为探究行距与矮壮素处理对晋东南地区谷子抗倒伏特性及产量的影响,以晋谷21为材料,采用两因素随机区组设计。试验设3个行距水平(30,40,50 cm,分别记为D30、D40、D50)和3个矮壮素处理(喷施清水(CK)、六叶期喷施1次(T1)、六叶期和八叶期各喷施1次(T2)),两因素交叉共形成9个处理,研究不同处理对谷子茎秆性状、倒伏率、产量及其构成因素的影响。结果表明:在不同行距条件下喷施矮壮素均能显著增强谷子茎秆抗折力,显著降低株高、茎秆重心高度和田间倒伏率。其中,D40+T2处理的茎秆抗折力最高,达94.59 N;且株高(161.53 cm)、茎秆重心高度(80.3 cm)和田间倒伏率(16.31%)均为最低。在产量方面,随着行距增加,CK、T1和T2处理的产量均呈递减趋势,其中D30+T1处理的产量最高,为4 923.83 kg/hm²。相关性分析表明,在不同行距与矮壮素处理下,谷子产量与株高、穗部性状多呈正相关,而与倒伏率始终呈负相关,表明通过优化行距与矮壮素可有效调控关键农艺性状。综上,通过优化行距配置并配合适宜矮壮素处理,可在保证产量的同时有效降低倒伏风险,其中,D30+T1处理的综合表现最佳,可在晋东南地区谷子种植中进行推广。

为探究秦琼(Q)燕麦和梦龙(M)燕麦在盐碱胁迫处理下根际土壤细菌群落多样性和土壤酶活性相互关系,采用细菌16S rRNA高通量测序技术和土壤酶活比色分析法,对秦琼和梦龙在盐碱胁迫处理0,6,12,24,48 h下根际土壤细菌群落结构和土壤酶活性进行对比分析。结果显示,在门水平上,秦琼根际土壤中放线菌门、变形菌门相对丰度占比高于梦龙。在属水平上,秦琼根际土壤中的芽孢杆菌属、节杆菌属相对丰度占比高于梦龙,但假单胞菌属相对丰度占比低于梦龙。盐碱胁迫48 h后,秦琼根际的土壤多酚氧化酶(S-PPO)、土壤过氧化氢酶(S-CAT)、土壤脱氢酶(S-DHA)、土壤转化酶(S-AI)活性是梦龙的1.32,1.53,1.38,1.28倍。且S-CAT活性与细菌ACE、Chao多样性指数呈显著正相关。秦琼可以通过改变优势菌群的相对丰度占比,影响细菌群落结构变化,提高细菌群落多样性指数与土壤酶活性,而梦龙根际的细菌群落变化不显著。土壤微生物群落多样性是决定燕麦品种耐盐碱能力的重要因素。

为更好地解决谷子带线虫检测出现的假阳性问题,建立一种稳定、高效、低成本的谷子带病原线虫检测体系,以带线虫谷粒济谷20为供试材料,对医用棉纱布、粗尼龙纱布和细尼龙纱布3种介质包裹下洗脱的线虫数量进行比较;吸出单条线虫后,探究了切割、冻融、酶裂解等方法对提取单条线虫DNA的效果影响;并利用该体系对2018,2020,2021年来源不同种子公司共计109份谷子种子样品进行带线虫检测。最终确定的检测体系为:用细尼龙纱布包裹1.5 g种子浸泡4 h,混匀洗脱液后在显微镜下计数进行线虫定量,采用酶裂解法提取线虫DNA,利用贝西滑刃线虫特异性引物进行PCR扩增对谷子病原线虫定性。供检的109份谷子种子样本共检测出4份带线虫种子,每1.5 g带线虫量均为5条,病原线虫经分子鉴定为贝西滑刃线虫。先定量再定性的线虫检测体系可用于大批量谷子种子带线虫样本的快速检测,为谷子线虫病的早期诊断和监测防控提供技术支持。

灌浆期干旱会严重影响谷子植株后期生长发育和籽粒的形态建成、产量和品质。为解析灌浆期干旱对谷子后期生长发育以及籽粒的影响,以及为谷子淀粉调控分子机制对干旱胁迫的响应提供理论研究基础,以晋谷21号为材料,研究了灌浆期干旱胁迫对谷子田间农艺性状和籽粒品质的影响,同时用荧光实时定量PCR分析了淀粉合成途中关键基因SiAGPase1(葡萄糖焦磷酸化酶基因)和SiSSS1(淀粉合成酶基因)对干旱的响应情况。结果表明,谷子许多农艺性状受灌浆期干旱胁迫的显著影响,包括单株鲜质量、根鲜质量、单穗鲜质量、单穗质量、穗粒质量、千粒质量、主茎直径、穗下节间长度以及叶绿素含量、结实率、穗码密度等性状。品质分析表明,籽粒的峰值黏度、最终黏度以及脂肪、粗蛋白含量在干旱胁迫下会明显下降,胁迫越严重,降低程度越大。基因表达分析表明,SiAGPase1和SiSSS1基因在灌浆期受到干旱胁迫时表达量急剧变化,揭示SiAGPase1和SiSSS1在干旱胁迫下调控植物体内淀粉分解与籽粒中淀粉积累的平衡过程中发挥积极作用以适应植物对干旱胁迫响应。

盐胁迫对作物的产量和品质造成巨大的威胁,而大麦作为耐盐研究的先锋作物之一,开展其耐盐机理的解析,可为作物耐盐育种提供理论依据。以前期获得的盐敏感裸大麦地方品种B87和耐盐裸大麦地方品种B94为供试材料,在三叶期使用200 mmol/L NaCl处理7 d后,对其地上部组织进行了转录组和代谢组测序,并通过联合分析揭示裸大麦的耐盐性分子机理。结果显示,转录组和代谢组分析中,B87鉴定到了2 240个差异表达基因(DEGs)和198个差异丰度代谢物(DAMs),而B94鉴定到了923个DEGs和232个DAMs。经韦恩分析,耐盐裸大麦品种B94中特异DEGs和特异DAMs分别为480,129个。进而,又对DEGs和DAMs分别进行了GO和KEGG分析,其中B94的DEGs特异显著富集到11个通路,而其DAMs则仅特异显著富集到1个通路。另外,还对转录组和代谢组进行了相关性分析,发现基因与代谢物的变化既存在一致性,也存在不一致性。这些工作不仅丰富了对裸大麦耐盐性分子机理的理解,也为未来裸大麦耐盐育种提供了有价值的线索。

前期研究发现大麦条纹病菌β-葡萄糖苷酶基因PgβGlu4在侵染阶段高表达,为了深入研究该基因的功能,构建PCE2-EGFP-PgβGlu4的亚细胞定位载体转化水稻原生质体,观察PgβGlu4在水稻组织中的定位;同时构建PgβGlu4基因RNAi载体,利用CaCl₂-PEG4000介导法制备QWC原生质体进行遗传转化;通过检测突变株的营养生长和致病性对PgβGlu4基因功能进行了分析。PgβGlu4与不同病原菌同源蛋白序列的进化树分析显示,PgβGlu4与小麦黄斑叶枯病菌具有较近的亲缘关系;亚细胞定位结果显示,PgβGlu4主要在细胞核与细胞膜中表达;经潮霉素验证得到4株PgβGlu4基因突变体;qRT-PCR分析结果表明,4个RNAi突变株PgβGlu4基因表达量较野生株分别下降了66.31%,68.60%,54.37%,69.89%;突变株菌落直径显著小于野生株,侵染大麦后发病率较野生株侵染组分别降低了56.69,52.76,47.43,53.30百分点;干扰突变株侵染后大麦叶片叶绿素相对含量为30.3~35.0,3个干扰突变株系侵染组大麦显著高于野生组;PgβGlu4基因沉默前后侵染大麦对其株高影响显著。结果表明,PgβGlu4基因参与调控大麦条纹病菌生长发育及其致病性。

为了探究扁蓿豆MrAGL8基因与裂荚性状间的联系。以扁蓿豆为植物材料,利用PCR技术扩增MrAGL8基因并克隆测序,并对该基因进行生物信息学分析、亚细胞定位和不同组织器官的表达分析。结果表明,利用PCR扩增技术克隆获得了长度为711 bp的MrAGL8 cDNA完整编码区。生物信息学分析显示,MrAGL8基因编码236个氨基酸,MrAGL8包含MADS-box和K-box蛋白结构域,预测其蛋白质分子质量为27.39 ku,理论等电点为8.69,带正电氨基酸残基总数为39个,带负电氨基酸残基总数为36个,不稳定系数为48.5。预测蛋白质二级结构包含α-螺旋和β-转角,属于不稳定的亲水碱性蛋白。亚细胞定位分析显示,MrAGL8定位于细胞核中。不同组织器官的表达分析结果显示,MrAGL8在不同组织中的表达量为茎>根>荚果>叶>花,且根和茎与叶、花、荚果的表达量差异显著。结果表明,扁蓿豆MrAGL8基因与荚果开裂相关。

查尔酮合成酶(CHS)是类黄酮合成途径的关键起始酶,参与合成黄酮、黄酮醇、异黄酮、花青素等代谢物,而这些黄酮类代谢物在植物抗逆方面扮演着重要角色。为了研究CHS在燕麦幼苗响应干旱胁迫中的作用,从前期的全长转录组数据中筛选到1个燕麦CHS基因,命名为AsCHS,并对其进行克隆、生物信息学、亚细胞定位和表达模式分析。结果表明,AsCHS基因编码398个氨基酸,蛋白序列包含CHS家族特异标签序列,是疏水的不稳定蛋白,属非跨膜蛋白,定位于细胞核和细胞质。根据二级结构预测,AsCHS主要包含α-螺旋和无规则卷曲。启动子区顺式作用元件预测表明,该基因含有响应干旱胁迫和多个激素信号途径相关的顺式作用元件。系统进化树显示,AsCHS与黑麦草、早熟禾和南极发草的亲缘关系较近。亚细胞定位表明,AsCHS蛋白定位在细胞核和细胞质。与对照组相比,AsCHS在干旱胁迫下燕麦幼苗不同萌发时间的表达模式由波动表达改变为递增表达,由根中表达量最高改变为在叶中表达量最高,且在叶片中的表达存在显著差异。本研究为揭示AsCHS在燕麦响应干旱胁迫的功能奠定了基础。

为探究饲用甜高粱在盐碱地的生产性能以及土壤改良效果,在南疆种植中科甜438号饲用甜高粱,测定其产量,并且饲用甜高粱种植前和收割后在盐碱地上选取0~10 cm,10~20 cm,20~30 cm土层,测定比较分析土壤理化性质、土壤离子和土壤酶活性的影响。结果表明:饲用甜高粱种植后土壤总盐度、pH值、电导率呈下降趋势,与种植前相比,Na⁺、K⁺、HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-含量及全钾、全磷、有效磷和碱解氮含量下降,而Ca²⁺、Mg²⁺含量及土壤总孔隙度、有机质、全氮、速效钾含量均呈上升趋势。土壤阳离子中Mg²⁺含量最高,阴离子中SO₄^2-含量高于Cl^-。土壤酶活性中,过氧化氢酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性之间无显著差异,而脲酶活性差异显著。与种植前相比,不同土层中10~20 cm土层的变化较明显。相关性分析结果可知,pH值和总盐度之间呈极显著正相关关系;容重和pH值、总盐度之间呈显著正相关关系;蔗糖酶和碱性磷酸酶之间呈显著正相关关系。上述结果表明,该地区的盐碱土壤是Na₂SO₄为主的土壤类型,并且该地区盐碱地种植饲用甜高粱不仅可以收获高产的饲草,还能降低土壤中的部分离子改善土壤理化性质。

为筛选适宜新疆奇台县种植的酿酒高粱品种,同时为新疆地区高粱新品种的选育及推广提供参考依据,2020-2022年对省外引入的20个高粱新品种进行了生育期、农艺性状及产量进行比较,同时分别对籽粒淀粉、赖氨酸、单宁、可溶性总糖、粗蛋白、粗灰分、粗纤维等营养品质进行了鉴定,分析了各品种的丰产性和稳产性。结果表明,不同高粱品种的生育期、农艺性状、产量和营养成分不一致,品种及种植年限之间有差异。20个品种的平均生育期为84~146 d,株高为68.44~250.46 cm,其中属于极早熟特矮品种有龙杂18和龙杂20等2个品种,株高150 cm以下适合于机械化栽培的矮秆品种有凤杂4、辽糯11、吉杂124、吉杂127、辽杂37、辽粘3、冀酿3号、晋杂34、晋糯3、通杂108、锦杂109、赤杂106、金糯粮5等13个品种。晚熟高秆品种只有红缨子1个品种。平均产量为4 364.32~13 779.84 kg/hm²,锦杂109产量最高,沈杂5产量最低。籽粒品质在各品种之间存在差异,其中辽杂10号淀粉含量高达759.93 g/kg,而晋杂34单宁含量最低1.80 g/kg。综上,考虑生育期、农艺性状、产量及品质等特性,参试品种锦杂109属于矮杆、中熟品种产量为最高、稳产性最好、综合表现为最佳,可作为适合机械化栽培的首选品种在奇台地区进行推广种植。

为进一步探究高粱籽粒和茎秆产量的遗传规律,运用粒用高粱忻粱52和苏丹草TS 185作为亲本进行杂交并得到F₂及F_2∶3群体,利用115对多态性引物对430份F₂群体使用区间作图法构建遗传连锁图谱,以LOD值等于3作为阈值。结果表明,分蘖数、叶片数、茎粗、穗长、株高、茎秆鲜质量、整株鲜质量、着壳率、穗质量、千粒质量、单穗粒质量、单穗粒数12个农艺性状共检测到86个QTL。在1号染色体sam17164-sam15397区间定位到茎秆鲜质量的QTL;在2号染色体Xcup64-Xcup26区间定位到分蘖数的QTL,Xtxp019-sam01138区间定位到叶片的QTL,Xcup26-Xtxp080区间定位到茎秆鲜质量的QTL;在3号染色体sam44791-sam33751区间定位到穗长的QTL;在7号染色体sam39622-sam43980区间定位到着壳率的QTL;在8号染色体sam10491-sam17740区间定位到整株鲜质量的QTL;在10号染色体sam710901b-sam59778区间定位到分蘖数的QTL,以上这些都是新检测到的位点。

丝裂原活化蛋白激酶(MAPKK或MKK)在植物的生长发育与胁迫响应等过程中发挥着重要作用。为了鉴定谷子抗锈病相关的MAPKK基因,为谷子抗锈病机理研究和抗病分子育种提供候选基因,运用生物信息学方法在全基因组水平上鉴定与分析谷子MAPKK基因家族成员(SiMKKs);利用Real-time PCR技术,检测谷子SiMKKs基因在不同组织部位、谷锈菌胁迫与外源激素处理下的表达水平;利用Excel、MEGA、DnaSP分析70份重测序谷子品种中抗锈病相关SiMKKs基因的变异位点和单倍型,结合表型鉴定抗锈病优异单倍型。结果表明,共鉴定到10个谷子SiMKKs成员,分布于5条染色体上,外显子数1~11个不等,编码蛋白质含有331~523个氨基酸;谷子MAPKK基因家族成员分为4组,A和B组包含S/T-X₅-S/T基序,C和D组的SiMKKs不具有该基序,保守基序Motif 1~Motif 6 存在于所有SiMKKs蛋白中;每个SiMKK基因的启动子区均含有防御和胁迫响应、茉莉酸甲酯(MeJA)响应、水杨酸(SA)响应、激发子激活等1~3种生物胁迫相关顺式作用元件。除SiMKK10-1和SiMKK10-3未检测到表达信号外,其余8个SiMKKs基因在不同组织部位、谷锈菌侵染、SA和MeJA处理下均有不同程度的表达。SiMKK4、SiMKK5和SiMKK10-2在孕穗期的根中表达量较高,SiMKK6-1和SiMKK6-2在孕穗期茎中表达量较高;SiMKK4在接种后24 h的抗病反应中上调表达、感病反应中下调表达,其表达与抗病相关;SiMKK4在SA和MeJA激素处理后的16 h内上调表达,之后下调表达,且在SA处理过程中表现持续的表达变化,其余7个SiMKKs基因在SA和MeJA处理中的表达模式也基本一致。SiMKK4基因编码区共分为7个单倍型,Hap_1为优势单倍型,未发现抗病关键变异位点。综上所述,谷子SiMKK4的表达与抗锈病相关,其可能通过SA和MeJA信号途径参与谷子的早期抗病反应。

为了明确不同类型大麦源库关系差异及影响产量的主要源库指标,选用叶面积差异较大的4个大麦品种(系)GP6、GKP7、GK6和C2-1,研究花后7~28 d光合特性、干物质、可溶性碳水化合物、灌浆特征参数差异及与产量的关系。结果表明,GP6、GKP7旗叶长宽比低于GK6、C2-1,而旗叶和倒二叶叶绿素含量、净光合速率以及叶可溶性糖较高,GKP7旗叶和倒二叶叶绿素含量降低比例最高,GK6和C2-1降低幅度较小;GK6灌浆初期叶、茎鞘干质量最高,灌浆过程中干物质降低幅度也最大,GP6和GKP7干质量低于GK6,高于C2-1,但整个灌浆期降低幅度较小;GP6和GKP7籽粒快速增质量时间为7~21 d,长于GK6和C2-1(7~14 d),GP6平均灌浆速率(R)和达到最大灌浆速率时间(Tmax)最高,在灌浆初期茎鞘和籽粒可溶性糖含量低于C2-1,高于其他参试材料,随着籽粒灌浆含量迅速降低,运转率较高;GKP7灌浆活跃期(D)和最大灌浆速率(Rmax)均最高,灌浆初期茎鞘可溶性糖含量低于GP6、C2-1,其余灌浆期叶和茎鞘含量均高于其他品种。GK6各器官可溶性糖含量均较低,C2-1灌浆初期茎鞘和籽粒可溶性糖含量最高,但7~14 d含量迅速降低,灌浆后期含量较低。千粒质量、产量均为GP6和GKP7显著高于GK6和C2-1,GK6和C2-1库容较小;穗粒质量/叶面积为GKP7>GP6>C2-1>GK6。相关性分析结果表明,旗叶长宽比与产量极显著负相关,成熟期茎鞘、叶干质量、叶可溶性糖含量、穗粒数、穗粒质量/叶面积与产量显著或极显著正相关,花后7 d旗叶叶绿素含量、光合速率和茎鞘蔗糖含量、花后14~28 d籽粒干质量、R和Rmax与产量极显著正相关。综上,GKP7源库关系最合理,GP6次之,C2-1源库均小,GK6源大库小;旗叶长宽比、灌浆初期叶绿素含量和光合速率、籽粒干质量、最大灌浆速率、平均灌浆速率可以作为高产育种主要衡量指标。

为了研究谷子基因组中SSR的分布偏好,采用生物信息学方法搜索和分析了谷子基因组中SSR在基因座5'侧翼区、3'侧翼区、外显子区和内含子区的分布规律。结果发现,随着5'侧翼区与起始密码子间距离的增加,SSR在5'侧翼区的频率与其基因组频率的比值(相对频率)逐渐下降,在1~700 bp区域内相对频率远大于1.50,而在3'侧翼区、外显子区和内含子区中SSR的相对频率均接近1.00。进一步分析发现,随着5'侧翼区与起始密码子间距离的增加,不同单一SSR类型的相对频率的变化趋势各不相同,总体上,包括CCG、AG、AGG、AGGG、ACC和AGC在内的这6个SSR类型在5'侧翼区的频率和相对频率均较高,其中,AG在5'侧翼区相对频率大于1.5的区域最大(1~1 800 bp),而在CCG的区域最小(1~200 bp)。在外显子区,CCG、AGG、AGC、ACG和ACC这5个高C/G含量的三碱基SSR类型具有较高的频率和相对频率。综上,SSR在基因座5'侧翼区1~700 bp内特异性出现,其中,包括CCG、AG、AGG、AGGG、ACC和AGC在内的6个SSR类型为主要的特异性分布类型;而在基因座3'侧翼区、外显子区和内含子区中,SSR的分布与整个基因组无明显差别,但在外显子区,CCG、AGG、AGC、ACG和ACC这5个SSR类型具有明显的分布特异性。

叶色突变体是研究C4光合途径及叶绿素代谢机制的理想材料。为了研究谷子黄绿叶突变的分子机制,为黄绿叶基因的功能研究及叶绿素代谢的分子机制解析奠定基础,在长农35号甲基磺酸乙酯(EMS)突变体库中鉴定到1份可稳定遗传的谷子黄绿叶突变体ygl7,并对突变体及野生型进行农艺性状调查、光合色素含量及光合参数测定、叶绿体超微结构观察;同时对突变体叶色进行遗传分析,采用BSA法进行基因初定位,利用F₂群体进行精细定位,并根据功能注释结合RNA-Seq预测候选基因。采用qRT-PCR进行表达模式分析,采用酵母双杂交试验进行蛋白互作验证。结果表明,与野生型相比,ygl7苗期、拔节期叶片呈明显黄绿色,抽穗期逐步转为浅绿色,ygl7整个生育期叶绿素含量及光合速率都显著低于野生型,且叶绿体结构出现异常。遗传分析表明,ygl7黄绿叶表型由1对隐性单基因控制,基因精细定位将黄绿叶基因定位于第Ⅶ染色体434.9 kb区间内,候选基因分析预测编码原卟啉Ⅸ镁鳌合酶Ⅰ亚基的Seita.7G290300为调控黄绿叶的候选基因。qRT-PCR结果显示,Seita.7G290300在叶片中高表达,且在突变体中的表达量低于野生型;叶绿素合成途径(CHLD、CHLI)和光系统(LHCB1、LHCB6)相关基因在突变体中均下调表达。酵母双杂交试验表明,SiYGL7与MORF2存在互作。

为探究RPM1在高粱抗病过程中的作用,以高粱抗黑穗病品种SX44B为材料,采用同源克隆法获得一个高粱SbRPM1基因。生物信息学分析结果显示:该基因的cDNA全长2 802 bp,预测共编码933个氨基酸。该基因编码蛋白的理论分子质量为106.1 ku,等电点为7.11,为亲水性蛋白质;该蛋白无跨膜结构,亚细胞定位在细胞质中。保守结构域分析显示,SbRPM1蛋白含有RX-CC-like、NB-ARC和LRR结构域,属于NLRs受体蛋白家族中的CNL类蛋白。系统发育关系分析表明,SbRPM1蛋白与南荻RPM1蛋白亲缘关系最近。通过实时荧光定量PCR技术检测SbRPM1基因的表达模式,结果表明,该基因在叶和花序中表达量较高,其次是根,在茎中表达量最低。在接种丝黑穗病原菌后24~72 h抗病品种中SbRPM1基因的表达显著上调,表明该基因受病原菌诱导表达,在高粱抗病反应中扮演着重要角色。首次在高粱中克隆得到SbRPM1基因CDS序列,解析了该基因的结构、性质与表达的特征。

绿豆叶形突变体和叶形调控基因的鉴定,可为品种叶形的遗传改良提供种质资源,也有利于解析叶片发育的遗传调控机理。从皖科绿3号EMS诱变突变体库中筛选到窄叶突变体vrnl11,利用vrnl11/皖科绿3号和vrnl11/中绿1号的杂交后代进行遗传分析,用χ²检验确定F₂群体中不同表型植株的分离模式。以vrnl11和中绿1号及中绿5号构建的2个F₂群体为定位群体,利用BSA测序技术和图位克隆的方法完成vrnl11的精细定位。表型鉴定结果表明,vrnl11叶片宽和叶面积较野生型皖科绿3号分别减少25.7%和21.7%。遗传分析表明,vrnl11的窄叶表型受单隐性核基因调控。BSA测序分析将突变位点定位在第11染色体上15.0 Mb至末端4.7 Mb的区间内。利用新开发的多态性分子标记将vrnl11定位在标记nl-61和nl-46之间186.5 kb的区间内,包含9个预测基因。这些研究结果为克隆vrnl11和解析绿豆叶片生长发育的分子调控机理提供理论依据。

旨为揭示不同品种以及不同器官中内生菌的多样性特征,初步明确内生菌群落结构与宿主品种、器官类型及病害抗感特性的相关性。选取抗赤霉病的冀谷22、红谷、陇谷11号和感赤霉病的小青谷、石榴子、嫩选16号共6个谷子品种,取其根、茎、叶片、叶鞘、成熟谷穗,提取DNA,针对16S rDNA V3—V4区域,进行PCR扩增,基于Miseq高通量测序平台,对样本进行微生物多样性分析。感病品种与抗病品种内生菌物种组成具有明显差异。供试样本在门水平上的优势种群为变形菌门和放线菌门,其次是拟杆菌门和厚壁菌门,粘菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门和梭杆菌门相对丰度较低。Alpha多样性分析表明,抗病品种的叶片、成熟谷穗群落丰富度较高,叶片、根、成熟谷穗多样性较高;而感病品种则是根和茎群落丰富度较高,茎和叶鞘多样性相对较高;PCoA分析则表明,器官类型比品种对内生菌群落结构影响更大。物种组成分析表明,谷子内生菌群的多样性受到不同品种及不同器官的影响,不同器官所含内生菌种类相差较大。感病品种小青谷、石榴子和嫩选16与抗病品种冀谷22、红谷和陇谷11的内生菌群多样性差异较大,抗病品种在叶鞘时期都具有NB1-j菌门,成熟谷穗都具有酸杆菌门。明确了不同品种、不同器官对谷子内生菌的多样性及群落结构的影响,器官类型比品种对内生菌群落结构的影响更大。

为筛选可有效降低谷子株高、提高其抗倒伏能力的化控剂及其最佳喷施期,探讨不同化控剂对谷子生长发育和产量的影响,苗期和拔节期分别对嫩选17喷施4种化控剂(多效唑、缩节胺、矮壮素、烯效唑),于灌浆期和成熟期测定各处理植株干物质积累量、SPAD、净光合速率、茎秆特性以及产量构成等指标。结果表明:谷子苗期和拔节期喷施烯效唑、矮壮素、缩节胺、多效唑都能不同程度矮化植株,增加茎粗,提高抗倒伏能力,达到增产效果。其中,在苗期施用多效唑株高和节间长分别相比于CK降低6.76%,25.43%,苗期喷施矮壮素增加茎粗效果最显著,比CK增加22.89%,多效唑喷施处理下的谷子抗倒伏性最好,苗期喷施多效唑增产效果最显著,比CK增产17.51%;4种调节剂均能显著提高谷子叶片SPAD值及净光合速率,苗期喷施多效唑处理对SPAD值和净光合速率的提升效果最好,分别比CK提高了35.29%,30.37%;与CK相比,苗期喷施植物生长调节剂对谷子植株地上部干物质积累影响显著。喷施化控剂对谷子植株地上部干物质积累与CK相比影响不显著。总体来看,苗期喷施多效唑效果最好,可作为谷子高产栽培适宜的化控抗倒伏措施应用。

为科学准确的鉴别谷子种质资源,加强对谷子种质资源管理和新品种保护。筛选出33对SSR标记对94份谷子种质资源进行了分子身份证的构建。从分布在谷子9条染色体上的500多对SSR标记中,筛选出33对多态性标记扩增国内外94份谷子种质资源,检测到203个多态性片段,每对标记的等位基因数为3~10,平均为6.2个。标记位点的多态信息含量(PIC)变幅为0.429~0.864,平均为0.740。品种间特异指数差异较大,为63.336~268.523,平均为189.000。结果表明,根据标记的等位基因数确定10对分子标记b185、b260、b224、b103、b225、CAAS1044、b186、b253、b105、CAAS3008组合,即可将94份核心种质资源完全区分开。

通过探究化肥减量配施腐植酸生物肥对芸豆叶片碳氮代谢过程的影响,为东北地区芸豆种植及腐植酸肥料的应用提供理论依据。于黑龙江八一农垦大学安达试验基地,以芸豆品种白沙克为试验材料,在2021,2022年进行2 a田间试验。设置CF(常规化肥用量)、RF(常规化肥减量20%)、RFH1(常规化肥减量20%+45.0 kg/hm²腐植酸生物肥)、RFH2(常规化肥减量20%+67.5 kg/hm²腐植酸生物肥)、RFH3(常规化肥减量20%+90.0 kg/hm²腐植酸生物肥)、RFH4(常规化肥减量20%+112.5 kg/hm²腐植酸生物肥)6个处理,对芸豆整个生育时期进行碳、氮代谢及其产物的指标测定,在收获期测定芸豆产量及其构成因素。分析化肥减量配施腐植酸生物肥对碳代谢过程中蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、酸性转化酶(AI)、中性转化酶(NI)和氮代谢过程中硝酸还原酶(NR)、亚硝酸还原酶(NiR)、谷氨酸合成酶(GOGAT)、谷氨酰胺合成酶(GS)的活性,分析碳氮代谢产物蔗糖、可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白的含量,明确腐植酸对芸豆的碳氮代谢情况的影响。结果表明,与CF处理相比,腐植酸生物肥的施用增加了芸豆叶片碳氮代谢相关酶系活性,增加了碳氮代谢产物含量,提高了芸豆产量。在生育时期内,RFH2处理的SS活性较CF处理显著增加9.5%~15.8%,RFH3处理的SPS活性较CF处理显著增加16.5%~38.1%,RFH3处理的AI活性较CF处理显著增加10.8%~25.5%,RFH2处理的NI活性增加14.0%~32.1%;配施腐植酸生物肥后,RFH2处理的NR和NiR活性较CF处理显著增加22.6%~50.1%和16.3%~19.8%,GOGAT活性较CF处理显著增加16.0%~35.7%,RFH3处理的GS活性较CF处理显著增加14.5%~44.1%。同时,配施腐植酸生物肥各处理中,RFH2处理使芸豆叶片中碳氮代谢产物蔗糖、可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白分别显著增加7.6%~9.3%,14.1%~26.8%,6.7%~10.5%和3.7%~8.8%,淀粉含量增加了0.8~1.3百分点。此外,腐植酸生物肥的施用能够增加芸豆的产量,RFH2处理的芸豆产量较CF处理显著增加24.8%(2021年)和21.5%(2022年)。化肥减量20%配施67.5 kg/hm²腐植酸生物肥(RFH2)处理能够增加芸豆叶片碳氮代谢相关酶系活性,增加叶片中碳氮代谢产物的积累,增加芸豆产量。

理想株型可以显著提高作物产量,但谷子中株型性状与产量性状之间的关系还不清楚。旨为谷子株型育种提供理论基础和种质资源,以矮宁黄×晋谷21号杂交自交构建的126个F₆重组自杂交系(RIL)群体为材料,在长治、榆次和大同3个生态环境条件下,对10个株型性状(株高、主茎长度、穗长、穗下节长、穗粗、分蘖数、节数、旗叶长、旗叶宽和旗叶面积)和3个产量性状(穗质量、穗粒质量和千粒质量)进行表型鉴定,基于最佳线性无偏估计(BLUE)进行相关性分析、偏相关分析、主成分分析、逐步回归分析和聚类分析。表型变异分析结果表明,双亲的株高和主茎长度在3个生态环境下均呈极显著差异,穗下节长和节数在2个生态环境下呈显著或极显著差异,穗长、穗粗、穗质量、穗粒质量和分蘖数在单一生态环境下呈显著或极显著差异。RIL群体中,株型和产量性状变异丰富,频率分布近似正态分布,13个性状的变异系数为6.86%~31.71%,除榆次的主茎长度外,其他性状在各生态环境下均存在双向超亲分离现象。相关性分析和偏相关性分析结果发现,穗质量、穗粒质量与株高、主茎长度、穗长、穗下节长和节数呈极显著正相关,而与分蘖数呈极显著负相关,穗质量与旗叶长呈显著正相关。主成分分析将13个性状简化为4个主成分,累计贡献率可达93.938%。多元回归分析结果显示,拟合度R²为0.614,主茎长度、穗长、分蘖数是影响穗质量的主要因素。聚类分析将RIL群体划分为7类,其中第Ⅴ类群包括3份材料,产量最高,株高中等,综合性状好,可作为今后谷子株型育种的骨干亲本。

为缓解连作障碍,改善土壤,保证高粱原粮生产量和农业可持续发展。2019-2020年,在山西农业大学高粱研究所东白试验基地开展高粱连作长期定位试验,研究休闲期传统耕作、免耕、秋旋耕、秋深松、秋深耕、春深耕等不同耕作方式对连作高粱土壤水分、有机碳及产量的影响,旨在寻求连作高粱产量提升的适宜耕作方式和时间,及其蓄水保墒固碳增产机理,为高粱的稳定生产提供栽培技术及理论依据。结果表明,休闲期耕作可增加连作高粱各生育时期0~20 cm土壤有机质含量,增加颗粒有机碳、轻组有机碳、重组有机碳、易氧化有机碳和可溶性有机碳含量;增加播前0~100 cm土壤蓄水量0.72~46.52 mm和各生育时期0~100 cm土壤蓄水量,且播前水分可延续用至拔节期,中后期由于降水多仍有效果;可增加产量4.75%~23.67%,增加生育期水分利用效率19.09~29.19 kg/(hm²·mm),尤其秋深耕耕作方式增加更明显。相关分析表明,连作高粱产量与土壤水分、有机质含量显著正相关;底墒较高时,产量与生长前期土壤水分关系更密切;底墒较低、中后期降水较多时产量与中后期土壤水分关系更密切。总之,连作高粱在休闲期秋深耕,利于增加有机碳含量,利于蓄水保墒,且水分延用至拔节期,从而提高产量和水分利用效率。

分蘖高于主茎是困扰高粱品种整齐度和机械化生产的重要原因之一,为了阐明高粱调控分蘖高度基因的作用机制,提高高粱品种整齐度、选育适宜机械化生产高粱品种,依据前期的定位结果,利用15份分蘖与主茎整齐一致和17份分蘖高于主茎的高粱品种组成自然群体对候选基因进行验证,发现SNP3位点影响分蘖高度,所属基因为Sobic.009G213300.1.v3.2,命名为SbTH,位于水解酶_4保守区域。以分蘖高度与主茎一致的K35-Y5和分蘖高于主茎的1383为材料,通过实时荧光定量PCR分析SbTH基因在高粱不同组织中的表达模式。结果表明,2个材料SbTH基因在根和叶中均有表达,虽然表达量有差异,但趋势基本一致;1383主茎和分蘖茎基因表达量和趋势也基本一致,而K35-Y5在主茎开花期时呈反向表达,主茎表达量达到最高,同期的分蘖茎表达量降到最低。分析认为,SbTH在K35-Y5分蘖中表达量低,控制了分蘖节间的过度生长,形成主茎与分蘖高度一致的株型,而在1383分蘖中表达量高,促进分蘖节间的生长,使得分蘖比主茎高,SbTH基因在主茎开花期的差异表达是影响分蘖株高的关键。

WRKY转录因子是植物非生物胁迫反应中的重要调节子。荞麦耐贫瘠,磷利用率较高。为了探究WRKY基因在荞麦磷饥饿反应中可能的调节作用,以苦荞麦为材料,采用逆转录PCR方法,从低磷处理的根RNA样品中获得了FtWRKY6基因的编码序列。FtWRKY6 cDNA长1 572 bp,编码524个氨基酸,含有2个典型的WRKY保守结构域,锌指类型为C₂H₂,归属于第Ⅰ类WRKY,与绿茶CsWRKY24在氨基酸水平上的同一性较高(55.5%)。拟南芥原生质体瞬时表达分析表明,FtWRKY6定位于细胞核中;酵母单杂交试验表明,FtWRKY6具有转录激活活性。实时荧光定量PCR分析表明,在根中FtWRKY6的表达受低磷和3种重要的低磷反应相关激素—吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA)和细胞分裂素(CTK)显著诱导。上述结果提示,FtWRKY6具有转录因子的基本结构与生化特征,在根中可能通过IAA、GA、CTK信号通路的交互作用介导苦荞麦在低磷条件下的响应过程。

为了对大麦气孔发育转录因子基因HvMUTE的功能进行初步鉴定,并对其生物学特性及表达模式进行分析,通过生物信息学分析、PCR扩增及qRT-PCR等方法来对大麦气孔发育转录因子基因HvMUTE进行研究。由于大麦G1614为大麦MOREX品种的姊妹系,且大麦MOREX品种公布了参考基因组数据,所以通过将短穗二柄草BdMUTE基因同大麦G1614基因组进行序列同源比对,得到大麦HvMUTE基因序列。从大麦材料G1614幼芽中的第1片叶片中取样,克隆得到大麦HvMUTE基因651 bp的编码区。生物信息学分析结果表明, HvMUTE蛋白是位于细胞核中的无明显亲水疏水性的不稳定蛋白质,并且其蛋白质三维结构含有螺旋-环-螺旋(HLH)结构。系统进化树分析结果表明,HvMUTE蛋白同小麦和山羊草的MUTE-Like蛋白亲缘关系较近。qRT-PCR结果显示,在干旱条件下,HvMUTE基因表达量无明显变化,这一结果同前人研究有所不同,猜测与大麦为单子叶植物,气孔结构中存在副卫细胞同双子叶植物气孔结构形态不同有关。

为探讨减氮增密对高粱光合作用、干物质积累与转运特征及产量的影响,2017-2018年选用杂交糯高粱品种晋渝糯3号为供试材料,大田试验,设置常氮常密(CK)、常氮增密(T1)、减氮常密(T2)、减氮增密(T3)4 个处理,测定高粱抽穗期叶绿素含量(SPAD)和叶面积指数(LAI)、干物质积累与转运、产量及其构成因素。结果表明,与CK相比,减施氮肥降低抽穗期高粱顶三叶的SPAD和LAI,增加密度虽然降低顶三叶的SPAD,却能显著提高LAI。随生育进程的推进,高粱群体干物质积累量呈递增趋势,拔节期后迅速增加,成熟期积累最大。减少施氮量,提高高粱叶和茎鞘的花前干物质转运率及其转运量对籽粒的贡献率,但降低群体干物质积累量和花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率。增加密度显著提高高粱群体干物质积累量、叶和茎鞘花前干物质的转运量、转运率及对籽粒的贡献率,但显著降低了花后干物质对籽粒的贡献率。增加密度,降低单穗质量和千粒质量,但显著增加高粱籽粒产量。减氮处理降低高粱单穗质量和千粒质量,但减氮下常密产量下降,增密产量却显著增加。与CK相比,T1和T3处理2 a平均产量分别显著增加8.43%和7.92%,但两处理间无显著性差异。因此,晋渝糯3号在重庆地区宜采用减氮增密模式种植,即施氮150 kg/hm²,密度12.75 万株/hm²,有利于实现高粱的高产高效和节氮栽培。

为明确莜麦贮藏过程中生理特性和遗传物质的变化规律。以晋燕8号、晋燕17号、坝莜1号为试材,测定了不同贮藏年限莜麦种子的发芽率、发芽势、丙二醛(MDA)含量、过氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、过氧化物酶(POD)活性、多酚氧化酶(PPO)活性,镜检统计遗传物质畸变的细胞数量。结果表明:莜麦种子的发芽率、发芽势随着贮藏年限的延长而下降,贮藏8 a坝莜1号降幅最大,分别降低80.84,88.02百分点;莜麦种子MDA的含量随着贮藏年限的延长而增加,贮藏8 a晋燕8号增幅最大,提高5.68倍;莜麦种子SOD、CAT、POD和PPO活性随着贮藏年限的延长而减弱,贮藏8 a坝莜1号减幅最大分别是84.66%,74.38%,54.09%,81.44%;莜麦种子遗传物质发生畸变的细胞数量随着贮藏年限延长而增多,3个品种贮藏8 a平均增加11.87倍。发芽率与MDA含量、SOD活性、CAT活性、POD活性、PPO活性、畸变细胞数量极显著相关(P<0.01),畸变细胞数量与MDA含量、SOD活性、CAT活性、POD活性、PPO活性极显著相关(P<0.01)。坝莜1号耐贮藏最好,晋燕17次之,晋燕8号最差。莜麦种子发芽率、发芽势随着贮藏年限延长而下降,SOD、CAT、POD、PPO活性随着贮藏年限延长而减弱,MDA的含量、畸变细胞数量随着贮藏年限延长而上升;SOD、CAT、POD活性是种子生存的必须酶,但不是种子发芽的关键酶。

为了建立基于氯酸盐的大麦氮高效筛选体系,探究氯酸盐处理对大麦幼苗的影响,并鉴定出对氯酸盐反应有差异的大麦种质材料,用于将来的大麦氮高效分子机理研究和育种。以18个上海地方品种和3个主栽品种为供试材料,在人工气候室进行水培试验,分别设置2 mmol/L KNO₃(CK)和2 mmol/L KClO₃处理,处理4 d后,测定大麦幼苗的苗高、根长、地上部和根干质量。结果表明:氯酸盐对大麦苗期生长有明显的抑制作用,特别是苗高和干质量。方差分析表明,所有性状在氯酸盐处理和正常培养(对照)下都呈极显著差异,并且处理和品种间,所有性状也均存在极显著的互作。不同指标的变异系数表明,不管是氯酸盐处理还是正常供氮条件下,根长和干质量的变异系数相对较大,而苗高的变异系数相对较小。相关性分析也表明,这些形态学指标在2种条件下都呈正相关关系。基于苗高和地上部干质量的氯酸盐敏感度对供试材料的区分总体上相似,但也有区别。苗高和地上部干质量对氯酸盐的反应可以作为筛选大麦氮高效的指标,并且基于苗高和地上部干质量的氯酸盐敏感度都认为,B104、B002、B053、B092和B068在对氯酸盐最敏感的6个品种里,说明这5个大麦品种氮素利用率可能比较高,而B016、B006和B008则都在对氯酸盐最不敏感的6个品种里面,说明这3个大麦品种氮素利用率可能比较低。

为了明确苹果园种植长柔毛野豌豆对土壤微生物群落结构的影响,以自然生草为对照,采用高通量测序技术分析山东省7个地区苹果园种植长柔毛野豌豆及同一果园不同物候期的土壤微生物群落结构变化,并进行生草土壤微生物群落结构与理化性质的相关性分析。结果表明,7地区种植长柔毛野豌豆处理的绿僵菌属相对丰度均高于对照,其中东营地区的差异最大;除邹城外,其余6地区种植长柔毛野豌豆处理的镰刀菌属相对丰度均低于对照;除荣成外,其余6地区种植长柔毛野豌豆处理的赤霉属相对丰度均低于对照;在邹城和龙口地区,种植长柔毛野豌豆处理的链格孢属相对丰度均低于对照。同一果园不同苹果物候期的微生物群落结构分析发现,种植长柔毛野豌豆处理在苹果花期土壤中的曲霉相对丰度远低于自然生草;坐果期的镰刀菌和曲霉相对丰度均低于自然生草;果实膨大期的芽孢杆菌属相对丰度较高;成熟期的慢生根瘤菌相对丰度较高,赤霉菌、枝孢属和平脐蠕孢菌相对丰度均远低于自然生草。苹果园种植长柔毛野豌豆,在不同地区和同一果园不同物候期对果园土壤微生物群落结构的影响并不相同,但均可提高土壤有益细菌的相对丰度,同时降低病原真菌的相对丰度,有助于改良果园土壤微生态环境,促进果树健壮栽培。

明确不同品种谷子内生细菌群落组成特征,揭示与白发病抗性相关的关键物种,为利用内生细菌防治谷子白发病提供理论依据。对3种抗白发病和3种感白发病谷子植株的第一节茎与最高节茎组织进行DNA提取和样品中细菌16S rDNA高通量测序,并对内生细菌的群落组成进行分析。结果发现,在各分类水平下,从第一节茎到最高节茎内生细菌种类在抗病、感病谷子样品中分别表现为基本稳定与明显下降的2种不同趋势,且抗病谷子内生细菌群落的物种组成均较感病谷子丰富。得到重要内生细菌门19种:对普遍存在于抗病、感病谷子样品第一节茎中的内生细菌进行比较得到抗病谷子特有内生细菌门2种;对抗病、感病谷子样品各自全部内生细菌进行比较得到抗病谷子特有内生细菌门16种以及抗病谷子相对丰度较大的优势类群2种。可见,不同谷子品种以及不同部位内生细菌群落组成具有差异,抗病较感病谷子内生细菌种类丰富,其中抗病谷子特有的内生细菌门以及相对丰度大的优势细菌门对谷子白发病可能具有生物防治作用,值得进一步研究。

为了解谷子中SibHLH19的功能,以抗病谷子材料十里香叶片cDNA和基因组DNA为模板,分别克隆到SibHLH19基因的CDS序列和启动子序列,并利用生物信息学在线工具分析了启动子顺式作用元件及生物学特征;采用Real-time PCR技术检测了SibHLH19转录因子在谷子不同组织部位和抗谷锈病过程中的表达丰度变化;利用SDS-PAGE技术分析了该基因原核表达特征。结果表明,SibHLH19转录因子CDS序列全长843 bp,编码280个氨基酸,预测蛋白质分子质量为29.97 ku,理论等电点pI为5.85,编码蛋白质化学式为C₁₂₉₆H₂₀₇₁N₃₉₇O₄₀₀S₁₁,含有一个bHLH保守结构域,属于不稳定亲水性蛋白质。该蛋白质二级结构的最大元件是无规则卷曲,最小元件为β-转角。进化分析表明,SibHLH19与禾本科植物糜子(RLM85279.1)、哈氏黍(PUZ71581.1)和柳枝稷(XP_039835205.1)氨基酸序列的同源性较高,与小麦(KAF7059972.1)、节节麦(XP_040244423.1)同源性最低。启动子顺式作用元件分析表明,该基因启动子区存在多个激素、胁迫等应答元件。组织表达分析表明,该基因主要在谷子苗期表达,并以苗期地上部分表达量最高,孕穗期几乎无表达。在谷子响应谷锈菌生物胁迫反应的24 h内,SibHLH19基因在抗病反应8,16 h上调表达,而感病反应中仅在16 h略微上调表达,其余时间均下调表达,推测SibHLH19在谷子抗锈病反应中起正调控作用。构建的原核表达载体pET30a-SibHLH19经0.1 mmol/L IPTG诱导能表达出表观分子质量约44 ku的SibHLH19融合蛋白。

为探讨谷子全生育期耐旱性鉴定的有效方法,筛选谷子全生育期耐旱性鉴定指标,加快谷子耐旱育种进程,2019—2020年以30份谷子种质为试材,采用随机不完全区组设计(alpha-格子设计),设干旱胁迫(DS)和正常供水(CK)2个处理,考察相关农艺性状和产量指标的耐旱系数。联合方差分析结果表明,土壤水分环境对千粒质量影响显著,对其他指标影响极显著,基因型对单株穗质量和单株粒质量影响显著,对其他指标影响极显著,基因型与土壤水分环境互作极显著影响谷子的生长性状,对产量性状的影响不显著(千粒质量除外)。在干旱胁迫下,各指标性状值较CK均发生不同程度下降,且各指标性状对干旱胁迫反应的敏感性不同。t检验结果表明,干旱胁迫处理效果显著(千粒质量除外)。GGE双标图解释了数据总变异的71.15%,各指标耐旱系数间存在不同程度的相关性,其中株高、穗长、茎叶干质量和倒二叶叶面积的耐旱系数显著正相关,穗质量、穗粒质量、穗粒数和产量的耐旱系数显著正相关。谷子的耐旱性可以通过不同的农艺性状体现。依据与理想耐旱品种和理想耐旱鉴定指标的距离对供试谷子材料耐旱性和耐旱评价指标进行了排序,其中太选26号、朝谷62号和朝谷13号等材料耐旱性较强,株高和穗质量可作为谷子全生育期耐旱性鉴定首选指标。GGE双标图为谷子耐旱品种选育提供了一个客观有效的新的可视化鉴定方法。

为了揭示不同品种以及不同器官中内生菌的多样性特征,初步明确内生菌群落结构与宿主品种及器官类型的相关性。以感谷瘟病品种沙湾谷子、冀谷22和抗谷瘟病品种小青谷、石榴子为材料,分别取植株的茎、叶片、叶鞘,通过基于16S rDNA V3—V4区的高通量测序进行微生物多样性分析。结果显示,感病品种与抗病品种内生菌物种组成具有一定差异性,所用供试样本中,门水平优势类群均为变形菌门、放线菌门,拟杆菌门、绿弯菌门、粘菌门、厚壁菌门次之。Alpha多样性分析表明,感病品种(沙湾谷子、冀谷22)叶片内生菌丰富度较高;PCoA分析则表明,器官类型比品种对内生菌群落结构影响更大。物种组成分析表明,感病品种沙湾谷子及冀谷22含有与小青谷、石榴子(抗谷瘟病)差异较大的内生菌群,感谷瘟病品种(沙湾谷子、冀谷22)叶片都具有Entotheonellaeota;抗谷瘟病品种则在叶鞘中均具Hydrogenedentes。明确了感、抗谷瘟病品种谷子及各个品种的不同器官内生菌的多样性及群落结构具有一定差异,器官类型比品种对内生菌群落结构的影响更大。

利用RT-PCR技术从延谷11号谷子中克隆SiPRR73基因,通过系统分析SiPRR73组织表达特异性,对不同光周期处理、不同光温组合处理以及5种非生物胁迫处理的响应特点,揭示光周期、温度对SiPRR73的调控模式及SiPRR73对非生物胁迫的应答模式。结果表明,从延谷11号克隆得到SiPRR73基因2 928 bp的cDNA序列,包含2 283 bp的CDS区,编码760个氨基酸;SiPRR73蛋白与C4家族作物糜子、哈氏黍、高粱、玉米PRR73蛋白具有较近的进化关系。 SiPRR73在顶端第2片叶中表达水平最高,在根、茎、穗部表达水平较低。短日照、长日照条件下该基因均表现光照期表达水平高于黑暗期的特点,且整个营养生长期短日照条件下表达水平明显低于长日照,SiPRR73受光诱导表达和光周期调控。温度决定SiPRR73表达峰的数目,光周期决定SiPRR73表达峰出现的时间,光周期和温度共同参与了SiPRR73的表达调控。PEG和低温胁迫总体上诱导SiPRR73表达,NaCl在胁迫早期诱导该基因表达,后期总体表现为抑制状态,Fe胁迫则早期抑制该基因表达,后期总体诱导其表达,SiPRR73对ABA胁迫的响应特点接近NaCl。以上研究表明,谷子SiPRR73表达具有光依赖性,光周期和温度以互作模式调控SiPRR73表达,推测SiPRR73参与了谷子对不同光温环境的适应性调节过程,并且在应对干旱、低温、ABA、NaCl、Fe胁迫过程中发挥了一定作用。

为缓解谷子连作障碍,为优化谷子种植模式提供参考,以谷子连作(Si)为对照(CK),设置了谷子-玉米(Si-Zm)、谷子-马铃薯-玉米(Si-St-Zm)、谷子-玉米-大豆(Si-Zm-Gm)和谷子-大豆-马铃薯(Si-Gm-St)4种轮作模式,分析不同轮作模式对谷子关键生育期生理指标、光合特性、农艺性状、产量和白发病发病率的影响。结果表明,与CK相比,Si-St-Zm、Si-Zm-Gm和Si-Gm-St这3种轮作模式下谷子旗叶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)的活性均显著增加,最大增幅分别为45.55 %,41.55 %和109.09 %;Si-Zm-Gm和Si-Gm-St轮作模式下谷子株高、茎粗、根长和根分枝数均显著增加,最大增幅分别为30.48%,30.50%,31.76%和13.79%;Si-Gm-St轮作模式下谷子旗叶H₂O₂和MDA含量均显著减少,最大减少幅度分别为18.78%和47.29%;气孔导度、净光合速率、蒸腾速率和叶绿素相对含量分别显著增加31.94%~101.43%,35.74%~234.00%,16.44%~46.97%和24.15%~66.16%,谷子穗长、千粒质量和产量分别显著增加14.90%,17.09%和10.58%,谷子白发病发病率显著降低12.33%。综上所述,与CK相比,Si-Gm-St模式下谷子旗叶SOD、POD和PPO活性显著增加,光合效率显著提高;谷子产量和抗病能力最高。因此,与Si-Zm、Si-St-Zm和Si-Zm-Gm轮作模式相比,Si-Gm-St轮作模式对缓解谷子连作障碍的效果最好。

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。

为研究高粱、玉米残体腐解特征及腐解进程中秸秆腐解微生物群落功能多样性的变化,设置残体类型(高粱茎叶、玉米茎叶、高粱根系、玉米根系)、土壤类型(潮褐土、黄壤土)、氮处理(调节碳氮比、不调节)3个变量,通过2次试验分析不同腐解条件下残体的腐解特征(干物质降解率、碳矿化特征、纤维素、半纤维素和木质素的降解率),并使用BIOLOG-ECO板分析秸秆腐解微生物群落代谢多样性。结果表明,高粱、玉米残体腐解速率均表现出前期快后期慢的特征,表明在相同土壤和氮处理条件下,残体干物质降解率及碳矿化速率表现为高粱茎叶>玉米茎叶>高粱根系>玉米根系;由第2次试验可知,潮褐土条件下腐解60 d,高粱茎叶+N处理、玉米茎叶+N处理的干物质降解率分别为55.50%,48.00%,而高粱根系+N处理和玉米根系+N处理的干物质降解率分别为31.25%,16.75%。在相同土壤和氮处理条件下,同一作物根系的半纤维素、纤维素的降解率低于茎叶,腐解90 d,潮褐土条件下高粱根系+N处理对半纤维素、纤维素降解率分别比高粱茎叶+N处理降低了23.70,18.80百分点。对秸秆腐解微生物代谢多样性的分析表明,腐解30 d秸秆腐解微生物代谢活性最高,腐解90 d微生物代谢活性最低;与30 d相比,在腐解第1天,秸秆腐解微生物群落对胺类、酚酸类代谢能力较低,第90天秸秆腐解微生物群落对碳水化合物、氨基酸类、多聚物类代谢能力均明显降低。由此可见,在该试验条件下,高粱残体比玉米残体更易腐解,调节碳氮比可在一定程度上加速残体腐解,秸秆腐解30 d微生物代谢多样性最高。

为探讨播期对不同品种大麦饲草及籽粒产量和品质的影响，设置4个播期（因素A），以4个多棱饲料大麦品种（因素B）为材料，比较分蘖期饲草及成熟期籽粒产量和品质的差异。结果表明，播期对饲草产量影响较大，对籽粒产量影响较小。早播能增加刈割次数，提高饲草产量，其中播期A1（9月30日）饲草鲜质量（12.44 t/hm²）和干质量（1.49 t/hm²）最高。品种间饲草及籽粒产量差异均显著。品种B2（皖饲啤14008）饲草鲜质量（10.51 t/hm²）和干质量（1.38 t/hm²）最高，籽粒产量（1.82 t/hm²）居第2位，品种B1（扬饲麦1号）籽粒产量最高（3.58 t/hm²），饲草鲜质量（9.00 t/hm²）和干质量（1.17 t/hm²）居第2位，两者均可作为饲草及籽粒兼用型品种。播期对饲草品质影响较大，对籽粒品质影响较小。播期间饲草品质除酸性洗涤木质素含量差异不显著，其他性状差异均显著，其中播期A2和A4相应性状值较高。品种间饲草品质基本无差异，参试材料均可用作优质饲草。品种间籽粒品质差异明显，其中品种B2蛋白质含量最高，品种B1淀粉含量最高，表明可以选择品种，改善饲料品质。播期与品种间互作对饲草产量有一定影响，对其他性状基本无影响。综合以上分析，冬麦区选用皖饲啤14008或扬饲麦1号，于9月30日播种，能实现优质饲草与籽粒兼收。

为了明确贵州新老两代糯高粱品种（系）的产量和氮肥利用率差异，以红缨子、黔高8号，红壳糯、黑壳糯为试验材料，设置2个氮肥处理（LN和HN），采用裂区试验设计，研究了其产量、氮素积累以及氮肥利用特性之间的差异。结果表明：2010s品种较1990s品系的产量、干物质和氮素积累总量平均分别增加了25.4%，25.1%，33.3%。氮素收获指数在LN处理下，品种间差异显著，HN下不显著；与LN处理相比，1990s品系的花后氮占比在HN处理下明显降低，幅度为20.9%，说明2010s品种在花后的氮素同化能力上要更强，在低氮、高氮水平下都具备更强的籽粒氮素累积能力。2010s品种较1990s品系的氮肥偏生产力、氮素表观回收率、氮肥利用率以及氮肥农学效率分别提高了13.9 kg/kg、0.7 kg/kg、20.3%和4.1 kg/kg，产量、干物质和氮素积累总量与氮肥利用率显著正相关，表明贵州糯高粱单产的增加可能是氮肥利用率的提高导致的氮积累增加所致，为糯高粱的正常生理代谢提供了充足的氮供应。

为进一步揭示芸豆NAC基因在参与调控植物生长发育及应对非生物胁迫反应中的作用，以芸豆耐盐碱品种HYD为试验材料，利用Illumina HiSeq技术，构建了NaHCO₃处理和NaCl处理下的芸豆叶片组织转录组。从转录组数据中共筛选出8个盐碱相关NAC转录因子，并对其进行理化性质分析、系统进化发育分析、磷酸化位点预测、蛋白质二级结构预测、启动子元件分析、基因结构分析、染色体定位分析和表达量分析。结果表明：8个芸豆盐碱响应NAC基因分子量在23 676.36~44 354.33 ku，蛋白编码203~394个氨基酸，等电点在4.74~8.86，其中3个基因编码酸性蛋白，8个蛋白被分为4个亚族（a~d），分列在8个染色体上，包含3个膜结合蛋白，8个蛋白中丝氨酸数量最多，有10~22个，无规则卷曲结构占比最大，在68.0%~84.5%，8个蛋白全部定位在细胞核上。在NaHCO₃处理下，4个基因为上调表达（log₂FC>2），2个为下调表达（log₂FC<-2），NaCl处理下，1个为上调表达（log₂FC>2），4个为下调表达（log₂FC<-2），有3个基因同时响应NaHCO₃和NaCl。在8个基因启动子中共发现10个启动子元件，同时每个基因都包含3~7个元件。表明这些基因都可能参与芸豆的逆境应答。

为了揭示SiCCT基因可能的功能效应，并进一步研究该基因在光温互作调控谷子开花过程中所起的作用。以光周期敏感谷子品种黄毛谷为材料，利用荧光定量PCR技术分析了SiCCT基因在长日照高温（LD，27℃）、长日照低温（LD，22℃）、短日照高温（SD，27℃）、短日照低温（SD，22℃）4个光温组合条件下的昼夜表达规律，并在连续2 a调查10个主要农艺性状的基础上，开展了基于候选基因的关联分析。结果表明，光照期SiCCT基因表达不受温度影响，长日照条件表达水平整体高于短日照，而黑暗期表达受温度影响，特别是短日照条件下SiCCT基因在低温环境的表达水平明显高于高温环境。基于候选基因关联分析发现，SiCCT基因中共检测到11个多态性位点与8个主要农艺性状显著关联（P <0.05），其中SNP-10在河南洛阳、吉林吉林与抽穗期、叶片数和穗粒质量显著关联；SNP-100和SNP-104在河南洛阳同时都关联到株高、叶片数和穗长3个性状；SNP-51连续2 a在海南乐东、河南洛阳、吉林吉林都检测到，但关联到的性状不同，在海南乐东与穗粗关联，在河南洛阳与穗码数关联，在吉林吉林与叶片数关联。SiCCT基因表达受光周期调控，温度也影响其在短日照条件黑暗期的表达； SiCCT基因具有多效性，但其作用受光周期环境影响。

为了研究异源过表达Atvip1基因的高粱对盐碱胁迫的耐受性及相应生长情况，采用NaHCO₃∶Na₂CO₃为5∶1，75 mmol/L，pH值9.63的盐碱胁迫液在高粱三叶一心期处理，在胁迫0，4，12，24，72，120 h对根系的生长指标、叶绿素含量、抗氧化酶活性以及MDA含量进行测定。结果表明：异源过表达Atvip1基因能缓解盐碱胁迫对高粱幼苗生长的伤害，可使幼苗根表面积和根体积增大，根尖数和分叉数增多，高粱主根褐化出现较晚且症状轻，侧根发生早且数量多，在72 h后仍能保证新叶正常伸展，对地上部生长影响较轻。过表达Atvip1基因可提高转基因高粱根系抗O₂^-·活力，降低MDA的含量，抗氧化酶活性增强；胁迫早期（4~12 h），SOD、CAT和GR作用明显；胁迫中期（24~72 h），所有酶均发挥作用；胁迫后期（120 h），CAT和GSH-PX起重要作用。盐碱胁迫差异转录组分析中，差异表达基因COG分析表明，防御机制在不同时间段中占比较大，获得抗氧化酶相关差异表达基因42个。异源过表达Atvip1基因可通过缓解盐碱胁迫对光合作用和生长发育的影响，降低活性氧破坏及膜损伤来提高转基因高粱对盐碱胁迫的抗性。

为探讨科尔沁沙地生境下不同饲用燕麦品种叶片氮素代谢酶活性对施氮量的生理响应及差异，选择饲用燕麦品种牧王和甜燕1号，于燕麦的分蘖期、拔节期、抽穗期、开花期按照15%，40%，25%，20%比例，对燕麦追施0（CK），100，200，300 kg/hm²纯氮，灌浆期取旗叶、倒二叶、倒三叶测定谷氨酸合成酶（GOGAT）、谷氨酰胺合成酶（GS）、硝酸还原酶（NR）、谷氨酸草酰乙酸转氨酶（GOT）和谷氨酸丙酮酸转氨酶（GPT）活性，分析不同饲用燕麦品种在不同施氮量处理下氮素代谢酶活性的差异及与干草产量的关系。结果表明，牧王和甜燕1号饲用燕麦干草产量分别在200，300 kg/hm²施氮水平下达到最大；牧王和甜燕1号饲用燕麦品种在不同部位叶片的GOGAT、GS、NR、GOT、GPT活性均随着施氮量的增加呈先增加后降低的变化趋势，且在N₂₀₀施氮处理下酶活性最强（除N₃₀₀处理倒三叶的GOT）；除N₁₀₀处理的倒三叶GS活性，不同氮肥处理下倒二叶GPT活性外，牧王叶片的GOGAT、NR、GS、GOT和GPT酶活性均高于甜燕1号，表明饲用燕麦品种牧王的氮素同化能力强于甜燕1号，在科尔沁沙地生境下种植牧王追施氮肥的适宜用量为200 kg/hm²，而种植甜燕1号追施300 kg/hm²氮肥可获得较高的干草产量，GOT、GPT活性是筛选氮高效利用饲用燕麦品种的关键酶。

为了明确高粱大豆间作体系的间作优势，试验于2018-2019年在山西省汾阳市高粱试验田进行，设置高秆高粱晋杂22单作（G1）、矮秆高粱晋杂34单作（G2）、大豆单作（D）、2行高粱2行大豆间作（2G1∶2D、2G2∶2D）、2行高粱3行大豆间作（2G1∶3D、2G2∶3D）、2行高粱4行大豆间作（2G1∶4D、2G2∶4D）共9个处理，研究不同高粱与大豆间作模式下高粱大豆产量、土地生产力、水分养分利用效率的变化。结果表明，间作高粱的千粒质量、穗粒质量与单作高粱间差异不显著；大豆的结荚数在不同处理间达到显著差异，与单作相比，2G1∶2D、2G2∶2D、2G1∶4D、2G2∶4D间作处理大豆的结荚数分别降低37.89%，32.16%，22.46%，21.51%；高粱与大豆间作体系的土地当量比（LER）和水分当量比（WER）均大于1，表明间作具有土地和水分利用优势；间作体系的养分优势主要表现在氮累积量的增加；2G1∶2D间作处理的LER、WER、氮累积量分别比2G2∶2D间作处理提高8.91%，8.30%，4.56%，2G1∶4D间作处理的LER、WER、氮累积量分别比2G2∶4D间作处理提高10.17%，9.14%，4.35%，在晋杂22大豆间作体系下，2G1∶4D间作处理的LER、WER、氮磷钾累积量均高于2G1∶2D和2G1∶3D间作处理。高粱与大豆间作具有较高的土地生产力、水分及氮素养分利用优势；高秆高粱晋杂22与大豆间作比矮秆高粱晋杂34与大豆间作优势明显；2G1∶4D间作处理是最适宜的高粱和大豆间作配比。

为发掘大麦株高类性状的QTL位点，改良大麦品种株高性状。以我国饲用大麦泰兴9425与日本啤酒大麦Naso Nijo构建的177份DH群体及亲本为材料，考查2种环境下参试材料的株高、穗下节间长、穗长3个株高类性状，结合已构建的分子标记连锁图谱，采用基于完备区间作图法的Windows QTL IciMaping V4.1.0.0软件进行QTL定位分析并分析株高类性状的遗传特性。结果表明：株高、穗长、穗下节间长主要受遗传因素控制，同时受试点的生态条件和生产条件影响，3个株高类性状的遗传力分别为78.98%，89.31%，84.50%。株高与穗长、株高与穗下节间长、穗长与穗下节间长均呈极显著正相关，相关系数分别为0.688，0.862和0.600，表明株高越高其穗长、穗下节间长越长。2个试点定位到6个株高QTL、5个穗长QTL及4个穗下节间长QTL，共15个QTL，除第1，6号染色体外，其他染色体上均有分布，LOD值为3.50~32.46，对表型变异的解释率为1.53%~38.30%。其中qPH-4-1、qPH-7-2、qSL-2-1、qSL-2-2、qSIL-2-1、qSIL-3-2均未见报道，可能为新位点，为大麦株高类性状的改良与分子标记辅助育种奠定基础。

为了明确不同施肥处理下甜高粱不同生育期光合特性的变化规律及最佳施肥方式，采用大田试验，研究了CK、NK、NP、PK、NPK、M（有机肥）、NPKM、1.5NPKM等8个不同施肥处理新高粱3号不同生育阶段的叶片气孔导度（Gs）、胞间CO₂浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、净光合速率（Pn）、叶绿素（SPAD值）以及水分利用效率（WUE）的变化规律及其对产量的影响。结果表明，不同施肥处理下高粱叶片的Pn、Gs、WUE和SPAD值在不同生育阶段的变化，呈先升高后降低的趋势，灌浆期达到峰值。Tr与Ci从开花期-成熟期的变化呈先降低后升高的趋势，在灌浆期为最低值。同一生育阶段不同施肥处理的光合特性有差异，叶片光合特性受施肥处理的影响。NPKM施肥处理成熟期的Tr、Gs、Ci值均比其他处理高，分别为3.64 mmol/（m²·s），328 mmol/（m²·s），439 μmol/mol。相关性分析表明，开花期NPKM处理的Pn与Tr、WUE呈显著正相关，NPK处理的Pn与Gs、Ci呈正相关。所有施肥处理的生物产量显著高于CK，其中NPKM处理生物产量达到94.81 t/hm²，NPKM生物产量比CK、M、1.5NPKM、NK、PK、NPK、NP分别增加97.95%，26.65%，20.24%，19.57%，15.16%，14.98%，11.74%。施肥影响新高粱3号叶片的光合参数并且有利于产量的增加，因此，利用高光效育种来提高生物产量是可行的。使用不同施肥方式来缓解甜高粱连作障碍的过程中应当注重采取不同的肥料配比。综合来看，有机肥、无机肥混合施用（NPKM）可改善光合条件，使产量达到最大值，因此，初步确认NPKM处理是促进干旱区连作高粱生长发育的最佳施肥模式。

为明确山区谷子规模化种植条件下的连作障碍机理，对具有代表性的河北省丰宁县黄旗镇（春谷区）和临城县西冷水村（夏谷区）连作0~3 a土壤样品的土壤全氮、速效磷、速效钾的含量、土壤pH值、谷子植株相关抗逆酶活性和土壤中微生物群落种类和丰度进行测定和分析，从生理和病理两方面初步揭示了连作障碍机理。结果表明，随着连作年份的增加，土壤全氮持续降低，速效磷和速效钾含量先增高再降低，土壤pH值逐年增高，植株SOD活性持续升高，POD和CAT活性先升高后降低；随着连作年份的增加，土壤微生物群落种类和数量出现一定规律性的变化，放线菌、芽孢杆菌等部分有益菌群丰度逐年降低，黑粉菌等致病菌群丰度逐年升高。

为解析谷子抗旱遗传基础和指导抗旱育种，进行谷子萌芽期抗旱基因定位，以山西2010和K359×M4-1为亲本构建的F₂群体为研究对象，结合利用2b-RAD测序技术构建的遗传连锁图谱对谷子萌芽期抗旱性QTL进行定位。谷子萌芽期抗旱性为多基因控制的数量性状。经两亲本及F₂群体简化基因组测序，构建了包含583个SNP标记的连锁图谱。该图覆盖谷子基因组9条染色体，各染色体标记数平均64.8，标记间平均间隔为0.97 cM。在第5和第6染色体上共检测到3个谷子萌芽期抗旱性相关QTL，分别为qSIDR-5a、qSIDR-6a和qSIDR-6b，可解释12.4%~14.3%的表型变异，其中第5染色体上qSIDR-5a的表型贡献率最高，达到14.3%。经过比较发现，这3个QTL与前人的研究结果不在一个区间内，是新的QTL。qSIDR-5a、qSIDR-6a和qSIDR-6b可用于后续萌芽期抗旱性调控基因的精细定位及克隆研究，也可用于谷子萌芽期抗旱性的分子调控机理研究与抗旱育种。

为探究土壤盐胁迫对不同生育时期（拔节期、开花期、成熟期）高粱植株生长及生理特性的影响，在4个盐处理水平（CK：0 g/kg，S3：3 g/kg，S5：5 g/kg，S7：7 g/kg）种植2个耐盐性不同的高粱品种高粱蔗（耐盐）和河农16（盐敏感），比较了2个品种在不同盐处理水平下、不同生育时期植株形态、根系形态、叶片光合特性及抗氧化酶活性的差异。研究结果表明：随盐胁迫程度增加，2个品种的抗氧化酶活性和叶绿素相对含量（SPAD）先升高后降低，抗氧化酶活性在S3处理或S5处理下达到最大值，且该最大值与对照间存在显著差异。2个高粱品种的丙二醛（MDA）含量，随盐处理浓度的增大而升高，在S7处理下显著高于对照，同一处理下耐盐品种高粱蔗的抗氧化酶活性高于盐敏感品种河农16，但丙二醛含量低于盐敏感品种。2个品种的光合能力受到盐胁迫的显著影响，在拔节期，S7处理显著降低了高粱蔗的Pn值，而2个品种的胞间CO₂浓度（Ci）在S7处理下均高于对照。盐胁迫下高粱地上和地下部分生长都受到影响，2个品种的基部茎粗、总根长、根面积、根尖数和分支数在S3处理下达到最大值，基部节长、株高、总根长及根体积在S7处理下达到最低值。2个高粱品种在盐胁迫下籽粒脂肪、淀粉含量下降，单宁含量在低盐处理下显著高于对照，盐胁迫使籽粒品质下降。综上，低盐（3 g/kg）能促进高粱生长，而中盐（5 g/kg）和高盐（7 g/kg）条件对高粱生长有显著的抑制作用，高粱蔗比河农16的耐盐性更强。