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2022年 第55卷 第9期 刊出日期：2022-05-01

  

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中国农业科学. 2022, 55(9):  0.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022-9-0

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作物遗传育种·种质资源·分子遗传学

基于杂交种群体的玉米产量及其配合力的全基因组关联分析

李周帅,董远,李婷,冯志前,段迎新,杨明羡,徐淑兔,张兴华,薛吉全

中国农业科学. 2022, 55(9):  1695-1709.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.001

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【目的】通过分析陕A群和陕B群选育自交系组配的杂交种产量,评估自交系的配合力,并开展以产量和配合力为目标性状的全基因组关联分析,挖掘产量及其配合力的关联位点,为陕A群和陕B群选育玉米自交系的改良及育种中的应用提供依据。【方法】基于NCⅡ遗传设计,以陕A群和陕B群选育的85份优良玉米自交系为亲本,构建包含246份F₁的杂交种群体,在3个环境下进行产量测试,并评估产量的一般配合力和特殊配合力;利用6H90K芯片进行亲本基因型检测,获得63 879个高质量SNP标记,并进行群体遗传特征分析,在杂交种群体推测出高质量SNP标记55 951个,采用加性模型和非加性模型对杂交种产量、一般配合力和特殊配合力开展了全基因组关联分析,并基于B73参考基因组对显著关联SNPs内的基因进行挖掘和功能注释。【结果】3个环境下的产量表现符合正态分布且变异广泛,产量广义遗传力为59.04%,环境效应显著;杂交种产量、一般配合力和特殊配合力三者之间均达到极显著相关性,杂交种产量与特殊配合力的相关性（r=0.95）大于与一般配合力的相关性（r=0.62）;陕A群与陕B群遗传特征具有一定差异,陕A群具有较高的一般配合力。全基因组关联分析分别检测到7、5和9个SNP与杂交种产量、一般配合力和特殊配合力显著相关（-log₁₀(P)>3.86）,其中4个SNP为杂交种产量和特殊配合力共定位,最终锚定了17个关联SNP。对不同性状关联位点的优势等位基因型分析发现,4个GCA关联SNP受加性效应控制,F₁产量BLUE关联位点可分为4种表现形式,以显性效应为主,其杂合基因型为最优等位基因型或次优等位基因型。通过功能注释发现,候选基因在玉米生长发育和籽粒建成中特异表达,例如GRMZM2G165828、GRMZM2G057557均与玉米籽粒发育相关。【结论】一般配合力和特殊配合力共同影响杂交种的产量,特殊配合力效应影响更大;一般配合力和特殊配合力具有不同的遗传基础,可通过有利等位基因聚集提高一般配合力。在F₁杂交种群体采用全基因组关联分析策略可开展配合力相关遗传解析,挖掘产量及其配合力相关遗传位点,可加速关联位点在分子育种中的应用。

在中国大豆品种上创建ALSV诱导的基因沉默体系

董永鑫,卫其巍,洪浩,黄莹,赵延晓,冯明峰,窦道龙,徐毅,陶小荣

中国农业科学. 2022, 55(9):  1710-1722.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.002

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【目的】在中国大豆品种上建立以苹果潜隐球形病毒（apple latent spherical virus,ALSV）为载体的基因沉默体系,为中国大豆品种的基因功能和遗传育种提供一种简便、省时、易操作的技术体系。【方法】构建以农杆菌介导接种的ALSV病毒侵染性克隆载体。从大豆品种威廉姆斯82（Williams 82）中特异扩增327 bp的八氢番茄红素脱氢酶（GmPDS）基因cDNA片段,插入病毒载体pALSV2。通过农杆菌浸润法将病毒载体导入模式植物本氏烟（Nicotiana benthamiana）,17 d后富集病毒粒子,摩擦接种大豆第一轮真叶,以接种病毒空载作为对照组,持续观察测试大豆植株系统叶表型,并结合逆转录-聚合酶链式反应（RT-PCR）或荧光定量PCR（qRT-PCR）检测ALSV衣壳蛋白基因（CP）和GmPDS的表达水平。【结果】ALSV﹕GmPDS接种大豆品种威廉姆斯82和南农1138-2,20 d后,前者系统叶未见白化表型,而后者系统叶出现明显的白化表型;qRT-PCR检测结果表明,发生白化的南农1138-2植株中GmPDS的表达水平显著降低,未出现白化表型的威廉姆斯82中GmPDS的表达水平没有出现显著变化。在此基础上,采用相同的方法,测试了ALSV在其他9种大豆品种中诱导GmPDS的沉默效率,发现在南农47、安豆203、祥斗4号、中黄13、山宁29、齐黄34等大豆品种上接种ALSV﹕GmPDS后植株系统叶均产生白化表型,而菏豆12、中黄311和山宁16等3个品种的GmPDS均不能诱导有效沉默。【结论】构建了农杆菌介导的ALSV病毒载体,利用本氏烟扩繁富集ALSV病毒,将提纯的病毒粒体摩擦接种大豆真叶,在多个中国大豆品种上成功建立了基因沉默体系。

苦荞愈伤遗传转化体系的优化及用于FtCHS1的过表达分析

赵海霞,肖欣,董玘鑫,吴花拉,李成磊,吴琦

中国农业科学. 2022, 55(9):  1723-1734.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.003

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【目的】建立和优化苦荞愈伤组织遗传转化体系,为苦荞基因功能验证及分子育种提供研究工具。【方法】以苦荞品种“西荞二号”为材料,对苦荞愈伤遗传转化条件进行优化,包括苦荞外植体类型、诱导愈伤的激素比例、继代培养基的激素比例及农杆菌类型。利用苦荞类黄酮生物合成关键酶基因FtCHS1的过表达验证优化后的遗传转化体系。通过PCR筛选和荧光观察鉴定阳性株系,采用紫外分光光度法和高效液相色谱法（high performance liquid,HPLC）测定花青素及黄酮醇支路代谢物含量,使用实时荧光定量PCR分析类黄酮合成相关基因的表达,比较FtCHS1过表达愈伤组织与对照组的差异。【结果】苦荞诱导愈伤组织的最佳外植体为下胚轴,其最适诱导培养基为MS+0.8 mg·L^-1 6-BA+3.5 mg·L^-1 2,4-D,诱导率达72%;最优继代培养基为MS+3 mg·L^-1 6-BA+1 mg·L^-1 KT,愈伤组织增殖率与增殖系数分别为98%和1.09;转化过程中的最佳农杆菌是GV3101,转化效率达31.3%;FtCHS1过表达愈伤组织中,花青素、芦丁和杨梅素的含量显著高于对照（P<0.05）,山奈酚和槲皮素的含量极显著高于对照组（P<0.01）;外源FtCHS1的过表达对转基因愈伤组织中5个内源同源基因FtCHSs的表达水平没有影响（P>0.05）,而FtCHI、FtF3H、FtFLS1、FtFLS2、FtFLS3和FtDFR1等黄酮合成途径关键酶基因均上调表达（P<0.05）。此外,特异性正调控黄酮醇合成的转录因子基因FtMYB5和FtMYB6上调表达,而花青素合成抑制子基因FtMYB8的表达降低（P<0.05）。【结论】建立了苦荞愈伤组织遗传转化体系,过表达FtCHS1的苦荞愈伤组织通过上调黄酮合成相关基因的表达增加类黄酮物质的积累。

耕作栽培·生理生化·农业信息技术

不同氮用量对四川春玉米光合特性、氮利用效率及产量的影响

熊伟仡, 徐开未, 刘明鹏, 肖华, 裴丽珍, 彭丹丹, 陈远学

中国农业科学. 2022, 55(9):  1735-1748.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.004

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【目的】明确不同施氮量下春玉米产量形成的光合机制,分析不同施氮量对氮肥利用率、土壤氮素盈余量等的影响,为当地合理施用氮肥,促进春玉米高产高效提供理论参考。【方法】以玉米品种仲玉3号为试验材料,分别于2019、2020年在四川农业大学雅安试验农场的肥效长期定位试验地进行田间试验,设置5个供氮水平,分别为0（不施氮）、90 kg·hm^-2（低氮）、180 kg·hm^-2（适量氮）、270 kg·hm^-2（农民习惯施氮）、360 kg·hm^-2（高氮）,记为N0、N1、N2、N3、N4。于拔节期、吐丝期和灌浆期测定叶面积,分别计算叶面积指数、光合势;于灌浆期测定穗位叶净光合速率等光合参数以及吐丝期、灌浆期测定叶绿素含量;吐丝期、灌浆期、收获期测定地上部群体干物质积累量,收获时测定产量,分析各部位氮含量,计算土壤氮素盈余量、春玉米氮素利用效率和施氮经济效益。【结果】（1）春玉米产量随施氮量增加先升后持平,2019、2020两年都是N2处理的产量最高,平均为9 746 kg·hm^-2,相较于N0、N1处理分别增产179%、28.7%（P<0.05）,而N2与N3、N4处理间产量无显著差异。两年产量经线性+平台拟合,平台施氮量为134.8 kg·hm^-2,平台产量为9 604 kg·hm^-2,此时产投比也最高（12.6）。（2）适量施氮（N2）相比不施氮均显著提高穗位叶叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及叶面积指数和光合势等,继续增施氮肥上述指标无显著差异甚至显著降低。（3）结合光合特性与收获期产量的相关性分析及偏最小二乘法分析表明,春玉米光合势、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、叶面积指数、叶绿素a+b与产量均呈极显著正相关关系（P<0.01）,且影响春玉米产量的主导因素是叶绿素a+b。（4）收获期籽粒氮素积累量和地上部氮总积累量两年都是随施氮量增加先显著上升,在N2处理后（超过180 kg·hm^-2）微弱上升或基本持平;经拟合表明土壤氮素盈余量为0时施氮量为139 kg·hm^-2;春玉米氮肥表观利用率两年都是N2处理最高,平均达73.7%,较N1处理提高10.8%（P<0.05）,继续增施氮肥,氮肥表观利用率则显著下降,N3、N4处理氮肥表观利用率相较于N2处理分别降低32.9%和48.1%（P<0.05）。【结论】适量施氮能明显提高春玉米叶片光合性能,延缓穗位叶总叶绿素的降解,延长光合作用持续期,优化总叶绿素、叶面积指数和光合势在春玉米产量形成中的作用。同时,适量施氮能显著增加地上部群体干物质积累量和籽粒产量,促进玉米对氮素的吸收与积累,降低土壤氮素残留,提高氮肥表观利用率。综合产量、施肥经济效益、氮肥表观利用率和氮素盈余量等因素,试验区（四川雅安）氮素投入量为139—180 kg·hm^-2能维持春玉米的高产高效目标。

减量施氮对套作玉米大豆叶片持绿、光合特性和系统产量的影响

李易玲, 彭西红, 陈平, 杜青, 任俊波, 杨雪丽, 雷鹿, 雍太文, 杨文钰

中国农业科学. 2022, 55(9):  1749-1762.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.005

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【目的】探究不同种植模式和施氮水平下玉米大豆的叶片持绿、光合和系统产量特性。【方法】通过田间定位试验研究种植方式(玉米单作(MM)、大豆单作(SS)、玉米套作(IM)、大豆套作(IS))和施氮水平(不施氮(NN)、减量施氮(RN：180 kg N·hm^-2)、常量施氮(CN：240 kg N·hm^-2))对玉米大豆叶片持绿、光合特性以及其干物质积累和系统产量的影响。【结果】玉米产量随施氮量增加而增加,大豆产量随施氮增加先增后降;RN下,IM的籽粒干物质积累量最大,玉米大豆套作系统的总产量最高,系统生产力指数（SPI）最大。套作下各作物的叶片持绿期更长,光合特性指标均较单作稳定,且在籽粒形成期优于单作;各施氮水平下,套作处理的绿叶百分比均显著高于单作,IM的最大绿叶衰减速率出现天数比MM的分别晚7 d、5 d和1 d;IS的则比SS的分别晚7 d、0 d和11 d。相比单作,套作可以显著降低各施氮水平下玉米叶片的平均衰减速率,延长最大衰减速率出现天数,降低绿叶衰减程度。各作物的光合速率表现为套作高于单作,减量施氮高于常量施氮。玉米R2期,IM的叶片光化学淬灭系数（Qp）比MM的高12.78%,非光化学淬灭系数（NPQ）则低21.30%;NPQ随施氮水平的增加而降低,RN比NN降低了17.11%。套作SPAD值波动幅度弱于单作,且呈稳定上升趋势;玉米R2期,IM比MM高34.52%,大豆R2和R6期,IS分别比SS高10.39%、29.48%;RN的SPAD值最高,玉米R2期,IMRN处理比IMNN处理高17.46%,MMRN处理比MMNN处理高35.02%;大豆R6期,ISRN处理比ISNN和ISCN处理分别高7.71%、6.67%,SSRN处理比SSCN处理高10.03%。【结论】减量施氮下,玉米大豆套作显著延长了叶片的持绿期;花后叶片的光合速率、PSⅡ光合机构功能、叶绿素都保持在较高的水平且比单作稳定,籽粒干物质积累增强,充分发挥了玉米的生产潜力并增加了大豆产量,使得套作系统总产量显著提高。

全球气候变暖对中国种植制度的可能影响XIV.东北大豆高产稳产区及农业气象灾害分析

郭世博, 张方亮, 张镇涛, 周丽涛, 赵锦, 杨晓光

中国农业科学. 2022, 55(9):  1763-1780.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.006

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【目的】大豆是主要的粮油兼用作物,东北三省是我国大豆主产区,研究气候变化背景下东北三省大豆气候生产潜力高产稳产性区域分布及其变化特征,明确不同区域限制大豆高产稳产性的主要农业气象灾害,可为东北三省大豆合理布局、防灾避灾以及高产稳产提供科学参考。【方法】以1981年为时间节点,将研究时段划分为1961—1980年（时段Ⅰ）和1981—2019年（时段Ⅱ）两个时段,利用调参验证后的DSSAT-CROPGRO-Soybean模型模拟研究区域大豆潜在种植区各站点气候生产潜力,明确气候变化背景下大豆气候生产潜力高产稳产性区域分布及其变化特征;结合大豆冷害和干旱指标,明确不同高产稳产性区域冷害和干旱的时空分布特征;结合统计方法,明确限制大豆高产性和稳产性的主要农业气象灾害因子。【结果】（1）与1961—1980年（时段Ⅰ）相比,1981—2019年（时段Ⅱ）大豆潜在种植区增加2.81×10⁶ hm²,占研究区域总土地面积的3.57%;（2）与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ稳产区面积占比减少,其中高产稳产区面积占潜在种植区内总土地面积的比例由17.67%减少到17.11%,高产不稳产区占比由13.54%增加到15.13%,低产稳产区占比由34.98%增加到38.17%,低产不稳产区占比由18.58%减小到18.49%;（3）研究时段内,大豆生长季冷害发生频次总体呈现先上升后下降趋势,高产稳产和高产不稳产区冷害特别是严重冷害发生频次高于低产稳产区以及低产不稳产区;大豆生长季轻旱和中旱发生频次增加,重旱发生频次减小;（4）大豆产量变化与冷害发生频次呈负相关关系,产量变异性的变化与冷害和干旱发生频次均呈正相关关系。【结论】气候变暖背景下,东北三省大豆潜在种植区呈北移西扩趋势,可种植面积增加;大豆高产不稳产和低产稳产面积增加,高产稳产区和低产不稳产区面积减少;不同高产稳产性区域内主要农业气象灾害不同,低产区较高产区总体低温冷害发生频次高,不稳产区较稳产区干旱发生频次高。但在高产稳产性变化区域,冷害发生频次下降,干旱发生频次上升。总体而言冷害是大豆高产性的主要限制因子,冷害和干旱是大豆产量不稳定的主要限制因子。

植物保护

亚油酸乙醇胺诱导番茄对灰葡萄孢抗性的作用及机制

邵淑君,胡璋健,师恺

中国农业科学. 2022, 55(9):  1781-1789.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.007

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【背景】灰葡萄孢（Botrytis cinerea）引起的灰霉病是危害番茄（Solanum lycopersicum）的重要病害之一,防治不及时可造成30%—40%减产。目前生产上多以化学防治为主,但存在农产品安全及环境污染的风险。N-酰基乙醇胺（NAE）是植物体内天然存在的一类脂质生物活性化合物,其在哺乳动物中具有多种免疫功能,但其在植物免疫中的作用和机制尚不清楚。【目的】探讨N-酰基乙醇胺在诱导番茄对灰葡萄孢防御中的作用,为研发番茄灰霉病绿色防控技术提供依据。【方法】将灰葡萄孢分别接种在含有硬脂酰乙醇胺（NAE 18:0）、亚油酸乙醇胺（NAE 18:2）、廿二碳五烯酸乙醇胺（NAE 22:5）的培养基上,观察灰葡萄孢的生长情况。在此基础上,以番茄‘Moneymaker’植株为材料,硬脂酰乙醇胺、亚油酸乙醇胺、廿二碳五烯酸乙醇胺外源处理番茄叶片后接种灰葡萄孢,统计病情指数,测定荧光参数。采用qRT-PCR技术明确亚油酸乙酰胺处理后番茄叶片灰葡萄孢Actin的相对表达量,进一步测定番茄叶片中主要抗病基因PI I、PR-1、NPR1、Nr、ACO1、PYR1a等的相对表达量及茉莉酸（jasmonic acid,JA）、水杨酸（salicylic acid,SA）、乙烯（ethylene,ETH）、脱落酸（abscisic acid,ABA）、生长素（indoleacetic acid,IAA）含量。并以乙烯信号转导突变体植株never ripe（nr）及对照植株Pearson（PB）为材料,在外源亚油酸乙酰胺处理后接种灰葡萄孢,测定番茄叶片叶绿素荧光参数和灰葡萄孢Actin的相对表达量。【结果】体外培养试验结果表明灰葡萄孢生长并不受外源N-酰基乙醇胺的影响,外源施用N-酰基乙醇胺能显著提高番茄植株对灰霉病的抗性,缓解由灰葡萄孢侵染导致的番茄叶片光系统II实际光化学效率（Φ_PSII）的下降。3种N-酰基乙醇胺中,亚油酸乙醇胺施用后番茄叶片灰霉病病情指数下降最为明显,灰葡萄孢Actin的相对表达量下调60%,其诱导灰霉病抗性效果最佳。番茄植株接种灰葡萄孢后抗性基因PI I、PR-1、NPR1、Nr、ACO1的表达水平均有不同程度上调。外源亚油酸乙醇胺处理使得番茄响应灰葡萄孢接种后PI I、Nr、ACO1的表达进一步增强,其中乙烯合成基因ACO1的表达水平最高。番茄植株接种灰葡萄孢后叶片水杨酸、茉莉酸、生长素和乙烯含量增加,但外源亚油酸乙醇胺处理并接种灰葡萄孢后只有乙烯含量显著增加。进一步研究发现,番茄乙烯突变体nr植株中,外源亚油酸乙醇胺对灰葡萄孢的抗性诱导作用显著受到抑制。【结论】外源施用亚油酸乙醇胺能够提高番茄内源光合效率和抗病基因的表达及内源激素乙烯的含量,增强番茄植株对灰霉病的抗性,推测其诱导抗性作用可能与乙烯信号路径相关。

宽胫夜蛾性信息素类似物的合成及其生物活性

李慧,尹士采,郭宗香,马好运,任梓齐,折冬梅,梅向东,宁君

中国农业科学. 2022, 55(9):  1790-1799.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.008

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【背景】近年来,随着新引种作物藜麦种植面积的显著增长,取食藜属植物的宽胫夜蛾（Protoschinia scutosa）逐渐增多并成为危害藜麦的主要害虫,对我国农作物生产构成潜在威胁。【目的】通过对宽胫夜蛾性信息素组分母体结构顺-11-十六碳烯乙酸酯（Z11-16:Ac）极性基团修饰,设计合成两种不同类型的类似物,并对其生物活性进行测定,为利用性信息素及类似物绿色防控宽胫夜蛾提供理论依据。【方法】以性信息素前体顺-11-十六碳烯醇（Z11-16:OH）为原料,三乙胺作缚酸剂(与酸酐反应时需加入催化剂4-二甲氨基吡啶),分别与2-溴丙酰氯、2-氯乙酰氯、二氟乙酸酐、三氟乙酸酐、甲基丙烯酰氯、2-丁烯酰氯发生酯化反应,经过柱层析分离纯化,合成卤素原子修饰的性信息素类似物K1—K4和碳链末端双键修饰的类似物K5—K6。采用梯度稀释配制不同浓度（0.001、0.01、0.1、1、10、100 μg·μL^-1）的类似物K1—K6溶液,利用不同浓度类似物直接刺激宽胫夜蛾雄蛾触角,测定类似物K1—K6的触角电生理（EAG）响应值;在性信息素诱芯中添加不同剂量的类似物配制性信息素类似物诱芯,于2021年夏季在北京延庆地区进行田间诱捕试验,根据统计诱芯的雄蛾诱捕量对类似物活性进行分析。【结果】类似物刺激浓度从0.001 μg·μL^-1增至100 μg·μL^-1,雄蛾触角对类似物K1—K5的EAG响应值呈现出逐渐增大的趋势。其中宽胫夜蛾雄蛾触角对化合物顺-11-十六碳烯-2-溴丙酸酯（K1）的响应最强烈,在100 μg·μL^-1下EAG响应值为1.34 mV。而类似物K5、K6的EAG活性相对较低,其EAG响应值在100 μg·μL^-1下分别为0.67、0.57 mV。田间诱捕试验表明合成的6种类似物均表现出较好的生物活性。其中类似物K5添加剂量为100 μg时,15 d平均诱捕量最高,为35.00头,显著高于性信息素对照。类似物K1添加剂量为10 μg时,15 d平均诱捕量为32.33头,显著高于性信息素对照。【结论】经过EAG测定和田间试验验证,类似物K1和K5表现出显著的增效活性,可作为宽胫夜蛾性信息素的增效剂;添加不同剂量的类似物K2、K3、K4、K6表现出了与性信息素相当的活性。研究结果可为宽胫夜蛾的绿色防控提供科学依据。

土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境

基于小麦产量与籽粒锰含量的磷肥优化管理

王浩琳,马悦,李永华,李超,赵明琴,苑爱静,邱炜红,何刚,石美,王朝辉

中国农业科学. 2022, 55(9):  1800-1810.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.009

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【目的】通过研究我国北方八省区不同土壤有效磷水平和施磷量条件下小麦产量和籽粒锰含量的变化规律,为提高小麦产量、调控小麦锰营养水平和保障粮食安全生产提供依据。【方法】于2018—2019年在我国北方山西、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、内蒙古、黑龙江8个省区的34个地点布置田间试验,设置农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理,研究北方八省区小麦的产量和籽粒锰含量及不同土壤有效磷水平下监控施磷及不施磷对小麦产量和籽粒锰含量的影响。【结果】在我国北方八省区,小麦产量平均为6 066 kg·hm^-2,籽粒锰含量平均为42 mg·kg^-1。籽粒锰含量<32 mg·kg^-1的试验点占8.8%,>44 mg·kg^-1的占36.8%,籽粒锰含量偏高的问题应引起注意。随土壤有效磷含量增加,小麦产量和籽粒锰含量均显著提高,有效磷含量20—30 mg·kg^-1时小麦产量最高,有效磷含量>40 mg·kg^-1时籽粒锰含量最高。监控施肥与农户施肥处理相比,其磷肥用量平均降低了45.4%,但两者产量分别为6 358和6 222 kg·hm^-2,籽粒锰含量分别为42.8和43.6 mg·kg^-1,无显著差异。不同土壤有效磷水平下,监控施肥处理的小麦产量均无显著降低;土壤有效磷<10 mg·kg^-1时,不施磷肥降低了小麦籽粒锰含量,也降低了产量,而监控施肥仅降低了籽粒锰含量;其他土壤有效磷水平下,监控施肥均不降低籽粒锰含量。土壤有效锰含量亦随土壤有效磷含量的提高而升高,小麦籽粒锰含量与土壤有效锰含量呈显著正相关。【结论】为实现小麦高产和适宜的籽粒锰含量,土壤有效磷应维持在20—30 mg·kg^-1;采用监控施肥技术科学优化施磷,不会降低小麦产量,但当土壤有效磷含量<10 mg·kg^-1,不施磷肥虽能降低小麦籽粒锰含量,但存在小麦减产的风险。

中国草地地上生产力氮素敏感性的时空变化

侯将将,王金洲,孙平,朱文琰,徐靖,卢昌艾

中国农业科学. 2022, 55(9):  1811-1821.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.010

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【目的】评估中国草地地上生产力氮限制强度的时空变化,为全球环境变化背景下草地适应性管理和氮循环模拟评估提供参考。【方法】以中国草地为研究对象,系统收集了1980—2020年已发表的423组氮添加试验数据,整合分析地上生产力响应比（lnRR）和氮素敏感系数（lnRR/N,即lnRR与氮添加量的比值）及其影响因素。利用直线、双直线和逐步回归等方法,评估了lnRR/N的时空动态及其驱动因子。【结果】lnRR随氮添加量的增加总体呈先增加后持平的趋势。当氮添加量超过（21.1±5.5）g N·m^-2·a^-1（平均值±95%置信区间）时,lnRR达到最大值（0.60±0.08）。整合分析结果显示,lnRR/N总体平均为0.043±0.004,即单位氮添加量（1 g N·m^-2·a^-1）可提高地上生产力（4.36±0.38）%,且因草地类型、氮添加量、试验持续年限和年代而异。时间尺度上,过去40年来lnRR/N呈显著降低趋势,且在相对湿润（年降水量MAP>450 mm）和温暖区（年均温MAT>4.5℃）的下降速率是相对干旱（MAP≤450 mm）和寒冷区（MAT≤4.5℃）的1.5—1.7倍。空间尺度上,降水量和土壤养分是lnRR/N变化的主要影响因子。其中,lnRR/N随着MAP的增加而增加,随着土壤氮含量的增加而降低。在相对湿润区,lnRR/N的变化由土壤氮含量和MAP共同占主导,而在相对干旱和温暖区则分别由MAP和MAT占主导。【结论】中国草地地上生产力仍受氮限制,但在全球环境变化背景下生产力氮限制强度或氮素敏感性持续减弱,尤其以相对湿润区和温暖区最为明显。要准确评估草地生态系统对全球环境变化的响应,需更多关注生产力关键限制因子及其限制强度的时空变化。

园艺

生菜LsPHYB可变剪接体的克隆与高温诱导表达模式

隋心意,赵小刚,陈鹏宇,李亚灵,温祥珍

中国农业科学. 2022, 55(9):  1822-1830.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.011

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【目的】光敏色素B（phytochrome,PHYB）是光和温度的受体。通过克隆光敏色素B基因（PHYB）可变剪接体并分析其在高温诱导下的表达模式,探究LsPHYB可变剪接体在生菜响应环境高温中的生物学功能,为培育耐热性生菜提供理论依据。【方法】采用生物信息学方法在生菜的基因组数据库搜索获得LsPHYB的cDNA序列的相关信息;对克隆得到的3个可变剪接体LsPHYB1、LsPHYB2和LsPHYB3进行多序列比对、可变剪接方式分析及系统进化树分析;通过在线软件预测PHYB1、PHYB2和PHYB3蛋白分子量、等电点和亲水性、疏水性等蛋白质理化性质,并通过生物信息学软件预测三者的二级结构、三级结构和保守结构域;采用荧光定量PCR（qRT-PCR）检测PHYB1、PHYB2和PHYB3在高温处理后的表达特征。【结果】克隆获得的生菜LsPHYB的3个可变剪接体LsPHYB1、LsPHYB2和LsPHYB3的CDS长度分别为3 509、3 877和2 690 bp,编码氨基酸长度分别为1 094、960和853 aa。其中LsPHYB1发生可变3′端位点和外显子跳跃类型可变剪接,LsPHYB2发生选择性保留polyA尾和内含子保留型可变剪接,LsPHYB3发生外显子跳跃类型可变剪接。保守结构域分析表明PHYB2的N端缺少PAS和PHY功能域;PHYB3的N端缺少PAS和PHY功能域,C端缺少HisKA功能域;系统进化树分析表明,3个可变剪接体聚为一支。qRT-PCR分析表明在高温处理第1天,LsPHYB3的表达量最高;在高温处理第5—9天,LsPHYB2的表达量高于LsPHYB1和LsPHYB3;在高温处理第11天,LsPHYB1的表达量高于LsPHYB2和LsPHYB3,处理11 d内三者表达量达到峰值的时间不同。【结论】高温下生菜LsPHYB的转录本存在3个可变剪接体LsPHYB1、LsPHYB2和LsPHYB3。LsPHYB3在高温处理前期高表达,LsPHYB2、LsPHYB1分别在高温处理中期、后期高表达,推测生菜3个LsPHYB可变剪接体在抗高温胁迫中发挥不同的作用。

高茶氨酸茶树新品系‘福黄1号’黄化变异机理

林馨颖,王鹏杰,杨如兴,郑玉成,陈潇敏,张磊,邵淑贤,叶乃兴

中国农业科学. 2022, 55(9):  1831-1845.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.012

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【目的】分析茶树黄化变异相关的代谢和转录机制,探究高茶氨酸茶树新品系‘福黄1号’的黄化变异和高茶氨酸形成机理。【方法】以茶树‘福安大白茶’及其黄化突变种质‘福黄1号’为试验材料,利用超微电镜、广泛靶向代谢组学、靶向代谢组学及转录组学联合分析,确定茶树黄化变异相关的色素、代谢物及转录组数据。【结果】超微结构显示,‘福黄1号’的叶绿体类囊体呈现丝状,基粒片层排列散乱不规则,片层间疏松,存在许多异常的囊泡。色素含量测定表明,叶绿素a和叶绿素b含量显著下降,叶绿素a/b比率下降,相关基因SGR表达显著下调,黄化叶片中光捕获叶绿素a/b蛋白（LHC）表达显著下调。类胡萝卜素总含量虽然差异不大,但各组分含量显著变化,玉米黄质为唯一显著增加的组分,其调控基因VDE表达显著上调,其余组分含量均下降。与‘福安大白茶’相比,‘福黄1号’中共鉴定到680个差异表达基因（DEGs）和57个显著变化的代谢物（SCMs）。KEGG富集分析表明,SCMs和DEGs显著富集到氨基酸生物合成、谷胱甘肽代谢以及TCA循环等途径。此外,与碳和氮代谢相关的通路也被激活。通过靶向测定,共鉴定到19种游离氨基酸,新品系‘福黄1号’游离氨基酸含量显著高于‘福安大白茶’,达到97.13 mg∙g^-1,其中茶氨酸为66.90 mg∙g^-1,占氨基酸含量的68.89%,而精氨酸含量达到8.46 mg∙g^-1,是‘福安大白茶’的56.4倍。调控氨基酸合成的GOGAT和GLU的表达量上调1.17倍和3.17倍。【结论】‘福黄1号’的芽叶色泽主要受叶绿素、类胡萝卜素和类黄酮等色素代谢的影响,SGR和4种LHCs的共同作用也可能影响叶绿体的生物合成来调节叶片色泽。‘福黄1号’茶氨酸含量显著高于‘福安大白茶’的原因主要是泛素化相关的蛋白质水解酶表达上调蛋白降解能力加强,叶绿素和其他含氮分子生物合成的减少,以及黄化叶中碳骨架的缺乏,氨基和氮资源被更有效地储存,使得与氨基酸合成相关的氮代谢激活,茶氨酸合成前体物质之一的谷氨酸积累,这可能促使茶氨酸成为黄化叶中显著积累的含氮化合物。

食品科学与工程

灭菌猪肉浆中发酵菌株脂质水解和氧化能力分析

王吉,张鑫,胡静荣,于智慧,朱迎春

中国农业科学. 2022, 55(9):  1846-1858.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.013

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【目的】筛选具有较强脂质水解能力和抗氧化能力的发酵菌株,为研发新型发酵剂提供理论基础。【方法】在无菌猪肉浆体系中分别接种木糖葡萄球菌（Staphylococcus xylosus）YSZ11、YCC3,腐生葡萄球菌（Staphylococcus saprophyticus）YCC2,巨球菌（Macrococcus caseolyticus）YZC2、YZC3,并设立不接种发酵菌株为对照组（CK）,测定发酵4 d内猪肉浆pH、过氧化值（peroxide value,POV）、硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid reactive substances,TBARS）值、脂肪酶活力、脂质组成和游离脂肪酸含量的变化。【结果】5株发酵菌株均可以降低猪肉浆体系的pH,POV和TBARS值分别为2.51—2.96 mmol·kg^-1和0.21—0.24 mg/100 g,显著低于CK组（P<0.05）。在5组接种发酵菌株的猪肉浆中检测到了中性脂肪酶、酸性脂肪酶和磷脂酶3种酶活力,且后两者活性较高。发酵4 d后,接种发酵菌株组的磷脂含量显著降低（P<0.05）,游离脂肪酸含量增加了21.1%—73.7%,其中饱和脂肪酸总量显著降低,不饱和脂肪酸含量显著增加,尤其是棕榈油酸（C_16:1）、油酸（C_18:1）和亚油酸（C_18:2）含量较高,并检测到亚麻酸（C_18:3）。【结论】本试验中的5株菌株均可抑制脂质的氧化,同时可以分泌脂肪酶促进脂质的水解,增加游离脂肪酸特别是不饱和脂肪酸的含量。其中,腐生葡萄球菌YCC2和木糖葡萄球菌YCC3脂质水解和抗氧化能力较好,对改善发酵肉制品的品质具有更明显的促进作用。

畜牧·兽医·资源昆虫

牛亚科物种转座子与串联重复序列之间的进化关系

张瑞,张天留,范婷婷,朱波,张路培,徐凌洋,高会江,李俊雅,陈燕,高雪

中国农业科学. 2022, 55(9):  1859-1867.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.014

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【目的】重复序列是真核生物基因组中重要组成部分,对物种进化、基因遗传变异、转录调控等具有重要作用。研究旨在揭示牛亚科物种重复序列特征,研究转座子和串联重复序列间的进化关系,为牛亚科物种重复序列的研究提供理论支撑。【方法】以普通牛、瘤牛、牦牛、水牛、野牛以及大额牛6个牛亚科物种的基因组序列为研究对象,利用TRF和RepeatMasker软件对6个牛亚科物种基因组中的串联重复序列（tandem repeats sequence,TRs）和转座子（transposable elements,TEs）进行鉴定,并通过本地BLAST比对,分析两类重复序列间的相似性,单位点（single-locus TRs, slTRs）和多位点串联重复序列（mutiple-locus TRs, mlTRs）以及转座子内部的串联重复特征。【结果】（1）6个牛亚科物种中,重复序列在普通牛中的比例最高,为49.13%,其次为水牛46.82%、大额牛46.66%、瘤牛42.70%、野牛42.36%、牦牛42.34%;其中转座子在基因组中的比例为40.57%—45.71%,高于串联重复序列的比例（1.50%—3.42%）。（2）串联重复序列中,mlTRs的比例（76%—99%）显著高于slTRs（1%—24%）,表明mlTRs为6个牛亚科物种中串联重复序列的主要组成。（3）TE-derieved的串联重复序列分析表明,TRs中43%—84%的序列来源于转座子,其中多位点串联重复序列可高达94%。（4）TRs-related 转座子及其活性分析表明,与TRs具有相似性的转座子主要来自非长末端重复序列（non-Long Terminal Repeats, non-LTR）,包括SINE（Short Interspersed Nuclear Element, SINE）和长末端重复序列（Long Interspersed Nuclear Element, LINE）,其中SINE/Core-RTE（主要为BOV-A2）的数量（14 423—24 193）和相对丰度（4.06%—6.77%）最高,被认为是牛亚科物种中最年轻且最具活力的转座子。（5）转座子的串联重复特征分析表明,BovB在0—600 bp,L1_BT在1 500—2 700 bp的序列分别发生了大量的串联重复,与consensus序列的一致性分别达93%和87%以上,且两段区域均为非编码区。【结论】重复序列在牛亚科物种中具有相似的分布特征, non-LTR是牛亚科物种TRs-related TEs的重要来源,且SINE/Core-RTE（主要为BOV-A2）为牛亚科物种最年轻且最具活力的转座子;同时串联重复序列又可作为转座子内部结构的组成部分,表明串联重复序列与转座子在基因组的进化过程相互影响、相互作用。

miR-221-3p靶向BCL2L11调控小尾寒羊卵泡颗粒细胞凋亡

刘玉芳,陈玉林,周祖阳,储明星

中国农业科学. 2022, 55(9):  1868-1876.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.015

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【目的】BCL2L11在哺乳动物中能够促进多种细胞凋亡,同时参与繁殖性状相关组织器官的发育及疾病治疗,文章利用分子生物学方法探究miR-221-3p靶向调控BCL2L11对小尾寒羊卵泡颗粒细胞凋亡的影响,为进一步研究BCL2L11在卵泡颗粒细胞凋亡和卵泡闭锁过程中的调控作用提供依据。【方法】在前期课题组卵巢组织全转录组测序分析的基础上,获得了候选基因BCL2L11及其调控元件miR-221-3p,利用半定量和组织荧光定量（RT-qPCR）分析BCL2L11在小尾寒羊不同组织中的表达情况;通过RT-qPCR定量试验在小尾寒羊卵泡期和黄体期卵巢组织中鉴定了BCL2L11及miRNA-221-3p的表达情况;构建BCL2L11 3’UTR野生型和突变型载体,在HEK293T细胞中共转染miR-221-3p mimic和BCL2L11野生型和突变型及阴性对照,采用双荧光素酶报告基因检测系统确定miR-221-3p与BCL2L11靶向性关系;在绵羊卵巢原代颗粒细胞中转染miR-221-3p mimic及阴性对照实现miR-221-3p过表达,使用RT-qPCR技术在mRNA水平上检测miR-221-3p对BCL2L11以及卵巢颗粒细胞凋亡标志基因XIAP和Fas表达水平的影响;同时利用EdU试验分析miR-221-3p过表达和阴性对照组中颗粒细胞的增殖变化。【结果】半定量和组织RT-qPCR分析均表明BCL2L11在卵巢组织中表达量高于其他组织;RT-qPCR定量结果显示miR-221-3p和 BCL2L11在小尾寒羊卵泡期和黄体期卵巢组织中差异表达,miR-221-3p在卵泡期卵巢中的表达量高于黄体期,而BCL2L11在卵泡期卵巢中的表达量低于黄体期,表现出负调控的现象;双荧光素酶报告基因验证分析显示,过表达miR-221-3p mimic显著抑制了BCL2L11 3’UTR荧光素酶的活性（P<0.05）,阴性对照组则没有显著影响;过表达miR-221-3p,靶基因BCL2L11 mRNA表达水平显著降低,同时,卵泡颗粒细胞凋亡标志基因XIAP和Fas的表达量也显著降低（P<0.05）;EdU试验分析显示,过表达miR-221-3p的颗粒细胞增殖率为18.9%,极显著高于阴性对照组的10.43%（P<0.01）。【结论】BCL2L11和miR-221-3p是调控绵羊卵巢发育的重要基因及调控元件,BCL2L11是miR-221-3p的靶基因之一,miR-221-3p过表达可抑制颗粒细胞凋亡,该作用结果可能通过抑制靶基因BCL2L11的表达进而影响了绵羊卵巢颗粒细胞的凋亡。