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    2020年 第53卷 第22期 刊出日期:2020-11-16
      
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    中国农业科学. 2020, 53(22):  0. 
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    作物遗传育种·种质资源·分子遗传学
    玉米骨干自交系京2416杂种优势及遗传重组解析
    赵久然, 李春辉, 宋伟, 刘新香, 王元东, 张如养, 王继东, 孙轩, 王夏青
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4527-4536.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.001
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    【目的】 玉米骨干自交系京2416是以(京24×5237)×京24构建基础选系群体,利用高大严及同群优系聚合等选系技术选育的优良黄改群自交系。以其为父本育成的审定品种已有20多个,其中代表性品种京农科728,突破了黄淮海夏玉米籽粒机收技术瓶颈,成为中国首批通过国家审定的机收籽粒品种。通过分析京2416与X群种质的杂种优势,及其形成过程中的重组事件和黄早四基因组片段传递规律,解析京2416形成的遗传机制,以期为黄改系的进一步遗传改良提供参考。【方法】 选用黄早四、京2416及其2个选系亲本(京24和5237)为材料,与5份X群代表性自交系根据NCII遗传设计组配杂交组合,利用F1产量相关性状单穗粒重的中亲优势、超高亲优势值和配合力效应值评估4份黄改系的杂种优势。对4份黄改系及5份X群自交系进行测序深度约为18×的全基因组重测序,用BWA、GATK等软件进行序列比对和变异检测,基于获得的SNP和InDel标记信息,利用GCTA和Treebest软件进行主成分分析和系统发生树构建,同源传递片段(identity-by-descent,IBD)使用IBDseq软件识别。【结果】 通过比较分析黄早四、京2416、京24、5237与5份X群代表系所配杂交组合的F1产量相关性状发现,与其他3份材料(黄改系京24、5237和黄早四)相比,京2416具有更高的超高亲优势和一般配合力。基于全基因组重测序数据,分析重现了京2416形成过程中的重组事件,明确京2416的基因组组成,选系亲本京24和5237在京2416基因组中保留的比例分别为80.96%和19.04%。利用基因组测序数据解析从黄早四到京2416的IBD片段,结果表明,京2416从京24和5237 2个选系亲本中聚合了全部的9个重要黄改系特征性选择区域。【结论】 骨干自交系京2416在遗传改良过程中,通过染色体重组聚合选系亲本京24和5237所有的9个重要黄改系特征性选择区域,从分子水平解释了京2416与X群代表系表现出更高配合力的遗传基础。
    陆地棉GhWRKY33的克隆及抗旱功能分析
    魏鑫, 王寒涛, 魏恒玲, 付小康, 马亮, 芦建华, 王省芬, 喻树迅
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4537-4549.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.002
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    【目的】 通过克隆陆地棉GhWRKY33并研究其抗旱功能,为棉花抗旱机制解析及分子育种奠定基础。【方法】 利用同源克隆的方法从陆地棉中棉所10号中克隆GhWRKY33的开放读码框(open reading frame,ORF),并进行生物信息学分析,分析该基因的二级结构、亲疏水性,预测磷酸化位点和启动子区域的顺式作用元件,在NCBI中通过BLASTP检索同源性高的蛋白序列进行序列比对并构建系统发育树;构建35S::GhWRKY33-GFP融合表达载体,通过农杆菌介导注射烟草叶片,观察荧光信号;利用qRT-PCR检测基因的组织表达特异性,以及干旱、ABA、JA、ET处理下的基因表达模式;构建GhWRKY33过表达载体并转化拟南芥,利用20% PEG6000对野生型和T3代转基因拟南芥进行干旱处理,观察处理后野生型和转基因拟南芥的表型,并测定脯氨酸和丙二醛含量等生理生化指标,分析目的基因与干旱响应基因AtP5CSAtRD29AAtCOR15A的表达水平。【结果】 从陆地棉品种中棉所10号克隆获得GhWRKY33的ORF全长为1 533 bp,编码一个含510个氨基酸残基的蛋白,含有2个WRKY保守结构域和2个C2H2型锌指结构,属于第Ⅰ类WRKY转录因子家族;二级结构预测其编码的蛋白主要由无规则卷曲构成,含有26个苏氨酸磷酸化位点,推测可能与磷酸化有密切的关系,亲疏水性预测表明该蛋白属于亲水性蛋白;系统发育树分析显示该蛋白与GrWRKY33同源性最高。亚细胞定位将GhWRKY33定位于细胞核。qRT-PCR显示该基因具有明显的组织表达特异性,在棉花顶芽的表达量最高;干旱、ABA、JA、ET处理后,基因的表达量明显上升。干旱胁迫后,与野生型相比,转基因拟南芥的抗旱性水平明显提高,植株萎蔫程度较轻,其脯氨酸含量显著升高,丙二醛含量显著降低,且目的基因与干旱响应基因AtP5CSAtRD29AAtCOR15A的表达水平均明显提高,表明PEG诱导了该基因的表达,进而调控了干旱响应基因表达上调,使转基因拟南芥表现出对干旱胁迫的抗性。【结论】 GhWRKY33响应干旱胁迫,过表达后能明显提高转基因拟南芥的抗旱性。
    耕作栽培·生理生化·农业信息技术
    不同栽培模式对夏玉米冠层结构及光合性能的影响
    李静,王洪章,许佳诣,刘鹏,张吉旺,赵斌,任佰朝
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4550-4560.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.003
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    【目的】比较研究夏玉米不同栽培模式群体冠层特性、穗位叶叶绿体结构及光合性能的差异,阐明栽培模式对上述指标的调控效应,为进一步构建高效冠层结构的夏玉米高产栽培模式提供理论依据。【方法】本试验于2018—2019年在山东泰安进行,以登海605为供试品种,以当地农户栽培管理模式(FP)为对照,通过综合优化种植密度、肥料运筹和种植方式等设置超高产栽培模式(SH)、高产高效栽培模式(HH)2种优化管理模式,比较3种栽培管理模式夏玉米冠层结构、穗位叶叶绿体结构及净光合速率的差异。【结果】与FP模式相比,SH、HH模式群体上层叶片茎叶夹角小、叶向值大,中、下层叶片发育较好,叶面积指数高及高值持续期长,中部叶层光能截获率显著提高21.64%和12.63%,形成了适宜的群体冠层结构。SH、HH模式的叶绿体结构发育良好,而FP发育相对较差。SH和HH模式下穗位叶叶绿体中类囊体发育良好且数目较多,基粒片层和基质片层排列整齐、清晰,细胞内膜结构完整;FP的叶绿体中类囊体发育相对较差,发育不完全的类囊体占比较大,基质片层模糊且排列不整齐。吐丝期穗位叶净光合速率表现为SH>HH>FP,干物质积累量及产量也表现出相同的趋势,SH和HH模式较FP模式分别增产14.20%和4.91%。【结论】相比于FP模式,SH、HH模式产量提高的原因是优化了夏玉米群体冠层结构,保证了叶绿体结构的完整性,显著提高了叶片光合能力。与SH模式相比,HH模式减少了肥料施用量,其群体结构合理且叶片发育良好,是更有助于利用光能的栽培模式。
    不同磷敏感棉花品种临界磷浓度稀释模型与磷营养诊断
    庞保刚,曹楠,周治国,赵文青
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4561-6130.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.004
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    【目的】 建立不同磷敏感性棉花品种临界磷浓度稀释模型,并基于模型确定磷营养指数,为实现棉花合理施用磷肥提供理论依据。【方法】 以磷敏感型棉花品种鲁54和磷弱敏感型品种豫早棉9110为试验材料,于2017—2018年在江苏省大丰市稻麦原种场设置施磷量(0、50、100、150、200 kg P2O5·hm -2)试验,分析施磷量对棉花干物质累积、磷浓度动态变化和籽棉产量及产量构成的影响。利用2017年棉花地上部生物量和磷浓度数据分别建立2个品种临界磷浓度稀释模型,确定磷营养指数(phosphorus nutrition index,PNI)。利用2018年数据对模型进行验证,并通过2年数据研究磷营养指数和相对地上部生物量之间的关系。 【结果】 施磷量对铃重没有显著影响,但150、200 kg P2O5·hm -2施磷量下棉花铃数和籽棉产量显著增加。随施磷量的增加,磷敏感型棉花品种鲁54铃数增加幅度为16.0%—37.9%,籽棉产量增加幅度为16.6%—44.9%,均分别高于磷弱敏感性棉花品种豫早棉9110铃数(6.3%—32.6%)和籽棉产量(6.6%—35.6%)的增加幅度。随生育进程的推进,棉花地上部磷浓度逐渐降低,地上部生物量呈升高趋势。在各取样时期,棉花地上部生物量、磷浓度均随施磷量的增加而升高,表现为0<50<100<150≈200 kg P2O5·hm -2。根据2017年地上部生物量和磷浓度的关系,分别建立了2个品种的临界磷稀释曲线模型(鲁54:Pc=0.784W -0.221,豫早棉 9110:Pc=0.774W -0.198)。2个稀释曲线模型的RMSE分别为0.1296、0.1383;n-RMSE分别为17.8504%、18.5447%,说明模型有较好的稳定性,且鲁54的模型稳定性略高于豫早棉9110。与豫早棉9110的模型参数相比,鲁54的参数a、b分别提高了1.29%、11.62%。基于临界磷浓度稀释曲线的PNI随生育进程的推移先升高后下降,在同一取样时期,PNI随施磷量的增加而升高。PNI与相对地上部生物量显著正相关。 【结论】 施磷对铃重没有显著影响,但显著提高棉花铃数,进而提高了棉花籽棉产量。磷敏感棉花品种鲁54每积累单位干物质时磷浓度下降速度大于豫早棉9110。棉花临界磷浓度稀释曲线和PNI可以很好地诊断和评价棉株磷素营养状况。综合考虑棉花籽棉产量及PNI,150 kg P2O5·hm -2的施磷量为本地区棉花适宜施磷量。
    植物保护
    低温诱导稻曲病菌菌核形成的转录组学分析
    吕楚阳,邓平川,张晓丽,孙钰超,梁五生,胡东维
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4571-4583.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.005
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    【目的】近40年来,稻曲病在世界各主要水稻栽培区均表现出发生规模不断扩大、严重程度不断增加的趋势,并逐渐发展成为水稻主要病害之一。前期对低温诱导初期的稻曲球进行切片,发现稻曲球内含有大量隐含菌核。本研究通过转录组高通量测序鉴定低温诱导稻曲病菌(Villosiclava virens)菌核形成的潜在调控基因,阐释菌核形成的分子机制,为揭示稻曲病发生规律及有效防治打下基础。【方法】利用高通量测序技术,对低温诱导处理的稻曲球进行转录组测序(对照组:TL911_1、TL911_2、TL911_3;低温处理组:FH1016_1、FH1016_2、FH1016_3)。以稻曲病菌基因组(UV-8b)作为参考基因组进行序列比对,利用FPKM法计算基因表达量,设定参数(|log2 fold change|≥1且q-value≤0.05)筛选差异表达基因。结合基因差异表达分析、基因家族分析和富集分析(Gene Ontology/KEGG Pathway),鉴定稻曲病菌菌核形成关键基因,并利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术对其表达量进行验证。【结果】转录组测序共获得59.78 G高质量数据,其中,近93.2%的数据能够比对到稻曲病菌基因组。数据分析共鉴定到8 426个基因存在不同程度表达,占总体基因的97.13%。与对照相比,低温处理可诱导793个基因显著差异表达,分别有398和395个基因表现为上调、下调表达,随机挑选6个基因进行qRT-PCR验证,试验结果与转录组分析一致。在差异表达基因中,共注释到180个(22.7%)基因家族,其中61.67%的基因家族表现为上调表达,主要包括MFS转运蛋白、糖转运蛋白、锌指转录因子等。GO富集分析发现,差异表达基因显著富集于碳水化合物代谢、氧化还原过程、氧化还原酶活性等。KEGG分析发现,差异表达基因显著富集于次生代谢产物生物合成、淀粉蔗糖代谢、糖酵解/糖异生等代谢通路,暗示营养物质代谢和能量代谢途径相关基因表达对于低温诱导菌核形成至关重要。【结论】低温可诱导稻曲病菌菌核形成。低温使机体内部处于氧化应激状态,可通过信号转导途径放大,该过程由多个基因参与并调控多个基因家族成员,最终促使跨膜运输、细胞形态、生物合成等基因的上调表达,使得在形成菌核过程中蛋白表达活跃,达到合成细胞及物质的高峰期,进而促进菌核形成。
    红橘响应褐斑病菌侵染的转录组学分析
    唐科志,周常勇
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4584-4600.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.006
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    【目的】 明确红橘(Citrus reticulata Blanco, cv. Hongjv)接种褐斑病致病菌——链格孢菌橘致病型(Alternaria alternata tangerine pathotype)后基因种类和表达量在转录水平的变化规律,确定红橘响应该致病型侵染的关键基因。【方法】 采用链格孢菌橘致病型接种红橘离体叶片,28 h后选取感病叶片和未接种叶片提取RNA,进行转录组高通量测序,然后利用生物信息学分析,以甜橙基因组为参考,以|log2 fold change|≥1,q-value≤0.01为阈值选取感病和健康红橘叶片转录组的差异表达基因,应用GO数据库对差异表达基因(differentially expressed gene,DEG)进行功能分类,KEGG分析代谢途径,MapMan软件分析生物胁迫信号通路相关基因的表达变化。采用qRT-PCR方法对测序结果进行验证。【结果】 红橘接种链格孢菌橘致病型28 h后产生大量与胁迫相关的差异表达基因,获得上调差异基因5 173个,下调差异基因6 555个。GO功能分类显示差异基因主要与蛋白结合、膜、氧化还原过程等相关。通过KEGG富集和MapMan软件分析发现,红橘在受链格孢菌橘致病型胁迫的过程中基础代谢被严重破坏。乙烯、水杨酸和生长素等寄主防御相关的植物激素信号转导途径多个基因表达出现差异,其中乙烯起主导作用,乙烯受体ETR 3个成员被不同程度激活,下游激酶和乙烯响应因子均上调,生长素大部分关键信号基因、绝大部分生长素响应因子ARF和水杨酸合成途径的基因均下调表达。同时,黄酮醇、花青素、萜类化合物和生物碱合成相关基因受该菌诱导显著变化,萜类合成中大部分基因下调,而黄酮类合成相关上调基因数量和表达趋势均强于表达下调基因,有抗虫和抑菌作用的硫代葡萄糖苷基因呈上调趋势。进一步研究发现,大量参与抗逆过程的转录因子如WRKY、bZIP、ERF、MYB、NAC被诱导激活,其中大部分WRKY和bZIP转录因子受该菌正向调控,超过50%的ERF家族基因表达上调;在转录因子调控下,PTI及ETI响应基因如受体激酶、R蛋白、NBS抗病蛋白等大量表达,多个PR家族抗菌蛋白基因上调表达,22个抗氧化保护酶系统POD成员基因受到活性氧信号激发大量表达。以上结果表明链格孢菌橘致病型侵染对寄主内部生理状态产生显著影响。选取了19个与植物抗病相关基因进行qRT-PCR分析,其基因表达趋势与测序数据一致。【结论】 获得了红橘响应链格孢菌橘致病型侵染的差异表达基因及显著上调表达基因,其主要富集于代谢过程、应激反应及转录调控等条目中,这些基因的相互协同调控是红橘对该致病型产生防御反应的重要机制。
    非洲哈茨木霉产抑菌挥发性有机物碳源代谢机制
    陈敬师,黄玉洋,向杰,郭清华,李世贵,顾金刚
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4601-4612.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.007
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    【目的】 获得生防菌非洲哈茨木霉(Trichoderma afroharzianum)ACCC 33109高产抑菌挥发性有机物的突变菌株,并分析其碳源代谢以挖掘高产抑菌挥发性有机物的机制。【方法】 通过原生质体紫外诱变野生株ACCC 33109获得突变株,以对扣法筛选挥发性有机物抑制尖镰孢(Fusarium oxysporum)活性差异大的突变菌株,利用Omnilog表型芯片技术比较野生株ACCC 33109和突变株MU153、MU792对不同种类碳源代谢的差异特征。【结果】 野生株ACCC 33109经紫外线诱变2.0 min(致死率为76.63%)共获得828个突变株,对扣法筛选获得30个挥发性有机物对尖镰孢抑制率高于野生株的突变株,其中突变株MU153抑菌率高达53.86%,较野生株提高了16.68%,而突变株MU792的抑菌率降至15.83%。盆栽试验表明非洲哈茨木霉ACCC 33109和MU153菌株均对黄瓜具有促生作用,对黄瓜枯萎病有防治作用,与野生株ACCC 33109相比,突变株MU153对黄瓜枯萎病的相对防治效果提高了15.88%,相对于清水对照,防病效果高达89.69%。另外,紫外诱变导致突变株的菌落、菌丝、分生孢子梗和孢子形态发生了变化,相对于ACCC 33109,MU153菌丝变为絮状、生长速度快、密度大、并有色素产生,而MU792菌丝生长速度慢、密度低、菌落后期由绿色变为白色;突变株MU153和MU792分生孢子梗增大、孢子变大,且分生孢子梗基部宽度降低。紫外诱变引起突变株对碳源代谢能力的改变,相对于ACCC 33109,MU153对FF板中46种物质的代谢能力较高,包括D-阿拉伯醇、二胺乙醇、麦芽糖、熊果苷、纤维二糖和α-D-葡萄糖等,对其他50种物质的代谢能力低于ACCC 33109,包括对羟基苯乙酸、琥珀酸、琥珀酰胺酸、糖原、溴代丁二酸和L-苏氨酸等。MU792对FF板中27种物质的代谢能力较高,包括γ-羟丁酸、葡萄糖-1磷酸、β-羟丁酸、D-乳酸甲酯、D-山梨醇和丙酰胺等,对其他69种物质的代谢能力低于ACCC 33109,包括琥珀酰胺酸、N-乙酰-D-葡萄糖胺、对羟基苯乙酸、葵二酸、吐温-80和D-糖质酸。α-D-葡萄糖最利于抑菌挥发性有机物的产生,以α-D-葡萄糖为碳源时,ACCC 33109、MU153和MU792的挥发性有机物对尖镰孢的抑菌率依次为48.08%、56.17%和40.94%。【结论】 非洲哈茨木霉突变株MU153具有高产抑菌挥发性有机物的能力,以α-D-葡萄糖为碳源时抑菌效果更佳,是一株具有应用潜力的生防菌。
    土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境
    秸秆还田量对黑土区土壤及团聚体有机碳变化特征和 固碳效率的影响
    高洪军,彭畅,张秀芝,李强,朱平,王立春
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4613-4622.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.008
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    【目的】 探讨不同秸秆还田量下土壤及团聚体有机碳的变化特征,阐明土壤及团聚体有机碳储量变化对外源有机碳累积投入的响应关系,揭示黑钙土土壤及团聚体固碳效应和土壤有机碳定量提升机理。【方法】 于 2012 年4月在吉林省农安县玉米主产区设置了玉米秸秆还田量田间定位试验,共设计4个处理:秸秆还田量0(SA0)、秸秆还田量4 500 kg·hm -2(SA300)、秸秆还田量9 000 kg·hm -2(SA600)、秸秆还田量13 500 kg·hm -2(SA900)。利用多年试验土壤有机碳储量与外源有机碳投入的数据分析其量化关系和固碳效率。通过湿筛法筛分>2 mm、2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和<0.053 mm粒级团聚体,分析不同粒级团聚体有机碳储量变化特征及固碳效应。 【结果】 长期秸秆还田能显著提高土壤有机碳含量,秸秆还田SA600和SA900两处理土壤有机碳含量均显著高于秸秆不还田(SAO)、低量秸秆还田(SA300)(P<0.05),并且后3年SA900和SA600两处理土壤有机碳含量差异达显著水平。2015—2018年间,SA900处理土壤有机碳较SA0处理分别依次提高了11.0%、15.8%、17.2%、23.1%。土壤总有机碳储量与外源有机碳输入呈极显著正线性相关关系(P<0.01),其中土壤总固碳效率为12.9%。与秸秆不还田(SA0)相比,秸秆还田SA600和SA900两处理均显著提高了各粒级团聚体有机碳含量(P<0.05),尤其是对大团聚体(>0.25 mm)有机碳含量增加贡献更大。高量秸秆还田(SA900)处理的>2 mm和2—0.25 mm粒级团聚体有机碳储量较秸秆不还田(SA0)处理分别提高了45.5%和47.7%。除<0.053 mm团聚体外,其他粒级土壤团聚体有机碳储量增加量与累积碳投入量增加量呈显著正线性相关关系(P<0.05);大粒级团聚体固碳效率显著高于小粒级团聚体,>2 mm 和2—0.25 mm粒级团聚体固碳效率分别为4.9%和13.6%。依据秸秆还田下土壤固碳效率,预测未来10年内土壤有机碳储量要提升10%、20%、30%,每年需额外分别投入风干玉米秸秆约5.99、11.98、17.97 t·hm -2。 【结论】 玉米秸秆还田能显著促进黑钙土土壤及团聚体有机碳累积,并且土壤有机碳含量均随秸秆还田量和试验年限的延长而增加,有机碳主要集中固持在大团聚体中。表明秸秆还田是黑土区土壤肥力提升的重要培育措施,大团聚体有机碳可作为评价土壤有机碳变化对不同土壤培肥措施快速响应的重要指标之一。

    赤红壤蔗区11年连续增量施磷下磷素演变及其 对甘蔗产量与磷流失的影响
    区惠平,周柳强,黄金生,谢如林,朱晓晖,彭嘉宇,曾艳,莫宗标,谭宏伟,叶盛勤
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4623-4633.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.009
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    【目的】 系统分析连续11年增量施磷下赤红壤蔗地土壤全磷、Olsen-P以及地表径流磷流失量的变化特征和土壤磷素变化与磷盈亏、蔗茎产量的响应关系,为土壤磷素科学管理提供参考。【方法】 依托长期肥力及地表径流定位监测试验(2008年—),选取不施肥(CK)、推荐施肥(OPT)和增量施磷(OPT+P)3个处理,测定土壤全磷、Olsen-P含量及地表径流磷流失量,分析土壤磷素变化与磷累积盈亏量的关系,采用Mitscherlich模型拟合蔗茎产量对Olsen-P的响应曲线,计算土壤Olsen-P农学阈值,并推算施肥处理土壤Olsen-P含量从第11年降至环境阈值所需的时间。【结果】 CK处理逐年降低土壤全磷含量,年降速率为0.0251 g·kg -1·a -1。施肥土壤全磷和Olsen-P含量随种植年限波动增加,土壤全磷和Olsen-P增速率OPT+P处理高于OPT处理。不施肥土壤表观磷盈亏10.2 kg·hm -2·a -1,施肥处理土壤表观磷盈余41.3—69.2 kg·hm -2·a -1,占施磷量的31.9%—35.6%,以OPT+P处理显著高于OPT处理67.5%。施肥下赤红壤蔗区土壤全磷和Olsen-P变化量均与土壤累积磷盈亏量呈显著正相关关系(P<0.01),土壤每累积盈余100 kg P·hm -2,OPT处理和OPT+P处理土壤全磷上升0.06 g·kg -1和0.09 g·kg -1,Olsen-P 含量上升11.0 mg·kg -1和9.1 mg·kg -1。土壤每累积亏缺100 kg P·hm -2,CK处理土壤全磷下降0.32 g·kg -1。Mitscherlich模型较好地拟合蔗茎产量与赤红壤Olsen-P含量的响应关系(P<0.01)。其计算出的土壤Olsen-P 农学阈值为12.1 mg·kg -1。施肥显著提高地表径流磷流失量,且OPT+P处理也显著高于OPT处理。地表径流磷流失量与土壤Olsen-P含量显著正相关。基于土壤磷素变化与累积磷盈亏的关系推算得出第11年OPT和OPT+P处理Olsen-P水平降至环境阈值的时间分别需要12年和16年。 【结论】 在南方赤红壤区,施肥尤其增量施磷在提高土壤磷素累积的同时增加了地表径流磷流失风险。在本试验磷的基础养分条件下,按OPT处理施磷,并从甘蔗种植的第2—3年实行隔年施磷可维持土壤磷素处于农学阈值与环境阈值之间。
    生物炭与无机氮配施对稻田温室气体排放及氮肥利用率的影响
    向伟,王雷,刘天奇,李诗豪,翟中兵,李成芳
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4634-4645.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.010
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    【目的】生物炭作为比表面积大、富含有多种营养元素的一种物质已被广泛应用于农业生产。弄清生物炭与化肥氮配合施用对稻田温室气体排放和氮肥利用率的综合影响,为合理使用生物炭提供科学依据。【方法】在武穴市花桥镇进行两年大田试验,设置4个处理,即不施氮肥(CK)、常规施氮(180 kg·hm -2)(IF)、常规施氮+10 t·hm -2生物炭(IF+C)、减氮30%+10 t·hm -2生物炭(RIF+C)。采用静态箱-气相色谱法对2018和2019年水稻生长季节稻田CH4和N2O排放通量进行监测,并测定水稻产量,探讨生物炭配施不同量无机氮对稻田CH4和N2O排放、水稻产量以及氮肥利用率的影响。【结果】(1)稻季CH4和N2O排放呈现明显的季节性变化规律。CH4排放峰值主要出现在分蘖期和齐穗期,N2O排放峰值主要出现在氮肥施用和排水后。2018和2019年稻季各处理CH4排放通量分别为0.01—48.97 mg·m -2·h -1和0.36—18.08 mg·m -2·h -1,N2O排放通量分别为-0.002—0.17 mg·m -2·h -1和0.01—0.28 mg·m -2·h -1。2018年各处理CH4和N2O的平均排放通量分别为6.17—7.16 mg·m -2·h -1和0.02—0.04 mg·m -2·h -1,2019年的分别为5.16—5.83 mg·m -2·h -1和0.05—0.08 mg·m -2·h -1。(2)与CK相比,无机氮肥的施用对CH4排放没有影响,但显著提高了N2O排放,增幅为32.6%—113.0%。与IF处理相比,生物炭与无机氮配施(IF+C、RIF+C)显著降低N2O排放,在2018年降幅为33.4%—43.1%,2019年为37.0%—39.5%,但对CH4排放的影响不显著,因此对全球增温潜势的影响不显著。生物炭与无机氮配施处理IF+C与RIF+C间CH4和N2O排放差异不显著。CH4排放是综合增温潜势(GWP)的主要贡献者,对GWP的贡献达84.4%—95.2%。(3)氮肥施用显著提高水稻产量,增幅达4.0%—6.0%。与IF处理相比,生物炭处理(IF+C、RIF+C)显著增加水稻产量,增幅达9.9%—11.9%。生物炭与无机氮配施处理IF+C与RIF+C间水稻产量差异不显著。与IF处理相比,IF+C、RIF+C处理氮肥利用率显著增加了7.7%—8.1%,且RIF+C的氮肥偏生产力两年分别增加了57.1%、52.3%。【结论】减氮30%配施生物炭能有效地降低稻田N2O排放、增加水稻产量、提高氮肥利用率,是一项可持续的农艺措施。但生物炭对稻田温室气体减排的效应还要进一步研究探讨。
    园艺
    无核葡萄离体胚珠发育影响因子及其生理变化
    李桂荣,全冉,程珊珊,侯小进,樊秀彩,扈惠灵
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4646-4657.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.011
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    【目的】 研究无核葡萄离体胚珠发育影响因素,为提高无核葡萄胚挽救育种效率提供技术参考。【方法】 选择‘红宝石’无核葡萄为材料,在自然授粉后65 d摘取葡萄幼果,消毒处理后,剥取胚珠接种到不同培养基上。研究不同培养基处理(4种不同的基本培养基、附加4种不同蔗糖含量,共计16个处理)和不同培养时间对胚珠发育率和生理指标的影响,并对胚珠发育率和不同生理指标进行相关分析。【结果】 在胚珠离体培养阶段,不同处理对胚珠发育率影响不同。采用固液双层基本培养基(改良MM3固体培养基+8 mg·L -1 ER液体培养基)、附加45 g·L -1蔗糖、培养49 d时,胚珠发育率最高,达到(42.23±6.93)%。不同处理对离体培养胚珠各生理指标影响不同。当培养时间相同、基本培养基为固液双层培养基时,胚珠淀粉含量变化差异不显著,而可溶性蛋白含量、总酚含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性均增加,过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)活性均降低;随着附加蔗糖含量的增加,胚珠淀粉含量变化差异不显著,而可溶性蛋白、总酚含量和SOD酶活性均出现先增加后下降的趋势,POD酶和PPO酶活性均出现逐渐升高的趋势。当培养基处理相同时,随着离体培养时间的延长,胚珠淀粉含量出现逐渐下降的趋势,可溶性蛋白含量、总酚含量和SOD酶活性均出现先增加后下降的趋势,POD酶和PPO酶活性均出现逐渐升高的趋势。相关分析发现,胚珠发育率与胚珠可溶性蛋白含量、总酚含量和SOD酶活性呈极显著正相关,与POD酶活性和PPO酶活性呈极显著负相关,与淀粉含量相关性不显著。 【结论】 采用固液双层基本培养基(改良MM3固体培养基+8 mg·L -1 ER液体培养基),附加45 g·L -1蔗糖,培养时间49 d时,胚珠发育率最高,离体培养的胚珠生理活性也较强。胚珠发育率与离体培养胚珠的可溶性蛋白含量、总酚含量和SOD酶活性呈极显著正相关,与POD酶活性和PPO酶活性呈极显著负相关。
    1-MCP和延迟冷藏对‘早红考密斯’梨货架期间品质 和软化相关基因表达的影响
    程玉豆,张亚光,关军锋,冯云霄,何近刚
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4658-4666.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.012
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    【目的】针对‘早红考密斯’梨因果肉软化和果实腐烂导致损耗严重等问题,通过分析1-MCP和延迟冷藏处理对‘早红考密斯’梨果实腐烂和货架期软化的影响,解析‘早红考密斯’梨中果实软化相关基因表达模式,旨在为延长‘早红考密斯’梨货架期提供新的理论依据。【方法】‘早红考密斯’梨经1.0 μL?L -1 1-甲基环丙烯(1-MCP)处理后,分别在(20±2)℃下放置0、3和6 d后再进行(0±0.5)℃冷藏。冷藏95 d后转入货架期((20±2)℃)分析果实品质变化,利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析多聚半乳糖醛酸酶基因(PG1PG2)、α-阿拉伯呋喃糖苷酶基因(ARF1ARF2)和β-半乳糖苷酶基因(GAL4)的表达模式。 【结果】延迟冷藏易导致‘早红考密斯’梨果实软化和腐烂,并且随着处理时间延长,果实腐烂率加剧;与空气密封处理后直接冷藏(CK)相比,1-MCP结合延迟冷藏处理能有效维持货架期果实硬度,抑制果实呼吸速率和乙烯生成速率,减少果实腐烂,保持果实品质,但随着延迟冷藏处理时间延长,果实货架期呼吸速率和乙烯生成速率增加,果实软化进程加快;1-MCP结合延迟冷藏处理可显著抑制果实软化相关基因PG1PG2ARF1ARF2GAL4等的表达,但随着延迟冷藏处理时间延长,这种抑制效果减弱。【结论】延迟冷藏易导致‘早红考密斯’梨腐烂,因此采后需尽快冷藏;1-MCP抑制软化和腐烂效果明显,结合延迟冷藏处理,在一定程度上有利于‘早红考密斯’梨冷藏后货架期果实软化;PG1PG2ARF1GAL4参与了‘早红考密斯’梨冷藏后货架期果实的软化过程。
    211份板栗种质资源花序表型多样性和聚类分析
    李颖,张树航,郭燕,张馨方,王广鹏
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4667-4682.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.013
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    【目的】 通过对10个省份(群体)211份中国板栗种质资源花序相关性状表型多样性和遗传特点的研究,进一步丰富中国板栗表型性状遗传多样性信息,挖掘优异基因材料,并为现有种质资源保护、利用、创新及遗传改良提供参考。【方法】 采用“板栗种质资源描述规范和数据标准”中提供的方法,对河北省农林科学院昌黎果树研究所板栗种质资源圃内211份中国板栗资源的15个花序相关表型性状进行系统调查,量化赋值后,使用SPSS 20.0软件进行遗传变异分析、Shannon-weaver指数多样性分析、相关性分析和主成分分析,采用MEGA 7.0进行聚类分析。【结果】 我国板栗资源花序相关性状具有丰富的表型多样性,平均变异系数和平均多样性指数分别为28.23%和1.70,其中每果枝雌花个数的变异系数最大为60.66,雄花序比例变异系数最小为7.37,序轴粗度比的多样性指数最高为1.99,每果枝两性花序个数、两性花序比例多样性指数最低为1.41。进一步分析发现不同地区板栗遗传变异和表型多样性存在差异,江苏群体变异程度最大,变异系数为35.53%;河北群体多样性水平最高,多样性指数1.86;安徽群体遗传变异和表型多样性水平均最低,变异系数和多样性指数分别为16.96%和0.95。测量性状中,除雄蕊长和序轴粗度比外,其余性状均为群体间差异显著,花序长、花轴粗、花簇密度、每果枝两性花序个数、两性花序比例、雄花序比例、每果枝雌花个数这7个性状,群体间差异极显著,不同地域间变异丰富,多样性程度高。相关性分析表明,花序形态性状内部间的相关性较明显,花序数量性状内部间的相关性较明显,但花序形态和花序数量间相关性不明显。主成分分析表明:前5个主成分反映了总信息量的84.18%,每果枝两性花序个数(0.931)、花序粗(0.912)、花序长粗比(-0.889)、花序长(0.864)、每果枝雌花个数(0.828)、雄花序比例(-0.821)、两性花序比例(0.820)、雄蕊长(0.806)8个性状的相关系数都在0.8以上,是板栗花序相关性状变异的主要因素。以第一主成分和第二主成分为标准,将211份资源分为5个类群,并筛选出9份两性花序数量多、雌雄比例高且高雌花量的板栗资源。聚类分析将211份资源分为8个类群,花相关表型性状变异相同的材料大多聚在一起,变异较大的类群和主成分分析结果相似。【结论】 中国板栗资源花序相关表型性状变异丰富,多样性程度高,地域间遗传变异和多样性程度不同,群体间性状差异显著。花序形态表型性状和花序数量表型性状内部的相关性较明显,但花序形态和花序数量间相关性不明显。筛选出8个性状可作为板栗花形和花量的综合评定指标,9个两性花序数量多、雌雄比例高且高雌花量的板栗资源可作为性别调控、改善产量的亲本材料。
    食品科学与工程
    pH和缓冲作用对香菇菌丝生长的影响
    段应策,胡姿仪,杨帆,李金涛,邬向丽,张瑞颖
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4683-4690.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.014
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    背景香菇是我国栽培规模最大的食用菌,随着栽培规模的不断扩大,栽培模式也在发生转变。菌棒的工厂化生产和液体菌种技术开始广泛应用,对栽培原料、生产工艺和培养条件的要求越来越高。pH是决定香菇菌丝生长和菌种质量的一个重要因素,香菇虽然能在pH 3.0—7.0的范围内生长,但香菇生长的最适pH以及培养料中的缓冲系统对菌丝生长的影响机制尚不清楚。【目的】检测香菇菌丝生长的最适pH,并分析培养料中的缓冲系统对菌丝生长的影响,为香菇生产提供理论依据。【方法】在PDA培养基上,利用HCL和NaOH调节pH,分析香菇生长的最适pH;利用GC-MS和HPLC检测木屑尤其是发酵酸化的木屑中有机酸的种类和含量,在PDA培养基上分别检测有机酸、有机酸钙及其缓冲液对香菇菌丝生长速度的影响;通过测定香菇菌丝生长代谢对PDA培养基pH的调节,最终揭示pH和缓冲作用抑制香菇菌丝生长的机制。【结果】香菇能够在pH 3.0—7.0的范围内生长,但生长最适pH为4.0。当培养基pH>4.0时,香菇菌丝生长过程中通过代谢降低培养基的pH,最终降低至4.0,以有利于菌丝的生长。当培养基pH>4.0,并且含有缓冲系统,阻碍香菇对培养基pH的调节时,则抑制香菇菌丝的生长。当缓冲作用达到一定的阈值,可完全抑制菌丝的生长,导致菌种不萌发,如25 mmol?L -1的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液在pH 6.0和7.0时可完全抑制香菇菌丝的萌发。【结论】香菇生长最适pH为4.0,当pH>4.0时,香菇菌丝通过代谢调节培养基pH,缓冲液通过阻碍菌丝对环境pH的调节而抑制菌丝生长。
    畜牧·兽医·资源昆虫
    母猪热应激敏感指标体系的研究进展
    袁雄坤,姜丽丽,陶诗煜,臧建军,王军军
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4691-4699.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.015
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    母猪由于其皮下脂肪厚、汗腺不发达等特点,在高温环境下容易发生热应激。有研究表明:热应激会改变其生理状态和血液生化成分等,降低母猪繁殖力,造成严重的经济损失。然而,目前针对母猪热应激敏感指标的研究总体较粗略、评价体系不全面;而且,母猪的耐热性受遗传、年龄和日粮等多种因素的影响,使得准确评价母猪热应激状态比较困难,成为制约母猪适宜环境参数研究的重要因素。笔者在系统总结母猪热应激研究的基础上,从表型、生理、生化、分子等不同层次探讨了相关指标对热应激的敏感程度及其作为母猪热应激评价指标的可行性,以期为生产中母猪热应激诊断及环境参数的优化奠定基础。总结发现:母猪热应激敏感指标有表皮温度、呼吸频率、直肠温度、血液和肝脏热休克蛋白70(HSP70)等;比较敏感的指标有:血中皮质醇(COR)、天门冬氨酸转移酶(AST)、丙氨酸转移酶(ALT)、肌酸激酶(CK)和乳酸脱氢酶(LDH)。其他指标如血清蛋白、血糖、血液免疫细胞、K +、Na +等随母猪热应激也有所变化,可作为辅助参考指标。其中,表皮温度、呼吸频率、直肠温度和HSP70水平可作为评价母猪长期热应激的指标。此外,尽管母猪热应激造成的行为变化相对滞后,但其测定成本低、对动物无应激,仍然具有一定价值。

    新疆褐牛与安格斯牛胴体及肉质性状及脂代谢相关基因表达差异比较
    陈俐静,陈卓,李娜,孙亚伟,李红波,宋雯雯,张杨,姚刚
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4700-4709.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.016
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    【目的】探明新疆褐牛与国外优良品种安格斯牛产肉性能及肉品质差异、体脂代谢相关基因及其产物表达的品种间的差异性。【方法】选择相同饲养管理条件下24月龄新疆褐牛和安格斯牛进行屠宰试验,测定其胴体性状和肉品质性状;采集背最长肌和皮下脂肪,采用石蜡切片技术观测脂肪组织和肌肉组织形态学差异;利用实时荧光定量PCR检测脂肪酸合成酶(fatty acid synthesase,FAS)、脂肪酸结合蛋白4(fatty acid-binding protein 4,FABP4)、激素敏感酯酶(hormone-sensitive lipase,HSL)、脂蛋白脂酶(lipoprotein lipase,LPL)和瘦素(Leptin,LEP)基因mRNA表达量;采用蛋白免疫印迹(Western blot)测定FAS、HSL、LPL蛋白表达水平。【结果】1)新疆褐牛净肉率极显著高于安格斯牛(P<0.01),而背膘厚度显著低于安格斯牛(P<0.05)。其余所测定的胴体性状相关指标均无品种间差异(P>0.05)。2)新疆褐牛肉色L*显著低于安格斯牛(P<0.05);新疆褐牛平均肌纤维直径和横截面积均显著大于安格斯牛(P<0.05);新疆褐牛皮下脂肪组织单位面积脂肪细胞个数极显著多于安格斯(P<0.01),其余所测定的肉品质性状相关指标均无品种间差异(P>0.05)。3)新疆褐牛与安格斯牛背最长肌和皮下脂肪FAS、FABP4、HSL、LPL、LEP等5个基因mRNA表达量均差异不显著(P>0.05);新疆褐牛背最长肌组织中FAS蛋白表达量极显著低于安格斯牛(P<0.01);HSL蛋白表达量显著低于安格斯牛(P<0.05);新疆褐牛皮下脂肪组织中HSL蛋白表达量显著低于安格斯牛(P<0.05)。【结论】研究发现新疆褐牛产肉性能较好;但安格斯牛肉色较亮,且嫩度较好,体肪沉积能力较强。两品种间脂代谢相关基因产物FAS和HSL蛋白差异可能与安格斯肉牛背膘厚度差异有关。
    研究简报
    栀子鲜花花水和鲜花细胞液气相和液相的成分分析
    徐晓俞,李爱萍,吴思逢,李程勋,郑开斌
    中国农业科学. 2020, 53(22):  4710-4726.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.017
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    【目的】 通过比较栀子鲜花花水和鲜花细胞液的成分差异,为栀子鲜花花水和鲜花细胞液品质评价以及栀子花功能产品开发提供科学指导。【方法】 利用顶空固相微萃取/气相色谱—质谱联用技术(HS-SPME/ GC-MS)分析栀子鲜花花水和鲜花细胞液中的香气成分,通过计算机谱库和人工谱图解析,对香气成分进行定性鉴定和定量分析;利用超高效液相色谱—质谱联用技术(UPLC-ESI-QTOF-MS/MS)分析栀子鲜花花水和鲜花细胞液的化学成分,通过数据库比对,对化学成分进行定性鉴定和定量分析。【结果】 栀子鲜花花水和鲜花细胞液中均含有大量的芳樟醇,相对含量分别达到63.00%和69.37%,栀子鲜花花水中检测出香气成分79种,鲜花细胞液中检测出香气成分56种,均含有醇类化合物、萜烯类化合物、酯类化合物、醛类化合物、酮类化合物、酚类化合物等8个种类的化合物。栀子鲜花花水和鲜花细胞液中醇类化合物和萜烯类化合物的相对含量总和分别达到72.00%和95.71%。栀子鲜花花水和鲜花细胞液在正、负离子模式下分别鉴定了200个、212个和46个、54个代谢成分,栀子鲜花花水和鲜花细胞液在正、负离子模式下均以生物碱类成分为主,正离子模式下生物碱类成分的相对含量分别达到47.10%和45.21%,负离子模式下分别为3.21%和13.45%。具有抗焦虑生理作用的生物碱类成分芥酸酰胺在栀子鲜花花水和鲜花细胞液中的相对含量最高。栀子鲜花花水中存在较多的抗菌、抗炎成分如双氢青蒿素、山茶皂苷元B、羟基积雪草苷以及双环孢素、塔罗霉素A等抗生素。【结论】 栀子鲜花细胞液较栀子鲜花花水具有充足的头香,但持香时间短,而栀子鲜花花水的香气成分较栀子鲜花细胞液丰富,具有良好的头香和底香,持香时间长。生物碱类成分是栀子花中的主要特征性物质,可作为评价指标用于栀子鲜花花水和鲜花细胞液的品质评价。