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。

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。

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。

为探究盐碱胁迫对甘蓝型油菜的生理及分子机制的影响,以甘蓝型油菜华油杂62为试验材料,对油菜种子及幼苗进行不同浓度的复合盐、复合碱及复合盐碱溶液处理,测定种子的发芽率以及甘蓝型油菜叶片中叶绿素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、抗氧化酶活性等生理指标,以高效液相色谱法测定油菜叶片中甜菜碱积累量,利用qRT-PCR 技术对甜菜碱合成途径中的关键酶基因胆碱单加氧酶基因(CMO)进行分析。结果表明,人工模拟的不同浓度盐碱溶液中,对种子萌发的伤害程度大小表现为复合盐碱>碱>盐;低浓度盐碱溶液促进油菜叶片叶绿素形成,高浓度盐碱溶液抑制叶绿素形成;盐碱胁迫显著提高了脯氨酸与可溶性糖含量,高盐碱溶液(YJ75,含盐碱75 mmol/L)处理21 d,脯氨酸与可溶性糖含量分别为对照组的65.99,5.21倍;盐碱胁迫增加了丙二醛的含量;盐碱胁迫显著提高了过氧化物酶(POD)活性,与对照组相比,高盐碱(YJ75)溶液处理21 d后的POD含量提高了2.26倍,在复合盐与复合碱处理第14 天,POD含量达到最高值,而超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性变化规律不明显,且在盐胁迫过程中发挥作用较低;盐碱胁迫显著提高了关键酶基因CMO的表达量,从而调控甜菜碱的积累量增多。综上,盐碱胁迫对甘蓝型油菜的伤害程度大小表现为复合盐碱>碱>盐,在高盐碱胁迫下,甘蓝型油菜会大量积累甜菜碱以降低自身所受的伤害。

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

为明确内蒙古草原多根葱的抗旱性及抗旱机制。采用盆栽控水法,设置最大田间持水量的75%为对照(CK),25%土壤相对含水量干旱胁迫30 d为处理,在干旱胁迫下对不同来源多根葱根系形态、生理特性及叶片光合特征进行分析。结果表明,四子王旗多根葱在干旱胁迫下与赤峰、鄂尔多斯相比,保持相对较高的根系表面积、根系体积和直径为0~0.5 mm的根长,根系生长受到干旱胁迫的影响相对较小,叶绿体在干旱胁迫下的稳定性相对较好,抗旱性较强;干旱胁迫显著降低了赤峰、鄂尔多斯多根葱地上生物量、地下生物量和总生物量(P<0.05),但对四子王旗多根葱无显著影响(P>0.05)。干旱胁迫处理下多根葱叶片光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO₂浓度和相对含水量显著下降,叶片细胞质膜相对透性显著上升;干旱胁迫促进了多根葱叶片气孔关闭,降低了蒸腾,减少水分的散失。不同样地多根葱根系特征、相对含水量、叶绿素和光合特性在相同处理下存在一定的差异;四子王旗多根葱受干旱胁迫的影响相对较小,耐旱性较强。

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。

土壤酸化会降低玉米的产量和氮素积累量,但生理机制尚未明确。在大田设置中性(pH=7,CK)、弱酸(pH=6,T1)、中酸(pH=5,T2)和强酸(pH=4,T3)4种土壤酸度处理,比较各处理下玉米产量、氮素积累量、籽粒蛋白含量、叶片与茎秆中氮代谢相关酶活性、基因表达量以及硝态氮( {{\mathrm{NO}}_3}^{-})、铵态氮( {{\mathrm{NH}}_4}^{+})、可溶性蛋白、游离氨基酸含量的差异。结果表明,相比于CK,T1、T2、T3处理产量分别降低4.2%,30.7%,52.3%;穗粒数分别降低1.8%,28.1%,42.8%;籽粒蛋白质含量呈现下降趋势,其中T3处理显著降低14.5%。在大喇叭口期,随着酸度增加,叶片氮素积累量显示出下降趋势,其中T2和T3处理分别显著降低28.1%和56.2%;茎秆中氮素积累表现出先增加后降低的趋势,T1处理显著增加33.1%,T3显著降低65.4%。大喇叭口期,T3处理下叶片和茎秆中硝酸还原酶、谷氨酸脱氢酶、谷氨酸合成酶活性均显著高于CK,而叶片中谷氨酰胺合成酶活性显著下降;茎秆中氨基酸表现先下降后上升的趋势。转录组分析表明,随着土壤酸度的增加,ZmGln2与ZmFd-GOGAT表达量上调,促进了光呼吸释放 {{\mathrm{NH}}_4}^{+}与 {{\mathrm{NO}}_3}^{-}还原产生 {{\mathrm{NH}}_4}^{+}的同化;ZmGln1.2~ZmGln1.4、叶片中ZmNADH-GOGAT2和茎秆中ZmNADH-GOGAT1表达量下调,降低了蛋白质分解代谢释放产生 {{\mathrm{NH}}_4}^{+}的同化。玉米通过上调或下调相关基因表达,促进氮代谢产生更多的游离氨基酸、可溶性蛋白等渗透调节物质用以抵御酸胁迫,但也因此减少了氮积累量,导致产量、籽粒蛋白质含量降低。