外源施加植物甾醇衍生物-油菜素内酯的信号物质可以显著提高植物的耐盐性。为了检测过表达编码植物固醇关键酶的甲基固醇加氧酶基因(SMO)是否能提高目标植物的盐胁迫耐受性,使用子房注射法,首先将植物甾醇生物合成过程中关键酶-甲基甾醇单加氧酶的编码PnSMO1.1基因转移到裂叶牵牛中,构建了该基因的过表达转基因株系。接着以经PCR鉴定验证的转基因植物株系幼苗为试验材料,在0~200 mmol/L 梯度NaCl处理条件下,检测了不同株系植物的根长和下胚轴长度等生长参数,以及叶片细胞中丙二醛(MDA)的含量、相对电导率、油菜素甾酮和6-脱氧油菜素甾酮含量等生理指标。结果显示,在100~250 mmol/L NaCl处理下,与野生型(WT)植株或空质粒转化对照(BL)植株相比,过表达PnSMO1.1显著增加了转化植株的根和下胚轴的相对生长量,增强了转基因株系的耐盐性。另外,与WT和BL幼苗相比,在不同的NaCl浓度处理条件下,转基因株系中6-脱氧油菜素甾酮的积累显著增加,但相对电导率(rEC)值、油菜素甾酮的积累量或MDA含量均显著降低。盐渍化、干旱和低温等事件的发生,严重抑制了植物的营养生长和产量。这些结果揭示,过表达PnSMO1.1基因,可以通过调节细胞内的油菜素内酯化合物积累量的动态,进而保护质膜的结构完整性,显著提高转基因植物的耐盐性。

为促进长粒型粳稻品种的选育,以粳稻品种东富139、龙粳31和东农427为试验材料,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了pYLCRISPR/Cas9-GS3-RNA和pYLCRISPR/Cas9-GS3-GS9-RNA 2个敲除载体,通过农杆菌转化法侵染受体材料的愈伤组织,对GS3和GS9基因进行定点编辑。最终,3个品种在T₂都获得了GS3单基因突变、GS9单基因突变和GS3、GS9双基因突变,且无T-DNA元件的纯合植株。在成熟期对T₂突变体及其野生型的农艺性状进行考察分析,结果表明,与野生型相比,3个品种的gs3突变植株的粒长、千粒质量均显著增加,粒宽、结实率和穗粒数无显著变化;gs9突变体粒长显著增加,粒宽显著减少,千粒质量、结实率和穗粒数无显著变化;gs3gs9突变体粒长增加,且增幅大于gs3和gs9,同时粒宽显著减少,千粒质量显著增加,而结实率和穗粒数无显著变化。综上,利用CRISPR/Cas9技术对东富139、龙粳31和东农427等3个粳稻品种的粒型进行改良,加快了长粒型粳稻新品种的选育进程。

半胱氨酸蛋白酶是蛋白质降解过程中的一类水解酶,参与植物的衰老与成熟,在植物生长发育过程中发挥重要作用。基于前期得到的小麦衰老阶段转录组数据中筛选到一个衰老特异的半胱氨酸蛋白酶(SAG39),为了研究TaSAG39基因在小麦衰老过程中发挥的作用,采用生物信息学分析方法和实时荧光定量(qRT-PCR)技术对TaSAG39的基因结构和表达模式进行分析。结果表明,其氨基酸序列与小麦祖先种节节麦、野生二粒小麦以及硬粒小麦亲缘关系最近,含有木瓜蛋白酶亚家族特有的活性位点Cys-His-Asn以及EFNIN结构。TaSAG39-5A、TaSAG39-5B、TaSAG39-5D基因组全长分别为1 455,1 435,1 439 bp,编码序列长分别为1 041,1 050,1 038 bp,均含2个外显子和1个内含子;其编码的蛋白分别由346,349,345个氨基酸组成,分子质量约37 ku,等电点5.53~5.67,为稳定的带负电的亲水性蛋白;主要构成元件为无规则卷曲和α-螺旋,在蛋白质N段含有信号肽,具有保守的Inhibitor_I29和Peptidase_C1结构域,含有35~37个磷酸化位点,其中以丝氨酸磷酸化位点和苏氨酸磷酸化位点为主。TaSAG39蛋白可能与半胱氨酸蛋白酶抑制剂以及14-3-3蛋白互作,该基因启动子中含有脱落酸、茉莉酸甲酯、生长素、光、干旱、低温以及胁迫响应等有关的顺式作用元件。qRT-PCR结果证实,TaSAG39基因受自然衰老、黑暗、干旱、茉莉酸甲酯、高温、生长素诱导表达,在自然衰老过程中基因的诱导表达最为显著。

为明确磷酸蔗糖磷酸酶基因(SPP)的表达特征和生物学功能,进一步了解SPP参与蔗糖生物合成的调控机制。以小麦抗旱品种晋麦47的cDNA为模板克隆出3个位于第5同源群上的TaSPP同源基因,分别命名为TaSPP-5A、TaSPP-5B和TaSPP-5D。并利用生物信息学对小麦TaSPP的理化性质、基因结构、顺式作用元件、系统进化树和蛋白保守结构域等进行分析,通过qRT-PCR分析基因TaSPP的表达模式。结果表明,TaSPP-5A、TaSPP-5B、TaSPP-5D都包含8个外显子和7个内含子,TaSPP-5A和TaSPP-5D编码422个氨基酸,TaSPP-5B编码413个氨基酸。系统进化分析显示,小麦TaSPP基因与小麦的近缘物种在进化上处于同一分支,相似度较高。qRT-PCR表达分析结果显示,TaSPP基因在根、茎秆、旗叶、叶鞘、颖花、种子中均表达,其中在旗叶和茎秆中表达量较高;ABA、PEG-6000、NaCl和IAA胁迫均能诱导TaSPP基因的表达,表明小麦TaSPP基因可能在逆境胁迫过程中发挥重要作用。

为了摸清甜菜选育进程中部分不育系和保持系材料的细胞质类型,为下一步的选育工作提供指导方向。利用分子标记引物TR1对国内总共30份甜菜试验材料开展细胞质类型的分子水平鉴定,并结合田间花期育性性状调查进行比对。结果表明,成型稳定的保持系960767和不育系N9848经过TR1引物鉴定后的PCR电泳条带分别为750,500 bp,其胞质类型分别为N1和S型,其他试验材料检测到750 bp的材料为T152、T328、T334、T306、T360,推断其为N1型细胞质;检测到500 bp条带的材料为T766、T154、N122、I-1、B-3、Z-1、41419、10320、B-3-23、S865、S301、S151、S327、S333、S115、S305、S153、S359、S137、S163和S313,推断其为S型细胞质;检测到500~750 bp条带的材料为T302、T116。由于T302在田间调查中其对S301的不育性也具有保持能力,因此将T302和T116分为N型细胞质的另一种类型N2。同时检测到500 bp和750 bp的材料为T302、I-1和B-3的部分植株,为同时包括正常和欧文细胞质的材料,属于特质性材料。田间花粉育性调查结果T766、T154、N122、I-1、B-3、Z-1、41419、10320、B-3-23均为可育型,但鉴定其胞质类型属于S型细胞质。经分子鉴定和田间育性性状调查对比,大部分材料分子鉴定结果与育性性状调查结果一致。部分材料存在分子鉴定与育性性状结果不一致,有待于进一步调整选育方向。

STAYGREEN(SGR)基因在植物叶绿素降解代谢过程中起重要作用。为探究苹果SGR2基因的生物学功能,利用RT-PCR技术从澳洲青苹成熟果皮中克隆得到MdSGR2基因,利用生物信息学分析软件对其编码蛋白进行了同源性、理化性质、蛋白结构、启动子顺式作用元件等预测和分析,并构建其植物超表达载体。结果表明,MdSGR2基因完整开放阅读框(ORF)cDNA序列为840 bp,编码279个氨基酸,该蛋白属于Staygreen超家族。理化性质分析表明,该蛋白分子质量为31.27 ku,等电点pI为8.52,属不稳定亲水蛋白。同源性分析表明,MdSGR2蛋白与秋子梨SGR同源性最高,达84.12%。蛋白质结构分析表明,该蛋白二级结构和三级结构主要由α-螺旋、无规则卷曲构成,二者比例分别为40.50%,44.44%。启动子分析表明,该基因启动子区域包含低温顺式作用元件、光响应元件和脱落酸、水杨酸、茉莉酸甲酯响应元件等诱导型顺式作用元件,说明MdSGR2基因可能受环境和激素等多种因素的调控。同时研究成功构建了MdSGR2基因植物超表达载体pCAMBIA2301-MdSGR2。

为了研究甲羟戊酸-5-磷酸激酶(PMK)在紫苏萜类物质生物合成代谢通路中的重要作用,对紫苏转录组数据进行分析,挖掘出紫苏PMK基因参考序列,采用基因克隆技术从紫苏中克隆了PMK基因,利用生物信息学和实时荧光定量PCR(qRT-PCR)的方法对紫苏PMK基因进行了分析。结果表明,紫苏PMK基因开放阅读框(ORF)全长为1 524 bp,编码507个氨基酸。生物信息学分析显示,PfPMK的分子质量为54.73 ku,等电点为5.20,为亲水蛋白;紫苏PfPMK氨基酸与SmPMK、SsPMK、SbPMK和PvPMK同源性较高,说明紫苏PfPMK蛋白在进化过程中保守性较强。亲缘关系分析显示,PfPMK与丹参和一串红的PMK亲缘关系很近,在线软件WoLF-PSORT预测PfPMK蛋白可能定位于质膜或内质网膜上。qRT-PCR结果表明,PfPMK基因在紫苏根、茎、叶中均有表达,在根中的表达量高于在叶和茎中的表达量;紫苏不同生长发育时期的qRT-PCR分析显示,PfPMK基因在9月中下旬表达量较高。首次从紫苏中克隆出PfPMK基因,生物信息学分析该基因属于甲羟戊酸-5-磷酸激酶基因,参与了紫苏萜类物质的生物合成。

为探明春大麦可溶性糖含量与籽粒淀粉组分含量的关系,以蒙啤3号和蒙啤5号为试材,设375,450,525,600万株/hm²共4个密度处理,于2018—2019年研究不同种植密度下大麦灌浆期叶片、茎秆和籽粒可溶性糖与淀粉组分含量的动态变化,分析了其对籽粒淀粉组分形成的影响。结果表明,2 a 2个品种各处理叶片、茎秆和籽粒可溶性糖含量随着灌浆进程均呈单峰曲线变化,峰值在花后21 d出现;随着种植密度增加先升高后降低,最大值在525万株/hm²密度处理出现。2 a 2个品种各处理籽粒总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量随着灌浆进程呈逐渐上升趋势,随着种植密度增加先升高后降低,峰值均为525万株/hm²处理。相关分析显示,各灌浆阶段叶片、茎秆和籽粒可溶性糖含量与成熟期籽粒淀粉组分含量均呈极显著正相关关系;通径分析显示,对成熟期籽粒总淀粉含量影响最大的是花后21 d叶片、花后7 d茎秆和籽粒可溶性糖含量,通径系数分别达到1.002 3,0.580 4和0.745 5;对直链淀粉含量影响最大的是花后35 d叶片、花后7 d茎秆和籽粒可溶性糖含量,通径系数分别达到0.776 6,0.469 7和0.715 6;对成熟期籽粒支链淀粉含量影响最大的是花后21 d叶片、花后7 d茎秆和花后14 d籽粒可溶性糖含量,通径系数分别达到1.046 9,0.638 2和0.775 6。525万株/hm²是该试验条件下提高大麦籽粒淀粉组分含量最适宜的种植密度;花后7 d茎秆和灌浆初期籽粒可溶性糖含量对大麦产量和品质提高具有重要意义。

为了明确干旱胁迫对不同抗旱性冬小麦灌浆期下午旗叶光合荧光特性和产量的影响,2018—2019年度和2019—2020年度,在防雨棚池栽条件下,以强抗旱性冬小麦品种晋麦47(JM47)和弱抗旱性冬小麦品种偃展4110(YZ4110)为材料,采取测墒补灌的方法,设置重度干旱(W1:播前65% MFC(最大田间持水量)+拔节后45%~55% MFC)、中度干旱(W2:播前75% MFC +拔节后55%~65% MFC)、轻度干旱(W3:播前75% MFC +拔节后65%~75% MFC)、适宜供水(W4:播前75% MFC +拔节后75%~85% MFC)4个处理,测定了灌浆前期、中期和中后期14:00—16:00的旗叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO₂浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)、瞬时水分利用效率(IWUE)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)以及成熟期的产量及其构成因素。结果表明,水分和品种对小麦灌浆期下午的旗叶光合、荧光特性和成熟期的产量均有显著影响。从2 a均值来看,与W4相比,干旱胁迫处理(W1、W2和W3)灌浆期下午的旗叶Pn、Gs和ΦPSⅡ,JM47分别降低2.07%~68.92%,-3.23%~50.00%和-1.89%~30.19%;YZ4110分别降低7.71%~80.19%,11.11%~59.26%和0~73.47%;JM47和YZ4110灌浆中期下午的旗叶Tr分别降低6.30%~32.87%和6.49%~41.74%,灌浆中后期下午旗叶Fv/Fm分别降低1.20%~18.52%和2.50%~30.00%,且上述指标的降幅基本表现为JM47<YZ4110。与YZ4110相比,干旱胁迫处理(W1、W2和W3)JM47灌浆期下午的旗叶Pn、Gs、ΦPSⅡ和Fv/Fm分别提高0.86%~64.89%,8.33%~36.36%,1.96%~184.62%和1.25%~17.86%,JM47的产量分别提高28.91%,8.06%和5.40%。除IWUE外,灌浆期下午旗叶光合荧光参数与产量均显著或极显著相关,但相关系数因品种和灌浆时期而异,JM47以灌浆前期旗叶Tr,灌浆中期旗叶ΦPSⅡ,灌浆中后期Pn、Gs和Fv/Fm的相关系数最大;YZ4110以灌浆前期旗叶Pn、Gs和Tr,灌浆中期旗叶ΦPSⅡ,灌浆中后期旗叶Fv/Fm的相关系数最大。综上,干旱会导致灌浆期下午旗叶光合能力和籽粒产量降低,强抗旱性品种JM47在灌浆期下午能保持较好的旗叶光合荧光特性,可在干旱胁迫下显著提高灌浆中期下午的旗叶ΦPSⅡ和灌浆中后期下午的旗叶Pn、Gs和Fv/Fm,从而提高籽粒产量。

为探讨外源油菜素内酯对冻害胁迫条件下拔节期小麦生理特性、转录水平及生长的影响,选用半冬性小麦品种百农207为材料,采用0.1 mg/L的2,4-表油菜素内酯(EBR)浇施拔节期小麦,研究冻害胁迫下小麦叶绿素含量(SPAD值)、丙二醛(MDA)含量、相对电导率、游离脯氨酸(Pro)含量、抗逆相关基因表达量、幼穗受冻率、籽粒产量、千粒质量及干物质质量的变化。结果表明,冻害胁迫前,对照组与处理组的SPAD值、MDA含量和相对电导率无显著差异,而Pro含量处理组显著低于对照组;在冻害胁迫后,与对照相比,外施EBR显著降低了小麦叶片的MDA含量和相对电导率,提高了SPAD值和Pro含量。冻害胁迫48 h,处理组小麦植株叶片抗逆相关基因SOD、POD、CAT、P5CS和WCS120的相对表达量均显著高于对照;冻害胁迫后,与对照组相比,处理组植株幼穗受冻率显著降低,比对照降低了20.93百分点,而籽粒产量、千粒质量和干物质质量显著增加,分别增加了19.38,2.37,54.40 g。综上,小麦拔节期外施EBR可以通过降低叶片MDA含量,提高Pro含量、叶绿素含量以及抗逆相关基因SOD、POD、CAT、P5CS和WCS120的表达量,从而提高小麦的抗冻性,减轻低温冻害对冬小麦造成的产量损失。

为了揭示果期高温胁迫下氮素施用水平对黄瓜叶绿素荧光特性的影响过程与机制,以津优101号黄瓜为试验材料,以28 ℃/18 ℃为对照,设置了35 ℃/25 ℃、38 ℃/28 ℃、41 ℃/31 ℃ 3个高温处理,施氮量设置0(N0),160(N1),240(N2),320(N3)kg/hm² 4个水平,共16个处理,每个处理3次重复。果期高温胁迫9 d后测定了黄瓜功能叶片的荧光诱导动力学参数,并探讨了各处理间变化差异的原因。结果表明,果期高温胁迫后黄瓜叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心显著受损,叶片的最大荧光(Fm)、最大光化学量子产量(Fv/Fm)、光合性能指数(PIabs)、Fm与荧光曲线围成的面积(Area)均显著降低。35 ℃胁迫下各施氮处理黄瓜叶片的ΔW_O-J和ΔW_O-K均为负值,放氧复合体(OEC)未失活且PSⅡ中心类囊体之间的能量传递顺畅; 而38 ℃胁迫下N2处理和41 ℃胁迫下N1处理黄瓜叶片的ΔW_O-J均为正值,OEC失活,且N1~N3处理的叶片ΔW_O-K均为正值,PS Ⅱ中心类囊体之间的能量传递受阻。高温胁迫下施氮可显著增加黄瓜叶片的叶绿素含量及Fm、Fv/Fm、PIabs、PItotal、Area、Sm,增强OEC活性且促进PS Ⅱ中心类囊体之间的能量传递; 高温胁迫下黄瓜叶片PS Ⅱ单位活性反应中心的吸收光能(ABS/RC)、捕获光能(TRo/RC)、热耗散光能(DIo/RC)均表现为随着施氮水平的提高呈下降趋势,而电子传递的能量(ETo/RC)则呈上升趋势。施氮量和温度对黄瓜叶片荧光特性和产量存在显著的交互效应,在果期35,38,41 ℃高温环境中,施氮量分别为236,283,177 kg/hm²时黄瓜叶片光合作用较旺盛,且能获得较高产量。因此,果期高温胁迫下合理施氮可以提高黄瓜叶片PS Ⅱ的OEC活性,促进能量传递,减缓PS Ⅰ受体侧末端电子受体库的抑制,促进叶片光合作用的有序进行。

研究施用氮锌肥下夏玉米植株干物质、氮锌元素累积和分配的变化,为锌肥的合理利用及肥料配施提供理论依据。采用再裂区设计,主因素为90,180,225 kg/hm² 3个施氮水平,副因素为0,4.5 kg/hm² ZnSO₄·7H₂O 2个喷锌处理,副副因素为郑单958和谷神玉66 2个玉米品种,大田条件下研究施用氮锌肥对不同玉米品种籽粒产量、植株干物质累积动态和各器官氮锌元素吸收、累积、分配的影响。结果表明,施氮量为180,225 kg/hm²下夏玉米籽粒产量分别达9.77,10.42 t/hm²,较90 kg/hm²处理平均增加18.0%;吐丝后以施氮量225 kg/hm²下干物质量较高,成熟期以90 kg/hm²处理的穗轴和籽粒干物质量分配比例较高。成熟期施氮量225 kg/hm²处理各器官中氮含量、茎中锌含量以及叶和籽粒氮、锌累积量均表现出优势,而90 kg/hm²处理下鞘、苞叶、籽粒锌含量和籽粒氮、锌分配比例均较高。施锌处理对籽粒产量和干物质累积分配无显著影响,与不施锌相比,施锌显著提高了各器官中氮、锌含量和累积量,但分别降低籽粒中氮、锌分配比例6.93, 6.86百分点。郑单958籽粒产量和干物质占比较谷神玉66高,成熟期植株干物质量高出29.2%。郑单958籽粒氮、锌含量分别较谷神玉66低8.9%和5.3%,但籽粒累积量和分配比例均高于谷神玉66。相关分析表明,玉米籽粒产量和茎、叶、籽粒中氮含量呈显著正相关,叶片锌含量与鞘、籽粒氮含量也呈显著或极显著正相关,穗轴中锌含量与茎、穗轴和苞叶氮含量相关性达显著或极显著水平。因此,施用氮锌肥可以明显提高夏玉米产量和干物质累积量,促进植株各器官尤其是籽粒对氮、锌的吸收和累积,但同时降低籽粒中氮锌的分配比例。

为探索露地结球生菜轻简高效的养分管理措施,选择京郊生菜种植园区,设置不施氮对照(CK)、常规施肥(CF)、常规减肥(-20%CF)和控释掺混肥(-20%CU)4个处理,研究了控释掺混肥一次性减量施肥对结球生菜产量、品质、叶片生理特征、养分吸收、土壤硝态氮残留的影响。结果表明,与常规施肥相比,在氮、磷、钾肥减量20%的情况下,控释掺混肥处理的结球生菜总产量和经济产量分别提高2.32%和3.28%,硝酸盐含量显著降低29.98%。在结球生菜生长期内,控释掺混肥处理在不同生育期(苗期、莲座期、结球中期和收获期)的结球生菜叶片叶绿素含量和氮代谢酶活性(谷氨酸合成酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酸脱氢酶和谷氨酰胺合成酶)与常规施肥差异不大,在结球生菜收获后,所有处理在0~100 cm土体内的残留硝酸盐含量总体不高,相对来说,控释掺混肥处理有一定的硝酸盐淋洗风险。综上所述,控释掺混肥一次性减量施肥在稳定结球生菜产量的前提下,可显著提升生菜品质,在规模化结球生菜生产中具有较大的应用价值。

肥料减施增效对于保障我国农业的可持续性发展意义重大,研究新型增效复合肥料对水稻养分吸收和产量的影响有助于保障我国粮食安全。采用大田试验,设置常规复合肥料(CG)、增效复合肥料(ZZ)、常规复合肥料减量20%(80%CG)和增效复合肥料减量20%(80%ZZ)4个试验处理,以研究新型增效复合肥料对水稻生长性状、养分吸收和产量的影响。结果表明:与常规复合肥料处理相比,增效复合肥料处理能够增加水稻分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期单株鲜质量、株高、SPAD值和根体积,在成熟期,增效复合肥料处理的水稻单株鲜质量、株高、SPAD值和根体积分别提高了11.71%,1.29%,8.02%和46.48%,增效复合肥料减量20%处理的水稻单株鲜质量、株高、SPAD值和根体积分别提高了2.29%,0.31%,3.70%和4.09%。与常规复合肥料处理相比,增效复合肥料处理能够增加水稻茎叶干物质量和籽粒干物质量的比例分别为24.46%和21.39%。增效复合肥料减量20%处理增加水稻茎叶干物质量和籽粒干物质量的比例分别为6.07%和8.15%。与常规复合肥料处理相比,增效复合肥料处理的水稻茎叶氮含量和籽粒氮含量分别增加了10.68%和36.96%,增效复合肥料和增效复合肥料减量20%处理的水稻茎叶磷含量分别增加了26.51%和11.24%,增效复合肥料处理的水稻籽粒磷含量增加了10.39%,增效复合肥料减量20%处理的水稻籽粒磷含量降低了5.41%。与常规复合肥料处理相比,增效复合肥料处理的水稻茎叶钾含量增加了19.91%,籽粒钾含量降低了15.83%,增效复合肥料减量20%处理的茎叶钾含量降低了6.56%,籽粒钾含量增加了0.62%。与常规复合肥料处理相比,增效复合肥料处理的水稻产量提高了22.02%,且差异性显著,增效复合肥料减量20%处理的水稻产量提高了1.12%,增效复合肥料处理的水稻穗长、穗数、穗粒数、千粒质量和结实率在各处理中为最高。综上,增效复合肥料能够提高水稻各生育期的生长指标,改善水稻的氮素吸收、磷素吸收和钾素吸收状况,提高作物产量,具有较好的增效效果,增效复合肥料减量20%处理与常规复合肥料相比,能够实现化肥减量不减产,值得进一步推广应用。

采用大田试验,研究绿肥油菜还田时期对不同施氮量下春玉米产量及对土壤养分的影响规律,以期为华北平原春玉米减氮增效提供理论依据。采用裂区设计,主区绿肥油菜还田时期分别为无绿肥油菜冬闲田(G0)、始花期(G1)、盛花期(G2)和荚果期(G3),裂区施氮量分别为0 (N0),135(N135),270(N270),405(N405),540 kg/hm²(N540)。收获期五点取样法取土测定土壤养分含量,玉米考种测产。与G0相比,G2处理因春玉米穗粒数均值显著增加5.59%而增产5.89%,G1处理2020年增产6.37%,其中穗粒数增幅8.37%,但G1和G2百粒质量与G0无显著差异;G3处理2020年因穗粒数与百粒质量均值降低2.62%,6.40%,导致减产8.43%;春玉米产量随施氮量增加显著增加;G1、G2和G3处理下,春玉米产量在施氮量为N405、N270和N405时达最高,分别为10 961.21,11 253.34和10 331.12 kg/hm²。线性加平台模型分析可知,G1和G2处理可以保证产量稳定在10 000 kg/hm²以上,实现氮肥减施7.89%~41.45%,2020年G3处理减氮10.53%,产量降低6.27%。与G0相比,G1和G2处理显著提高了土壤有机质、碱解氮含量,增幅分别为8.28%和4.12%,11.17%和12.77%。G1、G2和G3处理土壤全氮含量2019年显著增加6.01%,5.86%,8.00%;G1、G2和G3处理土壤全磷和有效磷含量比G0处理显著降低;处理间全钾含量无差异,但G1和G2处理增加了土壤速效钾含量,2020年G3处理含量比G0降低3.41% (P<0.05)。各土壤养分含量随施氮量呈先增加后降低的趋势,在N270达峰值。综上所述,绿肥油菜于始花期至盛花期还田,可以提高土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量,产量稳定在10 000 kg/hm²以上,氮肥减施7.89%~41.45%,实现华北平原春玉米生产稳产减氮增效的目的。

为探究不同玉米秸秆碳形态的增碳培肥效果,在烟田上建立原位土柱培养试验,分析不添加秸秆碳(CK)、添加常规秸秆(RS)、腐熟秸秆(DS)以及秸秆生物炭(BC)4个处理下耕层(0~20 cm)土壤有机碳组分和结构、理化性质及酶活性等指标。结果表明,与不添加秸秆碳相比,3种秸秆碳形态显著提高土壤总有机碳(TOC)和微生物量碳(MBC)含量。与不添加秸秆碳相比,常规秸秆和腐熟秸秆处理显著提高了土壤可溶性有机碳(DOC)含量,而秸秆生物炭处理显著增加了颗粒有机碳(POC)含量(42.40%)。3种秸秆碳形态均提升微生物量碳/有机碳,这表明了秸秆碳投入可促进土壤有机碳周转。采用¹³C核磁共振波谱技术(NMR)分析土壤有机碳官能团结构,结果表明,常规秸秆、腐熟秸秆处理增加了土壤烷氧碳(O-Alkyl-C)和羰基碳(Carbonyl-C)(易降解碳组分),而秸秆生物炭则增加了烷基碳(Alkyl-C)(难降解碳组分)、烷基碳/烷氧碳(A/O-A)和疏水碳/亲水碳(Hydrophobic-C/Hydrophilic-C)。不同形态的秸秆碳对土壤养分及酶活性具有差异性,秸秆生物炭处理显著提升速效钾(AK)、铵态氮(AN)和硝态氮(NN)含量,分别为65.72%,19.93%,5.77%,常规秸秆和秸秆生物炭处理可显著提高蔗糖酶(Su)和脲酶(Ur)的活性,而磷酸酶(Ps)活性均随3种形态秸秆碳添加而提升。冗余分析表明,碳氮比(C/N)、纤维素酶(Ce)和全氮(TN)是影响土壤有机碳含量差异的主要因子;纤维素酶、pH值和速效钾是影响有机碳结构差异的主要因子。综上,施用秸秆生物炭在短期内具有提升有机碳含量及稳定性、养分含量和酶活性的显著优势,且土壤综合肥力评价中也以秸秆生物炭处理的得分最高(0.57),表明添加玉米秸秆生物炭是能够快速提升植烟土壤有机碳水平并改善土壤肥力的有效措施。

为了探究施用有机肥对盐碱土壤脱盐效果的长期效应,以腐熟牛粪为改良材料,根据牛粪施用年限共设置4个处理,分别为:施用牛粪8,12,18 a,以未施用牛粪的作为对照。通过对土壤可溶性盐分组成、交换性盐基、有机质、容重、EC和pH值等指标的测定,定量化探讨牛粪对各个指标影响及其关系,阐明长期施用牛粪对盐碱土脱盐效果的影响。结果表明,长期施用牛粪显著降低了土壤HCO₃^-的含量,消除了CO₃^2-;降低了土壤容重,增加了土壤孔隙度和土壤有机质;降低了Na⁺含量,增加了土壤交换性Ca²⁺、可溶性K⁺和Mg²⁺含量。相关性分析表明:土壤ESP和pH值与交换性Na⁺、HCO₃^-和CO₃^2-含量呈显著正相关,土壤pH值与土壤有机质呈显著负相关关系。回归分析表明:影响钠吸附比的主要因素是可溶性Mg²⁺,其次是可溶性Na⁺,即:施用牛粪后,SAR的降低主要是由于可溶性Mg²⁺的增加和可溶性Na⁺的降低而引起的。相关性分析表明:牛粪的累积施用量与土壤pH值、EC、ESP和SAR等呈显著负相关。综上所述,每年施用牛粪导致了土壤pH值、碱化度、电导率和钠吸附比显著降低,这是由于土壤胶体上的Na⁺被游离的Ca²⁺替换,并且促进了土壤可溶性盐从土壤表层淋溶,降低了可溶性盐的含量,也使得可溶性盐的离子组成发生了变化。这些可能是每年施用有机肥导致土壤钙镁离子含量以及土壤孔隙度增加,土壤容重降低的结果。

为探讨沸石及钙镁基膨润土对北方石灰性土壤中镉的钝化效果以及小白菜生长的影响,采用盆栽试验,研究了不同添加剂量下(沸石:0.5%,1.0%,2.0%;钙镁基膨润土:0.2%,0.3%,0.4%,0.5%,0.6%,0.8%)2种改良剂对北方石灰性镉污染土壤的pH值、有效镉含量,小白菜地上部镉含量、干物质积累量及叶绿素含量等指标的影响。结果表明:与对照相比,添加不同剂量沸石会提升土壤pH值,随着沸石施用剂量的增加,土壤有效镉含量、小白菜地上部镉含量、干物质积累量及叶绿素含量逐渐下降,小白菜发芽率逐步上升,但各沸石处理对试验中测定指标的影响均不显著;施用钙镁基膨润土会显著提高土壤pH值(0.70~1.07)、降低小白菜地上部镉含量(63.83%~93.62%),不同程度地提高小白菜地上部干物质积累量(5.56%~29.22%)和叶绿素含量(5.42%~11.72%),施用较高剂量(≥ 0.4%)可显著降低土壤有效镉含量,但小白菜发芽率会显著降低,抑制种子萌发。研究表明,较沸石而言,钙镁基膨润土更适合北方石灰性土壤中镉的钝化;通过施用钙镁基膨润土可以降低污染土壤中有效镉含量及小白菜地上部镉含量,但施用量需严格把控,避免影响小白菜的萌发而造成减产;综合质量和产量因素分析,当添加剂量为0.3%时,钙镁基膨润土可以在有效减少小白菜地上部镉含量的同时,增加小白菜地上部干物质积累量和叶绿素含量。

为探索稻鸭共育下直播水稻田间杂草种类和群落组成的动态变化,连续2 a运用植物群落生态的方法研究不喷施除草剂(CK)、喷施除草剂(RH)、养鸭不喷施除草剂(DK)和养鸭喷施除草剂(DH)的控草效果和田间杂草群落组成的变化特点。结果表明:2 a中DK处理对田间杂草防控效果为47.00%,低于RH处理的93.88%和DH处理的100.00%,且在水稻分蘖盛期、抽穗期和乳熟期均形成以稗草、鸭舌草、异型莎草和千金子组成的优势杂草,优势杂草总和分别占到总杂草比例的71.20%,92.29%和94.03%;单子叶杂草和禾本科杂草均在水稻分蘖盛期至乳熟期成为优势群落,且在乳熟期占总杂草的比例分别达到97.57%和64.97%,双子叶杂草和阔叶杂草所占比例分别为2.43%和8.55%。2 a中DK处理在分蘖盛期至乳熟期Shannon-Wiener 指数和Simpon指数均低于CK处理,且高于RH处理,但DK和CK处理的Simpon指数和Pielou均匀度指数在抽穗期和乳熟期差异不显著,而与RH处理差异显著,这表明DK处理能够改变稻田杂草群落组成和多样性,并且对田间杂草的防控作用不明显,田间发生草害将影响水稻产量的形成,最终使得水稻减产严重。

为了挖掘番茄青枯病抗性基因,对青枯菌侵染前后的不同番茄自交系进行转录组测序(RNA-seq)。结果发现,在12个样本中共获得75.02 Gb的高质量数据,以差异倍数(FC)≥2且错误发现率(FDR)<0.01为标准,在抗、感番茄中分别获得970,695个差异表达基因(DEGs),共计1 312个,占基因总数的3.71%。其中,上调基因数目分别为457,450个,共计693个;下调基因数目分别为513,245个,共计621个。这些DEGs中,有836个材料特异DEGs。通过GO和KEGG注释,这些DEGs主要分为代谢、调控、响应、结合和催化等47个功能组和DNA复制、次生物质合成、植物-病原物互作、信号转导等88个代谢通路,涉及4个NBS类抗病基因、6个植病互作基因、11个植物激素信号转导基因、22个防御反应基因、32个蛋白激酶、65个转录因子和多个其他重要功能基因,表明这些基因在响应Rs方面扮演着重要角色。启动子分析发现,这些基因含有多个防御与胁迫响应相关元件。选取50个代表基因进行RT-qPCR验证,发现超过1/2的基因表达变化趋势与RNA-seq结果一致。Solyc02g086980.3和Solyc04g011670.3可能参与抗病反应,Solyc01g073985.1、Solyc09g092580.4、Solyc09g098100.4和Solyc10g081300.1可能参与感病反应。这些基因表达谱有助于认识番茄青枯病抗性分子基础,进而加快基因改良和分子育种应用。

为了揭示水杨酸诱导鸭梨抗黑斑病的作用效果及机理,以河北农业大学实验农场梨园鸭梨叶片和果实为试验材料,通过组织分离法分离、纯化梨黑斑病病原菌并对其进行致病性检测,利用形态观察及真菌 ITS、HIS、RPB2、ACT多基因综合鉴定法明确鸭梨黑斑病致病菌的类型;鸭梨离体叶片通过针刺接种黑斑病菌分生孢子悬浮液侵染0,6,12,24,48,72,96,120 h,通过实时荧光定量PCR检测水杨酸信号通路中相关基因的表达量变化,通过高效液相色谱(HPLC)检测0,72 h内源水杨酸含量的变化;利用不同浓度水杨酸(0,0.002,0.02,0.2,2.0,10.0,20.0 mmol/L)测定其对黑斑病菌菌丝生长的影响;采用外源0,0.02,0.2,2.0 mmol/L水杨酸处理鸭梨果实,接种黑斑病菌并观察其抗病效果。结果表明,河北农业大学实验农场梨园中鸭梨黑斑病病原菌为链格孢属链格孢菌,鸭梨离体叶片接种黑斑病菌后,72 h游离态水杨酸含量由0 mg/g增至0.02 mg/g,结合态水杨酸含量由0.47 mg/g增至1.55 mg/g,SA信号通路中相关基因Pbrgene12425、Pbrgene6286接种96 h与0 h相比表达量分别上调5.48,4.66倍,Pbrgene8895、Pbrgene43605接种120 h表达量上调7.90,10.0倍,外源施加0.2 mmol/L水杨酸显著提高鸭梨果实对黑斑病的抗性。在鸭梨抗黑斑病过程中,鸭梨离体叶片游离态水杨酸含量显著增加,水杨酸信号通路中相关基因被诱导上调表达,外源施加0.2 mmol/L水杨酸可提高鸭梨果实对黑斑病的抗性。

希金斯炭疽菌是一种半活体营养型真菌,能够引起十字花科炭疽病,对华南地区的菜心产业造成了严重危害。病原菌分泌的效应子能够帮助病原菌侵入寄主植物,在病原菌与植物互作过程中起到重要作用。为探究希金斯炭疽菌效应子在十字花科炭疽病致病过程中的作用。基于华南农业大学热带亚热带真菌研究室前期的研究结果,筛选得到一个候选效应子ChEP085,该效应子在N端含有一段21个氨基酸的信号肽。为明确该效应子的功能,以希金斯炭疽菌侵染拟南芥Col-0的cDNA为模板,利用qRT-PCR技术测定了ChEP085基因的表达情况,发现ChEP085基因在侵染24 h后有最大表达量。利用农杆菌介导马铃薯X病毒烟草瞬时表达体系对ChEP085基因进行了验证,结果表明:该基因能够稳定诱导烟草细胞坏死。将ChEP085基因构建到增强型绿色荧光蛋白载体pBinceGFP上,在烟草上瞬时表达ChEP085基因进行亚细胞定位,发现该效应子同时定位于细胞质和细胞膜上。删除位于N端的信号肽后,瞬时表达的效应子ChEP085在细胞核、细胞膜和细胞质中均有分布,说明信号肽影响ChEP085的定位。最后利用同源重组技术敲除ChEP085基因,发现该基因的缺失对希金斯炭疽菌的菌落形态及菌丝生长速度均无明显影响,但会导致希金斯炭疽菌的孢子产量降低,致病力明显减弱,说明ChEP085在希金斯炭疽菌产孢及致病过程中均发挥重要作用。

为了对40份来自国际玉米小麦改良中心(CIMMYT) 的小麦材料进行抗叶锈病基因鉴定,试验结合系谱分析、基因推导和分子标记检测等方法在苗期对36个已知抗病基因载体品种和供试的40份小麦材料接种17个具有毒性差异的叶锈菌生理小种,通过对比供试小麦材料与已知单基因载体品种侵染型,推导出供试小麦材料中可能携带的已知抗叶锈病基因,同时利用12个与已知抗病基因紧密连锁的标记对供试材料进行标记检测,检测结果与基因推导相互验证。进一步将40份供试品系分别种植于河北保定和河南周口试验田,接种叶锈菌混合小种进行田间成株期抗叶锈性鉴定。结果表明,7个供试小麦材料含有Lr1,携带Lr10的有9个品系,携带Lr11和Lr34的分别有10个品系,含有Lr14a、Lr15和Lr26的分别有2,4,3个小麦品系;另外,经标记检测成株抗叶锈病基因Lr37和Lr46分别存在于22,39个小麦品系中,经田间鉴定有22个小麦品系表现成株抗性。

为深入研究炭疽病抗病机制提供候选基因,从分子水平探索炭疽菌侵染对山药炭疽病基因转录水平的影响。苏蓣8号是高感炭疽病品系024经组培诱变所育成的高抗炭疽病山药新品种,为挖掘苏蓣8号炭疽病抗性基因,采用胶孢炭疽菌菌株4-2分别接种苏蓣8号和品系024,以未接种苏蓣8号的叶片为对照,利用转录组测序技术分析抗感材料在接种炭疽菌后不同时间点的差异表达基因。结果表明,抗感材料接种24,48,72,96 h共同差异表达基因个数分别为197,132,187,313个,去除各接种时间点共同差异表达的基因数,共获得711个差异表达基因。GO功能富集显示,差异基因主要与响应生物刺激、防卫反应、细胞壁代谢和氧化还原过程等有关。KEGG富集分析表明,生长素、茉莉酸和乙烯等防御相关的植物激素信号转导途径多个基因表达出现差异,其中5个生长素早期响应基因、茉莉酸和脱落酸合成关键酶基因均上调表达,乙烯响应因子ERF036下调表达,可能负向调控山药炭疽菌的侵染;参与次生代谢产物修饰的多个细胞色素P450基因、泛素连接酶及植物甾醇合成酶、防御素和凝集素基因上调表达;WRKY类、MYB类和TIFY类转录因子正向或负向调控抗病基因的表达,受转录调控的PR蛋白、NBS-LRR抗病基因、受体激酶等大量表达,抗氧化保护酶系统CAT和SOD成员在活性氧信号刺激下表达。此外,与淀粉和蔗糖合成有关酶上调表达,与淀粉分解有关酶下调表达。LAX4、IAA4、IAA21基因表达趋势与转录组测序结果基本一致,且在抗病品种表达量显著高于感病品种,推测生长素信号途径有利于山药对炭疽病的免疫反应。

脂肪甘油三酯水解酶(ATGL)是脂肪水解过程中的主要限速酶,是调控细胞中甘油三酯和脂肪酸之间平衡的关键因子。为了分析奶山羊ATGL基因启动子的结构及转录调控机制,以奶山羊全血DNA为模板,通过PCR技术扩增出ATGL基因5'侧翼序列并进行生物信息学分析;构建了5个不同长度的启动子缺失片段报告基因载体,通过转染奶山羊乳腺上皮细胞并检测其活性,确定其核心区域;分别用PPARG激动剂罗格列酮和SREBP1激动剂T0901317处理细胞,检测其对ATGL启动子活性的影响。结果表明,克隆得到奶山羊ATGL基因5'侧翼序列2 721 bp,包含转录起始位点上游2 024 bp。经在线软件分析发现,ATGL启动子含有真核生物启动子元件TATA-box和CpG岛;对转录因子结合位点预测发现,其上含有FOXO、SREBF1、PPARG、C/EBPα和E2F1等结合位点。启动子活性分析结果表明,ATGL启动子核心区域位于转录起始位点上游-256—+1位,且在-527—-256 位存在负调控元件。用罗格列酮和T0901317处理细胞后发现,二者均能显著上调ATGL启动子活性,且罗格列酮作用的区域为-527—-256 位,T0901317在-882—-527 位发挥作用,表明PPARG和SREBP1调控ATGL启动子活性。

为研究绵羊大肠杆菌性乳腺炎中乳腺成纤维细胞的损伤情况及TLR4的作用机制,通过体外培养获得原代绵羊乳腺成纤维细胞,大肠杆菌人工感染细胞建立大肠杆菌性乳腺炎细胞模型,分析大肠杆菌对细胞损伤的影响及TLR4在大肠杆菌性乳腺炎中的作用。采用酶消化法结合差速消化法获得原代绵羊乳腺成纤维细胞;MTT法检测细胞活力及TLR4阻断剂CLI-095的细胞毒性作用;乳酸脱氢酶法检测大肠杆菌对绵羊乳腺成纤维细胞的损伤情况并筛选最适MOI比值;qRT-PCR法检测caspase-3、TLR4的mRNA相对表达量及CLI-095的阻断效果;比色法检测细胞焦亡蛋白caspase-4,5 的酶活性;WB检测TLR4蛋白的相对表达量;平板活菌计数法检测CLI-095对大肠杆菌黏附绵羊乳腺成纤维细胞的影响。分离获得绵羊乳腺成纤维细胞,MTT测定结果显示,细胞活力良好;大肠杆菌以最适MOI=4:1感染绵羊乳腺成纤维细胞后,各时间段 LDH 释放量均显著升高;caspase-3 mRNA的相对表达量在感染1~3 h内显著上升,3 h后表达量显著下降;caspase-4,5 酶活性在感染1~3 h内升高,3 h后降低。TLR4的mRNA及蛋白表达量均显著上调,CLI-095可抑制大肠杆菌对细胞的黏附作用。大肠杆菌感染成纤维细胞后LDH释放量增加、caspase-3 基因表达上调、caspase-4,5酶活性升高,促进了绵羊乳腺成纤维细胞的损伤、凋亡及焦亡;大肠杆菌感染促进绵羊乳腺成纤维细胞内TLR4 mRNA及蛋白的表达;TLR4阻断剂CLI-095可能通过抑制 TLR4的表达抑制E.coli对细胞的黏附作用。