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中国农业科学
中国农业科学院
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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

    水稻穗发育与高产育种

    李云峰任德勇
    1215-1217页
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    • 万方数据
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    DEP1、Gn1a和qSW5组合应用调控水稻穗部性状

    温一博陈淑婷徐正进孙健...
    1218-1227页
    查看更多>>摘要：[目的]水稻是重要的粮食作物,为全球超过一半的人口提供主食.穗部性状是影响水稻产量的主要因素,挖掘调控穗部性状的优异基因组合,为提高水稻产量提供聚合育种策略.[方法]以弯穗型籼稻品种R99和直立穗型粳稻品种SN265构建的151个重组自交系为试材,应用Illumina测序平台对重组自交系和双亲进行全基因组重测序.结合表型数据与遗传图谱,对每穗粒数、一次枝梗着粒数、二次枝梗着粒数和粒型进行QTL分析,筛选QTL区间内的候选基因,应用基于三代测序组装的SN265和R99高质量基因组进行候选基因预测和序列比对,在重组自交系中筛选产量性状表现最好的基因组合,并在SN265遗传背景下应用CRISPR基因编辑技术对目标位点进行基因编辑.[结果]R99每穗粒数和二次枝梗着粒数显著多于SN265,SN265的一次枝梗着粒数显著高于R99,R99粒型细长,SN265粒型短圆.每个重组自交系平均测序深度为6.25 x,R99和SN265的测序深度分别为30x和32x.获得1 456 445个高质量的SNP,利用划bin策略进行图谱构建,得到一个包含3 569个bins,平均长度为58.17 kb的遗传图.QTL分析在第9染色体检测到一个同时调控每穗粒数、一次枝梗着粒数和二次枝梗着粒数的QTL,在第1染色体鉴定到一个调控每穗粒数和二次枝梗着粒数的QTL,在第5染色体鉴定到一个调控粒型的QTL.候选基因预测和序列比对发现第9染色体的DEP1同时调控水稻一次和二次枝梗着粒数,第1染色体的Gn1a主要调控水稻二次枝梗着粒数,第5染色体的qSW5主要调控粒型.在151个重组自交系中,对DEP1、Gn1a和qSW5的不同组合进行分类并调查产量构成因素,发现Gn1aR99/DEP1SN265/qSW5SN265等位基因组合产量表现最好,Gn1aSN265/DEp1R99/qSW5R99 产量表现最差.对SN265的Gn1a位点进行分子设计育种,获得2个独立的CRISPR基因编辑株系,通过调查其产量构成因素,发现基因编辑植株穗长显著变长,每穗粒数显著增加,进而显著增加单株产量.[结论]揭示了 DEP1、Gn1a和qSW5对每穗粒数和粒型的影响,明确了Gn1aSN265/DEP1R99/qSW5R99为重组自交系中最佳基因组合,通过改良SN265的Gn1a位点进一步提高了其单株产量.

    水稻高密度遗传图谱每穗粒数粒型基因编辑

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    水稻CSSL-Z481代换片段携带的穗部性状QTL分析及次级代换系培育

    李儒香周恺王大川李巧龙...
    1228-1247页
    查看更多>>摘要：[背景]粮食安全是保障国家安全的重要基础,水稻是人民赖以生存的主要粮食作物,提高其产量是重要的育种目标.水稻产量由每株有效穗数、每穗实粒数和粒重等性状构成,其中,粒重与籽粒形状、充实程度等密切相关.但这些性状都是由多基因控制,遗传基础复杂.染色体片段代换系(CSSL)可将这些复杂性状的QTL较准确地分解为单个孟得尔因子研究,且与育种工作紧密衔接,因而是理想的遗传研究和育种材料.[目的]前期以4代换片段的水稻染色体片段代换系Z481精细定位了一个易落粒基因SH6,但Z481与受体日本晴间还存在多个显著差异的穗部性状.明晰控制这些差异性状的QTL在代换片段上如何分布,并分解为单片段代换系,对目标QTL的图位克隆及应用于水稻分子设计育种有重要应用价值.[方法]利用受体亲本日本晴与Z481杂交构建的次级F2分离群体以SAS9.3统计软件的混合线性模型(mixed linear model,MLM)法进行穗部性状QTL定位(P＜0.05),然后,根据基因型和表型,从F2选择42个单株在F3株系利用MAS法培育单片段及双片段代换系,并利用IBM SPSS Statistics 25.0的ONE-WAY ANOVA和TWO-WAY ANOVA分析及LSD和Duncans多重比较(P＜0.05)分析这些单片段代换系(SSSL)和双片段代换系(DSSL)的QTL加性和上位性效应.[结果]以日本晴/Z481构建的次级F2群体共定位出12个控制水稻穗部性状的QTL,并培育出相应QTL的11个单片段代换系(S1-S11)和 3个双片段代换系(D1-D3).其中,有 8 个QTL(qGL1、qGL3、qGL6、qGW1、qGW3、qRLW1、qRLW3和 qRLW6)可被单片段代换系所验证,表明这些QTL遗传稳定.此外,利用单片段代换系鉴定到qGL1-2、qGL1-3、qGL3-2等33个QTL.其中,qNSB1-1等15个可能为新鉴定的QTL.且利用3个DSSL分析了非等位QTL间的上位性效应,结果表明,不同QTL聚合会产生不同的上位性效应,如qGL3(a=1.26)和qGL6-2(a=0.86)聚合产生了-0.77的上位性效应,据DSSL遗传模型,D2的粒长遗传效应(1.35)产生了更长的粒长表型;qGWT3-2(a=3.18)和qGWT6-2(a=3.39)聚合产生了-5.46的上位性效应,则D2的千粒重遗传效应(1.11)产生了更小的籽粒.[结论]Z481的4个代换片段上共携带45个水稻穗部性状的QTL,并进一步分解到11个次级单片段代换系上,单片段代换系具有比F2群体更高的QTL检测效率.利用SSSL和DSSL解析的水稻穗部性状QTL的加性效应和上位性效应,有助于根据这些遗传信息预测设计基因型的表型,从而选择合适的SSSL进行育种设计.

    水稻穗部性状QTL染色体代换片段加性效应上位性效应

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    水稻PDL2的突变导致小穗外稃退化

    赵梓钧吴如会王硕张君...
    1248-1259,中插1-中插2页
    查看更多>>摘要：[目的]小穗是禾本科植物特有的花器官.在水稻中,小穗作为花序的基本单位和独有结构,对水稻的产量和品质具有重要影响.因此,研究水稻小穗和花器官的发育,为水稻产量和品质的形成提供依据.[方法]使用甲基磺酸乙酯(ethyl methane sulfonate,EMS)诱变籼稻保持系西农1B,获得2个具有相似突变表型的水稻等位突变体polarity defect of lateral organs 2-1和polarity defect of lateral organs 2-2(pd12-1 和 pd12-2).由于二者表型相似,选取pd12-1(命名为pd12)为材料,通过显微观察和石蜡切片技术分析其小穗突变表型;通过农艺性状考察分析小穗外稃突变对水稻产量的影响;通过图位克隆技术验证PDL2的功能;运用原位杂交技术及实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术分析PDL2的表达模式.[结果]表型分析结果表明,与野生型相比,pd12突变体外稃明显变窄,不能与内稃紧密钩合,导致小穗开裂,内轮花器官部分裸露在外,但其雄蕊、雌蕊和浆片的形态和数量均表现正常.进一步的石蜡切片结果表明,突变体外稃硅化细胞和泡状细胞体积、数量的降低,以及维管束间距的减小,是导致pd12外稃的宽度明显变窄的原因.农艺性状考察表明,pd12外稃的变化最终引起籽粒呈水滴状,并使得pd12突变体的结实率和千粒重等产量性状明显下降.遗传分析和图位克隆结果表明,PDL2是一个单隐性核基因,是位于水稻第4染色体的OsDCL4.该基因编码一个Dicer-like蛋白,在水稻ta-siRNA的合成途径中发挥重要作用,并且pd12突变体是OsDCL4的一个新的弱等位突变.利用原位杂交技术及RT-qPCR技术进行的表达模式分析和基因功能分析结果表明,PDL2在水稻各轮花器官中组成型表达,该基因的突变不会影响水稻花器官特征的形成,但会干扰水稻ta-siRNA合成,影响水稻近-远轴极性建立相关基因的表达,从而导致突变体外稃近-远轴极性建立紊乱.[结论]水稻外稃退化基因 PDL2的突变使得外稃近-远轴极性建立紊乱,影响小穗外稃的发育和产量性状的形成.

    水稻(OryzasativaL.)小穗外稃图位克隆功能分析

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    水稻短宽粒基因SWG1的图位克隆

    朱洪慧李映姿高远卓林泓...
    1260-1274页
    查看更多>>摘要：[目的]水稻产量由单位面积有效穗数、每穗粒数和粒重3个因素构成,其中,粒重主要由水稻的籽粒形态决定.筛选和鉴定新的粒型突变材料和基因,可为产量性状的分子设计育种奠定基础.[方法]在籼稻保持系西大1B(XD1B)的甲基磺酸乙酯(EMS)诱变群体中鉴定到一个短宽粒突变体short and widen grain 1(swg1);分析籽粒形态和其他农艺性状,并对颖壳进行组织细胞学观察分析;运用BSA法进行基因定位;通过遗传互补试验确定候选基因;采用qRT-PCR分析该基因的表达模式及其他粒型相关基因和细胞发育基因的表达水平.[结果]农艺性状分析发现,与野生型相比,swg1突变体粒长显著降低,粒宽显著增加,表现出短宽粒的表型;进一步组织和细胞学分析,发现突变体颖壳纵向细胞变短是粒长变短的主要原因,而粒宽增加是由于颖壳横向细胞数目和细胞大小同时增加.遗传分析结果表明,该突变性状受隐性单基因控制,通过图位克隆与遗传互补验证,确定候选基因为LOC-Os07g42410,编码一个植物特异转录因子.qRT-PCR分析发现该基因表达无明显的组织特异性,在茎、叶、幼穗中表达强烈.通过对已知粒型相关基因、细胞周期和细胞扩展相关基因进行分析,发现通过正向调控颖壳横向细胞数目和(或)细胞大小决定粒宽的GS5和GW8在突变体中上调明显,而正向调控纵向细胞数目和大小并负向调控横向细胞数目和大小的GW7/GL7在突变体明显下调;另外,部分与细胞周期和细胞扩展相关的基因也在突变体和野生型之间的表达也呈现显著差异.[结论]SWG1编码一个植物特异的转录因子,通过调控粒型基因(GS5、GW8和GW7/GL7等)影响颖壳的细胞增殖和细胞扩展,从而决定水稻籽粒长度和宽度.

    水稻籽粒形态颖壳发育图位克隆

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    水稻α-淀粉酶基因的表达模式与颖花开放的关系

    张绩周上铃何发刘莉莎...
    1275-1282,中插3页
    查看更多>>摘要：[目的]淀粉降解与水稻浆片膨大和颖花开放过程密切相关,探究α-淀粉酶基因在颖花开放过程中的作用,为杂交水稻制种效率及产量的提高提供理论依据.[方法]在水稻扬花时,利用稀释碱性品红溶液进行离体穗子吸水试验,观察碱性品红在颖花中残留的组织,通过碘-碘化钾染色法确定11-14期(依据雄蕊发育分期)淀粉粒的分布变化,并通过RT-PCR、RT-qPCR和GUS报告基因检测多个α-淀粉酶基因在此期间的时空表达模式.[结果]水稻颖花开放前,内外稃片通过相互嵌合的钩合槽(marginal tissues of palea,mtp)将浆片和雌雄蕊封闭在内.当颖花开放时,浆片快速膨大,使得内外稃片的钩合点松开.扬花期间,离体穗子在稀释碱性品红溶液中吸水后,碱性品红染料主要残留在内外稃片钩合槽和浆片相连处组织以及花丝中.碘染试验显示,在12期(颖花开放前),淀粉粒主要分布在雄蕊和内外稃片钩合槽,浆片中也有少量淀粉粒,在13-14期(颖花开放中),内外稃片钩合槽和浆片中的淀粉粒均降解.RT-PCR分析发现OsRAmy2A和OsRAmy3D的表达量从12期开始上升,至13-14期表达量显著增强,到受精后1 d(1 day after pollination,DAP1)表达量又明显下降,OsRAmy3E和OsRAmy3F在此过程中持续表达,OsRAmy3F表达量弱于OsRAmy3E RT-qPCR分析显示,在11-14期,OsRAmy2A表达量变化最显著,其次是OsRAmy3A和OsRAmy3E,OsRAmy3F的表达量变化幅度最不明显,OsRAmy2A和OsRAmy3A在13-14期表达量显著增加,而OsRAmy3E和OsRAmy3F在不同时期均表达,在13-14期表达量略有升高.在12期,OsRAmy2A主要在内外稃以及内外稃片钩合槽上表达,在13-14期主要在内外稃片钩合槽、浆片以及花丝上表达.[结论]水稻颖花开放过程中淀粉粒在mtp和浆片中明显降解,与OsRAmy2A、OsRAmy3D等α-淀粉酶基因时空表达模式相对应,可能与水稻浆片膨大导致颖花开放过程密切相关.

    水稻α-淀粉酶颖花开放淀粉粒浆片膨大

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    绿肥还田结合减量施氮对玉米干物质积累分配及产量的影响

    王鹏飞于爱忠王玉珑苏向向...
    1283-1294页
    查看更多>>摘要：[目的]分析绿洲灌区玉米干物质积累分配特征及籽粒产量对绿肥还田结合减量施氮的响应,以期为该区域发展高产、高效玉米生产技术提供理论依据.[方法]田间试验于2020-2021年在甘肃河西绿洲灌区进行,研究绿肥还田结合不同的减氮比例(绿肥还田结合减量施氮0％,N100;绿肥还田结合减量施氮10％,N90;绿肥还田结合减量施氮20％,N80;绿肥还田结合减量施氮30％,N70;绿肥还田结合减量施氮40％,N60)对玉米干物质积累分配及产量的影响.[结果]拔节期后N80和N90处理地上干物质积累量显著高于N70和N60处理,至成熟期N80处理较N70和N60处理提高了 13.3％-23.2％,N90处理较N70和N60处理提高了 13.9％-23.7％,N100、N90、N80处理间无显著差异;N80处理较N70和N60处理玉米地上干物质最大增长速率和平均增长速率显著提高了 9.5％-21.2％、13.0％-23.2％,N90处理较N70和N60处理显著提高了 10.2％-21.8％、13.9％-23.7％,二者均有效延缓了吐丝期至灌浆期玉米地上干物质积累速率的降低,而且N80处理较N70和N60处理干物质最大增长速率出现的天数提前了 2.44和2.77 d,N90处理较N70和N60处理提前了 1.92和2.3 d;在成熟期,N80和N90处理较N70和N60处理促进了玉米穗部干物质分配,有效提高了花前干物质转运对籽粒干物质积累贡献率,同时N80处理花后干物质积累量较N70和N60处理分别提高12.2％和20.4％,N90处理较N70和N60处理分别提高12.4％和20.5％,差异显著.N100、N90、N80处理间玉米籽粒产量无显著差异,但N80处理玉米籽粒产量较N70和N60处理分别增加16.8％和27.4％,N90处理较N70和N60处理分别提高17.4％和27.9％,差异显著.[结论]豆科绿肥还田结合减量施氮10％和20％处理增加了玉米地上干物质积累量和积累速率,促进了成熟期穗部干物质的分配,提高了花前干物质转运对籽粒干物质积累贡献率,可作为绿洲灌区获得玉米高产的推荐施氮方式.

    绿肥氮肥干物质积累干物质分配产量

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    外源色氨酸对低氮胁迫下高粱苗期叶片碳氮平衡和衰老特性的影响

    谷闻东刘春娟李邦刘畅...
    1295-1310页
    查看更多>>摘要：[目的]研究外源色氨酸对低氮胁迫下高粱叶片衰老的影响,探讨低氮条件下高粱叶片碳氮平衡与衰老的关系,旨在挖掘高粱耐低氮胁迫的有效调控手段.[方法]选用耐低氮高粱自交系398B和氮敏感自交系CS3541为试验材料,采用水培试验,设置正常氮(5 mmol-L-1)和低氮(0.5 mmol·L-1)2个氮水平,并进行50 mg-L-1外源色氨酸喷施处理,喷施10 d后测定叶片形态、组织结构、光合特性、叶绿素荧光参数、叶片碳氮代谢相关物质含量和酶活性、C/N及衰老相关基因表达水平,并分析低氮胁迫下高粱幼苗叶片C/N与衰老相关基因的相关性.[结果](1)与正常氮水平相比,低氮胁迫显著降低了 398B和CS3541的叶面积,而外源色氨酸处理使398B和CS3541的叶面积显著增加了 36.72％和52.06％;外源色氨酸显著增加了低氮胁迫下398B和CS3541的叶干重和叶鲜重.(2)与正常氮水平相比,低氮胁迫下,398B花环结构相对完整,而外源色氨酸处理使叶片细胞排列整齐,花环结构清晰;外源色氨酸显著增加了低氮胁迫下398B叶片叶绿素含量(36.85％),而未显著提高CS3541叶片各色素含量.(3)低氮胁迫下,与未喷施色氨酸相比,外源色氨酸处理使叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)表现出更高的最大光化学效率(Fv/Fm)和热耗散(NPQ),增加了叶片光合速率,从而维持叶片更强的光合能力.(4)外源色氨酸提高了低氮胁迫下高粱叶片氮含量和碳氮代谢相关酶活性;降低了高粱叶片碳水平(可溶性糖、蔗糖、淀粉和总糖)和C/N,进而保证低氮胁迫下植株的碳氮生理平衡.(5)外源色氨酸正调控低氮胁迫下衰老相关基因SbLHCB和SbSGR-2的表达,负调控SbNAC6、SbPaO3、SbPPDK-2和SbSAG12-2的表达;另外,C/N与 SbLHCB和SbSGR-2表达量呈正相关,与SbNAC6、SbPa03、SbPPDK-2和SbSA612-2表达量呈负相关.[结论]低氮胁迫下,外源色氨酸通过降低C/N和衰老基因的表达量,影响叶片形态和光合特性,同时通过调节叶片碳氮代谢,延缓了叶片衰老,增强高粱幼苗对低氮胁迫的耐性.因此,喷施外源色氨酸是缓解低氮胁迫的一种潜在策略.

    高粱衰老相关基因C/N光合特性碳氮代谢

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    柑橘大实蝇气味结合蛋白BminOBP6与其气味配体的互作机制

    杨岭田晓丽桂连友王福莲...
    1311-1321页
    查看更多>>摘要：[目的]通过构建柑橘大实蝇(Bactrocera minax)BminOBP6的C末端截短突变体(TOBP6),比较野生型BminOBP6和突变体TOBP6对气味配体的结合能力,检测在不同pH条件下二者对气味配体结合能力的差异,为揭示BminOBP6与配体的互作机制提供参考.[方法]通过在线工具SWISS MODEL对BminOBP6进行同源建模,根据构建的3D模型确定将被切除的BminOBP6第6个α螺旋(α6)之后的C末端序列;设计特异性引物扩增BminOBP6的C末端截短突变体(TOBP6)的编码序列,即TOBP6;构建重组表达载体pET32a/TOBP6,将此重组载体与实验室保存的重组载体pET32a/BminOBP6分别转入原核细胞BL21(DE3)中,异源表达野生型BminOBP6及其突变体TOBP6;以1-NPN为荧光探针进行荧光竞争结合试验,检测BminOBP6和TOBP6在两种pH环境(pH 7.4和pH 5.0)下对1-十一醇和(+)-柠檬烯的结合能力.[结果]序列比对结果显示,BminOBP6与致倦库蚊(Culex quinquefasciatus)CquiOBP1的序列具有很高的相似性,为62.6％,远高于30％,因此选择以CquiOBP1的3D结构作为BminOBP6同源建模模板.模型显示BminOBP6的a6之后是由8个氨基酸残基(D117-P124)组成的C末端序列,即将被切除的C末端序列.在此基础上设计引物克隆获得了编码TOBP6的cDNA序列,并构建了其重组表达载体pET32a/TOBP6,该重组载体和pET-32a/BminOBP6重组载体分别转入大肠杆菌细胞中进行了异源表达.荧光竞争结合试验结果显示,在pH为7.4时,BminOBP6与1-十一醇和(+)-柠檬烯具有很强的结合能力,Ki值分别为6.89和9.50μmol·L-1.当pH降至5.0时,BminOBP6却丧失了对1-十一醇的结合能力,同时与(+)-柠檬烯的结合能力也大幅减弱,Ki值从9.50μmo1·L-1升至31.26μmol·L-1;而不论在何种pH条件下,TOBP6均丧失了对这两种气味配体的结合能力.[结论]pH在柑橘大实蝇BminOBP6与其配体结合和释放过程中发挥了重要作用,并且BminOBP6的C末端在配体的结合中起着关键作用.

    柑橘大实蝇气味结合蛋白同源建模C末端原核表达荧光竞争结合

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    响应槲皮素诱导的美国白蛾P450基因及CYP6ZB2功能分析

    邵红扬孟香张涛陈敏...
    1322-1332页
    查看更多>>摘要：[目的]明确美国白蛾(Hyphantria cunea)响应槲皮素诱导的差异表达P450基因及系统发育关系,探究美国白蛾P450基因对槲皮素诱导的剂量效应,以及P450基因在美国白蛾对槲皮素的解毒适应中的作用.[方法]基于槲皮素诱导的美国白蛾中肠转录组数据,从中筛选显著差异表达的P450基因,应用MEGAX软件对5个P450基因及其他近缘物种的P450基因进行系统进化关系分析;通过RT-qPCR技术检测5个P450基因在不同槲皮素浓度(0.5％、1.0％、2.0％和4.0％)处理下的表达模式;克隆CYP6ZB2全长cDNA序列,利用RNA干扰(RNAi)技术探明CYP6ZB2基因沉默对美国白蛾体重及存活率的影响.[结果]从转录组的差异表达基因中筛选到5个显著响应槲皮素诱导的P450基因,经P450命名委员会分别被命名为CYP4G296、CYP4G297、CYP333A30、CYP304F33 和 CYP6ZB2(GenBank 登录号:ON032363-ON032367).系统发育分析表明,这5个基因被聚类到CYP2、CYP3、CYP4和线粒体CYP进化枝.RT-qPCR结果表明,P450基因响应槲皮素胁迫具有显著的剂量效应,CYP4G297、CYP304F33、CYP333A30和CYP46296的表达均被不同浓度槲皮素抑制,CYP6ZB2的表达在0.5％-2.0％的槲皮素诱导下显著上调,而在4.0％的槲皮素浓度下被显著抑制.克隆CYP6ZB2的全长cDNA序列,CYP6ZB2具有完整的开放阅读框(ORF),编码500个氨基酸.RNAi结果表明,注射两种剂量(500和1 000 ng)dsCYP6ZB2均可显著抑制CYP6ZB2的表达,注射1 000 ng dsCYP6ZB248 h后干扰效率达到最高(96.9％).CYP6ZB2被干扰的美国白蛾幼虫经0.5％槲皮素处理后体重增长量低于对照组,存活率(53.33％)分别为未处理组的61.5％和注射双蒸水组的72.7％(P＜0.05).[结论]筛选鉴定到美国白蛾响应槲皮素诱导的5个P450基因,槲皮素对5个基因的诱导表达具有明显的剂量效应,说明不同的P450基因对槲皮素的响应模式存在差异.RNAi能高效沉默CYP6ZB2,0.5％槲皮素对CYP6ZB2被干扰的美国白蛾幼虫的生长发育具有一定抑制作用,表明CYP6ZB2在美国白蛾对槲皮素的解毒适应中发挥着重要作用.

    美国白蛾槲皮素P450基因表达分析RNA干扰基因功能

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