研究水肥一体化下不同施磷量对玉米光合特性、荧光参数及产量的影响,为宁夏地区玉米磷肥高效施用提供理论依据和技术支撑。试验于2019—2020年在宁夏银川平吉堡农场开展,设6个磷素水平,依次为0,60,120,180,240,300 kg/hm²,分别记为P0、P1、P2、P3、P4、P5。分析不同磷肥处理下春玉米叶片光合特性和荧光参数的变化规律及其与产量之间的相互关系。2 a 大喇叭口期,P3较其他处理,叶面积指数(LAI)分别提高了4.21%~12.78%,4.68%~15.60%。磷肥用量在180 kg/hm²时对促进玉米叶面积指数和光合势(LAD)效果最优。2 a全生育期内,相较于不施磷肥处理,P3处理下LAD显著提高14.42%。玉米光合特性对施磷强度的响应不同,随着施磷强度的升高,净光合速率(Pn)均在抽雄期后达到最大值,2 a中的R1期,相较于不施磷肥处理,P3处理下Pn显著提高10.68%。玉米花后(R1)叶片胞间CO₂浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)与Pn均呈显著正相关,决定系数(R²)分别为0.926 5,0.889 9,0.832 0。施磷可以提高玉米光系统Ⅱ综合性能指数(PI),2 a中于R1期,PI有最大峰值,相较于其他处理,P3处理下PI分别提高了1.12%~8.50%,8.47%~15.40%。施磷量为180 kg/hm²产量最大,相较于不施磷处理,2 a产量平均提高17.27%。根据产量拟合方程分析表明,施磷量在179.34 kg/hm²时玉米产量达到最大值13 823.84 kg/hm²。Pearson相关性分析表明,适当的叶面积指数(LAI)会显著影响玉米后期产量,光合参数对玉米产量建成均产生极显著影响;主成分分析表明,P3处理对玉米产量优化效果综合得分最高。磷肥的合理运筹能够有效地保证较高的SPAD值、PSⅡ反应中心的活性,提高玉米对光能的捕获与利用,促进光合作用,从而提高玉米的产量。

为了探究评估SpCas9-NG在玉米基因组编辑中的应用潜力,以叶绿素合成关键基因ZmSCD作为编辑对象,该基因缺失会使苗出现白化现象,以此直观评估编辑效率。依据SpCas9和SpCas9-NG分别识别的5'-NGG-3'和5'-NG-3' PAM序列的规则,在ZmSCD的第2和第3外显子上设计了靶点后,成功将靶点序列构建至SpCas9及SpCas9-NG敲除载体上,再利用农杆菌介导的遗传转化方法将敲除载体导入玉米自交系KN5585中,将愈伤组织培养至分化出叶片组织时,统计白化苗率,以此得出不同编辑器的编辑效率,并对白化苗提取基因组后进行测序。通过3轮遗传转化SpCas9分别获得76,125,28个愈伤组织,SpCas9-NG获得100,69,30个愈伤组织。结果显示,SpCas9的3轮遗传转化的基因编辑效率分别为14.47%,13.60%,10.71%,SpCas9-NG编辑效率分别为12.00%,10.14%,13.33%;对其白化苗测序结果显示,均在靶点附近获得重叠峰。结果表明,SpCas9-NG在玉米中的编辑效率与传统SpCas9相似,显示出同样的基因编辑能力;相比之下,SpCas9-NG具备更宽泛的PAM序列适应性,这意味着它的靶点设计能力更为灵活,允许在玉米基因组中实现更加精准和多样化的编辑。

盐碱胁迫已成为制约我国农业生产的重要因素之一,探索农作物耐盐分子机理,对作物育种具有重要的理论价值和实际应用价值。旨在克隆玉米中的ZmMPI基因,转化玉米植株。首先通过qRT-PCR对盐碱溶液处理下植株中的ZmMPI表达量变化进行分析,之后利用DNAMAN软件对ZmMPI蛋白序列进行多重比较分析同时利用MEGA 7.0软件构建系统发生树,并利用一系列软件对ZmMPI进行生物信息学分析。最后利用分子克隆技术,成功克隆ZmMPI基因的编码序列,构建植物过表达载体并利用农杆菌介导的遗传转化方法转化玉米自交系B104,在基因组水平、转录水平以及蛋白质水平对过表达转基因植株鉴定,分析其表达量变化。结果表明,ZmMPI基因的表达量受盐碱胁迫后整体呈现出先上升后下调的趋势;ZmMPI蛋白序列比较结果相似率为64.15%,系统发生树显示,ZmMPI与玉米(小颖大刍草亚种) ABA34115.1同源性最高,该蛋白含有一个蛋白结构域Potato_inhibit,有α螺旋结构、无规则卷曲结构和β转角结构,偏疏水性,预测潜在的磷酸化位点有10个;对获得的49个转化事件鉴定结果显示,其中有13个过表达转基因株系中的ZmMPI基因在基因组水平能正常表达,有10个过表达转基因株系中的ZmMPI基因能正常转录、翻译。最终获得10个能够正常转录翻译的过表达转基因株系,为进一步探究ZmMPI基因响应盐碱胁迫的分子机制奠定基础。

干旱胁迫对玉米生长发育造成严重影响,从而导致玉米产量降低。紫色酸性磷酸酶是一种参与植物多种生理生化功能的磷脂酶蛋白,为进一步深入研究紫色酸性磷酸酶家族基因在玉米抗逆过程中的作用,探究了ZmPAP26b基因在干旱胁迫下响应模式,利用实时荧光定量分析模拟干旱条件下不同玉米自交系中的基因相对表达量;从玉米中克隆ZmPAP26b(GenBank:NC_050104.1),并对玉米、拟南芥、水稻、小麦、高粱和二穗短柄草中的PAP基因进行鉴定和生物信息学分析;同时构建原核过表达菌株进行功能验证。结果表明,干旱胁迫下该基因在耐旱材料中表达量下降,干旱敏感材料中表达量上升。该基因CDS全长1 431 bp,编码476个氨基酸。在6个物种中共发现228个PAP基因,系统发育分析发现,共分成4个亚家族。玉米中的19个PAP基因分布在9条染色体上并且具有相似的保守结构域,启动子顺式作用元件分析显示含有响应干旱和激素等元件。原核表达试验发现,含有重组质粒pET28a-ZmPAP26b的菌株在10%PEG-6000和15%PEG-6000模拟干旱胁迫下的生长与空载菌株都受到了抑制。综上所述,推测ZmPAP26b在干旱胁迫下呈负调控模式。

未知功能域668(DUF668)家族是植物中一个功能尚不清楚的家族。为了解玉米DUF668基因家族成员及其特征,运用生物信息学方法对ZmDUF668基因家族进行鉴定分析。结果表明,玉米8条染色体上共分布19个ZmDUF668基因,分别命名为ZmDUF668-1~ZmDUF668-19;ZmDUF668蛋白以碱性蛋白为主,且大部分成员定位于细胞核、细胞质和叶绿体中。多物种系统进化树将19个ZmDUF668家族蛋白成员分为2个亚组;19个ZmDUF668中鉴定出10种蛋白保守基序,所有成员都含有Motif 1和Motif 5;通过对蛋白保守域分析发现,19个成员中有14个不仅含有DUF668结构域还含有DUF3475结构域;基因结构分析表明,同一亚群中成员基因结构相似。根据共线性分析可知,13个ZmDUF668基因与10个OsDUF668组合形成21种共线性关系。ZmDUF668顺式作用元件分析发现,家族成员启动子区域分布着光响应、植物激素及非生物胁迫相关作用元件。蛋白质互作网络(PPI)预测结果表明,ZmDUF668家族蛋白中只有ZmDUF668-10与其他蛋白存在互作关系。通过RNA-Seq数据分析发现,ZmDUF668基因家族部分成员在受到冷、热、盐胁迫和紫外处理下基因表达量明显变化,实时荧光定量PCR试验验证了ZmDUF668家族部分成员在冷胁迫和热胁迫下的响应。研究主要是将生物信息学运用于对玉米DUF668基因家族的分析,揭示了ZmDUF668基因家族成员的特征,为后续研究玉米DUF668家族基因的分子生物学功能提供了理论基础。

玉米花丝颜色是玉米特异性和一致性判定的重要农艺性状。为解析玉米花丝花青苷显色性状的遗传机制,以绿色花丝自交系WL134和紫色花丝自交系D7杂交构建的213份DH系群体为研究材料,在2022年和2023年2 a环境下分别进行QTL定位分析。结果表明,花丝花青苷显色性状在不同家系、不同年份之间均存在显著差异,且广义遗传力为0.864。2 a的花丝颜色数据共检测到9个QTLs,分布于玉米的第2,3,5,6,8,9号染色体上,单个QTL的表型贡献率在4.83%~9.26%。在第5染色体上定位到一个稳定的在2 a数据中可重复检测到的位点qSC5,位于19.15~19.80 Mb,2022年检测的LOD值为4.65,贡献率7.22%,2023年检测的LOD值为5.76,贡献率7.17%,为主效QTL位点。与前人的研究比对发现,该位点为调控花丝花青苷显色的新位点。基于qSC5两侧的SNP标记,DH群体中极端紫色花丝家系中90.91%的基因型为CCCC,而绿色花丝家系中该基因型仅占44.00%。该标记与玉米花丝颜色显著相关,可能与调控花丝花青苷显色性状的关键基因连锁。

探究不同农作模式对玉米生长发育、光合作用、叶片结构及产量的影响,为优化河西绿洲灌区耕作栽培措施和创建玉米高效种植模式提供理论依据。试验设置免耕(NT)与传统翻耕(CT)2种耕作方式,小麦玉米间作(W/M)、麦后插播冬油菜玉米轮作(W-G→M)、小麦玉米轮作(W-M)3种种植模式,共6个处理。结果表明,与CT相比,NT玉米株高、茎粗和叶面积分别增加6.83%,4.10%,3.97%,间作玉米干物质量高于轮作但差异不显著;叶片色素随生育期呈先增后减的趋势,表现为NT叶绿素a、b与类胡萝卜素较CT分别高11.93%,22.41%,13.43%,且差异显著;NT叶片净光合速率(Pn)与胞间CO₂浓度(Ci)较CT分别高9.17%,3.81%,CT处理气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)较NT分别高9.95%,1.48%;NT玉米叶片结构较优,叶肉细胞多且排列有序,维管束清晰可见,花环结构较大,栅栏组织与海绵组织丰富,NT叶片较CT厚2.51%,且差异显著;NT玉米较CT增产8.02%,间作产量收益大于轮作(LER>1)。研究发现,免耕玉米生长发育、叶片结构及产量均优于传统耕作,间作比轮作更有利于增产,故可将免耕小麦间作玉米作为该区主要的农作模式进行推广。

生长素响应因子(ARF)是一类具有B3结构域的转录因子,是调节生长素应答反应、控制基因表达的直接分子。前期通过分析转录组数据,在玉米中筛选到1个编码ARF蛋白并积极参与干旱-复水胁迫响应的基因ZmARF10。为进一步研究该基因调控玉米抗旱性的分子机制及抗旱分子育种提供新的思路,首先通过系列生物信息学分析软件对该基因进行生物信息学分析,之后利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测ZmARF10在玉米不同组织中的表达模式,分析在高温、干旱、高盐、ABA胁迫和解除胁迫处理下的表达情况,以及在不同玉米自交系间的表达差异,最后利用CRISPR/Cas9技术分析ZmARF10的功能。结果表明,ZmARF10位于玉米的第3号染色体,编码区全长2 127 bp,编码708个氨基酸,具有典型的B3结构域;该基因ATG上游2 kb区域内含有茉莉酸甲酯、生长素、脱落酸、低温响应等应答元件;系统发育树显示,ZmARF10基因编码的蛋白质与高粱同源蛋白的亲缘关系最近。qRT-PCR结果表明,ZmARF10是组成型表达基因,在玉米成熟根中的表达量最高;在高温、干旱、高盐以及ABA 等4种胁迫处理下,ZmARF10基因的表达量均显著上调,干旱胁迫后上调倍数最高达8.2倍;干旱胁迫后,ZmARF10基因在抗旱自交系郑36中的表达量上升幅度显著高于干旱敏感自交系B73。观察拟南芥野生型与ARF10缺失型突变体发现,与野生型相比,干旱条件下突变体植株出现叶片萎蔫甚至干死的现象,根系发生卷曲,根系分支数减少,侧根生长发育受阻;测定生理生化指标发现,干旱胁迫后缺失型突变体的相对含水量、叶绿素含量、净光合速率显著低于野生型植株,说明敲除ARF10基因后拟南芥抗旱能力下降。

为了研究玉米茎秆性状与茎秆弹性和耐密性形成的相关性,进一步揭示植株抗倒伏机理,选用6个抗倒性不同的玉米品种为材料,设置了6.0万,7.5万,9.0万株/hm² 共3个种植密度,以田间茎秆拉倒角度为弹性评价指标,与植株和基部节间的形态特征,节间的解剖结构、物质积累量和力学特征进行相关性分析。结果表明,玉米株高、穗位高、基部节间长、粗、表皮厚度、硬皮组织厚度、维管束总数、小维管束鞘面积、单位长度鲜质量、干质量和各组分含量、穿刺和压折强度对茎秆拉倒角度有显著或极显著的影响,其中节间粗(r=0.521^**)和单位长度干质量(r=0.562^**)的影响最大。种植密度越大,节间粗、硬皮组织厚度、维管束总数、单位长度鲜质量、干质量、各组分含量、穿刺和压折强度越小或越少,茎秆的弹性越差,抗倒性越弱。不同品种间的茎秆性状存在显著差异,粒收1、创玉107、京农科728和MC278与弹性相关的性状优于其他品种,且随着密度的增大变幅较小,故茎秆弹性和耐密性较强。节间粗和单位长度干质量等性状对拉倒角度即有显著影响,增密后这些性状的变幅决定了茎秆的耐密性。

为明晰缓释氮肥不同施用量下玉米光合日变化特征及生长发育规律,利用光响应曲线拟合,以期为农牧交错区春玉米丰产栽培和氮肥高效利用提供理论依据。以广德5号为研究对象,在2018年长期定位试验基础上,于2019,2020年分别测定分析了玉米抽雄—吐丝期穗位叶在N 0(N0,CK),120(N8),180(N12),240 (N16),300(N20),360(N24) kg/hm² 6个氮肥梯度下的SPAD值、胞间二氧化碳浓度、气孔导度、净光合速率、蒸腾速率日变化、光响应曲线及干物质积累规律。2 a结果表明,随着氮肥施用量的增加,玉米穗位叶SPAD值和净光合速率、蒸腾速率、气孔导度日变化呈先增加后降低的趋势,均以N16处理最高,且胞间二氧化碳浓度最低。净光合速率、蒸腾速率、气孔导度日变化均呈单峰曲线变化趋势。光响应曲线拟合分析得出,N16处理的最大净光合速率最高,2019,2020年N16处理分别比N0、N8、N12、N20、N24处理提高37.48%,29.51%,31.85%,18.17%,37.32%和80.04%,59.73%,50.30%,6.42%,62.51%。全株干物质及穗部干物质积累与最大净光合速率、SPAD值呈极显著正相关。综合分析得出,内蒙古西部地区最适宜的氮肥施用量为240 kg/hm²。

为探究黄淮地区适宜的磷肥施用方式,通过开展大田试验对4种磷肥施用方式(常规撒施(P1)、分层施(P2)、条施(P3)、穴施(P4)) 下玉米不同生育时期干物质积累量、根系形态指标、不同土层土壤速效磷含量及磷酸酶活性、玉米产量及其构成因素进行测定分析。结果表明,不同施磷方式下,P2、P4处理的穗长和行粒数较P1处理显著提高22.57%,16.81%和15.19%,7.60%,P2、P3、P4处理穗粒数较P1处理分别显著提高25.26%,13.86%,17.00%,但P2处理单位面积穗数较P1处理显著降低15.30%,最终P2、P4处理产量较P1分别显著提高15.20%,10.79%。根系性状中,施磷方式显著影响了根长、根表面积、根体积、根尖数,其中P2和P4处理的根长较P1处理显著提高30.41%,33.75%; P2处理根表面积相较于P1处理显著提高23.77%,P4处理根表面积相较于P1和P3处理显著提高29.60%,21.70%;P2和P4处理下的根体积和根尖数较P1和P3处理均显著提高。对土壤速效磷含量分析表明,三叶期10~20 cm的土层中,P2和P4处理速效磷含量较P1显著提高;成熟期,0~20 cm土层中P2、P3、P4处理土壤速效磷含量较P1处理发生不同程度降低,20~30 cm土层中P4处理较P1处理发生显著降低。相关性分析表明,三叶期10~20 cm土层中酸性磷酸酶活性与土壤速效磷含量呈显著正相关,P2和P4处理在该土层下酸性磷酸酶活性和土壤速效磷含量均较高,有利于土壤中的磷素转化为玉米可吸收态。综上所述,磷肥分层施和穴施较传统撒施能提高玉米生育前期土壤中磷素有效性,促进根系生长发育,进而提高夏玉米产量,为黄淮地区较适宜的玉米磷肥施用方式。

旨在探索不同浓度玉米赤霉烯酮(ZEN)对奶牛乳腺上皮细胞(MAC-T)生长和乳脂合成相关基因表达的影响。首先,用不同剂量ZEN处理MAC-T细胞36 h,血细胞计数板统计细胞数量,染色并分析细胞凋亡与坏死情况,筛选ZEN添加的合适剂量;接着,试剂盒检测ZEN对MAC-T细胞中活性氧(ROS)以及线粒体膜电位的影响;最后,利用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术,分析ZEN对MAC-T细胞增殖、凋亡、氧化应激和乳脂合成相关基因表达的影响。结果表明,低剂量ZEN(0.01~1.00 μmol/L)有促进MAC-T生长的趋势,而高剂量ZEN(5.00~10.00 μmol/L)显著降低MAC-T细胞数量;0.10 μmol/L ZEN对MAC-T中ROS和线粒体数量无明显影响,但10.00 μmol/L ZEN显著增加了MAC-T中ROS水平,降低了线粒体数量;RT-qPCR结果表明,0.10 μmol/L ZEN显著促进增殖基因(CDK1、CCND2)、抗氧化基因(DHODH、GPX4)和抗凋亡基因(BCL-2)表达,但同时提高了凋亡基因(CAS-3、BAX)表达量;10.00 μmol/L ZEN显著抑制增殖基因(PCNA、CDK1、CCND2)、抗氧化基因(DHODH、GPX4、AIFM2)和抗凋亡基因(BCL-2)表达,但显著促进凋亡基因(CAS-3、BAX)表达;值得注意的是,0.10 μmol/L ZEN显著促进了乳脂合成相关基因(PPARγ、FASN、JAK-2),但10.00 μmol/L ZEN显著抑制了这些基因表达。上述结果提示,不同浓度ZEN对MAC-T细胞的作用存在差异:0.10 μmol/L ZEN可以促进MAC-T细胞生长和乳脂合成相关基因表达的同时,也会诱导凋亡基因表达;10.00 μmol/L ZEN会诱导MAC-T细胞氧化应激、降低线粒体数量,抑制增殖、抗氧化、抗凋亡和乳脂合成相关基因表达,同时促进凋亡基因表达,导致细胞死亡。

为探究花丝对干旱胁迫的分子响应,以安农591和先玉335为材料,设置土壤含水量为80%田间持水量(CK)和60%田间持水量(DS)的2个处理,在玉米花丝伸长速增期取样,进行转录组测序。通过对比2个品种干旱组和对照组的基因表达差异,明确玉米花丝响应干旱的关键通路和相关候选基因。结果表明:苯丙烷类生物合成途径(ko00940)和淀粉和蔗糖代谢途径(ko00500)为玉米花丝响应干旱的关键通路。在苯丙烷类生物合成途径通路中编码4-香豆酸-辅酶A连接酶(4CL)、肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)、肉桂醇脱氢酶(CAD)和过氧化物酶(POD)的基因在干旱的玉米花丝中低表达。相关分析表明,编码4CL、CCR、CAD和POD的基因下调与木质素含量降低有关。在淀粉和蔗糖代谢途径中转化酶和蔗糖合酶基因在干旱的玉米花丝中低表达;相关分析表明,转化酶和蔗糖合酶基因下调与蔗糖代谢有关。综上所述,本研究确定了参与蔗糖和木质素代谢的关键基因和代谢物,木质素合成可能与玉米花丝耐旱相关,4CL、CCR、CAD和POD是木质素合成通路中玉米花丝耐旱的候选基因;此外,淀粉和蔗糖代谢途径可能与花丝伸长和花丝耐旱有关,转化酶和蔗糖合酶可能是调控花丝耐旱的关键酶。

为探讨玉米应对不同滴灌定额的生理响应机制,在控制条件下开展2 a池栽试验,以2个具有耐旱性差异的玉米品种为材料,设置CK1(耐旱型品种、500 mm)、T1(耐旱型品种、350 mm)、T2(耐旱型品种、200 mm)、CK2(干旱敏感型品种、500 mm)、T3(干旱敏感型品种、350 mm)和T4(干旱敏感型品种、200 mm)6个处理,分析玉米叶片光合、叶绿素荧光、光合响应特性及籽粒灌浆特性、籽粒中激素含量、淀粉合成酶活性、产量的变化。结果显示,随滴灌定额减少玉米R3期叶片净光合速率(Pn)等4项光合参数、光系统Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)等4项叶绿素荧光参数均呈下降趋势,气孔限制百分率(Ls)和非光化学猝灭系数(NPQ)呈增加趋势。玉米叶片表观量子效率(AQE)等10项光合响应相关参数均随滴灌定额减少而下降,CK1、T1与CK2处理光补偿点(LCP)与光饱和点(LSP)、CO₂补偿点(CCP)与CO₂饱和点(CSP)间差值范围较其他处理大。籽粒灌浆速率在开花后25 d达到峰值,T2和T4处理较CK1和CK2处理显著下降。随滴灌定额减少籽粒中细胞分裂素(CTK)、生长素(IAA)含量下降,脱落酸(ABA)含量增加。T2和T4处理籽粒中酸性蔗糖转化酶、蔗糖合酶、淀粉合成酶与腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性均较CK1和CK2处理显著下降。玉米产量随滴灌定额减少而显著下降,T1处理较CK1处理仅下降3.45%~4.51%。T1处理与CK1和CK2处理在上述指标间均无显著差异。采用T1处理的玉米叶片仍能维持光合性能和光系统Ⅱ结构,增强叶片对光与CO₂适应能力,玉米籽粒相关激素含量和淀粉合成相关酶活性增加,有效调控了籽粒生长发育及灌浆进程,玉米产量及其构成因素均表现较佳。

为研究淹水对苗期玉米不同类型根的形态结构和活力的影响,选择代表性玉米品种郑单958(耐涝性强)和蠡玉16(耐涝性弱)为试验材料,在三叶期分别淹水2,4,6,8 d,以不淹水为对照(CK),比较玉米胚根和不定根形态特征及活力对淹水胁迫的响应差异。结果表明,淹水2 d后,玉米初生胚根、次生胚根和不定根的根长、根表面积、根体积、根尖数、根分叉数高于对照,随着淹水时长增加,这些指标显著降低,但根平均直径显著升高,新生不定根形态指标明显优于对照,其中根长和根尖数受淹水伤害最大。淹水后不定根层数和数量增多、角度增大。随淹水时间的延长,除第1层不定根干质量外,郑单958初生胚根、次生胚根和第2层不定根干质量先升高后降低,而蠡玉16一直降低。根冠比随着淹水时间的延长表现为先增大后减小。淹水显著降低初生胚根和次生胚根的根系活力,不定根可以维持4~6 d。淹水对不同类型根的影响表现为初生胚根>次生胚根>不定根,不同品种根系特征对淹水胁迫的响应规律不同。抗涝品种淹水8 d后不定根根系活力和根冠比开始下调。

旨在研究不同磷钾肥施用方法对东北半干旱区滴灌玉米生长发育、磷钾养分吸收和利用及产量的影响,明确滴灌玉米磷钾滴施时期和次数,为东北半干旱区玉米磷钾滴灌施肥技术提供理论依据。2018—2019年在吉林松原,以翔玉998为试验材料,设置P0(不施磷处理)、K0(不施钾处理)、P1(磷肥100%基施、钾肥50%基施,50%钾肥分3次追施)、K1(钾肥100%基施、50%磷肥基施,50%磷肥分4次追施)、P1K1(磷钾肥100%基施处理)和P4K3(50%磷钾肥基施,剩余50%磷肥分4次追施、50%钾肥分3次追施)6个处理。结果表明:磷肥分次滴施(P4K3)处理与P1相比,玉米产量提高4.2%,成熟期干物质积累量提高6.8%(P<0.05),花后磷素积累增加33.3%(P<0.05),显著提高磷肥当季回收率21.6百分点和磷肥农学效率28.5%。钾肥分次滴施(P4K3)处理与钾肥一次基施(K1)处理相比,玉米产量提高3.5%,成熟期干物质积累量提高5.1%(P<0.05),钾肥当季回收率和钾肥农学效率分别显著提高了14.9百分点和53.5%;磷钾分次滴施处理与磷钾一次性基施相比,玉米产量提高5.0%,花后磷素吸收量增加26.3%,磷肥当季回收率和农学效率分别提高19.5百分点和32.6%;钾肥当季回收率和农学效率分别提高15.2百分点和95.5%。在滴灌条件下,磷钾肥分次滴施不仅有利于提高玉米产量,还可以促进花后养分吸收、提高养分利用率。综合考虑,磷钾分次滴施(P4K3)处理是较为适宜大田生产的滴灌施肥技术。

为明确灌水量对玉米生产的影响,以郑单958为试验材料,以本地区多年来参考作物平均需水量(ET0)为基础,于2020,2021年在旱棚条件下设置T1(60%ET0)、T2(80%ET0)、T3(100%ET0)、T4(120%ET0)、T5(140%ET0)、T6(160%ET0)、T7(180%ET0)、T8(200%ET0)共计8种灌水处理,分析了灌水对玉米产量及构成、植株理化性状的影响。结果表明:增加灌水,玉米产量及构成、穗长、籽粒干物质分配比例、自由水含量、株高、穗位、穗高系数、光合势及结实率表现为增加趋势,其中产量和穗粒数随着灌水的增加显著增加,而叶片和穗轴中物质分配比例表现为下降趋势。高水处理(T5~T8)下VT与R6期玉米叶片的叶绿素、水势变化率较小,处理间株高、穗位高无显著差异,穗高系数稳定。与T3相比,灌水量减少20%和40%可引起产量显著下降,而增加同比例灌水,玉米产量变化低于减少灌水后的产量降低值,该条件下的结实率变化与产量变化一致,而供水效率随着灌水的增加而降低,灌水量超过T6处理的供水效率下降超过20%。相关分析表明,玉米产量与叶片叶绿素含量、开花期水势及含水量无显著相关性,与其他因素存在显著或极显著相关关系,因此,玉米可通过灌水改善穗部性状、籽粒干物质分配比例及植株发育理化性状等实现产量提升,在本区域生育期平均需水量基础上增加灌水40%~60%可实现产量和效率最大化。

播期调整是直接有效减缓气候变化对农业负面影响的重要措施,为了揭示播期变化对作物产量形成的影响机制,在华北北部的河北固城农业气象国家野外科学观测研究站,于2019—2021年设置早播10 d、晚播10 d、晚播20 d和正常播期4个播期,进行了夏玉米同一品种播期调整的大田试验,监测其生育期变化、植株干物质累积、叶片光合特性和籽粒灌浆特征,以及成熟期取样测定产量构成等要素。结果表明:夏玉米播期提前,苗期、穗期及全生育期延长,尤其有效灌浆持续日数随播期提前而延长,播期每提前10 d有效灌浆持续日数延长4.7 d,播期提前10 d平均灌浆速率比对照和晚播10,20 d的平均偏高4.04%,籽粒灌浆、累积增加,百粒质量提高5.459 g。夏玉米穗粒数、穗粒质量、百粒质量等主要产量构成要素在不同播期间存在显著差异,且随播期提前而递增,在6月8日—7月8日试验期理论产量随播期每提前10 d增产速率为1 395.4 kg/hm²。夏玉米关键生育期平均叶片净光合速率(Pn)随播期每提前10 d提高0.764 μmol/(m²·s),播期提前10 d比对照和晚播10,20 d的平均Pn提高7.31%。光合速率提高使得干物质生产、积累及向籽粒转运量增加,穗粒质量、百粒质量分别比对照和晚播10,20 d的平均偏高24.01%,18.00%。播期提前,株高低,茎秆粗壮,抗倒伏,个体绿叶面积大,群体叶面积指数(LAI)高,叶片光合作用能力高,播期每提前10 d成熟期地上干物质分配率:籽粒质量递增率2.26%,植株营养器官—果穗籽粒间干物质的源—库分配关系改变,穗粒质量、百粒质量提高和籽粒增产。研究认为:华北地区冬小麦—夏玉米一年两熟区充分利用气候变暖增加的热量资源,合理调配茬口,夏玉米适期早播,延长生育期和籽粒灌浆时间,可有效提高单产。

探明秸秆深翻还田年限对西辽河平原连作玉米田土壤细菌群落的影响,为持续秸秆还田培肥地力提供理论指导。以玉米秸秆离田为对照(CK),基于细菌16S rDNA V3~V4区高通量测序技术,结合生物信息学,分析持续秸秆还田2(SR2),5(SR5),10 a(SR10)玉米田0~20 cm和20~40 cm 2个土层有机质、氮素养分、土壤细菌群落结构及多样性变化特征。结果表明,SR2土壤有机质和氮素养分含量与CK差异不显著,而SR5和SR10显著提高土壤有机质和氮素养分含量;不同秸秆还田年限下,土壤细菌多样性存在差异且都有独有的OTU,其中SR10 OTU数目最多;Alpha多样性指数表明,土壤细菌群落的相对丰度和多样性2个土层均为SR2与CK差异不显著,SR5和SR10显著增加,且SR10与CK差异最大;在门水平上共获得51个细菌类群,相对丰度>5%的细菌门包括放线菌门、变形菌门、酸杆菌门、泉古菌门、绿弯菌门,且变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门的相对丰度随还田年限的增加而提升。RDA聚类分析表明,土壤细菌群落结构0~20 cm土层SR2与CK相似,SR5与SR10群落较为相似;20~40 cm土层,不同秸秆还田年限各处理均与CK存在差异,SR2与SR5群落结构相似,SR10与SR5、SR2群落结构差异均较大。土壤硝态氮、铵态氮、有机质和全氮含量对细菌菌群均有影响,表现为土壤硝态氮>铵态氮>有机质>全氮。持续秸秆还田2 a的土壤有机质和氮素养分含量与CK相比差异不显著,持续秸秆还田5,10 a显著提高。综上,细菌微生物多样性和丰富度在持续秸秆还田2 a 0~20 cm和20~40 cm土层均变化甚微,持续秸秆还田5,10 a后 2个土层均显著增加;细菌群落结构0~20 cm土层持续秸秆还田2 a与CK相似,20~40 cm土层持续秸秆还田2,5,10 a均改变了细菌菌群结构。

碱性亮氨酸拉链(bZIP)转录因子蛋白是一类在动植物及微生物中结构和功能均具有保守性的转录调控因子,为明确bZIP类转录因子在植物病原真菌中的功能及作用机制,进一步确定其与病菌生长发育及致病性的关系,以玉米大斑病菌01-23为材料克隆得到了StbZIP9基因(GenBank No.XM_008032179.1),StbZIP9是bZIP转录因子家族成员之一,对该基因结构及蛋白质特征分析结果显示,该基因全长788 bp,开放阅读框为726 bp,编码241个氨基酸,其编码蛋白包含一个在真菌中高度保守的同源结构域BRLZ;对该基因在病菌生长发育及侵染宿主过程的RNA-seq数据进行分析,发现与菌丝时期相比StbZIP9在附着胞和芽管时期表达量升高2~4倍,在侵染玉米叶片24,72 h后基因表达从无到有且持续升高,表明StbZIP9与附着胞发育和芽管形成相关联并在病菌侵染宿主细胞过程中发挥重要作用;进一步利用生物信息学技术预测其结合保守基序及调控的靶基因,结合基序为NNTWACGTNN,包含bZIP 类转录因子识别核心序列ACGT,并根据该序列预测StbZIP9下游靶基因,结合RNA-seq数据进行表达模式分析得到4个下游靶基因(JGI数据库中蛋白ID分别为:132893、163024、162798、40466),功能注释表明,其参与细胞壁组分聚合和运输、侵染宿主、孢子休眠等多种生物过程。为进一步阐明其在参与调控病菌侵染寄主的分子机制提供依据。

12-氧-植物二烯酸还原酶(OPR)为黄素单核苷酸(FMN)依赖的氧化还原酶,是合成茉莉酸的关键酶,其对植物生长发育及防御调控具有重要作用。为研究OPR基因在玉米中的抗病作用,利用生物信息学方法,在31个玉米不同自交系中对OPR家族成员进行鉴定,并分析受玉米大斑病菌侵染后的表达规律。结果表明,在玉米B73品系中鉴定出了8个OPR基因,这些基因不均匀地分布于7条染色体上,且其表达蛋白富含酸性氨基酸。进一步分析发现,玉米OPR家族只有1种结构域Oxidored_FMN,并且所有成员均包含已鉴定的10个蛋白质保守基序。利用MEGA软件对玉米、小麦、水稻和拟南芥的OPR家族成员进行系统发育关系分析,发现这些植物OPR基因家族进化关系具有明显差异,其中玉米和水稻的进化关系最为接近。运用OrthoFinder软件对其同源组分析发现,玉米OPR基因家族具有高度保守性,所有OPR基因均为核心基因,但其功能略有差别。进一步利用河北省植物生理与分子病理学重点实验室前期的RNA-seq数据,对玉米B73 品系OPR基因响应大斑病菌侵染的表达模式进行分析,并通过qRT-PCR对基因表达模式进行验证,发现这些基因在病菌侵染玉米过程中呈现3种不同的表达模式。本研究系统的鉴定了玉米泛基因组OPR家族基因,以及确定了其在应对玉米大斑病菌侵染后的表达模式。

bZIP转录因子广泛存在于植物中,在调节植物生长发育和非生物胁迫应答中起着重要作用。为探究bZIP转录因子在玉米干旱胁迫响应中的功能,在玉米苗期干旱胁迫处理5 d和复水3 d时,利用转录组测序技术对转录因子基因的表达变化进行分析,筛选到一个响应干旱和复水处理的bZIP转录因子(ZmbZIP26),共表达网络分析发现,ZmbZIP26处于网络调节的核心节点位置。ZmbZIP26基因含有558 bp的开放阅读框,编码185个氨基酸,属于亲水性蛋白。蛋白质进化树及保守序列分析发现,ZmbZIP26蛋白与高粱和芒草同源蛋白的同源性较高,而且在同一氨基酸位置上的保守基序相同。启动子顺式作用元件分析表明,ATG上游2 000 bp区域内含有干旱响应元件、激素响应元件和光响应元件等。qRT-PCR分析发现,ZmbZIP26是组成型表达基因,在幼茎、雌穗和根中高表达,且ZmbZIP26基因积极响应干旱、高温、高盐、氮胁迫及恢复正常的过程,可能在植物的抗逆过程中发挥着重要作用。亚细胞定位分析发现,ZmbZIP26属于核蛋白,定位在细胞核上。蛋白质互作预测发现,ZmbZIP26可能与锌指蛋白、丝氨酸蛋白、钙依赖性蛋白、谷胱甘肽转移蛋白等互作构建了一张调控网络,协同调控玉米生长发育和胁迫应答过程。

玉米籽粒发育时期对高温胁迫十分敏感,严重影响玉米的产量和品质。为研究不同耐高温玉米自交系籽粒响应高温胁迫的基因表达差异,在基因水平解析不同玉米种质响应高温胁迫的分子机制,以前期筛选的耐高温自交系XN202和敏感自交系CT110为材料,利用RNA-Seq技术挖掘正常和高温胁迫下授粉后15 d玉米籽粒的差异表达基因(DEG)。与对照相比,XN202和CT110分别检测到1 517,1 012个DEGs,共同的DEGs有142个,包含7个转录因子。不同耐高温玉米自交系的籽粒对高温胁迫的响应存在明显差异,通过基因本体(GO)功能注释和全基因组及代谢途径数据库(KEGG)信号通路富集分析筛选出DNA复制、核小体、微小染色体维持复合物、DNA引物酶-多聚酶α复合体、营养库活性、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等共同参与响应高温胁迫的应答过程。通过生物信息学分析,共有374个DEGs位于已报道的玉米耐高温相关性状QTL区间,其中42个DEGs为已报道的耐高温相关基因。综上所述,高温胁迫下玉米籽粒会形成复杂的细胞保护和防御系统,AP2/ERF、MYB、bHLH、NAC、HSF、HSP等耐高温相关的DEGs可能在分子调控网络中发挥重要作用。

谷胱甘肽硫转移酶基因(GST)可以参与植物应对非生物胁迫的过程。为了解ZmGST在玉米中响应盐和干旱胁迫的能力,以玉米自交系CA66为材料,通过RT-PCR克隆获得ZmGST基因并对该基因进行了生物信息学分析,通过实时荧光定量分析该基因在玉米不同组织以及在模拟干旱和盐胁迫下的相对表达量,构建原核表达载体后进行干旱和盐处理。结果表明,ZmGST基因CDS序列全长为384 bp,编码127 个氨基酸,生物信息学分析结果表明,该基因属于Tau家族,为亲水不稳定蛋白,不存在跨膜结构,存在12 个磷酸化修饰位点,未发现有信号肽,为非分泌型蛋白,亚细胞定位预测ZmGST位于细胞核和细胞质。同源序列结果表明,ZmGST与高粱的亲缘关系最近,与ZmGSTU14基因相似度最高。启动子分析结果发现,含有TC-rich repeats等元件,参与防御和应激反应。实时荧光定量结果显示,ZmGST基因在玉米根中的表达量最高,并受盐胁迫诱导上调表达,在处理24 h 后达到最高。在原核水平的盐和干旱胁迫结果显示,重组质粒pET28a-ZmGST的大肠杆菌菌体在不同盐浓度的培养基中均能正常生长,模拟干旱被抑制。推测ZmGST基因在玉米响应盐胁迫方面有重要作用。

为探明内蒙古不同生态条件下氮肥施用量对玉米关键生育期干物质、氮素积累分配特点及对产量及其构成因素的影响,于2021年在内蒙古包头市土默特右旗、赤峰市松山区喀喇沁旗和巴彦淖尔市五原县3个生态区进行试验。以玉米品种先玉335、郑单958和京科968为试验材料,研究施氮量对玉米不同器官干物质和氮素积累、分配、转运及产量形成的影响。结果表明,生态区和氮肥互作对玉米干物质积累与分配、氮素积累与分配、产量及其构成因素有极显著影响。不同生态区玉米品种各器官干物质所占比重有差异,依次为籽粒>茎秆>苞叶+穗轴>叶片,差异主要表现在吐丝-成熟期阶段。N2水平下,先玉335具有较高的花前干物质积累量,郑单958具有较高的花后干物质积累量。N1水平下,京科968茎秆转运量、茎秆转运率、茎秆贡献率表现较好。不同氮效率玉米品种氮素积累量均随着生育期的推进呈现递增趋势。成熟期氮素在各器官分布表现为籽粒>叶片>苞叶+穗轴>茎秆。不同生态区玉米产量表现为喀喇沁旗>五原县>土默特右旗。土默特右旗N0水平下,产量表现为先玉335>京科968>郑单958;N1与N2水平下,产量表现为郑单958 >京科968>先玉335。五原县与喀喇沁旗在不同氮水平下,产量均表现为郑单958>京科968>先玉335,且品种间差异显著(P<0.05)。可见,氮肥水平对先玉335干物质积累的响应在五原县和土默特右旗较好,京科968和郑单958干物质积累的响应在喀喇沁旗较好。与京科968相比,先玉335、郑单958在生育后期能够更充分的利用氮肥。

为明确氮素供应对土壤养分特征及夏玉米氮、磷、钾养分吸收利用差异的影响。在上茬冬小麦施氮量240 kg/hm²的大田条件下,夏玉米季设置4 个施氮水平(N0:不施氮;N1:90 kg/hm²;N2:195 kg/hm²;N3:300 kg/hm²),以仓玉76品种为材料,通过对地上部茎秆、叶片、穗轴干质量、土壤速效养分、植株不同器官氮磷钾含量及累积量、氮素利用效率和籽粒产量的测定与计算,研究施氮量对不同性状的影响及相关关系。结果表明:在施氮0~195 kg/hm²,茎、叶、穗轴干质量随氮量增加而上升;增加施氮量显著提高0~20 cm,20~40 cm的土壤硝态氮含量;相同土层速效磷、钾影响无显著变化。不同施氮量下,茎、叶、穗轴和籽粒的氮含量、植株氮累积量存在显著差异,其中籽粒氮累积量占植株地上部氮素总累积量的59.4%~63.5%;施氮量对茎、叶、穗轴和籽粒的磷钾含量影响较小,植株磷钾累积量受干质量的正调控;氮素投入超过195 kg/hm²,氮肥农学效率显著降低。采用直线加平台模型模拟产量与施氮量的关系表明,施氮量高于189 kg/hm²,籽粒产量不再增加。因此,兼顾经济效益与农业生态效益,结合试验和模型模拟结果,最优氮素投入量控制在189~195 kg/hm²。

为探讨东北典型黑土种植密度与钾肥用量对玉米干物质积累转运、产量及钾素利用效率的影响,在吉林省公主岭市,通过连续2 a定位试验,研究了不同密度(D1:5.5×10⁴株/hm²,D2:7.0×10⁴株/hm²,D3:8.5×10⁴株/hm²)和钾肥用量(K0、K40、K80、K120和K160)对玉米干物质积累转运、钾素利用效率及产量的影响。结果表明,种植密度和钾肥用量的交互作用对玉米干物质积累的影响达到显著或极显著水平,其中D2密度下K120处理干物质最大积累速率和平均积累速率均为最高,并且干物质转运量和转运贡献率维持在较高水平。相同密度下,钾素回收率、农学利用率和偏生产力均随施钾量增加呈下降趋势,相同施钾量下均以D2密度最高。相同施钾量下,玉米产量以D2密度最高,2 a玉米平均产量较D1和D3分别提高6.9%,3.0%,相同密度下,施钾均显著提高了玉米产量,其中D1密度下施钾量增至80 kg/hm²后增幅不再显著;D2和D3密度下施钾量增至120 kg/hm²后增幅不再显著。通过线性加平台模型得出,D1、D2和D3密度下适宜施钾范围分别为72~80 kg/hm²,104~115 kg/hm²,105~116 kg/hm²。而D2处理钾肥用量在较D1处理提高44.5%以及与D3处理相持平条件下,玉米产量分别提高9.8%,3.2%。钾素回收率分别提高4.1,4.9百分点。综上,在东北典型黑土区,以玉米种植密度70 000 株/hm²,钾肥用量104~115 kg/hm²较为适宜。

研究氮锌配施下夏玉米籽粒矿质元素含量的变化,为玉米生产上氮锌肥的合理施用提供参考。采用大田小区试验,以郑单958和谷神玉66为材料,设置90,180,225 kg/hm²等3个施氮水平和不喷锌、苗期和拔节期1∶1喷锌、拔节期和大口期1∶1喷锌、大口期喷锌等4个喷锌处理,分析氮锌配施对夏玉米籽粒产量、矿质元素含量和累积量的影响。结果表明,施氮量超过180 kg/hm²,籽粒产量显著下降,而籽粒中Ca、Cu、Fe、Zn含量以及Cu和Fe累积量显著增加,施氮量为180 kg/hm²,N含量和P、K、Mg含量分别达最高和最低;拔节期和大口期1∶1喷锌和大口期喷锌2个处理均能显著提高籽粒产量、N和Zn含量以及N、Mg、Zn、B和Na累积量,但降低了P、K、Ca、B和Na含量;与谷神玉66相比,郑单958产量平均提高了19.3%,且籽粒中K和Fe含量以及K、Ca、B和Na累积量也显著提高。籽粒产量与大多矿质元素含量呈极显著负相关,除Ca与Mg和Zn相关性不显著外,籽粒中Ca、Mg、Cu、Mn、Fe、Zn和B含量之间均达显著或极显著正相关,Zn与N、Mg含量的回归关系均达显著或极显著水平。总之,施用氮肥180 kg/hm²,结合拔节期大口期1∶1叶面喷施锌肥4.5 kg/hm²,能够使玉米籽粒高产稳产,并同步提高籽粒中N和Zn含量及其他矿质元素累积量,达到籽粒产量和矿质元素营养品质同步提高的目的,可在大田中进行推广应用。

前期通过矮秆高粱和本地玉米远缘杂交成功选育出矮秆dwarf-12,经过前人研究该矮秆基因可能由br2控制,由于无不良性状,为了利用、发掘优良的矮秆自交系,又将dwarf-12和本地白玉米杂交,选育出优良矮秆自交系d8227,前人将得到的矮秆玉米材料d8227经过与不同高度的玉米组合,鉴定出具有较好的配合力,为增加矮秆玉米种质资源,提高玉米产量,对其进行深入的研究。以d8227和dwarf-12为研究材料,比较矮秆亲本和子代之间的主要农艺性状差异,观察茎秆细胞学差异;用d8227和4个不同背景自交系进行遗传交配设计,分析矮秆基因的遗传模式;构建定位群体,用BSA方法,进行高通量测序,对矮秆基因进行初步定位,并对定位区间已知的矮秆材料进行等位性鉴定,明确目标基因与已知基因的关系。结果表明,d8227株高比亲本株高增加9.35%,穗位增加31.50%,d8227叶片减少,茎节长度增加,d8227的穗质量、行粒数、百粒质量、穗长、粒深比dwarf-12增加52.21%,5.26%,23.76%,6.93%,12.02%;利用石蜡切片方法,用显微镜观察d8227和dwarf-12穗上、穗位、穗下的横切、纵切细胞特征,d8227纵切细胞排列松散,细胞明显伸长;dwarf-12细胞排列有规则、紧凑,经过测量细胞面积,d8227穗位、穗下细胞面积显著高于dwarf-12,这主要是由于d8227细胞伸长导致。通过遗传分析,矮秆基因为隐性单基因,基因初步定位,将矮秆基因定位于1号染色体190~215 Mb,选取区间已经定位的矮秆玉米进行等位性鉴定,2 a种植结果表明,d8227与123d、Na360不是等位基因,可能与125d、123d为等位基因,需要后续精细定位和深入研究。综合来看,d8227是一个性状优良的中等矮秆材料,具有育种潜力,但还需进行精细定位等深入研究来判断其利用价值。

为将雄性不育基因应用于甜玉米杂交制种中,达到降低劳动成本且保证种子纯度的目的。以来源于甜玉米自交系K78的雄性不育自发突变体male sterility 2020 (ms2020)为材料,构建ms2020与甜玉米自交系M08的F₁及相应的F₂遗传群体,通过表型鉴定、遗传分析和基因定位研究ms2020甜玉米雄性不育突变体。表型鉴定结果表明:F₁群体均表现为雄性可育,F₂群体出现了育性分离。不育植株能够正常抽雄,但花药不开裂、散粉异常,花药变小且颜色淡黄;1% I₂-KI染色发现不育植株的花药内包含不能正常着色的败育花粉粒。遗传分析结果表明:育性正常植株与不育植株的比例符合3∶1,表明ms2020雄性不育突变体是由单基因控制的隐性突变体。利用BSA技术,初步将目的基因定位在7号染色体短臂上;随后利用初定位区间内的20对SSR标记对不育基因进行定位,将不育基因精细定位在标记S1和W10之间,物理距离为11.30 kb。该区间内包含Zm00001d018802和Zm00001d018803 2个注释基因;通过候选基因功能分析,推测已报道为玉米雄性不育基因的编码谷氧还蛋白的Zm00001d018802 (ZmMs22/ZmMSCA1)基因可能是导致ms2020雄性不育的关键候选基因。本研究鉴定了ms2020甜玉米雄性不育突变体的败育特征和遗传特性,为甜玉米雄性不育化杂交制种提供了材料;同时,本研究定位到突变体的关键候选基因,为进一步解析其雄性不育的分子机制奠定了基础。

针对华北地区冬小麦-夏玉米轮作区氮肥用量大、损失严重而控释尿素成本高、推广难的问题,基于3 a 6季冬小麦-夏玉米轮作田间定位试验,探究不同减氮条件下普通尿素配施控释尿素对氮素利用的影响,以期在前期明确控释尿素与普通尿素适宜配比的基础上进一步优化施氮量,进而为华北冬小麦-夏玉米轮作区化学氮肥减量增效和控释尿素的推广应用提供技术参考。试验设置6个处理:不施氮(CK)、农民习惯施氮(FH,冬小麦季施氮270 kg/hm²,夏玉米季施氮240 kg/hm²,基追比为1∶1)和不同减氮条件下配施控释尿素的处理(N1、N2、N3和N4:冬小麦季分别施氮243,216,189,162 kg/hm²,其中控释氮占40%;夏玉米季分别施氮216,192,168,144 kg/hm²,其中控释氮占30%;均一次性基施)。结果表明:与FH处理相比,仅N1处理可实现冬小麦和夏玉米的连年增产增收,可使冬小麦在2017-2018年,2019-2020年分别显著增产4.0%,5.4%,即使在2018-2019年其他减氮处理均减产的情况下仍可增产1.6%;可使各年夏玉米青贮产量显著增加,平均增产10.9%;各季作物收获后0~100 cm,60~100 cm土层土壤无机氮积累量较FH显著降低,6季作物累计氮素利用率较FH提高11.3百分点。在减氮10%条件下按适宜比例配施控释尿素(即:冬小麦季施氮243 kg/hm²,配施40%控释氮;夏玉米季施氮216 kg/hm²,配施30%控释氮)可提高小麦-玉米轮作中的作物产量和累计氮肥利用率,并减少土壤无机氮素的累积和淋失。

高转录活性籽粒特异性启动子可调控目的基因在植物籽粒中特异性、高水平表达。为发掘玉米籽粒特异性启动子,以公开发表的玉米表达谱芯片数据为切入点,筛选出籽粒优势表达基因GRMZM2G006585,克隆其编码区上游约2 000 bp的DNA序列,命名为PZm2G006585。利用在线网站New PLACE和PlantCARE对其进行启动子顺式作用元件分析,发现其含有E-box、P-box等多个籽粒特异性相关元件,初步认为所克隆编码区上游序列为玉米来源的籽粒特异性启动子。为验证其功能,构建该启动子驱动β-葡萄糖苷酸酶基因(GUS)的表达载体并进行植物遗传转化。转基因水稻的GUS组织化学染色结果表明,该启动子驱动外源基因表达模式为籽粒特异、胚优势表达;转基因拟南芥单拷贝株系T₃种子中GUS活性检测结果显示,PZm2G006585驱动的GUS活性为909.52 nmol/(min·mg)。籽粒特异性启动子PZm2G006585的发掘和功能验证为驱动目标基因在玉米、水稻等单子叶植物籽粒中特异性表达提供了候选启动子资源。

为深入探究甜玉米果皮厚度发育的分子机制,利用华南农业大学甜玉米课题组选育的果皮厚度差异较大的甜玉米自交系M03和M08为试验材料,对其授粉后15,19,23 d的果皮进行转录组测序。联合差异表达基因分析与加权基因共表达网络(WGCNA)分析,鉴定甜玉米乳熟期果皮厚度相关的共表达基因模块,根据模块内基因的连接度鉴定核心基因,利用qRT-PCR验证核心基因表达量的可靠性。比较M03和M08不同时期果皮转录组数据共筛选出4 748个差异表达基因(DEGs),DEGs主要富集到碳水化合物代谢过程、植物-病原体相互作用、植物MAPK信号通路。WGCNA分析共构建了18个共表达模块,通过筛选得到4个具有生物学意义且与果皮厚度显著相关(相关系数的绝对值>0.60)的特异性共表达模块,分别是Turquoise、Yellow、Magenta和Pink模块。GO和KEGG功能富集分析结果均表明,特异性模块富集到的天冬氨酸、丙氨酸和谷氨酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢以及植物MAPK信号通路在甜玉米果皮厚度发育中具有重要的作用。选取连接度最高的前20个基因进行核心基因筛选,通过基因功能注释最终筛选到包括MYB转录因子、细胞周期蛋白(CYC15)、β-淀粉酶、细胞凋亡调节基因(BCL-2)在内的13个核心基因。以核心基因为节点构建的共表达网络中还包括生长素转录因子(ARF、AUX/IAA)、乙烯反应元件结合因子(ERF)、亮氨酸拉链(bZIP)等转录因子,功能预测表明,这些基因可能在甜玉米果皮厚度调控中发挥重要作用。

播期和密度是影响玉米产量的2个关键因素。为明确不同玉米品种在黄淮海地区对夏播播期和密度的响应特征,以中农大788和科河699为试验材料,设置6月10日、17日、24日3个播期,以及67 500(A),75 000(B),82 500(C)株/hm² 3个播种密度,调查其生育进程、形态指标、产量及产量构成因素。结果表明,随着播期推迟,玉米吐丝前的生育进程加快,籽粒灌浆期延长,第3播期(6月24日)的籽粒无法正常成熟。晚播(第3播期)相较于早播(第1播期即6月10日),中农大788穗位高和科河699株高、穗位高均显著增加,2个品种茎粗均显著减小;2个品种空秆率和倒伏率均随播期推迟而增加;中农大788主要由于千粒质量降低,导致产量降低21.8%,科河699穗数、穗粒数、千粒质量均显著降低,导致减产41.3%。密度C较密度A,2个品种株高、穗位高、空秆率、倒伏率均显著增加,茎粗则显著减小。中农大788在密度B获得最大产量且显著高于密度A,分别为12 450,11 097 kg/hm²。随密度增加科河699空秆率增加,导致穗数并未显著增加,穗粒数减少,密度C较密度A产量显著降低,分别为7 548,9 464 kg/hm²。播期密度互作仅对倒伏率有极显著影响,对植株形态指标、空秆率、产量及产量构成因素影响不显著。综合来看,中农大788平均产量高于科河699,前者在晚播和高密条件下空秆和倒伏率低,产量更稳定。实际生产中,夏玉米应尽量早播,晚播可通过选择适宜的品种减少产量损失,选育耐密品种是增密增产的关键。

麦根腐平脐蠕孢是玉米根腐病的重要病原菌之一,旨为建立一种基于环介导等温扩增技术(LAMP)的麦根腐平脐蠕孢快速检测方法。首先,根据麦根腐平脐蠕孢参与黑色素生物合成途径的Brn1基因部分序列设计了一套LAMP检测引物;然后,针对该引物组筛选了其最佳反应温度,检测了LAMP反应的特异性和灵敏度,并以人工接种麦根腐平脐蠕孢的玉米根腐病病株为样本评价了LAMP检测方法的效果。结果表明,本研究设计的引物组在61~68 ℃条件下均能实现对靶标基因的扩增,其中以66 ℃为最佳反应温度;在特异性检测中,引物组能从10种分离自玉米根腐病样本的主要病原真菌DNA中特异性地检测出麦根腐平脐蠕孢;在灵敏度检测中,对携带靶基因Brn1的质粒DNA最低检测限是10 copies/μL,在此检测限浓度下,25 min左右即可实现扩增;在对玉米根腐病样本检测中,在1 pg/μL的玉米根组织DNA中即可检测出麦根腐平脐蠕孢。建立的麦根腐平脐蠕孢LAMP检测方法具有较强的特异性和较高的灵敏度。

为了挖掘雄性不育种质资源,鉴定雄性育性基因,为玉米雄性不育化制种提供基础材料。以玉米雄性不育突变体x50为试验材料,研究突变体雄性不育表型,构建x50与自交系Mo17的F₁和F₂群体,确定突变体x50雄性不育性状的遗传模式。以F₂群体为材料,应用图位克隆技术定位雄性育性基因X50,通过基因等位性测验确定候选基因。结果显示,与野生型相比,雄性不育突变体x50花药不能从颖壳露出,花药体积较小且萎蔫,无成熟花粉粒形成。F₁群体植株均表现为雄性可育,F₂群体植株出现雄性育性分离,可育植株与不育植株分离比例符合3∶1,说明突变体x50不育性状受1对隐性核基因控制。通过图位克隆方法将雄性育性基因X50定位于玉米第2染色体分子标记2-4901与2-4963之间,物理区间为237.42~241.39 Mb。定位区间内候选基因分析发现,区间存在玉米雄性不育基因ZmMs33。以ms33纯合突变体ms33-6029和ms33-6052分别与x50杂合型+/x50杂交,杂交后代可育植株与不育植株分离比例符合1∶1,表明x50是ZmMs33基因一个等位突变体。玉米雄性不育突变体x50的鉴定为玉米杂交种子生产和ZmMs33基因功能研究提供了种质材料。

玉米叶长和叶面积是重要的农艺性状,为解析玉米穗三叶叶长和叶面积的遗传机制,以郑58和D863F及其杂交构建的241个RIL家系为材料,在2018,2019年春播和夏播环境下分别进行QTL定位分析。结果表明:玉米穗三叶叶长和叶面积在RIL群体中表现出连续变异,呈正态分布,属于典型的数量性状,性状间呈极显著相关,且广义遗传力分别为88.04%,88.45%,87.86%,85.04%,85.27%和85.73%。2 a共检测到23个QTL,其中控制叶长的QTL 14个,控制叶面积的QTL 9个,分布于玉米的第1,2,4,5,6,8染色体上,单个QTL的表型贡献率为5.84%~17.81%。在春、夏播环境下同时检测到控制叶长的QTL 3个(qFirLL1-2、qFirLL5-1和qSecLL1-2),叶面积QTL 2个(qFirLA2-1和 qSecLA2-1),其余位点只能在春播或夏播环境下被单独检测到。在第2染色体(bnlg1316~bnlg1141)和第5染色体(umc1591~umc2298)区间内同时检测到影响穗下叶叶长、穗位叶叶长、穗上叶叶长、穗下叶叶面积、穗位叶叶面积和穗上叶叶面积等6个性状的QTL,贡献率为6.42%~17.81%,为主效QTL位点;这2个标记区间是调控玉米穗三叶叶长和叶面积的重要区段,可能包含调控叶片性状的关键基因。

为了探究种植密度对不同玉米品种籽粒含水率、脱水速率和机收质量的影响,阐明收获期不同密度下玉米籽粒的脱水规律和机收损失特征,为春玉米密植模式下确定适宜的机械粒收时间提供理论依据,以郑单958(ZD958)、先玉335(XY335)、粒收1号(LS1)、中农222(ZN222)和中农239(ZN239)5个玉米品种为试验材料,设6.0万,7.5万,9.0万株/hm²共3 个种植密度,分析不同密度处理对春玉米收获期籽粒含水率、脱水速率和破碎率的影响。结果表明, 9.0万株/hm²处理春玉米籽粒含水率显著低于7.5万,6.0万株/hm²,而两低密度处理之间籽粒含水率无显著差异;不同品种间籽粒含水率差异较大,连续2 a试验籽粒含水率从高到低均为ZD958>LS1>ZN222>XY335>ZN239;种植密度对籽粒脱水速率无显著影响,但品种对籽粒脱水速率影响极显著;随种植密度增加,籽粒含水率、破碎率呈降低趋势。综上,ZD958和XY335不适宜当地机械收获,LS1、ZN239和ZN222为适宜当地机收的品种,适宜密度为7.5万~9.0万株/hm²。

为筛选出双穗型糯玉米新品种万彩糯88适宜的种植密度,发掘其生产潜力,采用不同大田种植密度试验,探讨重要植株性状、双穗率、产量及其产量构成性状对种植密度的响应。结果表明,随着种植密度的增加,株高、穗位高、双穗抽丝间隔期和第2穗抽丝散粉间隔期均随之增加,第1穗抽丝散粉间隔期和植株双穗率则降低;种植密度通过对双穗抽丝间隔期、第1穗抽丝散粉间隔期和第2穗抽丝散粉间隔期间接或直接影响双穗率。除穗行数和第1穗穗长外,种植密度对第1,2果穗产量及其产量构成性状影响显著或极显著。种植密度从30 000株/hm²增加到60 000株/hm²,第1穗果穗产量、总果穗产量、第1穗籽粒产量和总籽粒产量分别增加5 366.10,3 465.98,3 302.85,2 165.60 kg/hm²,第2穗果穗产量和籽粒产量分别降低1 900.12,1 137.25 kg/hm²。种植密度为48 000,54 000,60 000 株/hm²时,总鲜果穗产量和总鲜籽粒产量差异不显著,均极显著高于其余种植密度。综合以上研究结果,新品种万彩糯88适宜种植密度为48 000株/hm²,可初步作为大田种植的推荐密度。

为明确灌浆期高温胁迫对不同耐热型夏玉米品种叶片衰老及产量的影响,以高温敏感型品种先玉335和耐高温型品种郑单958为供试材料,于2019-2020年进行田间试验,在玉米吐丝后12~25 d搭设简易塑料增温棚进行高温胁迫处理,对照为田间自然温度处理,研究灌浆期高温对玉米叶片衰老与产量的影响。2 a结果表明,吐丝后12~25 d高温胁迫显著降低了夏玉米千粒质量和产量,其中高温处理下郑单958产量较对照降低18.8%,19.3%,千粒质量较对照降低23.4%,9.1%;高温处理下先玉335产量较对照降低29.4%,26.3%,千粒质量较对照降低20.1%,14.2%。灌浆期高温促进叶片衰老,2 a结果表明,郑单958叶片衰老速率在高温处理下显著增加76.4%,140.6%,先玉335增加135.1%,139.6%。高温处理下两品种的花后光合势较对照降低17.7%~36.5%,穗位叶光合速率降低20.0%~42.9%。相关分析结果表明,高温处理显著增加了夏玉米的叶片衰老速率,与产量呈负相关但不显著(P= 0.064 7);花后光合势、光合速率、SPAD值显著降低,与产量呈显著正相关(P< 0.05)。灌浆期高温胁迫显著加速玉米叶片衰老,导致玉米粒质量降低并减产,而耐高温型玉米品种比高温敏感型玉米品种具有更高的调节能力,能减轻高温胁迫导致的玉米减产。

为明确玉米与紫茎泽兰的种间竞争关系,探索紫茎泽兰的植物替代防控方略,继而实现粮食作物生产与杂草防控相结合。通过大田试验,研究不同耕作与紫茎泽兰割除方式及玉米种植密度等农艺栽培措施对玉米与紫茎泽兰竞争效应的影响,分析了2种植物生长、对光照和水肥的竞争能力及玉米产量与产值,以期探索紫茎泽兰的植物替代控制途径与策略。结果表明,免耕条件下,在紫茎泽兰空隙间直播玉米处理,紫茎泽兰仍为优势种群,玉米生长和产量均受到明显抑制,而刈割和拔除紫茎泽兰后直播玉米处理区的玉米转为优势种群,其对光照和水肥的竞争能力强,显著抑制紫茎泽兰的发生密度和株高及其对水肥的消耗。耕作条件下,玉米替代种植技术对紫茎泽兰的防除效果均达100%,而且玉米种植株距为25 cm时籽粒产量达到最高,平均为9 774.0 kg/hm²。可见,通过合理的耕作等农艺栽培措施,采用玉米替代技术可有效防控紫茎泽兰,并产生较好的生态价值,对于研发有效的综合防控外来入侵性恶性杂草紫茎泽兰的技术,具有一定理论与实践指导意义。

为了明确增密对玉米源库关系的影响特点,选用郑单958和金秋119为试验材料,设置4.5万,6.0万,7.5万,9.0万,12.0万株/hm² 5个不同的种植密度,探讨不同品种玉米花期植株形态、冠层光合特性、粒库建成对增密的响应特征及变化关系。结果显示:增加种植密度,株高、穗位高、穗位系数显著增加;基部第Ⅲ节间直径、消光系数(k)、单株叶面积、穗位叶面积等显著降低;穗位叶净光合速率、穗位叶光合能力和穗粒数变化趋势同上;增密对不同品种玉米的影响总体表现一致。种植密度从4.5万株/hm²增加到12万株/hm²,郑单958和金秋119穗位叶面积分别降低20.63%和12.30%,穗位叶光合能力降低33.76%和33.31%,穗粒数降低21.55%和36.07%。进一步建立了穗位叶光合能力、穗粒数与种植密度的线性关系,从线性关系可以看出,种植密度每增加1×10⁴株/hm²,郑单958穗位叶光合能力降低0.076 μmol/s、穗粒数降低13.03粒,金秋119穗位叶光合能力降低0.088 μmol/s、穗粒数降低27.93粒;从线性斜率看出,相对于郑单958,金秋119叶源与粒库对增密较为敏感,且2个品种的差异主要表现在粒库建成上;此外,此线性模型可应用于增密对玉米冠层光合特性与粒库建成的模拟预测上,为玉米适度增密丰产提供参考。综上,增源扩库是夏玉米增密增产的关键。

玉米茎腐病(CSR)对玉米产量和品质危害巨大。为尽快展开玉米茎腐病的有效防治,将吉林省玉米茎腐病的优势致病菌禾谷镰孢,与14株从玉米根际土壤中分离得到木霉菌株分别进行平板对峙试验。观察木霉对禾谷镰孢的抑制作用,筛选得到抑制效果较好的菌株CCTH-2和CCTH-6。复筛通过这2株木霉的发酵液、易挥发性代谢产物、难挥发性代谢产物对禾谷镰孢的抑制效果和对其他病原真菌的抑制效果,最终筛选到一株具有良好防效的木霉菌株CCTH-2;CCTH-2经过形态学和分子生物学鉴定显示,为哈茨木霉,并对其生物学特性进行初步研究。结果表明,平板对峙培养条件下CCTH-2对禾谷镰孢抑制率为82.83%,其发酵液、易挥发代谢物和难挥发代谢物对禾谷镰孢的抑制率为36.56%,46.75%,32.48%,具有显著抑制效果。生物学特性试验显示,CCTH-2菌落生长和产孢的最适培养基为PDA,最适温度为25 ℃,最适光照条件为全光照,外源添加Fe²⁺有利于CCTH-2的生长发育,并且CCTH-2具有一定的适应环境酸碱度和盐含量变化的能力。因此,可以确认哈茨木霉CCTH-2是一株有着良好防效且潜力巨大的生防菌。

为了探究玉米抗寒过程中涉及的关键调控网络和基因,明确对低温胁迫响应的关键调控通路和基因,为后续深入研究鲜食玉米抗寒胁迫的分子机制奠定基础,以耐寒品种闽甜6855为研究材料,利用转录组技术对其受5 ℃低温胁迫24,48,72 h后的基因表达情况进行分析。PCA结果显示,重复间样本可以显著聚集在一起,且处理样本与CK样本显著分开。差异分析结果显示,闽甜6855在低温处理前后差异基因为4 000~7 000个,而不同时长低温处理样本间差异基因较少,为100~2 000个,表明低温是引起基因差异的主要因素,且对低温胁迫的响应主要在前期。KEGG注释分析结果显示,差异基因在植物激素信号转导和MAPK上存在显著富集,表明这2个信号通路积极响应抗寒胁迫。此外,在植物病原菌互作和植物昼夜节律调控通路差异基因也出现了显著富集,暗示着在生物和非生物胁迫的通路上也存在着重叠或共有调控途径,而调控昼夜节律的基因在植物适应低温环境的过程中起着关键的调节作用。

为了探究夏玉米粒位效应对增密的响应及其碳氮代谢特征,2020—2021年在河北省农林科学院粮油作物研究所堤上试验站,通过设置不同密度处理(PD1:6.0万株/hm²;PD2:7.5万株/hm²;PD3:9.0万株/hm²)的大田试验,研究了增密对玉米不同粒位籽粒灌浆与碳氮代谢生理特征的影响。结果显示,增密对弱势粒灌浆影响较为明显,其灌浆速率和粒质量差异呈现时间分别自授粉后20~25 d和30~35 d开始。弱、强势粒粒质量比随着种植密度的增加明显降低,与PD1相比,PD3处理的弱、强势粒粒质量比平均降低8.45%。增密明显降低了单株干物质积累量,主要归因于花后干物质积累量的明显降低。通过对弱、强势粒碳氮代谢生理相关指标的分析表明,增密加剧了玉米弱、强势粒间淀粉和蛋白含量差异,同时也加剧了玉米灌浆中期弱、强势粒间蔗糖磷酸合成酶(SPSase)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPGase)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性的差异,这主要与增密明显降低弱势粒SPSase、ADPGase和GS活性有关;综上所述,增密通过明显降低弱势粒灌浆充实而加剧玉米的粒位效应,增密限制玉米弱势粒灌浆一方面与其降低花后干物质积累有关;另一方面与其明显影响弱势粒碳氮代谢酶SPSase、ADPGase和GS活性密切相关。

为探究滴灌水肥一体化条件下施氮量和施氮时期组合对夏玉米穗位叶叶片光合特性、衰老特性、籽粒灌浆特性及产量的影响,选用夏玉米品种郑单958为试材,设置了210 kg/hm²条件下,拔节期、大喇叭口期和开花期追肥处理(A1),拔节期、大喇叭口期追肥处理(A2),拔节期、开花期追肥处理(A3);180 kg/hm²条件下,拔节期、大喇叭口期和开花期追肥处理(A4),拔节期、大喇叭口期追肥处理(A5),拔节期、开花期追肥处理(A6);并设置传统畦灌为对照(CK),总施氮量为240 kg/hm²,CK1在拔节期一次性追施氮肥,CK2在拔节期和大喇叭口期分别追施氮肥,共计8个处理。结果表明,A1、A4处理与CK1相比,在夏玉米生育后期维持了LAI、SPAD值的同时,亦显著提高了抗氧化酶(SOD、POD、CAT)的活性,且有效抑制了过氧化物MDA的含量,从而延缓了其叶片的衰老进程,保护了叶片细胞功能结构。因此,该处理下的夏玉米在其生育后期维持了高效的光合特性,促进了籽粒灌浆速率,进而增加了穗粒数和千粒质量,使得玉米产量得以显著提高。A1和A4处理产量差异不显著,但A4相比A1施氮量降低14.3%,减少了氮肥的投入,节约了投入成本,为试验的推荐处理。

为了进一步揭示寒地玉米秸秆在施用低温降解秸秆菌剂下腐熟的过程及机理,为寒地秸秆的腐熟和综合利用工作提供新的策略和参考理论依据,采用低温降解秸秆菌剂在寒地条件对玉米秸秆进行腐熟并对其理化性状及微生物多样性进行分析。根据发酵过程中温度的变化,将玉米秸秆腐熟过程分为5个时期:初始期(A1)、升温期(A2)、腐熟期(A3)、平稳期(A4)及降温期(A5)。不同腐熟时期玉米秸秆的理化性质监测结果如下:随着腐熟时间的延长,玉米秸秆表皮上的纤维束逐渐被破坏;在腐熟结束后,玉米秸秆中纤维素的相对含量降至33.48%,半纤维素的相对含量降至16.57%;秸秆中全氮、铵态氮的含量呈先降低后升高的趋势,有机质的含量降至149.7 g/kg。发酵垛中微生物多样性的监测结果如下:耐冷酵母属在腐熟过程中的丰富度最高,占重要的主导地位;假单孢菌属和鞘氨醇杆菌属在腐熟初始期和腐熟期为主要菌属;在腐熟过程的平稳期和降温期中,嗜热微生物发挥着主要作用。该研究明确了寒地条件下玉米秸秆在施用低温降解秸秆菌剂后腐熟过程中理化性状及发酵垛中微生物多样性的改变。

NRL(NPH3/RPT2-Like)是植物所特有的一类光响应蛋白,在向光素信号途径中发挥重要作用。利用生物信息学手段结合qRT-PCR技术,在玉米基因组水平对该家族基因进行鉴定并对其编码蛋白的性质、结构、进化、生育期组织表达和逆境表达进行分析。结果鉴定了31个ZmNRL基因,不均匀地分布于玉米9条染色体上,编码的氨基酸序列长度在464~749个,预测具有叶绿体、细胞核和细胞质等亚细胞定位。依据蛋白保守性将ZmNRL家族划分为四大类,基因结构也具有一定的保守性,多数基因含有4个外显子。基因启动子存在大量脱落酸、茉莉酸、光响应和抗氧化等顺式元件分析,其中G-box和Sp1等两类光相关元件数量较多。ZmNRL家族基因在生育期组织部位表达具有一定的时空特异性,总体表达量不高,仅有ZmNRL2、ZmNRL4、ZmNRL24和ZmNRL29相对高表达。通过生育期组织表达数据共表达及其模块GO富集分析发现,6个ZmNRL基因可通过叶绿体等生物发生及组装生物过程,参与对叶片生长发育的调控。qRT-PCR结果表明,高温处理玉米幼苗ZmNRL12上调表达显著,干旱、盐和病原物接种处理ZmNRL5、ZmNRL7和ZmNRL19基因下调表达。综上,在玉米基因组鉴定出31个ZmNRL基因,该家族基因不仅具有明显的组织表达特异性,而且可参与玉米幼苗对生物和非生物逆境应答。