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中国农业科学
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路文如

半月刊

0578-1752

zgnykx@mail.caas.net.cn

010-82109808 82106279

100081

北京中关村南大街12号

中国农业科学/Journal Scientia Agricultura SinicaCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊为综合性农牧业科学学术刊物。主要发表我国农牧业科学在基础理论和应用技术方面的学术论文、重要科研成果和专题报告及各学科研究进展综述等。主要栏目有作物栽培的理论与实践、作物育种与品种资源、生物技术、植保、土肥、畜牧、兽医、研究简报等。读者对象为农牧业科技工作者、农业院校师生和农业管理干部。
正式出版
收录年代

    棉花基因功能研究与育种

    郝苗苗肖光辉
    3709-3711页
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    棉花纤维优势表达基因GhSLD1启动子的克隆和功能分析

    刘芳徐梦贝王巧玲孟倩...
    3712-3722页
    查看更多>>摘要：[目的]棉花纤维是棉花的主要经济产品,是由胚珠外珠被表皮细胞经极性伸长和次生壁加厚而成的单细胞.棉花纤维细胞是最长的植物细胞之一,是研究植物细胞生长发育的理想材料.鉴定纤维细胞特异或优势表达启动子可为纤维发育的基础研究提供控制目标基因表达的调控序列,为改良纤维性状的分子育种提供依据.[方法]克隆纤维细胞优势表达基因GhSLD1的启动子,通过启动子序列分析网站PlantCARE分析克隆序列中包含的重要顺式调控元件.根据部分重要顺式调控元件的分布,对克隆启动子片段进行5'-端删除,共获得4个启动子片段,并构建了相应的植物表达载体.利用构建的植物表达载体进行烟草和棉花的遗传转化,通过转基因烟草和棉花的分子鉴定明确转基因植株.并检测转基因植株不同组织器官、纤维细胞不同发育时期的GUS活性.[结果]克隆获得最长启动子片段为2 900 bp,除了包含多个启动子必备转录调控元件外,还包含多个脱落酸响应元件、厌氧诱导元件、茉莉酸甲酯响应元件、油菜素内酯响应元件、种子特异调控元件、胁迫响应元件和MYB转录因子结合位点.通过5'-端删除获得长度分别为2 900(GhSLD-P1)、2 178(GhSLD1-P2)、1 657(GhSLD1-P3)和1 232 bp(GhSLD-P4)4个启动子片段,经分子鉴定,获得4个片段的转基因烟草,在转基因烟草中,GhSLD-P1、GhSLD1-P2和GhSLD1-P3不表达,而GhSLD-P4广泛表达,表达强度与CaMV 35S启动子相似.GhSLD1-P3和GhSLD-P4差异序列中包含4个脱落酸响应元件、2个油菜素内酯响应元件和3个MYB结合位点,这些顺式调控元件可能与GhSLD1-P1、GhSLD1-P2和GhSLD-P3在转基因烟草中不表达有一定关系.经分子鉴定,获得GhSLD1-P2转基因棉花.GhSLD1-P2在转基因棉花纤维中优势表达,在转基因花粉中有较低的表达,在其他组织器官中几乎不表达.在纤维细胞的生长发育过程中,GhSLD1-P2在纤维细胞早期生长阶段(5 DPA)表达较低,在纤维细胞伸长期(10-15 DPA)表达水平相对较高,在纤维细胞次生壁合成期(20-30 DPA)表达水平有所降低.[结论]GhSLD1-P4启动子是一个广泛表达启动子,GhSLD1-P2启动子是一个纤维细胞优势表达启动子,在纤维细胞伸长期表达量相对较高.可应用于棉花纤维发育相关基因的功能研究和改良纤维性状的分子育种.

    棉花启动子功能分析GhSLD1鞘脂delta8-去饱和酶

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    棉花NLP(NIN-Like Protein)基因家族的全基因组鉴定及表达分析

    丁国华肖光辉竺丽萍
    3723-3746页
    查看更多>>摘要：[目的]全基因组范围内探究棉花NLP转录因子的结构特点及进化特征,深入了解棉花NLP转录因子表达模式,为后续NLP的功能研究和利用奠定基础.[方法]采用BLASTP和HMMsearch 2种策略进行搜索,鉴定亚洲棉、雷蒙德氏棉、海岛棉、陆地棉4种棉花全基因组范围内的NLP转录因子家族成员.对确认后的棉花NLP家族成员进一步展开生物信息学分析,利用在线软件Expasy对分子量、理论等电点等理化性质进行预测;使用MEGA 7软件构建系统进化树;通过网站MEME进行蛋白保守基序分析;运用在线软件GSDS2.0分析基因结构;TBtools进行染色体定位绘制;McscanX进行棉花NLP家族复制基因分析;利用PlantCARE网站预测棉花NLP基因家族启动子元件;通过TBtools绘制不同组织及非生物胁迫下棉花NLP基因表达热图,分析组织表达特性和响应非生物胁迫的特征.通过RT-qPCR分析缺氮和复氮处理后棉花NLP基因的表达情况.[结果]从亚洲棉、雷蒙德氏棉、海岛棉、陆地棉蛋白数据库中分别筛选出11、11、21和22个NLP转录因子成员,家族蛋白序列长度为693-996个氨基酸,相对分子质量为76.92-110.02 kDa,理论等电点为5.13-7.77,亚细胞定位几乎均定位于细胞核中,NLP基因启动子区发现大量激素响应和逆境响应顺式作用元件.系统进化分析将棉花NLP蛋白分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组,基因复制分析发现片段复制是NLP基因在棉花中扩张的主要方式.Ka/Ks均小于1显示棉花中NLP基因进化主要经历纯化选择.表达分析结果也证实棉花GHNLPs响应氮饥饿和复氮过程.[结论]从亚洲棉、雷蒙德氏棉、海岛棉、陆地棉中分别鉴定获得11、11、21和22个NLP转录因子成员,它们之间具有较高的保守性,又有一定程度的差异.陆地棉GHNLPs在缺氮及复氮处理过程中表达量发生显著变化,可能在棉花响应硝酸盐过程中具有一定作用.

    棉花NLP转录因子氮信号生物信息学

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    陆地棉GhCPR5的克隆及其在抗病中的功能分析

    许福春赵静若张振楠胡改元...
    3747-3758页
    查看更多>>摘要：[目的]通过克隆陆地棉GhCPR5,分析其蛋白结构、表达模式和生物学功能,探究其在棉花响应黄萎病菌与灰霉病菌侵染中的功能和作用机制,为棉花抗病机制研究和育种提供理论基础和候选基因.[方法]根据棉花响应黄萎病菌侵染的转录组数据筛选到GhCPR5,并从陆地棉TM-1中克隆获得GhCPR5的全长编码序列.利用生物信息学技术分析GhCPR5的保守结构域、蛋白结构特征和同源基因的系统进化关系;利用实时荧光定量PCR(qPCR)分析GhCPR5在棉花根、茎、叶、胚珠、纤维、花瓣中的表达模式和黄萎病菌诱导的表达模式;构建病毒诱导的GhCPR5沉默载体TRV:CPR5,利用农杆菌介导的瞬时转化方法创建GhCPR5抑制表达植株,并借助RT-PCR和qPCR技术检测GhCPR5的干涉效率.对TRV:00和TRV:CPR5植株进行黄萎病菌和灰霉病菌接种,观察比较TRV:00和TRV:CPR5植株对病原菌的抗性差异;利用qPCR检测TRV:00和TRV:CPR5植株中防御相关基因的表达量,分析GhCPR5的作用机制.[结果]从陆地棉TM-1中克隆获得GhCPR5,其CDS全长1 683 bp,编码560个氨基酸,蛋白质相对分子量为62.883 kDa,等电点为9.01.多重序列比对和进化树分析显示,GhCPR5与榴莲、可可等物种CPR5同源性较高.此外,GhCPR5与不同物种CPR5的C端蛋白结构高度保守,含有4-5个跨膜结构域.GhCPR5在棉花幼苗真叶中的表达量最高,茎中表达量最低,且其表达受黄萎病菌诱导.在正常条件下,GhCPR5抑制表达植株TRV:CPR5和对照植株TRV:00在发育上无明显差异.但是,接种黄萎病菌后,TRV:CPR5植株对黄萎病菌表现敏感,发病率和病情指数显著高于TRV:00植株.黄萎病菌和灰霉病菌的离体叶片接种和台盼蓝染色结果显示,TRV:CPR5叶片上的病斑面积显著高于TRV:00叶片,说明下调GhCPR5表达降低了棉花对黄萎病菌和灰霉病菌的抗性.此外,GhCPR5抑制植株体内JAZ1表达量显著上升,而PR3、PR4和PR5的表达量显著下降.[结论]GhCPR5正调控棉花抗病性,下调GhCPR5表达可显著降低棉花对黄萎病菌和灰霉病菌的抗性.

    棉花抗病蛋白黄萎病菌灰霉病菌基因表达

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    海岛棉CAD和CAD-Like基因家族的鉴定、表达及其对大丽轮枝菌的响应

    张钰佳崔凯文段力升曹爱萍...
    3759-3771页
    查看更多>>摘要：[目的]肉桂醇脱氢酶(CAD)是木质素合成途径中的关键酶,在增强植物机械强度、抵御病原菌入侵等方面发挥重要作用.鉴定海岛棉GbCAD、GbCAD-LIKE(GbCADL)基因家族成员,并对其表达特征及其在黄萎病抗性中的作用进行分析,为棉花抗黄萎病机制的解析及抗病育种提供参考.[方法]利用生物信息学方法对海岛棉GbCAD、GbCADL基因家族成员进行鉴定,并对其染色体定位、系统发育关系、基因结构、启动子顺式元件的预测进行系统分析.通过获得公开释放的转录组数据和实时荧光定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)分析GbCAD基因及GbCADL基因的表达特征.利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术对GbCAD基因及GbCADL基因进行功能分析.[结果]从海岛棉中鉴定到25个GbCAD基因(分布在10条染色体)和34个GbCADL基因(分布在17条染色体).GbCAD基因分为3个亚组,GbCADL基因分为4个亚组,同一个组内基因含有相似的外显子-内含子结构和保守结构域.GbCAD基因和GbCADL基因具有不同的转录表达特征,其启动子中含有多种激素和胁迫响应元件.转录组数据和qRT-PCR显示,GbCAD10A/D、GbCADL4A/D、GbCADL5A/D,GbCADL6A/D、GbCADL7A/D的表达受大丽轮枝菌诱导,尤其是GbCAD10A/D、GbCADL4A/D、GbCADL6A/D、GbCADL7A/D的表达在大丽轮枝菌处理后显著增加.利用VIGS技术,将显著受大丽轮枝菌诱导表达的GbCAD10A/D、GbCADL4A/D、GbCADL6A/D、GbCADL7A/D分别在棉花中沉默,分析VIGS株系对大丽轮枝菌抗性的变化.结果显示,与对照植株相比,VIGS株系对大丽轮枝菌的抗性显著降低.二氨基联苯胺(DAB)染色结果显示,在未受到黄萎病侵染时,VIGS植株和对照植株的染色程度无显著差异;在大丽轮枝菌处理6 h后,与对照植株相比,沉默株系GbCAD10A/D、GbCADL4A/D、GbCADL6A/D、GbCADL7A/D均表现出较深的着色,表明在沉默株系中有较高的活性氧累积.茎的切片结果显示,大丽轮枝菌处理后,TRV:GbCAD10A/D、TRV:GbCADL4A/D,TRV:GbCADL6A/D、TRV:GbCADL7A/D沉默株系的茎维管组织表现出明显的深褐色,表明其对大丽轮枝菌的抗性显著降低.[结论]抑制GbCAD10A/D、GbCADL4A/D、GbCADL6A/D、GbCADL7A/D的表达可以显著降低棉花对大丽轮枝菌的抗性.

    海岛棉肉桂醇脱氢酶基因家族表达特征基因沉默大丽轮枝菌

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    基于APSIM模型模拟分析气候变化对不同熟性北方冬小麦生长和产量的影响

    史鑫蕊韩百书王紫芊张媛铃...
    3772-3787页
    查看更多>>摘要：[目的]开展气候变化对冬小麦生长发育和产量影响研究,为未来气候变化下小麦可持续生产提供依据.[方法]利用2017-2020年度控制气室中不同温度和[CO2]处理下的良星99(晚熟品种)和中科2011(早熟品种)冬小麦生长发育、土壤及气象数据,对 APSIM(agricultural production systems simulator)模型进行校验,然后,以 1986-2005年为基准年份,利用校验好的APSIM模型对未来不同气候条件下(RCP 4.5和RCP 8.5)的冬小麦产量、产量构成和生育期进行模拟,分析气候变化和极端高温对不同熟性冬小麦品种生产潜力的影响.[结果]APSIM模型能较好地模拟不同温度和[CO2]处理下2个品种冬小麦的生育期、产量和生物量,模拟值与实测值的R2均高于0.614,nRMSE均低于10.6％,叶面积指数(LAI)的模拟效果相对较差.从长期模拟结果来看,不同气候条件下,2个品种小麦的播种-拔节天数均较基准年份缩短,且早熟品种小麦播种-拔节缩短的天数小于晚熟品种,2个品种拔节-成熟天数均无明显变化.相较基准年份,未来RCP条件下,2个品种小麦的实际产量和潜在产量均增加,且2100s时段RCP 8.5条件下的产量和潜在产量最高,早熟品种的产量和潜在产量相较晚熟品种增产更明显.与基准年份相比,未来RCP条件下,生育前期2个品种小麦的LAI均升高,但早熟品种LAI变化更明显,生育后期晚熟品种的LAI明显降低,而早熟品种的LAI无明显差异;未来RCP条件下,2个品种的地上部生物量均增加,早熟品种生物量增长更明显.不同RCP条件下,极端高温对2个品种冬小麦产量和千粒重均有一定的负面影响,且开花期极端高温对千粒重的影响最大.与正常年份相比,极端高温年份晚熟品种2100s时段RCP 8.5条件下的千粒重和产量明显降低,籽粒数也略有降低.与正常年份相比,未来RCP条件下,极端高温均明显降低了早熟品种的千粒重,但籽粒数略有升高,因此,极端高温年份早熟品种产量降低不明显.[结论]冬小麦早熟品种更能适应未来气候变化,而选育适宜的小麦品种是应对未来气候变化的有效措施之一.

    气候变化极端高温冬小麦品种产量APSIM模型

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    通过种植制度改革实现黄淮海北部地区玉米机械籽粒直收

    侯梁宇张镇涛黄兆福李璐璐...
    3788-3798页
    查看更多>>摘要：[目的]机械粒收是玉米收获技术发展的方向.在"冬小麦-夏玉米"一年两季轮作种植制度下,黄淮海北部地区热量资源不足,玉米生长季节有限,收获时籽粒含水率高,难以进行机械粒收,是世界上玉米机械粒收技术应用难度最大的区域,探索玉米机械粒收的可行性对推动区域玉米生产全程机械化和玉米产业提质增效、提升竞争力具有重要意义.[方法]2016-2017年在新乡、2018年在北京分别对郑单958、先玉335、迪卡517、京农科728和丰垦139等不同熟期品种的籽粒脱水积温需求进行系统观测;利用黄淮海北部地区近10年气象数据,以冬前预留500 ℃·d积温为小麦适宜播期,按玉米生长季节活动积温(≥0℃)100℃为梯度,将其划分为7个积温带;将区域热量资源条件和不同品种籽粒脱水积温需求进行定量匹配分析.[结果]在玉米正常夏播条件下,随着品种熟期提早,各供试品种在黄淮海北部地区达到生理成熟并且可以实现粒收的区域逐渐向北扩展,一般比小麦适宜播期推迟5-10 d,但是区域内北端和西端的积温带Ⅰ-Ⅲ(1 900-2 800 ℃·d)的热量资源仍无法满足熟期较早的京农科728和丰垦139籽粒含水率下降至25％甚至是达到生理成熟的积温需求.将冬小麦-夏玉米一年两熟改为夏玉米-春玉米-冬小麦两年三熟制后,玉米春播和夏播各供试品种籽粒含水率都能下降至25％以下实现机械粒收,如果选择熟期较早的品种,在冬小麦或春玉米播种前还可以通过田间站秆脱水延迟收获,使籽粒含水率进一步降至20％以下,提高粒收质量,降低烘干成本.[结论]通过种植制度改革可以有效解决黄淮海北部地区玉米生长季节热量不足、收获时期含水率过高导致的玉米成熟度差、容重低、易霉变和机械粒收难度大的问题,实现提质增效.

    黄淮海北部地区热量资源玉米籽粒含水率种植制度机械粒收

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    橘小实蝇产卵抗/感非挥发性决策性状筛选及评价

    宫庆涛李淼高晓兰张坤鹏...
    3799-3813页
    查看更多>>摘要：[目的]分析桃果非挥发性性状与橘小实蝇(Bactrocera dorsalis)产卵的关系,确定受害风险最佳标志指标及抗/感范围,明确主要指标的类别相关性特征.[方法]以涵盖不同物理、绒毛、矿质元素和生理特征的13种代表性桃果品种为试材,测定4类60个非挥发性决策性状,室内开展橘小实蝇产卵试验,将不同性状与果实内平均幼虫数进行相关性、聚类分析,明确受害风险最佳标志指标及抗/感范围,评价其他主要指标抗/感表现.[结果]4种类型非挥发性决策性状与平均幼虫数相关系数绝对值平均数由大到小依次为生理指标(0.21,18种)＞果实物理(0.19,18种)＞绒毛指标(0.18,7种)=矿质元素(0.18,17种).简单相关分析可知,达到低度相关水平以上的指标共17个,相关系数绝对值由大到小依次为镁(-0.57)＞硬度(-0.53)＞钙(-0.52)＞硒(-0.48)＞绒毛长短数比(-0.45)＞长绒毛密度(-0.44)＞背阴面-L*(0.43)＞游离氨基酸(-0.41)＞横径(0.38)＞淀粉(0.37)＞盐(-0.35)＞单果重(0.33)=pH(0.33)＞单宁(-0.32)=花青素(-0.32)=果实含水量(0.32)=综合-L*(0.32).背阴面-L和镁含量分别表现正、负相关最大值,氮和蛋白质相关系数为0.镁、硬度和钙3个指标达到显著相关水平,说明中量元素和硬度对橘小实蝇产卵抗/感影响最大.综合分析认为:镁为桃果实受害风险大小的最佳标志指标.根据镁含量绝对值和果实受害情况,采用聚类分析法将≥1.50 g·kg-1者判定为低风险受害品种,即为高抗品种;≤0.92g·kg-1者判定为高风险受害品种,即为易感品种;而其中间者为中性品种.[结论]桃果非挥发性性状影响橘小实蝇产卵选择性.中量元素(镁、钙)和硬度3个指标显著影响该虫产卵选择,且均呈现负相关.选定镁为桃果实受害风险大小的最佳标志指标.硒等14种低度相关决策性状对产卵选择影响存在差异性,正负各7种,正相关者除淀粉和pH外均为物理指标,负相关者为矿质元素(1种)、绒毛(2种)和生理(4种)指标.结合果实受害情况,初步将≥1.50 g·kg-1者划归为高抗品种;≤0.92 g·kg-1者为易感品种;而其中间者为中性品种.

    橘小实蝇产卵非挥发性抗/感性状决策性状

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    绿豆象热激蛋白超家族基因的鉴定及表达分析

    张昕杨星宇张超然张冲...
    3814-3828页
    查看更多>>摘要：[目的]鉴定绿豆象(Callosobruchus chinensis)热激蛋白(heat shock protein,HSP)超家族基因成员,明确高、低温胁迫后HSP基因在绿豆象中的表达变化,为深入挖掘HSP基因功能提供理论依据.[方法]从Insect Base 2.0下载不同昆虫HSP基因的CDS和蛋白序列,并以此为参考在绿豆象全长转录组测序数据库中进行本地BLASTp和tBLASTn比对搜索,同时结合HMMER和关键词两种方法再次筛选目标序列,最终完成搜索结果的汇总.利用CDD、MEGA、ProtParam等在线分析工具对绿豆象HSP超家族基因进行生物信息学分析.根据绿豆象成虫高、低温转录组测序数据筛选出7个候选CcHsp,采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术比较分析其在绿豆象不同虫态(幼虫、蛹、成虫)及不同温度胁迫下的表达特性.[结果]共鉴定出31个HSP基因,其中包括3个HSP90、8个HSP70、8个HSP60和12个sHSP(small HSP).理化性质分析显示CcHsp编码的蛋白质包含159-776个氨基酸残基(aa),分子量介于18.4-88.9 kDa,理论等电点为4.95-9.17.亚细胞定位结果显示多数CcHsp定位于细胞质中,少数基因定位于线粒体基质、内质网和细胞核.系统发育分析表明绿豆象热激蛋白不同家族成员与其他昆虫的热激蛋白进化关系较近,显示了其在进化上的保守性.qRT-PCR分析发现,不同虫态在不同温度胁迫后7个候选CcHsp差异表达.CcHsp20.102经高温胁迫后在雌、雄成虫体内的表达量分别上调1 000和500倍;CcHsp70-5经高温胁迫后在雌、雄成虫体内的表达量分别上调500和450倍;幼虫经高、低温胁迫后,CcHsp19.855和CcHsp70-5表达差异显著.[结论]通过绿豆象全长转录组测序数据共鉴定出31个完整的热激蛋白超家族基因成员,分为4个亚家族,家族间蛋白结构、保守结构域和基因表达特征存在差异.CcHsp20.102和CcHsp70-5可能在成虫抵御高温胁迫中行使重要功能,而幼虫的高温耐受性可能与CcHsp19.855和CcHsp70-5的表达差异有关.

    绿豆象全长转录组测序热激蛋白基因家族生物信息学分析表达分析

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    双季稻酸紫泥田土壤健康对连续单施有机肥、石灰的响应

    尹泽润盛浩刘鑫肖华翠...
    3829-3842页
    查看更多>>摘要：[目的]为明确双季稻酸紫泥田土壤健康对连续单施有机肥、石灰的响应规律,验证不同土壤健康评价方法在水稻土健康评价中的适应性、敏感性及筛选敏感指示指标.[方法]选取长江中下游植稻区双季稻酸紫泥田作为研究对象,基于配对试验设计的原则,设置对照和处理田块,研究连续6年单施有机肥、石灰后,土壤物理、化学、生物学共24项指标的变化规律,应用康奈尔土壤健康评价(CASH)、Haney 土壤健康测试(HSHT)及主成分分析结合最小数据集(MDS),构建综合土壤健康指数,评估土壤健康的响应差异.[结果]与对照相比,单施有机肥的土壤容重、紧实度、微团聚体(＜0.25 mm)含量分别显著下降14％、25％和32％,0.5-1 mm团聚体、铵态氮、活性有机碳、水溶性有机碳和氮、土壤呼吸与柠檬酸盐可浸提蛋白含量分别显著上升100％、37％、54％、21％、44％、59％和8％,最小数据集(MDS)、康奈尔土壤健康(CASH)、2015、2018及Ward实验室(SHS)版本的Haney 土壤健康测试(HSHT)指数,分别显著提高75％、20％、42％、95％和55％(P＜0.05);与对照相比,连续石灰处理土壤的紧实度、微团聚体、水溶性有机氮和pH分别显著上升44％、22％、61％和0.57个单位,但0.5-1mm团聚体、有效态锌含量和土壤呼吸分别显著下降39％、14％和52％,MDS、CASH和SHS HSHT指数分别显著下降59％、15％和47％(P＜0.05).[结论]连续6年单施有机肥和石灰后,总体上对双季稻酸紫泥田的土壤健康分别产生了正面和负面作用.土壤健康指数无法反映本试验土壤的总镉累积量及其有效性的变化,镉超标水稻土健康评价方法仍有待开发.

    水稻土土壤健康土壤性质土壤呼吸有机肥石灰

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