基于时序高光谱和多任务学习的水稻病害早期预测研究

水稻病害是影响水稻产量的重要因素之一,水稻病害的早期预测对水稻病害防治至关重要。为了实现水稻白叶枯病害的预测,连续采集了从接种病菌到早期发病共7d的白叶枯病害胁迫下的叶片高光谱图像。利用Savitzky-Golay算法对高光谱图像进行预处理,并利用主成分分析（Principal component analysis, PCA）和随机森林（Random forest, RF）算法提取光谱特征,构建多任务学习(Multi-task learning, MTL)与长短期记忆（Long short-term memory, LSTM）网络融合的预测模型,对水稻病害发病率和潜伏期进行预测,并利用鲸鱼优化算法（Whale optimization algorithm, WOA）对MTL-LSTM模型进行优化。实验结果表明：PCA和RF可以有效地从高光谱图像中提取光谱特征,降低高光谱数据维度,且基于光谱特征构建的预测模型性能优于全波段光谱构建的预测模型性能,建模时间降低约98%。基于时序高光谱构建的预测模型对发病率和潜伏期的预测取得了预期效果,基于前10个特征波长构建的WOA-MTL-LSTM模型取得了最优的预测性能,对发病率和潜伏期预测测试集的R2分别为0.93和0.85,RMSE分别为0.34和2.12,RE分别为0.33%和1.21%。通过WOA算法可以提升MTL-LSTM的预测性能,对发病率和潜伏期预测的R2均提升0.05。研究结果表明RF提取高光谱特征能有效表征全波段光谱,基于时序高光谱的WOA-MTL-LSTM模型可以准确预测白叶枯病害发病率和潜伏期,为水稻白叶枯病害的预防提供了技术支持。     

茄子主要早熟相关性状研究

生产实践中评价茄子早熟性的主要指标是前期产量。为探究茄子早熟相关性状,进而辅助早熟育种,2012—2014年对总计138个紫圆茄杂交组合的主要农艺性状进行相关分析,并于2013、2014年对主要前期产量相关性状进行通径分析。3年相关分析结果显示,单株结果数和单果重与单株前期产量极显著相关,而始花节位与单株前期产量的相关性表现没有规律性,存在极限效应。2014年单株结果数和单果重对单株前期产量的直接通径系数分别为1.2073和0.7935,说明对单株前期产量有显著正向效应。因此选育早熟茄子品种首要的是提高单株结果数,在保证品质的同时选择大果且肉质紧密类型,不要过分依赖始花节位。     

不同种质玉米自交系种子萌发的干旱胁迫研究

种子萌发期被认为是作物生长的关键时期,也是衡量作物耐旱性强弱的重要时期。为了明确不同玉米自交系的耐旱性,本研究采用聚乙二醇(PEG)模拟干旱条件,对254份不同种质玉米自交系进行种子萌发期处理。通过检测发芽指数、发芽率、根数、根鲜重、根干重、茎鲜重、茎干重、根长、苗高等种子发芽性状,以其相对值为指标,鉴定不同自交系种子萌发期的耐旱性。结果表明,在5%PEG6000浓度胁迫时,种子萌发程度低,当PEG浓度为10%时,种子萌发受抑制程度较高;各性状相对指标都与品种综合抗旱能力呈显著或极显著正相关;不同自交系的耐旱性存在较大差异,通过隶属函数法结合抗旱分级标准筛选出99份中等耐旱材料。因此,该方法可以作为一种简单的玉米自交系萌发期耐旱性鉴定方法。     

玉米籽粒早期发育相关蛋白的差异表达特性

玉米籽粒发育早期,代谢活动旺盛,细胞分裂与增大活跃,为后续贮藏物质的合成形成充足库容。为阐明籽粒早期发育的蛋白合成、积累与调控过程,本研究以夏玉米品种登海661为试验材料,在开花期人工饱和授粉后第3、第5、第10天取果穗中部籽粒,利用同位素标记相对定量(iTRAQ)技术分析其蛋白差异表达特性。玉米籽粒早期发育阶段总计鉴定及定量2639种蛋白,这些蛋白涉及多种生物过程与分子功能,其中代谢过程和分子过程是最主要的2个生物过程;催化活性和绑定功能是最主要的2个分子功能,这些生物过程与分子功能对籽粒早期发育具有重要作用。定量分析结果表明137种蛋白在籽粒发育早期显著差异表达,其功能涉及蛋白代谢、胁迫响应、细胞生长与分裂、碳水化合物与能量代谢、转运、次生物质代谢、淀粉合成、转录、油脂代谢、信号转导、氨基酸代谢等。其中,表达差异较大的是与蛋白代谢、胁迫响应、细胞生长与分裂以及碳水化合物与能量代谢相关的蛋白。表达模式聚类结果显示这些不同功能类别的蛋白协同表达,共同调控玉米籽粒的早期发育。     

耐低氮烟草基因型的筛选及氮效率分析

筛选耐低氮及氮高效的烟草基因型是提高氮素利用效率,减少氮污染的一种有效途径。本文采用营养液培养方法,于苗期以低氮(0.5 mmol L–1)和正常氮(5.0 mmol L–1)处理74个不同基因型烟草,通过指标统计、因子分析、聚类分析来确定评价指标及筛选出耐低氮基因型,并结合氮效率综合值分析表明,在低氮和正常氮条件下,不同基因型烟草的根系体积、根系生物量、茎叶氮累积量、地上部生物量变异系数均较大,分别为0.37~0.68和0.38~0.64。低氮和正常氮的主成分基本相似,在不同供氮条件下茎叶氮累积量、地上部生物量均起主要作用。筛选出15个耐低氮基因型,占供试材料的20.3%,其中8个属于低氮高效正常氮低效型,占耐低氮基因型的53.3%,6个属于低氮低效正常氮低效型,占40.0%,1个属于低氮高效正常氮高效型,占0.7%;筛选出8个低氮敏感基因型,其中6个属于低氮低效正常氮高效型,占75.0%,2个属于低氮低效正常氮低效型,占25.0%。初步确定14P9为耐低氮、氮高效基因型,中烟100和K394为低氮敏感、氮低效基因型。     

晚稻全生育期Cd的迁移转化规律及预测模型研究

为探讨晚稻全生育期Cd的迁移转化规律及预测模型,采用长沙市望城区大田试验土壤-水稻Cd点对点数据,对水稻4个典型生育期（苗期、分蘖期、灌浆期和成熟期）及不同部位（根、茎叶及籽粒）Cd的吸收、累积和分配差异进行研究。结果表明,同一生育期各部位Cd含量和富集能力均为根>茎叶>籽粒,且根部明显高于其他部位,不同生育期差异显著,具体为成熟期>灌浆期>分蘖期>苗期;Cd转运能力为土-根>根-茎叶>茎叶-籽粒>根-籽粒,籽粒Cd大部分来自于茎叶的转移,且分蘖期转运能力显著高于其余生育期;Cd积累量和分配差异为茎叶>根>籽粒,且分蘖期和成熟期远大于苗期和灌浆期;土壤pH和有效态镉(ACd)含量是影响水稻Cd吸收的主控因子,pH为负效应,有效态镉为正效应,分蘖期茎叶Cd含量受其影响最大,是控制Cd进入籽粒的关键时期。可利用分蘖期土壤pH和有效态镉含量预测成熟期籽粒Cd含量,最优预测模型为lgCd_{成熟期籽粒}=0.158-0.099pH_分蘖期+0.261lgACd_分蘖期。研究结果可为中国长株潭地区稻田土壤Cd污染风险评估和管控提供理论依据和数据支撑。     

水稻‘甬优15’分期播种的气象条件适宜性试验研究

研究旨在通过分期播种试验,得到水稻‘甬优15’在本地播种最适宜播期,以提高其产量及品质。根据2016—2020年龙游国家农业气象试验站‘甬优15’分期播种试验数据和2018—2019年水稻品质数据,通过对比试验,得到‘甬优15’的产量与品质和播期的关系。结果表明：（1）播期对‘甬优15’的全生育天数和灌浆期天数有一定影响,主要表现为播期越晚全生育天数减少,灌浆期延长;（2）22℃是灌浆期水稻正常发育阈值,低于22℃的灌浆期平均气温会明显增加水稻灌浆乳熟时间;（3）‘甬优15’水稻直链淀粉含量普遍在10%左右,较易糊化,蛋白质含量接近7%,口感与营养含量较为平衡;（4）当播期推迟至6月中旬之后,‘甬优15’产量有明显降低,品质也有所下降;（5）‘甬优15’播种期控制在5月下旬6月上旬,能明显改善龙游本地单季晚稻产量。     

运城盆地不同播期小麦干热风发生风险评价

为明确当前气候情境下不同类型小麦在不同播期干热风的发生风险,以半冬性偏冬性品种济麦22、半冬性偏春性品种周麦18以及弱春性品种西农529为材料,通过3年的试验,研究小麦的物候期和产量及其构成因素的变化。分析2年的籽粒灌浆规律,并结合近30年本地区干热风发生分布,讨论不同播期籽粒灌浆95%时的干热风发生概率。结果表明,推迟播期,小麦冬前分蘖减少,但春季分蘖增多,适度增加播量可以保证群体成穗数;籽粒灌浆时长缩短、灌浆速率加快,播期在一定范围内干热风发生概率没有明显提升。济麦22在380℃~680℃、周麦18和西农529在250℃~680℃冬前积温范围播种,干热风发生风险保持一致,继续降低冬前积温,干热风发生风险明显增加。本试验条件下,适度推迟播期,降低冬前积温,增加播量,灌浆速率增加,干热风发生风险没有显著变化,同时不同类型小麦产量稳定。在当前气候条件下,小麦最适冬前积温可由先前的约600℃降低到当前的约380℃,冬前分蘖2~4个,是小麦稳产的有效途径。     

水稻生育后期根系氮代谢生理活性变化的研究

以"两优培九"及其父本"9311"和"汕优63"为材料,测定不同水稻品种花后根系氮代谢相关酶[谷氨酰胺合成酶(GS)、谷-丙转氨酶(GPT)、谷草转氨酶(GOT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)]及蛋白水解酶活性、蛋白质和游离氨基酸含量、根系伤流液量以及伤流液游离氨基酸及糖含量.结果表明,"9311"的GPT和GDH活性高峰出现在开花前,GS和GOT峰值分别出现在花后第1、2周;"两优培九"除GS高峰在开花前,其余3种酶活性高峰均出现在花后1周;"汕优63"的4种酶活性高峰均出现在花后第2周."9311"和"两优培九"根系可溶性蛋白、游离氨基酸含量高峰出现在花后1周左右,"汕优63"的两峰值滞后于前两品种,分别推至花后第2周和第3周,这与3品种根系酶活性的变化趋势基本一致."两优培九"根系伤流液量的最大值出现在花后两周,早于"9311"和"汕优63"1周.伤流液的高峰和根系中游离氨基酸峰值相差1周,且滞后时间在品种间有所差别,"两优培九"相差1周,"9311"相差两周,而"汕优63"二者基本一致.3品种伤流液中"汕优63"糖含量显著高于其他两品种(P<0.01),而"9311"的氨基酸含量显著高于其他两品种(P<0.05).本试验结果表明,"两优培九"根系的氮代谢高峰早于其他两个品种,而峰值低于其他两品种,说明生育后期"两优培九"根系生理活性衰退早于其他两个品种;品种间根系的代谢高峰具有明显的强度和时间性差异;根系组织代谢高峰和伤流液峰值具有时间差,其差值因品种而异.     

低浓度镉对大白菜苗期生长及营养元素吸收积累的影响研究

在实验室用水培模拟轻度污染土壤,研究低浓度 Cd(5 1.μmol/L)对不同Cd耐性的4个大白菜品种苗期生长及营养元素吸收积累的影响.结果表明,低浓度Cd对耐性强的品种的生长有促进作用,对耐性差的品种的生长有抑制作用.5umol几Cd显著促进大白菜根系对S、Cu的吸收,分别增加22.0%～58.0%、45.9%～116.0%,但抑制S、Cu向地上部转运;大白菜地上部K、P、Ca、Mg、Mn、Zn含量受到Cd的较强抑制,且抑制程度存在品种差异.