中国农业科学

OsLCT1启动子驱动OsNRAMP5表达对镉向水稻种子迁移的影响

熊嘉妮, 李宗玥, 胡衡亮, 顾天宇, 高艳, 彭佳师

中国农业科学. 2025, 58(7): 1259-1268. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.001

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【目的】镉（Cd）是我国耕地的主要污染物，而稻米是人体Cd摄入的主要来源。OsNRAMP5是介导Cd进入水稻体内的主要转运蛋白，在水稻特定组织中特异表达OsNRAMP5，探索并构建种子低积累Cd水稻的途径，为应对耕地Cd污染水稻改良的分子设计提供参考。【方法】选取OsLCT1起始密码子上游2 500 bp序列作为启动子，驱动OsNRAMP5在水稻日本晴中表达，并通过在OsNRAMP5的C端融合红色荧光蛋白mRFP以观察OsNRAMP5在转基因水稻中的组织表达情况。获得独立的纯合转基因株系后，首先用qRT-PCR检测OsNRAMP5在水稻中的表达，利用激光共聚焦显微镜观察OsNRAMP5在水稻根和节点处的组织定位；其次，观察和统计野生型和转基因株系在不同浓度Cd处理条件下对Cd的积累和耐受特性的变化；最后，在含Cd污染的农田土壤中种植，统计Cd和其他矿质元素在种子和叶片中的积累及产量性状。【结果】在OsLCT1启动子驱动下，OsNRAMP5主要在水稻根部的表皮、外皮层、中柱，以及节中的扩大维管束韧皮部和扩散维管束中表达，这与水稻OsNRAMP5的原有表达模式显著不同。与野生型相比，在幼苗期，转基因株系表现出根部Cd积累增加，地上部Cd积累减少的表型，而且对Cd胁迫的耐受性增强；在含Cd污染的农田土壤中种植后，转基因株系的株高产量等没有变化，但种子和叶片中Cd的积累显著减少。其中，种子中Cd的积累降低约80%，减少的比例远大于叶片。地上部和种子中Mn的含量也略有减少，但是Fe、Zn、Cu等矿质元素积累变化不显著。【结论】OsLCT1启动子驱动OsNRAMP5在水稻中表达，减少了Cd从根部向地上部转运，同时，在节点部位使Cd更多地分配至叶片，从而进一步降低了种子中Cd的积累。因此，利用OsLCT1启动子驱动OsNRAMP5表达是降低水稻种子Cd积累的有效方式。

转基因复合抗虫耐除草剂玉米LD05的分子特征及抗性评价

岳润清, 李文兰, 丁照华, 孟昭东

中国农业科学. 2025, 58(7): 1269-1283. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.002

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【目的】明确转基因复合抗虫耐除草剂玉米LD05的分子特征和目标性状有效性，为产业化应用提供数据基础、技术支撑和产品储备。【方法】利用生物信息学分析设计改造获得的自主产权抗虫融合基因m2cryAb-vip3A，针对创制的新型转基因复合抗虫耐除草剂玉米LD05，选取其BC₄F₃、BC₄F₄、BC₄F₅代开展试验研究。利用特异性PCR和Southern blot开展基因组整合稳定性分析；利用qRT-PCR和ELISA开展表达稳定性分析；通过室内生测和田间接虫试验评价其对靶标害虫的抗性，通过田间喷施草铵膦测试其除草剂的耐受稳定性。【结果】发掘设计出自主产权新型抗虫融合基因m2cryAb-vip3A，创制出复合抗虫耐除草剂玉米转化体LD05，其外源T-DNA以单拷贝形式整合进玉米基因组中。qRT-PCR结果表明，m2cryAb-vip3A和bar在3个世代不同组织器官中均有表达，表达量变化趋势基本一致。其中，m2cryAb-vip3A在连续3个世代苗期叶中表达量最高，平均表达量为36.73，而在成熟期穗轴中表达量最低，平均表达量仅有0.91；bar与m2cryAb-vip3A表达模式相似，在苗期叶片中表达量最高，平均表达量为7.35，在拔节期以后表达量变低。ELISA结果表明，M2CryAb-VIP3A在3个世代不同时期、不同器官中均能稳定积累，且不同世代蛋白积累量相似，其中，不同世代苗期叶中积累量最高，均高于19.67 μg·g^-1 FW；PAT蛋白在连续3个世代的不同组织中均能检测出较高目标蛋白的表达，且在不同世代之间表达量无明显差异，其中，在不同世代苗期叶中表达量最高，平均含量为16.61 μg·g^-1 FW，而在成熟期根中的积累量最低，平均含量为0.30 μg·g^-1 FW。室内生测结果显示，取食LD05的心叶期玉米叶片组织96 h后，玉米螟、草地贪夜蛾、黏虫的校正死亡率均达到100%，为高抗级别；花丝期接虫96 h后，玉米螟、草地贪夜蛾、棉铃虫的校正死亡率分别为100%、100%和98.67%，均为高抗级别。田间接虫试验结果显示，LD05转化体在心叶期和花丝期对玉米螟、心叶期对黏虫，以及在花丝期对棉铃虫的抗性等级均为高抗。草铵膦耐受性试验结果表明，转基因玉米LD05能够耐受4倍草铵膦。农艺性状调查显示，转基因玉米LD05和对照郑58无差别。【结论】研发出自主产权新型抗虫融合基因m2cryAb-vip3A，创制的转基因复合抗虫耐除草剂玉米LD05分子特征清晰、遗传稳定、功能性状突出。

红色和黑色花生籽仁黄酮含量近红外模型的构建

李鑫瑜, 侯名语, 崔顺立, 刘盈茹, 李秀坤, 刘立峰

中国农业科学. 2025, 58(7): 1284-1295. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.003

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【目的】黄酮含量是花生籽仁的重要品质指标之一，近红外光谱分析技术是快速检测花生籽仁黄酮含量的有效方法，然而，种皮颜色差异会影响检测结果的准确性。针对红色、黑色花生分别构建近红外预测模型，为特色花生籽仁黄酮含量的高效快速检测提供保障。【方法】选用232份不同种皮颜色花生种质为材料，其中，红色花生108份、黑色花生124份。以芦丁为标准品（RT：rutin），使用氯化铝显色法测定其总黄酮含量。使用瑞典波通DA7250近红外分析仪（DA7250 Diode Array Analyzer）进行光谱采集，扫描光谱范围为950—1 650 nm。基于全波段的偏最小二乘法（PLS），使用建模软件The Unscrambler X10.4建模，通过不同的导数和散射等光谱预处理方法进行单一处理和复合处理，建立不同定标模型。比较不同模型的相关系数和误差，选择最佳处理方法构建红色、黑色花生籽仁黄酮含量预测模型。以四粒红和冀农黑3号为亲本衍生的重组自交系群体为材料，进行外部交叉验证。【结果】红色花生籽仁黄酮含量为60.33—122.49 mg RT/100 g，平均值为94.34 mg RT/100 g。黑色花生籽仁黄酮含量为64.98—121.55 mg RT/100 g，平均值为95.59 mg RT/100 g。红色花生预测模型最佳光谱预处理方法为“Derivative Savitzky-Golay+SNV+Detrend”，校正相关系数（Rc）为0.9022，交叉验证均方根误差（root mean square error of cross validation，RMSECV）为1.9101，预测相关系数（Rp）为0.9021，预测均方根误差（root mean square error of prediction，RMSEP）为1.9606 mg RT/100 g。外部验证相关系数R²为0.923，预测模型偏差范围为-4.86—8.47 mg/100 g。黑色花生预测模型最佳光谱预处理方法为“Derivative Savitzky-Golay+SNV+Deresolve”，Rc为0.9521，RMSECV为1.6978，Rp为0.915，RMSEP为2.292 mg RT/100 g，外部验证相关性系数R²为0.907，预测模型偏差范围为-4.56—2.87 mg/100 g。用非相应颜色模型进行交叉验证，相关系数为0.0015—0.0975。【结论】花生种皮颜色严重影响花生籽仁黄酮含量的近红外检测精准度，构建的红色、黑色花生黄酮近红外预测模型适用于相应种皮颜色花生的黄酮含量检测。

高密度条件下株型改良对春玉米根-冠特征及籽粒产量的影响

赵耀, 程前, 徐田军, 刘正, 王荣焕, 赵久然, 陆大雷, 李从锋

中国农业科学. 2025, 58(7): 1296-1310. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.004

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【目的】增加种植密度是目前生产上提升玉米产量的主要农艺措施之一，但增密会导致群体结构不合理进而降低光照等有限资源利用效率，限制玉米产量潜力释放。基因编辑可以通过改良玉米株型来优化冠层结构使其适应密植进而增加产量，探明株型改良对春玉米根冠特性、籽粒产量及密度响应的影响及机制，可为春玉米的株型改良和密植高产提供理论与技术支撑。【方法】于2019和2020年在吉林省公主岭试验站进行为期2年的田间试验，以京科968和该品种的株型改良型品种京科Y968为试验材料，设置3个种植密度分别为6.0万株/hm²（D1）、7.5万株/hm²（D2）、9.0万株/hm²（D3）。研究相同遗传背景下株型对春玉米根-冠特征和产量的影响。【结果】在D1条件下，2种不同株型的春玉米品种间叶面积指数（LAI）、净光合速率（Pn）、光能利用效率（PUE）、干物质积累量及籽粒产量均无显著差异。但与京科968相比，京科Y968在D3条件下具有相对较高的主根条数（7.2%）和较大的根系干物质重量（6.0%），促进了营养物质的吸收；同时，在D2和D3条件下，京科Y968植株上部、中部和下部均具有相对较低的茎叶夹角和较高叶向值、叶面积指数。因此，D2和D3条件下灌浆中后期京科Y968穗位叶的Pn分别提高了7.5%和7.7%，PUE提高了4.3%和10.8%。结构方程模型分析表明，较高的叶向值和叶面积指数可正向直接地提升地上部干物质积累量，进而增加籽粒产量8.7%（D2）和11.2%（D3）。【结论】株型的改良使京科Y968在高密度条件下具有更高的主根条数和更大的根系干物质重，有利于地下部营养吸收，同时其叶片更为紧凑，光合速率显著提高，冠层光能利用率得到有效提升，根-冠结构更为合理，促进了地上部干物质积累，进而可以获得相对较高的籽粒产量。

苗期低温对棉花花芽分化和棉株产量的影响

赵宇萱, 苗纪元, 胡伟, 周治国

中国农业科学. 2025, 58(7): 1311-1320. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.005

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【目的】研究苗期低温对棉花花芽分化的危害和籽棉产量的影响，分析苗期低温下棉花顶芽内源激素的变化特征，为低温下棉花优质高效栽培技术提供理论依据。【方法】以早熟、优质棉花品种中425为材料，于2022-2023年在南京农业大学牌楼试验站智能温室开展苗期低温盆栽试验，模拟南疆阿克苏地区棉花苗期的日均温环境，设置2个温度处理，分别是对照（CK，日均温27 ℃，日均最高、最低温分别为32、22 ℃）、低温（LT，日均温20 ℃，日均最高、最低温度分别为25、15 ℃），研究苗期低温下棉花花芽分化数量、大小、形态解剖结构和顶芽内源激素变化，苗期低温解除后棉铃及其组分生物量、籽棉产量相关指标变化。【结果】在棉花花芽分化过程中，苗期低温下棉花顶芽内的生长素（IAA）含量升高、ZR与GA₃含量的比值（ZR/GA₃）降低使花芽分化受到抑制，脱落酸（ABA）、赤霉素（GA₃）和玉米素核苷（ZR）含量升高以响应低温带来的不利影响。顶芽内源激素受苗期低温影响发生变化，使花芽分化进程减缓，第1果枝第1果节花芽分化至苞片分化期、萼片分化期、花瓣-雄蕊分化期、雌蕊分化期、性器官形成期时，叶龄分别增加16.6%-19.4%、26.5%-31.3%、17.6%-29.0%、16.6%-23.3%、26.6%-30.0%；棉苗4叶1心、5叶1心、6叶1心期的花芽数量分别减少了33.3%-55.2%、24.0%-53.1%、26.8%-32.9%，由于苗期低温下棉苗生长发育迟缓，相同温度处理天数的棉苗花芽数量减少更为显著，与对照组棉苗4叶1心、5叶1心、6叶1心期相同低温处理天数的棉苗花芽数量减少66.7%-85.7%、74.0%-87.8%、70.7%-81.7%，棉苗4叶1心、5叶1心、6叶1心期的花芽分别减少33.3%-36.4%、70.7%-71.6%、44.6%-48.3%。苗期低温解除后，棉铃发育依然受到影响，棉铃及其组分生物量均显著降低，铃壳、纤维、棉籽生物量分别降低64.6%、65.5%、66.7%，棉花铃数降低65.4%，最终籽棉产量降低65.5%。【结论】苗期低温下，棉花顶芽IAA含量升高、ZR/GA₃降低抑制了伏前桃花芽分化。苗期低温通过推迟花芽分化使棉花生殖发育缓慢，棉铃生物量降低，苗期低温使花芽数量减少，最终棉花铃数降低，导致籽棉产量下降。

基于光谱指数的琯溪蜜柚叶片钙素含量估测模型研究

栗方亮, 孔庆波, 张青

中国农业科学. 2025, 58(7): 1321-1332. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.006

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【目的】构建基于光谱分析的蜜柚叶片钙（Ca）素含量估测模型，可为蜜柚叶片钙素含量的监测和快速无损诊断提供理论基础。【方法】分析提取蜜柚叶片原始光谱及一阶导数光谱特征波段和光谱特征指数（差值光谱指数（DSI）、比值光谱指数（RSI）和归一化光谱指数（NDSI）），构建蜜柚叶片钙素含量的单变量估测模型、偏最小二乘估测模型（PLS）、反向传播神经网络估测模型（BPNN）、随机森林估测模型（RF）和支持向量机估测模型（SVM），并评价和验证蜜柚叶片钙素含量的最优光谱估测模型。【结果】蜜柚叶片原始光谱和一阶导数光谱与钙素含量存在多波段显著相关，基于原始光谱和一阶导数光谱的相关系数，最大的波长分别为553、714 nm和528、699、602 nm。基于原始光谱和一阶导数光谱与钙素含量相关性较显著的光谱指数分别为DSI_790,1040、RSI_910,990、NDSI_900,990和NDSI′_350,580、DSI′_560,570、RSI′_350,580。以RSI_910,990、NDSI_900,990、NDSI′_350,580、DSI_790,1040、DSI′_560,570、RSI′_350,580、DSI′_528,602等光谱指数为自变量构建的多项式估测模型，决定系数R²较大（R²>0.60）。运用上述4种机器学习方法建立蜜柚叶片钙素含量高光谱估测模型，PLS、BPNN、RF和SVM 4种估测模型的R²分别为0.79、0.82、0.85和0.84，均方根误差（RMSE）分别为4.33、4.11、3.81和3.93，验证模型的R²分别为0.77、0.80、0.87和0.83，RMSE分别为4.50、4.28、3.67和3.90，估测模型的精确程度为RF>SVM>BPNN>PLS。【结论】蜜柚叶片钙素含量的4种模型进行精度对比分析表明，RF估测模型的预测性优于其他3种估测模型。该结果可为蜜柚叶片钙素含量快速诊断提供新方法以供参考。

广泛非靶向代谢组学解析小麦抗条锈病反应中叶绿体代谢产物

吴郁, 曲翔汝, 杨丹, 伍芩, 陈国跃, 江千涛, 魏育明, 许强

中国农业科学. 2025, 58(7): 1333-1343. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.007

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【目的】揭示小麦抗条锈病反应中叶绿体代谢物变化，明确小麦叶绿体关键代谢产物在抗条锈病中的作用。【方法】以小麦品种水源11为试验材料，设置喷施无菌水（对照组）和接种条锈菌（Puccinia striiformis f. sp. tritici）生理小种CYR23（试验组），提取喷施后48和72 h（hour post infection，hpi）的小麦叶绿体，利用超高液相色谱串联质谱（UHPLC-MS/MS）进行广泛非靶向代谢组学分析，通过主成分分析和相关性分析展示各组间和组内样本的差异性与相关性，并采用正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）模型的VIP（variable importance in projection）值来评估抗病组与对照组的叶绿体代谢物差异；通过京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库对叶绿体差异代谢物进行通路富集分析，探究小麦在条锈病抗性反应中叶绿体的主要代谢通路。【结果】代谢组数据质量可靠，组内样品重复性好，且组间样品存在差异。共检测到1 496种代谢物，主要包括脂质及类脂分子、有机酸及其衍生物、有机杂环化合物、苯丙类和聚酮类物质、有机氧化物、苯类化合物等。不同组间代谢物种类较为相似，但在不同侵染时间代谢物含量变化显著。在48 hpi与对照组（CK）中，差异代谢物有121种，包括21种上调代谢物和100种下调代谢物；72 hpi与CK组中，差异代谢物有58种，其中35种上调，23种下调；72与48 hpi组中，差异代谢物有53种，其中33种上调，20种下调。不同侵染时间48 hpi vs CK与72 hpi vs CK也共有4种差异代谢物。KEGG分析发现差异代谢物富集到多条代谢通路，其中亚油酸代谢通路中的亚油酸在接种条锈菌48和72 h后均上调表达，两个时间点分别上调表达2.75和2.93倍，表明亚油酸受条锈菌诱导持续合成。【结论】叶绿体中响应小麦抗条锈病的主要代谢物有脂质和脂肪酸及其衍生物、有机酸及其衍生物、有机氧化物和苯丙类、聚酮类物质，其中亚油酸可能在小麦持续抵抗条锈病过程中起重要作用。

野外种群杂交和室外种群锻炼对烟蚜茧蜂寄生及生长发育相关酶的影响

何娇萍, 韩梦, 周挺, 顾钢, 赖宇飞, 赖荣泉

中国农业科学. 2025, 58(7): 1344-1354. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.008

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【目的】烟蚜茧蜂（Aphidius gifuensis）是烟蚜（Myzus persicae）的优势寄生蜂，但在烟蚜茧蜂人工或规模化生产扩繁过程中存在昆虫体型变小、寄生力下降等难题。本研究旨在分析不同调控方式对退化烟蚜茧蜂的寄生率、子代体型和子代生长发育相关酶含量和活性的影响，完善退化烟蚜茧蜂的种群复壮技术，保证人工繁殖的规模化和稳定性。【方法】室内挑选饲养至10代后出现明显种群退化的烟蚜茧蜂进行野外杂交复壮、室内锻炼复壮、室外锻炼复壮，每隔12 h观察僵蚜形成情况，待僵蚜形成后（即僵蚜呈黄褐色时期），统计数量，计算烟蚜茧蜂寄生率；且待僵蚜羽化后，从每个处理组中随机选择能体现该组整体特征的代表性的6头雌成蜂在体视摄影显微镜下测量其后足胫节长度作为体型大小的指标；收集不同处理的僵蚜单独放置，待其羽化后12 h内用考马斯亮蓝G-250方法作标准曲线，再用紫外分光光度计比色法测定生长发育相关酶含量及活性。【结果】野外杂交复壮、室外锻炼复壮均对烟蚜茧蜂寄生力有较好的调控效果（P<0.05），而室内锻炼复壮对烟蚜茧蜂寄生力无显著调控效果（P>0.05）；野外组雌虫和室内退化组雄虫（1﹕1）杂交时复壮效果最好，其寄生率和子代体型与对照组相比分别提高17.83%和18.98%，其子代羧酸酯酶、酚氧化酶和海藻糖酶含量显著增加，酚氧化酶活性显著提高（P<0.05）。烟蚜茧蜂室外锻炼6代后，与未经过锻炼的第0代相比，其寄生率和子代体型分别提升24.67%和49.33%，烟蚜茧蜂子代羧酸酯酶、酚氧化酶、超氧化物歧化酶、海藻糖酶含量显著增加，酚氧化酶活性和超氧化物歧化酶总活性也显著提高（P<0.05）。【结论】在生产上对退化的烟蚜茧蜂种群进行野外杂交复壮、室外锻炼复壮可提高烟蚜茧蜂对烟蚜的寄生能力。

长江中游地区水稻-油菜轮作体系需水特征

王彬, 吴朋浩, 鲁剑巍, 任涛, 丛日环, 陆志峰, 李小坤

中国农业科学. 2025, 58(7): 1355-1365. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.009

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【目的】明确长江中游地区水稻-油菜轮作体系需水特征，为该种植体系的水资源分配提供理论依据。【方法】采用单作物系数法对长江中游地区水稻-油菜轮作体系的需水量进行估算和分析，并结合有效降水量计算补充灌溉量，根据作物水分盈亏指数明确轮作体系的水分亏缺特征。【结果】长江中游地区水稻-油菜轮作模式每年平均需水1 172 mm，水稻季年均总需水量约为898 mm，占整个轮作体系需水量的76.6%；油菜季年均总需水量约为274 mm，占整个轮作体系需水量的23.4%。水稻季年均需要补充灌溉643 mm，油菜季则平均每年需要排水54 mm。水稻季中旱、重旱和特旱的年份分别占比77.5%、15%和2.5%；油菜中涝、重涝和特涝的年份分别占比10%、17.5%和2.5%。该模式需要重点关注水稻的分蘖期、拔节孕穗期和抽穗灌浆期的田间水分状况，油菜季则需要防控苗期和成熟期涝害。早稻-晚稻-油菜轮作模式每年平均需水1 161 mm，早稻季年均总需水量约为550 mm，晚稻季年均总需水量约为401 mm，两季总需水量占整个轮作体系需水量的82.0%；油菜年均总需水量约为210 mm，占整个轮作体系需水量的18.0%。早稻季年均需要补充灌溉322 mm，晚稻季年均需要补充灌溉272 mm，油菜季平均需要排水59 mm。水稻中旱、重旱和特旱的年份分别占比40%、15%和1.3%；油菜季中涝、重涝和特涝的年份分别占比12.5%、17.5%和17.5%。该模式需要关注晚稻的拔节孕穗期和抽穗灌浆期的水分状况，油菜季则需要防控苗期和成熟期的涝灾。【结论】长江中游地区水稻-油菜轮作模式需水1 172 mm，水稻季和油菜季需水分别占76.6%和23.4%，早稻-晚稻-油菜轮作模式需水1 161 mm，水稻季和油菜季需水分别占82.0%和18.0%，水稻季需要补充灌溉防止水分亏缺，油菜季需要做好排水工作；在极端降水年份，需要注意水稻苗期以及油菜苗期和成熟期的水分过量情况，做出相应的措施；在极端干旱的年份，需要重点监测水稻分蘖期、拔节孕穗期和抽穗灌浆期，以及油菜开花期的水分亏缺状况，及时补充灌溉。

绿肥还田结合氮肥减施对干旱灌区麦田土壤水热特征及小麦产量的影响

尹波, 于爱忠, 王鹏飞, 杨学慧, 王玉珑, 尚永盼, 张冬玲, 刘亚龙, 李悦, 王凤

中国农业科学. 2025, 58(7): 1366-1380. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.010

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【目的】针对西北干旱灌区小麦长期连作、生产过程中氮肥用量过高等问题，研究绿肥还田配合减量施氮对小麦田土壤水热变化特征和产量的影响，以期为该地区施氮制度优化提供理论依据。【方法】于2021—2022年在甘肃武威绿洲农业试验站进行田间试验，设置无绿肥还田（G0）、常规施氮（N1）处理（G0N1），以及3个绿肥还田处理（G1、G2、G3，分别为施用绿肥15 000、22 500、30 000 kg·hm^-2）和两个化学氮肥减量处理（N2、N3，分别为较常规施氮减少15%、30%），形成的绿肥还田结合减氮组合试验处理，即G1N2、G2N2、G3N2、G1N3、G2N3、G3N3。分析绿肥还田结合减氮对麦田土壤水热变化特征、小麦叶面积指数和产量的影响。【结果】绿肥还田结合减氮可提高麦田0—120 cm土层土壤贮水量，与G0N1相比，G2N2、G3N2、G3N3提高4.0%—7.8%，其中G3N2处理在播种期、营养生长期、生殖生长期和收获期的各土层均保持较高的土壤含水量。播种期—拔节期，G2N2、G3N2、G3N3较G0N1土壤温度提高0.6—1.3 ℃，土壤积温提高24.8—55.3 ℃；灌浆期—成熟期，各绿肥还田结合减氮处理土壤温度较G0N1降低0.4—1.0 ℃，土壤积温降低7.9—20.0 ℃，同时G3N2在土壤增温和降温阶段的变化幅度小于其他处理。绿肥还田结合减氮显著提高小麦孕穗期—成熟期叶面积指数，为生育后期干物质积累提供足够的光合源。该条件下小麦生物量和籽粒产量较G0N1分别提高13.7%—28.0%、11.7%—31.3%，其中G3N2提升幅度最大。相关性分析表明，小麦产量及构成因素与叶面积指数、0—60 cm土层土壤含水量和土壤温度呈极显著正相关；结构方程模型分析发现，土壤水热条件通过直接影响叶面积指数来间接影响产量的变化。【结论】绿肥还田结合减氮通过改善麦田土壤水热环境、提高小麦叶面积指数，从而获得高产。因此，30 000 kg·hm^-2绿肥+减氮15%是西北干旱灌区优化田间水热环境获得高产的最佳绿肥氮肥配施模式。

减量灌水与有机无机肥配施对青贮玉米吐丝期后叶片持绿特性的调控作用

陈桂平, 李盼, 邵冠贵, 吴霞玉, 殷文, 赵连豪, 樊志龙, 胡发龙

中国农业科学. 2025, 58(7): 1381-1396. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.011

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【目的】研究减量灌水与有机无机肥配施对青贮玉米吐丝期后叶片持绿特性的调控作用和产量表现，探索青贮玉米在减量灌水基础上结合有机肥与无机肥的最佳等氮配施比例，为河西灌溉区青贮玉米高产高效的栽培方式提供理论依据。【方法】2021—2023年，在河西绿洲灌区采用两因素裂区试验设计，主区为2个灌水水平（减量20%灌水（I1）和传统灌水（I2）)，副区为5个有机无机肥等氮配施比例（全施无机氮肥（F1）、75%无机氮肥+25%有机肥（F2）、50%无机氮肥+50%有机肥（F3）、25%无机氮肥+75%有机肥（F4）和全施有机肥（F5）），探究青贮玉米吐丝期后叶片持绿性及鲜草、干草产量对不同灌水量和有机无机肥等氮配施的响应特征。【结果】单一减量灌水造成青贮玉米吐丝期后叶片持绿性降低，减量灌水与有机无机肥配施有利于增强青贮玉米吐丝期后叶片持绿特性，其中以减量20%灌水结合75%无机氮肥+25%有机肥配施（I1F2）优势突出。I1F2可增加青贮玉米吐丝后期叶面积指数和持绿性，较传统灌水结合全施无机氮肥（对照，I2F1）分别提高14.3%和6.8%。与I2F1处理相比，I1F2青贮玉米叶绿素a和b含量也分别提高14.2%和10.7%，因叶绿素a含量的增幅大于叶绿素b，而获得较高的叶绿素a/b。75%无机氮肥与25%有机肥配施在减量20%灌水条件下有助于提高青贮玉米吐丝期后活性氧清除能力，较I2F1处理超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶活性分别提高12.0%、7.8%、10.7%和10.2%。I1F2较I2F1处理青贮玉米吐丝期后脯氨酸与可溶性蛋白含量分别提高9.8%和9.7%，丙二醛含量降低8.4%。故而，I1F2处理青贮玉米可在适收期获得较高的鲜草与干草产量，较I1F2处理分别提高9.9%和13.6%。由综合分析可知，I1F2处理可通过提高青贮玉米吐丝期后叶片抗氧化酶活性、增加细胞渗透调节物质含量，并降低丙二醛含量；可以显著提高叶面积指数、持绿性和叶绿素含量，从而有效地提升青贮玉米产量。【结论】减量20%灌水，结合25%有机氮代替无机氮是干旱灌溉区延长青贮玉米吐丝期后叶片持绿期和提高产量的适宜水氮管理模式。

葡萄TPS基因家族全基因组鉴定及VvTPS4在单萜形成中的功能验证

杨彩丽, 李永洲, 贺亮亮, 宋银花, 章鹏, 刘肇先, 李鹏慧, 刘三军

中国农业科学. 2025, 58(7): 1397-1417. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.012

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【目的】基于葡萄基因组信息，通过生物信息学手段对葡萄TPS基因家族成员进行鉴定及表达分析，为后续VvTPSs的生物学功能研究和葡萄育种提供科学依据。【方法】根据拟南芥AtTPS基因家族成员蛋白序列和TPS对应的隐尔马可夫文件PF01397和PF03936，对VvTPS基因家族进行鉴定。利用Expasy、TBtools、MEME、MEGA、MCScanX、SPOMA、WoLF PSORT和PlantCARE等工具分析家族成员的理化性质、系统进化树、染色体定位、基因结构、蛋白质二级结构、启动子顺式作用元件和预测亚细胞定位。运用qPCR分析基因家族成员在无香型（‘红地球’）和玫瑰香型（‘玫瑰香’）葡萄成熟果实中的表达情况，并通过番茄转基因功能验证，分析转基因番茄果实挥发性代谢组学，以明确VvTPS4在单萜生物合成方面的功能。【结果】鉴定获得65个VvTPS基因家族成员，编码蛋白的氨基酸数目为339—840，平均分子质量为64.13 kDa，理论等电点为4.93—7.65，大多数成员具有7个外显子结构。经系统进化树分析，将葡萄TPS家族划分为TPS-a、TPS-b、TPS-c、TPS-e/f和TPS-g亚家族。VvTPS成员多定位于叶绿体和细胞质，其中，定位于质体的成员有10个属于TPS-g亚家族。在启动子区域发现含有大量响应光照、温度、干旱、激素和防御相关的顺式作用元件。克隆到29个VvTPSs，绝大多数VvTPSs在玫瑰香型葡萄果实中的表达高于无香型葡萄果实。转基因结果表明，过表达VvTPS4能够增加番茄果实中挥发性单萜物质的积累，其中，芳樟醇是最显著上调的化合物，是野生型的20.73倍，其次是L-α-松油醇（14.55倍），风味特征分析表明，这两种物质具有花香味，是影响‘玫瑰香’香气的主要特征物质。【结论】从葡萄基因组中鉴定到65个VvTPSs，成员之间具有高度的保守性，且在不同香气类型的葡萄中表达模式不同。过表达VvTPS4能显著增加挥发性单萜物质的积累，可能与玫瑰香气形成密切相关。

香蕉Ca²⁺-ATPase基因家族的鉴定及功能分析

滕梦鑫, 徐亚, 何静, 汪奇, 乔飞, 李敬阳, 李新国

中国农业科学. 2025, 58(7): 1418-1433. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.013

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【目的】Ca²⁺-ATPase是植物中重要的Ca²⁺外排通道，对于维持细胞稳态、诱导植物对胁迫的响应等方面起着重要的作用。利用生物信息学和分子生物学等手段，对香蕉A基因组中Ca²⁺-ATPase家族成员进行分析，检测基因表达量的变化，并验证基因功能，为探究香蕉耐盐机制提供参考。【方法】通过基因家族名称并结合拟南芥和水稻Ca²⁺-ATPase序列，在香蕉基因组数据库中BLAST香蕉A基因组中该家族成员；利用Pfam、ExPASy、Cell-PLoc、NCBI、MEGA-X、TBtools等在线网站或软件，预测分析香蕉Ca²⁺-ATPase的蛋白理化性质、亚细胞定位、保守结构域、顺式作用元件等；采用qRT-PCR技术该家族基因的表达情况，对关键基因进行亚细胞定位验证和原核表达分析。【结果】在香蕉A基因组鉴定到20个Ca²⁺-ATPase家族成员，其中，有13个MaACAs和7个MaECAs；蛋白理化性质分析显示，Ca²⁺-ATPase含有6—11个不等的跨膜结构，编码857—1 103个氨基酸，亚细胞定位预测MaACAs可能定位在细胞质膜、叶绿体、内质网及液泡膜上，MaECAs均定位于内质网膜；保守基序高度一致，除MaACA13外均含有该家族特有的4个保守结构域；含有光、激素、防御和应激等响应元件。qRT-PCR结果表明，100 mmol·L^-1 NaCl处理巴西蕉细胞，除MaECA3外，Ca²⁺-ATPase基因家族其他成员在处理期间均出现了不同程度的上调表达，其中MaACA5和MaACA10的上调幅度较大，并且这两个基因的表达均受Ca²⁺影响。烟草叶片亚细胞定位结果显示，MaACA5和MaACA10定位在细胞质膜上；重组质粒pET28a-MaACA5、pET28a-MaACA10和转入大肠杆菌BL21中，诱导表达后的重组菌株在800 mmol·L^-1 NaCl、800 mmol·L^-1甘露醇和50 ℃高温条件下的生长情况优于对照菌株。【结论】在香蕉A基因组中鉴定到20个Ca²⁺-ATPase家族成员，基因结构具有较高的保守性，分布在10条染色体上，包含激素、防御和应激相关的响应元件；筛选到与香蕉耐盐相关的基因MaACA5和MaACA10。

CRISPR-Cas12a基因编辑技术及其在农业生产中的应用

罗刚, 程依依, 杨雯, 肖怡梦, 杨铖熹

中国农业科学. 2025, 58(7): 1434-1450. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.014

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规律间隔成簇短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR）相关蛋白（CRISPR-associated protein, Cas）基因编辑技术不仅引发了生命科学领域的革命性发展，还在农业领域带来了翻天覆地的变革。作为CRISPR基因编辑系统的重要分支，CRISPR-Cas12a系统凭借其独特的分子特征，在生物育种和疾病诊断领域展现出区别于经典CRISPR-Cas9系统的应用潜力。相较于II型Cas9系统，V型的Cas12a蛋白只有一个RuvC-Nuc核酸酶结构域，与Cas9蛋白的HNH-RuvC双核酸酶结构域形成鲜明对比。Cas12a切割靶DNA产生交错型双链断裂（double-stranded DNA break，DSB），并保留了CRISPR RNA（crRNA）和Cas12a的“R环（R-loop）”。R环的保留是CRISPR-Cas12a基因编辑系统拥有“附带切割”特性和开发核酸和小分子检测技术的结构基础。Cas12a识别富含胸腺嘧啶的原间隔区相邻基序（protospacer adjacent motif，PAM），是CRISPR-Cas基因编辑系统的有效补充，其依赖crRNA的自主加工能力显著区别于Cas9的反式激活CRISPR RNA（tracrRNA）依赖系统，在多基因同步编辑方面展现出更大的优势。Cas12a的以上特性使其在农作物遗传改良中取得突破性进展——已成功培育出抗病、高产的商业化农作物品种。在基础研究方向，失活的Cas12a（dCas12a）与转录调控或表观修饰元件融合表达，可实现不产生DSB的精准基因表达调控；其与等温扩增技术联用可实现疾病的可视化检测。本文从V型Cas蛋白的分类、Cas12a在细菌内的作用原理和Cas12a与crRNA复合体的功能结构域等方面系统地介绍了CRISPR-Cas12a基因编辑系统；从靶向RNA的加工原理、Cas效应蛋白的功能结构、基因编辑的效果和应用4个方面对比了CRISPR-Cas12a和CRISPR-Cas9两套基因编辑系统；从基因调控、表观修饰和碱基编辑3个方面阐述了CRISPR-dCas12a和CRISPR-dCas9激活和抑制系统；从核酸、蛋白质和小分子3个方面阐述了CRISPR-Cas12a系统在分子检测领域的作用原理；从基因调控、碱基编辑、物质检测、疾病诊断和生物育种几个方面系统阐述了CRISPR-Cas12a在农业生产中的应用。随着引物编辑等更加安全的非DSB依赖技术的发展，CRISPR-Cas12a系统将在作物精准育种、畜禽遗传改良和临床快速检测等领域发挥更重要的作用，为应对全球粮食安全挑战和传染病防控提供创新性解决方案。

谷氨酰胺对氧化应激状态下胎衣不下奶牛内质网应激的影响

王薇, 罗春海, 贾红豆, 刘佳金, 李丹阳, 付世新

中国农业科学. 2025, 58(7): 1451-1462. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2025.07.015

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【目的】明确谷氨酰胺是否可以通过PI3K途径减弱胎衣不下奶牛母体胎盘因氧化应激而引发的内质网应激作用，探讨谷氨酰胺的保护机制。【方法】依据产后12 h内胎衣能否正常排出作为胎衣不下组（retained fetal membranes， RFM）奶牛和健康组（NRFM）奶牛的判定标准，选择胎衣不下组奶牛与健康组奶牛各3头。在明确胎衣不下组与健康组奶牛血清中谷氨酰胺（glutamine，Gln）的含量的基础上，采用qRT-PCR和 Western blot方法检测两组奶牛母体胎盘组织中内质网应激（GRP78、p-PERK、PERK、p-IRE1α、IRE1α、ATF6）和细胞凋亡关键因子（Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9、P53、Bcl-2、Bax）的表达变化情况。在体外试验中，使用400 μmol·L^-1的H₂O₂对奶牛子宫内膜上皮细胞（uterine caruncleepithelial cells，UCE）进行刺激，构建了体外奶牛子宫内膜上皮细胞氧化应激细胞模型。在该氧化应激细胞模型的基础上分别进行Gln预处理、PI3K抑制剂（LY294002）与谷氨酰胺共同预处理，采用免疫荧光技术检测细胞质中Ca²⁺的浓度变化，采用 qRT-PCR和 Western blot方法检测奶牛子宫内膜上皮细胞中内质网应激与凋亡相关指标的表达变化。【结果】当奶牛发生胎衣不下时，其血清Gln含量显著降低（P<0.01），其胎盘组织中内质网应激相关蛋白和基因GRP78（P<0.01）、p-PERK/PERK、p-IRE1α/IRE1α、ATF6（P<0.05）表达显著升高，凋亡相关蛋白与基因P53（P<0.01）、Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9、Bax/Bcl-2（P<0.05）表达显著降低。在体外氧化应激模型中，H₂O₂ 刺激后UCEs中内质网应激相关蛋白和基因GRP78、p-PERK/PERK、p-IRE1α/IRE1α、ATF6（P<0.01）表达显著升高，与凋亡相关蛋白与基因P53、Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9、Bax/Bcl-2（P<0.01）表达显著升高，细胞质中Ca²⁺浓度显著升高（P<0.01）。而与内质网应激组相比，Gln预处理后降低了细胞内质网应激与凋亡水平（P<0.01），细胞质中Ca²⁺浓度显著降低（P<0.01）。但当PI3K被抑制时，与仅使用谷氨酰胺预处理的Gln保护组相比，Gln无法降低奶牛子宫内膜上皮细胞中内质网应激与细胞凋亡相关蛋白与基因的表达，细胞质中Ca²⁺浓度显著升高（P<0.01）。【结论】当奶牛发生胎衣不下时，母体胎盘组织发生较强的内质网应激与细胞的异常凋亡，细胞的正常功能受损，是引发胎衣外排障碍的重要诱因。高水平的Gln可以通过PI3K/AKT途径调控内质网应激关键蛋白的表达，缓解因内质网应激造成的细胞功能障碍，从而减轻因氧化应激引发的内质网应激造成的胎衣外排障碍。

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