中国农业科学

耐热和热敏感水稻应答灌浆初期高温胁迫过程中的差异表达蛋白质鉴定

廖江林, 宋宇, 钟平安, 周会汶, 张宏玉, 黄英金

中国农业科学. 2014, 47(16): 3121-3131. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.001

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【目的】鉴定水稻籽粒应答灌浆初期高温胁迫过程中的差异表达蛋白质，并了解其生物学功能。【方法】以耐热水稻纯系XN0437T和热敏感水稻纯系XN0437S为材料，采用桶栽、常规栽培管理方法种植。为保证所取样品生长发育进程一致，在抽穗期标记同一天抽穗的稻穗、在扬花期标记这些稻穗中同一天开花的颖花（稻穗中、下部）。水稻于籽粒灌浆初期（花后第8—14天）移入人工气候箱进行高温（38.0±0.5）℃和常温（25.0±0.5）℃对照处理，处理时间设1、3和5 d；处理结束后，取同一天标记的颖花、采用TCA-丙酮沉淀法提取总蛋白质，用蛋白质双向电泳技术分离获得2个水稻纯系应答灌浆初期高温处理的籽粒蛋白质图谱，采用蛋白质图谱分析软件先分别比较两水稻纯系的处理及其平行对照的蛋白质图谱，确定水稻应答灌浆期高温胁迫中的丰度差异蛋白点，再比较水稻纯系XN0437T和XN0437S应答高温的丰度差异蛋白点，从而确定耐热和热敏感水稻应答高温胁迫的差异表达蛋白点；通过串联质谱分析和数据库搜索鉴定耐热和热敏感水稻应答灌浆初期高温的差异表达蛋白质并分析其涉及的生物学功能。【结果】水稻籽粒蛋白质图谱分析结果显示耐热和热敏感水稻应答灌浆初期高温胁迫过程中存在27个表达丰度相差2倍以上的蛋白点；质谱分析和数据库搜索获得25个差异表达蛋白质，其生物学功能主要涉及生物合成（10个蛋白质）、能量代谢（4个蛋白质）、氧化作用（7个蛋白质）、应激反应（3个蛋白质）和转录调控（1个蛋白质）等生物学过程。【结论】灌浆初期高温胁迫影响水稻籽粒中参与生物合成、能量代谢、氧化作用、应激反应和转录调控等生物学过程相关蛋白质的表达，这些蛋白质的表达模式因水稻基因型（耐热和热敏感水稻）不同、高温胁迫程度（高温处理天数）不同而存在差异。

NaCl和Na2CO3对不同棉花基因组的DNA甲基化影响

陆许可, 王德龙, 阴祖军, 王俊娟, 樊伟丽, 王帅, 赵小洁, 张天豹, 叶武威

中国农业科学. 2014, 47(16): 3132-3142. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.002

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【目的】探究不同盐胁迫后的棉花基因组DNA甲基化变化情况，并比较分析叶片和根部DNA甲基化变化差异，进而探究DNA甲基化与棉花耐盐性之间的关系。【方法】以陆地棉耐盐品种中9806和盐敏感品种中S9612为试验材料，分别用NaCl和Na2CO3（浓度均为0.4%）处理。提取对照和处理材料的DNA，进行双酶切、连接、预扩增和选择性扩增，然后采用MSAP技术（甲基化敏感扩增多态性）分析棉花幼苗在盐胁迫前后的DNA甲基化情况。从聚丙烯酰胺凝胶中回收纯化多态性片段并进行测序，通过NCBI进行比对分析；设计引物，用实时荧光定量PCR对多态性片段在棉花幼苗中的表达量进行验证。【结果】盐胁迫分析表明不同类型盐胁迫对棉花幼苗的影响不同；0.4%的中性盐NaCl对棉花幼苗的影响相对较小，各部分组织的形态变化不明显，而0.4%的碱性盐Na2CO3对棉花幼苗的影响较大，使棉花幼苗子叶变软，茎基部和根部发黑；MSAP分析结果表明，NaCl胁迫后中9806和中S9612叶片的甲基化比率分别为23.5%和27.7%，其中，全甲基化比率分别为20.3%和22.9%，根部的甲基化比率分别为24.7%和27.1%，其中，全甲基化比率分别为19.6%和21.6%；Na2CO3胁迫后中9806和中S9612叶片的甲基化比率分别为28.9%和28.1%，其中，全甲基化比率分别为24.3%和24.5，根部的甲基化比率分别为25.7%和27.6%，其中，全甲基化比率分别为21.5%和24.0%。叶片和根部甲基化水平存在差异，随着盐类型由中性盐向碱性盐转变的过程中，基因组DNA甲基化水平迅速增加，并在Na2CO3处达到最大值。通过分析胁迫以后的甲基化状态，在NaCl和Na2CO3胁迫后，中9806叶片的甲基化条带所占多态性条带比率分别为40.00%和50.00%，去甲基化条带所占多态性条带比率分别为54.12%和46.67%，中9806根部的甲基化条带所占多态性条带比率分别为35.53%和43.59%，去甲基化条带所占多态性条带比率分别为56.58%和51.28%。而中S9612叶片和根部中的甲基化条带比率和去甲基化条带比率的变化不明显。对多态性片段回收共获得6条序列，这6条序列涉及不同的同源基因，在基因编码区和非编码区均有分布，参与不同的代谢反应。qRT-PCR分析结果表明，6个同源基因在对照和处理之间的表达差异显著。【结论】耐盐性不同的棉花品种对盐胁迫反应不同，耐盐品种中9806在中性盐NaCl胁迫后基因组甲基化水平降低，诱导相关耐盐基因表达来抵抗胁迫而盐敏感品种中S9612则缺乏相应的耐盐基因使植株受到伤害增加，在Na2CO3处理以后受到伤害最大，对照与处理间甲基化水平差异显著，叶片和根部甲基化水平存在差异，具有组织特异性；多态性片段比对分析可知，同源性基因涉及多条代谢途径，通过多种代谢途径间的协同作用来抵抗胁迫。

全球气候变暖对中国种植制度的可能影响Ⅹ.气候变化对东北三省春玉米气候适宜性的影响

赵锦, 杨晓光, 刘志娟, 吕硕, 王静, 陈阜

中国农业科学. 2014, 47(16): 3143-3156. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.003

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【目的】研究气候变化背景下中国东北三省春玉米气候适宜性的变化特征，为东北地区春玉米种植的合理布局提供科学依据。【方法】本文以1981年为时间节点，把1961—2010年分为两个时间段，基于东北三省74个气象站点1961—2010年的观测资料，根据农业气象学指标，在分析1981—2010年较1961—1980年东北三省春玉米可能种植北界变化的基础上，利用APSIM-Maize模型模拟春玉米可能种植区域内各气象站点逐年的雨养产量，结合统计学方法，分析春玉米雨养产量高产性和稳产性的变化特征，并综合得到气候变化背景下中国东北三省春玉米的气候适宜区分布的变化特征。【结果】（1）与1961—1980年相比，1981—2010年春玉米的可能种植北界向北移动了158.3—285.8 km，春玉米可能种植面积增加了3.87×104 km2，占东北三省土地面积的4.91%。（2）1981—2010年，东北三省春玉米雨养产量的最高产区、高产区和次高产区面积占可能种植面积比例由81.14%增加为86.66%，其中最高产区和高产区面积比例由36.61%减少为34.82%，而次高产区则由44.53%增加到51.85%，低产区面积占研究区域面积的比例由18.86%减少为13.34%。研究区域内雨养产量的单产减少40 kg•hm-2，但由于春玉米可能种植区域总面积的扩大，特别是高产区和次高产区面积的增加，研究区域内雨养产量的总产增加了7.0%。（3）东北三省春玉米雨养产量的最稳产区、稳产区和次稳产区面积占可能种植面积的比例由80.20%增加为89.28%，且最稳产区和稳产区面积比例由40.97%增加为49.97%，而低稳产区面积占研究区域面积的比例由19.80%减少为10.72%。（4）东北三省春玉米气候适宜区和次适宜区面积占可能种植面积的比例由61.09%增加为83.00%，但最适宜区面积比例由18.83%减少为6.67%，可种植区面积占研究区域面积的比例由20.08%减少为10.33%。研究区域内春玉米可稳定获得的雨养产量的单产总体下降了171 kg•hm-2，但由于春玉米可能种植区域总面积的增加，特别是适宜区和次适宜区面积的增加，研究区域内可稳定获得的雨养产量的总产增加了2.6%。【结论】全球气候变暖背景下，东北三省春玉米种植北界明显向北向西移动，春玉米的可能种植面积增加；在春玉米可能种植区域内，如果不考虑品种和栽培管理措施的适应，雨养产量的最高产区面积所占比例缩小，春玉米雨养产量的单产下降，但由于可能种植面积的增加，东北三省春玉米雨养产量的总产增加；春玉米雨养产量的稳定性增加，其中最稳产区和稳产区面积占研究区域面积的比例增加；在春玉米可能种植的区域内，春玉米的气候最适宜区面积减少明显，研究区域内春玉米可稳定获得的雨养产量的单产下降，但由于春玉米可能种植面积的增加，特别是适宜区和次适宜区面积的增加，可稳定获得的雨养产量的总产增加。

非洲农业产量对气候变化响应与适应研究进展

史文娇, 陶福禄

中国农业科学. 2014, 47(16): 3157-3166. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.004

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非洲是全世界气候变化最脆弱的地区，而非洲农业受气候变化的影响最为敏感。气候变化已经并将继续对非洲农业和粮食安全产生较大的负面影响。提高气候变化对非洲作物产量影响的理解，揭示非洲农业对气候变化的响应规律，是及时、正确和有效适应气候变化的关键。本文综述了非洲农业对气候变化的响应与适应的研究进展，总结了作物机理模型、统计模型和经济模型目前研究这一问题的三大主要方法，系统阐述了非洲农业对过去和未来气候变化的响应程度及适应措施。未来气候变化对非洲农业的可能影响，不同的研究在不同时间尺度和空间尺度上，随着气候情景、研究方法和作物种类的不同，影响程度的结论差异性较大：作物机理模型方法显示的影响范围是-84%—62%；统计方法评价的影响范围则是-57%—30%；而用计量经济学方法研究显示的影响范围是-100%—168%。随着气候变化对非洲农业的影响得到公认，非洲农业对气候变化的适应问题得到了越来越多的研究。选育抗旱品种、发展保护性农业、完善灌溉设施、调整技术管理等适应措施将有可能对粮食安全带来更大的益处。另外，加强极端气候事件的监测和预警、增强气候预报、有效结合气候变化制定农业生产种植和管理措施、调整作物布局、发挥区域和国际组织（世界气象组织WMO、联合国粮农组织FAO等）在非洲应对气候变化影响方面的合作和对非洲的援助等措施均可提高非洲农业对气候变化的适应能力。本文进一步讨论了研究中存在的不确定性因素，包括数据、方法、结果的不确定性以及气候变化的间接影响、缺乏综合研究等问题，并指出了未来的发展趋势。本文有助于更好地理解非洲农业产量对气候变化的响应与适应，为解决非洲粮食安全问题和消除非洲贫困提供科技支撑，同时也为中国农业应对气候变化提供借鉴。

灰葡萄孢犬尿氨酸单氧酶基因BcKMO调控病菌致病力的机制分析

李培芬, 赵福鑫, 董丽萍, 郑会欣, 赵斌, 韩建民, 邢继红, 董金皋

中国农业科学. 2014, 47(16): 3167-3173. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.005

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【目的】揭示灰葡萄孢犬尿氨酸单氧酶基因BcKMO（kynurenine 3-monooxygenase）调控病菌致病力的机制，阐明灰葡萄孢致病的分子机理。【方法】利用DNS和Hoffman方法，对BcKMO的T-DNA插入突变体BCG183和回复突变体（BCG183/BcKMO）的多聚半乳糖醛酸酶（PMG）、果胶酶（PG）、纤维素酶（Cx）、多聚半乳糖醛酸反式消除酶（PGTE）和果胶甲基反式消除酶（PMTE）的活性进行分析；提取灰葡萄孢野生型和BCG183、BCG183/BcKMO突变体的粗毒素并进行生物活性测定；利用溴百里酚蓝显色试验，对突变体BCG183和BCG183/BcKMO的产酸能力进行分析；利用洋葱表皮穿透试验，检测突变体BCG183和BCG183/BcKMO的穿透能力；利用real-time PCR技术，检测突变体BCG183和BCG183/BcKMO中已知致病相关基因腺苷酸环化酶编码基因Bac、异源三聚体G-蛋白G?亚基基因Bcg2和Bcg3、蛋白激酶调节亚基基因PkaR、MAP激酶编码基因Bmp1和Sak1、MAP激酶Bmp3和BcSak1下游的靶基因Bcreg1、TCHK-MAPK信号途径基因Bos1、亲环蛋白A编码基因Bcp1、小G蛋白基因Ras2、多聚半乳糖醛酸酶基因Bcpg1和超氧化物歧化酶基因Sod1的表达水平。【结果】突变体BCG183中的PMG和PG的酶活性较野生型和回复突变体明显增强，CX、PGTE和PMTE的酶活性与野生型和回复突变体没有明显差别；突变体BCG183的毒素活性较野生型和回复突变体明显增强；突变体BCG183的产酸能力较野生型和回复突变体明显减弱；突变体BCG183能够穿透洋葱表皮，在培养基上形成菌落，与野生型和回复突变体没有明显差别；突变体BCG183中已知致病相关基因Bac、Bcg2、Bcg3、PkaR、Bmp1、Sak1、Bcreg1、Bos1、Bcp1、Ras2、Bcpg1和Sod1的表达水平明显强于野生型和回复突变体。【结论】灰葡萄孢BcKMO通过调控病菌的胞壁降解酶活性、毒素活性、产酸能力、致病相关基因的表达而影响病菌的致病力。

棉花多酚氧化酶基因GhPPO1的克隆及在棉铃虫取食诱导反应中的作用

朱香镇, 麻巧迎, 张帅, 吕丽敏, 雒珺瑜, 王春义, 崔金杰

中国农业科学. 2014, 47(16): 3174-3183. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.006

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【目的】克隆棉花多酚氧化酶基因（GhPPO1）全长cDNA序列，分析其序列特征，并研究其及多酚氧化酶系对棉铃虫（Helicoverpa armigera）的取食诱导反应，明确其在棉花防御棉铃虫取食中的作用。【方法】根据笔者研究组前期从棉花SSH文库中获得的对昆虫取食诱导响应明显的棉花PPO基因序列片段，设计5′RACE特异引物，进行5′端RACE反应，测序后进行序列拼接。拼接序列在NCBI棉花dbEST数据库中，用Blastn程序进行同源检索，获得一条EST（GenBank登录号：DR461072.1）与测序结果有410 bp重复。用DNAstar进行组装、电子延伸，获得一条棉花PPO基因序列，命名为GhPPO1。在GhPPO1序列两端设计引物进行全长验证，同时设计引物，以棉花基因组DNA为模板，进行PCR扩增测序，验证GhPPO1是否含有内含子。采用BLASTX在NCBI数据库中对验证后的GhPPO1序列进行同源序列分析；ClustalW软件进行多重序列比对；MEGA 4.0软件构建系统进化树；同时对推测的编码区氨基酸序列进行功能位点及理化性质的预测与分析，所用软件包括ANTHEPRO5.0、ExPASy、InterProscan等。利用实时荧光定量PCR方法测定机械损伤、棉铃虫取食和口腔分泌物处理后，棉花叶片中GhPPO1的mRNA表达量；并通过分光光度法测定棉花叶片中PPO酶系的活性变化趋势。【结果】 GhPPO1的cDNA序列全长为2 022 bp，推测该基因编码区（ORF）为1 797 bp，编码598个氨基酸，5′UTR 含102 bp，3′UTR含123 bp，预测其等电点为6.11，蛋白分子量约67.18 kD，无内含子。GhPPO1编码区氨基酸序列包含CuA和CuB结合位点、3个N-糖基化位点、8个N-豆蔻酰化位点、6个蛋白激酶C磷酸化位点、8个酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点、1个依赖于cAMP和cGMP的蛋白激酶磷酸化位点及1个酰胺化位点。GhPPO1的CuA和CuB离子结合区，有PPO蛋白关键氨基酸组氨酸和半胱氨酸。GhPPO1蛋白与其他植物的PPO蛋白序列最大相似度几乎均在50%以上，与其他植物PPO蛋白进化关系相对较远。机械损伤棉花叶片后，GhPPO1表达量呈现出先升高后下降的趋势，至6 h表达量最高，为无处理对照的3.29倍；1龄末期棉铃虫幼虫取食棉花后，叶片中该基因的表达量呈现先升高后下降，然后又升高的趋势，至12 h表达量最高，为无处理对照的6.04倍；棉铃虫取食3 h和6 h后的表达量低于机械损伤处理后相同时间的表达量。棉铃虫取食和机械损伤棉花叶片后，PPO酶活性均呈现出升高趋势，且机械损伤处理酶活性在各时间段均高于棉铃虫幼虫取食处理。与未做任何处理的正常叶片相比，机械损伤和清水共同处理的叶片GhPPO1表达量及PPO酶活性显著升高，而机械损伤和棉铃虫幼虫口腔分泌物共同处理的叶片GhPPO1表达量及PPO酶活性无显著变化，表明口腔分泌物对GhPPO1表达量及PPO酶活性有抑制作用。【结论】获得了GhPPO1的全长cDNA序列，证明GhPPO1是棉花防御棉铃虫取食的关键PPO基因，推测棉铃虫口腔分泌物中存在抑制棉花PPO酶活性升高物质，该物质在棉铃虫适应寄主植物产生的防御反应中发挥作用。

橘小实蝇谷氨酸脱羧酶的生化及分子特性

魏冬, 王涛, 豆威, 王进军

中国农业科学. 2014, 47(16): 3184-3194. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.007

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【目的】在测定橘小实蝇（Bactrocera dorsalis）γ-氨基丁酸（GABA）含量和谷氨酸脱羧酶（GAD）活性的基础上，克隆获得橘小实蝇GAD基因（BdGAD1）全长序列，进一步解析GABA、GAD以及BdGAD1在橘小实蝇各发育阶段、成虫不同体段以及经阿维菌素刺激后的表达模式，分析橘小实蝇GAD对阿维菌素作用的应激反应，为系统解析GABA介导的阿维菌素抗药性机制提供基础数据。【方法】采用高效液相色谱法测定橘小实蝇体内GABA含量，分析阿维菌素刺激对GABA含量的剂量和时间效应；以谷氨酸为底物，采用微量滴度酶标板法测定橘小实蝇经阿维菌素刺激后GAD活力的变化；通过同源序列比对的方法，从橘小实蝇转录组数据中筛选出1条GAD基因片段，利用cDNA末端快速扩增技术（RACE）获得该基因的全长cDNA序列；应用生物信息学分析软件对该基因的开放阅读框、编码的氨基酸序列、分子量等信息进行预测，并基于最大似然法构建该基因与其他昆虫相关基因序列的系统发育树，明确其系统进化关系。此外，分别提取橘小实蝇各发育阶段和成虫不同体段的RNA，以表达稳定的α-Tubulin为内参基因，应用qPCR技术，解析BdGAD1在橘小实蝇各发育阶段（卵、幼虫、蛹和成虫）和成虫不同体段（头、胸、腹）以及经阿维菌素刺激后的表达模式。【结果】经阿维菌素刺激后，橘小实蝇体内GABA含量升高，且与阿维菌素剂量及处理时间呈正相关，暗示橘小实蝇可能通过调节GABA含量以抵御阿维菌素的毒害。同时，橘小实蝇体内GAD的比活力也随药剂剂量增加而升高。通过RACE扩增，获得了橘小实蝇BdGAD1的cDNA全序列，长度1 755 bp，开放阅读框1 197 bp，编码398个氨基酸，GenBank登录号为KC763804。基于最大似然法构建的系统发育树显示，该基因编码的蛋白质与冈比亚按蚊的GAD亲缘关系最近，序列一致性高达97%。qPCR分析结果表明，BdGAD1在幼虫期表达量最高，不同体段间相比较发现该基因在成虫腹部的表达量最高。经阿维菌素刺激后，BdGAD1表达水平上调。【结论】BdGAD1的表达具有发育阶段和体段特异性。阿维菌素能够刺激橘小实蝇体内BdGAD1表达水平上升，进而引起GAD活力增加促使虫体合成产生大量的GABA，这可能是橘小实蝇抵御阿维菌素毒害甚至产生抗药性的原因。

中国：1﹕5万比例尺数字土壤的构建

张维理, 张认连, 徐爱国, 田有国, 姚政, 段宗颜

中国农业科学. 2014, 47(16): 3195-3213. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.008

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【目的】对历史土壤调查结果进行信息抽提与整合近年来得到国际科学界高度重视。高精度土壤时空信息可用于土壤与环境质量评价、耕地保育、抗旱防涝减灾、水土流失防治、面源污染防治、土壤与农产品污染防治等众多领域，是现代科学研究和管理不可或缺的新型基础工具。中国近代进行过多次土壤调查，积累了大量土壤调查资料，已具备构建土壤时空数据库基础条件，但多年来各地调查资料分散存留，丢失损毁严重，未能发挥应有作用。本研究目标是对中国不同时期土壤调查完成的大比例尺土壤图件、具有坐标的土壤剖面点与土壤采样点信息进行收集、提取与整合，构建中国数字土壤图数据库CDSM（China digital soil maps），以满足科学研究和管理对高精度土壤时空信息的需求。【方法】通过分析中国土壤调查资料状况与国际土壤调查主题变化趋势，完成了CDSM数据模型设计，确定了对全国各地土壤调查资料进行信息抽提与整合建库的工作边界。还建立并采用了海量空间数据分析方法和智能化海量空间信息分析软件包IMAT（Intelligent mapping tools），通过总计180多个分段流程的数据处理与分析，完成了对各地异源、异质、异构、异形土壤资料的信息抽提和CDSM构建。【结果】CDSM库收入的土壤资源与土壤质量信息在时间上覆盖了30多年，空间覆盖中国全境，要素类型有描述土壤要素地带性分布特征的面图层和描述土壤采样点信息的点图层两种。面图层精度主要为1﹕5万大比例尺。点图层为全国第二次土壤普查（二普）完成的10万个剖面和二普后完成的具有地理坐标的土壤剖面采样点和耕层采样点数据。CDSM规模宏大，能以100 m×100 m 空间分辨率提供具有时间序列和地理坐标的土壤信息，信息内容既含土壤类型、母质、土体构型、分层质地、机械组成等慢变化土壤信息，也含土壤有机质、氮、磷、钾、酸碱度、中微量元素含量等快变化土壤质量信息，不仅可用于了解土壤质量现势状况，也可用于预测土壤质量变化。【结论】CDSM库数据模型既能有效收录中国各地30多年来进行的各类土壤调查科学记载，实现按时空序列或按主题类型的调用和分析，也便于延展和扩充，可将各地在新一轮土壤调查中完成的土壤采样点信息汇入S90PT点图层中。在CDSM构建过程中，其阶段性数据产品已为多家科研单位、多个部门应用，今后随着CDSM库增补、在时间尺度上的延伸和主题类型上的增加，CDSM库土壤时空信息将会在各领域有更广泛的应用。

土壤分类研究回顾与中国土壤分类系统的修编

张维理, 徐爱国, 张认连, 冀宏杰

中国农业科学. 2014, 47(16): 3214-3230. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.009

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中国在第二次土壤普查（二普）中,由百余名土壤科学家共同制定了中国土壤分类系统，作为二普用规范性文档，二普后作为国标在全国推荐使用。对二普分县调查资料的首次汇总显示，从分县资料提取出的土壤分类名与国家标准发布的分类名存在一定差异。为对与国标不符的土壤类型名进行审核和修编，同时弄清中国现有两套土壤分类系统之间，以及这两套系统与世界土壤资源参比基础（WRB）之间的关联，对土壤分类研究进展及存在问题进行了回顾与分析。本研究显示，土壤发生学是各国进行土壤分类的共同基础，虽然理论基础相同，由于不同国家和地区所处气候带不同，拥有的土壤资源类型和人均资源量不同，经济与科技发展水平不同，采用的分类原则、命名规则、地面调查方法和采样量各有差异，最终形成的分类系统各不相同。受各国语言习惯和已有分类系统影响，也受近年来在土壤调查中对了解成土过程需求在弱化的影响，对各国土壤分类系统的整合进展并不顺利。对不同语言土壤分类系统的比较显示：中国国标分类系统更符合汉语语言特征，特别是高层级分类中的60个土类命名，能较好表达中国主要土壤类型的典型特征，易于专业及非专业人员对土壤类型及成土过程的认知，且推广应用时间已有30多年，在全国影响较大，应继续采用。国标分类系统不便进行国际交流的问题应通过建立其高层级分类，特别是国标中60个土类与世界参比基础的关联加以解决。研究表明，将土壤分类名限定于对成土过程的描述，有利于分类系统的稳定和对主要土壤类型成土过程的认知，在层级结构上对分类系统的不断调整，或将成土过程以外的土壤质量评价引入分类系统，将导致繁冗的土壤分类名，弱化对成土过程认知。由于土壤发生分类信息是进行土壤功能性状调查、评价和分类的重要辅助信息，将土壤分类限定于描述发生分类还有利于将其用于阐明土壤肥力、土壤环境和土壤健康功能性状。根据上述观点，对分县资料中土壤类型名进行了编审，土类按照国标发布的60个土类进行了归并，亚类进行了适度归并，在土属和土种名编审中，则对名称中源于现场调查的土壤分类信息尽量予以保留。

海量空间数据提取、整合与制图表达方法概要

张维理

中国农业科学. 2014, 47(16): 3231-3249. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.010

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海量空间数据提取、整合与制图表达方法是农业与环境科学、地学、制图学、信息科学及计算机科学多个学科方法融合形成的新方法，主要是通过数据模型设计和海量空间信息分析与制图表达流程设计，对农业与环境领域产生的海量、异源、异质、异构、异形信息进行有效的抽提、关联、分析与专题图制图表达。该方法可用于对不同地区、不同时段、不同调查获得的海量观测数据、地图数据、遥感影像数据进行抽提与分析，从而能适应现代农业与环境研究主题中，研究区域尺度变大、对区域内信息精度要求提高、对系统内多要素进行量化表征的需求。依据笔者多年科研实践，本文介绍了这一方法的边界与内涵、应用范围、相关概念、基本思想与主要内容，为农业与环境领域的科研及管理人员了解和在今后采用这新的一方法提供参考。本方法作为一种大数据分析方法，可广泛用于土壤资源数量与质量评价、气候变化、作物适生性分析、环境质量演变、农业面源污染源防治、水土流失防治、抗旱防涝减灾等多专业领域，也可用于对土壤肥力、环境质量等要素进行精准化、定量化和可视化表达，使农民和相关行业技术人员更易于采用现代技术和公益性科研成果，并为国家实施农业与环境奖惩政策提供科学依据。海量空间数据分析方法的核心是根据科学目标界定对海量空间信息的分类依据，并按照信息类型对异源空间信息进行赋码、抽提与表达。由于海量空间数据集数据结构的水平与垂直方向特征，在对海量空间信息进行分析时需要采用空间集四元表达式。利用四元表达式判定各异源数据逻辑结构与存储结构异同，以逻辑结构的归一化带动对实体库的抽提、整合与表达。在农业与环境科学研究范畴应用本方法时，易出现的问题是数据分析处理过程中科学目标的弱化以至迷失。因此不仅在进行海量空间信息分析之初需要准确界定科学及专业目标，分层次进行数据分析流程设计，在数据分析过程中还应当及时审视科学或专业目标的落实。农业与环境领域专业人员对数据分析科学目标理解最到位，应完成高层级分析流程设计，并按方法学规范编制流程设计文档。

智能化海量空间信息分析与地图制图软件包IMAT设计及构建

张维理

中国农业科学. 2014, 47(16): 3250-3263. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.011

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【目的】在农业与环境研究领域，受研究条件和手段限制，多数研究实际上只能集中于点过程、局部地区或某一时段问题，只能关注某些特定主题相关现象和机制。由此产生大量分散数据。通过坐标关联可以对原先在各自独立研究中获取的不同类型数据与证据进行关联，这种连接可能赋予原先所认知的过程以新的涵义。海量空间数据分析方法能够从多渠道、多角度获得对事物的认知，并能够利用新的数据与证据不断修订假设。大数据分析的主要难点是海量空间信息不仅体量大，还要根据数据异质类型进行差异化抽提、整合和表达，难以采用现有主流软件工具，针对这一问题，本研究旨在创建一个能够以自动化和人机交互方式对异源、异质海量空间信息进行抽提、整合与大尺度、大比例尺专题图表达的专用工具——智能制图工具（IMAT）。【方法】采用海量空间信息分析方法中的流程设计与软件设计原则构建IMAT。总设计由系统体系架构设计、系统数据支撑平台设计、模块与组件模型设计3部分组成。程序采用C#为编程语言，以NET Framework 4 Extended为软件开发环境，同时调用制图软件包ArcGIS、数据库软件包Access与界面制作软件包DotNet Bar控件。【结果】IMAT含38个独立功能模块，覆盖了对农业与环境领域产生的海量空间信息进行抽提与制图表达所需主要功能，各模块既可独立进行某项特定数据分析与处理，例如，海量信息调用、存贮、空间要素统计、分类码审核、赋码、要素筛选、数据整合、制图表达等，也可通过多模块组合，完成一项比较复杂的数据抽提与表达任务，弥补了国内外主流数据库软件包与专业制图软件包与在处理海量空间信息方面的功能缺失。IMAT数据分析对象为海量空间数据库。在进行数据分析时，IMAT能够根据研究目标设定对各异源、异质、异构库进行信息抽提的规则，并以自动化、批量化方式完成海量空间信息的逻辑结构与存储结构整合；在进行制图表达时，IMAT能在全图设定分幅图差异化要素抽提规则，并以智能化、自动化、人机交互方式完成由多图幅组成的大比例尺专题图全图的视图表达。【结论】在对农业与环境主题相关海量空间信息进行分析时，IMAT既适用于土壤类型、土壤质地等以多等级分类系统表示的专题要素，也适用于土壤养分含量、土壤污染物含量、面源污染排放指数等以量化分级指标表达的专题要素；既可用于对多专题要素与图层的综合性信息抽提与复合性制图表达，还能用于进行不同比例尺、不同分幅类型的可视化地图制图。IMAT设计中采用组建化模块与模型设计构筑系统体系架构，提高了设计与研制效率；利用函数化的海量空间数据集四元表达式作为IMAT系统中各空间数据库接口文件，使得IMAT各模块均能够接受和处理处于数据整合与表达进程不同阶段的异质、异构海量空间信息，从而实现了各功能模块的可装配性，分析人员能根据数据抽提、整合和表达目标选择并灵活组合适宜的功能模块。

辣椒GMS育性相关候选基因的克隆及表达分析

刘辰, 马宁, 付楠, 李欣, 郭爽, 沈火林

中国农业科学. 2014, 47(16): 3264-3276. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.012

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【目的】对辣椒差减文库中挑选出的4个育性相关候选基因进行克隆与表达分析，探讨其与辣椒细胞核雄性不育的关系。【方法】通过半定量RT-PCR技术分析候选EST在辣椒可育株和不育株中的表达情况。利用RACE技术获得4个育性相关基因的cDNA 全长，结合生物信息学方法进行序列比对和蛋白理化性质分析。采用半定量RT-PCR检测基因在不同器官（花药、子房、花瓣、萼片和叶片）和花药小孢子不同发育时期（四分体时期、单核早中期、单核靠边期和双核期）的表达量。【结果】根据比对注释结果，将4个基因分别命名为CaSEP1、CaPROF、CaOle e 6和CaPCP。CaSEP1全长1 108 bp，编码221个氨基酸，含有一个MADS结构域和一个K结构域；CaPROF全长767 bp，编码131个氨基酸，含有一个PROF结构域；CaOle e 6全长523 bp，编码85个氨基酸，含有一个Ole e 6结构域；CaPCP全长563 bp，编码66个氨基酸。氨基酸序列比对及系统发育树分析表明，CaSEP1与番茄SEP1的氨基酸序列相似性最高，并且亲缘关系最近；CaPROF与茄科作物烟草和番茄的前纤维蛋白相似性较高，且与番茄的前纤维蛋白亲缘关系最近；CaOle e 6与番茄中的对应蛋白存在一定的相似性，亲缘关系也最近；CaPCP则与茶树中的对应蛋白相似性最高，亲缘关系最近。表达分析显示，CaSEP1在可育株花药、子房、花瓣等花器官中表达量一致，且高于萼片和叶片；CaPROF在可育株花药中的表达明显高于叶片，在其他器官中不表达；CaOle e 6在可育株花药中的表达明显高于其他器官；CaPCP只在可育株的花药中表达。CaSEP1在可育株小孢子不同发育时期表现为先逐渐升高，至单核靠边期达到最高，而后在双核期表达量明显下降，在不育株中则表现为伴随着小孢子发育表达量逐渐升高；该基因在四分体时期两材料的表达量相当，在单核早中期和单核靠边期可育株中的表达量明显高于不育株，而双核期可育株中的表达量比不育株低；CaPROF、CaOle e 6和CaPCP均在可育株小孢子发育后期（主要为单核靠边期和双核期）表达，在不育株花药发育的各个时期均不表达。【结论】4个候选基因的序列比对和表达分析结果表明它们与辣椒雄蕊育性关系密切，为揭示雄性不育机理和调控辣椒育性提供了重要信息。

茶树谷胱甘肽还原酶基因CsGRs的克隆与表达分析

岳川，曹红利，周艳华，王璐，郝心愿，王新超，杨亚军

中国农业科学. 2014, 47(16): 3277-3289. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.013

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【目的】克隆谷胱甘肽还原酶基因CsGRs，研究CsGRs在茶树抵御不同逆境胁迫中的作用。【方法】在茶树转录组数据库中搜索茶树CsGRs，根据获得的基因片段，设计反转录PCR（RT-PCR）引物和RACE-PCR特异引物，从茶树中克隆CsGRs的cDNA全长序列，并利用在线生物信息学软件对其进行分析。采用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析CsGRs在茶树不同组织间的表达差异及其在低温、干旱、高盐胁迫和ABA处理下的表达模式，利用分光光度计测定低温胁迫和干旱胁迫下叶片中还原型谷胱甘肽（GSH）的含量变化。【结果】RT-PCR克隆获得CsGR1的cDNA全长，其长度为1 827 bp，包含1 482 bp开放阅读框（ORF），编码493个氨基酸；RACE扩增获得712 bp和1 624 bp的5′和3′末端序列，拼接并进行RT-PCR验证后得到CsGR2序列，全长2 282 bp，包含1 698 bp ORF，编码565个氨基酸；CsGR1和CsGR2的GenBank登录号分别为KF906411和KF418080。CsGR1和CsGR2编码的蛋白质分子量分别为53.9 kD和61.0 kD，无信号肽位点，均为非分泌性蛋白。亚细胞定位预测CsGR1主要定位在细胞质等亚细胞中，无叶绿体锚定信号肽位点；CsGR2中N-端的71个氨基酸残基具有叶绿体转运信号功能，主要定位在叶绿体上。序列相似性比较显示，CsGR1与其他植物中胞质GR的相似性均在80％以上，而与叶绿体GR的相似性低于60％；CsGR2与其他叶绿体GR的相似性70％以上，与胞质GR的相似性在50％左右。二者在核酸序列和氨基酸序列水平上分别有63.4％和49.9％的相似性，且蛋白质二级结构也具有较高的相似性。系统发育树显示，CsGR1与胞质GR聚为一类，而CsGR2与叶绿体GR聚在一起，且都与葡萄的亲缘关系最近。二者均含有氧化还原二硫键活性位点、谷胱甘肽结合位点以及NADPH结合的Arg保守位点等结构域。CsGR1为胞质GR，CsGR2为双向定位在叶绿体和线粒体上的叶绿体GR。CsGR1在花和根中表达量较高，在叶片和茎中表达量低；CsGR2在叶片和茎中的表达量比在根和花中的表达量高。在短时胁迫处理24 h过程中，成熟叶片在100 μmol•L-1 ABA处理后，CsGR1和CsGR2的表达均被抑制，且CsGR2的抑制作用较显著；在4℃低温胁迫下，CsGR1的表达被抑制，而CsGR2的表达随处理时间延长逐渐被诱导；250 mmol•L-1 NaCl盐胁迫抑制CsGRs的表达，但胁迫24 h时CsGR2的表达被诱导。10%（w/v）PEG胁迫处理茶树8 h，叶片中的CsGRs均被诱导表达，且在复水48 h后CsGR1的表达被显著上调；根中CsGRs的表达在处理和复水48 h过程中均被抑制。随低温胁迫时间延长，茶树叶片中的GSH含量逐渐升高；干旱胁迫也能促进GSH在叶片中的积累，在复水48 h后又恢复到处理前的水平。【结论】克隆了2个茶树CsGRs，2个基因对4℃低温、NaCl盐、10％PEG和ABA处理均具有响应。推测CsGRs在茶树抵御逆境胁迫中起作用。

BABA诱导香蕉果实抗病性与贮藏期活性氧积累的关系

谭卫萍, 庞学群, 张昭其, 黄雪梅

中国农业科学. 2014, 47(16): 3290-3299. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.014

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【目的】研究β-氨基丁酸（BABA）对采后香蕉果实抗病性的诱导作用和贮藏期果皮活性氧含量、抗病相关酶及基因表达量的变化，为探索抗病保鲜新技术提供理论依据。【方法】香蕉果实经5 g•L-1 BABA溶液低压渗透处理，或预先用3.14 mg•L-1的二苯基碘（活性氧合成酶NADPH氧化酶的专一性抑制剂，diphenylene iodonium，DPI）低压渗透，再做BABA溶液低压渗透处理。处理后0、3、6、12、24、48、72 h分别接种2 ? 105个/mL炭疽病菌孢子于果皮上，并测定接种果实在（20±2）℃、85%—95%湿度（RH）下贮藏5—16 d的病斑直径；测定处理24 h后接种果实在（20±2）℃、RH 85%—95%下贮藏期间的超氧阴离子（）含量，过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、β-1,3-葡聚糖酶（GUN）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和几丁质酶（CHI）活性及其基因表达。【结果】处理果实贮藏5 d后，经BABA处理24 h后接种炭疽病菌孢子的果实病斑直径比对照果实的明显减小，表明BABA处理需要适当的诱导时间才能产生效果；该BABA处理果实在贮藏期间的产生速率和活性氧合成酶MaNOX表达在贮藏5—12 d均明显高于对照；CAT活性和MaCAT表达量分别于贮藏5 d 和1—5 d明显高于对照；APX活性和MaAPX表达量分别在5—8 d、14 d和１—5 d明显高于对照；CHI活性和MaCHI表达量分别在5—12 d和1—5 d高于对照，GUN活性和MaGLU表达量均于8—14 d高于对照，PAL活性和MaPAL1表达量均在12—14 d高于对照；其它时间点差异不大。二苯基碘（活性氧合成酶抑制剂，DPI，3.14 mg•L-1）结合BABA（5 g•L-1）处理香蕉果实抑制了上述BABA处理的效果。【结论】活性氧参与了BABA诱导香蕉抗病性的过程，BABA处理启动了香蕉活性氧的保护机制，包括活性氧水平提高、清除酶活性协同增强和抗病相关蛋白应答等，从而增强了香蕉果实的抗病性。

苦瓜水提物对拘束应激小鼠脂代谢紊乱的改善作用

汤琴, 邓媛元, 张瑞芬, 张雁, 张名位, 魏振承, 唐小俊, 刘磊, 遆慧慧, 马永轩

中国农业科学. 2014, 47(16): 3300-3307. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.015

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【目的】探讨苦瓜水提物（Momordica charantia fruit aqueous extract，MCFE）对拘束应激小鼠体内脂代谢及抗氧化水平的影响，为揭示苦瓜对脂代谢紊乱的改善作用提供理论依据。【方法】选用6周龄的雌性昆明小鼠，随机分为5组，包括正常对照组（NC）、拘束应激组（Mod）及-MCFE低（250 mg•kg-1）、中（500 mg•kg-1）和高（750 mg•kg-1）剂量组，每组12只，连续灌胃7 d后，置于50 mL带孔的塑料离心管中拘束20 h，尾静脉注射10% 脂肪乳剂Interlipids，15 min后检测小鼠血脂消除能力，肠系膜脂肪组织脂肪酶活力，血清、肠系膜脂肪组织及肌肉组织的脂蛋白酯酶活性，同时测定血清的氧化状态及抗氧化水平。【结果】拘束应激模型组小鼠甘油三酯(Triglyceride，TG)的含量为正常组小鼠TG含量的1.27倍，而低、中、高剂量MCFE组的小鼠TG含量分别为正常组小鼠TG含量的0.63、0.57和0.55倍，表明MCFE各剂量组均能显著提高拘束应激小鼠甘油三酯的清除率（P<0.05），提高其脂肪代谢能力，并呈现剂量依赖性趋势；同时，拘束应激模型组小鼠的脂肪酶活性为正常组的0.52倍，而MCFE各剂量组的脂肪酶活性分别为正常组的0.77、0.98和1.06倍，明显高于拘束应激组（P<0.05），且中、高剂量组基本达到正常水平，表明MCFE各剂量组均能提高肠系膜脂肪组织的脂肪酶活性（P<0.05）；此外，与拘束应激组相比，MCFE的低、中、高剂量组小鼠的血清脂蛋白酯酶（Lipoprotein Lipase，LPL）活性和肠系膜脂肪组织的LPL活性明显有所提高（P<0.05），亦表现剂量效应，其中MCFE各剂量组的血清LPL活性达到正常组水平，但MCFE各剂量组对肌肉组织的脂蛋白酯酶的活性影响不显著（P>0.05）；另外，拘束应激组小鼠的脂质过氧化产物丙二醛（malondialdehyde，MDA）的含量是正常组的1.37倍（P<0.05），总抗氧化能力（ORAC）是正常组的0.65倍（P<0.05），而MCFE各剂量组小鼠体内的MDA含量明显低于拘束应激组（P<0.05），且MCFE的中、高剂量组基本达到正常水平，MCFE各剂量组ORAC明显高于拘束应激模型组，但尚未达到正常水平，表明MCFE能明显提高拘束应激小鼠体内总抗氧化水平（P<0.05）。【结论】苦瓜水提物能从氧化应激水平和脂质代谢两方面改善拘束应激小鼠脂代谢紊乱。

诱导多能干细胞体外定向分化为雄性生殖细胞研究进展

杜军慧, 曹文广

中国农业科学. 2014, 47(16): 3308-3314. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.016

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诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPS）是借助基因导入技术将某些转录因子导入人或动物的体细胞，使体细胞重编程而得到的多能性细胞。iPS细胞来源丰富，研究表明利用不同的载体诱导系统或不同的转录因子组合，多种体细胞都可被重编程为iPS细胞，如成纤维细胞、肝细胞、角质细胞及脐带血细胞等。作为干细胞中新的一员，iPS细胞在克隆形态、基因表达模式、表面标志物、拟胚体形成、畸胎瘤及嵌合体形成（小鼠）、分化能力等方面与胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）非常相似。与胚胎干细胞一样，在特定的诱导条件下，iPS细胞在体外可被诱导分化为多种细胞，如心肌细胞、血细胞、生殖细胞等，进一步拉近了干细胞和临床疾病治疗的距离，iPS细胞也成为细胞治疗及组织器官再生最有前景的种子细胞，在细胞替代性治疗、发病机理研究及新药筛选方面具有潜在价值。雄性不育不仅影响人类正常健康生活，对畜牧业的发展也极为不利。国内外的研究成果表明，给予适当的诱导物及诱导条件，人和小鼠的iPS细胞体外可被诱导分化为原始生殖细胞（primordial germ cells, PGCs）、精子细胞及其前体细胞。这些研究不仅避免了胚胎干细胞研究领域存在的取材困难、免疫排斥和伦理道德等问题，还为揭示雄性生殖细胞的发育机制及研究雄性不育提供了较好的研究平台。由人iPS细胞诱导得到的雄性配子可为患者提供自身的雄性配子产生后代，避免了免疫排斥问题，为未来治疗雄性不育带来曙光。iPS细胞体外诱导分化技术对现代畜牧业发展也具有巨大的潜在应用价值，可进行转基因动物的生产。现从不同的诱导剂、不同的培养条件及iPS细胞体外诱导分化优势等方面，对iPS细胞体外定向诱导分化为雄性生殖细胞的研究进展及应用前景进行综述和展望。

单纯与联合灌注法构建猪支气管动脉立体标本

韩志磊, 王晓亮, 李路, 闫振龙, 火静萍, 王白雪, 史军红, 刘英, 何玉琴

中国农业科学. 2014, 47(16): 3315-3322. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.16.017

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【目的】改进和优化ABS血管铸型技术。创建猪支气管动脉立体标本的铸型方法，并构建猪支气管动脉立体标本。为探明猪支气管动脉在肺内的分支与分布状态提供实验方法。【方法】用改进和优化ABS铸型技术，采用支气管动脉单纯铸型和支气管动脉与支气管树或肺动脉联合铸型的方法构建猪支气管动脉的立体标本。【结果】（1）创建了猪支气管动脉立体标本的铸型方法。①猪肺支气管动脉单纯标本制作的方法要点：先分别在胸主动脉近心端和远心端插管并结扎胸主动脉。同时，为了防止在灌入铸型剂时经食管和气管周围的血管网发生渗漏，分别在胸主动脉插管处相应的位置结扎食管前端和后端，并在气管开口处插入盲端套管并结扎。然后调整肺的位置，使其背上腹下地置于解剖盘中。经胸主动脉间接向支气管动脉中注入铸型剂。灌注时强压梯度灌入60 mL 10%和100-160 mL 15%的ABS铸型剂，当橡胶管中间部位膨大后停止灌注。在连续灌注结束后5 h内随时观察橡胶管膨大部位的大小，当压力减小时，立即灌入20%的ABS铸型剂，保证主动脉内的正压力。将灌注好的标本置于冷水中静态硬化3-4 d，再用盐酸密闭腐蚀10 d左右。然后用流水漂浮和加压冲洗，再通过摘除凝块、打枝疏密和断枝再植修整后就可以获得完整的铸型标本。②猪肺支气管动脉与支气管树联合铸型标本制作的方法要点：首先，同时插管并结扎胸主动脉、食管和气管。然后经胸主动脉间接灌注铸型剂。间隔1-2 h后再对气管树进行灌注。最后同步硬化、腐蚀、冲洗和修复支气管动脉与支气管树联合标本。③猪肺支气管动脉与肺动脉联合铸型标本制作的方法要点：支气管动脉与支气管树联合铸型的方法和支气管动脉与肺动脉联合铸型的方法相似，不同之处在于在将铸型剂注入支气管动脉的同时，前者是将铸型剂注入支气管树内，后者则是将铸型剂注入肺动脉内。在联合铸型时，根据肺的大小确定注入铸型剂的量，而经支气管动脉单纯铸型时，则根据压力大小确定灌注量。（2）构建了猪支气管动脉立体标本、猪支气管动脉与猪支气管树的联合立体标本和猪支气管动脉与肺动脉的联合标本。【结论】采用该方法获得的支气管动脉立体标本血管层次清楚、管道充盈光滑、对比度清晰，能够完整显示猪支气管动脉的起源、分支、走向、分布以及与支气管树和肺动脉的毗邻关系。该工作为猪及其它动物支气管动脉的研究奠定了基础。

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