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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。
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    小麦抗旱性鉴定及基因资源挖掘

    毛虎德杜琳颖康振生
    1629-1632页
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    小麦根系构型及抗旱性研究进展

    张余周王一钊高茹茜刘逸凡...
    1633-1645页
    查看更多>>摘要：小麦是全球最重要的粮食作物之一,干旱是影响其生长发育最重要的非生物胁迫因子.根系作为作物获取水分和养分的重要器官,直接决定了作物对土壤水分的利用效率.近年来,越来越多的研究表明,根系构型在植物干旱胁迫响应中发挥了重要功能.本文综述了目前根系构型在调控小麦抗旱性方面的研究进展.首先概述了根向性生长,特别是根向重力性生长对植物根系结构的塑造作用,重点总结了目前挖掘到参与根系向重力性生长的相关基因及其分子调控机制,并阐述了根向性生长调控的根系构型是如何介导小麦对干旱胁迫的适应.除了根向性生长,根系的发育过程也参与了对植物根系构型的调控,并决定植物对干旱胁迫的适应能力,因此,本文进一步综述了在干旱胁迫条件下小麦如何通过调控根系发育来改变根系形态,包括增加根长、调控侧根数量和根毛密度等,来增强小麦对土壤水分的吸收和对干旱环境的适应;同时,系统总结了干旱胁迫条件下参与调控作物(尤其是小麦)根系发育的相关基因.此外,根系作为植物地下部分,其构型的解析一直是本领域研究难点,阻碍了对根系结构与植物耐旱性关系的进一步解析,因此,本文也归纳了目前可用于小麦根系二维结构和三维结构表型分析的技术.这些技术可测量和分析小麦根系的长度、密度、生长方向和形态等参数,为深入理解根系构型与小麦抗旱性关系提供技术支撑.最后,展望了改良根系结构在小麦抗旱育种中的应用前景,并对如何挖掘更多潜在的小麦根系构型调控基因,及解析相关基因的调控机理进行了讨论.综上所述,小麦根系结构与小麦抗旱性关系密切,随着测序和分析技术的不断发展,以及小麦根系结构调控机制研究的不断深入,为未来培育抗旱小麦新品种提供了新的手段和策略.

    小麦根系结构根系向性生长根系发育抗旱性根系可视化

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    244份春小麦苗期抗旱性的鉴定

    周全路秋梅赵张晨武宸冉...
    1646-1657,中插1-中插6页
    查看更多>>摘要：[目的]干旱是限制全球小麦生产的主要环境因素,培育抗旱品种是全球小麦育种面临的核心挑战.春小麦作为短生育期小麦品种,为国家粮食安全和种植结构提供了重要保障,确定春小麦材料的抗旱性,为选育抗旱稳产新品种提供依据.[方法]为了解春小麦品种(系)的苗期抗旱性,以来自 10 个不同地区的 244 份春小麦品种(系)为试验材料,利用控制含水量法进行苗期干旱胁迫,于三叶期选择长势均匀一致的幼苗,测定最大根长(MRL)、第一叶长(FLL),第一叶宽(FLW)、胚芽鞘长(CL)、地上部鲜重(SFW)和地下部鲜重(RFW)等 13 个苗期指标,通过描述统计法、隶属函数法、主成分分析、聚类分析和相关性分析等方法对各春小麦品种(系)的抗旱性进行综合评价.[结果]春小麦品种(系)之间的耐旱性表现出丰富的变异,干旱处理条件下,所测定性状的变异系数为 2.1%—32.9%,对照组变异系数范围为 1.0%—29.3%;与对照相比,干旱处理条件下的胚芽鞘长度、根干重、鲜重根冠比和干重根冠比均不同程度增加.主成分分析将原 13 个指标归纳为 5 个主成分,贡献率达 79.6%,根据各主成分特征向量和各性状指标的抗旱系数,计算出综合抗旱系数D值,并对D值进行聚类分析,将供试材料分为 5 个亚群,据此筛选出根部生物量(地下部鲜重和干重)作为苗期抗旱性鉴定的有效综合指标.将苗期指标抗旱系数与田间相关农艺性状进行相关性分析,发现苗期胚芽鞘长、第一叶长和成熟期旗叶长、株高、穗长、小穗数和籽粒长呈极显著正相关性,苗期整株生物量与籽粒千粒重呈极显著正相关.[结论]筛选出高抗旱春小麦品种 22 份,明确了根部生物量(地下部鲜重和干重)可作为苗期抗旱性鉴定的有效综合指标.

    春小麦苗期抗旱性综合抗旱系数

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    ICARDA引进-小麦苗期抗旱性的全基因组关联分析

    张颖石婷瑞曹瑞潘文秋...
    1658-1673,中插7-中插14页
    查看更多>>摘要：[目的]干旱是限制小麦生产最主要的逆境因子之一.挖掘、鉴定优异抗旱新种质、克隆抗旱新基因,以期丰富我国小麦抗旱遗传基础,为小麦抗旱遗传改良提供材料.[方法]以 198 份从国际干旱地区农业研究中心(ICARDA)引进的抗旱种质为材料,采用PEG-6000 模拟干旱方法,通过调查苗期干旱和正常条件下的地上部鲜重、地下部鲜重、生物量和根冠比 4 个性状,鉴定、评价其抗旱性,结合 660K SNP芯片对其抗旱性进行全基因组关联分析,发掘抗旱性相关染色体区间及关联位点,结合干旱胁迫下根等多组织的表达量数据,筛选抗旱性相关基因,最后以强抗旱性品系 IR214 和干旱敏感品系 IR36 为材料,利用 qRT-PCR 方法对候选基因进行验证,并分析关键候选基因的优异单倍型.[结果]干旱胁迫下,小麦的生长发育受到显著抑制,各性状表型均显著低于正常对照,不同小麦品系间也表现出显著差异,4 个性状在 2种处理下均呈现正态分布,变异系数为 0.363-0.760,多样性指数为 0.310-0.400;基于加权隶属函数值(D值)综合评价各个品种的抗旱性,发现品系IR214 的D值最大,为 0.851,其次为IR92、IR213、IR235 和IR218 等,它们可作为新的优异抗旱种质;在此基础上,通过全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS),共检测到 102 个与 4 个性状抗旱系数显著关联的SNP位点,表型变异解释率范围为 1.07%—38.70%,其中,与地上部鲜重相关的位点 60个、地下部鲜重相关位点 1 个、生物量相关位点 36 个以及根冠比相关位点 5 个;基于基因组注释信息,筛选到 31 个抗旱相关基因,结合根等不同组织的RNA-seq数据,筛选出 4 个抗旱候选基因,对差异表达的候选基因进行qRT-PCR验证,鉴定到 2 个关键抗旱候选基因;最后,分析候选基因的单倍型效应,发现TraesCS6A02G048600的AX-86174509 位点,2种基因型在抗旱性状上具有显著差异,是潜在的功能位点.[结论]共检测到 102 个与苗期抗旱性显著关联的位点,筛选出TraesCS5B02G053500和TraesCS6A02G048600 2 个关键候选基因,TraesCS6A02G048600的AX-86174509 位点是潜在的抗旱性功能位点.

    小麦干旱胁迫660KSNP芯片全基因组关联分析候选基因

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    基于无人机多源影像数据的灌浆期人工合成小麦抗旱性评价

    燕雯金秀良李龙徐子涵...
    1674-1686页
    查看更多>>摘要：[目的]基于无人机多源影像及产量数据评价人工合成小麦种质的抗旱性,优选高通量抗旱性鉴定指标,发掘抗旱人工合成小麦种质资源,为加快拓展小麦抗旱遗传资源、提升旱地小麦育种水平提供技术支撑和种质材料.[方法]以 80份人工合成小麦种质及对照小麦品种新春 37 为试验材料,在田间进行小区播种,设置干旱和灌溉 2 种水分处理;利用无人机搭载多光谱及热红外相机采集试验材料灌浆期多源影像进行拼接处理,通过阈值分割等方法提取各试验材料的光谱指数;利用相关性分析和主成分分析鉴选抗旱相关光谱指标,结合单指标及综合评价方法鉴定人工合成小麦种质的抗旱性.[结果]基于无人机多源影像数据提取了 80 份人工合成小麦种质的 19 种光谱指数.不同光谱指数抗旱系数与小区产量抗旱指数的相关性分析结果表明,OSAVI 的抗旱系数与抗旱指数的关联度最高,NDVI、CIre和 NDRE 的抗旱系数与抗旱指数的关联度较高.部分光谱指数的抗旱系数间相关性较高,存在冗余信息,通过主成分分析,将 19 个光谱指数的抗旱系数转换为 3 个相互独立的综合指标,3 个综合指标的贡献度分别为 59.6%、12.0%和 9.6%.利用加权隶属函数法聚合综合指标,通过公式计算获得各人工合成小麦种质的综合抗旱性度量值.基于抗旱指数鉴定出 6 份强抗旱人工合成小麦种质,基于综合抗旱性度量值鉴定出 5 份强抗旱种质,其中,SW004 和SW009 在 2 种方法的评价结果中均被评为强抗旱种质.基于OSAVI的抗旱系数对 80 份人工合成小麦种质进行抗旱性分级,分级结果与基于综合抗旱性度量值的分级结果基本一致.根据OSAVI的抗旱系数鉴定出的 6 份强抗旱种质中,有 5 份在基于综合抗旱性度量值分级中也被鉴定为强抗旱种质.[结论]基于无人机多源影像提取的光谱指数NDVI、OSAVI、CIre和NDRE,以及基于光谱指数的综合抗旱性度量值均可用于辅助鉴定小麦种质抗旱性.

    多源影像光谱指数人工合成小麦抗旱性灌浆期

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    基于无人机影像多时相的小麦品种氮效率分类识别

    臧少龙刘淋茹高越之吴珂...
    1687-1708页
    查看更多>>摘要：[目的]探索无人机遥感在氮效率分类识别中的潜力,构建小麦品种氮效率分类方法,为氮高效品种筛选提供理论依据和技术支持.[方法]通过 6 个成熟期与氮效率密切相关的农学指标(产量、植株氮积累、氮素生理利用效率、植株干生物量、籽粒总吸氮量、N收获指数)构建主成分综合值,并对其进行K-Means聚类分析,将121个小麦品种划分为氮高效型、氮中效型和氮低效型3种类型.利用无人机遥感平台搭载多光谱相机,在小麦拔节期、孕穗期和开花期获取无人机遥感影像,并提取34种植被指数,分析植被指数与氮效率综合值的相关性;对比支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和K最近邻(KNN)分类方法的氮效率分类模型精度,使用总体分类精度(OA)和Kappa系数比较不同生育时期下小麦品种氮效率分类识别的能力;并使用 3 种不同的特征集筛选方法(ReliefF算法、Boruta算法和RF-RFE算法)对优化的特征子集进行综合评价,确立适宜的小麦品种氮效率分类识别方法.[结果]随着小麦生育时期的不断推进,植被指数与氮效率综合值的相关性逐渐提高,开花期最高(r=0.502);利用植被指数全特征集对小麦品种氮效率进行分类,对于单生育时期数据而言,以开花期的SVM模型分类效果最好(OA=77.1%,Kappa=0.591),拔节期最差(OA=65.6%,Kappa=0.406);总体而言,多生育时期数据融合的品种氮效率分类精度高于单生育时期,其中以拔节期+孕穗期+开花期3个生育时期数据融合的SVM模型的分类效果最优(OA=80.6%,Kappa=0.669).为减少多生育时期数据融合的特征集变量数量,比较分析RF-RFE、Boruta和ReliefF 3 种算法的特征优化效果,基于RF-RFE算法得到的优化特征子集分类精度最高,其OA和Kappa系数比全特征集分类模型分别提高了 4.0%和 10.1%,其中,以 3 个生育时期数据融合的分类效果最好(OA=85.4%,Kappa=0.749).[结论]确立 6 个氮效率指标—主成分分析—K-Means氮效率评价方法;RF-RFE算法有效优化多生育时期组合的特征子集数量,且获得较高的分类精度,确立基于多生育时期组合—RF-RFE—SVM技术融合的小麦品种氮效率分类模型,为小麦氮高效品种的快速准确分类鉴定提供理论依据和技术支撑.

    冬小麦无人机植被指数生育时期特征筛选氮效率分类

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    绿洲灌区密植对氮肥减量玉米产量的补偿潜力

    范虹殷文胡发龙樊志龙...
    1709-1721页
    查看更多>>摘要：[目的]针对绿洲灌区玉米生产氮肥用量过高的问题,探究通过密植补偿氮肥减量对玉米产量负效应的可行性.[方法]2019-2021 年,以施氮水平为主区,设地方习惯施氮(N2,360 kg·hm-2)、减量 25%施氮(N1,270 kg·hm-2)两个水平;以种植密度为副区,设传统(M1,7.8 万株/hm2)、中(M2,10.4 万株/hm2,增密 33%)、高(M3,12.9 万株/hm2,增密 66%)3 个密度水平,进行裂区试验,重点研究氮肥减量条件下增密对玉米产量及其构成因素的影响.[结果](1)氮肥减量导致玉米籽粒产量、生物产量分别降低 4.0%、4.9%.减氮条件下,中密度可以产生籽粒产量补偿效应,N1M2较对照 N2M1 提高 4.1%;高密度处理 N1M3 生物产量补偿效应最大,较对照提高 14.2%.(2)通过回归分析模拟得到:减氮条件下,当种植密度提高至 8.4 万株/hm2 可以与对照N2M1 籽粒产量持平,并在 10.6 万株/hm2 时获得最大产量 13 537 kg·hm-2,较对照提高 4.9%.(3)氮肥减量引起穗数、穗粒数和千粒重分别降低 5.0%、3.3%和 3.4%;中、高密度分别较传统密度提高穗数 27.9%、49.7%,降低穗粒数 3.8%、8.4%,降低千粒重 5.2%、8.9%.中密度较传统密度对收获指数无显著影响,而高密度使收获指数降低 14.2%.N1M2 较对照N2M1 通过穗数增加补偿了减氮引起穗数、穗粒数及千粒重的下降,从而实现丰产.(4)氮肥减量降低拔节期至抽雄吐丝期的玉米生长率 7.2%—8.4%;中、高密度较传统密度提高苗期至大喇叭口期玉米生长率 27.3%、60.3%.(5)氮肥减量条件下,N1M2 较对照提高叶、茎和鞘干物质转运量达 9.6%、13.6%和 3.7%,提高叶和茎对籽粒产量的贡献率 5.3%和 9.0%.[结论]通过合理密植可以补偿减氮引起的玉米产量下降,在施氮量 270 kg·hm-2 的基础上增密至 10.4 万株/hm2,能够最大化产量补偿效应,是绿洲灌区玉米节氮稳产丰产的可行措施.

    玉米密植氮肥减量补偿潜力产量绿洲灌区

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    线粒体编码基因Nad5、Nad6和Atp6参与锈赤扁谷盗磷化氢抗性形成

    陈二虎袁国庆陈艳陈梦秋...
    1722-1733页
    查看更多>>摘要：[背景]锈赤扁谷盗(Cryptolestes ferrugineus)是重要储粮害虫,其对磷化氢(phosphine)抗性问题尤为突出.线粒体是生物体的重要细胞器,是昆虫进行呼吸代谢反应的核心场所,其中线粒体编码基因参与调节昆虫呼吸速率、能量代谢以及细胞信号转导等生理过程.[目的]明确线粒体编码基因在锈赤扁谷盗磷化氢抗性形成过程中的作用.[方法]通过 CO2 检测仪测定锈赤扁谷盗不同磷化氢抗性种群试虫的呼吸速率;利用 RT-qPCR 技术解析线粒体编码基因在磷化氢抗性水平和呼吸速率均差异最大的锈赤扁谷盗太仓和上海种群试虫中的表达模式,并进行线粒体复合体I和V的活性测定;通过RT-qPCR技术研究关键线粒体编码基因Nad5、Nad6和Atp6对磷化氢胁迫响应的表达模式以及胁迫后线粒体复合体I和V的活性变化.利用RNA干扰(RNA interference,RNAi)技术沉默锈赤扁谷盗线粒体编码基因Nad5、Nad6和Atp6,同时分析上述基因被有效沉默后试虫呼吸速率和磷化氢敏感性变化情况.[结果]锈赤扁谷盗呼吸速率与磷化氢抗性水平呈负相关关系,即害虫呼吸速率均随磷化氢抗性倍数增加而显著下降.RT-qPCR结果表明线粒体编码基因在锈赤扁谷盗磷化氢极高抗种群(太仓种群,RR=1 906.8)表达量显著低于相对敏感种群(上海种群,RR=1.4),且线粒体复合体I和V的酶活性与线粒体基因表达模式相一致.锈赤扁谷盗经磷化氢熏蒸胁迫后,关键线粒体编码基因Nad5、Nad6和Atp6被显著抑制,线粒体复合体I和V的酶活性均显著降低.注射dsRNA有效沉默关键线粒体编码基因Nad5、Nad6和Atp6后,锈赤扁谷盗呼吸速率显著降低,磷化氢敏感性显著下降.[结论]线粒体编码基因参与锈赤扁谷盗磷化氢抗性形成.

    锈赤扁谷盗储粮害虫磷化氢抗性线粒体RNA干扰

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    桃苗圃适用除草剂的筛选、混配与安全性评价

    郭磊黄晨艳宋宏峰沈志军...
    1734-1747页
    查看更多>>摘要：[目的]杂草防治是果树生产中的重要环节,论文旨在评价不同除草剂对桃的安全性并筛选适于桃苗圃和生产园利用的除草剂,为桃产业中化学除草的应用提供理论依据.[方法]采用盆栽试验方法,选用毛桃苗以及黑麦草、狗牙根、空心莲子草、白三叶草和黄花苜蓿5种草为试材,对13种除草剂的安全性进行初步筛选.根据各除草剂药害等级结果,选择10%精喹禾灵和60%二氯喹啉酸进行混配.按照精喹禾灵有效剂量25、50、75 mL·hm-2 3个水平,二氯喹啉酸有效剂量150、300、450 g·hm-2 3个水平,共设置形成9个除草剂混配制剂.茎叶喷施处理后7、14、21 d,调查计算杂草抑制率,处理30 d后测定桃苗株高、茎粗、地上和地下部生物量、叶片和根尖细胞电解质渗透率、根系总根长、总根表面积、根体积和根尖数的变化,并基于主成分分析对不同处理的安全性和杂草抑制率进行综合评价.[结果]茎叶喷施处理后,有11种除草剂对桃苗产生药害,桃苗出现不同程度的失绿、萎蔫、枯死等症状,精喹禾灵和二氯喹啉酸对桃苗生长无显著影响.利用精喹禾灵单剂喷施杂草后,处理21 d对禾本科杂草的抑制率为100%,但对阔叶杂草无抑制作用.相反,喷施二氯喹啉酸对禾本科杂草的抑制率为 0,对黄花苜蓿、白三叶草、空心莲子草的抑制率范围为 80%—100%.精喹禾灵与二氯喹啉酸混配后,9 个混配制剂在处理 21 d后的杂草总抑制率可达 90%以上,同时各制剂对桃苗株高、地上和地下部生物量、叶片和根尖细胞电解质渗透率无显著性影响.综合分析显示,精喹禾灵有效剂量对混配制剂的综合评价D值有较大影响,当精喹禾灵有效剂量提升至75 mL·hm-2 时,混配制剂的综合评价D值超过0.563,但D值未出现随二氯喹啉酸有效剂量提升而增大的趋势.[结论]桃苗对多数除草剂敏感,混配是提高精喹禾灵和二氯喹啉酸杂草综合抑制率的有效措施.有效剂量 75 mL·hm-2 精喹禾灵与 300 g·hm-2 二氯喹啉酸混配后,制剂的综合评价D值最高,可在保证桃苗安全的基础上达到最佳除草效果.

    精喹禾灵二氯喹啉酸桃苗除草剂综合评价

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    基于地貌分区的湖北省粮食生产格局与耕地资源匹配关系研究

    张俊峰丁建成翁煜炜张雄...
    1748-1765页
    查看更多>>摘要：[目的]研究不同地貌区粮食生产格局与区域耕地资源的匹配关系,为粮食生产布局和耕地资源保护提供决策依据.[方法]采用集中度、变异系数、重心模型、匹配度和LMDI模型等研究湖北省1990-2020年不同地貌区粮食生产格局变化与耕地资源的匹配关系.[结果]1990-2020年鄂西山地、鄂中岗地、鄂东丘陵、江汉平原粮食产量占湖北省粮食总产量的比重逐步调整为11.2%、30.6%、26.2%、32.0%.近30年湖北省各地貌区粮食作物生产集中度及变化趋势存在显著差异,粮食生产向鄂中岗地集中的趋势明显,以小麦和玉米为主,大豆生产则向江汉平原集中.湖北省粮食播种面积重心和粮食产量重心向西北方向移动了5.37 和14.63 km,但鄂中岗地粮食生产重心向东北方向移动,江汉平原和鄂西山地则向西南移动.近 30 年来,鄂西山地、鄂中岗地、鄂东丘陵、江汉平原粮食生产与耕地资源重心的平均空间距离为 6.20、3.35、10.57、6.82 km,变动一致性平均指数分别为 0.49、0.44、0.40、0.27.湖北省粮食生产与耕地资源的基尼系数均大于 0.5,且有增加趋势,鄂西山地和江汉平原不平衡指数为正,鄂中岗地与鄂东丘陵不平衡指数为负.近 30 年各地貌区粮食产量变化的耕地数量效应与结构效应为负,耕地集约效应和质量效应为正,其中耕地种植结构变化对鄂东丘陵粮食生产的减量作用达到309.70 万t,而复种指数变化对鄂中岗地粮食生产的增量作用达到 300.46 万t.[结论]近 30 年湖北省各地貌区耕地质量效应和耕地结构效应的增量作用正在减弱,数量效应的减量作用在增强,湖北省面临优质耕地减少的种植风险和粮食种植结构调整带来的产量风险.湖北省粮食生产与耕地资源长期处于不匹配状态,且表现出明显的区域地理特征.粮食生产空间布局和种植结构调整应充分考虑不同地貌区自然地理和耕地资源禀赋特征,推动粮食生产与耕地利用协调发展.

    粮食生产时空变化地貌分区耕地资源匹配性湖北省

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