RNAi-LtGH61A2;葡萄枝干离体接种试验结果显示,与野生型CSS-01s相比,RNAi-LtGH61A1和RNAi-LtGH61A2转化子在葡萄枝干形成的病斑长度显著变短,约为野生型CSS-01s的55%,表明LtGH61A影响葡萄溃疡病菌的致病力;菌落直径比较显示,与野生型CSS-01s相比,RNAi-LtGH61A1和RNAi-LtGH61A2转化子的菌落直径变小,约为野生型85%,表明LtGH61A影响葡萄溃疡病菌的菌丝生长速率。【结论】LtGH61A影响葡萄溃疡病菌的致病力及生长速率;LtGH61A蛋白能够分泌至胞外;LtGH61A在病原菌侵染阶段的表达量显著升高,推测其通过发挥自身酶活功能,破坏寄主植物组织,从而促进病原菌的侵染。

    土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境
    华北平原五省冬小麦产量和氮素管理的时空变异
    任思洋,张青松,李婷玉,张福锁
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4527-4539.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.008
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    【目的】通过对华北地区冬小麦产量及氮素管理时空变化的分析,明确华北平原五省2005—2014年冬小麦产量、效率及环境效益的演变规律。【方法】基于2005—2014年农户调研数据,分析华北平原产量、产量差与氮素管理的时间和空间变异趋势,从粮食安全、资源高效和环境保护3个维度设计了华北地区氮素可持续管理评价体系,并据此对该区目前氮素管理现状进行评价。【结果】(1)2005—2014年华北冬小麦产量均值为6.5 t·hm -2,呈逐年递增趋势,10年增幅达7%,产量从高到低依次为河南、安徽北部、山东、河北、江苏北部。10年产量差均值为1.4 t·hm -2,整体呈下降趋势,10年降幅高达47%,产量差从高到低依次为山东、河北、江苏北部、河南、安徽北部。安徽北部产量差降幅最大,产量差最小;山东省内产量差差异较大,呈东部高于西部的趋势。(2)2005—2014年华北冬小麦施氮量均值为226 kg·hm -2,除江苏北部外均呈增加趋势,10年平均增幅为3%,施氮量从高到低依次为江苏北部、河北、山东、安徽北部、河南。同省施氮量差异较小而省间差异明显。(3)2005—2014年华北冬小麦氮素利用效率(NUE)均值为44%,从高到低依次为河南、安徽北部、山东、河北、江苏北部。空间差异大,施氮量高的地区NUE较低。(4)2005-2014年华北冬小麦氮盈余均值为165 kg·hm -2,从高到低依次为江苏北部、河北、山东、河南、安徽北部。施氮量高的地区氮盈余较高。(5)2005—2014年华北冬小麦满足华北地区氮素可持续管理评价体系安全边界的县数仅占总体的2%。以该区域氮盈余及产量均值分区,其中河南省均值位于低氮盈余高产量区;山东及安徽北部均值位于低氮盈余低产量区;河北及江苏北部均值位于高盈余低产量区。【结论】2005—2014年华北地区冬小麦产量增加,产量差减小;同时氮肥投入增加,氮盈余较高,氮素利用效率低。五省中河南氮素管理较为合理,山东和安徽北部氮盈余较低,产量提升空间大;河北及江苏北部氮肥投入量高、效率低、环境压力大,将是未来华北氮素管理的重点地区。

    我国褐土耕地质量的演变及对生产力的影响
    陈延华,王乐,张淑香,郭宁,马常宝,李春花,徐明岗,邹国元
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4540-4554.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.009
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    【目的】耕地质量是影响土壤生产力的关键因素,也是科学施肥的重要依据。褐土区为我国小麦和玉米的主产区,研究该区域31年间(1988—2018)耕地质量的演变,并分析它们对生产力的影响,为褐土区的科学施肥提供依据。【方法】基于31年全国103个褐土长期定位试验点的数据,分析褐土耕地质量的演变;并通过冗余分析,比较影响生产力的因素;在此基础上对褐土区的科学施肥提出了合理建议。【结果】(1)褐土区土壤理化性质的演变及现状:有机质、有效磷和速效钾2018年均值分别为17.9 g·kg -1、29.2 mg·kg -1和164 mg·kg -1,监测期间分别提高了21.2%、200.9%和55.0%;全氮和缓效钾2018年均值分别为1.1 g·kg -1和945 mg·kg -1,监测期间趋于平稳;中微量元素和重金属含量数值分布在合理范围;pH下降0.3个单位;耕层厚度为21.9 cm,容重为1.33 g·cm -3,均属于中等水平。(2)褐土区施肥量,2018年总量为730.2 kg·hm -2,肥料氮(N)磷(P2O5)钾(K2O)的比例约为2﹕1﹕1,化肥与有机肥的比例约为3.45﹕1;氮肥用量378.9 kg·hm -2,监测期间趋于平稳,磷肥和钾肥用量监测期内呈下降趋势,分别降低24.1%和50.8%。(3)31年间褐土区小麦产量呈上升趋势,监测末期达到6 651 kg·hm -2,比初期提高27.6%;玉米产量较为平稳,监测末期达到8 851 kg·hm -2,监测中期和末期均与初期无显著性差异。小麦季和玉米季的地力贡献率分别为49.0%和59.6%;对产量的影响,物理指标中耕层厚度(对小麦产量的解释率,2.7%)和容重(对小麦和玉米产量的解释率分别为1.2%和1.5%)的作用较大;化学指标中有机质对小麦、玉米产量的解释率均较高,分别为2%和1.7%,有效磷对玉米产量的解释率也较高(3.6%);肥料用量指标中,钾肥对小麦、玉米产量的解释率均最高,分别为5.6%和6%,其次,磷肥对小麦产量(1.3%)、氮肥对玉米产量(1.3%)的解释率也较高。【结论】31年间褐土的耕地质量得到提升,但是总体肥力偏低,物理指标处于中等水平。考虑耕地质量对生产力影响的基础上,对于小麦和玉米,需要制定不同的施肥方案,均需提高钾肥的投入,且重点保障小麦的磷肥和玉米的氮肥供应;对于物理指标需要引起高度关注,耕层和容重处于中等水平,但不需要继续优化,维持现状更利于获得高产。

    土壤重金属快速检测技术研究进展
    毛雪飞,刘霁欣,钱永忠
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4555-4566.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.010
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    近年来,随着我国工农业的高速发展,尤其是无节制的矿藏开采、“三废”排放、汽车尾气以及农业化学投入品的滥用,重金属污染已成为我国当前最严重的环境污染问题之一,因此土壤重金属监测工作显得尤为重要。但是,目前的土壤重金属检测标准方法仍以实验室确证性分析为主,无法用于土壤重金属的现场、快速分析,从而难以从源头上及时、有效地对土壤重金属污染进行监测和预防,开发重金属快速检测设备和技术势在必行。从土壤样品的基质特点来看,固体进样分析是最可行的技术方案,主要包括电热蒸发(ETV)原子光谱、X射线荧光光谱(XRF)、激光烧蚀(LA)、激光诱导击穿光谱(LIBS)、X射线吸收光谱(XAS)、中子活化(INAA)等。上述固体进样分析技术均无需样品消解处理,高效、快捷,但是部分技术的检出能力和稳定性尚难以满足土壤质量标准的全部要求,如XRF、LA、LIBS,还有部分技术难以实现现场化,如LA、XAS、INAA等。因此,基于电热蒸发(ETV)固体进样的原子光谱分析技术在分析灵敏度、稳定性和小型化方面具有特殊的优势。ETV是利用电加热将样品中的待测元素以气溶胶的形式导入原子化器或激发源的技术,可实现土壤中常见重金属元素的快速、高效导入,技术简单、通用性强,适用于原子吸收、原子荧光、原子发射、无机质谱等多种检测系统。ETV常采用碳、金属、石英等材料,如石墨管、多孔碳管、钨丝、铼丝、石英管,其中利用高熔点金属的电磁感应电热蒸发技术具有无冷点、升/降温速度快、易于小型化的优势。但是,土壤样品基质复杂,基体干扰一直是困扰ETV技术应用的核心瓶颈问题。新型的气相富集(GPE)、介质阻挡放电(DBD)、基体改进及背景校正等技术,有望实现土壤基体干扰的有效消除。特别是GPE技术,在特异性捕获消除基体干扰的同时,还可以通过预富集提高仪器的分析灵敏度。通过上述技术的集成与创新,可以有效解决固体进样的分析灵敏度和基体干扰问题,这将为土壤重金属速测技术的研发提供新的思路,从而为土壤环境监测与治理工作提供有效的技术支撑。

    园艺
    GRAS家族全基因组鉴定与响应UV-B的表达模式分析
    李晨,赵雪惠,王庆杰,王旭旭,肖伟,陈修德,付喜玲,李玲,李冬梅
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4567-4581.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.011
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    【目的】GRAS基因家族成员在调节植物生长发育中发挥着关键作用。通过生物信息学分析GRAS在桃基因组中的分布、结构及进化,研究家族成员在不同组织中的表达特异性及其对UV-B的响应,解析GRAS基因家族的生物学功能。【方法】对设施油桃‘中油5号’(Prunus persica var. nectarina cv. Zhongyou5)补充适量UV-B(Ultraviolet-B)剂量,利用Plant TFDB数据库鉴定桃GRAS基因家族成员。采用Clustal W、MEGA6.0、ProtParam tool、MCScanX、Circos、SMART、NCBI-CDD、ExPASy、GSDS和MEME等软件构建系统进化树,绘制染色体定位图,预测蛋白的相对分子质量与等电点等理化性质等,分析GRAS基因家族成员在不同组织中的表达模式,利用qRT-PCR技术检测桃GRAS在UV-B处理下的表达情况。【结果】从桃全基因组中鉴定出48个GRAS转录因子家族基因,构建系统进化树将这48个成员分为9个亚家族,PpGRAS在桃的8条染色体上呈不均匀分布。对GRAS基因家族进行理化性质分析发现,其蛋白平均长度为590.52 aa,等电点在4.36—7.56。GRAS家族基因结构分析表明,有40个基因不含内含子,8个基因含有1个内含子。保守元件分析显示,GRAS家族包含20个保守元件,其中Motif 2和4在GRAS的家族中高度保守,同一个亚家族成员含有相同的保守元件,其可能具备相似的功能。然而,有些亚家族成员的表达模式不同,这可能与其保守基序之外的序列有关。PpGRAS在不同组织中具有不同的表达模式。叶片中PpGRAS5经UV-B处理后上调表达最显著,而有多达15个基因表达量呈现下调。果实中PpGRAS13经UV-B处理后上调表达,但有9个基因表达下调。韧皮部中,UV-B处理后有14个基因上调表达,而PpGRAS16经处理后在韧皮部中表达下调最明显。【结论】从桃基因组中共鉴定出48个GRAS基因家族成员,分布于8条染色体上;多数PpGRAS能响应UV-B处理,但在不同组织中的表达不尽相同。

    ‘羊角脆’类甜瓜果实品质因子分析及综合评价
    王佳豪,段雅倩,乜兰春,宋立彦,赵文圣,方思雨,赵佳腾
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4582-4591.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.012
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    【目的】筛选评价‘羊角脆’类甜瓜果实品质的代表性指标和高品质材料,为建立品质评价标准和选育优良品种提供参考和依据。【方法】以6个‘羊角脆’类甜瓜栽培品种和26份高代自交系成熟果实为试材,测定与果实品质相关的18个数量性状指标,将其分为经济性状指标和果肉品质指标,经因子分析、逐步回归和相关分析,得到果实品质的代表性指标,结合二维排序图,进行高品质材料筛选。【结果】18个指标中单果重、硬度、维生素C(VC)含量、可滴定酸含量、糖酸比和固酸比变异性较大,变异系数>20%,果实横径、肉厚率和pH变异性较小,变异系数<10%;经济性状中筛选出3个公因子,累计方差贡献率为87.71%,解释指标为果实纵径、果实横径、果形指数、果腔纵径、果腔横径和肉厚率;果肉品质性状中筛选出4个公因子,累计方差贡献率为90.03%,解释指标为VC含量、硬度、可溶性固形物含量、总糖含量、可滴定酸含量、糖酸比和固酸比。将以上筛选出的6个经济性状指标和7个果实品质指标进行综合品质分析,得到5个公因子,累计方差贡献率为87.35%,根据指标间的相关性,以指标简便易用和避免信息重叠为原则,果实纵径、肉厚率、硬度、总糖和可滴定酸5项指标可作为评价‘羊角脆’类甜瓜果实品质相关数量性状的代表性指标。根据以上5个公因子得分及其方差贡献率计算各材料综合品质排名,结合二维排序图,筛选出10份高品质材料。【结论】果实纵径、肉厚率、硬度、总糖和可滴定酸5项指标可作为评价‘羊角脆’类甜瓜品质的代表性指标;自交系25、24、22、21、8、1、17、18、20和23为高品质材料。

    食品科学与工程
    糌粑加工过程中稳定同位素指纹分馏效应分析
    李继荣,张唐伟,次仁德吉,杨小俊,次顿
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4592-4602.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.013
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    【目的】系统分析青稞原料、炒制青稞和磨粉糌粑中稳定碳、氮、氢和氧同位素的差异,揭示糌粑加工过程中青稞原料、炒制青稞和磨粉糌粑稳定碳、氮、氢和氧同位素的组成特征及相关性,为青稞及其制品产地溯源提供理论与技术支撑。【方法】2018年从西藏自治区日喀则市糌粑加工作坊分别采集炒制青稞和磨粉糌粑各11份,同时在对应地点采集青稞原料11份;实验室模拟糌粑加工过程的青稞原料和炒制青稞各8份。利用元素分析-同位素比率质谱仪(EA—IRMS)测定青稞原料、炒制青稞和糌粑中的稳定碳、氮、氢、氧同位素。结合单因素方差分析及LSD或Games-Howell多重比较分析探究稳定碳、氮、氢、氧同位素在青稞原料、炒制青稞和糌粑间的差异;逐步判别分析区分雅鲁藏布江和年楚河青稞及其制品;独立样本T检验分析水磨和电磨加工糌粑样品稳定碳、氮、氢、氧同位素差异;配对数据T检验分析模拟试验中青稞原料、炒制青稞样品稳定碳、氮、氢、氧同位素差异,皮尔逊相关分析解析青稞原料和炒制青稞样品稳定碳、氮、氢、氧同位素的相关性。【结果】青稞原料、炒制青稞和糌粑间稳定碳、氮、氢、氧同位素比值无显著差异;稳定氮同位素对不同流域来源青稞判别率为72.7%,稳定氮、氧同位素对不同流域来源炒制青稞判别率为90.9%,糌粑判别率100%;水磨和电磨加工糌粑稳定碳、氮、氢、氧同位素比值无显著差异;模拟试验中青稞原料与炒制青稞稳定碳、氮、氢、氧同位素比值无显著差异,青稞原料与炒制青稞间稳定碳、氮同位素存在显著正相关(P<0.05)。【结论】糌粑稳定碳、氮、氧同位素与炒制青稞稳定碳、氮、氧同位素间分馏效应不显著;青稞及其制品中稳定同位素存在一定地域性;糌粑加工过程中使用电磨或水磨,对糌粑稳定碳、氮、氢、氧同位素值无影响;青稞原料稳定碳、氮同位素反映糌粑稳定碳、氮同位素特征;利用稳定同位素技术可以实现对糌粑的原产地溯源。

    畜牧·兽医·资源昆虫
    混菌固态发酵菜籽粕工艺优化
    吴正可,刘国华,李阳,郑爱娟,常文环,陈志敏,蔡辉益
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4603-4612.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.014
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    【目的】通过优化菜籽粕混菌固态发酵工艺以提高菜籽粕营养价值,为发酵菜籽粕在我国畜牧养殖上的应用提供理论参考。【方法】以普通菜籽粕为原料,采用嗜酸乳杆菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母3种菌株,以硫甙降解率(X%)、总酸增加率(Y%)、多肽增加率(Z%)为评价指标,并采用加权法以M为综合评价指标(其中M = 0.7×X + 0.15×Y + 0.15×Z)评价发酵效果。其中,试验一以3株菌的不同添加量为试验因素,设计L9(3 4)三因素三水平正交试验,探究各菌株添加量及不同的菌株组合方式对发酵效果的影响;在试验一的基础上配置混菌发酵液,以发酵温度、料水比、发酵时间、接种量为试验因素,设计L16(4 5)四因素四水平正交试验,探究混菌固态发酵菜籽粕的最佳工艺,并结合最佳工艺进行中试验证。【结果】(1) 试验一对以总变化率M为指标的正交试验结果进行极差分析,结果显示混菌固态发酵菜籽粕最佳混菌组合为嗜酸乳杆菌:酿酒酵母:枯草芽孢杆菌为=1﹕3﹕2,在该条件下,硫甙降解率为23.5%,总酸增加率为179.2%,多肽增加率为375.0%。(2) 在试验一的基础上设计试验二并对结果进行极差分析,结果表明混菌固态发酵菜籽粕的最佳工艺条件为温度:33℃、料水比:1﹕1、时间:84h、接种量:6%,在该工艺条件下进行中试验证测得硫甙降解率为48.8%,总酸增加率为499.7%,多肽增加率为148.4%,总变化率为131.4%,符合试验预期;对各单因素的方差分析结果显示1水平温度(31℃)总变化率显著低于其他水平(P < 0.05),2水平温度(33℃)总变化率高于3水平(35℃)和4水平(37℃),但差异不显著(P > 0.05);2水平(1﹕1)的料水比总变化率高于其他水平,差异未达到显著水平(P >0.05);3水平(84 h)的发酵时间总变化率高于其他水平,但差异未达到显著水平(P >0.05);接种量各水平之间对总变化率的影响差异不显著(P > 0.05)。(3)在该最佳工艺条件下,微生物固态发酵增加了菜籽粕粗蛋白含量(从37.05%到40.90%)并降低了粗纤维浓度(从17.47%到16.72%);发酵菜籽粕氨基酸组成分析表明发酵增加了菜籽粕中各种氨基酸的含量,尤其是Asp,Thr,Ser,Glu,Pro,Ala和Lys;发酵后菜籽粕硫甙含量从36.08 μmol·g -1降至18.48 μmol·g -1;发酵增加了菜籽粕中多肽含量(从0.84%到2.09%)和总酸含量(从1.01%到6.05%);菜籽粕发酵前后粗脂肪含量相似(4.31%和4.39%)。【结论】通过本发酵工艺对菜籽粕进行混菌固态发酵可有效降解菜籽粕中的硫甙,并提高菜籽粕中多肽和总酸的含量,菜籽粕营养价值得到有效改善。

    液相色谱-串联质谱法同时测定饲用血液制品中 18种β-受体激动剂
    索德成,魏书林,肖志明,王培龙,王瑞国,李阳
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4613-4623.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.015
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    【背景】饲用血液制品是一种非常规动物源性饲料原料,由家畜或家禽的血液凝成块后经高温蒸煮,压除汁液、晾晒、烘干后粉碎而成,主要用于畜牧养殖。但由于动物养殖过程中存在非法使用β-受体激动剂的现象,一些含有β-受体激动剂的血液制成饲用血液制品可能成为对人类健康潜在的危害源头。为了降低安全风险,研究饲用血液制品中β-受体激动剂的方法是十分必要的。β-受体激动剂检测方法主要有酶联免疫吸附分析(ELISA)法、高效液相色谱(HPLC)法、气质联用(GC-MS)法和液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)法等。目前所有方法或标准大多针对商业成品饲料或动物源性食品,缺乏对饲用血液制品中β-受体激动剂的检测技术进行相关的研究。【目的】为了研究和监控饲用血液制品中β-受体激动剂的情况,研究建立了固相萃取结合液相色谱-串联质谱检测饲用血液制品中18种β-受体激动剂的方法。【方法】称取2 g(精确至0.01 g)血液制品样品于50 mL离心管中,准确加入20 mL乙酸铵提取液(pH=5.2)和50 μLβ-葡萄糖苷酸酶/芳基硫酸酯酶,漩涡混合均匀,于37 ℃水解过夜(应大于16h),然后8 000 r/min离心5 min,取5 mL上清液转移至另一离心管中,加入0.5mL 高氯酸溶液,漩涡混合30 s, 然后于8 000r/min离心5min,上清液备用。PCX固相萃取小柱依次用3 mL甲醇,3 mL水活化。取上清液过柱,用3 mL水和3 mL甲醇淋洗,抽干,用3 mL氨水甲醇溶液洗脱,洗脱液于50 ℃氮气吹至近干,用1.0 mL 0.1%甲酸水+乙腈溶液(95+5)溶解,过0.22 μm滤膜。进Waters TQ液相色谱串联质谱仪检测,使用ACQUITY UPLC BEH C18(100 mm,2.1 mm,1.7μm) 色谱柱。乙腈和0.1%甲酸溶液做流动相,梯度洗脱。质谱电离方式采用电子喷雾离子源,正离子检测方式,多反应监测(HRM)。喷雾电压为3.5 kV;雾化气温度为480℃;源温度为150℃;雾化气流速为600L·h -1;锥孔气流速为5 L·h -1。脱溶剂气、锥孔气、碰撞气均为高纯氮气。【结果】18种β-受体激动剂在5—100μg·L -1呈良好的线性关系,相关系数在0.99—0.999之间。在血粉、血浆蛋白粉、血球蛋白粉三种基质中在5、10 和50 μg·kg -1三个添加水平上的平均回收率为65.1%—110%之间,相对标准偏差小于15%,批间变异系数小于20%。检出限为低于5ng·g -1。【结论】从方法回收率、精密度结果及实际样品的检测结果来看,该方法适用于血液制品中β-受体激动剂的监测。

    KDM1A在牦牛卵泡发育过程中的表达
    黄向月,熊显荣,韩杰,杨显英,王艳,王斌,李键
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4624-4631.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.016
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    【目的】分析牦牛卵泡发育过程中组蛋白赖氨酸脱甲基酶1(lysine-specific histone demethylase 1A,KDM1A)基因的表达谱,探讨KDM1A对牦牛卵泡发育和卵母细胞成熟的影响。【方法】以牦牛卵泡为研究对象,根据卵泡直径的大小,将卵泡分为3组:大(6.0—9.0 mm)、中(3.0—5.9 mm)、小(1.0—2.9 mm)卵泡,收集各组别卵泡中卵丘-卵母细胞复合体(cumulus-oocyte complex, COCs)进行体外培养,对不同发育阶段卵泡中卵母细胞的体外成熟率进行统计并分析;分别提取各组卵泡卵母细胞及壁层颗粒细胞总RNA,通过实时荧光定量PCR(quantitative real-time RCR, RT-qPCR)方法,检测KDM1A基因在不同发育阶段的卵泡中mRNA相对表达量的变化;采用免疫组织化学技术检测KDM1A在牦牛卵泡发育过程中的细胞定位及表达规律,并结合体外成熟与RT-qPCR结果进行关联性分析。【结果】各组卵母细胞体外成熟率与卵泡直径的大小呈显著正相关关系,其伴随卵泡发育的进行呈明显的上升趋势,其中大、中、小卵泡组的体外成熟率依次分别为90.53 %、88.10 %、55.14 %。RT-qPCR结果显示,KDM1A基因在牦牛卵泡发育过程中均有表达,且不同发育阶段的mRNA表达水平差异显著,其中大、中卵泡时期的卵母细胞中的mRNA相对表达量显著低于小卵泡时期(P < 0.05),而在小卵泡时期的壁层颗粒细胞中的相对表达量极显著低于大、中卵泡时期 (P < 0.01),在大、中卵泡时期的卵母细胞及壁层颗粒细胞中该基因mRNA表达水平均无差异(P > 0.05)。免疫组织化学研究发现KDM1A在大、中、小卵泡壁层颗粒细胞以及膜细胞中均表达,其蛋白表达趋势与RT-qPCR结果吻合,即随着发育时间的进行KDM1A表达水平呈上升趋势,其中在大卵泡时期KDM1A的表达量最高。【结论】在牦牛不同发育时期卵泡的卵母细胞及壁层颗粒细胞中KDM1A mRNA及蛋白的表达水平呈动态变化,提示KDM1A在卵泡发育及卵母细胞成熟过程中发挥重要作用。这可能与卵母细胞的减数分裂及颗粒细胞的增殖分化有关,本研究为进一步研究该基因在牦牛卵母细胞减数分裂过程中的作用机制提供基础数据。

    研究简报
    现代月季品种表型性状分析与评价
    过聪,关伟,曾祥国,张庆华,向发云,宋粤君,韩永超
    中国农业科学. 2019, 52(24):  4632-4646.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.24.017
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    【目的】通过分析60个现代月季(Rosa spp.)品种的11个表型性状指标,探明各表型性状在月季品种中的变异规律、遗传多样性特点以及性状间的相互关系,通过主成分分析法筛选最优的评价指标和算法,为月季品种合理聚类提供参考。【方法】以田间栽培的60个现代月季品种的11个表型性状为研究对象,用SPSS19.0和Microsoft Excel 2007软件分析各性状数据在月季品种中的变异指数与Shannon-Wiener遗传多样性指数,并对各性状进行相关性分析及主成分分析,并计算主成分综合得分与各主成分得分,利用得分结果为各月季品种分组。【结果】表型性状统计结果显示,供试月季资源以直立型和扩张型灌木为主,分别占总资源的53%和35%;月季成熟叶片的小叶数以5片为主,占总资源的68%。60个月季品种的平均全叶长11.6 cm,顶小叶宽3.2 cm,节间距长3.6 cm,花朵平均直径7.6 cm,各数量指标的品种间变异系数范围在21%—25%,变异幅度不大。月季花色以纯色为主,占总数的82%,其中紫色、黄色居多;能抽生多花头持续开花的品种占总数的65%,花朵形状以包子型和杯型为主,分别占总资源的33%和32%。月季花朵衰老时的主要方式为花朵落瓣和枝头枯萎,分别占总资源的47%和43%。各指标的遗传多样性系数变化范围在0.62—3.73,其中有8个性状的多样性指数在1以上,最高为全叶长,最低为小叶数。定性性状中花色的遗传多样性系数最高。月季品种的全叶长与顶小叶宽,节间距与全叶长、顶小叶宽成极显著正相关,花头数与节间距成极显著负相关;月季花朵衰老方式与株形显著正相关,花头数与小叶数、花型成显著正相关,与花朵直径显著负相关。主成分分析结果表明,11个表型指标可以简化为4个主成分因子,各主成分因子分别主要代表叶型、花型、花头数、花瓣数及花朵衰老方式等指标变量。此4个主成分方差贡献率达63.28%,其中第一主成分方差贡献率达21.1%。基于主成分综合得分和各主成分得分对60个月季品种进行聚类分组,各品种主成分综合得分范围为-1.878—1.522,根据得分可以将月季品种划分成4个群组,各群组分别由8、36、15、1个品种代表,各群组均体现了月季品种在田间的综合表现。【结论】现代月季花色和叶部性状指标丰富多样,部分花形态指标与叶形态或生长形态显著相关,这些结论有助于推进月季育种和筛选应用。研究中筛选出的4个主成分指标以及品种聚类为保存和应用现有月季资源提供了理论依据。