连续周年耕作对砂姜黑土农田蓄水保墒及作物产量的影响

【目的】筛选利于改善黄淮区砂姜黑土农田蓄水保墒效果及提高作物产量的夏玉米-冬小麦周年耕作方式。【方法】在秸秆全量还田条件下设置5个夏玉米季-冬小麦季周年耕作方式处理:免耕-旋耕(对照)、免耕-深耕、深松-旋耕、深松-免耕、免耕-免耕,通过多年定位试验研究周年耕作方式对砂姜黑土农田土壤容重、土壤水分及作物籽粒产量的影响。【结果】与对照处理相比,免耕-深耕处理显著降低夏玉米收获期15—25 cm土层土壤容重和冬小麦收获期20—35 cm土层土壤容重,深松-免耕和深松-旋耕处理显著降低夏玉米收获期15—40 cm土层土壤容重和冬小麦收获期20—25 cm土层土壤容重,而免耕-免耕处理显著增大夏玉米收获期0—10 cm土层土壤容重和冬小麦收获期5—20 cm土层土壤容重。免耕-深耕、深松-旋耕和深松-免耕处理显著增加夏玉米收获期0—40 cm土壤贮水量,而深松-旋耕和免耕-免耕处理却降低冬小麦收获期0—40 cm土壤贮水量。与对照免耕-旋耕处理相比,深松-免耕处理提高夏玉米-冬小麦整个周年内20—40 cm土层土壤含水量,免耕-免耕处理提高作物收获期40—160 cm土壤含水量,而深松-旋耕处理在冬小麦收获期则降低40—160 cm各土层土壤含水量。深松-旋耕和深松-免耕处理显著增加夏玉米-冬小麦周年籽粒产量,增幅分别为7.67%和10.21%,免耕-深耕处理冬小麦籽粒产量增加而夏玉米产量降低,最终周年籽粒产量降低0.44%,免耕-免耕处理夏玉米-冬小麦周年籽粒产量降低2.19%。【结论】深松-旋耕和深松-免耕处理能够降低土壤容重、提高作物籽粒产量,其中深松-免耕处理能够改善土壤蓄水保墒能力,产量及经济效益增加效果较优,可作为相对较适宜的黄淮区砂姜黑土农田夏玉米-冬小麦周年耕作方式。     

影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素 及其对供氮量的响应

砂姜黑土是我国典型的中低产田土壤类型,研究其在土壤微生物驱动下的氮素转化过程及其机制,可为定向调控土壤氮素转化过程,提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据。试验设置0 kg·hm~(-2)、120 kg·hm~(-2)、225 kg·hm~(-2)和330 kg·hm~(-2) 4个供氮量,分别于冬小麦越冬期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期测定小麦根际土壤氮转化相关微生物作用(氨化作用、硝化作用和反硝化作用)强度和土壤氮素转化相关酶(脲酶、蛋白酶)活性,土壤净氮素矿化速率、土壤硝态氮和铵态氮含量的变化,研究影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素及其对不同供氮量的响应。结果表明,土壤氮素转化微生物及酶活跃时期为拔节到灌浆期,灌浆期之后土壤氨化作用强度、硝化作用强度、脲酶及蛋白酶活性降低;土壤净氮素矿化速率与土壤氮素转化微生物作用强度及酶活性的活跃期较为一致,在开花前后达到最高。除脲酶活性随供氮量增加持续上升外,土壤氮素转化微生物作用强度及蛋白酶活性均随供氮量的增加,在225 kg·hm~(-2)处理下达到最高,进一步增加供氮量至330 kg·hm~(-2),微生物作用强度及酶活性均表现出不同程度的下降。可见,砂姜黑土土壤氮素转化的活跃期与小麦需氮高峰期基本一致,有利于冬小麦的生长。但由于砂姜黑土中土壤硝化作用强度较低,土壤硝化能力有限,从而降低了氮素可利用性,且增加了土壤氨挥发损失的潜在风险。在一定范围内增加供氮量,有利于土壤氮素的转化,但供氮过多(330 kg·hm~(-2))则不利于砂姜黑土供氮能力的提高。     

减氮适墒提高冬小麦旗叶光合潜力和籽粒产量

针对目前小麦高产栽培中大量投入氮肥引起的土壤板结、肥效降低等突出问题,2013-2014和2014-2015年度大田条件下设置自然降水(W1)、适墒(W2, 70%±5%)、足墒(W3, 80%±5%) 3个水分处理和3个氮肥水平处理,即不施氮肥(N1)、减氮(N2, 195 kg hm-2)和高氮(N3, 270 kg hm-2),研究了不同水肥条件对冬小麦旗叶功能期内光响应曲线特征参数、水分利用效率和籽粒产量及其构成因素的影响。在W1和W2条件下,N2处理不同时期旗叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)的光响应曲线逐渐上升的幅度均高于N1和N3处理,胞间二氧化碳浓度(Ci)光响应曲线下降的幅度也大于N1和N3处理;在W3条件下,N2、N3光响应曲线的变化趋势相近。N2W2处理的旗叶光合参数在开花期最具优势,最大净光合速率为33.20 μmol CO2 m-2 s-1,光饱和点达1507.4 μmol m?2 s?1,分别比其他处理平均提高21.4%和9.5%,而光补偿点最低,表现出较高的光合潜能。连续两年产量结果显示,N2W2处理穗粒数和千粒重在9个处理中最高,差异显著(P < 0.01);籽粒产量在9500 kg hm-2以上,水分利用效率比W2和W3条件下的其他处理平均提高18.8%。上述结果表明,在适墒条件下施氮量从270 kg hm-2减少至195 kg hm-2,能充分发挥旗叶功能期的光合潜力,增加穗粒数和千粒重,提高籽粒产量。     

亚精胺对淹水胁迫下玉米幼苗生长和生理特性的影响

以耐涝性不同的品种浚单20(XD20)和登海662(DH662)为试验材料,采用盆栽试验,研究外源亚精胺(Spd)对淹水胁迫下玉米幼苗生长和生理特性的影响。结果表明,淹水胁迫下,外施Spd增加两个玉米品种的地上部干重、株高、相对干重增长速率(RDIR)和相对含水量(RWC),降低活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)的积累,提高叶片中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)和过氧化氢酶(CAT)活性及还原型谷胱甘肽(GSH)和还原性抗坏血酸(As A)含量。外施Spd也使叶片中脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量升高。外施Spd增强了淹水胁迫下玉米幼苗的抗氧能力和渗透调节能力,渍涝敏感品种DH662的反应更为敏感。     

基于CRISPR/Cas9系统的水稻光敏色素互作因子OsPIL15基因编辑

【目的】光作为一种环境信号,可影响植物的基因表达、酶活性和形态建成。光敏色素互作因子在光信号传导过程中起着重要作用。本研究旨在构建水稻光敏色素互作因子OsPIL15的CRISPR/Cas9表达载体,创制OsPIL15突变体,挖掘水稻功能基因,丰富和完善水稻光信号调控分子机制。【方法】依据CRISPR/Cas9技术原理,设计OsPIL15突变靶点。将所设计靶序列在水稻基因组中进行比对,排除非特异性靶位点,同时使该靶序列含有常用酶切位点,方便后期突变体鉴定。化学合成靶位点寡核苷酸序列并与载体pBUN411连接构建CRISPR/Cas9表达载体,利用农杆菌介导法导入粳稻品种日本晴,以除草剂抗性标记筛选获得阳性转基因植株。利用酶切法判断T0代转基因植株是否发生突变,结合测序结果分析突变单株的突变基因型。将靶点序列在水稻全基因组中进行比对分析,选择5个与靶序列同源性较高且错配在4 bp以内的位点作为潜在脱靶位点进行脱靶效应评估,分析所设计靶序列特异性。【结果】所构建表达载体成功实现了对OsPIL15的定向编辑,酶切显示在选取的25株T0代转基因植株中获得15株突变体,其中包括5株纯合突变体、6株双等位突变体和4株杂合突变体,共10种不同突变基因型和11个突变株系。突变类型以单碱基插入或缺失为主,同时也得到2种56和66 bp较大片段缺失株系。对部分纯合突变、双等位突变和杂合突变体的T1代植株进行分析,结果表明,T0代产生的突变基因型绝大部分能稳定遗传给下一代。T0代纯合突变体后代为纯合突变单株,仅在株系14纯合突变体后代中检测到1株未突变单株;T0代双等位突变体后代可得到2种纯合突变型和1种双等位突变型;T0代杂合突变体后代则可得到纯合、杂合及未突变3种类型。对T0代未突变植株的后继世代酶切分析显示,62株T1代转基因植株均未发生突变,表明CRISPR/Cas9在T1代转基因阳性植株中未重新发挥基因编辑作用。对20株突变体的5个潜在脱靶位点进行分析,5个潜在脱靶位点均未检测出脱靶效应,表明所设计靶序列具有较高特异性。对选取的3组不同基因型ospil15 T1代突变体表型进行初步观察,结果表明,突变体生育期和分蘖数未出现明显变化,株高极显著下降,籽粒粒长极显著增加,最大增幅达5.69%。【结论】CRISPR/Cas9系统能对OsPIL15进行定向编辑,获得的10种不同突变基因型的ospil15突变体与野生型相比株高极显著降低、籽粒粒长极显著增大。     

玉米南方锈病和普通锈病分子检测技术研究

为建立快速鉴定玉米南方锈病菌和玉米普通锈病菌的分子检测方法,有助于玉米锈病的早期预警和有效防控,利用真菌ITS通用引物分别对采自海南、河南、吉林的玉米锈病菌样品进行了rDNA-ITS区克隆和测序分析(GenBank登录号为:HM452902,HQ154021~HQ154038),并根据其变异区段序列分别设计了病原菌检测特异性引物。结果表明:设计的检测引物具有较高的种特异性和检测灵敏度,在普通PCR体系中可检测到南方锈病菌和普通锈病菌的锈病菌DNA的最低浓度分别为100和1pg/μL。本研究建立的检测体系对2种玉米锈病菌的快速分子鉴定及病害早期预警都具有重要应用价值。     

淹水胁迫对不同土壤类型养分及玉米苗期养分吸收分配的影响

采用池栽试验,以潮土和砂姜黑土为对象,研究淹水胁迫下不同土壤类型速效养分变化及玉米苗期养分吸收分配的特征。结果表明,淹水胁迫导致两类土壤速效氮含量显著下降,随着淹水时间延长降低幅度增大;土壤速效磷含量呈倒抛物线型,在淹水3 d达最低值;速效钾含量呈上升趋势,潮土速效钾含量呈曲线上升趋势,砂姜黑土速效钾含量呈线性增加趋势。玉米养分及干物质的累积量和产量随着淹水时间延长而降低,氮、磷、钾的累积量分别降低21.37%~72.22%、22.00%~42.10%和11.71%~60.36%;干物质的累积量下降37.49%~57.17%;玉米产量下降9.05%~30.15%,砂姜黑土的下降幅度大于潮土。淹水减少了叶片和茎秆的养分及干物质累积量,增加了茎秆中的养分和干物质分配比例,平均增加25.95%和43.34%。     

假禾谷镰孢菌细胞自噬相关基因的鉴定与表达分析

细胞自噬是真核生物中一类包含多种进化保守的Atgs蛋白参与的蛋白质降解途径,该途径也参与多种植物病原真菌的产孢、孢子萌发和致病性过程。本研究利用模式物种已知的Atgs,通过生物信息学分析在假禾谷镰孢菌中鉴定到29个Atgs,分属29种不同蛋白类型。细胞自噬核心调控机制相关蛋白Atg1、Atg6、Atg8和Atg9的氨基酸序列系统进化分析结果显示,Atgs在丝状真菌间非常保守,符合物种进化的特点。通过假禾谷镰孢菌跟亲和与非亲和寄主转录组数据分析发现,与菌丝阶段相比26个Fp Atgs在侵染阶段的表达发生改变,其中Fp Atg1、2、3、4、5、7、8、9、13、22、23、28和Fp Vps34在侵染初期和中后期均诱导表达;Fp Atg6、14、17、20、24、29和Fp Vps15在侵染初期和中后期表达量均降低;Fp Atg10、11除在非亲和互作中后期表达量略有上调,其余阶段均显著下调表达;Fp Atg15、16在亲和互作初期诱导表达,其余阶段均下调表达;Fp Atg26、27在亲和互作初期下调表达,中后期诱导表达,而在非亲和互作初期表达量升高,到中后期下调表达。推测细胞自噬参与调控假禾谷镰孢菌的侵染过程。     

大豆疫霉细胞凋亡相关基因的鉴定与表达分析

为探讨大豆疫霉Phytophthora sojae细胞凋亡潜在的调控机制,根据已知的细胞凋亡蛋白,利用在线工具BLASTP、pFAM和SMART在大豆疫霉蛋白组数据库中鉴定细胞凋亡同源蛋白并构建其进化树,通过转录组数据和实时荧光定量PCR技术分析细胞凋亡相关基因在大豆疫霉生长、发育及侵染不同时期的表达情况。结果显示:在大豆疫霉中共鉴定到13个细胞凋亡同源蛋白,包括核酸内切酶G(PsNUC1)、细胞色素c(PsCYCS)、凋亡诱导因子(PsAIF)、丝氨酸蛋白酶(PsHtrA-1、PsHtrA-2和PsHtrA-3)、多聚ADP核糖聚合酶(PsPARP-1、PsPARP-2和PsPARP-3)和TatD核酸酶(PsTatD1、PsTatD2、PsTatD3和PsTatD4)。在进化上,PsNUC1、PsCYCS、PsAIF、PsHtrA-1、PsPARP-1、PsPARP-2、PsPARP-3、PsTatD1和PsTatD2与人及秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegans的同源蛋白亲缘关系较近,而与真菌相关蛋白亲缘关系较远,PsHtrA-2、PsHtrA-3、PsTatD3和PsTatD4与酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae相关蛋白相似度更高,说明大豆疫霉细胞凋亡蛋白在进化中发生了较大变异。大豆疫霉细胞凋亡相关基因PsHtrA-1和PsRARP-1在孢子囊阶段诱导表达,PsHtrA-2和PsRARP-2在游动孢子阶段上调表达,PsAIF、PsHtrA-3、PsRARP-1和PsRARP-2在侵染阶段明显诱导表达,PsCYCS在侵染阶段下调表达。细胞凋亡相关基因在大豆疫霉不同阶段的表达模式有较大差异,说明细胞凋亡在大豆疫霉生长、发育及致病过程中具有重要作用。     

A new multiplex polymerase chain reaction assay for simultaneous detection of five soil-borne fungal pathogens in winter wheat

Journal of Plant Diseases and Protection - Wheat (Triticum spp.) is often coinfected by several soil-borne fungal pathogens, causing serious crop yield and economic losses. Rapid diagnosis of...