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2021年 第54卷 第11期 刊出日期：2021-06-01

  

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中国农业科学. 2021, 54(11):  0. 

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相关文章 | 多维度评价

作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

小麦籽粒超氧化物歧化酶（SOD）活性全基因组关联分析

王继庆,任毅,时晓磊,王丽丽,张新忠,苏力坛·姑扎丽阿依,谢磊,耿洪伟

中国农业科学. 2021, 54(11):  2249-2260.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.001

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数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

【目的】小麦籽粒超氧化物歧化酶活性对小麦面粉色泽和营养品质具有重要影响,挖掘与小麦籽粒超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）活性显著关联位点及候选基因,为揭示小麦籽粒SOD活性的遗传机理和小麦面粉色泽的遗传改良奠定基础。【方法】采用氮蓝四唑（nitro-blue tetrazolium,NBT）光化还原法对3个环境下种植的212份普通小麦品种（系）进行SOD活性检测,结合90K SNP芯片的16 705个高质量SNP标记对小麦籽粒SOD活性进行全基因组关联分析（genome-wide association study,GWAS）,并对稳定遗传的显著关联位点进行候选基因的挖掘。【结果】不同环境下,各小麦品种（系）间的SOD活性表现出丰富的表型变异,变异系数为4.34%—5.23%,相关系数介于0.60—0.90（P<0.001）。多态性信息含量（polymorphic information content,PIC）为0.24—0.29。全基因组连锁不平衡（linkage disequilibrium,LD）衰减距离为7 Mb。群体结构分析表明,供试材料可分为3个亚群。GWAS分析结果显示,共检测到29个与SOD活性显著关联位点（P≤0.001）,分布在1A、1B、2A、2B、2D、3B、3D、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D和7B染色体上,单个位点可解释5.47%—32.43%的表型变异,其中14个位点在2个及以上环境下均被检测到。9个显著关联位点在3个环境下被同时检测到,分布于1B、2B、4B、5A、5B、6B和6D染色体,贡献率为6.21%—16.62%。对稳定遗传的显著关联位点进行候选基因的挖掘,共挖掘TraesCS2B01G567600、TraesCS3D01G069900、TraesCS3D01G070200、TraesCS5B01G525700、TraesCS5B01G373700、TraesCS6A01G021400和TraesCS6D01G431500等7个SOD基因和TraesCS5A01G263500、TraesCS6B01G707800等2个与SOD活性相关的候选基因,候选基因的功能主要与抑制细胞活性氧积累及参与抗氧化剂再生过程有关。【结论】检测到与小麦籽粒SOD活性显著关联的29个SNP位点,共筛选出7个SOD基因和2个与SOD活性有关的候选基因。

玉米茎秆抗倒伏遗传的研究进展

王夏青,宋伟,张如养,陈怡凝,孙轩,赵久然

中国农业科学. 2021, 54(11):  2261-2272.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.002

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茎秆倒伏严重影响玉米产量、品质和机械化收获,是当前玉米生产和育种亟待解决的主要问题之一。加强对玉米茎秆抗倒伏性的研究,对提高品种抗倒伏能力具有重要意义。本文综述了玉米茎秆倒伏的主要影响因素及其遗传特征。茎秆倒伏与茎秆自身的强度密切相关。茎秆强度越高,抗倒伏性越强。茎秆强度受茎秆所处的发育阶段、茎秆内部结构和外部形态,及其细胞壁成分等影响。处于分生组织的茎秆细胞分裂旺盛,较易折断,而进入生殖生长后,茎秆表皮、厚壁组织增厚,维管束发育成熟,对茎秆的支撑作用增强。茎秆细胞壁的主要成分——纤维素、半纤维素、木质素、可溶性糖、无机物等均可提升茎秆强度。目前,研究者借助高通量表型平台,利用玉米连锁群体和自交系群体,采用各种定位方法,鉴定到一系列影响茎秆形态、强度、细胞壁成分的相关QTL和候选基因。研究表明,基于单倍型的QTL定位方法比基于单个SNP的定位效果好。一致性QTL分析将不同遗传群体的研究整合到一起,能够提高QTL结果的通用性。茎秆强度的遗传基础复杂,受微效多基因控制,位点间具有加性效应。茎秆成分QTL中的候选基因涉及细胞壁代谢、转录因子、蛋白激酶等。MAIZEWALL是玉米细胞壁相关基因的重要数据库。目前该数据库包含1 156个玉米细胞壁生物学相关的候选基因,为该领域的深入研究提供强大的资源。已鉴定到一系列影响玉米茎秆细胞壁成分、茎秆形态和强度的基因,其功能涉及纤维素合成路径,如纤维素合成酶类、Cobra类、糖基转移酶和核糖转运蛋白类;苯丙烷路径基因,如控制bm1—bm5的相关基因;植物激素类,如赤霉素、生长素、油菜素甾醇相关基因;转录因子如NAC、MYB;miRNA（ZmmiR528）以及F-box基因（stiff1）等。今后应积极探索不同发育时期玉米茎秆倒伏的力学机制;广泛发展自然群体或育种群体进行遗传分析;采取多种定位策略,提高抗倒伏相关基因鉴定的功效;针对优良等位基因,开发各类分子标记,加强抗倒伏分子标记辅助选择。本文将为玉米茎秆抗倒伏遗传机制解析及抗倒伏玉米品种的分子育种提供参考。

谷子抽穗时间基因SiTOC1的表达与单倍型变异分析

张林林,智慧,汤沙,张仁梁,张伟,贾冠清,刁现民

中国农业科学. 2021, 54(11):  2273-2286.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.003

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【目的】谷子抽穗时间的适应性表现是广适性新品种选育的基础,分析抽穗时间关键基因的遗传变异和单倍型效应,为品种适应性改良提供基础信息。【方法】通过全基因组关联分析（genome-wide association study,GWAS）,定位谷子抽穗时间关键基因SiTOC1,利用多组学数据库（multi-omics database for Setaria italica,MDSi）提供的SiTOC1数字表达量,分析SiTOC1的组织时空表达特性,并利用原生质体对SiTOC1蛋白进行亚细胞定位。采用qRT-PCR在短日（10 h光照/14 h黑暗）条件下进行SiTOC1 24 h节律表达模式分析。利用有代表性的99份谷子品种,分析SiTOC1编码区和启动子区的遗传多态性、单倍型以及转录水平,并对单倍型与抽穗时间的关系进行鉴定。【结果】在第1染色体物理位置31 456 761 bp处鉴定到了一个显著的关联信号,与抽穗时间紧密相关,该位点附近存在一个拟南芥抽穗期TOC1的同源基因SiTOC1。SiTOC1在光周期响应组织（根、茎、叶等）中高表达,亚细胞定位于细胞核,在傍晚表达量上调,呈现出24 h节律性表达模式。SiTOC1在不同谷子品种中存在丰富的多态性,但REC和CCT结构域高度保守。SiTOC1编码区2种主要单倍型H-2和H-6分别与启动子单倍型Hp-591C和Hp-591A共分离,其中,启动子单倍型Hp-591C较Hp-591A的相对表达量显著上调了约2.5倍（P=0.014）,并且该单倍型在三亚市、长治市和乌鲁木齐市3个环境下的抽穗时间分别平均延迟9、11和12 d。【结论】SiTOC1启动子区第591 bp处的SNP是引起抽穗时间差异的主效位点,单倍型Hp-591A较Hp-591C早熟,可作为主效单倍型用于分子育种选择。

耕作栽培·生理生化·农业信息技术

非生物逆境锻炼提高作物耐逆性的生理机制研究进展

王笑,蔡剑,周琴,戴廷波,姜东

中国农业科学. 2021, 54(11):  2287-2301.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.004

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非生物逆境（如,高温、低温、干旱、渍水胁迫等）是限制作物产量提升的重要因子,并且非生物逆境发生的频率、程度以及持续时间随着全球气候变化呈显著上升趋势。因此,提高作物对非生物逆境的抗性,或采取缓解措施降低非生物逆境对作物产量和品质形成的不利影响,对于确保作物稳产及粮食安全有重要意义。逆境锻炼（priming）是指植株经过前期适度的逆境处理后,对再次发生的逆境胁迫表现出较强的抗/耐性,也称为逆境胁迫记忆。与未经过锻炼植株相比,经过锻炼植株的信号调控物质、次级代谢产物、胁迫保护性物质等可以更快、更有效地对再次发生的逆境胁迫产生响应,从而增强植株耐逆性。根据再次逆境发生的类型及时间,逆境锻炼主要包括当代同种逆境锻炼效应（锻炼阶段的逆境和再次发生的逆境是同一种）、当代交叉逆境锻炼效应（锻炼阶段的逆境和再次发生的逆境不是同一种）、跨代同种逆境锻炼效应（经过逆境锻炼的种子在子一代或子几代的同种逆境锻炼效应）、跨代交叉逆境锻炼效应（经过逆境锻炼的种子在子一代或子几代的交叉逆境锻炼效应）四大类型。本文重点围绕高温锻炼、低温锻炼、干旱锻炼及渍水锻炼介导的上述四大类型锻炼效应的生理机制进行了综述,生理机制主要包括植株光合机构响应机制、抗氧化系统在清除活性氧减轻对细胞膜脂过氧化伤害机制、胁迫诱导的信号物质（激素类物质、Ca²⁺、过氧化氢、一氧化氮等）在诱导下游基因表达及生理生化过程机制。此外,表观遗传修饰如DNA甲基化、组蛋白修饰为长期甚至传代胁迫记忆提供了潜在机制。对作物逆境锻炼机制的深入解析,可以找到对作物耐逆性获得起关键调控作用的基因和蛋白,这样在作物生产上,我们可以在生育前期,配合外源调控物质诱导起关键作用的基因和蛋白,可通过人为方法提前刺激这种物质在逆境来临之前表达,主动诱导作物对关键时期逆境耐性的形成,从而有效缓解在产量形成关键生育时期发生的胁迫对作物产量的不利影响,因而具有重要的实际生产意义。

GEE支持下的河南省冬小麦面积提取及长势监测

周珂,柳乐,张俨娜,苗茹,杨阳

中国农业科学. 2021, 54(11):  2302-2318.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.005

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【目的】使用遥感技术对2017—2020年河南省冬小麦的空间分布信息进行高精度的提取,然后对2020年冬小麦的长势进行高频度的监测并结合气象条件进行分析。【方法】本文基于谷歌地球引擎（Google Earth Engine,GEE）云平台,对选取的Landsat 8影像数据根据NDVI最大值进行合成,然后进行特征构建,添加地形特征、纹理特征、NDVI以及一个新特征NDVI增幅,使用随机森林分类方法对样本数据按照构建的特征进行训练提取河南省2017—2020年冬小麦的播种面积信息;经过精度验证后对提取的河南省2020年的冬小麦种植区域生成掩膜,对掩膜区域（冬小麦种植区域）结合MODIS高时间分辨率影像数据,使用NDVI同期差值法对2020年2—4月份的冬小麦进行高频度的长势监测。【结果】使用GEE云平台能够对河南省冬小麦种植区域的空间分布信息进行快速制图;使用随机森林方法加入地形特征、纹理特征、NDVI后再加入新特征NDVI增幅,能够有效提高冬小麦的提取精度以及降低与统计数据的相对误差,基于混淆矩阵计算的平均总体分类精度为95.2%、平均kappa系数为0.909、冬小麦的平均分类精度为95.3%,与河南省统计年鉴数据相比,本文方法提取的2017—2019年河南省冬小麦播种面积相对误差均低于3%,河南省冬小麦主要种植区域的冬小麦播种面积的平均相对误差低于6%;使用MODIS影像数据结合NDVI差值模型能够对河南省2020年的冬小麦进行高频度的长势监测,河南省冬小麦在返青初期长势较往年及2019年好,到生育后期大部分区域长势与往年及2019年持平,总体上2020年冬小麦的长势较往年及2019年好。【结论】本文提出的方法能够对河南省冬小麦进行高精度的提取以及高频度的长势监测,且能够为地方政府或者一些农业部门在安排指导农事活动上提供科学依据。

密度和行距配置对油菜苗期性状及产量形成的影响

蒯婕,李真,汪波,刘芳,叶俊,周广生

中国农业科学. 2021, 54(11):  2319-2332.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.006

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【目的】研究密度和行距配置对甘蓝型油菜苗期生长的影响及其与产量形成的关系,为进一步提高油菜产量、缩小产量差,明确密植油菜产量调控机制奠定理论基础。【方法】2016—2017年选用华杂62（常规株型,简称HZ62）、2017—2018年选用华杂62和品系1301（紧凑株型）设置密度15×10⁴（D1）、30×10⁴（D2）和45×10⁴株/hm²（D3）为主区,行距15（R15）、25（R25）和35 cm（R35）为副区,研究不同密度和行距配置下,不同器官干物质累积和分配、茎秆和叶片碳氮代谢、根系活力和成熟期产量的变化。【结果】增加密度后,油菜个体生长受到明显抑制,表现为成熟期根颈粗、根干重、地上部干重以及株高均降低,有效分枝数减少,同一密度下缩小行距后降幅减小,D1、D2和D3密度条件下,在行距R25、R15和R15时各指标均表现最佳。与传统的密度行距配置（D1R25）相比,增加密度缩小行距（D3R15）后,2017—2018年,HZ62和1301两品种单株产量分别降低了57.14%和55.73%,但群体产量增加了21.55%和30.92%。相关性分析结果表明苗期叶片干物质分配率与单株产量呈极显著正相关关系,茎秆和根系干物质分配率与群体产量呈显著或极显著正相关关系。进一步分析苗期各器官生长指标发现,密度增加后,苗期叶片SPAD值、单株根系生物量、伤流量、根系活力均显著降低,而群体叶面积指数（LAI）和根系生物量显著增加;同一密度下,通过调节行距、减小株行距差异时,单株油菜叶片SPAD值、叶片和茎秆C/N、群体LAI及根系生物量增加,为成熟期产量奠定了基础。2017—2018年,与D1R25相比,D3R15处理下,HZ62茎秆C/N下降了22.95%,单株根系生物量、伤流量和活力分别降低了35.60%、16.07%和15.51%,叶片C/N和群体根系生物量则分别增加了16.11%和83.44%;1301茎秆C/N下降了19.71%、单株根系生物量、伤流量和活力分别降低了30.87%、22.63%和22.85%,叶片C/N和群体根系生物量则分别增加了14.84%和108.21%。【结论】本试验条件下,与传统密度行距配置相比,不同株型油菜参试品种在增加密度缩小行距后均能通过促进苗期单株叶片氮代谢,同时增加了苗期叶片SPAD值、群体光合叶面积、群体根系生物量,提高了根系活力实现增产。

植物保护

影响苹果树腐烂病菌侵染致病的流行因子

林晓,孙传茹,王彩霞,练森,董向丽,李保华

中国农业科学. 2021, 54(11):  2333-2342.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.007

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【目的】腐烂病是苹果树的重要枝干病害,主要造成死枝、死树。论文旨在明确低温等环境因子和枝条龄期等寄主因子对腐烂病菌（Valsa mali）侵染致病的影响,分析腐烂病流行成灾的原因,为腐烂病的流行预测和防控提供依据。【方法】通过人工控制环境条件下的接种试验,检测腐烂病菌在苹果枝干各部位的定殖率,观测腐烂病菌在伤口内的定殖部位,测试低温冷冻、枝条浸水后冰冻、枝条失水、枝条龄期等因子对接种腐烂病菌侵染致病的影响。【结果】8月份用分生孢子喷雾接种的苹果树,次年3月份检测,7个枝位的带菌率都接近或超过90%;接种到伤口上的腐烂病菌主要定殖于伤口坏死组织内,并在死组织内生长扩展,但没有穿透伤口外围的愈伤木栓层而侵入活体的皮层组织致病;在检测的6个枝位中,新鲜伤口对腐烂病菌侵染致病最为敏感,接种发病率最高,果柄痕次之,叉丫、芽眼和果苔枝的敏感性稍差,发病率稍低,皮孔抗病性最强,接种病菌不能致病;低温冷冻和浸水后冰冻（枝条上形成冰晶）都能增加枝条芽眼部位对接种腐烂病菌的感病性,其中-25和-18℃两个温度下处理枝条的接种发病率显著高于-10、-7和0℃ 3个温度处理枝条的接种发病率,浸水后冰冻枝条（模拟冬季降水后结冰的枝条）的接种发病率显著高于相同温度处理未结冰枝条的发病率;在低温冷冻和浸水后冰冻处理的枝条中,一年生枝条的接种发病率显著高于二年生枝条的发病率;一年生枝条经浸水冰冻处理后,梢部的接种发病率显著高于同一枝条基部的发病率;浸水后冰冻再经失水处理枝条（模拟枝条越冬后因大风、高温等失水）,对腐烂病菌的侵染致病更加敏感,接种发病率显著高于浸水后冰冻枝条的发病率,而且失水量越大,接种发病率越高,芽眼部位的接种发病率最高可达85%。【结论】腐烂病菌易在苹果枝干上定殖,定殖病菌主要在伤口或枝干表层死组织内存活并生长,定殖病菌能否侵染致病关键取决于环境因子对枝条栓皮层的破坏;低温冷冻,尤其低于-15℃的低温冻害能破坏枝条的栓皮层和皮层,增加苹果枝条对腐烂病菌侵染致病的敏感性;与低温冷冻相比,浸水后冰冻对枝条栓皮层的破坏作用更大,结冰枝条对腐烂病更加敏感;枝条浸水冰冻后再失水,对枝条的破坏作用尤为严重,枝条越冬后失水能显著增加其对腐烂病菌侵染致病的敏感性;枝条的龄期不同,栓皮层的发育成熟度、强度和韧度各不相同,受不良环境因子的影响后,其受到破坏的程度也不同;树体不同部位栓皮层的结构不同,对腐烂病菌侵染致病的敏感性也存在明显差异。

诱捕器颜色和悬挂高度对番茄潜叶蛾诱捕效果的影响

张桂芬,张毅波,刘万学,张帆,冼晓青,万方浩,冯晓东,赵静娜,刘慧,刘万才,张晓明,李庆红,王树明

中国农业科学. 2021, 54(11):  2343-2354.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.008

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【背景】番茄潜叶蛾（Tuta absoluta）原产于南美洲西部的秘鲁,是近两年传入我国的一种重要农业害虫,对我国农业安全生产构成了潜在巨大威胁。【目的】探究诱捕器颜色和悬挂高度对番茄潜叶蛾诱捕效果的影响,为有效控制番茄潜叶蛾的发生与危害提供依据。【方法】以专一性引诱剂为试验材料,采用行为生态学技术方法,在有机蔬菜生产温棚开展性信息素诱捕器（平面式）颜色和诱捕器悬挂高度对番茄潜叶蛾诱捕效果的对比研究。【结果】白色（对照）、黄色（（575±10）nm）、绿色（（520±10）nm）和蓝色（（465±10）nm）4种颜色性信息素诱捕器均可诱捕到一定数量的番茄潜叶蛾,4种颜色诱捕器61 d平均诱蛾量从高至低依次为蓝色2 548.3头、黄色2 065.8头、绿色1 998.3头、白色1 072.7头/诱捕器。不同颜色诱捕器逐日诱蛾量占比中,蓝色和黄色诱捕器显著高于绿色和白色,依次为蓝色和黄色>绿色>白色,差异明显;逐日诱蛾量中,蓝色诱捕器最高,依次为蓝色>黄色和绿色>白色诱捕器,差异显著;诱蛾效果综合分析结果显示,蓝色>绿色和黄色>白色诱捕器。5种悬挂高度性信息素诱捕器37 d平均诱蛾量依次为0 cm（直接放于地面上）332.2头、0—20 cm为94.2头、60—80 cm为12.4头、120—140 cm为9.2头、180—200 cm为7.4头/诱捕器;不同悬挂高度诱捕器诱蛾量占比中,0 cm显著高于其他4种悬挂高度,依次为0 cm>0—20 cm>60—80、120—140和180—200 cm,差异明显;逐日诱蛾量中,0 cm最高,依次为0 cm>0—20 cm>60—80、120—140和180—200 cm,差异明显;诱蛾效果综合分析结果显示,0 cm>0—20 cm>60—80 cm>120—140和180—200 cm。【结论】在设施蔬菜生产中将蓝色性信息素诱捕器（平面式）直接放于地面对番茄潜叶蛾的诱捕效果最好。

土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境

氮管理对冬小麦产量和品质影响的整合分析

邓丽娟,焦小强

中国农业科学. 2021, 54(11):  2355-2365.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.009

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【目的】氮是影响小麦产量和籽粒蛋白质含量的关键因素之一,然而产量的不断提升一定程度上稀释了籽粒的蛋白质含量,小麦高产和优质难以协同实现。因此如何通过优化氮管理实现小麦增产和籽粒品质的协同提升是小麦可持续生产的关键。【方法】搜集了1990—2017年间发表的2 758个氮管理措施对小麦产量和蛋白质品质影响的研究案例,利用整合分析的方法,评估了氮肥管理方式对小麦产量和籽粒的影响,并且结合氮流动分析方法,提出了综合氮管理措施实现小麦提质增效的方案。【结果】1990—2017年间,总体来讲,增施氮肥小麦产量提高了42%±1.2%,籽粒蛋白质含量提高了19%±0.7%;随着施氮量的增加,小麦产量和籽粒蛋白质含量均呈现先增加后降低的趋势,氮肥的增产效应在施用量200—250 kg N·hm^-2时最显著,而籽粒蛋白质的增加效应在施氮量384 kg N·hm^-2时最显著;小麦产量提高和籽粒蛋白质提升在基追比为1—2时效应最显著。与施氮量>300 kg N·hm^-2相比,将施氮量控制在200—250 kg N·hm^-2能有效降低氮损失,提高氮利用效率。在其他管理措施一致的条件下,与单一优化氮肥用量或基追比相比,同时优化氮肥用量和基追比使氮肥的增产效应提高8%—30%,提质效应提高19%—21%。【结论】增施氮肥能够实现小麦产量提高和籽粒蛋白质含量提升,不同施氮量和基追比对施氮的增产提质效应均有显著影响,同时优化施氮量和基追比的综合氮管理措施不仅能协同实现小麦高产和优质的目标,还能降低环境排放,这为未来的小麦可持续生产管理提供了案例支撑。

耕作覆盖对宁南旱区土壤团粒结构及马铃薯水分利用效率的影响

苗芳芳,勉有明,普雪可,吴春花,周永瑾,侯贤清

中国农业科学. 2021, 54(11):  2366-2376.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.010

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【目的】探讨耕作覆盖对旱作土壤团粒结构、马铃薯产量和水分利用效率的影响。【方法】于2013—2016年进行连续3个作物生长季定位试验,通过设置3种耕作方式（深松、免耕、翻耕）和3种覆盖措施（秸秆覆盖、地膜覆盖和不覆盖）,研究耕作结合覆盖对土壤团聚体数量、土壤蓄水量及马铃薯产量和水分利用效率的影响。【结果】耕作方式、覆盖措施及二者交互作用可显著增加0—40 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量,深松覆盖秸秆处理0—20 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量在欠水年（2016）和相对欠水年（2014）分别较翻耕不覆盖显著提高14.2%、16.9%,而免耕覆盖秸秆处理在平水年（2015）较翻耕不覆盖显著提高8.5%;20—40 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量在欠水年以深松覆盖秸秆、相对欠水年深松覆盖地膜和平水年免耕覆盖秸秆处理最高,分别较翻耕不覆盖显著提高18.2%、21.5%、18.7%。耕作方式、覆盖措施及二者交互作用对0—200 cm土层蓄水量影响显著,深松覆盖秸秆处理休闲期土壤蓄水量分别在相对欠水年、欠水年和平水年较翻耕不覆盖处理显著提高29.6%、9.3%、11.4%;其关键生育时期平均土壤蓄水量分别在欠水年和相对欠水年较翻耕不覆盖显著增加21.9%、28.9%,而免耕覆盖秸秆处理在平水年较翻耕不覆盖处理显著增加17.1%。在相对欠水年,耕作方式对马铃薯产量和水分利用效率无显著影响,而覆盖措施及耕作与覆盖交互作用对其有显著影响,以免耕覆盖秸秆处理最佳,分别较翻耕不覆盖处理显著提高51.8%和50.5%;在平水年和欠水年,耕作方式、覆盖措施及其二者交互对马铃薯产量和水分利用效率有极显著影响,产量、水分利用效率均以深松覆盖秸秆处理效果最佳,平均较翻耕不覆盖处理显著提高56.9%和44.8%。【结论】耕作结合覆盖措施可改善耕层土壤团粒结构,显著增强休闲期和生育期土壤蓄水保墒能力,从而显著提高马铃薯产量和水分利用效率,在平水年和欠水年采用深松结合秸秆覆盖、相对欠水年采用免耕结合秸秆覆盖模式可实现宁南旱作马铃薯增产。

中国甘蔗主产区产量差及影响因素分析

周一帆,杨林生,孟博,战健,邓燕

中国农业科学. 2021, 54(11):  2377-2388.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.011

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【目的】对中国甘蔗主产区的产量潜力与产量差现状进行研究,进而分析讨论产量的主要影响因素及消减产量差的潜力,以期为中国甘蔗增产增效提供参考依据。【方法】基于统计数据和文献数据收集,从国家统计局获得1999—2018年各省（自治区、直辖市）及国家的甘蔗产量及种植面积数据147条;从数据库中国知网和Web of Science对1980—2019年发表的关于中国甘蔗主产区的下种量、施肥量、品种及对应产量的国内外期刊与硕、博士论文等进行检索,排除异常数据后,共获文献93篇,其中广西54篇,云南14篇,广东25篇。以不同产区试验产量数据前5%的平均值为产量潜力,以统计数据平均值为农户产量,以此计算各产区的产量差;进一步分析产量与施肥量、下种量及甘蔗品种的关系,得出各产区的推荐施肥量、下种量及高产品种,并讨论了优化施肥量、下种量和品种消减产量差的潜力。【结果】广西、云南、广东是中国三大甘蔗主产区,产量潜力分别为137.1、147.2、145.8 t·hm^-2,农户平均产量分别为74.2、62.0、78.3 t·hm^-2,分别实现产量潜力的 54.1%、42.1%和53.7%。施肥量、下种量和品种是影响甘蔗产量的主要因素,并仍有较大的优化空间。为提高甘蔗产量,广西产区推荐施肥量270 kg N·hm^-2、99 kg P₂O₅·hm^-2、208 kg K₂O·hm^-2,云南产区推荐施肥量228 kg N·hm^-2、117 kg P₂O₅·hm^-2、281 kg K₂O·hm^-2,广东产区推荐施肥量240 kg N·hm^-2、71 kg P₂O₅·hm^-2、193 kg K₂O·hm^-2;广西、云南、广东推荐下种量分别为8×10⁴—10×10⁴、10×10⁴—12×10⁴、8×10⁴—10×10⁴芽/hm²;三大产区高产品种分别是桂辐系列、桂糖系列和粤糖系列。【结论】广西、云南、广东三大产区甘蔗的增产潜力分别为62.9、85.2、67.5 t·hm^-2;优化施肥可使广西、云南、广东分别增产16.9、28.4、25.3 t·hm^-2,优化下种量可分别增产23.6、27.9、22.1 t·hm^-2,优化品种可分别增产26.8、42.4、15.1 t·hm^-2。

园艺

葡萄种质资源花穗形状分类标准的建立及其动态发育过程分析

黄雨晴,孙艳艳,罗荣峥,阿旺措姆,卢素文,樊秀彩,王晨,刘崇怀,房经贵

中国农业科学. 2021, 54(11):  2389-2405.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.012

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【目的】葡萄是重要的经济果树,果穗形状会影响其经济价值。本研究跟踪调查255份葡萄种质资源的果穗发育过程,建立新的花序形状并完善果穗形状分类标准,为葡萄生产提供理论支撑。【方法】田间跟踪调查255份葡萄种质资源的花穗长宽发育情况,在开花期、果实膨大期以及果实成熟期3个关键时期测量主穗长宽、小穗长宽、小穗角度、果粒横纵径、果粒重以及果柄长,分析果穗形状动态发育过程中各指标变化规律。【结果】基于255份葡萄种质资源的田间调查结果,将花序与果穗形状分为长圆锥、短圆锥、长圆柱、短圆柱并建立新的花序与果穗形状分类标准。调查发现,在葡萄花序发育过程中,52.55%的花序会发生形状变化,以长圆柱花序居多,大多发育为短圆柱果穗。因此,果穗形状形成类型有16种。对葡萄穗长穗宽的分析发现,长圆锥花序在发育过程中具有较高的“稳定性”,对于短圆锥、长圆柱、短圆柱花序而言,穗长对形状影响更大,进一步探究发现小穗长/宽以及小穗角度尤其是上部小穗的长宽与角度是影响花穗形状外缘的主要因素。【结论】本研究将花序与果穗形状分为长圆锥、短圆锥、长圆柱、短圆柱4种,提出了一个花序、果穗的形状分类标准的计算方法,同时对调查数据进行了实际计算与分类。一半以上葡萄花序的形状会发生变化,圆锥花序的形状较稳定。穗长、穗宽、小穗长宽及小穗角度对穗形影响较大,分别表现在影响形状的长宽和外缘,尤其是上部小穗的长宽与角度是影响柱锥判断的最主要原因。小穗角度的变化会影响小穗反映在形状上的有效长度。本研究进一步提出了基于花穗形状的整形修剪方法,可为葡萄的整形修剪提供理论基础。

观赏桃种质资源表型性状多样性评价

张斌斌,蔡志翔,沈志军,严娟,马瑞娟,俞明亮

中国农业科学. 2021, 54(11):  2406-2418.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.013

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【目的】探讨以质量性状和数量性状为依据对观赏桃种质资源多样性进行评价的可行性,为观赏桃种质资源评价和新品种选育提供参考。【方法】采集38份观赏桃种质的10个质量性状（花型、花瓣类型、花瓣颜色、雌雄蕊高度比、花粉育性、萼筒内壁颜色、花药颜色、叶色、树型、生长势）和6个数量性状（花径、节间长度、花芽/叶芽、单花芽/复花芽、花芽起始节位、生育期）数据,并通过赋值法对质量性状指标进行分级。在对所有表型性状进行相关性分析的基础上,对数据进行主成分分析和系统聚类分析。【结果】观赏桃种质数量性状的多样性指数、变异程度均较质量性状高。相关性分析发现这些性状间存在内在的关系,使得信息重叠。进一步进行主成分分析,将16个表型性状指标转化为10个主成分,前6个主成分可反映38份观赏桃种质表型性状的主要特征信息,其所包含的表型性状因子可以作为观赏桃种质创新和亲本选择的主要性状指标。对38份观赏桃种质16个性状的原始数据进行标准化转换,利用欧氏距离、运用离差平方和法进行系统聚类分析,在遗传距离为9附近将其聚为8个类群,发现直观表现特征最明显的树型、花瓣类型、叶色、生长势等是进行不同类群区分的主要表型性状。【结论】利用表型性状数据,以质量性状调查为依据,结合对数量性状的观测,分析观赏桃种质资源多样性并进行评价是可行的。

食品科学与工程

基于适配体的光学和电化学法对食源性致病菌检测的研究进展

惠媛媛,彭海帅,王毕妮,张富新,刘玉芳,贾蓉,任荣

中国农业科学. 2021, 54(11):  2419-2433.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.014

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由于食品的多样性和食品基质的复杂性,食品安全问题已成为全社会共同关注的热点问题,其中微生物引起的食源性疾病居全球食品安全问题之首。食源性致病菌的检测是食源性疾病预防与控制的关键环节。平板计数法被评为微生物检测的金标准,但在致病菌检测过程中信号的放大需要通过单个细胞生长成菌落来实现,因此检测周期较长（3—7 d）。此外,现有的准确检测致病菌的技术有聚合酶链式反应（PCR）和酶联免疫吸附法（ELISA）等,但由于预处理时间长、操作复杂、检测结果存在假阳性等问题,不适合对致病菌进行现场快速有效的检测。核酸适配体是利用指数富集的配体系统进化技术（SELEX）从核酸分子文库中得到的寡核苷酸片段,具有良好的特异性、稳定性、易于修饰和亲和力高等特点,在毒素、抗生素、重金属和致病菌等其他小分子的检测中有很大的潜力。目前,国内外学者已开发了各种基于适配体的检测方法。本文综述了食品中常见的食源性致病菌及其传统的检测方法和近十年来用于致病菌检测的光学和电化学适配传感器,涵盖每种方法的检测策略、检测时间、检测范围和检测限等信息,也提出了适配体传感器在食品安全检测中存在的主要问题,并对其未来研究的发展趋势进行了展望,这些将为今后的研究工作提供一定的基础。

畜牧·兽医·资源昆虫

粒细胞集落刺激因子在羊成纤维细胞中的表达及对细胞增殖和凋亡的影响

李闰婷,陈龙欣,张丽萌,何海迎,王泳,杨若晨,段春辉,刘月琴,王玉琴,张英杰

中国农业科学. 2021, 54(11):  2434-2444.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.015

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【目的】研究粒细胞集落刺激因子（granule cell stimulating factor,GCSF）在羊成纤维细胞体外培养中对其增殖、周期和凋亡的影响,为今后基于羊GCSF为靶标诱导全能干细胞进行分子遗传育种研究提供理论依据。【方法】将羊GCSF真核表达质粒pRTL1-GCSF和对照载体质粒pRTL1分别转染到1×10⁵个细胞/mL的羊成纤维细胞中,培养48 h后,利用Trizol法分别提取总RNA并反转录为cDNA,通过实时荧光定量PCR检测羊GCSF在羊成纤维细胞中的瞬时表达水平。通过GCSF依赖型细胞系NFS-60,利用细胞活力检测试剂alamarBlue测定转染48 h后羊成纤维细胞培养上清中分泌表达的GCSF的生物学活性。通过HEK 293F悬浮培养细胞系真核表达分泌型羊GCSF蛋白后,用Ni-NTA凝胶对细胞表达至细胞培养基中的GCSF蛋白进行纯化,并SDS-PAGE检测。加入纯化的30 ng·mL^-1 GCSF蛋白后在24和48 h时,通过alamarBlue测定羊成纤维细胞的增殖状态,利用流式细胞术检测羊成纤维细胞的细胞周期和凋亡变化。【结果】羊GCSF真核表达质粒转染羊成纤维细胞48 h,检测发现在羊成纤维细胞中GCSF表达量得到显著提高。在羊成纤维细胞中,转染了pRTL1-GCSF质粒的羊GCSF表达量是转染了pRTL1空载对照组的（50 615.92±4 738.83）倍（P<0.01）;羊成纤维细胞瞬时分泌表达的含有GCSF蛋白的培养基上清加入到GCSF依赖型细胞系NFS-60后,试验组和阳性对照组中的NFS-60的荧光强度与阴性对照组和空白对照组相比显著升高（P<0.01）,试验组中的NFS-60的荧光强度与阳性对照组相比均差异不显著（P>0.05）,结果显示羊GCSF能显著刺激NFS-60细胞的增殖,表明在羊成纤维细胞中表达的羊GCSF具有生物学活性。用HEK 293F悬浮培养细胞系真核表达分泌型羊GCSF蛋白后,纯化得到羊GCSF蛋白。在羊成纤维细胞中添加30 ng·mL^-1的羊GCSF后,体外培养24和48 h,GCSF试验组与培养基稀释液对照组相比,细胞活力变化差异不显著,而细胞周期的分布出现显著改变。24 h时,与对照组相比试验组的G1期细胞比例由(55.29±1.68)%增加到(69.37±0.24)%,差异极显著（P<0.01）;S期细胞比例由(15.99±0.38)%变为(15.39±0.60)%,差异不显著（P>0.05）;G2/M期细胞显著增多（P<0.05）,比例由(22.88±1.00)%增大到(26.76±0.82)%。表明在羊成纤维细胞中加入羊GCSF的24 h后,处于分裂状态和间期的细胞显著增多。48 h时,与对照组相比试验组G1期细胞比例由(65.96±0.37)%减少为(45.69±0.26)%,差异极显著（P<0.01）;S期细胞比例由(13.45±1.33)%增加为(37.87±2.43)%,差异极显著（P<0.01）;G2/M期细胞比例由(16.42±1.29)%变为(21.80±1.86)%,差异不显著（P>0.05）。表明加入GCSF的羊成纤维细胞在48 h时,处于间期的细胞显著减少,同时DNA复制状态的细胞显著增多。试验组凋亡率和对照组相比,培养24 h时对照组（Ctr）和试验组（GCSF）的凋亡率分别是(7.51±0.38)%和(9.16±0.46)%。48 h时对照组和试验组的凋亡率分别是(5.73±0.29)%和(5.39±0.27)%。72 h时对照组（Ctr）和试验组（GCSF）的凋亡率分别是(8.88±0.45)%和(5.41±0.27)%,24 h和72 h凋亡率差异极显著（P<0.01）,48 h检测时凋亡率差异不显著（P>0.05）,表明在GCSF添加的24 h内促进了细胞凋亡,随着时间的延长,细胞的凋亡受到抑制。【结论】羊成纤维细胞中可以瞬时过量表达羊GCSF,并具有生物学活性。GCSF不影响羊成纤维细胞的增殖,但可调控其周期,影响细胞凋亡。该结果为今后通过羊成纤维细胞介导GCSF培育具有高免疫力、高抗病性的羊进行分子遗传育种奠定了基础。

畜禽养殖疾病诊断智能传感技术研究进展

李奇峰,李嘉位,马为红,高荣华,余礼根,丁露雨,于沁杨

中国农业科学. 2021, 54(11):  2445-2463.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.016

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畜牧业是我国农业的重要组成部分,目前我国畜牧业向着规模化、集约化发展,同时也增加了畜禽疾病诊断的难度。为提高畜禽养殖中的动物福利水平,并降低畜牧养殖中因动物疫病与健康异常带来的经济损失与公共卫生安全风险,近年出现了一批通过数字化、智能化手段实现畜禽疫病诊疗的自动化方法,如机器视觉分析、动物音频分析、红外温度感知、深度学习分类等,这些方法可以有效提高对患病或异常畜禽动物的诊断效率、缩短诊断周期、降低畜牧养殖中人工巡检劳动力。畜禽疫病自动诊疗方法不同于常规的基于病理学知识的诊断方法,其主要通过各类传感器自动获取畜禽在养殖过程中的图像、声音、体温、心率、排泄物等各类特征信息,而后通过梅尔倒谱系数、Logistics回归分析等数学模型和支持向量机、深度学习等智能算法对采集的信息进行综合分析与处理,并对动物的健康状态做出评价与预测。文章分别从畜禽形态诊断技术、行为诊断技术、声音诊断技术、体温诊断技术、其他生理参数诊断技术等几个方面总结阐述了目前动物疫病智能诊断技术研究的进展和一些基础的方法原理,这些方法基于动物外型与体尺、行为与动作、鸣叫与声音、体温、排泄物、呼吸与心率等数字化特征,通过数学模型对传感器采集到的特征进行实时分析与分归类,基本实现了对理想环境下动物健康状态的评价。目前的畜禽动物疾病自动诊疗技术研究成果丰富,但相关诊断方法大多是在理想环境下进行,而实际的生产养殖环境中干扰因素很大,目前的诊断方法大多无法很好地排除干扰并精确提取出所需特征信息;并且目前的数字化禽畜疾病诊断方法多是基于禽畜的一种特征信息进行分析诊断,这使得诊断系统的诊断准确度受到影响,诊断结果说服力不足。同时目前的大多数数字化禽畜疾病诊断方法还存在诊断泛化能力差、抗干扰能力差等问题,这些问题制约了其推广与应用。未来畜禽疾病自动诊断的研究重点是提高其传感算法的精度和数学模型的适用性与鲁棒性,并进一步发展基于多种特征耦合与数据融合的智能化畜禽疾病诊疗专家系统,争取实现实时、高效、智能、精准的畜禽健康诊断。

东方蜜蜂幼虫封盖信息素含量及生物合成通路

秦秋红,何旭江,江武军,王子龙,曾志将

中国农业科学. 2021, 54(11):  2464-2475.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.017

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【目的】在蜜蜂中,甲基棕榈酸酯（MP）、甲基油酸酯（MO）、甲基亚油酸酯（ML）和甲基亚麻酸酯（MLN）是重要的封盖信息素成分,它们触发成年工蜂对幼虫的封盖行为。本研究旨在比较封盖信息素化学成分在不同封盖时期的东方蜜蜂（Apis cernana）工蜂与雄蜂幼虫体内的含量,并分析其在幼虫体内的生物合成通路,进一步探索蜜蜂幼虫与成年工蜂之间的信息素交流机制。【方法】以中华蜜蜂（Apis cernana cernana）为实验材料,分别取未封盖、正在封盖和已封盖的工蜂与雄蜂幼虫,利用GC/MS分析技术,比较4种封盖信息素成分在不同封盖时期的工蜂与雄蜂幼虫体内的含量;同时利用RNA-seq技术对不同封盖时期的工蜂与雄蜂幼虫进行转录组测序,分析其基因表达差异,并根据差异表达基因KEGG富集分析推测封盖信息素的生物合成通路。【结果】在工蜂幼虫中,4种封盖信息素成分在正在封盖和已封盖幼虫体内的含量均显著高于未封盖幼虫,其中MP和MO的含量均随幼虫日龄增长而显著增加,而ML和MLN的含量在正在封盖和已封盖幼虫体内差异不显著;在雄蜂幼虫中,4种信息素成分含量均随日龄增长而增加,且已封盖幼虫的信息素含量显著高于未封盖和正在封盖的幼虫。对工蜂与雄蜂3个封盖时期幼虫的基因表达量进行组间比较分析,分别从3个比较组中获得4 299和3 926个差异表达基因,并且在差异表达基因KEGG注释分析中分别获得152和130个KEGG通路。根据差异表达基因KEGG富集结果,推测出东方蜜蜂工蜂与雄蜂幼虫可能利用乙酰辅酶A合成MP、MO、ML和MLN的生物合成通路以及11个调控候选基因,并发现该生物合成通路与西方蜜蜂相同。【结论】东方蜜蜂工蜂幼虫与雄蜂幼虫在被封蜡盖的关键阶段增加了MP、MO、ML和MLN的释放量,进一步验证了它们是与蜜蜂封盖行为相关的信息素,并且推测这些信息素可能是在相关基因的调控下由乙酰辅酶A从头合成,而东方蜜蜂幼虫与西方蜜蜂幼虫可能利用相同的生物合成通路进行信息素的生物合成。

研究简报

东北地区10份李种质资源果实香气成分分析

王珊珊,赵晨辉,李红莲,张冰冰,梁英海,宋宏伟

中国农业科学. 2021, 54(11):  2476-2486.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.018

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【目的】以东北地区10份李种质资源果实为供试材料,进行香气成分分析及特异香气成分精准鉴定,明确起主要贡献作用的李果实特异香气成分,筛选东北地区富含香气的优异李资源,为李香气高效育种和分子水平基础研究提供数据参考。【方法】应用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用技术,对李果实的香气成分进行测定,利用香气强度值（OAV）和主成分分析（PCA）对李果实中的特异香气成分进行鉴定和分析。【结果】10份李种质资源果实共检测出香气成分63种,其中,共有香气成分有9种,分别为右旋柠檬烯、(E)-2-己烯醛、(E)-2-辛烯醛、(E)-2-壬烯醛、癸醛、2-壬酮、2,6,6-三甲基-2-环己烯-1,4-二酮、2,4-二叔丁基苯酚、伞花烃。‘牡红甜李’‘绥棱红’‘跃进李’‘红干核’‘黄干核’‘幸运’‘大玫瑰’和‘四丰李’香气的主要种类为醛类,‘牛心李’和‘香蕉李’香气的主要种类为酯类。香气PCA结果表明,10份李资源可分为3类,‘牡红甜李’‘绥棱红’‘跃进李’‘红干核’‘黄干核’‘幸运’‘大玫瑰’和‘四丰李’为一类,‘香蕉李’和‘牛心李’各自为一类。香气OAV结果显示,10份李资源共有的特异香气成分是(E)-2-己烯醛和2-壬酮,‘牛心李’特有的特异香气成分是丁酸乙酯、癸酸乙酯和乙酸异戊酯,‘香蕉李’特有的特异香气成分是乙酸丁酯和丙酸己酯,‘牡红甜李’特有的特异香气成分是α-蒎烯,‘绥棱红’特有的特异香气成分是(E)-2-庚烯醛。【结论】β-紫罗酮是东北地区分布的‘牡红甜李’‘绥棱红’‘跃进李’‘红干核’‘黄干核’‘香蕉李’和‘四丰李’特有的特异香气成分。‘牡红甜李’‘牛心李’和‘香蕉李’特异香气成分丰富,为李优异香气资源。