OFP是一类植物特有的转录因子,在调控植物器官形态建成和响应非生物胁迫等过程发挥重要作用。为了研究大豆OFP转录因子家族成员特征及其在干旱胁迫和盐胁迫中的作用,运用生物信息学方法对大豆OFP家族成员进行鉴定和分析。结果表明:在大豆中共鉴定到41个GmOFP基因,命名为GmOFP-1~GmOFP-41;这些基因不均匀地分布在大豆19条染色体上,编码152~414个氨基酸;亚细胞定位预测大豆OFP蛋白主要定位在细胞核、叶绿体、线粒体中;在大豆OFP蛋白中共鉴定到10个保守基序,其中保守基序1和2存在于所有OFP成员中;系统发育分析将大豆和拟南芥OFP蛋白分为5个亚家族Class Ⅰ~Class Ⅴ,其中大豆OFP家族基因主要分布在Class Ⅰ和Class Ⅲ中;共线性分析发现,大豆基因组OFP成员中有75对基因存在共线性关系,4对基因存在串联重复,仅有2个基因GmOFP-2和GmOFP-39没有共线性关系,表明基因片段复制是导致大豆OFP家族成员增多的主要原因。通过qRT-PCR方法分析了GmOFP基因家族成员在干旱胁迫和盐胁迫处理下的表达模式,结果表明:与对照相比,41个GmOFP基因中有16个GmOFP成员在干旱处理后基因表达水平表现出显著差异,其中GmOFP-15、GmOFP-17、GmOFP-32显著上调表达,GmOFP-4、GmOFP-5、GmOFP-6、GmOFP-9、GmOFP-12、GmOFP-21、GmOFP-23、GmOFP-25、GmOFP-26、GmOFP-27、GmOFP-38、GmOFP-39、GmOFP-40显著下调表达;有8个GmOFP成员在盐处理后基因表达水平表现出显著差异,其中GmOFP-7、GmOFP-14、GmOFP-31、GmOFP-32、GmOFP-36、GmOFP-40显著上调表达,GmOFP-1、GmOFP-15显著下调表达。综上所述,大豆OFP基因家族在应对干旱胁迫和盐胁迫中可能具有重要功能。

植物的生长和生产面临各种生物和非生物胁迫,其中盐胁迫严重影响植物的正常生长发育、品质和产量形成。植物在长期的演化过程中,进化出了适应盐胁迫的形态结构、生理生化反应和遗传基础。在形态结构上,耐盐植物的叶片具有蜡质层、气孔密度低于盐敏感植物,另外具有泌盐或者阻断功能的盐腺、毛状体、盐囊泡、凯氏带等结构;在生理活动调节方面,一方面耐盐植物具有高的酶促和非酶促抗氧化物质,如SOD、CAT、酚类物质等,另一方面耐盐植物具有较高的渗透调节物质含量,或者在盐胁迫下可以合成渗透调节物质,包括有机物质可溶性蛋白和糖以及无机盐离子等;在分子机理方面,SOS途径是研究得最为清晰的离子调控途径,通过SOS1、SOS2和SOS3协同作用维持细胞内Na⁺/K⁺平衡;此外,植物激素及碳代谢途径在植物耐盐过程中亦具有重要作用。本研究通过综述植物耐盐研究进展,探讨耐盐植物在形态结构、生理基础、遗传分子基础和转基因手段在响应盐胁迫的潜在研究重点和方向,有助于研究人员快速找到切入点,逐步完善植物的耐盐机理体系,加快耐盐植物的高效利用。

旨在明确外源甜菜碱(GB)对高温干旱复合胁迫(TD)下玉米幼苗叶片抗氧化系统及光合系统的调控机制,为缓解作物极端环境胁迫提供理论依据。以先玉335为材料,于三叶一心期对叶片喷施用不同浓度(0,50,100,200,400 mmol/L)GB溶液,24 h后,通过人工气候箱模拟高温(昼/夜温度40 ℃/28 ℃)并利用20% PEG-6000诱导中度干旱构建复合胁迫环境,探讨GB对TD下玉米幼苗叶片抗氧化系统及光合作用的调控效应。结果表明,100 mmol/L GB显著促进植株生长,与TD处理相比,玉米株高、叶面积、茎叶及根系干质量分别增加27.48%,27.45%,28.33%,78.26%,根冠比提高14.91百分点。在胁迫后5 d,100 mmol/L GB显著增强了抗氧化酶活性,其中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性分别显著提升69.09%,69.02%,41.81%;同时,丙二醛(MDA)、超氧阴离子($\mathrm{O}^{\bar{.}}_{2}$)和过氧化氢(H₂O₂)含量分别降低21.92%,6.50%,25.33%。此外,可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)含量分别提升31.69%,18.98%。光合特性分析显示,GB可有效改善叶绿体基粒和基质类囊体的片层系统结构,从而显著提升复合胁迫下叶片的SPAD值,并减轻胁迫对光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心的损伤,具体表现为初始荧光(F0)降低,可变荧光(Fv)和最大荧光(Fm)提高。此外,通过缓解复合胁迫引起的气孔与非气孔限制,100 mmol/L GB处理显著提升了叶片的光合性能,使胁迫后5 d的净光合速率(Pn)增加24.14%。综上,高温干旱复合胁迫下,外源GB可通过提高抗氧化酶活性和细胞渗透调节能力来保护光合系统,从而缓解胁迫伤害并促进玉米幼苗生长。

阐明叶面肥不同施氮量对玉米氮素积累转运利用的影响。试验时间为2021—2022年,采用随机区组设计,以玉米品种利禾1号为研究对象,设置不施肥处理(CK)、常规根部施肥处理(CF)、叶面减氮20%处理(LF1)、叶面常规施氮处理(LF2)、叶面增氮20%处理(LF3),分析叶面氮肥不同施用量与不施肥及常规根部施肥对玉米氮素积累转运利用的差异。结果表明,玉米茎氮素积累量和叶氮素积累量随生育期的推进呈先升高后降低的趋势,于抽雄吐丝期达到最大值。单株氮素积累量随生育期的推进逐渐升高,于成熟期达到最大值,LF2处理的单株氮素积累量最高。吐丝期前叶片中氮素分配占比最高,吐丝期后籽粒氮素分配占比逐渐升高,于成熟期达到峰值;CK的籽粒氮素积累占比最低,2021年LF1处理的籽粒氮素分配占比最高,2022年LF3处理的籽粒氮素分配占比最高。氮素转运率和氮素转运对籽粒的贡献率随施氮量的增加先升高后降低,氮素收获指数、氮素利用率随施氮量的增加而降低;2021,2022年LF1处理、LF2处理、LF3处理的氮素利用效率均高于CF处理,且LF1处理的氮素利用率最高。2 a叶面施氮处理的氮素吸收效率均高于CF处理。各处理的穗长、穗粗、穗行数无显著差异,CK的秃尖长最长,各施氮处理的行粒数和百粒质量均大于CK,CF处理的生物产量最高,LF1处理的籽粒产量和收获指数最高,各处理的籽粒产量显著高于CK,收获指数随施氮量的增加而降低。因此,在内蒙古中西部地区玉米以LF1叶面施氮处理下能获得较好的生长效果。

草甘膦是目前使用最广泛的广谱灭生性除草剂,培育耐草甘膦作物将有助于改善农田杂草化学防控效果、减少用药量和简化防控措施。为充分挖掘小麦耐草甘膦基因位点,利用来自黄淮麦区的484份种质资源进行草甘膦耐药性鉴定,根据小麦15K SNP芯片数据,采用全基因组关联分析的方法,挖掘与小麦草甘膦耐药性相关QTL。结果显示,不同年代培育的小麦品种草甘膦耐药性的变化趋势缓慢,草甘膦耐受性未显著提升;根据表型鉴定结果,筛选出黄淮麦区耐草甘膦小麦种质材料3份,即河农130、冀麦782和泰山23号;利用全基因组关联分析方法,检测到与小麦草甘膦耐药等级显著相关的QTL 7个,包含19个显著性SNPs,分布于小麦1A(0.00~30.48 Mb)、1B(6.57~30.57 Mb)、1D(0.00~22.98 Mb)、4A(656.09~680.09 Mb)、5A(508.19~532.19 Mb)、6A(54.56~85.09 Mb)和6D(12.02~36.02 Mb)染色体上;位于小麦1A和6A染色体上的2个QTL qGlyT-1A和qGlyT-6A是小麦耐草甘膦的主效位点,共包含16个可能与小麦耐草甘膦相关的基因。

为探明施氮量对花后弱光胁迫下软质小麦氮素吸收与转运特性、氮肥利用效率及产量品质形成的影响机制,在盆栽条件下,以软质小麦品种荃麦725(QM725)为材料,采用¹⁵N示踪法,试验共设置2个氮素水平,即N1(N 120 kg/hm²)、N2(N 180 kg/hm²),每个施氮水平下于小麦灌浆期(开花后7~35 d)设置2个遮光处理,即CK(不遮光),SH(遮光30%)。分析施氮量与花后弱光条件下软质小麦籽粒产量和品质之间的形成关系,研究不同氮肥用量对花后弱光条件下软质小麦氮素积累、转运及籽粒产量与品质的影响。结果表明,与对照相比,N1和N2条件下,花后弱光处理显著降低了开花期植株以及成熟期营养器官氮素积累量,且来源于肥料氮的比例显著高于土壤氮,而成熟期籽粒氮素积累量来源于土壤氮的比例显著高于肥料氮,其肥料氮在相同施氮量条件下,基施氮肥比例大于追施氮肥。在相同弱光处理条件下,N2较N1相比,提高了开花期肥料氮积累量、成熟期总氮与肥料氮积累量和成熟期籽粒总氮、肥料氮与土壤氮积累量。在N1和N2处理水平条件下,随着花后光照强度的降低,小麦氮素收获指数、氮肥收获指数、氮肥生产效率、穗粒数、千粒质量和籽粒产量均显著下降。软质小麦籽粒蛋白质、淀粉含量及其积累量随着氮肥用量的增加显著提高。但在相同施氮量条件下,弱光胁迫降低了籽粒淀粉含量、蛋白质和淀粉积累量。花后弱光胁迫显著影响了软质小麦植株氮素积累,降低了小麦花后营养器官贮藏物质向籽粒的转运效率,导致营养器官对籽粒的贡献率降低,从而不利于植株整体的氮素转运效率。随着施氮量的提高,小麦的氮素收获指数、氮肥收获指数、氮肥生产效率及氮素利用效率均显著提升。在相同施氮量N1和N2处理条件下,花后弱光胁迫显著降低了软质小麦籽粒蛋白质和淀粉积累量,进而影响了粒质量的形成,从而导致产量降低。

捕光叶绿素a/b结合蛋白在植物光合进程及非生物胁迫响应中发挥着重要的作用。为了研究陆地棉GhLhcb2A1基因特征、表达特性以及在低温和干旱响应中的功能,以冀棉262叶片cDNA为模板进行PCR扩增,获得了GhLhcb2A1基因的CDS全长,通过生物信息学分析了基因及其编码蛋白的基本特征,利用qRT-PCR技术检测了基因的组织表达特性以及低温和干旱响应表达模式,采用病毒诱导的基因沉默技术验证了GhLhcb2A1基因在低温和干旱响应中的功能。研究结果表明,GhLhcb2A1基因CDS全长为798 bp,编码265个氨基酸。GhLhcb2A1在叶片中高表达,在低温和干旱处理的叶片和根中显著上调表达,并在低温和干旱处理3 h的叶片中达到最大值,分别是对照叶片中的17.42,30.03倍,在低温处理6 h和干旱处理12 h的根中达到最大值,分别是对照根中的11.65,65.04倍。亚细胞定位结果表明,GhLhcb2A1蛋白在细胞叶绿体中表达。GhLhcb2A1基因沉默植株与对照植株相比,低温和干旱处理造成的植株失水干枯等表型更严重,叶片积累的丙二醛含量显著升高,脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性则显著降低,说明GhLhcb2A1基因沉默植株对低温和干旱胁迫的抵抗力降低。以上研究表明,GhLhcb2A1基因在低温和干旱响应中发挥正调控的作用。

泛素化途径是植物响应干旱胁迫的关键信号途径之一。为明确E3泛素连接酶TaSINA101基因响应干旱胁迫的生物学功能,以小麦抗旱优异品种晋麦47为材料,克隆TaSINA61、TaSINA101和TaSINA105基因,利用生物信息学手段分析其序列特征,通过qRT-PCR检测3个基因在PEG-6000、NaCl、低温和ABA处理下小麦根和叶中表达量的变化。通过转基因水稻异源表达TaSINA101,分析TaSINA101响应干旱胁迫过程中的生物学功能。结果表明,TaSINA61、TaSINA101、TaSINA105基因均包含1个内含子和2个外显子,编码的蛋白质均由282个氨基酸组成,启动子区主要包含生长发育调控元件、激素响应元件和逆境胁迫响应元件。qRT-PCR表达分析显示,这3个基因在根和叶中均受干旱胁迫等各种非生物胁迫诱导表达。干旱胁迫处理TaSINA101转基因水稻的表型分析发现,转基因水稻株系OE-1、OE-2和OE-3叶片的鲜质量及干质量、最大根长、根系平均直径和叶片相对含水量各项指标均显著低于野生型,而转基因水稻株系OE-1、OE-2叶片相对电导率则显著高于野生型。因此,TaSINA101负调控水稻的干旱胁迫耐受性,为深入解析小麦TaSINA101基因的生物学功能提供了依据。

为了明确氮肥减量后移对黄淮海平原麦-玉两熟体系生产力的调控效应,于2020年6月至2023年6月在山东省农业科学院济南济阳试验基地设置夏玉米、冬小麦周年氮肥试验,分析了传统农户处理(F₄₀₀,周年施氮400 kg/hm²)、周年减氮10%(FN)、周年减氮20%(FH)、周年减氮30%(FL)4种氮肥处理对麦-玉两熟体系籽粒产量、地上部氮素积累特性、氮肥利用效率、收获后0~200 cm 土层土壤硝态氮积累特性的影响,为进一步优化黄淮海平原施氮制度提供依据。结果表明,氮肥后移提高了氮肥减量条件下夏玉米、冬小麦和周年总产,与F₄₀₀和FN处理相比,FL处理3 a均值分别显著提高9.2%~18.1%,13.5%~20.5%,11.1%~19.1%。氮肥后移量改善了麦-玉两熟体系各生育阶段地上部植株氮素积累强度,促进了地上部植株氮素的积累,3 a均值夏玉米季吐丝和成熟期植株氮素积累量FL较F₄₀₀、FN、FH分别显著提高5.7%~12.3%,5.0%~12.8%,籽粒氮素积累量显著提高8.2%~17.2%;冬小麦季,拔节、开花和成熟期FL与FH处理连续3 a地上部氮素积累量显著高于F₄₀₀和FN处理,3 a均值分别提高23.4%~28.1%,20.7%~26.3%,12.6%~20.8%,籽粒氮素积累量FL较F₄₀₀、FN和FH处理分别显著提高16.4%,15.0%和5.8%。优化施氮制度能够改善麦-玉两熟体系氮肥利用效率,其中,夏玉米和冬小麦氮肥吸收效率3 a均值FL较F₄₀₀、FN、FH处理分别显著提高4.8%~57.7%,32.0%~72.4%;氮肥偏生产力夏玉米FL较F₄₀₀和FN处理分别显著提高68.8%,40.4%,冬小麦季FL较F₄₀₀、FN和FH显著提高38.4%~71.8%。4种施氮处理下夏玉米、冬小麦收获后0~40 cm土层均具有较高的土壤硝态氮富集,其中夏玉米3 a均值分别占0~200 cm土层总积累量的40.0%,38.9%,44.9%,42.5%,冬小麦分别占37.3%,36.9%,46.7%,38.3%;随着种植年限的增加,夏玉米和冬小麦收获后传统农户处理(F₄₀₀)和周年减氮10%(FN)处理0~200 cm土层土壤硝态氮较试验起始时均出现了累积效应,而FL和FH施氮处理下实现了土壤硝态氮残留的相对平衡。可见,周年减氮 30%处理下通过增加氮肥后移量,改善了植株氮素积累特性,实现了夏玉米、冬小麦籽粒产量和氮素利用效率的协同提高,是实现黄淮海平原麦-玉两熟体系籽粒高产、氮肥高效和环境友好的较优施氮制度。

为明确不同形态氮素与镁肥配施对阴山北麓马铃薯的影响,于内蒙古呼和浩特市开展田间试验,设置2种形态氮素(硝态氮、铵态氮)和2个镁肥用量水平(0,45 kg/hm²),共4个处理,分析不同处理对全生育期马铃薯产量及其构成因素、干物质量、氮含量、镁含量、钾含量、氮积累量、镁积累量、钾积累量、氮素养分效率差异的影响。结果表明,与单施硝态氮相比,硝态氮与镁肥配施显著提高了块茎形成期至收获期马铃薯叶干物质量(21.24%~75.60%)、块茎干物质量(22.04%~62.36%),苗期至收获期全株干物质量(32.54%~70.28%),块茎形成期、淀粉积累期、收获期块茎氮积累量(44.01%~69.84%),全生育期全株镁积累量(37.66%~84.21%),块茎形成期至收获期全株钾积累量(24.30%~54.95%),全生育期氮素吸收效率(30.77%~66.67%),收获期氮肥偏生产力(35.13%)。指标间相关性分析显示,全生育期内,马铃薯干物质量、全株氮积累量、全株镁积累量、全株钾积累量与氮素吸收效率呈显著正相关关系(r均大于0.78);收获期,全株钾含量与产量呈极显著负相关关系(r为-0.78)。主成分分析进一步证实,全生育期不同处理间总变异量高度分散,说明不同形态氮素配施镁肥与不施用镁肥相比具有显著差异。该试验结果能够为阴山北麓马铃薯田间氮肥高效利用与氮镁合理搭配提供新策略。

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。

为探究秸秆隔层对盐碱地改良过程中土壤呼吸及有机碳化学结构稳定性的影响,于山东省东营市农高区盐碱地改良试验示范基地设置隔层处理S(35 cm土层处增设5 cm秸秆隔层)和对照处理CK(不设秸秆隔层)2组试验种植苜蓿。通过监测不同处理的土壤呼吸特征,并结合剖面土层土壤pH值、电导率(EC)、有机碳组分含量和化学结构特征进行综合讨论。结果表明:与CK相比,S处理显著提高了苜蓿生长期的土壤呼吸速率,增幅最高可达79.84%;S处理较CK降低了秸秆隔层(35~40 cm)及其上部(0~35 cm)土层的EC,阻导盐分上行;S处理使40~50 cm土层土壤有机碳(SOC)显著增加、颗粒有机碳(POC)和可溶性有机碳(DOC)含量极显著提升,较CK分别提升了16.67%,208.07%,83.41%。40~50 cm土层是土壤有机碳转化的关键土层,对40~50 cm土层土壤有机碳分子结构进行表征发现,S处理较CK降低了DOC中碳的不饱和度(30.60%)和芳香度(4.84%)的加权平均值,降低了DOC中不稳定态碳的占比;S处理增加了POC中烷基碳(10.32百分点)和烷氧碳(8.39百分点)的相对含量,降低了羧基碳(14.24百分点)的相对含量,使POC结构稳定性增强;然而,S处理降低了SOC的烷基碳(3.14百分点)和芳香碳(3.38百分点)占比,增加了烷氧碳(5.17百分点)和羧基碳(1.56百分点)占比,难降解碳比例下降和易降解碳比例上升,使SOC的结构稳定性降低。由相关性分析可知,土壤呼吸的显著增加与关键土层POC和SOC含量分别呈极显著和显著正相关关系,而SOC化学组成中的烷氧碳(易降解碳组分)的增加,使有机碳稳定性降低,是导致土壤呼吸升高的主要原因。综上,增设秸秆隔层在短期内显著提高了土壤呼吸,这与关键土层有机碳化学结构稳定性的降低密切相关,在未来“碳中和”策略下应考虑隔层材料的筛选研究及其长期效应。

旨在基于代谢组与转录组联合分析,阐明不同颜色鲜食玉米籽粒花青素的组分差异及其分子调控机制,为彩色鲜食玉米分子育种提供候选基因与理论依据。以白色WN2000、黄色HN、彩色CN1和黑色HTN188为材料,综合采用代谢组学鉴定花青素相关代谢物并筛选差异代谢物,结合转录组测序获得差异表达基因(DEGs),通过GO注释与KEGG通路富集解析代谢—基因关联,并在花青素生物合成通路中挖掘关键结构基因与转录调控因子。结果表明,代谢组共鉴定49种花青素类代谢物,HTN188中矢车菊素、芍药素和天竺葵素等主要花青素显著积累,表现出更强的色素沉积特征。转录组共获得12 557个DEGs,其中F3H、DFR、UFGT等结构基因及MYB、bHLH等转录因子在高花青素品种中显著上调。相关性分析显示,基因Zm00001d011438的表达量与总花色素苷含量呈显著正相关,提示其可能在籽粒花青素积累中发挥关键作用。综上,基于代谢组与转录组联合分析,描述了不同颜色鲜食玉米籽粒花青素组成及相关基因表达差异,筛选出与花青素生物合成通路相关的结构基因、转录因子及候选基因Zm00001d011438,为后续功能验证与遗传改良研究提供参考。

为了探讨干旱和品种对小麦灌浆期旗叶下午净光合速率(Pn)、光合关键酶活性和产量的影响,2019—2021年度在池栽全生育期遮雨条件下设置包括重度(W1)、中度(W2)、轻度(W3)干旱和适墒(W4)的4个水分处理,在灌浆前期、中期的14:00—16:00测定了强抗旱性品种晋麦47(JM47)和弱抗旱性品种偃展4110(YZ4110)的旗叶Pn、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)、Rubisco活化酶(RCA)、ATP合成酶(ATPase)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)活性以及成熟期的产量。结果表明,干旱使小麦灌浆期旗叶下午Pn、多数光合酶活性以及产量降低,总体表现为干旱胁迫程度越大,上述指标的降幅也越大,但其影响效应存在品种和年际差异。W1、W2和W3与W4相比,旗叶下午Pn,JM47分别降低33.6%~40.6%,12.0%~30.5%和5.0%~13.5%,YZ4110分别降低44.0%~52.0%,22.5%~38.1%和11.5%~20.5%;旗叶下午Rubisco活性,JM47灌浆前期降低、灌浆中期增加,而YZ4110分别降低13.3%~25.6%,7.1%~14.0%和11.2%~11.6%;旗叶下午RCA活性,灌浆前期多显著降低,灌浆中期JM47在W2和W3下增加,而 YZ4110在W1和W2下降低;旗叶下午ATPase活性,JM47在W1下降低、W3下提高,而YZ4110分别降低19.3%~48.7%,7.2%~24.2%和0.1%~8.9%。不同水分处理的旗叶下午PEPC活性因生长季和品种而异,但W1与W4相比,JM47和YZ4110的旗叶下午PPDK活性分别降低12.4%~18.8%和16.7%~18.2%。与YZ4110相比,JM47旗叶下午Pn和光合酶活性在适墒下多无显著差异,但干旱下多表现为升高。相关性分析结果表明,产量、旗叶下午Pn与灌浆期旗叶下午ATPase活性和灌浆前期旗叶下午PEPC活性呈极显著正相关,因而在灌浆期下午保持较高的旗叶ATPase和PEPC活性有利于提高小麦旗叶下午Pn和籽粒产量。

为探究不同灌溉方式与氮肥运筹对双季晚稻生长发育、产量形成与氮肥利用率的影响,于2022-2023年,在湖南益阳市赫山区,以Y两优911为试材,设2种灌溉方式(W1.淹水灌溉;W2.湿润灌溉)和3种氮肥运筹(N1:基肥∶蘖肥∶穗肥=5∶3∶2;N2:基肥∶蘖肥∶穗肥=3∶4∶3,N3:基肥∶蘖肥∶穗肥∶粒肥=3∶4∶2∶1),不施氮肥为对照(CK1.淹水灌溉;CK2.湿润灌溉),测定各处理组合下水稻的叶面积指数、叶片SPAD值、干物质积累量、产量形成及氮素利用率。结果表明,与W1相比,W2处理下水稻LAI在生育前期LAI较低,生长中后期W2处理LAI整体表现较高;SPAD值以W1处理较高,但生育后期SPAD值差异不显著;在相同的灌溉条件下,与N1相比,N2、N3处理能够延缓水稻生育后期LAI与SPAD值的下降;W2处理能显著提高水稻干物质积累量,较W1处理增加6.61%~16.37%,氮肥运筹下生育前中期干物质量以N1较高,生育后期干物质量以N1、N3较高;W2模式比W1模式增产7.59%~10.47%;2种灌溉模式下均以N3处理产量表现最佳,W2N3处理要比其他处理增产3.24%~14.53%,W2N3处理虽然有效穗数较低,但穗粒数、结实率、千粒质量有所提高,从而使产量提高;2 a间,氮素总积累量、氮肥吸收利用率以W2N2与W2N3较高,氮肥农学利用率、氮肥偏生产力与氮素收获指数均为W2N3较高,氮肥生理利用率以W1N3处理较高。综上,灌溉方式和氮肥运筹显著影响水稻产量和氮素吸收利用,以W2(湿润灌溉)耦合N3(基肥∶蘖肥∶穗肥∶粒肥=3∶4∶2∶1)的氮肥运筹方式更有利于水稻干物质的积累、产量的提高和氮肥的高效利用,既能满足高产,也能起到节水的作用,为最佳水肥耦合方式。

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。

为解析小麦低温胁迫应答机制并挖掘优异抗寒基因资源,通过转录组测序揭示小麦低温响应的关键调控网络,并对候选基因TaGGCT18-6A进行功能验证。结果表明,4 ℃冷处理诱导小麦幼苗分别产生10 893个(6 h处理)和18 784个(24 h处理)差异表达基因,KEGG富集分析显示,差异基因显著富集于MAPK信号转导及谷胱甘肽代谢等通路。基于谷胱甘肽代谢途径关键基因筛选,克隆获得γ-谷氨酰环转移酶基因TaGGCT18-6A。该基因全长1 772 bp,编码218个氨基酸,其编码蛋白具有典型的GGCT-like超家族结构域及核心结构域ChaC。启动子顺式作用元件分析表明,该基因含低温响应元件(LTR)及脱水响应元件(DRE)等胁迫相关元件;表达模式分析发现,TaGGCT18-6A在4 ℃冷处理下呈持续上调趋势。转基因水稻功能验证表明,过表达株系在-4 ℃低温冻害胁迫下相较野生型对照,OE#1、OE#2和OE#3存活率与生物量显著提高,OE#1和OE#2的株高显著提高,OE#1、OE#2和OE#3相对电导率显著降低。经4 ℃冷处理后,过表达株系渗透调节物质(脯氨酸、可溶性糖)积累量较对照显著增加,丙二醛含量降低;SOD、POD和CAT活性显著上升。以上研究表明,TaGGCT18-6A通过调控谷胱甘肽代谢增强抗氧化能力,进而提高植物低温耐受性,为小麦抗寒分子育种提供理论依据和优异基因资源。

土壤氮循环酶活性可作为表征土壤肥力水平和氮素转化的重要指标。为明确长期施肥对南方双季稻区稻田根际土壤氮循环酶活性的影响,依托长期(37 a)定位施肥试验田,系统分析了4种施肥处理(不施肥(CK)、单施化肥(MF)、秸秆还田+化肥(RF)和30%有机肥+70%化肥(OM))根际土壤氮循环相关酶活性以及其与土壤化学性质的相关性。结果表明:OM和RF处理较MF和CK处理显著增加了根际土壤全氮、有机碳、铵态氮、硝态氮和微生物量氮含量,提高了水稻产量。OM和RF处理根际土壤脲酶和亚硝酸还原酶活性均显著高于MF和CK处理;RF处理根际土壤羟胺还原酶活性最大,分别比CK、MF和OM处理增加了21.7%,13.0%,8.7%;OM处理根际土壤蛋白酶、固氮酶、硝酸还原酶和氧化亚氮还原酶活性最大,较MF处理分别显著增加了20.0%,26.1%,426.1%,26.7%;CK处理稻田根际土壤一氧化氮还原酶活性显著高于MF、RF和OM处理。相关性分析结果表明,根际土壤硝酸还原酶、固氮酶、氧化亚氮还原酶、脲酶、蛋白酶活性与土壤全氮、有机碳、铵态氮、硝态氮、微生物量氮含量以及水稻产量之间均呈极显著正相关,而根际土壤一氧化氮还原酶与土壤全氮、有机碳、铵态氮、硝态氮、微生物量氮含量和水稻产量之间均呈显著或极显著负相关,表明土壤化学特性、产量与根际土壤氮循环酶活性密切相关。冗余分析(RDA)表明,第一排序轴能解释根际土壤酶活性的93.34%,土壤硝态氮、全氮和有机碳含量是驱动根际土壤氮循环酶活性变化的关键因素。因此,长期采用有机物料(有机肥和秸秆)替代部分化肥通过改善土壤化学和生物学特性,促进土壤氮循环酶活性,达到培肥稻田土壤的效果。

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。

大豆P34蛋白主要存在于种子中,其上游启动子很可能具有调控下游基因在种子中高表达的特性。为进一步研究大豆P34蛋白基因的组织表达模式及其启动子的调控活性,通过qRT-PCR方法检测大豆P34蛋白基因在大豆不同组织中的表达情况;克隆大豆P34蛋白基因5'端上游序列(GmP34P),生物信息学分析其转录起始位点和顺式元件;构建表达载体,利用农杆菌介导的叶盘法转化烟草,检测转基因烟草中GUS的表达。结果表明,P34蛋白基因在大豆种子中的表达量极显著高于根、茎、叶和花的表达量;克隆获得GmP34P序列长度为1 380 bp,预测分析表明,该序列的转录起始位点为第1 342位上的碱基A,序列中含有多种与种子高表达相关的顺式作用元件,如RY element、Skn-1 motif、2S seed protbanapa等;获得含有GmP34P启动子驱动GUS基因的植物表达载体pCAM-GmP34P;通过潮霉素、PCR及RT-PCR筛选阳性转基因植株;对pCAM-GmP34P阳性转基因烟草植株,进行qRT-PCR检测,结果显示,相对于其他组织,GUS基因在转基因烟草种子中的表达量达到极显著差异;GUS组织化学染色结果显示,GmP34P启动子能够调控下游GUS基因在种子中高表达。

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。

为探明半干旱雨养农业地区,覆盖措施(如秸秆还田、地膜覆盖)对土壤团聚体和有机碳的影响。以陇中旱地马铃薯-小麦轮作体系为研究对象,系统分析了秸秆碎秆覆盖还田(SR)、秸秆带状覆盖还田(SM)、地膜覆盖(PM)及露地(CK)对土壤有机碳组分(SOC、POC、MAOC)、团聚体稳定性及团聚体碳贡献率的影响,通过评估不同覆盖措施的土壤改良效应,整合土壤有机碳组分动态、团聚体稳定性等关键指标与文献报道的作物生产力及水分利用效率数据,筛选出能够协同提高有机碳和团聚体稳定性的最优覆盖模式。结果表明:马铃薯-小麦轮作中,3种覆盖措施均提高了马铃薯和小麦有机碳含量及团聚体稳定性,以SR处理效果最佳,与CK处理相比,SR和SM处理SOC含量增加了15.38%,7.78%,PM处理的SOC含量无显著变化,SR和SM处理增加了0~20 cm土层中POC含量18.54%,16.62%,PM降低了0~20 cm土层中POC含量3.06%;各处理对MAOC增加整体趋势表现为SR>SM>PM>CK。与CK处理相比,SR和SM处理增加了MWD、GMD、>2 mm团聚体占比及其SOC含量,而PM显著降低了MWD和GMD;SR增加0~20 cm土层中>2 mm粒级SOC富集系数17.26%,SR和SM处理显著增加>2 mm团聚体SOC贡献率。综上所述,在本试验条件下,3种覆盖措施均能增加土壤有机碳含量,而秸秆碎秆覆盖还田在提升土壤有机碳含量和团聚体稳定性方面表现最佳、效果更好,有效提升土壤地力。

为提高生物炭在盐碱地的适用性,研究改性生物炭对盐碱地的作用效果及微生态机理。通过2 a的大田试验,设置普通生物炭、富氮改性生物炭、富磷改性生物炭3种处理,3种生物炭用量分别为4.5,7.5,15.0 t/hm²,研究作物产量性状、土壤理化性质、土壤微生物多样性的响应情况。结果发现,添加生物炭可以改良土壤盐碱地,其中富氮改性生物炭和富磷改性生物炭效果更突出。生物炭可以提高盐碱地作物产量,降低土壤含盐量,改善土壤结构,降低土壤容重。3种生物炭影响并不一致,其中15.0 t/hm²磷改性生物炭对作物增产效果最好,其产量为(8.92±0.12)t/hm²,比对照组提高了110%。生物炭影响土壤微生物多样性,普通生物炭增加了土壤微生物多样性,但磷改性生物炭降低土壤微生物多样性。随着生物炭施用量的增加,土壤理化性质对土壤微生物和植物结构关系受到影响,三者之间的联系被削弱。综上,推荐施用15 t/hm²磷改性生物炭用于改善盐碱农田生态系统。

为深入解析调控超甜玉米秸秆蛋白质含量的遗传基础,基于玉米56K基因芯片,采用BLINK模型定位控制超甜玉米秸秆蛋白质含量的主要SNP位点及预测候选基因。结果表明:在超甜玉米收获期,其秸秆蛋白质含量为12.63~30.29 g/kg,平均值为20.76 g/kg,呈正态分布;GWAS共关联定位到调控超甜玉米秸秆蛋白质含量6个显著SNP位点,这些位点分布于第1,4和6号染色体上,其贡献率为10.07%~18.17%,其中位于6号染色体的Affx-115330268的贡献率最高。在显著关联位点上下游200 kb的置信区间内,共检测到184个候选基因,其中已注释基因34个,占比为18.48%;通过GO功能注释和KEGG通路富集分析,候选基因主要参与生物调节、细胞过程、催化活性等生物过程,并富集于类固醇生物合成、色氨酸代谢、光合作用-天线蛋白等通路。基于文献查找比对发现,6个(GRMZM2G141473、GRMZM2G007854、GRMZM2G111319、 GRMZM2G121024、 GRMZM2G010353、 GRMZM2G049547)调控超甜玉米秸秆蛋白质的关键基因,其主要参与蛋白质和酶合成等途径。

为探究沿淮地区不同类型小麦光合特性、干物质积累分配、产量及品质对不同氮磷钾配比复合肥的响应,选用中科166、烟农999、淮麦43、山农17为试验材料,设置高氮复合肥(N-P₂O₅-K₂O=26-13-7)与等比例复合肥(N-P₂O₅-K₂O=18-18-18)2种复合肥处理,分析了不同复合肥处理对各小麦品种光合特性、干物质积累分配、产量与品质的影响。结果表明:相较于等比例复合肥,高氮复合肥显著提升4个小麦品种的LAI、SPAD值、净光合速率和光化学效率,延缓叶片衰老,延长光合作用时间;同时增加开花和成熟期干物质积累量,优化干物质分配比例,最终使籽粒产量提高4.5%~14.9%,蛋白质和湿面筋含量分别提升了1.36%~8.17%,3.55%~9.36%。不同品种对高氮复合肥的响应程度略有差异,烟农999综合表现最优,其SPAD值和LAI增幅最大,净光合速率和产量均居首位,成熟期籽粒干物质分配比例最高,品质提升显著;中科166产量增幅最大,蛋白含量和湿面筋含量最高;淮麦43籽粒干物质积累量增幅最高;山农17对高氮复合肥响应最弱,但其产量较等比例复合肥仍提升9.3%。综上,高氮复合肥在不同类型小麦光合特性、干物质积累分配、产量及品质上均表现出一定优势,且供试品种烟农999综合表现最优。

明确不同施氮水平对内蒙古中西部地区玉米田土壤有机氮组分及氮素利用效率的影响,为农田土壤氮素科学管理和现代农业高效可持续发展提供参考。共设置6个施氮水平,分别为N0(0 kg/hm²)、N8(120 kg/hm²)、N12(180 kg/hm²)、N16(240 kg/hm²)、N20(300 kg/hm²)、N24(360 kg/hm²),分析在玉米田播前和收获后不同土层下各施氮水平对土壤全氮、颗粒有机氮、轻组有机氮和重组有机氮含量动态变化规律以及玉米产量、氮素利用效率的影响。结果表明,随土层加深同一施氮水平下,土壤全氮、颗粒有机氮、轻组有机氮和重组有机氮含量呈下降趋势。同一土层下播前土壤全氮含量随施氮水平升高呈上升趋势;收获后N16、N20和N24处理土壤全氮含量显著高于N0、N8和N12处理。播前0~10 cm,10~20 cm,20~40 cm土层N16处理土壤颗粒有机氮含量均最高,分别为0.14,0.13,0.09 g/kg;收获后10~20 cm,20~40 cm,40~60 cm土层最高,分别为0.19,0.10,0.09 g/kg。N16处理土壤轻组有机氮含量增加量最高,为37.27%;N24处理土壤重组有机氮含量增加量最高,为7.35%,其次是N16处理,为6.84%。N16处理玉米生物产量最高,为31 443.50 kg/hm²;玉米经济产量最高,为18 526.47 kg/hm²;氮素利用效率指标随着氮肥施用水平升高而降低,N16处理下氮收获指数最高,为79.20%。综上,240 kg/hm²为内蒙古中西部地区较适宜的氮肥施用水平,在该水平下土壤氮素管理和作物产量较佳。

为探究钙依赖蛋白激酶(CDPK)在小麦生长和逆境应答中的作用,从普通小麦中克隆了TaCDPK17基因,并对其进行了序列结构、表达模式和抗逆功能初步分析。结果表明,TaCDPK17基因编码区长1 701 bp,编码566个氨基酸,具有CDPK家族的典型结构特征,包括1个保守的丝氨酸/苏氨酸激酶结构域和4个EF手型结构域。对TaCDPK17与其他12种植物的CDPK17进行进化树分析表明,TaCDPK17与禾本科作物,特别是节节麦、大麦的CDPK17序列有较高同源性。TaCDPK17基因启动子区域富含与激素调控、光照响应,以及非生物应答胁迫相关的顺式调控元件,其中,脱落酸(ABA)响应元件(ABRE)和茉莉酸甲酯响应元件(CGTCA)数量较多。基于实时荧光定量PCR的表达分析结果显示,TaCDPK17受100 μmol/L ABA、100 μmol/L茉莉酸甲酯、20% PEG6000和250 mmol/L NaCl诱导后,表达量有不同程度升高。在2 μmol/L ABA和100 mmol/L NaCl胁迫处理条件下,过表达TaCDPK17的拟南芥种子萌发率显著高于野生型对照。同时,过表达TaCDPK17缓解了ABA或渗透胁迫处理对幼苗根生长的抑制作用。在气孔关闭过程中,过表达TaCDPK17的转基因植物对ABA更敏感,与野生型植物相比,表现出更强的气孔关闭趋势。这些结果表明,TaCDPK17在小麦逆境胁迫和激素信号应答中发挥着重要作用。

为了明确气候变化和有机肥配施对土壤氮素转化的影响,于2023年6-11月在安徽合肥进行大豆田间试验,利用红外辐射增温设备模拟田间增温,设置2个温度水平(T0:环境温度;T1:增温)和2种施肥模式(SF:单施无机肥;OF:有机肥配施),通过分析土壤理化性质、硝化势和氨氧化细菌(AOB)与古菌(AOA)对硝化势的相对贡献率、反硝化能力和N₂O/(N₂O+N₂)产物比以及土壤呼吸,结合相关酶活性的测定研究增温和有机肥配施对硝化和反硝化过程的影响及其驱动因子。结果表明,增温显著降低了土壤含水率(2.3百分点)、有机碳(22.7%)、全磷(23.8%)和铵态氮含量(17.5%),而显著提高了硝态氮含量(52.8%);有机肥配施使土壤含水率、有机碳、全磷和铵态氮分别显著提高了1.2百分点,26.5%,31.3%,17.0%。增温显著提高了土壤呼吸(26.4%)、硝化势(31.7%)、AOB贡献率(16.4百分点)、反硝化能力(49.1%)以及N₂O/(N₂O+N₂)产物比(10.5百分点);而有机肥配施使硝化势、AOA贡献率、反硝化能力以及N₂O/(N₂O+N₂)产物比分别显著降低了39.3%,18.2百分点,24.7%,16.2百分点。增温和有机肥配施均显著提高了土壤脲酶、亚硝酸还原酶及羟胺还原酶活性;同时,相关分析结果表明,硝态氮含量、脲酶、亚硝酸还原酶及羟胺还原酶活性与AOB贡献率和反硝化能力呈显著正相关。综上,增温提高了土壤硝态氮含量以及脲酶、亚硝酸还原酶、羟胺还原酶的活性,进而增加了AOB硝化贡献、反硝化能力和N₂O/(N₂O+N₂)产物比,导致N₂O损失增加;而有机肥配施可以提高土壤养分,调节AOA和AOB在硝化过程中的作用,减小AOA贡献率、反硝化能力以及N₂O/(N₂O+N₂)产物比,降低N₂O损失,在一定程度上缓解增温的不利影响。

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。

为探明外源H₂O₂对NaCl胁迫下棉花幼苗的生理调节机制,以棉花品种新陆早48号为供试材料,使用室外盆栽法,设置盐胁迫(NaCl,浓度梯度0,100,200 mmol/L) 和H₂O₂(浓度梯度0,0.005,0.010,0.020,0.050 mmol/L) 两因素随机组合,探究棉花幼苗鲜质量、干质量、叶绿素含量、叶绿素荧光参数、光合气体参数、抗氧化酶活性和渗透调节系统的变化规律。结果表明,外源H₂O₂有效缓解盐胁迫对棉花幼苗生长的抑制效应,提高棉花幼苗叶绿素含量、光合气体参数、叶绿素荧光参数,维持棉花幼苗光合作用正常运行,保证了干物质的积累;同时,外源H₂O₂提高抗氧化酶(POD、APX、CAT)活性,加速清除棉花幼苗体内ROS,降低了电解质渗出率、MDA含量及Pro、游离氨基酸、SS等渗透调节物质含量,提高棉苗抗盐性。其中0.020 mmol/L外源H₂O₂对棉花幼苗所受盐胁迫缓解作用最佳。综上,外源H₂O₂通过提高盐胁迫棉花幼苗光合性能,保持棉花幼苗稳定的光合作用,维持棉花幼苗体内ROS产生与消除的动态平衡,从而提高棉花幼苗对盐胁迫的适应性。

IQM基因家族是Ca²⁺不依赖型钙调素结合蛋白中的重要成员,在植物生长发育以及多种胁迫反应中发挥着重要作用。为了研究玉米IQM基因家族的特征及潜在功能,采用生物信息学的方法在玉米全基因组中鉴定IQM基因,并对其蛋白性质、系统进化关系、基因结构、染色体位置、基因复制、顺式作用元件、组织特异性表达和多种胁迫下表达模式进行研究。结果表明,在玉米全基因组中共鉴定出11个ZmIQMs基因,根据其在染色体上的位置,将其命名为ZmIQM1~ZmIQM11。ZmIQMs基因分为3个亚家族,亚家族内部基因结构具有相似性,片段复制在玉米IQM基因家族扩增和进化中发挥主要作用。顺式作用元件分析发现,ZmIQMs基因启动子区含有多个与激素和胁迫响应相关的元件。对ZmIQMs基因的表达模式进行研究,发现ZmIQMs基因在不同组织中的表达模式不同,在不同非生物和生物胁迫下,多个ZmIQMs基因表达量发生变化。qRT-PCR结果显示,在干旱胁迫下,ZmIQM3、ZmIQM4和ZmIQM10上调表达;ZmIQM3、ZmIQM4、ZmIQM5、ZmIQM10和ZmIQM11响应小斑病病原菌的侵染。以上结果表明,ZmIQMs基因在胁迫响应中发挥着重要作用。

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。

小麦赤霉病是严重威胁小麦安全生产的真菌性病害,利用分子标记辅助选择聚合抗病基因已成为当前抗赤霉病育种的快速有效策略。为建立小麦抗赤霉病基因的高通量筛选体系、创制抗赤霉病新种质并提升四川小麦赤霉病抗性,利用100K SNP芯片对14个四川小麦品种(系)和3个抗赤霉病种质进行全基因组基因型分析。基于已报道的主效抗赤霉病基因Fhb2、Fhb4、Fhb5的遗传连锁区间,筛选获得与目标基因连锁(Fhb2、Fhb4)或共分离(Fhb5)的SNP位点,并据此开发特异性KASP标记。结果显示,基于100K SNP芯片,17份小麦品种(系)按遗传相似性可以划分为两大类:含有北方小麦遗传背景的抗病种质NMAS070和NMAS069独立成簇,与四川小麦品种(系)间亲缘关系较远;其余15份品种(系)聚为一类并进一步分为2个亚类。功能基因检测揭示抗病亲本携带赤霉病抗性位点,而农艺亲本则富集产量与品质相关优异等位变异。通过SNP位点筛选,在Fhb2、Fhb4连锁区间及Fhb5共分离区间内共鉴定出8个关键SNP位点,据此成功开发4对Fhb2、2对Fhb4和2对Fhb5的特异性KASP标记。验证试验表明,所有KASP标记均能实现精准分型,并已有效应用于赤霉病抗病分子育种实践。开发的小麦抗赤霉病基因Fhb2、Fhb4、Fhb5高效KASP标记体系为小麦赤霉病抗性改良提供了重要技术支撑,对提升西南麦区小麦品种赤霉病抗性具有重要应用价值。

研究施氮量对不同烟草品种上部叶生长发育及碳氮代谢的影响,为生产优质上部烟叶提供参考。采用双因素裂区试验,研究了不同施氮水平(37.5,75.0,112.5 kg/hm²)NC89、云烟87品种上部叶农艺性状、光合特性、叶片组织结构、碳氮代谢关键酶活性及化学成分等指标。随着施氮量的增加,两品种上部叶叶长、叶宽、叶面积、单叶干质量均显著增加,移栽后115 d,高氮处理的NC89和云烟87的叶面积分别比低氮处理显著提高了63.10%,68.43%。增加施氮量提高了NC89叶绿素含量,高氮处理的叶绿素含量比低氮处理高6.67%~37.50%;增加施氮量显著提高了云烟87的净光合速率,移栽后70,80 d尤为显著。移栽后85~115 d栅栏组织、海绵组织、叶片厚度均随施氮量增加而显著增大,低氮和中氮处理的栅栏组织、海绵组织厚度在移栽后95~115 d趋于稳定,而高氮处理仍分别提高了9.82%~14.08%和10.72%~13.72%。随着施氮量的增加,两品种叶片碳含量和C/N显著降低,氮含量显著增加;两品种转化酶、蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶、谷氨酸合成酶活性升高,高氮处理降低了云烟87淀粉酶活性,提高了NC89淀粉酶活性,移栽后115 d,高氮处理的云烟87比中氮处理显著降低了27.53%,高氮处理的NC89比低氮和中氮处理分别显著提高了33.86%,21.74%。云烟87谷氨酰胺合成酶活性随施氮量增加显著增加,NC89则无规律变化,差异不显著。增加施氮量降低了烤后叶片还原糖和总糖含量,提高了烟碱和总氮含量。同一施氮水平下,云烟87烟碱、总氮、钾含量高于NC89,还原糖、总糖含量(除低氮水平外)及糖碱比、氮碱比低于NC89。不同烟草品种上部叶对施氮量的响应不同,增加施氮量能够促进NC89上部叶片生长发育和碳代谢,降低糖碱比、氮碱比,提高化学成分协调性,但会造成云烟87氮代谢旺盛,难以适时向碳积累代谢转变,延缓叶片衰老,造成云烟87贪青晚熟。

旨在探究氮肥减施配施有机肥对香梨园0~60 cm土壤碳氮含量变化以及香梨产量、品质的影响,提出最佳氮肥减施用量与有机肥配比。以10~12 a生库尔勒香梨树为试验材料,连续3 a设置常规施氮(表示为N,300 kg/hm²)处理,3个氮肥减施处理(分别表示为N1、N2、N3,较常规施氮处理减少10%,20%,30%)配施2个有机肥处理(表示为OF1、OF2,施用羊粪22 500,33 750 kg/hm²),并形成氮肥减施配施有机肥处理:N1F1、N2F1、N3F1、N1F2、N2F2、N3F2,对库尔勒香梨园土壤碳氮含量、土壤碳氮比以及香梨产量、品质进行测定与分析。结果表明:N1F1、N1F2、N2F2、N3F2显著促进香梨园土壤全碳、有机碳、无机碳、微生物量碳(SMBC)及硝态氮、铵态氮含量,提高土壤碳氮比和香梨果实中的可溶性糖、维生素C的含量,降低香梨果实中的总酸含量,并对产量无显著影响;N2F1对土壤硝态氮、铵态氮含量有显著促进作用,对香梨产量和品质无显著影响;N3F1显著抑制土壤碳组分含量以及香梨产量,并降低果实中可溶性糖含量。土壤硝态氮、铵态氮、有机碳、无机碳、全氮、全碳、SMBC、微生物量氮(SMBN)与香梨品质呈现显著或极显著正相关关系,土壤C/N与香梨产量、品质呈现显著或极显著负相关关系,其中土壤有机碳、全氮、硝态氮、铵态氮对香梨产量、品质的作用更为显著,在后续的施肥处理中,通过促进土壤有机碳、全氮、硝态氮、铵态氮含量,调节土壤C/N,更好地提高库尔勒香梨产量,提升果实品质。10~12 a生库尔勒香梨树的经营过程中,在常规施氮的基础上减氮20%~30%,同时配施有机肥33 750 kg/hm²处理,有利于调节土壤碳氮含量,增加香梨品质,降低化肥施用量,减少土壤污染,保证土壤环境健康。

为探明长期施肥对双季晚稻产量形成的影响及其生理调控机制,基于进贤红壤稻田化肥长期定位试验(1981年设),选取不施肥(CK)、单施氮磷钾肥(NPK)、两倍氮磷钾肥(HNPK)、有机无机配施(NPKM)4个典型处理,比较了长期施肥后第42年双季晚稻产量、干物质积累、叶绿素动态特征、齐穗期和灌浆期叶片基因表达差异。结果表明,长期施肥下晚稻产量表现为NPKM>HNPK>NPK>CK,其中HNPK和NPKM处理显著高于NPK处理,增幅分别为29.63%,57.18%。与NPK处理相比,NPKM和HNPK处理显著改善晚稻产量构成,有效穗、穗粒数和着粒密度分别增加了16.98%~46.42%,8.68%~15.26%,3.69%~7.37%。在干物质积累方面,与NPK相比,NPKM和HNPK均显著提高了晚稻各时期干物质质量,同时促进了齐穗期至成熟期茎叶干物质向穗的转运。NPKM和HNPK处理各时期叶绿素含量均显著高于CK和NPK处理,其中NPKM处理延缓了灌浆期至成熟期叶绿素的衰减;相关分析表明,长期施肥下晚稻产量与分蘖期至齐穗期干物质积累量(△DM1)和灌浆期至成熟期干物质积累量(△DM3)呈极显著正相关,与灌浆期至成熟期叶片叶绿素减少量(△S3)呈极显著负相关。叶片转录组分析结果表明,长期施肥显著影响晚稻齐穗期、灌浆期叶片基因表达,差异表达基因主要富集于光合作用、碳代谢、氮代谢、信号转导及逆境相关的代谢途径。综上所述,长期施肥调控双季晚稻基因表达,有机无机配施改善了产量构成,促进了早期干物质积累,增强了灌浆期至成熟期茎叶干物质向穗的转运,同时,提高了晚稻各时期叶片叶绿素含量,并延缓了灌浆期后叶片的衰老,对水稻增产起到强源(提高光合生产力)、扩库(增加干物质储存容量)和畅流(促进同化物转运)的作用。

为明确气候变暖和有机无机肥配施对大豆生长发育和产量的影响,通过红外辐射增温设备模拟田间增温,设置不同温度水平(T0: 环境温度;T1: 增温2.9 ℃)和不同施肥措施(SF: 单施无机肥;OF:有机无机肥配施),探究增温和有机无机肥配施对大豆干物质积累、光合速率、叶片酶活性和产量的影响。结果表明: 相比于环境温度,增温造成2023—2024年大豆花前和花后生育期分别缩短3~4 d,5~6 d;增温降低盛荚期叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的活性,降低大豆叶面积和净光合速率,导致花后株高和地上部干物质积累分别降低9.0%~13.7%,4.1%~19.3%;相比于单施无机肥,有机无机肥配施显著提高了叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的活性,增加了花后光合速率,促进了大豆的生长发育,干物质积累显著增加4.1%~15.3%。硝酸还原酶和谷丙转氨酶活性存在显著交互作用。产量结果表明,增温条件下单株荚数和单株粒数分别下降9.7%~16.6%,13.3%~19.0%,造成产量显著降低13.7%~21.1%;而有机无机肥配施条件下,单株粒数显著增加12.5%,单株荚数显著增加9.9%~10.5%,导致增产7.6%~10.8%。同时,叶面积、光合速率、氮代谢酶活性与产量之间存在显著正相关关系。综上,气候变暖会抑制大豆花后光合特性和地上部生长发育,造成产量下降,而有机无机肥配施一定程度上弥补增温带来的不利影响。

为探究BnMLP2基因在苎麻抗旱过程中的作用,通过分析苎麻转录组数据,以中苎1号为材料得到了编码苎麻金属硫蛋白的BnMLP2基因。从苎麻转录组数据中筛选并克隆BnMLP2基因,进行生物信息学分析,包括序列比对、结构域预测及亚细胞定位预测。利用荧光定量PCR技术,测定BnMLP2基因在苎麻不同组织中的表达情况,并探究其在干旱胁迫下的表达变化。将BnMLP2基因导入拟南芥中,构建转基因植株。在干旱胁迫条件下,比较转基因拟南芥与野生型拟南芥的表型、生理生化指标差异,以及抗逆相关基因的表达情况。结果表明,苎麻BnMLP2基因开放阅读框全长共243 bp,编码80个氨基酸。BnMLP2与苹果MT或MLP的氨基酸序列亲缘关系最近,同属于金属硫蛋白家族成员;带有PFAM01439结构域,属于Ⅱ类金属硫蛋白;预测定位于细胞质。BnMLP2基因在苎麻各组织中均表达,并且BnMLP2的表达受干旱显著诱导,尤其在茎中的表达量最高。在干旱胁迫下,转BnMLP2拟南芥相较于野生型表现出更强的抗旱能力,具体表现为根长和鲜质量显著增加,表现出更强的抗氧化酶和γ-GCL活性,积累了更多的脯氨酸(Pro)、还原型谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)、植物螯合态(PCs)来调节细胞内的离子稳态,转基因株系丙二醛(MDA)、过氧化氢(H₂O₂)的含量显著低于野生型,约为野生型的55%,80%。此外,转基因拟南芥在干旱条件下钠离子和钾离子的含量最高为野生型的4.4,1.4倍。BnMLP2的过表达能诱导3个抗逆相关基因AtMT1a、AtNCED3、AtWRKY40的表达量提高,最高分别是野生型的1.5,1.9,2.8倍。上述结果表明,BnMLP2基因能够提高拟南芥对干旱胁迫的耐受能力。

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。

RNA聚合酶Ⅱ相关因子Paf1(RNA polymerase Ⅱ associated factor 1)复合物是由6个亚基组成的真核生物重要的转录调控因子,其对特定基因的表达调控作用与植物的生长、发育和环境信号响应等生命活动密切相关。为探究小麦Paf1对逆境胁迫的响应特征,采用同源序列比对方法鉴定小麦的各Paf1亚基基因,通过mCherry融合蛋白的过表达和荧光显微观察鉴定各亚基蛋白的亚细胞定位,使用qRT-PCR方法分析各亚基基因对不同逆境胁迫的表达响应。结果表明,小麦Paf1的亚基TaVIP3、TaVIP4、TaVIP5、TaVIP6和TaPHP均由1套部分同源基因编码,其余1个亚基TaVIP2则由2套部分同源基因编码。植物VIP2的N端含有1个长度可变的富含脯氨酸残基区段,小麦的TaVIP2 还特有1个富含谷氨酰胺残基区段。TaVIP2、TaVIP4、TaVIP5和TaVIP6均为细胞核蛋白,而TaVIP3和TaPHP蛋白则可同时分布于细胞质和细胞核。各亚基基因在不同组织中的组成型表达差异模式相似,在叶片中的表达统一受高温胁迫的上调和高盐、干旱胁迫的下调。综上所述,小麦响应逆境胁迫的反应涉及对转录调控因子Paf1亚基基因表达水平的调节。

为研究不同施氮量对水稻产量、吸氮量、土壤肥力情况的影响,以水稻品种富源4号为试材,在2021—2023年研究不同施氮水平对引黄灌区水稻产量和氮肥利用效率及土壤耕层肥力的影响。施氮360 kg/hm²处理较其他处理产量有显著增加,平均产量9.4 t/hm²,较不施氮处理增加182.94%,较施氮210,240 kg/hm²产量增加40.72%,26.34%。从产量构成因子来看,产量增加主要是穗粒数及有效穗数增加,过量施氮会造成千粒质量降低。对3 a结果进行平均,氮肥利用率以施氮240 kg/hm²处理最高达26.93%,氮肥偏生产力随着施氮量增加而降低。各处理有机质以施氮210 kg/hm²处理平均值最高为18.60 g/kg。各施氮处理较不施氮处理土壤全氮含量增加7.61%~15.67%,随着试验年份增加,施氮360 kg/hm²处理土壤全氮含量降低。施氮360 kg/hm²处理土壤全磷含量逐渐降低,其他施氮处理维持在0.85 g/kg左右。施氮处理随着施氮量增加,全钾含量逐渐降低,施氮360 kg/hm²处理较施氮120,210,240 kg/hm²处理分别降低23.74%,22.16%,8.85%。 土壤速效磷随试验年限呈上升趋势,各处理间随时间变化幅度增加,随着施氮量增加呈先升高后降低趋势,施氮240 kg/hm²处理在2023年较其他处理土壤速效磷显著增加。各处理土壤速效钾随试验年限变化不明显。综合考虑作物产量、氮肥利用率和土壤肥力,施氮240 kg/hm²可平衡环境和生产要求。

转录因子BnHY5-2与植物抗逆性相关。为揭示甘蓝型油菜转录因子BnHY5-2对盐碱胁迫的响应,主要通过瞬时转化过表达、qRT-PCR分析、亚细胞定位等方法,分析甘蓝型油菜转录因子BnHY5-2对光和盐碱的响应。结果表明,光照处理油菜后,在叶与茎中BnHY5-2基因的表达量均显著高于黑暗条件下,分别为黑暗条件下的29.22,3.15倍,叶片对光的敏感性大于茎,说明叶片是响应光转录因子BnHY5-2的主要部位。在光照条件下应用大连滨海盐碱土种植油菜,处理后BnHY5-2的表达在叶和茎中均显著下调,分别下调53.1%,31.0%;在黑暗条件下应用盐碱处理后BnHY5-2的表达在茎中下调48.2%,而在叶中的表达差异则不显著,表现出器官的差异性,说明叶片对光照条件要求更加严格。在油菜叶片中瞬时过表达BnHY5-2基因时,6个与盐碱相关的候选基因的表达中,有2个(BnNAC32、BnGS)上调表达,分别为原来的1.25,3.28倍;而有4个(Bnamy、BnAsp、BnNHX7、BnTPS)下调表达,分别下降24.8%,25.4%,71.0%,82.0%,同时甜菜碱含量由0.256 mg/g提升至0.573 mg/g,提高了1.24倍,说明过表达BnHY5-2基因会提高油菜的盐碱抗性。亚细胞定位结果显示,转录因子BnHY5-2定位于细胞核中,调控功能基因的表达。因此,BnHY5-2不仅与光信号有关,还参与油菜盐碱抗性。

作为植物抵御多种逆境胁迫的重要调节因子,植物热激转录因子(Hsf)家族基因数目多,结构、特性和功能复杂多样。植物Hsf不仅通过直接转录调控热激蛋白和相关基因的表达,参与对多种逆境胁迫的响应和适应过程,还介导植物诸多生命活动过程。自20世纪80年代酵母Hsf被首先克隆以来,多个物种的Hsf家族被识别和研究,模式植物番茄和拟南芥Hsf研究比较早且相对深入,研究主要集中在HsfA族,B族研究较少,C族报道更少。随着全球气候变化,极端高温事件频发,已严重威胁小麦、玉米等粮食作物的产量和品质,深入研究作物耐热性机制从而挖掘功能基因、通过生物技术方法改良作物的耐热性,是抵抗高温逆境的关键。大田作物中Hsf家族数目大小不等,基因组复杂,研究起步晚。为此,植物生理与分子生物学研究室从2009年开始对作物Hsf家族基因进行研究,依据最新的基因组信息,确定了家族基因数目及核酸和蛋白质结构特性、明确了家族基因的时空表达特性及其对多种非生物逆境的响应规律。克隆获得多个基因并借助遗传转化和基因编辑技术创制转基因材料和突变体,对其耐热性以及抗逆性调控功能多层面进行了鉴定,并对下游调控机制进行了深入解析。研究不仅丰富了大田作物耐热性调控理论基础,也为作物耐热性研究和生物育种提供优异新种质。目前,关于Hsf的研究主要集中在功能鉴定和对下游基因的转录调控方面,其上游哪些组分通过何种方式介导Hsf参与耐热性调控方面的研究还缺乏证据,机制尚不清楚。基于本研究室多年来对小麦、玉米Hsf家族的研究结果,结合他人的相关研究报道,详述了近年来植物Hsf在抗逆性响应和适应过程中调控功能、机制及其主要研究进展,以期为深入阐明Hsf家族的作用及其调控网络提供理论依据,为耐热生物育种挖掘强效的基因资源和备选位点。

为揭示萌发期不同水稻的抗旱性机理,以水稻旱敏感材料(Calrose、京宁10号、山形86)和抗旱性材料(Farry、松粳3号、宁粳36)为研究对象,开展了模拟干旱胁迫(15% PEG-6000)对不同水稻萌发种子生长指标、生理指标及相应基因表达量的影响研究。结果表明:正常条件下,旱敏感和抗旱性材料萌发种子各生长指标、抗逆相关基因表达量之间无显著差异;但生理指标有明显变化,表现为不同材料间超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性、可溶性糖(SS)和过氧化氢(H₂O₂)含量无显著差异,旱敏感性材料山形86的丙二醛(MDA)、超氧阴离子($\mathrm{O}_{2}^{\bar{.}}$)含量显著高于其他材料;抗旱性材料宁粳36的过氧化氢酶(CAT)活性、脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白(SP)含量显著高于其他材料。干旱胁迫下,相比于旱敏感性材料,抗旱性材料萌发种子的相对发芽势(RGP)、相对芽长(RSL)、萌发期抗旱指数(GDRI)和活力指数(VI)分别增加了0.03~0.07百分点,0.32~0.39百分点,0.12~0.18百分点和92.41%~108.39%;抗旱性材料萌发种子中MDA和活性氧($\mathrm{O}_{2}^{\bar{.}}$、H₂O₂)含量分别降低了2.54%~61.64%,19.60%~46.30%和35.61%~62.02%;渗透调节物质(Pro、SS、SP)含量分别增加了5.93%~18.29%,1.08%~7.97%和3.47%~6.03%;抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性分别提高17.29%~33.12%,15.24%~76.06%和14.68%~18.61%;脯氨酸合成关键基因OsP5CS、抗氧化酶合成基因(OsALM1、OsPOX1、OsCATC)的相对表达量分别上调了2.66%~182.31%,57.14%~513.27%,0.38%~109.06%和63.39%~184.25%。综合分析表明,干旱胁迫抑制了水稻种子的萌发,影响了萌发期种子中的生理特性及其相应基因的表达。干旱胁迫下,无论是抗旱性材料还是旱敏感性材料,活力指数(VI)、过氧化物酶(POD)以及过氧化物酶合成基因(OsPOX1)是影响水稻种子萌发的关键指标。除以上指标外,可溶性蛋白(SP)、脯氨酸合成基因(OsP5CS)、过氧化氢酶基因(OsCATC)是影响抗旱性材料的其他关键指标,相对芽长(RSL)、过氧化氢(H₂O₂)、超氧化物歧化酶基因(OsALM1)是影响旱敏感性材料的其他关键指标。

为解析花生荚果响应水分胁迫的分子机制,利用盆栽试验并结合转录组学分析,以正常供水处理为对照,系统探究了花针期阶段性干旱和渍涝胁迫对花生产量、品质及基因表达的影响。结果表明,干旱和渍涝胁迫均显著降低花生荚果产量(降幅分别为26.43%和77.69%)及籽仁粗脂肪含量(降幅分别为9.46, 6.71百分点)。转录组分析进一步表明,干旱胁迫组与对照组、渍涝胁迫组与对照组分别鉴定出1 525,1 382个差异表达基因,且两类差异表达基因均以表达下调为主,其中,干旱胁迫抑制了花生荚果中与脂质和脂肪酸代谢相关的6个关键代谢过程,其中88.38%的基因表达呈下调趋势,揭示了脂质代谢紊乱可能是干旱导致花生产量和品质下降的主要原因。渍涝胁迫则主要通过下调催化活性、跨膜运输、氧化还原及次生代谢物的生物合成等相关基因的表达,干扰荚果的代谢与防御功能。此外,KEGG富集分析结果显示,代谢途径和次生代谢物生物合成通路在2种水分胁迫下均受到显著影响。关键基因qRT-PCR验证结果与RNA-seq数据一致,证实了转录组结果的可靠性。综上,从转录组层面阐明了花生荚果响应水分胁迫的分子基础,明确脂质代谢紊乱是干旱胁迫导致花生产量下降、品质变劣的主要原因,而花生主要通过调控荚果中氧化还原及代谢相关通路基因的表达,以应对渍涝胁迫带来的不利影响。

为了探究硅改性生物炭(MSC)对酸性土壤化学特性、有机碳组分、硅化学形态及有效性和番茄生长的影响,以入侵植物为原料制备生物炭,研究硅改性生物炭对酸性土壤碳、硅化学形态转化及有效性的影响,评估其对番茄植株生长、土壤酶活性的影响。结果表明,硅改性生物炭显著提升土壤pH值、CEC(阳离子交换量)、EC(电导率)、速效磷和速效钾含量,同时提高土壤水溶性钠和铁的含量,以及增强过氧化氢酶和蔗糖酶的活性,从而提高土壤质量。生物炭改性与未改性均显著增加土壤碳不同组分的含量;与未改性生物炭相比,硅改性生物炭显著增加土壤微生物生物量碳(21.9%)和水溶性有机碳(898.3%)的含量。硅改性生物炭增加土壤有效硅、水溶性硅、游离态硅、活性硅、铁锰结合态硅和无定形硅含量,增幅分别为362.6%,158.9%,18.1%,34.9%,193.8%,74.1%。与此同时,生物炭处理促进番茄植株生长和硅素养分吸收,其中改性生物炭效果更为明显,植株干物质积累、硅含量与吸收量分别增加82.0%,98.9%,261.5%。综上所述,硅改性生物炭显著影响土壤的碳、硅化学形态及转化,增加土壤的有效性和酶活性,从而促进了作物的养分吸收和生长,显示出其在农业生产中具有良好的应用潜力。

探究翻耕深度和有机肥用量对潮土麦田光合特性、产量形成的影响,为潮土或相近土壤类型下小麦高产稳产提供理论依据和技术支撑。于2022-2024年小麦季,在山东省德州市齐河县的典型潮土区麦田开展双因素裂区试验,主区为2种翻耕深度,包括15~20 cm(D1)与30~35 cm(D2);副区为3种有机肥施用量,分别为800(L),1 200(M),1 600 kg/hm²(H)。分析了不同翻耕深度与有机肥施用量下潮土麦田光合特性、地上部干物质积累特性、产量构成。D2M和D2H较其他处理均利于提高小麦产量及构成要素,穗数、穗粒数、千粒质量与籽粒产量的2 a均值分别显著提高了5.5%~8.5%,3.5%~12.1%,6.7%~13.2%和6.6%~12.8%。D2M和D2H处理还通过提升各生育时期的地上部干物质积累速率,不同程度地提升了拔节、开花与成熟期小麦地上部干物质积累量,较其他处理2 a均值分别提高了9.0%~22.1%,8.9%~25.8%和10.7%~24.3%。与D1翻耕深度相比,D2处理进一步提升了有机肥对各生育时期叶片SPAD的促进作用,且D2M和D2H处理在灌浆中期至后期时仍能保持较高的叶绿素含量;在M和H有机肥用量下,D2翻耕深度各生育时期叶片Pn均显著高于D1,在拔节、孕穗、开花、灌浆中期和灌浆后期,2 a均值分别显著提高12.0%~16.7%,13.7%~16.8%,13.8%~19.7%,20.2%~25.8%,24.6%~44.8%;相同有机肥用量条件下,叶片LAI 在2种耕作深度间的差异随着生育进程的推进逐渐增加,在开花和灌浆中期均以D2M和D2H表现最佳,2 a均值分别提高13.2%~27.2%,13.4%~29.4%。D2M和D2H处理均能改善植株光合特性和地上部干物质积累能力,进而优化产量构成要素实现小麦产量的大幅提升,但因D2M和D2H处理在各指标间差异均不显著,因此,基于资源节约的前提,认为翻耕深度30~35 cm和有机肥用量1 200 kg/hm²组合即可实现潮土麦田籽粒高产。

为研究植物生长调节剂对春玉米冠层-根系的协同调控特性,进一步揭示植株抗倒机理,于2021—2022年以玉米品种迪卡159和先玉335为试验材料,在75 000,90 000株/hm² 2个种植密度下,设置植物生长调节剂处理(PGR)和清水对照(CK),分析比较了不同处理下的冠层结构、茎秆基部节间性状、根系形态特征和伤流液理化指标。结果显示,PGR对玉米冠层和根系均有调控作用。PGR处理后,植株株高、穗位高和重心高度降低,穗位以上叶片叶倾角增大,植株穗位层无截取散射(DIFN)平均增加23.59%,穗下层DIFN平均增加18.60%,基部节间茎秆质量显著提高。同时PGR处理下0~40 cm土层根条数、根长和根系干质量增加,地表以下10 cm处的根幅增大,根系伤流量和养分流量增加,根系形态和运输能力明显优化。伤流液中CTK和IAA的流量增加,GA的流量减少。PGR通过对冠层-根系的协同调控,有效地减少了茎折和根倒的发生,玉米的田间倒伏率从13.43%降低到6.47%,玉米产量平均增加了16.10%,从而实现稳产高产。

为了明晰甘蓝型油菜油脂积累的调控网络,选育高含油量油菜品种。以4个油菜自交系材料开花后25,35,45 d的种子转录组数据为样本,基于转录组和关联分析结合挖掘影响含油量的候选基因。转录组分析检测到1 530个基因在3个不同时期都存在差异表达,其中包括986个上调表达基因和544个下调表达基因。对这些差异表达基因进行GO富集分析,检测到83个油脂合成基因,79个油脂降解基因,21个油脂转运基因和80个转录因子。对差异表达转录因子进一步分析,检测到BnTT8、BnGL2、BnNAC082等基因。结合50份重测序甘蓝型油菜在2 a 3个不同区域的含油量表型,利用全基因组关联分析(GWAS)检测到BnNAC082-A03基因外显子区域的4个SNP与含油量显著关联,并检测到该基因区域存在2个单体型等位基因且BnNAC082-A03_Hap1对应材料的含油量显著高于BnNAC082-A03_Hap2对应材料。利用分析获得的转录组数据构建共表达网络,在子网络中检测到BnNAC082-A03与BnTT8-A09和BnGL2-C06直接相连,形成了影响种子油脂积累的潜在分子调控网络。

为探明有机肥部分替代化肥对青东黄土高原土壤碳氮磷生态化学计量特征的影响,利用2022年建立的有机肥部分替代化肥马铃薯(青薯9号)连作田间定位试验,研究了有机肥部分替代化肥对青东黄土高原马铃薯农田土壤生态化学计量特征的影响,试验共设置不施肥(CK)、100%化肥(T1)、30%有机肥+70%化肥(T2)、50%有机肥+50%化肥(T3)、70%有机肥+30%化肥(T4)5个处理,测定土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和微生物量碳、氮、磷含量及土壤-微生物量生态化学计量学特征。结果表明,相比2022年,2023年各施肥处理的土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和微生物量碳、氮、磷含量均表现为增加趋势,而不施肥处理则呈降低趋势。不同土层间,各指标含量均随土层深度增加而逐渐降低。不同处理间,按各指标含量高低排序均为T3>T4>T2>T1>CK。在0~30 cm土层,T3处理下土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和微生物量碳、氮、磷含量比CK平均分别提高6.88%,17.65%,17.88%,84.71%,77.01%,65.67%,80.07%,54.91%。而各土层的土壤C∶N和C∶P均为CK处理最高。在4种施肥处理中,土壤C∶N、微生物量C∶N和C∶P均表现为T3处理最低;除2023年0~10 cm土层外,各土层土壤C∶P也表现为T3最低,而T1处理微生物量N∶P在所有施肥处理中最低。随土层加深土壤C∶N和C∶P呈升高趋势。相关性分析表明,有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和微生物量碳、氮、磷相互之间均呈极显著正相关关系。综上,有机肥替代化肥不仅能够提高土壤养分和土壤微生物量含量,还能使土壤生态化学计量学特征产生改变,且以50%有机肥+50%化肥配施处理效果最好。