物联网与作物模型在智慧棉花系统中的应用与展望

在已有科技与研究成果基础上，结合数据库技术，构建基于物联网与棉花功能结构模型Cotton XL的智慧棉花生产数字化系统平台。系统利用智能传感器等物联网设备实时采集田间气象、土壤和作物长势等数据以及现场视频图像信息，通过网络传输监测范围内棉株的信息至数据库，结合模型模拟分析，实现远程操控辅助管理、预测判别、智能处理和可视化模拟等功能，从而优化作物栽培管理措施，提升资源配置效率，提高棉花产量与品质，为棉农适应现代农业信息化、智能化、高效化提供有效途径。     

利用CRISPR/Ca9技术靶向编辑芥蓝BoaZDS

以芥蓝(Brassicaoleraceavar.alboglabra)为材料,以ζ–胡萝卜素脱氢酶(ζ-Carotene desaturase,ZDS)基因为目标基因,建立其CRISPR/Cas9基因组编辑体系。在BoaZDS的编码区近5′端选择靶位点,构建了CRISPR/Cas9表达载体,通过农杆菌介导的遗传转化方法获得了19个芥蓝转基因阳性植株,Sanger测序分析发现其中13株成功突变,CRISPR/Cas9载体在芥蓝上的突变效率为68.42%,且所有突变植株均表现出明显的白化表型。     

不同精度的土壤数据对水质和水量模拟的影响

【背景】模型模拟是研究面源污染的重要手段,建模过程中输入数据的质量是影响模型准确度的重要因素,其中土壤数据作为流域模型的重要输入数据之一,对模型的产流过程有重要的影响。然而,以往的研究多集中于土壤数据精度对水量和水文过程的影响,对水质的研究还比较欠缺。【目的】为丰富该领域建模的先验知识,为流域模型建立过程中的数据选择提供帮助。【方法】采用SWAT（soil & water assessment tool）模型,利用不同精度（1:5万、1:50万和1:100万）的土壤数据进行建模,对凤羽河流域的水量、泥沙、总氮和总磷含量进行了模拟。并采用SWAT-CUP软件进行参数的率定,得到基于3种不同土壤数据的最佳模拟结果。在此基础上,研究不同精度土壤数据对水文响应单元划分、模型参数、水质和水量模拟的影响。【结果】（1）土壤数据对水文响应单元（HRU,hydrologic response unit）的划分数量有明显影响,HRU划分数量的敏感性与划分阈值及土壤图详细程度有关;（2）进行参数率定后模型的表现效果有明显的提高,不同精度的土壤数据对于不同指标（流量、泥沙、总氮和总磷）的模拟效果存在差异,但并非土壤数据精度越高模拟效果越好;（3）随着子流域面积的增大,不同土壤数据提取的土壤属性的平均值趋于一致,且校准过程会对面积较小的子流域产生较大的影响。【结论】因此,在实际的模型模拟中应根据流域的大小和模拟的指标选择土壤数据的精度,同时在模型校准过程中要注意空间尺度的影响。     

黄土高原地带连续性暴雨特征分析

通过研究甘肃庆阳地区连续性暴雨的成因及特征,为该地区的灾害性暴雨天气预报预警提供参考依据,本研究利用常规气象资料和诊断分析技术分析了庆阳地区2017年8月17—22日连续性暴雨过程。结果表明：(1)连续暴雨前期降水历时短,强度大,分布不均匀,突发性明显；中期持续时间较长,范围广,局地降水强度强,累计降水量较大；后期持续时间长,范围广,分布均匀,累计降水量大。(2)低空急流低层抬升和高空急流抽吸造成了连续性暴雨的发生发展。(3)中尺度云团较为活跃,组织化程度高,持续时间长。(4)前期大气处于极度高能不稳定状态,中期不稳定能量有所下降,后期不稳定能量急剧下降。(5)前期比湿突增明显,跃变值达4g/kg,且比中后期大。     

小贯小绿叶蝉在5个茶树品种（系）上的蜜露排泄量与茶树叶片结构比较

为明确茶树叶片组织结构与小贯小绿叶蝉抗性之间的相关性,在确定小贯小绿叶蝉不同龄期和虫态蜜露排泄量的基础上,比较研究了小贯小绿叶蝉雌成虫在不同茶树品种（系）上取食24 h后蜜露排泄量的差异,进而通过比较不同茶树品种（系）叶片的组织结构和色泽,分析了5个茶树品种（系）叶片的组织结构与茶树对小贯小绿叶蝉抗性能力强弱的关系。研究结果表明,小贯小绿叶蝉4龄若虫的蜜露排泄量显著高于1~3龄;雌、雄成虫的蜜露排泄量之间不具显著差异;取食中选10号的雌成虫蜜露排泄量显著低于取食其他品种;不同品种（系）茶树的叶面积、叶片总厚度、上表皮厚度、下表皮厚度以及色差等指标与雌成虫的蜜露排泄量之间无显著相关性,而叶片茸毛密度与雌成虫蜜露排泄量呈显著负相关,叶片茸毛长度与蜜露排泄量呈显著正相关。     

长江三角洲地区11个县（市、区）城市道路林带降噪能力及其影响因素

  目的  城市交通噪声对城市居民生活品质的影响日益严重，城市道路林带在衰减交通噪声方面优势明显。合理选取城市绿化带降噪能力衡量指标，使城市绿化带建设能够达到最优降噪效果。  方法  选取长江三角洲地区4条纬度带上11个县（市、区）交通主干道的道路林带作为研究对象，引入三维绿量作为衡量林带降噪能力的指标，结合不同类型林带的占比、三维绿量值以及三维绿量值与乔木及乔木混交林枝下高，综合对比分析林带降噪效果，进行初步评估。  结果  11个县（市、区）中南京玄武区、镇江润州区交通干道道路林带的降噪效果更优，连云港连云区、丽水庆元县的交通干道道路林带的降噪效果较差。具有合理配置的乔灌混交林更利于降噪，由模拟模型计算得到的11个县（市、区）的附加降噪量与统计获得的三维绿量之间呈正相关关系。  结论  林带三维绿量结合乔木枝下高这一参数综合分析认为:枝下高低于2 m的林带降噪效果更佳。     

艾纳香脱氢酶基因家族的生物信息学分析

采用RT-PCR和RACE（Rapid amplification of cDNA ends）技术,从艾纳香（Blumea balsamifera (L.) DC.）叶片中克隆到4条编码艾纳香脱氢酶（BbADH1、BbADH2、BbADH3、BbADH4）基因的cDNA序列,并对4条核苷酸及其编码的氨基酸序列进行生物信息学分析。结果显示:4条艾纳香脱氢酶序列开放阅读框均在900 bp左右,蛋白质等电点（pI）值在5.0~9.0之间,含量最多的氨基酸为亮氨酸（Leu）,最少的为色氨酸（Try）,具有明显的疏水区和亲水区,N端未发现信号肽,且无跨膜区;同源性比对结果显示,艾纳香BbADH蛋白与其他植物中ADH蛋白具有高度的相似性,且具有脱氢酶的特征功能域;系统发育分析表明,艾纳香（B. balsamifera (L.) DC.）BbADH1和BbADH3同处于一个分支,且与胡杨（Populus euphratica Oliv.）PeADH物种亲缘关系较近,而艾纳香BbADH4和BbADH2处于不同分支,且分别与葡萄（Vitis vinifera）VvADH和烟草（Nicotiana tabacum）NtADH物种亲缘关系较近。     

基于数字化植物表型平台（D3P）的田间小麦冠层光截获算法开发

冠层光截获能力是反映作物品种间差异的重要功能性状，高通量表型冠层光截获对提高作物改良效率具有重要意义。本研究以小麦为研究目标，利用数字化植物表型平台（D3P）模拟生成了100种冠层结构不同的小麦品种在5个生育期的三维冠层场景，记录了从原始冠层结构中提取的绿色叶面积指数（GAI）、平均倾角（AIA）和散射光截获率（FIPAR_dif）信息作为真实值,进一步利用上述三维小麦场景开展了虚拟的激光雷达（LiDAR）模拟实验，生成了对应的三维点云数据。基于模拟的点云数据提取了其高度分位数特征（H）和绿色分数特征（GF）。最后，利用人工神经网络（ANN）算法分别构建了从不同LiDAR点云特征（H、GF和H+GF）输入到FIPAR_dif、GAI和AIA的反演模型。结果表明，对于GAI、AIA和FIPAR_dif，预测精度从高到低对应的点云特征输入为GF+H > H > GF。由此可见，H特征对提高目标表型特性的估算精度起到了重要作用。输入GF + H特征，在中等测量噪音（10%）情况下，FIPAR_dif和GAI的估算均获得了满意精度，R²分别为0.95和0.98，而AIA的估算精度（R²=0.20）还有待进一步提升。本研究基于D3P模拟数据开展，算法的实际表现还有待通过田间数据进一步验证。尽管如此，本研究验证了D3P协助表型算法开发的能力，展示了高通量LiDAR数据在估算田间冠层光截获和冠层结构方面的较高潜力。     

油菜薹和蕾中硫代葡萄糖苷组分及含量分析

采用超高效液相色谱（UPLC）法，对30 个油菜品种薹和蕾中硫代葡萄糖苷（glucosinolate，简称硫苷）的组分及含量进行测定。结果表明：30 个油菜品种的总硫苷含量变异范围较大，在21.67～119.29 μmol·g^-1 之间；大多数油菜品种蕾中的硫苷含量高于薹，蕾中硫苷含量均值为37.26 μmol·g^-1，薹中为28.06 μmol·g^-1；薹和蕾中的硫苷组分相似，均以4- 戊烯基硫苷和2- 羟基-3- 丁烯基硫苷为主要成分，两者在薹和蕾中的含量分别占总硫苷含量的46.24%、28.52% 和45.19%、29.13%。进一步分析高、中、低硫苷含量油菜品种的硫苷组分及含量，结果表明油菜不同品种间硫苷含量的差异主要是由4- 戊烯基硫苷引起的。     

水稻粒宽突变体gw87的基因定位及候选基因分析

【目的】对水稻粒宽突变体gw87（grain width 87）进行表型鉴定、遗传分析、基因定位及候选基因分析,为探明该基因调控水稻籽粒大小的分子机制及应用潜力奠定基础。【方法】利用甲基磺酸乙酯诱变籼稻恢复系材料676R,获得一份籽粒宽度和千粒重显著增加的突变体gw87。对该突变体进行表型观察、农艺性状调查及外源油菜素内酯（BL）敏感性、叶绿素含量、光合参数测定,了解其表型特征及生理特性。调查gw87与676R杂交F₁的表型和F₂群体的分离情况,分析其遗传行为;选取该群体中的突变植株进行高通量测序,并利用gw87与粳稻品种日本晴杂交的F₂代作为定位群体,通过MutMap分析和分子标记定位,遴选候选基因并进行DNA和cDNA测序验证。利用qRT-PCR分析gw87和676R中BR合成途径基因OsDWARF4、D11和D2的表达差异。【结果】与野生型亲本676R相比,gw87突变体的株高降低,节间缩短,其中,倒一节间长度缩短最大,并呈现出扭曲的形态;叶片长度减少,宽度增加;单株有效穗数、主穗穗长和结实率显著降低,但籽粒宽度和千粒重显著增大。BL敏感性试验显示,gw87突变体幼苗对外源BL的敏感性降低。光合色素和光合参数测定表明,gw87光合色素含量增加,光合速率也有所增加。遗传分析表明gw87的突变性状是由1对隐性核基因控制。MutMap分析显示gw87突变基因位于第5染色体中部,在该染色体区域仅有1个碱基突变引起编码氨基酸变化;分子标记连锁分析表明该突变基因位于InDel标记X2和X3之间约101 kb的染色体区域;综合这两方面分析结果,最后遴选出gw87候选基因是编码一个含有AP2/EREBP DNA绑定结构域的转录因子基因LOC_Os05g32270。对该候选基因进行DNA和cDNA测序验证,发现gw87突变体中该基因DNA的第1 041位的碱基由G突变为A,导致与该位点相邻的76 bp内含子序列被剪接为外显子,引起阅读框移码,蛋白翻译提前终止。qRT-PCR分析显示gw87突变体中BR合成途径基因的表达量显著上调,表明gw87突变体中BR信号减弱。【结论】gw87是smos1、shb、rla1、ngr5的新等位突变体,但与这些突变体表型不同,gw87籽粒的宽度和千粒重显著增加,可能是LOC_Os05g32270的突变位点不同,导致其编码蛋白的功能活性不同所造成。