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。

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。

细胞内酸性磷酸酶（ACP）是一种将液泡内的磷酸酯水解为无机磷的酶，普遍存在于植物组织中，在调控植物磷营养方面起着重要作用。谷子具有耐贫瘠特性，蕴藏着重要的耐低磷优异位点。挖掘谷子SiACP基因的关键变异位点和单倍型，促进分子标记辅助培育新品种，是解决土壤有效磷缺乏的主要遗传育种途径之一。通过同源序列比对的方式共获得了13个谷子以及其他3种禾本科作物的ACP家族基因，并对其进行生物信息学分析，结果发现，ACP家族基因在禾本科作物的数量和分布具有一定的规律性，均具有高度保守的磷酸酶结构域和基序。通过家族进化树分析发现，单子叶植物ACP基因与双子叶植物ACP基因在进化过程中出现明显的分支。转录组数据的表达模式结果显示，C4植物谷子的SiACP1基因表达模式具有明显的组织表达特异性，而SiACP2和SiACP3基因在整个生长发育阶段的不同组织表达量均较高。通过候选基因关联分析和单倍型分析发现，位于SiACP1启动子的SNP与耐低磷相关性状显著关联，并初步鉴定到一个与谷子耐低磷性状相关的有利单倍型ACPHap2。研究结果将为作物耐低磷优良种质育种提供一定的基因遗传信息参考。

谷子是具有抗旱、耐瘠、抗逆性强、适应性广等特点的C₄禾本科作物，发掘谷子高光效、逆境相关基因，旨在揭示谷子在光照和逆境胁迫下的基因表达特征。采用生物信息学方法，在谷子中鉴定出一个PPDK基因，命名为SiPPDK2；该基因位于谷子3号染色体，含有18个内含子，有3个转录本，原始转录本编码945个氨基酸。亚细胞定位预测结果显示，该基因位于叶绿体中。功能域分析和多序列比对发现，SiPPDK2蛋白与玉米、高粱和水稻PPDK蛋白的亲缘关系较近。Real-time PCR分析表明，PEG、ABA、盐和低温胁迫对苗期SiPPDK2基因表达有不同程度的诱导。进一步研究表明，SiPPDK2基因在拔节期、抽穗期和灌浆期均参与了对干旱和光照的胁迫响应，其中抽穗期和灌浆期在干旱条件下及拔节期和灌浆期在弱光条件下其表达量显著上调。顺式元件分析结果表明，在SiPPDK2启动子区域主要包括激素类应答、逆境应答、光应答以及其他类生长调控相关的顺式元件。结果推测，SiPPDK2基因可能参与了谷子对非生物逆境胁迫的响应。

为了研究谷子和小麦的淀粉、蛋白质结构、性状的差异，探索改良谷子品质的新思路，通过籽粒总蛋白提取法提取小麦与谷子的总蛋白，通过小麦谷蛋白提取方法提取小麦与谷子的谷蛋白，通过醇类物质提取小麦和谷子中的醇溶蛋白，并通过SDS-PAGE对总蛋白及谷蛋白条带进行鉴定、A-PAGE对醇溶蛋白带谱进行鉴定，并通过扫描电镜观察籽粒内部结构，分析小麦与谷子蛋白和淀粉的结构差异。结果表明，谷子谷蛋白含量低，存在一定量的醇溶蛋白，且存在一定的多态性；小麦淀粉包含A、B、C 3种淀粉粒，淀粉体间隙紧密填充蛋白体，谷子淀粉体呈多边形，体积小于小麦淀粉体，且仅含有2种类型的淀粉粒。谷子、小麦的淀粉类型、谷蛋白含量存在明显差异，醇溶蛋白具有品种间特异性，谷子的醇溶蛋白带谱数量明显低于小麦，为从淀粉发育、蛋白质含量等方面改良谷子品质提供了新的思路。

为探明外源2，4-表油菜素内酯（EBR）对NaCl胁迫下燕麦光合作用的调控机理，以加燕2号、青引2号燕麦为材料，在100 mmol/L NaCl胁迫下，研究外源EBR对燕麦幼苗光合气体交换参数、荧光动力学参数、光合电子传递速率及PSⅡ光能分配情况的影响。结果表明：NaCl胁迫显著降低了燕麦幼苗的光合色素含量，抑制了PSⅡ反应中心活性，导致燕麦幼苗PSⅡ光化学效率下降，净光合速率（Pn）显著降低。和NaCl胁迫相比较，添加外源EBR后，燕麦幼苗叶片的叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）和类胡萝卜素（Chlx·c）含量显著增加；燕麦幼苗的Pn、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和水分利用效率（WUE）显著升高，胞间CO₂浓度（Ci）显著降低，最大荧光（Fm）、光化学淬灭系数（qP）、PSⅡ实际光合效率（ФPSⅡ）、PSⅡ潜在活性（Fv/Fo）、PSⅡ原初光能转化效率（Fv/Fm）、天线色素转化效率（Fv'/Fm'）、表观光合电子传递速率（ETR）及PSⅡ光化学反应能（P）显著升高，初始荧光（Fo）、非光化学淬灭系数（NPQ）及反应中心耗散能（E）、天线耗散能（D）显著降低。综上所述，外源EBR能够显著提高NaCl胁迫下燕麦幼苗PSⅡ反应中心的实际光化学效率，有效缓解NaCl胁迫对燕麦幼苗所产生的光抑制和PSⅡ反应中心损伤程度，提高燕麦幼苗的碳同化效率和光合能力，说明外源BRs对盐胁迫下燕麦光合作用起到正向调控作用，能够有效缓解盐胁迫对燕麦幼苗所造成的伤害。

分析谷子成花素基因（Hd3a）在不同光周期条件下的表达规律，旨在揭示成花素基因在光周期调控谷子开花过程中扮演的角色。首先利用生物信息学方法获得位于谷子4号染色体的成花素基因序列（Seita.4G067600），命名为SiHd3a，然后根据基因序列设计1对特异引物，提取谷子农家种黄毛谷总RNA，利用RT-PCR技术克隆得到黄毛谷SiHd3a基因cDNA序列，其长度为792 bp，包含一个537 bp的CDS区，编码178个氨基酸；预测SiHd3a蛋白的分子质量为19.74 ku，等电点为6.82，初步判断其为亲水蛋白；蛋白质的二级结构中无规则卷曲所占比例最高（43.26%），其次为延伸链（β-折叠，29.21%）、α螺旋（16.29%）、β转角（11.24%）；亚细胞定位分析发现，SiHd3a蛋白定位在细胞质和细胞间质；基于Hd3a蛋白序列进化分析发现，谷子与野生黍、玉米、高粱之间的亲缘关系比较近，聚在一组，而与水稻亲缘关系较远。半定量PCR发现， SiHd3a基因在短日照条件下表现为昼夜节律性表达，在早晨6：00、中午12：00各有1个表达峰，而在长日照条件下基因24 h内表现稳定表达水平。推测谷子SiHd3a基因长、短日照条件下昼夜表达模式的差异是导致其光周期敏感性的可能原因。

谷子叶色突变体是探究叶绿体发育机制和C4光能利用率的理想材料之一。为了研究谷子叶色突变的分子机制，从谷子主推品种长农35号的甲基磺酸乙酯（EMS）诱变库中筛选鉴定到一个苗期条纹叶突变体wsl2，通过表型鉴定、遗传背景检测和遗传分析，同时利用MutMap方法快速精细定位突变基因，并根据突变位点开发共分离分子标记等方面对该突变体进行研究。结果表明， wsl2在苗期表现为条纹叶表型，但从拔节期开始恢复为正常叶片表型； wsl2与野生型遗传背景相同且wsl2受一个隐性核基因控制；MutMap精细定位的关联区间内包含9个非同义突变基因，其中， Seita.9G561800是一个编码与叶绿体相关的PsbP蛋白基因，含有6个外显子和5个内含子，在第1外显子77 bp处发生G/T碱基突变，导致一个精氨酸（R）突变成亮氨酸（L）。根据突变碱基设计了dCAPS标记MRI498-1（Cac8 Ⅰ）和共分离标记MRI501-3，进一步验证了wsl2突变体的候选基因突变位点。研究鉴定了一个新的条纹叶突变体wsl2，对PsbP基因光合作用反应机制的进一步研究奠定了理论基础，丰富了谷子叶色突变体资源，同时验证了MutMap方法克隆谷子突变基因的有效性。

为探究青贮饲用高粱对肉牛生长性能及血液指标的影响，综合考虑各种青贮饲用高粱的营养搭配是否满足肉牛营养需要，以期推动中国现代肉牛经济发展。以安格斯3代阉牛为试验牛，以BJ0603青贮饲料作为基础饲粮，每个日粮处理组挑选3头牛进行屠宰分割，测定生长性能及血液指标。结果表明：青贮饲用高粱饲喂育肥肉牛，通过对肉牛血液指标的检测，发现对其肝脏功能、脂类的代谢及电解质水平等均没有不利影响。50%青贮高粱和50%青贮玉米混合青贮饲喂效果较好，不仅能增加肉牛机体对能量的利用率且对肉牛肾脏功能无不利影响。

WRKY是参与植物生长发育与抗逆反应的一类转录因子。为了解谷子中SiWRKY03基因的功能，利用生物信息学软件分析了其生物学特征，采用Real-time PCR技术检测了SiWRKY03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。结果表明，SiWRKY03基因的开放阅读框全长为1 137 bp，编码378个氨基酸，预测分子质量为39.73 ku，理论等电点（pI）为5.91，含有1个WRKY保守结构域。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，SiWRKY03与糜子（RLM93064.1）和哈氏黍（PAN29607.1）的氨基酸序列同源性最高，为99%。组织表达分析表明，该基因在谷子根、茎、叶和穗中均有表达，其中根中表达量最高，穗中表达量最低，与转录组数据一致。在谷子响应锈菌胁迫反应的120 h内，SiWRKY03基因在抗病反应的12，36 h上调表达，而感病反应过程中无显著性变化，推测SiWRKY03在谷子抗锈病反应中起正调控作用。上述试验结果为进一步研究SiWRKY03基因功能与抗病机制奠定理论基础。

糖转运蛋白（Sugar transporter protein，STP）基因家族在植物单糖分配中具有重要作用，并参与植物生长和发育过程中的许多代谢进程。为探究STP基因家族在高粱生长发育中的潜在功能，对高粱STP基因家族进行了全基因组鉴定、分类和组织表达分析。从高粱基因组中共鉴定出19个包含Sugar_tr结构域的STP基因，不均匀分布于9条染色体上，其中有4个基因位于基因组重复区。19个SbSTP根据其系统发育特征可以分为5组，同组的家族成员具有相同或类似的基序类型和排列顺序，但在内含子和外显子数量上存在较大差异。RNA-Seq数据分析显示，至少有18个SbSTP基因可以表达，不同的基因在不同的组织中具有不同的表达模式，其中SbSTP11特异性在花中表达，SbSTP4、SbSTP5在特定组织中受ABA和PEG的诱导表达。为进一步研究单个SbSTP基因的生物学功能，挖掘SbSTP家族的应用潜力奠定了基础。

为揭示控制株高的遗传机理，为开展理想株型标记辅助选择育种奠定基础，在海南、洛阳、吉林3个不同种植区光周期条件下调查了98份谷子材料的株高，并对98份谷子材料进行基因组重测序，开展单核苷酸多态性（SNP）位点标记与株高的全基因组关联分析。结果表明：不同光周期条件下谷子株高的变异在58.5~169.3 cm，广义遗传力为0.501，且随着日照时间的延长，谷子株高呈递增的趋势。基因组重测序获得了4 482 208个高质量的SNP位点，主成分分析将98份谷子材料分为3个亚群，连锁不平衡（LD）分析发现谷子基因组LD衰减距离为47.5 kb。全基因组关联分析获得10 703个与株高关联的SNP位点（P<0.000 1），这些位点多在海南种植区短日照条件下检测到，且集中于1号染色体上，只有1号染色体上3个关联SNP位点（SNP_13861443、SNP_14872616、SNP_18601830）能在海南、洛阳2个种植区光周期条件下稳定检测到，说明谷子1号染色体存在海南、洛阳种植区短日照和中日照条件下控制株高的数量性状位点（QTL）。在关联SNP位点候选区域发现3个候选基因，推定为成蛋白的基因（LOC_101783280）在外显子区检测到一个SNP位点（SNP_14876527），推测该基因可能为控制谷子株高的主要候选基因。

为解析谷子磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC，Phosphoenolpyruvate carboxylase）在非生物逆境胁迫下的响应特征。从谷子基因组中鉴定出一个SiPEPC（Seita.1G020700）基因，利用相关软件对其氨基酸序列、蛋白特征、功能、信号途径、顺势应答元件等参数特征进行分析和预测，随后分析了该基因在幼苗期逆境胁迫下的动态表达模式及在拔节期、抽穗期、灌浆期不同光照处理和干旱胁迫下的表达。结果表明，该基因位于谷子1号染色体，基因组序列长6 652 bp，编码965个氨基酸，基因无可变剪切、不含内含子；功能域分析显示，该基因含PEPC基因的特征结构域；多序列比对发现，该PEPC蛋白与其他植物PEPC蛋白非常相似，具有非常保守的序列结构。实时荧光定量PCR分析表明，SiPEPC（Seita.1G020700）在ABA、低温、PEG、高盐胁迫下表达量均有所上调，其中，在ABA处理时，表达量呈现波动，在12 h被诱导达到峰值。在低温处理时，表达量持续上升，在24 h达到峰值；在PEG和NaCl处理时表达量整体呈上升趋势，均在12 h达到峰值，在24 h其表达量均急剧下降。进一步研究表明，SiPEPC基因在拔节期和抽穗期正常光照强度下参与了对干旱胁迫的响应，推测SiPEPC（Seita.1G020700）基因参与了谷子对非生物逆境的应答，可能在干旱和其他逆境胁迫信号途径中起关键作用。

为了快速检测谷子种子携带线虫情况并了解不同地区线虫种群的多态性，利用PCR技术对采集自中国谷子主产区不同区域内的99份谷子种子的带线虫情况进行了检测，并分析其不同地区线虫种群的遗传多样性。结果表明，根据贝西滑刃线虫核糖体28S rRNA-D2/D3片段设计的引物对谷子线虫具有高度的特异性和灵敏性，扩增出245 bp的特异性目的片段，对谷子线虫的检测浓度最低为0.125 ng/μL。在99份谷子种子DNA中，有33份种子检测到特异性扩增条带，测序结果表明，所有扩增条带对应序列与线虫28S rRNA序列的相似性达97%以上，进一步说明33份种子携带线虫。重复试验结果表明，阳性种子的带线虫频率介于33.3%~100%，且带线虫的谷子种子主要来自春谷区。分析33份阳性样品的28S rRNA片段序列，存在29个变异位点和22种单倍型，其中单倍型AB1为优势单倍型，河北张家口市和内蒙古松山区两地线虫的单倍型遗传多样性最丰富。本研究建立了一种特异性好、灵敏度高的检测谷子种子带线虫的一步PCR方法；谷子线虫病是夏谷区的主要病害，随着谷子春夏谷区的交流，线虫病成为春谷区病害，种子带病可能是主要初侵染源；不同地理来源的线虫28S rRNA序列存在差异，AB1为优势单倍型。

对光周期敏感是导致谷子生态适应性狭窄、生产上缺少跨区大品种的重要原因，鉴定谷子光周期敏感性相关联QTL位点是进一步揭示敏感形成遗传机制的基础。首先在长日照地区（河南省洛阳市）和短日照地区（海南省乐东县）对45份谷子品种进行抽穗期表型性状调查，并根据两地的抽穗期差异计算出光周期敏感值，最后进行SSR标记与光周期敏感性的关联分析。结果表明，40个SSR标记在45个谷子品种中共检测到150个等位基因，平均每个引物有3.75个等位基因，其中引物b200和b124的等位基因数目最多，均为6个。利用SSR标记对45份谷子材料进行群体遗传结构分析得到最佳K值为3，即将其划分为3个亚群：其中第1亚群有5个品种，第2亚群有16个品种，第3亚群有21个品种，而剩下的3个品种则不能划分到任何一组，成为混合群。连锁不平衡分析表明，40个SSR标记间不存在明显的连锁不平衡结构。SSR标记与光周期敏感性的关联分析检测到b200（SSR8）和b127（SSR35）2个位点与光周期敏感性关联（P<0.05）。

为加快燕麦分子辅助育种进程，以1981-1983年进行抗旱性鉴定的42份燕麦种质（18份低抗、13份中抗、11份高抗）和12个未鉴定的燕麦育成品种为试验材料，采用Pst Ⅰ/MspⅠ双酶切的dd-GBS基因分型技术构建燕麦简化基因组参考序列，通过Stacks、主成分分析、Fisher Test和Blast分析研究燕麦SNP分子标记。测序结果表明，燕麦个体的高质量reads数在4 111 218～19 019 296，利用Stacks软件成功组装753 325条燕麦简化基因组参考序列，共注释74 657个群体SNP位点。主成分分析表明，燕麦SNP基因型大致聚为2簇，其中一簇主要由14份低抗种质组成，另一簇则包含全部11份高抗种质。进一步的Fisher Test差异显著性统计分析表明，相对于燕麦低抗种质材料，共有2 937个SNP标记在燕麦高抗种质材料中差异显著（（错误发现率False Discovery Rate，FDR）<0.05），其中，55个SNP标记差异极显著（FDR<0.001）。将上述55个SNP标记所在源序列与小麦基因组序列在Phytozome数据库中进行比对（Blast）发现，14个SNP位点可能参与燕麦抗旱生物学信号通路基因的表达，其中包括参与植物激素信号转导来调控燕麦的抗逆性。通过GBS技术成功组装的燕麦简化基因组参考序列，丰富了当前燕麦的基因组数据库。通过统计学分析得到的55个SNP标记与小麦基因组数据库进行比对，结果发现，14个SNP标记将对燕麦分子辅助育种和加速育种进程具有重要的指导意义，更可为今后的燕麦种质资源大规模快速筛选奠定技术基础。

通过对高粱F₂群体农艺性状进行数量遗传分析，确定各性状的最适遗传模型并掌握其遗传规律，为田间选育遗传稳定的农艺性状提供参考。以粒用高粱品种忻粱52和美引-20的杂交F₂分离群体为试验材料，根据单个分离世代群体的遗传模型方法-主-多基因遗传分析模型对F₂世代6个数量性状进行遗传分析。结果表明，6个农艺性状中株高、穗柄长、主茎茎节数、平均茎节长符合遗传模型，受主效基因控制；而穗长和旗叶鞘长不存在主基因，受微效多基因遗传。株高符合Model B_1，受2对主基因控制，为加性-显性-上位性混合遗传模型，主基因遗传率为88.65%；穗柄长和主茎茎节数符合Model A_1，为受1对主基因控制的加性-显性混合遗传模型，遗传率分别为61.58%和68.94%；平均茎节长符合Model A_4，受1对主基因控制，符合负向完全显性遗传模型，主基因遗传率为49.24%。株高、穗柄长和主茎茎节数的主基因遗传率较高，说明这3个性状在后代遗传中受环境影响较小，遗传较稳定，可以在育种早代直接进行选择；而平均茎节长的遗传率较低，说明该性状在后代中遗传不稳定，受环境影响较大，需在育种高代进行选择。

为探究氮素对饲用燕麦叶片衰老特性的影响，在科尔沁沙地，以燕麦为材料，于苗期、分蘖期、拔节期、抽穗期按照15%，40%，25%，20%比例，对燕麦追施0（CK），70，140，210，280 kg/hm²纯氮，检测灌浆期燕麦叶片的叶面积、叶绿素含量、可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性及膜脂过氧化程度。结果表明：追施氮肥对延缓叶片衰老、提高功能叶作用时间和效率有明显作用。在一定范围内随着施氮量的增加，饲用燕麦的叶面积、叶绿素含量均显著提高，可溶性蛋白含量增加，而MDA含量明显降低，SOD活性显著下降，POD活性和CAT活性显著增强，延缓叶片的衰老进程。当施氮量超过210 kg/hm²后，继续增施氮肥旗叶叶面积、叶绿素含量及可溶性蛋白含量均明显下降，且不能持续提高花后叶片POD和CAT活性，但SOD活性显著增强，MDA含量显著升高。试验亦表明，清除植物体内氧自由基并非单一的酶作用结果，取决于SOD、POD、CAT保护酶系协同作用，在科尔沁沙地追施210 kg/hm²氮肥，饲用燕麦叶片抗衰老能力最强。

分蘖是与农作物产量相关的重要农艺性状之一，分蘖对于谷子产量的提高具有重要意义，但是目前谷子分蘖遗传分子机制还不清楚。利用简化基因组测序技术（RAD-seq），以2个F₂群体（命名为Cross AJ和Cross HC）为研究对象，分别对2个F₂群体的543个和131个单株及其亲本进行RAD-seq，利用MSTmap和WinQTLCart 2.5软件进行遗传图谱构建和QTL分析，结果共鉴定出8个控制分蘖相关的QTL。其中，利用Cross AJ共鉴定了6个QTL，分别为qAJTN1、qAJTN5、qAJTN7-1、qAJTN7-2、qAJTN7-3和qAJTN9，可解释表型变异0.7%~9.8%；利用Cross HC群体共鉴定了2个QTL，分别为qHCTN5和qHCTN7，可解释表型变异1.4%~8.3%。在这8个QTL中，qAJTN1、qAJTN5、qAJTN7-2、qAJTN9和qHCTN5为该研究新鉴定的位点，其余3个QTL（qAJTN7-1、qAJTN7-3和qHCTN7）与前人研究结果相一致。另外，通过将亲本的测序结果与参考基因组进行比对，搜索插入缺失位点InDel（Insertion-deletion），新开发了谷子分蘖相关QTL（qAJTN7-3和qHCTN7）紧密相关的InDel标记。结果为谷子分蘖机制的研究奠定一定基础，所开发的分子标记对于分蘖型谷子的分子标记辅助育种具有重要意义。

探索不同生育期叶面喷施外源硒对谷子品质指标、籽粒硒含量的影响，明确谷子外源硒的最佳施用期，为富硒谷子的栽培种植提供科学依据。以3个不同生态型谷子，春谷长农35、夏谷冀谷20、抗除草剂杂交谷晋谷50为试验材料，田间试验采用随机区组设计，设置喷施清水为对照（CK），在苗期、抽穗期、灌浆期叶面喷施Na₂SeO₃ 67.84 g/hm²，研究各关键生育期在喷硒条件下，谷子不同生态型品种的品质性状、籽粒硒含量以及硒的累积、转运的影响。结果显示，不同生育期叶面喷硒处理均可以改善谷子品质，参试品种尤以灌浆期喷施硒对谷子品质性状改善最佳，晋谷50、冀谷20、长农35的赖氨酸含量分别增加0.03，0.05，0.02百分点，叶酸含量增幅分别为2.4%，7.5%，5.5%，灌浆期喷硒处理粗蛋白与对照间差异达到极显著（P<0.01），不同生育期叶面喷施亚硒酸钠，谷子籽粒含硒量均有提高，硒含量增加趋势为灌浆期 > 抽穗期 > 苗期 > 对照（CK），灌浆期喷硒处理谷子籽粒硒含量平均增加0.250 mg/kg，是对照的8.0~9.9倍；灌浆期为提高谷子有机硒转化率和籽粒硒利用率的关键时期。晋谷50、冀谷20和长农35灌浆期喷硒处理后的有机硒转化率分别比对照提高13，13，10百分点，且与对照间差异显著（P<0.05），与对照相比，灌浆期硒处理后的硒收获指数增幅为5.32，5.82，2.70百分点。灌浆期叶面喷施适量的外源硒是改善谷子品质性状，提高谷子硒含量、有机硒转化率和硒收获指数的最佳叶面喷硒处理时期。

根际土壤微生物在调控土壤根际环境和养分转化中发挥着重要的作用。高粱已被广泛用作饲料且耐瘠薄性较强，探明根际微生物对不同养分的生态响应，可为不同土壤养分条件下高粱的养分管理提供理论依据。以高粱/玉米轮作的长期定位大田试验为基础，结合人工温室的盆栽试验，采用BIOLOG微平板法研究了NPK、PK、NK、NP、CK （无肥处理）5种长期不同施肥条件对高粱根际土壤微生物功能多样性的影响。结果表明，大田试验与盆栽试验的结果一致，PK处理提高了根际微生物的代谢活性，提高了微生物对氨基酸类、羧酸类、胺类、糖类和聚合物的利用，降低了对双亲化合物的利用，其多样性指数、丰富度指数和Simpson （优势度指数）均高于其他处理；NK和NP处理对根际微生物功能多样性的影响不显著，但NK处理降低了培养后期根际微生物代谢活性；CK处理显著降低了根际微生物对碳源的利用能力，其多样性指数、丰富度指数和优势度指数均低于其他处理，均匀度指数高于其他处理。主成分分析表明，大田试验中，NPK和NP处理根际土壤微生物碳源利用能力和类型差异不显著，其余处理间差异显著；盆栽试验中施氮处理NPK、NK和NP利用碳源能力和类型差异不显著，其余处理间差异显著。综上所述，施肥有利于改善土壤微生物特性。高粱根际微生物对氮、磷、钾胁迫的响应不同，氮胁迫时，微生物活性的增强可能是高粱耐氮的原因。

耐盐是高粱重要的农艺性状，耐盐遗传分析对于高粱育种具有重要意义。为选育耐盐高粱新品种、研究耐盐遗传规律，选用耐盐性品种三尺三和盐敏感品种Tx622B杂交得到的482个F₅重组自交系群体为试验材料，采用砂培法进行栽培，对群体的发芽率、苗高、鲜质量和干质量4个性状进行苗期耐盐性的鉴定，利用单世代联合的数量性状分离分析方法来进行高粱耐盐性状的遗传分析。结果表明：耐盐性品种三尺三和盐敏感品种Tx622B亲本间的耐盐性状差异显著，F₅群体材料耐盐性状发芽率、苗高、鲜质量、干质量的相对平均值均在亲本之间，杂交后代存在不同程度的耐盐性变异，符合数量性状遗传；对4个性状耐盐指数进行相关性分析表明，4个性状两两间存在极显著的正相关性；高粱分离群体的相对发芽率、相对苗高、相对鲜质量和相对干质量均呈单峰偏态分布，可进行单世代遗传分析，存在主基因效应；通过遗传模型分析发现，高粱重组自交系F₅群体耐盐性对盐敏感性为显性，高粱耐盐性状遗传符合2对主基因的完全显性（B-5）遗传模型；在B-5模型中，发芽率主基因遗传率为40.94%；苗高主基因遗传率为31.22%；鲜质量主基因遗传率为39.19%；干质量主基因遗传率为63.98%。发芽率、苗高、鲜质量和干质量作为高粱耐盐性评价的主要性状具有较高的遗传力，对于高粱耐盐品种的选择和培育具有深远的意义。

高粱在粮食安全、人类健康和生物能源的开发上具有非常重要的作用，其被认为是二倍体模式化作物和多倍体能源作物甘蔗和芒草类的参考植物，开发高粱多态性分子标记对促进分子遗传学发展及高粱分子标记辅助育种意义重大。以甜高粱与粒用高粱杂交的F₂遗传群体作为研究材料，对其全基因组DNA进行酶切，然后用高通量测序法开发SLAF（Specific-locus amplified fragment sequencing）标签，并经过分析筛选多态性SNP标记。试验过程中测序的reads数达到43 528 021个，母本2 598 472个，父本3 134 524个，子代的reads数为205 083~454 258个，平均为290 732.5个。通过原始数据的评估、聚类和纠错开发 的SLAF标签数，父母本分别为44 895，42 100个。测序深度分别为19.78和16.22，F₂ 群体每个个体的 SLAF 标签为 26 737~39 291个，平均为 33 445.06个，测序深度2.24~3.72，平均为2.79。通过对聚类群中高深度片段的潜在基因型分析，得到了 6 353 个多态性 SNP 标记，其中 5 829 个标记成功分型，占多态性 SNP 标记的91.75%，剔除不适宜作图的标记，剩余有效的 SNP 标记 2 246 个，占有效标记百分比100%，F₂个体的各样品完整度平均为94.99%。所以，对基因组DNA进行酶切和高通量测序，从庞大的reads中获得SLAF标签是得到全基因组SNP标记的有效途径。为高粱高密度图谱构建和QTL定位研究，以及分子标记辅助育种奠定了基础。

克隆谷子雄性不育材料1066A的不育基因，分析不育基因与可育基因存在的突变位点，为揭示谷子雄性不育分子机制、利用分子标记辅助选择方法选育多用途的不育材料奠定基础。利用谷子全基因组测序数据及前人不育基因定位结果克隆谷子雄性不育材料1066A的雄性不育基因，发掘导致不育的突变位点，旨在为从分子水平揭示谷子不育机制、利用分子标记辅助选择方法选育多用途的不育材料奠定基础。首先利用生物信息学方法从豫谷1号6号染色体找到1个雄性不育基因位点（Si015780m.g），该基因全长5 027个碱基，编码479个氨基酸，且位于前人用分子标记定位的基因组区间内。根据豫谷1号不育基因序列设计2对特异引物在雄性不育材料1066A的基因组DNA进行PCR扩增。将扩增产生的2个基因组片段进行拼接后在谷子不育材料1066A中获得2 561 bp的基因序列，包含了下游部分编码区。通过对豫谷1号、张谷、1066A的不育基因部分编码序列及推定的蛋白质序列进行比对分析，结果发现谷子不育材料1066A的不育基因编码序列存在3处突变：2处单碱基替换和1处单碱基插入，这3处突变导致谷子不育材料1066A的不育基因蛋白的第402，403个氨基酸由异亮氨酸和亮氨酸替换成缬氨酸和异亮氨酸，同时导致其不育基因编码的蛋白在第466个氨基酸处发生提前终止。3处突变中2处氨基酸替换对编码蛋白的功能影响不大，因此，认为谷子不育材料1066A的不育基因蛋白翻译提前终止可能是导致其产生不育的原因。

株型性状的遗传分析对高粱育种的理论、方法和策略至关重要。通过对高粱株型性状的遗传规律和基因的作用方式进行分析，旨在为田间选择稳定遗传的优良株型性状提供理论基础。以粒用高粱引-20和忻梁52杂交所构建的F₂遗传群体为试验材料，利用植物数量性状主+多基因混合遗传模型分析方法，对高粱叶夹角、株高、穗长、平均茎节长度、叶长及叶宽6个株型性状进行遗传分析。结果表明，高粱叶夹角遗传符合B_1模型，即加性-显性-上位性的混合遗传模型，其主基因遗传率为70.15%；株高遗传符合B_2模型，即加性-显性混合遗传模型，主基因遗传率为74.26%；穗长遗传符合B_6模型，即等显性遗传模型，主基因遗传率为58.67%；平均茎节长度遗传符合A_1模型，即加性-显性的混合遗传模型，主基因遗传率为68.69%；叶长遗传符合B_1模型，即加性-显性-上位性的混合遗传模型，主基因遗传率为47.92%；叶宽遗传符合B_6模型，即等显性遗传模型，主基因遗传率为61.60%。叶夹角和株高是构成高粱株型的主要性状，并具有较高的遗传力，在早期时进行选择，容易获得具有理想株型的育种材料。

为筛选与高粱抗丝黑穗病基因相连锁的SRAP分子标记，实现实验室内对高粱抗病性的选择鉴定，达到真正意义的分子标记辅助育种。选用高粱感病品种三尺三和抗病品种Tx622B为研究材料，观察了其形态学和农艺性状，筛选了具有多态性的SRAP标记。结果表明：高粱品种三尺三与Tx622B的田间性状有明显的差异，三尺三的株高、茎粗、秆高、地面茎节数、穗长、穗节数、穗粒重和千粒质量均高于Tx622B，穗一级分支数高于Tx622B，而小区穗数低于Tx622B。2个品种产量性状的差异达到极显著的水平。筛选出16对在抗感品种间有多态性的引物，可用于高粱抗丝黑穗病基因研究。将为高粱抗丝黑穗病优良品种的筛选、培育提供研究基础。

探讨谷子成熟种子用不同浓度的EMS诱变处理下的最佳诱变条件，以期为筛选十里香感锈突变体进行基础研究奠定材料基础。以优异抗锈谷子品种十里香为材料，用不同浓度EMS（0，0.8%，1.0%，1.2%，1.5%）处理提前浸种或未浸种的谷子十里香成熟种子16 h，于处理后第3，7天分别测定种子发芽势、发芽率和发芽长度。十里香种子的发芽势与发芽率均随着EMS浓度的升高而降低。当EMS浓度为1.2%和1.5%时，种子发芽率不受提前浸种与否的影响。除此之外，同一EMS浓度处理下，提前浸种比未浸种种子的发芽势和发芽率高。发芽势在EMS浓度1.2%时差异最显著（9.66%），1.0%时次之；发芽率在EMS浓度1.0%时差异最显著（8.66%），1.2%和1.5%时无显著差异。EMS浓度越大，十里香种子的发芽势、发芽率下降幅度越快，EMS浓度由1.2%增加到1.5%时，发芽势与发芽率降幅最大，分别是36.34%~40.33%和44.00%~48.00%；EMS浓度为1.5%时，种子发芽势与发芽率均达到最低值。随着EMS浓度的增加，十里香种子的发芽长度随之变短，以EMS浓度1.5%时芽长的变化最显著。EMS能够显著抑制种子的萌发，浓度越大，抑制效果越明显。以十里香种子发芽率50.00%为标准，提前浸种或未浸种条件下，1.2%为EMS诱变最适宜浓度。

为响应国家控制农业面源污染及普及春播早熟区谷子轻简高效栽培技术，掌握大同29号群体结构动态变化和氮肥高效利用，采用追氮密度裂区试验。结果表明：在本区域有条件的谷子种植区，在基肥的基础上，应该在拔节期间进行追施氮肥，追施量以纯氮120~135 kg/hm²为最佳。种植密度在水地条件下不宜稀植，种植密度应该为33~36万株/hm²。随追氮水平的增加（N1-N4）产量增加、茎粗变粗、穗长增长、生物产量提高、穗重增加、穗粒重增加，到了N5水平均呈下降趋势。随种植密度的增加（M1-M4）产量持续增加、茎粗变细、穗长变短、生物产量减少、穗重减轻、穗粒重降低，株高变化不规律。追氮水平与种植密度互作效应不明显。SPAD值与产量、追氮水平存在显著相关关系，与种植密度相关性不强。春谷早熟区谷子栽培中合理的群体结构和适宜的追氮量是轻简高效高产的重要因素。

为明确不同形态氮素对谷子幼苗叶片光合能力的影响，为谷子合理施用氮肥提供科学依据，研究了在低氮条件下施用硝态氮（NO₃^--N）、铵态氮（NH₄⁺-N）以及硝酸铵（NH₄NO₃）处理下谷子幼苗的生长及叶片PSⅡ光合性能。结果表明，施用不同形态氮素均明显促进了谷子幼苗的生长，但在NO₃^--N和NH₄NO₃处理下谷子幼苗叶片的PSⅡ反应中心活性、电子传递效率及光合作用能力均明显高于NH₄⁺-N处理，而NH₄NO₃仅稍低于NO₃^--N处理。NH₄⁺-N处理下谷子幼苗叶片Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、PI_total和PI_ABS等均明显低于NO₃^--N和NH₄NO₃处理，并且与CK相比无明显差异，即施用单一NH₄⁺-N没有起到低氮胁迫下提高谷子幼苗PSⅡ性能的作用。NO₃^--N和NH₄NO₃处理下V_J、V_I和V_K均较CK有不同程度的降低，而NH₄⁺-N处理与CK无差异，说明NO₃^--N和NH₄NO₃处理促进了谷子幼苗叶片PSⅡ电子供体侧OEC活性，并且促进了PSⅡ电子受体侧的电子传递能力。不同处理下谷子幼苗叶片V_L无显著差异，说明谷子幼苗叶片的类囊体结构对低氮并不敏感。因此，在氮素贫瘠地区谷子施用氮肥应以NO₃^--N为主，或NO₃^--N和NH₄⁺-N配合施用，避免单一NH₄⁺-N的施用。

为深入研究液泡膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白在植物耐盐中的作用，以耐盐苦荞麦品种川荞1号为材料，利用同源克隆方法得到NHX基因，命名为FtNHX1，并在GenBank中注册，登录号为KY438929；序列分析表明，该基因开放阅读框1 662 bp，共编码553个氨基酸，预测蛋白分子量61.24 kDa，等电点5.15。系统进化树分析表明，FtNHX1与拟南芥（AtNHX1）、水稻（OsNHX1）和小麦（TaNHX1）的亲缘关系较近，氨基酸同源率分别为60.22%，58.95%和57.30%；荧光定量PCR分析表明，随着NaCl胁迫浓度的增加，FtNHX1基因在苦荞麦根部、茎基部和叶片的相对表达量极显著增加，150 mmol/L NaCl胁迫下增加幅度最大，分别比对照增加了254.10%，311.35%和256.18%；NaCl胁迫下FtNHX1基因在苦荞麦根部、茎基部和叶片的平均表达量分别比对照增加了109.46%，145.67%和155.94%，茎基部和叶片的平均表达量较高，说明苦荞麦FtNHX1基因的表达明显受盐胁迫诱导和调节，FtNHX1基因与苦荞麦的耐盐性有密切联系。

为了掌握甜荞麦适宜施氮量，研究不同供氮水平对甜荞麦干物质和养分积累及分配影响的规律。采用田间小区试验的方法，设置5个氮素水平N₀、N₁、N₂、N₃和N₄（0，30，60，90，120 kg/hm²），研究了甜荞麦不同器官干物质和养分积累量及分配比例的变化。结果表明，甜荞麦干物质积累总量随着施氮量的增加呈先增后降的趋势，N₂处理干物质积累总量最大，但N₃处理籽粒中干物质积累量和分配比例最大。荞麦籽粒氮、磷和钾含量随着氮肥用量的增加先增后降，N₃处理籽粒中氮、磷、钾养分含量最大；增加施氮量可提高氮、磷和钾在籽粒中的分配比例，但会降低它们在茎和叶中的分配比例。甜荞麦生产100 kg籽粒平均需吸收N 7.09 kg、P₂O₅ 4.15 kg、K₂O 8.74 kg，养分比例为1：0.59：1.24，养分生产效率随着氮肥用量的增加先增后降，N₃处理的氮磷钾养分生产效率均达最高。随着氮肥用量的增加，氮磷干物质生产效率先增后降而后又上升，钾的干物质生产效率逐渐上升，N₄处理的氮磷钾干物质生产效率均达最高。综合考虑干物质和养分积累及分配因素，施氮量90 kg/hm²为甜荞麦适宜氮肥用量。