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    2023年 第56卷 第5期 刊出日期:2023-03-01
      
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    2023年第56卷第5期中英文目录
    中国农业科学. 2023, 56(5):  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
    小麦苗期根系性状的全基因组关联分析与优异位点挖掘
    王脉, 董清峰, 高珅奥, 刘德政, 卢山, 乔朋放, 陈亮, 胡银岗
    中国农业科学. 2023, 56(5):  801-820.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.001
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    【目的】植物根系对水分及营养的获取、作物的生长发育和产量的形成至关重要。挖掘小麦苗期根系性状显著关联的SNP位点,预测相关候选基因,为解析小麦根系建成遗传机制及选育具有优良根系构型的小麦品种奠定基础。【方法】以189份小麦品种组成的自然群体为供试材料,调查2种培养条件(霍格兰营养液和去离子水)下培育21 d的苗期根系总长度(TRL)、根系总表面积(TRA)、根系总体积(TRV)、根系平均直径(ARD)及根系干重(RDW)等5个根系性状,试验进行2次重复,同时结合小麦660K SNP芯片的分型结果进行全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)。此外,通过序列比对、结构域分析和注释信息预测候选基因,并采用竞争性等位基因特异性PCR(kompetitive allele specific PCR,KASP)技术开发根系性状的分子标记。【结果】霍格兰营养液培养条件下的根系性状变异范围较大,根系整体粗短;而去离子水条件下的根系细长、侧根较多。选用贝叶斯信息与连锁不平衡迭代嵌套式模型(BLINK)、压缩式混合线性模型(CMLM)、固定随机循环概率模型(FarmCPU)以及混合线性模型(MLM)4个模型,结合2种培养条件下的根系性状进行全基因关联分析,共检测到95个与小麦苗期根系性状显著关联的QTL位点(P<10-3),其中,有18个QTL在2个条件下同时被检测到,分布在7A、1B、2B、3B、7B、1D、2D及3D染色体,可解释8.68%—14.07%的表型变异。筛选获得的显著性位点中,有4个与前人的研究相近或一致,其余为新发现QTL位点。对共定位的SNP进行单倍型分析,有10个SNP能够将供试材料分为2种单倍型,且单倍型间的根系性状具有显著差异,同时,基于这些SNP开发KASP标记,筛选到与根系总体积及根系干重相关的2个KASP标记(XNR7143XNR3707)。进一步挖掘共定位SNP位点上下游区间内的基因,筛选到12个可能与根系发育相关的候选基因,其中,TraesCS7A02G160600编码酰基载体蛋白合成酶,参与根系脂肪酸的合成;TraesCS1B02G401800编码突触融合蛋白,对植物重力向性具有重要作用;TraesCS7B02G417900编码醛脱氢酶,参与脱落酸的合成,从而调控作物根系发育。【结论】小麦根系性状在不同基因型间差异显著,在2个条件下同时检测到18个显著QTL位点,开发了2个根系分子标记(XNR7143XNR3707),并筛选出12个与根系性状相关的候选基因。

    调控玉米株高和穗位高候选基因Zmdle1的定位
    周文期, 张贺通, 何海军, 龚佃明, 杨彦忠, 刘忠祥, 李永生, 王晓娟, 连晓荣, 周玉乾, 邱法展
    中国农业科学. 2023, 56(5):  821-837.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.002
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    【目的】株高是玉米株型育种的重要目标性状之一,不仅与玉米籽粒的机械化收获及抗倒伏相关,也与玉米产量密切相关。因此,挖掘玉米株高QTL/基因并解析其功能具有重要的理论和育种价值,定位一个新的玉米矮秆基因ZmDLE1,阐明其生物学功能,为加速改良玉米的株型提供重要的理论依据和基因资源。【方法】利用化学诱变剂甲基磺酸乙酯(EMS)诱变甘肃省农业科学院作物研究所自育玉米骨干自交系LY8405,M2后代分离获得一个单基因调控隐性遗传的玉米矮秆低穗位突变体,M3、M4后代能稳定遗传,命名为dwarf and low ear mutant1Zmdle1),通过与Mo17杂交构建F2分离群体,借助极端性状混池测序分析法(BSA-seq)及目标区段重组交换鉴定的方法,基于Mo17参考基因组对目标区段内的基因进行挖掘和功能注释,定位候选基因。【结果】开展了Zmdle1表型鉴定,突变体Zmdle1苗期表型与对照LY8405无显著性差异,成熟期植株株高和穗位高较LY8405分别降低87.2和55.4 cm,为35.0%和62.9%,差异极显著。细胞形态学观察表明,穗下节间数减少及节间细胞长度缩短是导致Zmdle1的株高和穗位高显著降低的主要原因。利用F2﹕3遗传群体,进行突变基因的遗传分析,后代野生型和突变体植株分离比例符合3﹕1(χ2=2.854),说明突变基因为细胞核遗传的单隐性基因。因此,根据BSA-seq结果,将候选基因ZmDLE1初步定位在玉米第1染色体Bin1.09-1.10区段约15 Mb区间内,进一步利用Mo17和Zmdle1重测序结果开发多态性分子标记,通过图位克隆手段精细定位目标基因,最终将候选基因定位到约600 kb大小区间,该区间内有16个候选基因。比对重测序数据,发现Zm00001d033231在第2 062位置碱基G变成A,导致氨基酸由甘氨酸变成丝氨酸,且转录水平表达比LY8405极显著降低,Zm00001d033234第223位置碱基由T变成C,导致第75位氨基酸由丝氨酸变成脯氨酸,转录水平无显著差异,通过对该候选区段群体关联分析及功能注释发现,Zm00001d033231Zm00001d033234均与玉米生长发育相关。【结论】定位到第1染色体末端Bin1.09区段候选基因ZmDLE1,有效调控玉米株高和穗位高,精细定位缩小目标区段至600 kb,区间内Zm00001d033231与株高显著关联。

    耕作栽培·生理生化·农业信息技术
    干旱灌区春小麦水分利用特征对绿肥与麦秸协同还田的响应
    樊志龙, 胡发龙, 殷文, 范虹, 赵财, 于爱忠, 柴强
    中国农业科学. 2023, 56(5):  838-849.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.003
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    【目的】明确绿肥与麦秸协同还田对春小麦(Triticum aestivum L.)水分利用特征的影响,对干旱灌区应用绿肥构建小麦水分高效可持续生产模式具有重要支撑作用。【方法】本研究采取随机区组试验设计,以麦后休闲(W)为对照,设置了麦后免耕播种绿肥+绿肥与麦秸全量还田(W-NTGS)、麦后免耕播种绿肥+绿肥单一还田(W-NTG)、麦后浅旋灭茬播种绿肥+绿肥单一还田(W-TG)3个处理,对小麦耗水特征、籽粒产量、水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(WUEi)进行了研究。【结果】复种绿肥较麦后休闲显著增加了小麦播前0—50 cm土层的土壤贮水量,其中W-NTGS处理小麦播前0—10、10—20、20—30、30—50 cm土层的土壤贮水量,分别较W-NTG处理增加了22.1%、30.2%、21.5%和11.1%,较W-TG处理增加了26.2%、33.2%、26.5%和16.4%;而W-NTG与W-TG处理间小麦播前0—110 cm的土壤贮水量均无显著差异。复种绿肥较麦后休闲分别使小麦耗水量、棵间蒸发量和蒸散比平均减少7.0%—7.1%、11.7%—20.1%和5.2%—15.9%,在复种绿肥中,W-NTGS处理小麦耗水量较W-NTG处理在2021年减少6.4%,较W-TG处理在2020和2021年平均减少6.1%;W-NTGS处理小麦棵间蒸发量分别较W-NTG、W-TG处理平均减少9.7%和13.6%,蒸散比分别降低6.2%和11.3%,W-NTG与W-TG处理间的耗水量、棵间蒸发量、蒸散比均无显著差异。复种绿肥较麦后休闲使小麦籽粒产量增加6.4%—16.8%,其中W-NTGS处理分别较W-NTG、W-TG处理平均增加6.6%和9.8%,W-NTG与W-TG处理间的小麦籽粒产量差异不显著。与麦后休闲相比较,复种绿肥使小麦WUEWUEi分别提高11.9%—30.7%和6.4%—16.8%,复种绿肥之间相比较,W-NTGS处理分别较W-NTG、W-TG处理的WUE平均提高10.9%和16.8%,WUEi平均提高6.6%和9.8%,W-NTG与W-TG处理间的WUEWUEi差异不显著。【结论】麦后免耕播种绿肥+绿肥与麦秸全量还田(W-NTGS)可显著增加小麦播前0—50 cm土壤贮水量,减少小麦季土壤水分的无效损耗,从而在减少小麦耗水量的同时增加籽粒产量,最终显著提高农田水分利用效率和灌溉水利用效率,可作为干旱灌区小麦复种绿肥水分高效利用推荐技术。

    基于无人机影像特征的冬小麦植株氮含量预测及模型迁移能力分析
    郭燕, 井宇航, 王来刚, 黄竞毅, 贺佳, 冯伟, 郑国清
    中国农业科学. 2023, 56(5):  850-865.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.004
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    【目的】氮素的精准监测和合理施用对小麦健康生长、产量及品质提升、减少农田环境污染与资源浪费尤为重要。为精准监测小麦生长关键生育期植株氮含量,探索机器学习方法构建的植株氮含量预测模型的迁移能力。【方法】小区试验于2020—2022年在河南省商水县开展,在冬小麦拔节期、孕穗期、开花期和灌浆期,采用M600大疆无人机搭载K6多光谱成像仪获取5波段(Red、Green、Blue、Rededge、Nir)多光谱影像。基于5个波段冠层反射率提取20种植被指数和40种纹理特征,采用相关分析从65个影像特征中筛选冬小麦植株氮含量敏感特征。基于筛选出的敏感特征,采用BP神经网络(BP)、随机森林(RF)、Adaboost、支持向量机(SVR)4种机器学习回归方法构建植株氮含量预测模型,并对模型预测效果和在不同水处理条件下模型的迁移预测能力进行分析。【结果】(1)植株氮含量与影像特征的相关系数通过0.01极显著水平检验的包括22个光谱特征和29个纹理特征。(2)4种机器学习回归方法构建的冬小麦植株氮含量预测模型存在差异,RF和Adaboost方法预测植株氮含量集中于95%的置信区间,多分布于1﹕1直线附近,而BP和SVR方法预测的植株氮含量分布相对较为分散;RF方法构建的预测模型R 2最大,RMSE最小,MAE中等,分别为0.81、0.42%和0.29%;SVR方法构建的预测模型R 2最小,RMSE和MAE较大,分别为0.66、0.54%和0.40%。(3)以W1处理(按需灌溉)实测植株氮含量为训练集,采用BP、RF、Adaboost和SVR方法构建的模型对W0处理冬小麦植株氮含量迁移预测R 2分别为0.75、0.72、0.72和0.66;以W0处理(自然状态)实测植株氮含量为训练集,BP、RF、Adaboost和SVR方法构建的模型对W1处理冬小麦植株氮含量迁移预测R 2分别为0.51、0.69、0.61和0.45。【结论】4种机器学习方法构建的冬小麦植株氮含量预测模型均表现出了较强的迁移预测能力,尤以RF和Adaboost方法构建的模型预测效果和迁移能力为好。

    植物保护
    小麦条锈菌效应蛋白Hasp83在条锈菌致病性中的功能分析
    王建锋, 成嘉欣, 舒伟学, 张艳茹, 王晓杰, 康振生, 汤春蕾
    中国农业科学. 2023, 56(5):  866-878.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.005
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    【背景】条锈病是小麦上的重大病害,由条形柄锈菌小麦专化型(Puccinia striiformis f. sp. triticiPst)侵染引起。条锈菌是活体营养型寄生真菌,在侵染过程中形成吸器,通过吸器从寄主植物汲取营养。同时,吸器分泌效应蛋白调控寄主免疫,促进侵染过程。【目的】明确条锈菌效应蛋白的功能及其作用机理,为揭示条锈菌的致病机制打下基础。【方法】比较分析条锈菌夏孢子、芽管和吸器转录组,获得在吸器诱导表达的分泌蛋白基因Hasp83,在本氏烟叶片细胞中瞬时表达观察是否能抑制由BAX引起的细胞坏死;利用qRT-PCR分析该基因在条锈菌侵染小麦不同阶段的表达水平。借助荧光假单胞菌Ⅲ型分泌系统和寄主诱导的基因沉默(host-induced gene silencing,HIGS)分析Hasp83在条锈菌侵染过程中的功能。利用酵母双杂交系统筛选小麦中与Hasp83互作的蛋白,免疫共沉淀技术进一步在烟草细胞中共表达验证Hasp83及其候选靶标蛋白的互作。【结果】Hasp83开放阅读框全长522 bp,编码173个氨基酸,蛋白N端1—29位氨基酸为信号肽,无保守结构域,在本氏烟叶片细胞中瞬时表达能抑制由BAX引起的细胞坏死。qRT-PCR分析显示,Hasp83在条锈菌侵染时期上调表达;利用细菌Ⅲ型分泌系统在小麦水源11品种中瞬时表达Hasp83能够抑制荧光假单胞菌引起的胼胝质积累,在接种条锈菌无毒性小种CYR23后,瞬时表达Hasp83株系产生的活性氧积累面积和过敏性坏死面积相比对照减少19.35%—38.62%;利用HIGS技术在接种条锈菌毒性小种CYR31的小麦水源11中沉默Hasp83,发现条锈菌的产孢量、菌丝长度、菌丝扩展面积和吸器数目减少,致病力降低。酵母双杂交结果表明,效应蛋白Hasp83与其小麦中候选靶标过敏性坏死诱导蛋白Tahir1互作。免疫共沉淀进一步证明Hasp83及其候选靶标Tahir1存在互作。【结论】条锈菌效应蛋白Hasp83可抑制寄主由非致病细菌和无毒性条锈菌生理小种引起的小麦防卫反应,增强病原菌的致病力。

    葡萄霜霉菌糖基水解酶基因的表达模式与功能分析
    潘凤英, 曲俊杰, 刘露露, 孙大运, 郭泽西, 韦晓丽, 韦淑梅, 尹玲
    中国农业科学. 2023, 56(5):  879-891.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.006
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    【目的】克隆葡萄霜霉菌(Plasmopara viticola)糖基水解酶(glycosyl hydrolase,GH)基因(PvGH),分析其特征以及在葡萄霜霉菌侵染葡萄叶片过程中的表达模式,研究其抑制/促进烟草叶片程序性细胞死亡(PCD)以及影响烟草疫霉(Phytophthora nicotianae)侵染的能力,为深入探究调控寄主植物免疫的机制提供理论依据。【方法】以葡萄霜霉菌Pv5-27菌株作为试材,采用RT-PCR方法扩增获得8个PvGH基因全长,并对其基因及编码蛋白进行生物信息学分析;利用酵母信号肽诱捕系统(SST)验证PvGH的分泌活性;利用实时荧光定量PCR技术检测葡萄霜霉菌侵染葡萄叶片过程中PvGH的表达模式;同时利用农杆菌介导的PVX病毒表达系统在本氏烟上瞬时表达PvGH效应蛋白,分析其对INF1和BAX触发的烟草PCD的抑制能力以及促进烟草疫霉侵染的能力。【结果】8个PvGH基因序列与通过全基因组预测的序列完全一致,长度为1 092—1 392 bp,分别编码364—464个氨基酸,与其他卵菌同源蛋白相似性高达60.62%—86.36%。8个PvGH均不含跨膜结构域,其二级结构差异较大,三级结构与其他蛋白三级结构相似性较低,呈现非常独特的三级结构。使用SingalP 5.0软件对编码的蛋白进行信号肽预测,发现它们均含有20—26 aa的信号肽,但通过SST验证结果显示PvG09279和PvG13517并不具有分泌特性。保留、缺失或者替换信号肽的8个PvGH均可抑制BAX触发的本氏烟PCD,并促进烟草疫霉的侵染,表明PvGH效应蛋白发挥其毒力不依赖于信号肽。PvGH在葡萄霜霉菌侵染初期表达上调,进一步表明其在病原菌与寄主互作中的重要作用。【结论】在侵染寄主过程中,葡萄霜霉菌分泌的PvGH通过抑制寄主PTI反应参与致病过程。

    土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境
    深松结合秸秆还田对黑土孔隙结构的影响
    杨建君, 盖浩, 张梦璇, 蔡育蓉, 王力艳, 王立刚
    中国农业科学. 2023, 56(5):  892-906.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.007
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    【目的】东北黑土实施深松结合秸秆还田对土壤孔隙结构影响的研究缺乏明确性结论,为此开展本研究,旨在研究深松结合秸秆还田对黑土结构的影响机制,为合理耕层创建提供科学依据。【方法】利用在东北典型黑土区——黑龙江省绥化市青冈县开展的5年田间定位试验为平台,设置农民常规耕作(FP)、单独深松25 cm(T2)、深松25 cm结合秸秆还田(T3)和深松35 cm结合秸秆还田(T4)等处理,采用CT扫描技术开展土壤孔隙结构可视化和定量化研究,并结合田间持水量和容重等指标,探究深松结合秸秆还田对黑土孔隙结构的影响。【结果】通过土壤孔隙二维和三维图像可以清晰看出,各处理0—20 cm土层孔隙分布均明显少于20—40 cm土层,深松结合秸秆还田(T3、T4)的孔隙分布明显多于FP,增加了结构更为复杂的大孔隙。定量化分析表明,相较于FP,单独深松25 cm(T2)显著提高20—30 cm土层总孔隙度103.0%(P<0.05),主要通过显著提高小孔隙(孔隙直径d≤0.50 mm)孔隙度91.3%和中孔隙(0.50 mm<d≤1.00 mm)孔隙度143.5%来实现(P<0.05);而深松结合秸秆还田(T3、T4)则可显著提高0—30 cm土层总孔隙度109.8%—382.7%(P<0.05),主要通过显著提高大孔隙(d>1.00 mm)孔隙度221.5%—661.7%和中孔隙孔隙度105.4%—544.9%来实现(P<0.05)。T3、T4还显著提高了0—30 cm土层孔隙的分形维数9.9%—17.7%(P<0.05),降低了欧拉数32.4%—66.4%(P<0.05),显著提高田间持水量24.2%—40.6%(P<0.05)。进一步分析得出不同孔径孔隙度、总孔隙度与田间持水量、分形维数呈极显著正相关,与欧拉数呈极显著负相关(P<0.01)。【结论】深松结合秸秆还田能够提高黑土大中孔隙的孔隙度、改善孔隙结构和连通性、增加田间持水量,尤以深松35 cm结合秸秆还田的效果最为显著,可作为东北黑土合理耕层构建的推荐措施。

    长期保护性耕作对黄土高原旱作农田土壤碳含量及转化酶活性的影响
    董秀, 张燕, MUNYAMPIRWA Tito, 陶海宁, 沈禹颖
    中国农业科学. 2023, 56(5):  907-919.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.008
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    【目的】探究黄土高原旱作农田粮草轮作系统长期保护性耕作对土壤碳含量、碳转化酶活性的影响,为旱作农田土壤固碳和农业可持续发展提供科学依据。【方法】基于甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站开展的长期保护性耕作试验(开始于2001年),分析传统耕作(T)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆覆盖(TS)、免耕+秸秆覆盖(NTS)对玉米-冬小麦-饲用大豆粮草轮作系统玉米收获季不同土层(0—5、5—10、10—20 cm)土壤有机碳(SOC)、微生物量碳(MBC)含量、β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维二糖水解酶(CBH)、β-木糖苷酶(βX)活性的影响。【结果】(1)保护性耕作措施可显著增加SOC、MBC含量,其中0—5 cm土层提升效果最显著。与传统耕作相比,秸秆覆盖使SOC和MBC含量分别升高19.1%和39.9%,免耕使SOC和MBC含量分别升高15.1%和34.3%。(2)保护性耕作措施显著提高了土壤碳转化酶活性,表现为βG>CBH>βX活性,对保护性耕作措施最敏感的酶是CBH。相比传统耕作,秸秆覆盖使0—5和5—20 cm土层βG、CBH、βX活性分别增加20.3%、37.6%、41.1%和-7.6%、99.9%、3.5%;免耕使0—5和5—20 cm土层βG、CBH、βX活性分别增加12.5%、31.0%、26.1%和-21.1%、22.1%、-12.1%。结构方程结果表明,土壤碳转化酶活性的变化主要受粮草轮作系统内土壤全氮含量的影响。(3)秸秆覆盖可直接影响土壤碳的积累,也可通过改变土壤全氮含量而间接影响土壤碳转化酶活性;免耕措施未显著影响土壤环境,导致土壤碳含量及碳转化酶活性无显著变化。【结论】黄土高原旱作农田粮草轮作系统中,土壤碳的积累主要受到秸秆覆盖的直接效应,而碳转化酶活性主要通过对系统内土壤全氮的间接作用而变化,其中,免耕+秸秆覆盖是提高土壤碳含量和酶活性的最有效措施。β-葡萄糖苷酶是参与土壤碳转化的主要酶。

    基于耕地承载力的十堰市畜禽养殖环境风险评价
    龚世飞, 肖能武, 丁武汉, 居学海, 吴平华, 余永松, 李虎
    中国农业科学. 2023, 56(5):  920-934.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.009
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    【目的】十堰市是南水北调中线工程的核心水源区,全面认识畜禽养殖污染现状及其对耕地的潜在威胁,为加强畜禽粪便风险管控提供依据。【方法】运用畜禽粪便环境风险评价模型,对十堰市各县(区、市)2020年主要畜禽粪便来源结构进行定量分析,并从种养平衡视角对其环境风险进行综合评价。【结果】十堰市2020年主要畜禽养殖粪便猪粪当量达306.85×104 t,且主要分布于郧阳区、丹江口市和房县,粪便中有机物的化学需氧量(COD)最大(57.00×104 t),总氮(TN)(2.63×104 t),总磷(TP)含量较少(0.65×104 t)。十堰市畜禽养殖等标污染负荷总量为15.532×1010 m3,且在不同地区的来源结构差异明显,TP是畜禽养殖的首要污染物,其污染等标负荷占负荷总量的41.68%,其次为TN,污染负荷率为33.85%,COD的等标污染负荷率最小,为24.47%。养牛是十堰地区畜禽养殖面源污染的首要污染源,对等标污染负荷总量的贡献率达49.47%,其次为家禽(21.60%)。环境污染风险评价结果显示,全市单位耕地畜禽粪便负荷强度为10.15 t·hm-2,警报值为0.338,分级指数为Ⅰ,对环境构成污染的威胁为“无”。TN、TP的负荷强度分别为0.09和0.02 t·hm-2,环境风险指数为1.023和1.223,但区域间存在明显的空间分异特征。全市有超过1/2地区存在潜在的畜禽养殖污染风险,其中以茅箭区和郧阳区最为突出。以磷(P)为衡量标准,十堰市养殖总量须在现有基础上消减98.51万头猪当量。【结论】保持合理的畜禽养殖规模(≤441.00万头猪当量),同时做好污染物消减措施,对促进十堰市种养平衡和畜禽养殖业有序发展具有重要意义。

    园艺
    ‘鲁丽’ב红1#’苹果杂交群体全基因组KASP标记开发及验证
    郑文燕, 常源升, 何平, 何晓文, 王森, 高文胜, 李林光, 王海波
    中国农业科学. 2023, 56(5):  935-950.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.010
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    【目的】利用‘鲁丽’ב红1#’亲本及杂交后代,开发苹果叶片性状竞争性等位基因特异PCR(kompetitive allele-specific PCR,KASP)标记,为苹果光能高效利用育种提供参考。【方法】以‘鲁丽’和I型红肉苹果‘红1#’及其134个杂交后代的幼嫩叶片为材料,调查叶片性状表型(包括叶片长度、宽度、叶绿素含量、花青苷含量、光合参数和叶绿素荧光参数等)数据。采用Illumina HiSeq 2500测序平台进行全基因组重测序,通过短序列比对软件将测序序列(reads)回贴到苹果参考基因组,利用GATK软件工具包检测单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms, SNP)标记。【结果】‘鲁丽’和‘红1#’及其134个杂交后代重测序得到有效reads数分别为164 776 660、149 482 876和3 927 370 200。与苹果参考基因组比对率分别为98.77%、98.89%和97.79%。共检测到6 445 766个SNP。经过滤后获得94 208个特异性强,准确性高的SNP位点。对每个SNP进行KASP引物设计,最终开发了5 802个苹果全基因KASP标记。这些KASP标记的多态性信息含量(polymorphism information content,PIC)平均值为0.31,PIC大于0.35的占30.13%。Simpson遗传多样性指数在0.01—0.67,平均每个位点遗传多样性指数为0.53。观测杂合度平均值为0.32。KASP标记所在基因的KEGG功能聚类分析显示,“叶酸介导的一碳代谢途径”是差异基因富集最显著的途径。通过对‘鲁丽’ב红1#’杂交群体24个叶片相关性状进行表型调查,结果显示亲本‘鲁丽’和‘红1#’在叶片净光合速率、气孔导度(Gs)等性状的表型值均存在显著差异。杂交后代表型变异幅度较大,各性状分离广泛。随后对杂交群体叶片性状表型值与KASP标记基因型进行相关性分析,结合KASP标记注释,筛选得到21个与叶片大小、Gs和色素含量性状显著相关的KASP标记。【结论】利用‘鲁丽’和‘红1#’及其134个杂交后代全基因组重测序数据开发了5 802个苹果全基因组KASP标记,获得21个与叶片性状显著相关的KASP标记,为开展标记辅助苹果光能高效利用育种提供了理论参考。

    桃果实单果重及可溶性固形物含量的全基因组选择分析
    曹珂, 陈昌文, 杨选文, 别航灵, 王力荣
    中国农业科学. 2023, 56(5):  951-963.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.011
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    【背景】 桃单果重和可溶性固形物含量(SSC)是育种家关注的两个重要的数量性状,受到多个微效基因的控制,难以通过单个标记进行早期筛选。全基因组选择作为一种新颖的数量性状早期预测工具,在果树上已经有了初步应用,但其在桃上的应用效果以及影响预测准确性的因素仍需要深入探讨。【目的】 建立桃单果重和SSC的全基因组选择技术,为桃高效分子育种技术体系的建立奠定基础。【方法】 以520株训练自然群体为试材,通过重测序筛选出的48 398个SNP进行分型,在11个全基因组预测模型中分别筛选出两个数量性状适宜的模型,进而在56株自然群体和1 145株杂交群体上进行应用。【结果】 3类群体的平均测序数据量在1.95—3.52 Gb,测序深度为5.29—10.79×。训练自然群体经与参考基因组比对,共得到5 065 726个SNP,去除缺失率较高(>20%)、最小等位基因频率过低(<0.05)的位点后,随机挑选基因组上48 398个SNP用于训练群体的全基因组选择模型构建。单果重预测精度最高的模型是BayesA,SSC预测精度最高的模型为randomforest。分别利用两个数量性状最适的模型进行预测,发现在自然群体中,单果重的预测精度为0.4767—0.6141,高于SSC的0.3220—0.4329;而在杂交群体中,单果重的预测精度为0.2319—0.4870,同样高于SSC的0.0200—0.2793;该结果也表明利用训练自然群体构建的预测模型在预测自然群体上应用的精度高于杂交群体。进而以单果重为例,发现当育种目标是大果时,全基因组选择仅需保留17.78%的单株,效率明显高于单标记和双标记筛选。同时探讨了群体离散程度、遗传力和群体结构等对预测精度的影响,发现预测精度可能受到上述因子的综合影响。【结论】 本研究筛选出桃果实单果重和SSC适宜全基因组选择模型,表明该方法的选择效率明显高于单标记筛选,研究结果为两个数量性状的高效分子辅助育种奠定了理论和技术支撑。

    ‘仓方早生’桃及其早熟芽变不同发育时期果实的转录组分析
    彭佳伟, 张叶, 寇单单, 杨丽, 刘晓飞, 张学英, 陈海江, 田义
    中国农业科学. 2023, 56(5):  964-980.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.012
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    【目的】通过对桃品种‘仓方早生’及其早熟芽变不同发育时期的果实进行转录组分析,挖掘参与调控桃果实成熟的关键因子,为深入研究桃果实成熟调控机理提供理论依据。【方法】以桃品种‘仓方早生’及其早熟芽变为试材,每个品种分别选择长势一致的样品树5株,分别于花后30 d(对应‘仓方早生’c1、早熟芽变y1)、45 d(对应c2、y2)、59 d(对应c3、y3)、71 d(对应c4、y4)及89 d(对应c5)对不同发育时期的桃去皮果肉进行取样和转录组测序,并利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)对筛选的差异表达基因进行定量验证;利用GO和KEGG对‘仓方早生’及其早熟芽变的差异表达基因进行分析;基于差异表达基因构建加权基因共表达网络分析(weighted gene co- expression network analysis,WGCNA),从中鉴定出与果实成熟密切相关的枢纽模块和枢纽基因。【结果】将处于果实相同发育时期的转录组数据进行比较,得到y1与c1、y2与c2、y3与c4和y4与c5四组对比数据,共筛选出差异表达基因4 395个,其中上调表达基因2 212个,下调表达基因2 183个。其中包括10个乙烯、11个脱落酸和18个生长素合成及其信号转导途径基因,并构建了10个IAA蛋白与预测互作ARF蛋白间的相互作用网络。由GO分类统计结果可知,差异表达基因在生物过程板块主要集中于细胞过程、代谢过程和单体过程;在细胞组分板块主要聚集于膜和细胞组分;在分子功能板块主要富集于结合蛋白和催化活性等方面。‘仓方早生’及其早熟芽变果实的差异基因主要集中在y3与c4和y4与c5对比组中,这些差异基因大多被富集到分子功能中结合活力、氧化还原酶活性等方面。对差异表达基因进行KEGG通路分析表明,在果实生长发育成熟过程中伴随着多种次生代谢产物的变化,如倍半萜和三萜生物合成、类黄酮生物合成、类胡萝卜素的生物合成和α-亚麻酸代谢等。同时,本研究发现生长素信号转导途径在不同时间节点均有富集,这意味着植物激素信号转导通路对果实成熟具有极为重要的作用。【结论】在‘仓方早生’及其早熟芽变不同发育时期果实的差异表达基因中,大量激素信号转导途径基因特别是生长素信号途径基因发生了富集,这些基因可能在调控果实发育中具有重要作用,可对这些候选的IAAARF功能及其如何通过相互作用调控果实成熟的机制进行进一步的解析。

    食品科学与工程
    荞麦多酚干预对高脂膳食诱导小鼠的降脂作用及其调控机制
    姚轶俊, 鞠兴荣, 王立峰
    中国农业科学. 2023, 56(5):  981-994.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.013
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    【背景】目前已有相关动物实验证实荞麦对于高脂膳食引起的肥胖和脂代谢紊乱具有良好的干预作用。同时研究表明,棕色脂肪适应性产热可以有效改善人体能量新陈代谢。因此,增加棕色脂肪活性、促进白色脂肪棕色化可作为一种预防肥胖和改善能量代谢疾病的有效途径。【目的】采用原粮及从荞麦中鉴定出的4种主要酚类物质按在原粮中的含量比例配制成多酚干预物进行干预,研究荞麦多酚通过调节白色脂肪棕色化对高脂膳食小鼠的干预及改善作用,系统研究荞麦中发挥降脂功能的主要酚类物质及其对脂代谢的调控机制。【方法】通过UHPLC-Q-Orbitrap质谱结合数据库对荞麦多酚提取物中的酚类物质进行鉴定,并通过相对定量将其中含量最多的主要多酚按其在荞麦原粮中的含量比例配制成多酚复合物。通过添加荞麦饲料以及荞麦多酚复合物干预C57BL/6J小鼠饮食,研究荞麦酚类物质改善脂质代谢的作用。以10%、20%、40%比例的荞麦替换基础饲料和2.5 mg∙mL-1荞麦多酚复配物对小鼠进行饮食干预,探究荞麦对小鼠体重、脏器指数和血脂水平的调节作用。并通过Western-blot和q-PCR探究荞麦饲料及多酚干预对小鼠皮下脂肪组织中与产热相关的蛋白及基因表达的影响。【结果】通过UHPLC-Q-Orbitrap质谱鉴定出荞麦多酚提取物中的20种酚类化合物,其中含量最高的4种酚类化合物羟基肉桂酸、槲皮素、滨蒿内酯和芦丁含量达到酚类总量的80%以上,为荞麦中的主要酚类物质。在饮食干预39 d后,与高脂饮食组相比,添加荞麦饲料以及荞麦多酚干预对小鼠的体重、肝脏指数以及血清中甘油三酯、总胆固醇、低密度脂蛋白、谷草转氨酶和谷丙转氨酶的增加有显著的抑制作用,并且随着荞麦添加量的提高,其抑制作用也增加。同时,添加荞麦饲料以及荞麦多酚干预对小鼠肾脏指数、高密度脂蛋白的降低起到了保护和改善的作用。高剂量40%荞麦和多酚干预组的效果最好,表明荞麦饮食干预对高脂膳食诱导的肥胖小鼠脂代谢异常的改善是其中的酚类物质发挥了主要作用。与正常饮食组相比,高脂饮食组中与棕色脂肪相关的UCP1、PRDM-16和PGC-1α蛋白表达水平显著降低,而与白色脂肪特异性表达的Tcf21和HOXC8水平显著上调(P<0.05)。饮食干预后,荞麦干预组中UCP1、PRDM-16和PGC-1α的蛋白表达水平均显著上调,Tcf21和HOXC8的蛋白表达均显著下降(P<0.05)。此外,40%荞麦和多酚干预组还有效地提高了小鼠皮下脂肪组织中UCP1、PRDM-16PGC-1α的表达(P<0.05),并下调Tcf21HOXC8的表达。【结论】荞麦干预可以有效改善高脂饲料诱导小鼠脂代谢紊乱情况,并证实了荞麦多酚在其中发挥了主要作用,其作用机理主要是荞麦多酚可以显著提高棕色脂肪产热活性,同时下调白色脂肪特异性表达,调节能量代谢平衡,改善高脂饮食诱导的高脂血症和能量代谢紊乱。研究结果为荞麦的利用和相关降脂功能食品的开发提供了新的研发思路和理论依据。

    畜牧·兽医
    基于智能项圈系统荷斯坦牛发情相关指标的遗传参数估计及全基因组关联分析
    杨明路, 张海亮, 罗汉鹏, 黄锡霞, 张翰林, 章施施, 王炎, 刘林, 郭刚, 王雅春
    中国农业科学. 2023, 56(5):  995-1006.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.014
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    【目的】探究基于奶牛智能项圈系统产生的发情指数和活动峰值指标的群体规律及其影响因素,对其进行遗传参数估计,并利用全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)挖掘与奶牛发情相关指标的遗传标记,以期为从遗传育种角度制定选育策略提高奶牛繁殖力提供有用信息。【方法】试验以北京市某规模化牧场健康的泌乳期荷斯坦牛为研究对象,收集了该牧场2017年7月至2020年5月2 074 头泌乳牛的发情记录,包括发情指数和活动峰值,同时收集了试验牛的产犊记录;采用 SAS 9.4中MIXED过程,分析了非遗传因素对发情指数和活动峰值的影响;基于DMU软件DMUAI模块,使用双性状动物模型估计了发情指数与活动峰值的遗传力及遗传相关,并计算了发情指数与常规繁殖性状的近似遗传相关;以逆回归育种值为关联分析的表型,利用FarmCPU软件分别对发情指数和活动峰值进行了GWAS。【结果】荷斯坦牛发情指数为(71.77±19.13)au,活动峰值为(105.94±30.73)au/2h。发情指数遗传力为0.04±0.01,活动峰值遗传力为0.19±0.04,均为低遗传力性状;发情指数与活动峰值之间的遗传相关为0.45±0.03;发情指数与经产牛首末次配种间隔、首次产犊日龄和青年牛首末次配种间隔的近似遗传相关分别为0.37、-0.41、-0.55。两个性状的GWAS共找到7个在全基因组水平上显著的SNP位点,分别位于7条染色体上,显著位点附近(300 kb内)共发现基因31个。【结论】通过项圈系统获得的发情指数和活动峰值是可遗传的,两者之间存在中等遗传相关,活动峰值为中低遗传力,且能够一定程度上反映奶牛的发情指数,活动峰值和发情指数为研究奶牛的发情行为以及提高母牛的繁殖力提供了新的方向。GWAS鉴定到的候选基因PTGS1(Prostaglandin-Endoperoxide Synthase1)和NDUFA8(Ubiquinone Oxidoreductase Subunit A8)的功能与供体胚胎总数有关,VEGFA(Vascular Endothelial Growth Factor A)基因功能与奶牛繁殖有关,可作为奶牛发情相关指标的候选基因进行深入研究。

    研究简报
    姜黄素通过SIRT1/FOXO1通路缓解玉米赤霉烯酮诱导的猪肾上皮细胞氧化损伤
    崔红杰, 卢春亭, 潘丽琴, 胡会, 钟佩云, 朱洁莹, 张凯照, 黄小红
    中国农业科学. 2023, 56(5):  1007-1018.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.015
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    【目的】探究姜黄素(Cur)对玉米赤霉烯酮(ZEA)诱导猪肾上皮细胞(PK-15)氧化损伤的保护作用,并基于SIRT1/FOXO1信号通路阐明其作用机制,为姜黄素的兽医临床应用提供依据。【方法】试验分为5组:对照组、ZEA组(36.55 μg·mL-1 ZEA)、Cur 6.25组(36.55 μg·mL-1 ZEA+6.25 μmol·L-1 Cur)、Cur 12.5组(36.55 μg·mL-1 ZEA+12.5 μmol·L-1 Cur)、Cur 25组(36.55 μg·mL-1 ZEA +25 μmol·L-1 Cur);通过MTT法测定ZEA的半数抑制浓度和Cur对PK-15细胞的最大安全浓度;使用倒置显微镜观察PK-15细胞的形态变化;采用试剂盒检测细胞内活性氧(ROS)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)以及丙二醛(MDA)的水平;qRT-PCR检测细胞SIRT1、FOXO1、CAT、Mn-SOD的mRNA水平;Western Blot检测SIRT1、FOXO1和Acetyl-FOXO1蛋白的表达量。【结果】ZEA的IC50为36.55 μg·mL-1,Cur的最大安全浓度为25 μmol·L-1;与对照组相比,ZEA极显著降低PK-15细胞活力(P<0.01),极显著提高ROS和MDA水平(P<0.01),极显著降低SOD、CAT活性(P<0.01);与ZEA组对比,不同浓度的Cur(6.25、12.5、25 μmol·L-1)显著提高PK-15细胞的存活率(P<0.05),改善细胞形态;极显著(P<0.01)降低ZEA诱导的ROS和MDA水平;极显著升高细胞内SOD和CAT活性(P<0.01)。qRT-PCR结果显示,与对照组相比,ZEA降低SIRT1 mRNA表达量,极显著升高FOXO1 mRNA表达量(P<0.01),升高Mn-SOD mRNA表达量,极显著降低CAT mRNA表达量(P<0.01)。与ZEA组对比,各Cur组不同程度的升高SIRT1和CAT的mRNA表达量,极显著的降低FOXO1的mRNA表达量(P<0.01);极显著升高Mn-SOD的mRNA表达量(P<0.01)。Western Blot结果表明,与对照组对比,ZEA显著降低SIRT1蛋白表达(P<0.05),极显著升高Acetyl-FOXO1蛋白表达(P<0.01);与ZEA组对比,各Cur组均极显著升高SIRT1蛋白表达(P<0.01),极显著降低Acetyl-FOXO1蛋白表达(P<0.01)。【结论】Cur可以上调SIRT1的表达,降低FOXO1的乙酰化水平,诱导抗氧化酶Mn-SOD和CAT的表达,从而清除ROS,降低MDA水平,减轻ZEA对PK-15细胞的氧化损伤作用。