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2022年 第55卷 第19期 刊出日期：2022-10-01

  

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中国农业科学. 2022, 55(19):  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

玉米转录因子ZmEREB93负调控籽粒发育

庞浩婉,傅乾坤,杨青青,张元元,付凤玲,于好强

中国农业科学. 2022, 55(19):  3685-3696.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.001

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【目的】玉米作为重要的粮、经、饲多用作物,其产量的稳定对经济发展和粮食安全意义重大。AP2/EREBP（APETALA2/ ethylene response element binding protein,AP2/EREBP）转录因子在植物生长发育及逆境应答中发挥重要作用。前期研究发现,玉米ZmBES1/BZR1-5转录因子靶基因ZmEREB93可能参与调控种子大小。克隆ZmEREB93,并对其表达特性及功能进行分析,为深入解析其调控玉米籽粒发育的功能与机制奠定基础。【方法】从玉米自交系B73中克隆ZmEREB93的全长序列,对其基因序列和编码氨基酸序列特征进行生物信息学分析。随后,通过实时荧光定量PCR（quantitative real-time PCR,qRT-PCR）分析其组织表达模式,分别构建植物和酵母表达载体,进行亚细胞定位和转录激活活性分析。经农杆菌介导法将ZmEREB93转入拟南芥,对转基因株系的种子表型进行分析。最后,通过体外染色质免疫共沉淀测序（chromatin immunoprecipitation sequencing,Chip-seq）和共表达分析筛选ZmEREB93可能调控的候选靶基因,并通过酵母单杂交（yeast one hybrid,Y1H）验证。【结果】成功克隆获得ZmEREB93,序列分析结果表明,ZmEREB93无内含子,开放阅读框长618 bp,编码205个氨基酸,有一个高度保守的AP2结构域,属于AP2家族的ERF亚类。qRT-PCR结果表明,ZmEREB93在授粉后15和25 d的种子中表达量较高,其中,在25 d种子中表达量最高,约为15 d种子中表达量的11倍,在茎和根中有微量表达,在雄穗、花丝及苞叶中无表达。转录激活试验结果表明,ZmEREB93蛋白在酵母细胞中不具有转录激活活性。亚细胞定位结果显示,ZmEREB93蛋白定位于细胞核。与野生型株系相比,转基因拟南芥株系种子的长和宽显著变小且千粒重显著降低。体外Chip-seq与共表达分析结果表明,Zm00001d013611、Zm00001d006016、Zm00001d027448及Zm00001d039991为ZmEREB93转录因子的候选靶基因。Y1H试验表明,ZmEREB93蛋白可直接结合Zm00001d013611启动子。【结论】玉米ZmEREB93作为转录因子在种子中特异性表达,负调控种子大小。

紫花苜蓿MsCIPK2的克隆及功能分析

苏倩,杜文宣,马琳,夏亚迎,李雪,祁智,庞永珍

中国农业科学. 2022, 55(19):  3697-3709.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.002

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【目的】CIPK是植物响应逆境胁迫信号通路中一类重要的蛋白激酶,可与CBL形成CBL-CIPK复合物,启动细胞内相关应答基因的表达而应对各种非生物胁迫。发掘并研究紫花苜蓿MsCIPK基因响应非生物胁迫的分子机理,有助于揭示紫花苜蓿抗逆生物学基础,为紫花苜蓿抗逆育种提供新的基因资源。【方法】通过PCR技术克隆MsCIPK2,使用生物信息学工具分析基因序列,利用qRT-PCR技术分析MsCIPK2,以及与其互作的4个CBL基因（MsCBL2、MsCBL6、MsCBL7和MsCBL10）在紫花苜蓿各组织中的表达水平,在烟草叶片表皮细胞中,瞬时表达pCAMBIA1302-GFP-MsCIPK2融合表达载体,通过激光共聚焦显微镜观察进行亚细胞定位,利用酵母双杂交技术分析MsCIPK2与4个MsCBLs蛋白互作情况,利用发根农杆菌诱导紫花苜蓿产生过量表达MsCIPK2的毛状根,利用qRT-PCR技术分析转基因毛状根株系中相关基因的表达水平。【结果】通过PCR扩增获得MsCIPK2片段,该基因CDS为1 230 bp,编码409个氨基酸,具有典型的CIPK家族的ATP结合位点、激活环、NAF motif和PPI motif等结构域。MsCIPK2在紫花苜蓿根中表达量最高,在花中表达量最低。亚细胞定位结果显示,MsCIPK2蛋白定位于内质网。酵母双杂交试验结果显示,MsCIPK2蛋白与MsCBL2、MsCBL6、MsCBL7和MsCBL10蛋白具有相互作用,且与MsCBL10蛋白相互作用较强。MsCBL2、MsCBL6和MsCBL10在紫花苜蓿根中表达量最高,MsCBL7在荚中表达量最高。qRT-PCR结果表明,过量表达MsCIPK2的毛状根中响应非生物胁迫基因ATPase、P5CS、CYP705A5、COR47、HAK5和RD2的表达量均明显上调。在200 mmol·L^-1 NaCl和20%PEG处理条件下,与对照相比,过量表达MsCIPK2毛状根的丙二醛含量降低,SOD活性、脯氨酸含量和可溶性糖含量增高。【结论】紫花苜蓿MsCIPK2与MsCBLs蛋白互作,主要在根中表达并响应盐和干旱胁迫,过量表达MsCIPK2可以提高紫花苜蓿的耐盐性和耐旱性,MsCIPK2可作为提高紫花苜蓿抗逆育种的候选基因。

耕作栽培·生理生化·农业信息技术

不同时期高温胁迫对夏玉米物质生产性能及籽粒产量的影响

张川,刘栋,王洪章,任昊,赵斌,张吉旺,任佰朝,刘存辉,刘鹏

中国农业科学. 2022, 55(19):  3710-3722.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.003

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【目的】黄淮海夏玉米区高温胁迫频发、重发、持续期延长显著影响籽粒产量。本文以不同耐热型玉米品种为材料,探明大喇叭口期（V12）和开花期（VT）高温胁迫对两类品种叶片光合特性、碳同化物积累、分配和籽粒产量的影响。【方法】本研究以耐热型品种郑单958（ZD958）和热敏感型品种先玉335（XY335）为材料,以同时期适宜温度处理（昼32℃12 h/夜22℃12 h）为对照,使用自动控温控湿的高温棚模拟田间自然增温效果,设置V12期、VT期高温胁迫处理（昼38℃12 h/夜28℃12 h）,比较高温胁迫后夏玉米叶面积指数（LAI）、碳代谢酶活性、光合速率、碳同化物积累和分配的动态变化特征,明确夏玉米物质生产性能及籽粒产量对高温胁迫的响应机制。【结果】高温胁迫后,两品种的LAI、碳代谢酶活性、净光合速率和干物质积累量均显著降低,ZD958和XY335的LAI、RuBP羧化酶活性、PEP羧化酶活性、净光合速率和干物质积累量比其对照分别降低了2.98%—4.21%、40.38%—54.46%、16.88%—30.60%、18.14%—25.49%、12.83%—19.38%和3.80%—5.07%、56.56%—76.16%、26.33%—33.66%、22.37%—34.62%、22.07%—26.72%,VT期高温胁迫的降幅大于V12期。高温胁迫后,夏玉米叶片蒸腾速率显著升高,但叶片水分利用效率显著下降。高温下两品种的¹³C同化量均显著降低,V12期高温胁迫后,ZD958和XY335的¹³C同化量分别降低了18.48%和22.82%,籽粒中¹³C同化量占比降低。高温胁迫显著降低穗粒数,千粒重虽有小幅提高,但籽粒产量显著降低。与适宜温度相比,V12期高温胁迫后ZD958穗粒数和产量分别降低了62.53%和45.87%;VT期高温胁迫后穗粒数和产量分别降低了70.53%和66.89%;V12期高温胁迫后XY335穗粒数和产量分别降低了70.50%和62.87%;VT期高温胁迫后分别降低了85.41%和80.61%;VT期高温胁迫降幅大于V12期高温胁迫,XY335的降幅大于ZD958。【结论】高温胁迫降低了夏玉米叶面积指数、叶片RuBP和PEP羧化酶活性,显著降低叶片光合速率和干物质生产性能。高温下穗粒数显著减少,抑制了碳同化物从叶片和茎秆向籽粒的转运,最终导致籽粒产量降低。VT期高温胁迫效应大于V12期,热敏感型品种XY335的降幅显著大于耐热型品种ZD958。

美国软麦籽粒品质变化趋势及对我国弱筋小麦标准达标度分析

刘丰,蒋佳丽,周琴,蔡剑,王笑,黄梅,仲迎鑫,戴廷波,曹卫星,姜东

中国农业科学. 2022, 55(19):  3723-3737.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.004

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【目的】我国饼干消费量逐年增加,但制作饼干的原料软麦长期供应短缺,美国软麦品质稳定、加工性能优良,受到我国加工企业的欢迎,研究美国软红冬和软白麦籽粒品质多年变化特点及品质指标间相互关系,可为我国弱筋小麦籽粒品质研究提供参考。【方法】本文汇总了美国小麦协会1999—2019年间发布的软白麦和软红冬小麦品质相关性状数据,通过相关性分析、聚类分析方法探讨了软麦籽粒、面粉、面团及烘焙品质特点及品质性状间相互关系,并分析了美国软麦品质对我国现有弱筋小麦标准的适合度。【结果】从籽粒品质看,软红冬麦籽粒蛋白质含量（GPC,%）、硬度（H）、容重（TW,g·L^-1）和千粒重（TKW,g）均低于软白麦;指标年度间的变异系数表现为H>TKW>GPC>TW。从面粉品质看,两类软麦的湿面筋含量（WG,%）均在22%左右;4种溶剂保持力（SRC,%）中,软红冬麦的值高于或接近软白麦;软红冬麦的WG、沉降值以及4种SRC的变异系数均小于软白麦。从面团品质看,软红冬麦的面团形成时间、稳定时间（ST,min）、吹泡P值、L值、W值、拉伸参数均低于软白麦,两者吸水率（WA,%）均为52%左右。粉质参数、吹泡性能和拉伸参数变异系数均表现为软红冬麦小于软白麦。从我国弱筋小麦标准来看,软红冬麦的GPC、WG和ST对GB 17320-2013下的达标率为100%、100%和57.1%;软白麦达标率分别为90.5%、95.2%和38.1%。两类软麦的GPC、WG和ST对GB 17893-1999下的达标率均小于70%,达标率高低表现为GPC>WG>ST。软白麦各项品质指标的相关性分析表明,TKW与GPC、WG和蔗糖SRC呈显著负相关,H仅与WG呈显著负相关,GPC与WG、蔗糖和乳酸SRC呈显著正相关;蔗糖SRC与吹泡仪W显著正相关,乳酸SRC与延展度显著正相关;饼干直径与GPC、吹泡仪W和蔗糖SRC呈显著负相关,与TW呈显著正相关,炉涨率仅与蔗糖SRC显著负相关。软红冬麦的相关性分析表明,面粉蛋白质含量仅与WG和ST显著正相关;饼干直径仅与TW和吹泡仪W呈显著负相关。【结论】软红冬麦较软白麦籽粒质地更软,粒重更小,面团强度更弱;品质指标中TW、出粉率（FER,%）和WA年度间相对稳定。软红冬麦对中国弱筋小麦标准的达标度更高,中国弱筋小麦标准对GPC、WG和ST要求过于严格。软白麦品质指标间相关性较软红冬麦显著,两类软麦中GPC、蔗糖SRC和吹泡仪W与其他品质指标相关性显著,可用于弱筋小麦品质评价。软麦年度间GPC、WG、沉降值和吹泡仪L具有相似性,可归为一类。

基于CARS-BPNN的江西省土壤有机碳含量高光谱预测

吴俊,郭大千,李果,郭熙,钟亮,朱青,国佳欣,叶英聪

中国农业科学. 2022, 55(19):  3738-3750.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.005

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【目的】探讨光谱变量选择及依据土壤类型进行分层校准两种方法对高光谱预测土壤有机碳（SOC）精度的影响。【方法】以江西省为研究区,490个土壤样本为研究对象,对研究区内的所有样本以及不同土壤类型样本分别通过竞争性自适应重加权采样（CARS）算法筛选特征波段,并采用偏最小二乘回归（PLSR）、支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、反向传播神经网络（BPNN）4种模型,对比不同土壤类型下SOC在全波段以及CARS算法筛选后特征波段的预测精度。进而,还对比了全局校准和分层校准下SOC在全波段以及CARS算法筛选后特征波段的预测精度。【结果】（1）红壤筛选的特征波段为484、683—714和2 219—2 227 nm,水稻土筛选的特征波段为484、689—702和2 146—2 156 nm。红壤采用CARS-BPNN模型预测效果最佳（R ²=0.82）,较全波段建模验证集R ²提升0.07。水稻土采用CARS-RF模型预测效果最佳（R ²=0.83）,较全波段建模验证集R ²提升0.13。（2）在总体样本上,分层校准相比全局校准精度有所提升。采用CARS-BPNN进行分层校准预测效果最佳（R ²=0.82）,较全局校准验证集R ²提升0.06。【结论】采用CARS-BPNN进行分层校准能够较好地预测江西省土壤有机碳含量,本研究可为其他类似地区预测土壤属性提供科学依据。

植物保护

黄瓜CC-NBS-LRR家族基因鉴定及在霜霉病和白粉病胁迫下的表达分析

康忱,赵雪芳,李亚栋,田哲娟,王鹏,吴志明

中国农业科学. 2022, 55(19):  3751-3766.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.006

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【目的】对黄瓜全基因组的CC-NBS-LRR（CNL）基因家族进行生物信息学和表达模式分析,为深入研究CNL基因家族在黄瓜生长、发育和病害胁迫响应中的功能提供参考。【方法】以拟南芥CNL为参考序列,利用本地Perl语言和Pfam等软件检索黄瓜‘9930’基因组并确定黄瓜CNL基因家族成员。通过ExPASy、GSDS2.0、MEGA、MEME、Tbtools、Mev等工具对黄瓜CNL家族基因进行生物信息学分析。根据转录组数据库、霜霉病菌（Pseudoperonospora cubensis）、白粉病菌（Podosphaera xanthii）接种处理和实时荧光定量PCR技术分析该类基因的表达模式。【结果】从黄瓜全基因组中鉴定得到17个CsCNL,这些基因分布在除1号染色体外的6条染色体上,其编码蛋白与其他植物CNL结构相似,均含有CC、NBS和LRR保守结构域,蛋白质大小介于197—1 148 aa,分子量在22.6—131.3 kD,等电点在5.71—8.38。共线性分析表明其中不存在片段重复和串联重复基因,多物种系统进化关系表明,CsCNL基因家族成员在葫芦科植物之间具有较高的结构和功能相似性。CsCNL启动子中存在多种与抗病相关的顺式作用元件。CsCNL表达具有组织特异性。在接种霜霉病菌2 d和5 d后,Csa3G815400、Csa3G822360和Csa7G420890在抗性品种中均显著上调表达,Csa4G015850在抗性品种中下调表达,在敏感品种中显著性表现不一;在接种白粉病菌2 d和5 d后,Csa2G008000和Csa3G684170在敏感品种中显著上调表达,在抗性品种中显著下调表达;Csa4G016360、Csa7G420890和Csa7G425940在抗性品种中显著上调表达,在敏感品种中表达量无变化或显著下调。【结论】CsCNL家族成员具有组织表达特异性并且多数基因能够响应霜霉病菌和白粉病菌的胁迫。推测Csa3G815400、Csa3G822360和Csa7G420890表达量增加,Csa4G015850表达量减少可诱发抗病黄瓜品种的霜霉病抗病反应;Csa4G016360、Csa7G420890和Csa7G425940表达量增加,Csa2G008000和Csa3G684170表达量减少可诱发抗病黄瓜品种的白粉病抗病反应;而Csa7G420890表达量的增加能同时诱发抗病黄瓜品种的霜霉病和白粉病的抗病反应。

钙对枳生长发育及柑橘溃疡病抗性的影响

肖桂华,文康,韩健,郝晨星,叶蓉春,朱亦赤,萧顺元,邓子牛,马先锋

中国农业科学. 2022, 55(19):  3767-3778.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.007

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【背景】柑橘溃疡病是由柑橘黄单胞杆菌柑橘致病变种（Xanthomonas citri subsp. citri,Xcc）引起的细菌性病害,可侵染枝、叶、果,危害几乎所有的柑橘主栽品种。前期对湖南省39个柑橘园的调查结果显示柑橘果园土壤酸化和交换性钙缺乏严重,叶片中均存在钙缺乏现象。钙是植物所需大量元素之一,钙缺乏会造成植物营养失衡,生长势下降,植物免疫水平受影响。然而,钙元素对柑橘溃疡病抗性的影响尚不明确。【目的】分析对柑橘溃疡病敏感的枳（Poncirus trifoliata）在不同钙浓度处理下叶片注射接种Xcc后的致病差异,探讨钙在Xcc侵染枳叶片过程中的作用。【方法】采用沙培法对枳实生苗进行0、0.75、3、30 mmol·L^-1钙浓度处理,分别测定枳生长期的生物量、叶绿素a和b浓度、根系和叶片钙元素含量、观察根系活性氧（ROS）的产生和胼胝质沉积,并分析枳叶片接种Xcc后细胞壁合成相关基因及免疫途径相关基因诱导表达变化特征。【结果】以3 mmol·L^-1钙处理为对照,0、0.75和30 mmol·L^-1钙处理后,枳地上部和地下部生长发育均受抑制,叶绿素a和b浓度降低;根系与叶片中的钙含量与外源钙施加量成正比;不同钙浓度处理后根系中产生ROS和胼胝质沉积,在3 mmol·L^-1处理时达到最大值;枳叶片接种Xcc后,随着钙浓度增加,叶片症状逐渐减轻,但Xcc的生长量无明显差异;相较于3 mmol·L^-1处理,参与细胞壁合成相关基因PtCESA4在0 mmol·L^-1处理下受Xcc诱导先上调表达后下调表达,在30 mmol·L^-1处理下受Xcc诱导上调表达,PtPME和PtFLA在0 mmol·L^-1处理下受Xcc诱导下调表达,在30 mmol·L^-1处理下受Xcc诱导上调表达;叶片接种Xcc 0、2、4、6 dpi后免疫途径相关基因PtGSL、PtGST1、PtWRKY22在30 mmol·L^-1处理下受Xcc诱导表达水平高于0 和3 mmol·L^-1处理。【结论】钙缺乏和过量均会影响枳生长发育,引起叶片失绿,根系产生ROS和胼胝质沉积均有所减少。施钙后接种Xcc,叶片表面的感病症状明显减弱,但菌含量与对照无显著差异。钙可能通过调控细胞壁合成相关基因促使细胞壁增厚,从而抑制Xcc突破叶片表皮形成典型症状。

土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境

减氮覆膜下土壤有机碳组分含量的变化特征

王楚涵,刘菲,高健永,张慧芳,谢英荷,曹寒冰,谢钧宇

中国农业科学. 2022, 55(19):  3779-3790.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.008

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【目的】明确长期优化施肥（减施氮肥）和减氮覆膜下土壤有机碳（SOC）与各组分有机碳含量特征及其对冬小麦籽粒产量的贡献,以期为黄土高原旱地土壤培肥和作物增产提供科学依据。【方法】依托山西省洪洞县7年定位试验,采集0—20 cm土层原状土样,利用连续物理分组方法进行分组,结合冗余分析,研究不同农田管理措施下冬小麦籽粒产量、SOC以及颗粒有机碳（POC）、矿质结合态有机碳（MOC）、轻组颗粒有机碳（Light-POC）和重组颗粒有机碳（Heavy-POC）含量特征,明确SOC含量与各组分有机碳含量的关系,量化其对冬小麦籽粒产量的贡献。试验共设农户施肥（FP）、测控施肥（MF）、垄膜沟播（RF）和平膜穴播（FH）4个处理。【结果】分析不同管理措施下冬小麦籽粒产量和SOC含量发现,FP处理的冬小麦平均产量最低,为3 070 kg·hm^-2,与FP相比,MF在减少氮肥用量的情况下并未造成小麦减产,而RF和FH可进一步显著提高小麦籽粒产量,增幅分别达到27.0%和46.4%;与试验初始（2012年）土壤相比,经连续7年采用不同管理措施后SOC含量均显著提高,提高幅度从小到大依次为11.8%（MF）、22.4%（RF）、25.5%（FP）和36.1%（FH）,即MF对试验地石灰性褐土SOC提升作用最小,但结合地膜覆盖会显著提升其培肥土壤的效果,FH对SOC含量提升的效果最佳。进一步分析不同处理下SOC组分的差异发现,与FP和MF相比,两种减氮覆膜措施不同程度提高了POC和Light-POC含量及Light-POC在SOC中的分配比例。结合SOC及其各组分有机碳含量与冬小麦籽粒产量的冗余分析、敏感性指数分析和SOC与各组分有机碳含量的相关性分析发现,各有机碳组分均以POC对小麦产量的贡献最大（达71.0%）并对SOC含量的变化和农田管理措施的响应最为敏感。因此,平膜穴播对作物产量和土壤肥力的提高主要是通过提高土壤有机碳中POC含量得以实现的。【结论】在减氮优化施肥的基础上进行平膜穴播,有利于提高黄土高原南部旱地褐土区土壤有机碳和活性有机碳含量,实现冬小麦可持续增产。

巢湖流域磷肥减量施用对稻麦轮作体系作物产量和品质的影响

张鑫尧,张敏,朱远芃,惠晓丽,柴如山,郜红建,罗来超

中国农业科学. 2022, 55(19):  3791-3806.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.009

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【目的】探讨稻麦轮作体系下磷肥减量施用对作物籽粒产量与营养品质的影响,为巢湖流域稻麦轮作体系下磷肥减量增效,作物优质生产提供理论依据。【方法】于2017—2019年在巢湖流域进行磷肥减量施用田间试验,设置5个处理：对照（CK,不施磷）、农户模式（P1,磷用量90 kg P₂O₅·hm^-2）、减磷10%（P2,磷用量81 kg P₂O₅·hm^-2）、减磷20%（P3,磷用量72 kg P₂O₅·hm^-2）、减磷30%（P4,磷用量63 kg P₂O₅·hm^-2）。分析磷肥减量施用对水稻和小麦产量及其构成要素,籽粒蛋白质及组分含量,微量元素及其生物有效性的影响。【结果】与不施磷相比,施磷水稻和小麦的籽粒产量分别显著提高了9.8%—28.3%和56.6%—89.7%。减磷10%和20%处理的水稻和小麦籽粒产量与农户模式无显著差异（P>0.05）,但减磷30%处理的水稻产量显著降低14.4%。与农户模式相比,减磷处理显著影响作物蛋白质、醇溶蛋白和谷蛋白含量,对结构蛋白（清蛋白+球蛋白）无显著影响,减磷20%处理水稻籽粒蛋白质和谷蛋白含量降低2.7%和32.3%,减磷30%处理的水稻和小麦籽粒蛋白质和谷蛋白含量分别降低6.8%和21.9%、48.4%和31.6%。与不施磷相比,施磷同样显著影响水稻和小麦籽粒微量元素含量及其生物有效性。减磷处理较农户模式水稻和小麦籽粒Fe、Cu和Zn含量提高21.2%和19.3%、11.9%和15.8%、14.5%和19.9%;P/Fe、P/Cu和P/Zn摩尔比降低21.6%和26.3%、20.6%和27%、17.7%和21.3%。水稻和小麦籽粒Zn含量随施磷量的降低而线性增加,减磷处理间的作物籽粒Fe、Mn和Cu含量无显著差异。水稻籽粒P/Zn摩尔比随施磷量的降低而降低,减磷处理间籽粒P/Fe、P/Mn和P/Cu摩尔比无显著差异;小麦籽粒P/Fe、P/Mn、P/Cu和P/Zn摩尔比均随施磷量的降低而降低,提高了小麦籽粒Fe、Cu和Zn的生物有效性。【结论】在巢湖流域稻麦轮作区,磷肥减量20%,即磷肥用量由90 kg P₂O₅·hm^-2减至72 kg P₂O₅·hm^-2时仍可保证作物稳产。磷肥减量施用虽在一定程度上降低了籽粒蛋白质含量和谷蛋白含量,但显著提高了微量元素Fe、Cu和Zn的含量和生物有效性。综合考虑,推荐磷肥减量20%为巢湖流域稻麦轮作区实现磷肥增效及作物高产优质生产的磷肥优化管理措施。

园艺

番茄DIR基因家族鉴定及其对非生物胁迫响应的分析

陈凤琼, 陈秋森, 林佳昕, 王雅亭, 刘汉林, 梁冰若诗, 邓艺茹, 任春元, 张玉先, 杨凤军, 于高波, 魏金鹏, 王孟雪

中国农业科学. 2022, 55(19):  3807-3821.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.010

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【目的】鉴定番茄DIR基因家族所有成员,并对其基因结构、编码蛋白的理化性质、系统进化、染色体定位、共线性、启动子元件、表达模式、互作转录因子及内源竞争RNA预测等进行了解析,为探究DIR在番茄生长发育和逆境胁迫中的作用提供参考。【方法】采用生物信息学方法,基于全基因组数据对番茄DIR基因家族成员进行鉴定,运用Phytozome、MEME、PlantCARE、opsRNATarget和plantcircnet等在线网站获取染色体位置、保守基序、顺式作用元件、存在互作的转录因子、miRNA和circRNA等信息。利用Mapteace、TBtools、Cytoscape、OmicShare等作图软件及工具绘制染色体定位图、进化树、DIR与转录因子关系图、ceRNA网络等。采用NCBI的基因数据库结合转录组测序及qRT-PCR试验研究DIR基因家族在逆境下的表达情况。【结果】共鉴定到番茄中27个DIR基因,将其命名为SlDIR1—SlDIR27,分别位于12条染色体上,且大部分基因位于染色体末端,其基因结构、基序和结构域相对保守,其中22个SlDIR具有一个外显子的经典结构。番茄DIR基因家族同拟南芥的共线性关系远高于水稻和大豆。基于系统进化关系将27个番茄DIR成员分为3个不同的亚家族。转录组数据表明大部分DIR基因在番茄根部具有较高的表达量。此外,DIR基因的启动子区域含有多个与干旱、低温等非生物胁迫,以及MeJA、ABA、SA等激素诱导相关的顺式作用元件,且预测到与激素、生长发育、非生物胁迫相关的ERF、E2F/DP、MYB等互作转录因子。结合转录组数据分析,分别有5、10、10和13个SlDIR在农药、干旱、盐和冷胁迫后显著上调表达,其中,SlDIR23受到以上4种胁迫的诱导表达,而SlDIR8、SlDIR13和SlDIR20特异性响应冷胁迫的诱导,SlDIR17特异性响应盐胁迫。番茄DIR的ceRNA调控表明,miR-156与靶基因SlDIR8可能共同作用调控番茄的逆境胁迫。【结论】共鉴定出番茄DIR家族基因27个,不均匀地分布在12条染色体上,在根部有较高的表达量。SlDIR1、SlDIR13和SlDIR14等具有MeJA、ABA、SA等激素响应元件,其中,SlDIR6仅具有MeJA元件,SlDIR27仅具有SA响应元件。另外,SlDIR2、SlDIR14、SlDIR23等参与干旱、盐、低温等多种逆境胁迫,其中SlDIR23在不同胁迫处理下均可被激活。此外,DIR基因和转录因子、非编码RNA相互作用,共同参与调控番茄植株的逆境胁迫。

不同砧木对葡萄‘87-1’氮磷钾等养分吸收利用的影响

马玉全,王小龙,李玉梅,王孝娣,刘凤之,王海波

中国农业科学. 2022, 55(19):  3822-3830.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.011

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【目的】旨在筛选不同养分的高效利用型砧木,对12种砧木嫁接‘87-1’品种的氮、磷、钾、钙、镁养分吸收和利用效率进行研究,为葡萄生产中的砧木选择和肥料利用率的提升提供理论依据。【方法】本研究于2020年1月至2021年11月连续两年对12种砧木嫁接‘87-1’品种组合的苗木在萌芽期、始花期、末花期、种子发育期、果实转色期、果实成熟采收期和落叶期7个关键生育时期进行整株取样,测定植株氮、磷、钾、钙、镁矿质元素含量,计算各组合单株元素累积量、干物质生产效率、果实生产效率和收获指数,分析各指标之间的差异,比较不同砧木对氮、磷、钾、钙、镁吸收利用的影响。【结果】本研究中不同砧穗组合氮、磷、钾、钙、镁的单株累积量存在显著差异,其中以87-1/34EM组合的氮、磷、钾、钙、镁累积量最高。以干物质生产效率、果实生产效率为指标,评价养分生物及经济利用效率,结果表明,87-1/420A组合氮和钾的干物质生产效率最高,87-1/贝达和87-1/101-14组合磷和钙的干物质生产效率较高,而镁的干物质生产效率中则以87-1/5BB组合表现较好;钾果实生产效率以‘1103P’砧木表现最好,‘101-14’砧木氮、磷、钙和镁的果实生产效率最高。收获指数体现了果实中养分的吸收分配情况,不同砧木处理下,‘贝达’砧木磷和钾的收获指数最高,氮、钙和镁的收获指数分别以‘SO4’‘5BB’和‘华葡1号’砧木表现最高。【结论】本研究中不同砧木对氮、磷、钾、钙、镁的吸收情况差异显著,吸收能力与利用效率之间表现不一致。‘贝达’和‘101-14’砧木对磷和钙具有较高的生物及经济利用效率;‘1103P’砧木钾的生物及经济利用效率较高;氮和镁的生物利用效率分别以‘420A’和‘5BB’砧木表现最好,而经济利用效率则以‘101-14’砧木表现最好。另外,‘贝达’砧木促进了磷和钾向果实的分配,‘SO4’‘5BB’和‘华葡1号’砧木分别促进了氮、钙和镁向果实的分配。

低温对甘薯淀粉理化特性及代谢关键基因表达量的影响

崔鹏,赵逸人,姚志鹏,庞林江,陆国权

中国农业科学. 2022, 55(19):  3831-3840.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.012

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【目的】淀粉是甘薯块根的主要组成成分,淀粉理化特性直接决定着甘薯的主要用途;同时,甘薯是较为典型的喜温作物,对储藏温度较为敏感。因此,研究低温对淀粉理化特性的影响,为甘薯安全储藏提供参考。【方法】本研究以‘烟薯25’和‘商薯19’为试验材料,设置适温（13℃,CK）和低温（4℃）储藏14 d,分析甘薯块根淀粉粒径大小与分布、热焓特性、糊化特性、吸湿性及膨胀力等特征指标的差异。【结果】不同甘薯品种的直链/支链淀粉含量存在显著差异,‘商薯19’的直链淀粉含量（31.47%）显著高于‘烟薯25’（25.86%）,支链淀粉则完全相反;‘烟薯25’和‘商薯19’的平均粒径、体积和表面积均分别分布于≤2.50 μm、2.50—5.00 μm和5.00—25.00 μm三个区间,低温胁迫使二者的淀粉颗粒平均粒径降低,体积和表面积减小,吸湿性和膨胀力降低;‘烟薯25’和‘商薯19’薯块淀粉在糊化过程中的起始温度（T₀）、峰值温度（Tp）和热晗值（△H）与CK相比均显著下降,其中,‘烟薯25’的△H变化幅度高于‘商薯19’,表明低温对‘烟薯25’淀粉热特性的影响程度高于‘商薯19’;低温储藏条件下,‘烟薯25’和‘商薯19’的最高黏度（PKV）、崩解值（BDV）和回复值（CSV）均显著下降,糊化温度（PT）受低温的影响不显著,但品种间差异显著;低温下,基因IbAGPa（ADP-葡萄糖焦磷酸化酶）、IbAGPb、IbSBEI（淀粉分支酶）和IbSBEII的表达量均显著下降,而Ibα-amylase（淀粉水解酶）和Ibβ-amylase则显著上升。【结论】温度是影响甘薯淀粉理化品质的重要因素,甘薯块根淀粉理化特性变化与甘薯储藏温度密切相关。

食品科学与工程

不同来源ATP表征冷鲜羊肉新鲜度

苏媛媛,张德权,古明辉,张春娟,李少博,郑晓春,陈丽

中国农业科学. 2022, 55(19):  3841-3853.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.013

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【目的】通过系统研究冷鲜羊肉不同来源的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate,ATP。包括肉中ATP、微生物ATP、肉表面ATP）在贮藏期间的变化规律,筛选能够表征冷鲜羊肉新鲜度变化的ATP指标,构建菌落总数和挥发性盐基氮预测模型,探究冷鲜羊肉新鲜度的预测新方法。【方法】以小尾寒羊背最长肌为试验材料,在空气密封包装0℃条件下分别贮藏0、1、3、5、7、9、11、13、15、17和21 d,分析冷鲜羊肉贮藏期间新鲜度指标（pH、色泽、挥发性盐基氮、菌落总数）与3种来源ATP（肉中ATP、微生物ATP、肉表面ATP）的变化,利用数据统计评价不同来源ATP的变化规律,并构建新鲜度指标的预测模型。【结果】冷鲜羊肉贮藏期间新鲜度指标菌落总数、挥发性盐基氮均呈现上升趋势,并均在贮藏17 d时超过国家标准限值;肉中ATP呈现不断下降趋势,微生物ATP与肉表面ATP均呈现上升趋势,与新鲜度指标变化趋势保持一致;冷鲜羊肉贮藏期间,肉中ATP、微生物ATP、肉表面ATP含量与菌落总数、挥发性盐基氮的相关系数（R）分别为-0.399、0.910、0.943和-0.357、0.725、0.907。肉表面ATP预测冷鲜羊肉菌落总数的最优模型为Boltzmann拟合模型,其公式为TVC（lg cfu/g）=7.649-4.069/(1+exp(x-5.807)/0.632)（R ²=0.903,P<0.001）,肉表面ATP预测冷鲜羊肉挥发性盐基氮的最优模型为Expedc1拟合模型,其公式为TVB-N（mg/100 g）=2.493*exp(x/3.745)+3.057（R ²=0.888,P<0.001）。【结论】本研究明确了冷鲜羊肉表面ATP与菌落总数、挥发性盐基氮存在显著正相关性,确证了肉表面ATP可以作为冷鲜羊肉新鲜度表征指标;并构建了菌落总数和挥发性盐基氮最优预测模型,为冷鲜羊肉新鲜度快速检测提供了新的思路。

畜牧·兽医

42日龄如皋黄鸡体重间接遗传效应分析

郭军,王克华,韩威,窦套存,王星果,胡玉萍,马猛,曲亮

中国农业科学. 2022, 55(19):  3854-3861.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.014

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【目的】动物个体遗传物质除了调控自身表型之外,还通过资源分配或行为互动影响同伴性能表现,称之为间接遗传效应。畜禽选育时,遗传模型如果包含了间接遗传效应,不仅有利于改善个体间社会关系,还可以获得更多的遗传进展。研究以饲养于群体笼内如皋黄鸡为试材,以间接遗传模型评估体重数据,旨在为如皋黄鸡选育提供支持。【方法】体重数据采集自如皋黄鸡选育群体,试验鸡于42日龄称重,收集原始数据11 983条。数据清洗包括去除超出三倍标准差的离群值、去除翅号遗失个体、去除性别不明个体以及去除单笼养殖量少于4只的记录。系谱数据包含12 208只鸡：11 735只鸡有体重记录,473只鸡没有体重记录;10 560只鸡没有后代,1 648只鸡有后代,其中种公鸡208只,种母鸡1 440只。以SPSS软件中的单因素方差分析检验环境因素对体重的影响,确定列入固定效应的因子。应用经典动物模型、间接遗传模型分析如皋黄鸡早期体重方差组分及遗传参数,并检验间接遗传方差是否存在稀释效应。遗传模型中包括一般固定效应、固定回归项、加性遗传效应、间接遗传效应、共同环境效应以及残差。研究中,以单笼养殖量作为固定回归项,将加性遗传效应、间接遗传效应、共同环境效应列为随机项。稀释参数起始值设定为0,依次以0.1幅度递增至1.0,经AIC、BIC筛选,稀释参数宜设定为0。由于残差异质化处理没有改变遗传参数和方差组分,因此残差做同质化处理。以WOMBAT软件分析方差组分及遗传参数,计算结果达到收敛标准。【结果】影响如皋黄鸡体重的固定效应包括批次、层级、性别;42日龄如皋黄鸡体重受间接遗传效应影响,加性遗传力为0.54±0.02,总遗传力为0.66±0.06;同笼如皋黄鸡个体间以互助关系为主,加性遗传与间接遗传选择方向一致,遗传相关系数为0.41;育成期如皋黄鸡间接遗传方差不存在稀释效应;如皋黄鸡公鸡与母鸡间接遗传效应表现不同,遗传力、遗传相关系数也存在明显差异。【结论】间接遗传模型可用于蛋鸡早期体重遗传评估及选育。相比于传统动物模型,间接遗传模型可以额外获得遗传进展。

高寒荒漠草原季节性放牧管理优化模拟研究

胡志强,宋孝玉,覃琳,刘辉

中国农业科学. 2022, 55(19):  3862-3874.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.015

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【目的】保护中国高寒荒漠草原的生态环境,指导草原牧区的全面可持续发展,从草畜平衡的角度为制定高寒荒漠草原牧区合理的放牧管理政策及实现牧草资源高效利用提供依据。【方法】根据季节性轮牧的特点和牲畜生产节律,考虑了草地资源的时空隔离和牲畜数量的动态变化,对暖季、冷季两个草场放牧时间段进行细化,在现有合理载畜量计算方法的基础上,以载畜量最大为目标,以动态草畜平衡为约束条件,以转场时间和出栏率为优化参数,建立了放牧-管理优化模型,并选取青海省乌兰县牧区作为高寒荒漠草原季节性牧区的典型代表,利用遗传算法寻优,确定乌兰县牧区丰、平、枯3种降水情景下最优放牧条件,进行草畜平衡优化模拟计算和动态草畜平衡分析,并与优化前进行对比。【结果】放牧-管理优化模型对牧区不同降水情景的模拟结果均较好。以未利用饲草量最低为依据,确定乌兰县牧区丰、平、枯3种降水情景下最优放牧条件分别为11月1日转场,出栏率43.4%、11月3日转场,出栏率38.2%和11月3日转场,出栏率36.7%,最优合理载畜量分别为109.92、96.14和83.64万标准羊单位,较优化前合理载畜量分别提高了11.75%、10.44%和10.43%;优化前后乌兰县牧区丰水年的合理载畜量分别为98.38和109.92万标准羊单位,比枯水年的75.74和83.64万标准羊单位的适宜承载量高30%,可见除牲畜出栏率和转场时间外,降水量也是影响牧区合理载畜量的重要因素;通过对牧区产草过程与牲畜动态需草过程的分析,进行乌兰县牧区平水年动态草畜平衡计算后发现,优化前冷季牧场可利用饲草不能被完全利用,放牧过程存在不合理之处,剩余草量超过6 130万kg,而优化后可利用饲草未充分利用问题得到有效解决,牧草资源得到高效利用,对于乌兰县整个牧区而言,调整放牧转场时间和牲畜出栏率是改良放牧制度的可靠方式;利用放牧-管理优化模型对牧区放牧过程进行优化,可以在保证牧区全年合理载畜量较高的同时,能够实现季节性轮牧区动态草畜平衡。【结论】放牧-管理优化模型对高寒荒漠草原季节性牧区的适用性较好,对轮牧区放牧管理过程调控和草畜平衡优化具有一定的优越性;放牧-管理优化模型可有效调控牧区载畜量,其优化结果可为制定合理的放牧制度提供参考,因此可将该模型用于优化单个牧户或牧场的放牧过程,得到单个牧户或牧场的最优放牧条件,从而制定相应的放牧制度,对单个牧户或牧场的生产实践工作更具有实际指导意义和可操作性。