不同氮(N)水平下玉米的生理和代谢差异是田间合理氮素营养管理的基础,对提高氮肥利用率和减少环境污染具有重要作用。本文在明确长期不同氮肥处理下玉米氮效率和产量响应的前提下,利用非靶代谢组学方法分析了相应的差异代谢物及其代谢途径的差异。结果表明,氮胁迫(包括缺乏和过量),通过调节碳代谢产物(包括糖醇和TCA循环中间体)和氮代谢产物(包含各种氨基酸及其衍生物)影响碳氮代谢的平衡。缺氮胁迫时,L-丙氨酸、L-苯丙氨酸、L-组氨酸和L-谷氨酰胺显著下调,而过量氮时,L-缬氨酸、脯氨酸和L-组氨酸显著上调。除了上述碳氮代谢中的糖醇和氨基酸外,在该实验条件下,一些次生代谢物如黄酮类化合物(包括山奈酚、木犀草素、芸香素和香叶木素)和激素类(包括吲哚乙酸、反式玉米素和茉莉酸)可以初步被筛选作为氮胁迫诊断的指标。本研究还表明,N2处理(120 kg·ha-1 N)和N3处理(180 kg·ha-1 N)的叶片代谢水平相似,这与12年试验中两处理之间生理指标和产量的变化趋势一致。本研究在代谢水平上验证了氮肥减施即施用量从180 kg·ha-1(当地推荐)减少到120 kg·ha-1的可行性,为不降低产量条件下减少氮肥施用,进而提高氮肥利用率和保护生态环境提供了理论基础。
气候变化对农业产生了重大影响。但大多数研究基于历史气象数据的分析,缺乏与作物生长发育和土壤水分相关联的长期监测。本研究收集了甘肃省农业科学院镇原试验站1957-2020年气象数据和1981-2019年作物生育期数据,并在陇东和宁南开展了相关田间长期试验。研究结果表明,60年来,每10年平均气温增加0.36°C和降水减少11.2mm;1981-2019年的39年间旱地冬小麦田间耗水量平均362.1mm,呈现出每10年减少22.1mm的趋势,但1985-2019年的35年间春玉米耗水量平均405.5mm,保持基本稳定。气候干暖化导致旱地作物生育期发生了明显变化,每10年冬小麦和春玉米生育期缩短5.19天和6.47天,播前推迟3.56天和1.8天,成熟期提前1.76天和5.51天。全膜双垄沟集雨种植使小雨量在垄沟集雨效率达到65.7-92.7%,水分向土壤深层入渗,作物根域水分成倍增加,作物水分满足率提高110-160%,连续15年全膜双垄沟较半膜平作覆盖旱地玉米增产19.87%。旱地玉米群体大小是影响产量和水分利用效率的关键因素,种植密度从3000提高到4500株/亩,玉米产量和水分利用效率增加20.6%和17.4%,从4500提高到6000株/亩再增加12.0%和12.7%。然而,不同降水量地区旱地玉米产量与种植密度均呈现二次曲线关系,曲线性状、最高产量对应的最大密度在地区之间差异很大。在300-500mm年降水量地区,种植密度随降水量的增加而增加,适水种植密度为每1mm降水可种植玉米12株/亩,但超过500mm时种植密度随降水量变化不大。因此,旱地农田抗旱节水应集中在压夏扩秋适水型种植结构建立、垄沟覆盖集雨种植、以水定密适水种植等,以减少气候变化引起的负面影响,增强旱地玉米生产的可持续。
红火蚁Solenopsis invicta是一种严重威胁入侵地生物多样性、农林业生产和公共安全的危险性害虫。目前,红火蚁的防治药剂主要分为毒饵和触杀性粉剂两种类型。毒饵对红火蚁的防控效果虽然较彻底,但是见效慢,一般2周左右才能达到理想的防效。触杀性粉剂见效快,施药后3-5天即可达到理想效果,适合应用于红火蚁的紧急扑灭。为筛选出更多可用作触杀性粉剂的有效成分,本文开展了联苯菊酯和四氟甲醚菊酯对红火蚁的毒力、水平传递毒性及其触杀性粉剂的田间防效研究。研究显示,联苯菊酯和四氟甲醚菊酯对红火蚁工蚁的致死中量LD50分别为3.40 ng/头和1.57 ng/头。20 μg mL-1联苯菊酯对红火蚁工蚁的击倒中时KT50和95%击倒时间KT95分别为7.179 min和16.611 min。20 μg mL-1四氟甲醚菊酯对红火蚁工蚁的击倒中时KT50和95%击倒时间KT95分别为1.538 min和2.825 min。联苯菊酯触杀性粉剂和四氟甲醚菊酯触杀性粉剂在蚁群间具有良好的水平传递毒性。0.25、0.50 和1.00% 联苯菊酯触杀性粉剂处理48小时后,第一次继发传递毒性的受药蚁的死亡率(二级死亡率)和第二次继发传递毒性的受药蚁的死亡率(三级死亡率)均超过了80%。0.25、0.50 和1.00% 四氟甲醚菊酯触杀性粉剂处理48小时后,第一次继发传递毒性的受药蚁的死亡率超过了99%,但是第二次继发传递毒性的受药蚁的死亡率则低于20%。野外结果显示,1.00%联苯菊酯触杀性粉剂和1.00%四氟甲醚菊酯触杀性粉剂处理14天后,对红火蚁蚁群的综合防效分别为95.87%和85.70%,防治效果较好。
磷(P)是一种不可再生资源,也是植物生长的关键营养元素,对作物产量的提高起着重要作用。磷肥的过量施用在农业生产中很普遍,这不仅浪费了磷肥资源,还造成了磷的积累和地下水污染。为了获得较高的产量和磷素利用效率(PUE),我们假设农业系统的表观磷平衡可以作为确定磷投入阈值的关键指标。因此,我们进行了长达12年的定位田间试验,包括6个施磷处理,施磷量分别为0、45、90、135、180和225 kg P2O5 ha–1,以明确作物产量、PUE和土壤Olsen-P对磷平衡的反应并优化磷投入。结果表明,当磷肥施用量超过某一水平时,周年产量不再增加,当周年磷肥施用量为90–135 kg P2O5 ha–1时可以实现较高的产量和PUE。当磷平衡阈值为2.15–4.45 kg P ha–1时可以实现最佳产量和最小的环境风险。基于磷平衡阈值估算的磷投入为95.7–101 kg P2O5 ha–1,施磷量在此阈值内时可以协同提高产量与PUE(90.0–94.9%)。此外,本研究发现磷投入-产出平衡框架的建立有助于评估土壤Olsen-P在未来的变化,其中土壤磷平衡每增加100 kg P ha–1,有效磷含量上升4.07 mg kg–1。总之,磷平衡可以作为农业生产中磷管理的一个重要指标,为限制磷过剩和制定更高产、高效和环保的磷肥管理策略提供有力参考。
甜樱桃是世界最受欢迎的水果之一。早先,我们发现了一种黑色暗格真菌S16,它能够促进樱桃砧木吉塞拉5号的生长。然而,关于它们之间作用的分子机制还不甚了解。在本次研究中,我们分析了与S16共生的樱桃根部的生理指标以及转录组本,初步阐释了S16促樱桃生长的分子机制。与S16共生后,樱桃幼苗的活力更强。而且,与对照相比,S16共生根部共鉴定到4249个差异表达基因。这些基因涉及到与植物代谢、激素相关的生长过程。而且,与氮调控相关的基因高度富集。生理指标测定表明,S16能够促进樱桃幼苗利用NO3-转运蛋白来吸收氮源。因此,此次RNA测序数据库可以更加深入了从分子机制层面解析黑色暗格真菌促樱桃的生长过程。
本研究深入分析了在不同氮依赖黄瓜品种的叶片中CsGS1相对表达模式,并对CsGS1蛋白进行亚细胞定位。结果表明,低氮依赖品种D0328在叶片中特异性地高表达CsGS1,而高氮依赖品种D0422的叶片、茎和根中CsGS1的表达量没有明显差异。GS1蛋白定位于细胞质上,为细胞质蛋白。进一步将CsGS1转化到两个黄瓜品种D0328和D0422中,过量表达CsGS1可显著提高黄瓜植株的光合参数、植株鲜重、株高、根长、叶绿素b含量、植株总氮量以及GS活性等指标,反义表达CsGS1使这些指标水平显著降低。黄瓜CsGS1能够响应低氮胁迫,提高黄瓜植株对低氮的耐受性,因此CsGS1的高效表达可以作为提高黄瓜氮素利用效率的潜在育种目标。