基于作物生长模型的玉米生殖期冷害致灾因子研究

利用东北玉米生长模型(NEC_MaGM)结合历史冷害数据分析了东北玉米灌浆期低温和初霜冻的发生规律,探讨了两者对玉米生长发育过程的影响与实际冷害年份之间的对应关系。结果表明,东北地区玉米灌浆期间较易出现15~16℃以下的急剧降温天气,对籽粒灌浆影响很大;出现在发育指数(DVS)为1.9之前且日平均温度连续5 d低于16℃的低温将对玉米贮存器官干重(WSO)积累造成重大影响,其出现年份与实际冷害发生年份符合度较高,是发生大面积冷害的致灾因子之一;随着气候变暖,东北各地初霜冻日和新玉米品种的成熟期均在推迟,但初霜冻日的年际波动不断增大。模拟显示,初霜冻发生在玉米成熟前的频率也在增加,初霜冻对玉米的影响仍不容忽视;初霜冻对WSO积累影响严重的年份与历史上出现冷害的一些典型年份比较一致,也是重要的冷害致灾因子之一。灌浆期低温和初霜冻出现时间以及由此导致WSO的损失程度可以作为基于作物生长模型进行玉米冷害监测预测的重要指标。同时,作物生长模型可以成为研究农业气象灾害致灾因子的有力工具。     

油菜素内酯对春玉米灌浆期叶片光合功能与产量的调控效应

以玉米品种"郑单958"为材料,在大田条件下,采用植物生长调节物质油菜素内酯(brassinolide,BR)对苞叶和穗位叶喷施处理,研究了BR对玉米穗位叶功能、籽粒灌浆及产量的调控作用。结果表明,灌浆期随生育进程,玉米穗位叶叶绿素含量、光合速率、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(Ru BPCase)以及蔗糖磷酸合酶和蔗糖合酶的活性均显著下降。同时,籽粒蔗糖含量显著降低,但淀粉含量和粒重均显著增加。与对照相比,BR处理显著增加玉米穗位叶叶绿素含量,提高光合速率,增强PEPCase、Ru BPCase、蔗糖磷酸合酶和蔗糖合酶的活性。BR处理显著增加籽粒蔗糖和淀粉积累,提高玉米籽粒干物质积累。在产量构成上,BR显著缩短秃尖长度,增加穗粒数和千粒重,显著提高产量。本研究说明,灌浆期喷施BR可提高玉米叶源的活性,延长叶片光合功能持续期,促进籽粒灌浆和物质积累,从而实现增产。     

基于作物生长模型的东北玉米冷害监测预测研究

在全球气候变暖背景下,东北地区的气温明显上升,但由于存在玉米相对晚熟品种越区(北扩)种植现象,区域性和阶段性的玉米低温冷害仍时有发生。因此,开展东北玉米低温冷害监测预测研究仍十分必要。本文首先利用东北玉米生长模型(NEC_MaGM)构造冷害监测指标,然后开展玉米冷害监测预测方法研究并进行个例分析。结果显示,从不利天气条件和玉米对低温响应两方面遴选的8个单项指标中,以指标2 (DC_Tas9,抽雄期到9月底的累积热量单位与同期多年平均值的差值百分率)和指标1 (DN_Tas,当年抽雄期与多年平均抽雄期的差值)对历史玉米冷害的概括能力最强;根据冷害致灾机理、单一指标的历史概括能力及其独立性等因素,构建了由指标1、2以及指标4 (DW_GrS,水分适宜条件下模拟穗重与多年平均穗重的差值百分率)和指标7 (DW_Fro,初霜冻日时模拟穗重与模拟成熟时穗重的差值百分率)组合而成的东北玉米低温冷害综合指标;基于NEC_MaGM和冷害综合指标进行单点冷害监测,确定了若45%以上站点出现玉米冷害即为区域性冷害的标准,独立样本监测检验与实际情况一致;利用NEC_MaGM在网格尺度上的监测可以得到更详细的冷害空间分布状况,有利于开展农业气象业务服务工作;根据前期天气实况加上区域气候模式预测的气象要素数据,再结合预报时效之后的多年平均气候数据,在格点尺度利用NEC_MaGM可以实现对东北玉米低温冷害的预测。预测个例表明,该方法能够反映冷害的形成过程和严重程度,但其准确性不仅与作物模型有关,还依赖于区域气候模式的模拟能力。     

基于高光谱遥感的玉米叶片SPAD值估算模型研究

灌浆期玉米叶片叶绿素含量对玉米光合作用及产量形成具有重要作用。为通过高光谱特征准确、高效估测玉米叶片叶绿素含量,以SPAD值表征叶绿素相对含量,构建了基于光谱特征参数的传统回归模型、基于全谱和光谱特征参数的PLSR模型和BP神经网络模型,并进行了比较分析。结果表明：基于全谱构建的PLSR模型SPAD值拟合效果最好（R ²=0.910,RMSE=2.071）,而基于光谱特征参数所建立的PLSR模型拟合效果可达到与全谱PLSR模型相近的水平。但后者的实测值与预测值拟合效果（R ²=0.867,RMSE=2.581,RPD=2.628）优于全谱PLSR模型,且建模时间短,模型复杂程度降低。BP神经网络模型相较于两种PLSR模型预测效果略差,但优于传统回归模型。综合来看,基于光谱特征参数建立的PLSR模型估测效果最好。     

玉米幼苗叶片硝酸还原酶热稳定系数与田间早衰的关系

玉米早衰严重影响籽粒灌浆.在育种过程中,早衰严重的组合将被淘汰,但由于早衰发生在灌浆后期,安排试验时难以事先剔除早衰的组合.为了减少田间设计的盲性,我们对人工培养的幼苗进行生化分析,找到了预测玉米杂交组合早衰程度的方法.众所周知,氮素供应不足是引起叶片衰老的重要原因之一.氮素供应主要取决于土壤含氮量和植株体内氮素代谢的酶系统,在氮素代谢过程中硝酸还原酶尤其重要.在某一作物的不同品种之间硝酸还原酶活力(NRA)有很大差别,NRA强的品种氮代谢旺盛,NRA弱     

关于玉米光合作用与叶片水分利用效率关系的研究

研究分析了玉米１７个自交系和１１个杂交种单叶光合速率，蒸腾速率和叶片水分利用效率。结果表明，玉米自交系或杂交种间单叶ＰＨ、ＴＲ和ＷＵＥ存在着显著差异。ＷＵＥ与ＰＨ呈极正相关关系，且较ＷＵＥ与ＴＲ的关系更密切。玉米单叶的ＷＵＥ、ＰＨ、ＴＲ值会随着叶位、生育时期、光辐射强度、种植密度不同而不同，也会由于源库比改变、植株个体 间差异而变化。ＷＵＥ和ＰＨ之产是回归直线的斜率随生率的推延而增大，但几乎不受源     

S_(3307)和KT对春玉米叶片碳代谢及产量的影响

探讨叶面喷施烯效唑(S_(3307))和激动素(KT)对玉米叶片碳代谢及产量的影响,为S_(3307)和KT在玉米生产上的应用提供科学依据。大田栽培条件下,以‘德美亚1’和‘德美亚2’为试验材料,于玉米7叶期喷施S_(3307)和KT,喷施清水为对照,研究其对玉米叶片碳代谢及产量的影响。结果表明:S_(3307)和KT均显著增加了2个品种的穗重、粒重、穗行数、行粒数和单粒重,最终提高了玉米籽粒产量。其中,KT对‘德美亚1’产量的调控效果较好,S_(3307)对‘德美亚2’产量的调控效果较好。喷施调节剂后第21~30天,2种调节剂均降低了叶片淀粉含量和淀粉酶活性,‘德美亚1’的叶片淀粉含量下降幅度为0.16%~31.10%,淀粉酶活性下降幅度为7.58%~45.83%;‘德美亚2’的叶片淀粉含量下降幅度为2.68%~42.01%,淀粉酶活性的下降幅度为3.97%~39.82%。喷施调节剂后第21天,2个品种叶片蔗糖和可溶性糖含量的大小依序为KTS_(3307)CK,‘德美亚1’的2个处理蔗糖和可溶性糖含量比CK分别增加84.64%、31.28%、67.38%和52.74%,‘德美亚2’的2个处理蔗糖和可溶性糖含量比CK分别增加14.21%、3.92%、49.34%和37.50%。2种调节剂均显著促进了生育后期玉米叶片的生理活性,延缓了叶片衰老,进而提高了玉米产量。     

玉米叶向值的全基因组关联分析

叶向值是反映叶片"直"和"立"两个特性的综合指标。叶向值高的品种,叶片直而不弯,叶夹角小,有利于群体通风透光,在群体密度较高时比平展型更容易获得高产。阐明叶向值的遗传基础,对玉米理想株型分子设计育种具有重要的意义。本研究以285份多样性玉米自交系为材料,利用Illumina的maizeSNP50芯片基因分型结合连续2年的叶向值表型鉴定,通过全基因组关联分析方法挖掘玉米叶向值显著关联的SNP位点。方差分析表明,不同自交系的叶向值差异达到极显著水平(P<0.01)。在最优模型选择时,发现Q+K模型最适合本研究的叶向值关联分析。在2个年份下,共检测到15个与叶向值显著关联的位点(P<4.05E-5),包括27个SNP,解释5.54%～8.73%的表型变异,并挖掘了15个候选基因。其中1.07 bin上的位点2是本研究发现的重要位点,其候选基因可能是编码细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶的Zm00001d032050,有待进一步图位克隆工作验证。     

糯玉米优化施肥研究

采用3因子5水平最优设计,建立了N、P、K施肥与糯玉米产量、利润的数学模型。由模型得知：⑴ 3个因子对产量、利润的影响顺序氮肥﹥磷肥﹥钾肥;⑵ 产量﹥950㎏／667㎡、利润﹥1000元／667㎡的优化施肥方案为施N 6. 98～10.35㎏、P2O5 3.69～4.95㎏、K2O 5.81～8.22㎏。     

基于分段曲率的玉米植株三维结构的重建

摘要 （目的）在模拟玉米三维结构的过程中,需要描述和表征其各器官的变化。叶片是其重要的器官之一,而叶片造型的主要任务是叶片中脉曲线的设计。（方法）本文采用对中脉分段的方法,根据各分段曲率参数计算出每段变形之后的端点,递推得到若干可用于描述叶脉特征的点列。为了获得玉米植株叶片中脉的三维形态,作者采用三维数字化仪测量了36株玉米群体中脉的空间坐标。（结果）基于测定的三维坐标数据提取了各叶片中脉分段的曲率参数值,并对曲率值按叶位进行了统计分析,得出用于描述完整植株的五类叶型和各种叶型的位置分布规律。并采用VC++与OpenGL库相结合的可视化技术,实现了玉米群体的三维真实感重构,并将该方法模拟出的叶面积与实际测量的叶面积进行了验证,得到R2为0.9975。（结论）采用叶片分段并且逐段计算叶脉弯曲的方法,在对玉米的三维结构的构建中获得了较好的效果,将为与形态结构相关的研究提供基础数据。     

Detection of epistatic and environmental interaction QTLs for leaf orientation‐related traits in maize

Leaf architecture traits in maize are quantitative and have been studied by quantitative trait loci (QTLs) mapping. However, additional QTLs for these traits require mapping and the interactions between mapped QTLs require studying because of the complicated genetic nature of these traits. To detect common QTLs and to find new ones, we investigated the maize traits of leaf angle, leaf flagging‐point length, leaf length and leaf orientation value using a set of recombinant inbred line populations and single nucleotide polymorphism markers. In total, 19 QTLs contributed 4.13–13.52% of the phenotypic effects to the corresponding traits that were mapped, and their candidate genes are provided. Common and major QTLs have also been detected. All of the QTLs showed significant additive effects and non‐significant additive × environment effects in combined environments. The majority showed additive × additive epistasis effects and non‐significant QTL × environment effects under single environments. Common and major QTLs provided information for fine mapping and gene cloning, and SNP markers can be used for marker‐assisted selection breeding.     

Epistatic and QTL × environment interaction effects on leaf area‐associated traits in maize

Leaves play important roles, including in photosynthesis and transpiration, during plant development. Therefore, studying the genetic mechanisms affecting leaf size may contribute to improving plant architecture through molecular design. However, the genetic mechanisms that underlie these traits remain poorly understood. In this study, quantitative trait loci (QTL) for traits related to leaf area were identified using a set of recombinant inbred lines evaluated in three environments by 1226 single nucleotide polymorphic markers. In total, 16 QTL were detected with four QTL showing effects of greater than 10%. Five of the QTL explained 46.02%, seven of the QTL explained 46.77%, and four of the QTL explained 30.03% of the phenotypic variance of leaf length, width and area, respectively. Additional epistatic effects were identified for all of the maize chromosomes, except for chromosomes 7, 8 and 9. All of the epistatic effects involved pairs of loci on different chromosomes. Thus, a complex network controlling these traits was found in maize. These results provide useful information for understanding the molecular mechanisms controlling maize leaf size.     

综合农艺管理对夏玉米叶片生长发育及内源激素含量的影响

叶片可直接反映玉米植株的营养状况,是光合作用的主要场所,与干物质积累和产量形成密切相关。本研究以郑单958 (ZD958)为试验材料,以T1代表农民习惯处理; T2代表在T1的基础上,增加种植密度,推迟收获,降低施肥量,并优化施肥时期; T3代表在T2的基础上进一步增加种植密度和施肥量; T4代表在T3的基础上,降低种植密度和施肥量;N代表施氮量处理,设N0、N1、N2和N3分别为0、129.0、184.5和300.0kgNhm~(–2),研究综合农艺管理对夏玉米叶片生长及内源激素的调控作用。综合农艺管理措施包括优化耕作方式、种植密度、施肥量、施肥时期和收获时间等。结果表明,施氮量不足导致IAA、ZR和GA_3含量降低, ABA含量升高,叶片SPAD值、叶面积指数(LAI)及比叶重均显著降低;随施氮量的增加,叶片IAA、ZR和GA_3含量增加,ABA含量降低,LAI、SPAD和干物质积累量均显著增加。综合农艺管理处理可调节叶片内源激素含量,其中T4处理IAA、ZR和GA_3含量较T1处理分别高23.1%、9.8%和14.7%;ABA含量降低12.4%;叶片LAI适宜, SPAD值增加4.2%,最终单株干物质积累量增加12.6%。综合农艺管理在降低施氮量,配合最佳的农艺管理方式下,可调节内源激素含量,增加叶片SPAD和比叶重,有利于单株干物质积累,这可能是促进夏玉米产量增加的重要原因之一。     

聚天门冬氨酸螯合氮肥减量基施对东北春玉米的增效机制

2016年和2017年在中国农业科学院作物科学研究所吉林公主岭试验站(43°29'55'N,124°48'43'E),以中单909为材料,设置常规氮素(CN)和PASP螯合氮素(PASP-N)的不同施肥量全基施处理,探讨东北春玉米PASP螯合氮素减量全基施的增效机制。结果表明,相比CN,PASP-N在总施氮量减少1/3的条件下,玉米增产0.9%～3.0%,穗长增加0.5%～2.9%,灌浆中期叶面积指数增大18.5%～22.3%,秃尖长降低13.8%～46.7%,株高及穗位高分别降低1.5%～2.5%和0.7%～8.4%。PASP-N处理下,花期玉米功能叶硝酸还原酶(NR)活性降低1.4%～19.8%,花后30 d穗位叶谷氨酰胺合成酶(GS)活性提高18.5%～33.1%,花后20 d穗位叶谷草转氨酶(GOT)活性增高0.8%～6.4%。多项式曲线模拟结果表明, PASP-N和CN处理全基施最佳氮用量分别为185.3 kg hm~(–2)和219.1 kg hm~(–2), PASP-N比CN少施氮肥33.8kg hm~(–2), PASP-N产量比CN高108.9 kg hm~(–2)。氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥表观利用率和氮肥生理效率分别比常规氮素处理增加51.3%～54.4%、2.9%～104.2%、28.9%～126.6%和48.0%～405.2%。因此, PASP螯合氮肥能促进东北春玉米籽粒灌浆中后期氮素代谢,提高玉米氮肥利用效率。     

条带耕作错位种植对灌区春玉米产量形成与冠根特征的影响

2017年和2018年在内蒙古通辽市科尔沁区农业高新科技示范园区,以农华101为供试材料,采用条带耕作错位种植(苗带耕作, 15 cm+45 cm小双行错位播种, TGCW)和等行常规种植(旋耕, 60 cm等行距, CK)两种模式, 6.75万株hm^–2、8.25万株hm^–2、9.75万株hm^–2 3个种植密度,研究条带耕作错位种植模式对西辽河平原灌区春玉米冠根协调特征及产量形成的调控效应。结果表明,相比于等行距常规种植,条带耕作错位种植的产量显著提高,其中8.25万株hm^–2增幅最明显, 2017年和2018年分别提高13.1%和13.8%,该模式吐丝后干物质积累量及积累率具有明显优势,较强的物质积累明显延缓了生育后期叶片衰老,同时穗位上和穗位层透光率显著提高,生育后期叶面积指数、净光合速率和群体光合势均显著高于CK。该模式生育后期各土层植株根干重显著高于CK,高密度下更为明显,且20～60 cm根系占比高,吐丝期单位根重获得的籽粒产量和成熟期根冠比均具有明显优势。该模式的这些优点是促成西辽河平...     

An illuminance ratio model based on a luminance transfer function matrix

An illuminance ratio model of both single and multiple sources was proposed. The model tried to compensate for a lighting dimming system acting incorrectly as a result of an illuminance sensor aimed at a workplace sheltered by paper or a human body. The method was based on a luminance transfer function matrix, and the model parameters were estimated via the least squares method. Simulated and experimental results show the illuminance calculated using the model is consistent with the actual situation. The illuminance sensor setting based on this model can not only reduce difficulties associated with laying lines, but also avoid incorrect action caused by the illuminance sensor aimed at a workplace sheltered by paper or a human body. This research serves as a reference for the design of lighting dimming systems.     

Development and application of functional markers in maize

Summary Functional markers (FMs) are derived from polymorphic sites within genes causally involved in phenotypic trait variation (Andersen, J.R. & T. Lübberstedt, 2003. Trends Plant Sci 8: 554–560). FM development requires allele sequences of functionally characterized genes from which polymorphic, functional motifs affecting plant phenotype can be identified. In maize and other species with low levels of linkage disequilibrium, association studies have the potential to identify sequence motifs, such as a few nucleotides or insertions/deletions, affecting trait expression. In one of the pioneering studies, nine sequence motifs in the dwarf8 gene of maize were shown to be associated with variation for flowering time (Thornsberry, J.M., M.M. Goodman, J. Doebley, S. Kresovich, D. Nielsen & E.S. Buckler, 2001. Nat Genet 28: 286–289). Proof of sequence motif function can be obtained by comparing isogenic genotypes differing in single sequence motifs. At current, the most appropriate approach for this purpose in crops is targeting induced local lesions in genomes (TILLING) (McCallum, C.M., L. Comai, E.A. Greene & S. Henikoff, 2000. Nat Biotechnol 18: 455–457). In central Europe, maize is mainly grown as forage crop, with forage quality as major trait, which can be determined as proportion of digestible neutral detergent fiber (DNDF). Brown midrib gene knock out mutations have been shown to be beneficial for forage quality but disadvantageous for overall agronomic performance. Two brown midrib genes (bm1 and bm3) have been shown to be involved in monolignol biosynthesis. These two and additional lignin biosynthesis genes have been isolated based on sequence homology. Additional candidate genes putatively affecting forage quality have been identified by expression profiling using, e.g., isogenic bm lines. Furthermore, we identified an association between a polymorphism at the COMT locus and DNDF in a collection of European elite inbred lines.