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    2019年 第52卷 第8期 刊出日期:2019-04-16
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    中国农业科学. 2019, 52(8):? 0.?
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    作物雄性不育专题
    酮类物质合成酶OsPKS1和OsPKS2对水稻花粉外壁形成的作用
    周雨露,林泓,张大兵,王灿华,余婧
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1295-1307.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.001
    摘要 ( 176 )?? HTML ( 79 )?? PDF (6571KB) ( 177 )?? 收藏
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    【背景】植物花粉外围包裹的花粉外壁作为植物雄性配子的天然保护屏障对植物的生殖发育起到非常重要的作用。植物花粉外壁的主要成分是孢粉素,主要由脂类物质和酚类物质构成。因此,脂类物质和酚类物质的代谢是植物花药内外壁形成和花粉外壁形成的关键步骤。在其合成过程中,PKS1/PKSA/LAP6和PKS2/PKSB/LAP5在不同物种间发挥保守的生化功能。【目的】通过研究水稻OsPKS1OsPKS2在花药内外壁和花粉外壁发育过程中的作用,为水稻花药内外壁和花粉外壁合成机理提供新认识。【方法】水稻花药发育基因共表达网络AntherNet预测到一个可能参与孢粉素合成的基因OsPKS1,利用CRISPR/Cas9技术在野生型9522背景和突变体ospks2背景下敲除OsPKS1获得ospks1单突变体和ospks1 ospks2双突变体。在同一生长条件下比较野生型和突变体植株表型,分析突变体植株的营养生长和花器官发育情况。通过I2-KI染色分析ospks1ospks1 ospks2的花粉活力。通过半薄切片观察野生型和突变体各个时期花药四层细胞发育及小孢子发育,利用扫描电子显微镜观察野生型和突变体花药外壁、花药内壁和花粉外壁表面的精细结构,利用透射电子显微镜观察野生型和突变体花药壁细胞、花粉外壁和乌氏体的精细结构。【结果】获得4个ospks1单突变体和4个ospks1 ospks2双突变体,其中,ospks1-3是纯合的单突变体,ospks1-4 ospks2是纯合的双突变体。ospks1-3ospks1-4 ospks2均呈现雄性不育的表型。ospks1-3ospks2的花粉外壁和乌氏体结构均不正常,但两者结构不同。ospks1-3花药表面可形成凸起的外壁结构;绒毡层可正常降解。花粉外壁内部形成大量微小的空洞,柱状体变短,无法有效连接覆盖层和花粉外壁内层;乌氏体的底部结构减小,顶部结构增多,并且较野生型更为尖锐。ospks1-4 ospks2花药外壁角质层减少;绒毡层无法正常降解。小孢子表面无花粉外壁,在11期降解;乌氏体在9期形态异常,数目变少,到11期从绒毡层脱落。【结论】PKS1/PKSA/LAP6PKS2/PKSB/LAP5的功能在多个物种间均保守,可以影响孢粉素的合成和堆积。但在水稻中两者对于花粉外壁内部结构身碎骨和乌式体形成的功能不同:OsPKS1对柱状层的形成以及乌氏体的底部结构形成更为重要;而OsPKS2对于覆盖层的形成以及乌氏体的顶部结构更为重要。两者互相补充,共同调控花粉外壁、花药外壁的形成和绒毡层的降解。

    玉米C型细胞质雄性不育花药不同发育时期的转录组分析
    薛亚东,杨露,杨慧丽,李冰,林亚楠,张怀胜,郭战勇,汤继华
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1308-1323.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.002
    摘要 ( 140 )?? HTML ( 24 )?? PDF (2081KB) ( 172 )?? 收藏
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    【目的】通过分析玉米C型胞质雄性不育“三系”材料花药不同发育时期的转录组数据,以期阐明玉米C型胞质的不育和恢复机制,并解析不育基因与恢复基因之间相互作用的调控网络,为玉米C型细胞质雄性不育在不育化制种中的利用提供理论依据。【方法】以中国玉米生产上的骨干自交系豫自87-1为背景的C型胞质不育系、保持系、恢复系为材料,通过对3种材料减数分裂的前期Ⅰ、中期Ⅰ及末期Ⅱ(四分体)时期的花药进行转录组测序并利用hisat2、ballgown及DESeq2等工具进行生物信息学分析,寻找三系花药不同时期、相同时期不同材料间以及发育时序中差异表达的基因,预测C型胞质不育机制与育性恢复的调控网络;同时通过实时定量PCR对测序分析结果进行验证;通过酶活测定验证推测的C型胞质不育及恢复假说。【结果】所有材料的转录组测序共产生156.59 Gb的序列数据,比对并组装共得到53 035个基因;在恢复系与不育系、保持系与不育系以及“三系”花药不同时期之间共筛选出非重复差异基因5 676个,其中发育阶段差异基因4 705个,同时期材料间差异基因2 693个,发育时序差异基因135个。GO分子功能分析显示ATP和DNA结合相关的基因和锌离子结合基因得到高度富集;细胞组分中膜基本组分、核内及质膜内的基因得到富集;以DNA为模板的转录、转录调控、氧化还原及初级代谢等生物学过程中的基因得到富集。KEGG分析表明,差异基因主要富集于氧化磷酸化、碳代谢及糖酵解等能量代谢相关的途径中。不育系相对保持系而言,多个与氧化磷酸化相关的基因下调表达,而恢复系中不但相应基因的表达水平得到恢复,而且同时协调调节了同一能量代谢途径中的其他基因,定量分析显示差异基因的表达差异及趋势与转录组测序结果基本一致。ATP酶活结果表明不育系相比保持系,ATP酶活显着降低,恢复系中由于恢复基因的作用其活性得到大幅恢复。【结论】玉米C型胞质不育基因引起基因表达变化可能发生在减数分裂中期Ⅰ之后,末期Ⅱ之前;玉米C型胞质不育的形成可能是由于不育基因引起的能量亏损所致,而恢复基因则通过能量补偿促使育性得以恢复。

    大豆RN型细胞质雄性不育系雌性育性对异交率的影响
    张井勇,闫昊,彭宝,张春宝,李慧,王鹏年,丁孝羊,林春晶,孙寰,赵丽梅,张伟
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1324-1333.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.003
    摘要 ( 64 )?? HTML ( 29 )?? PDF (378KB) ( 54 )?? 收藏
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    【目的】研究RN型大豆细胞质雄性不育系、保持系雌性育性差异,明确RN型大豆细胞质雄性不育系是否存在雌性育性降低的现象,探讨不育系雌性育性与异交率的相关性。【方法】首先在200余份RN型细胞质雄性不育系中,依据异交结实率高低,选择有代表性的不育系及保持系6对;然后通过网室内投放蜜蜂传粉对不育系进行异交率鉴定,确定不育系的异交率高低水平;再对6份不育系利用同一父本恢复系进行不去雄人工杂交试验,明确不同异交结实率不育系在接受外来花粉受精结实方面是否存在差异;最后利用同一恢复系作共同父本,通过去雄、不去雄人工平行杂交方法,研究不育系及对应保持系间杂交成活率差异,对6份不育系及6份对应保持系雌性育性进行分析,同时分析不育系异交率与雌性育性的相关性。【结果】网室异交率鉴定表明,供试6份不育系异交率存在显着差异,最高达49.46%,最低仅15.94%。6份不育系在人工授粉杂交成活率上也存在显着差异,高异交率不育系(JLCMS101A和JLCMS82A)杂交成活率显着高于中、低异交率不育系,中异交率不育系(JLCMS9A和JLCMS47A)杂交成活率显着高于低异交率不育系(JLCMS89A和JLCMS31A)。人工去雄平行杂交成活率,高、中异交率不育系显着高于低异交率不育系;高、中、低异交率保持系间杂交成活率无显着差异;杂交成活率在高、中异交率不育系与对应保持系间无显着差异,而低异交率不育系的杂交成活率显着低于其对应保持系的杂交成活率。人工不去雄平行杂交成活率,高异交率不育系杂交成活率显着高于中、低异交率不育系杂交成活率;高、中、低异交率保持系间杂交成活率无显着差异;高、中异交率不育系的杂交成活率与对应保持系的杂交成活率无显着差异,而低异交率不育系的杂交成活率则显着低于其对应保持系的杂交成活率。【结论】在大豆RN型细胞质雄性不育系中,高异交率不育系雌性育性正常,低异交率不育系中存在因雌性育性差而影响正常结实的情况,雌性育性差是造成其异交结实性低的原因之一,不同异交率不育系对应保持系雌性育性均正常;不育系网室异交率与不育系去雄杂交成活率呈极显着正相关,不育系网室异交率与不育系不去雄杂交成活率也呈极显着正相关。去雄和不去雄平行杂交结果均可用于鉴定不育系的雌性育性。

    一种简化的油菜杂交F1种子的生产方法
    杨光圣,辛强,董发明,洪登峰
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1334-1340.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.004
    摘要 ( 93 )?? HTML ( 13 )?? PDF (309KB) ( 60 )?? 收藏
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    安全有效的制种方法是油菜杂交种应用的关键。通过回交转育获得抗(耐)磺酰脲类除草剂的自交不亲和系,将其作为杂交种父本。父本因其具有自交不亲和特性,自交不结实;因其具有抗(耐)磺酰脲类除草剂特性,在用磺酰脲类除草剂进行母本化学杀雄时,不受化学杀雄剂影响。因此,可以将父本与不育系或者化学杀雄的母本材料混合播种,实现杂交种父、母本的混播混收。通过本文提出的杂交制种方法,只要选育出兼有抗(耐)磺酰脲类除草剂和自交不亲和特性的父本,即可进行杂交种的快速组配。该方法将父、母本混播混收,操作简单,节约了劳动成本,提高了杂交种制种效率。

    棉花细胞质雄性不育的研究与利用
    王学德
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1341-1354.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.005
    摘要 ( 77 )?? HTML ( 12 )?? PDF (469KB) ( 59 )?? 收藏
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    棉花具有十分明显的杂种优势。杂交棉通常比常规棉增产15%左右,而且在纤维品质、抗病、抗虫、抗逆境和光合效率等性状上也有明显改良。在棉花杂种优势的利用中,最重要的环节之一是杂交种子的生产(制种)。目前,杂交棉制种常有四条途径,人工去雄授粉法制种、化学杀雄法制种、利用核雄性不育的“两系法”制种和利用细胞质雄性不育的“三系法”制种。生产实践表明,利用棉花雄性不育既可简化制种又可节省成本,特别是利用棉花细胞质雄性不育系、保持系和恢复系的“三系法”制种,可较有效克服其他制种方法的一些缺点,是最有效的途径。为此,文章在阐述棉花杂种优势利用途径的基础上,重点综述棉花细胞质雄性不育的遗传学、细胞学和生理生化的特点;深入阐述不育细胞质对杂种F1的正/负效应,并就如何培育强恢复系的问题,以培育转GST的强恢复系为例,探讨克服不育细胞质对杂种F1负效应的可能机制;根据棉花为常异花授粉作物和花器具有虫媒花特征的特点,详细介绍三系杂交棉制种的亲本(不育系和恢复系)选配、地点选择和环境优化等条件,以及如何综合优化这些条件提高制种产量的关键技术。利用棉花细胞质雄性不育的“三系法”制种,与其他作物比较,在杂种优势利用中具有4个突出的优点:(1)不育系为无花粉不育类型,育性不受气候等环境的影响,可保证杂种的纯度;(2)棉花开花期长达3个月,不存在制种时花期不遇的现象,制种产量有保证;(3)棉花生态适应性广,育成的组合可在各地种植,种子产业化效益明显;(4)可利用种间(海岛棉与陆地棉间)杂种优势。可以预言,基于细胞质雄性不育的三系杂交棉是大有前途的,将是棉花杂种优势利用的主要途径。最后,就本领域的发展趋势,特别是在利用现代生物技术培育新的不育系和恢复系方面进行了初步探讨。

    耕作栽培·生理生化·农业信息技术
    夏玉米产量与光温生产效率差异分析——以山东省为例
    王洪章,刘鹏,董树亭,张吉旺,赵斌,任佰朝
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1355-1367.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.006
    摘要 ( 129 )?? HTML ( 16 )?? PDF (611KB) ( 158 )?? 收藏
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    【目的】研究夏玉米各产量层次之间的物质生产及资源利用能力,量化山东省夏玉米籽粒产量与光、温资源利用效率的差异,明确农业生产条件和栽培措施对产量差及效率差的贡献率,探讨产量差、效率差协同缩减的可能性,为缩小夏玉米产量差距、提升资源利用效率提供理论依据。【方法】本试验于2017—2018年在山东省泰安、淄博和烟台3市进行,针对山东夏玉米生产调研出的问题,在同一地块采用综合管理模式,从合理密植、优化肥水、增产增效的角度设计了4种管理模式,模拟超高产水平(SH)、高产高效水平(HH)、农户水平(FP)和基础产量水平(CK)4个产量层次,定量分析不同产量层次之间的产量差及光温资源生产效率差。结合光温生产潜力分析和作物产量性能分析,探究产量差和效率差的影响因素及缩差增效途径。【结果】当前山东省夏玉米光温潜力与超高产水平、超高产水平与高产高效水平、高产高效水平与农户生产水平、农户生产水平与基础产量水平之间的产量差分别为5.85、0.82、1.90、1.35 t·hm -2,光能生产效率差分别为1.74、0.15、0.28、0.45 g·MJ -1,温度生产效率差分别为1.09、0.10、0.17、0.28 kg·hm -2·℃ -1;当前不可控因素对产量差和光、温生产效率差的贡献率分别为58.49%和66.09%,可控因素对产量差和光、温生产效率差的贡献率分别为41.51%和33.91%,地域差异因素对产量差、光能生产效率差和温度生产效率差的贡献率分别为1.98%、2.49%和3.24%;产量差与光温资源生产效率差之间有显着相关性;SH和HH处理较FP处理和CK有较高的地上部生物量、生育期平均叶面积指数(MLAI)和冠层光能截获率。 【结论】当前山东省夏玉米农户生产水平与光温潜力水平之间的产量差、光能生产效率差、温度生产效率差分别为8.56 t·hm -2、2.17 g·MJ -1、1.35 kg·hm -2·℃ -1,产量与光、温资源利用效率仍有较大的提升空间。玉米籽粒产量差和光、温资源利用效率差显着相关,在现有农户管理措施的基础上,应用高产高效管理模式(种植密度增加1.5×10 4株·hm -2,适当增加施肥量,将一次性施肥改为于播种期、大喇叭口期、开花期和乳熟期采用水肥一体化方式分次施肥)能够缩小产量差距1.90 t·hm -2,提高光、温资源生产效率14.74%和14.41%,是协同缩差增效的有效技术途径。

    施肥对高寒荒漠草原区混播人工草地产量和水分利用的影响
    张学梅,马千虎,张子龙,王自奎,杨惠敏,沈禹颖
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1368-1379.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.007
    摘要 ( 97 )?? HTML ( 7 )?? PDF (524KB) ( 81 )?? 收藏
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    【目的】研究燕麦/箭筈豌豆混播及燕麦单播草地产量和水分利用对施肥的响应,以探明混播及施肥影响人工草地水分利用的效应及机理,并提出青藏高原荒漠草原区水分高效利用的栽培草地播种和施肥模式。【方法】大田试验于2017年和2018年在青海省乌兰县金泰牧场开展,试验设置2个种植方式,分别为燕麦/箭筈豌豆混播和燕麦单播,设置2个施肥水平,分别为高肥(120 kg N·hm -2, 103 kg P2O5·hm -2)和低肥(60 kg N·hm -2, 51.5 kg P2O5·hm -2),共4个试验处理,完全随机区组设计。所有处理在春季播种前进行灌溉,生育期无灌溉。试验测定指标包括主要生育时期人工草地地上生物量、植株氮含量、土壤体积含水量等,计算指标包括牧草生育期内耗水量、干物质水分利用效率和粗蛋白水分利用效率。 【结果】通过混播和施肥均可大幅提高草地产量,2017年和2018年高肥处理干物质产量比低肥处理分别提高34.7%和9.7%,粗蛋白产量分别提高41.3%和20.4%,混播处理干物质产量比单播处理分别提高14.4%和9.2%,粗蛋白产量分别提高74.7%和62.9%。混播高肥处理产量为所有处理中最高,2017年收获期干物质和粗蛋白产量分别为10 251.7和827.2 kg·hm -2,2018年分别为7 589.3和570.2 kg·hm -2。通过增施化肥增加了草地的水分消耗,同时大幅度提高了草地水分利用效率。2017和2018年两个生长季中高肥处理牧草耗水量分别比低肥处理增加6.2%和4.3%,干物质水分利用效率提高了21.0%和4.9%,粗蛋白水分利用效率提高了30.1%和17.4%。通过混播也增加了草地的耗水量,对草地的干物质水分利用效率影响不显着,但大幅提高了蛋白质水分利用效率。2017和2018年混播草地耗水量分别比单播处增加17.9%和9.2%,干物质水分利用效率比单播处理提高-5.9%和0.5%,粗蛋白水分利用效率比单播处理提高46.7%和51.3%。 【结论】通过混播和合理施肥能够减少土壤水分无效蒸发、促进土壤贮水有效利用,提高栽培草地产量、品质及水分利用效率,推荐在高寒荒漠草原区有春季灌溉条件的草地使用。研究可为我国高寒干旱、半干旱区栽培草地建设和优良饲草生产提供一定的借鉴。

    植物保护
    拟轮枝镰孢ATMT突变体库的构建及分析
    孙华,马红霞,丁梦军,李坡,石洁,刘树森
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1380-1388.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.008
    摘要 ( 57 )?? HTML ( 4 )?? PDF (1488KB) ( 41 )?? 收藏
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    【目的】通过建立适用于拟轮枝镰孢(Fusarium verticillioides)的农杆菌介导遗传转化体系,构建绿色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)标记的拟轮枝镰孢ATMT(Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation)突变体库,并对突变体库进行筛选分析,为研究拟轮枝镰孢在玉米果穗上的侵染途径和致病的分子机制打下基础。【方法】筛选头孢噻肟钠(cefotaxime sodium,Cefo)和氨苄青霉素钠(ampicillin sodium,Amp)对根癌农杆菌AGL-1的抑菌浓度和拟轮枝镰孢对潮霉素B(hygromycin B)的敏感浓度;以含有绿色荧光蛋白基因(GFP)、潮霉素抗性基因(HPH)的穿梭质粒为载体,通过ATMT构建GFP标记的拟轮枝镰孢突变体库;利用潮霉素抗性筛选、GFP的特异性引物进行PCR检测和荧光显微镜观察,检测分析T-DNA插入情况及转化子稳定性;从突变体库中随机挑选9个转化子菌株并进行分析,对其产孢量、分生孢子萌发率、致病力等进行测定。【结果】通过农杆菌抑菌试验发现当Cefo/Amp的浓度为150/150 μg·mL -1时,AGL-1生长受到抑制;当潮霉素B的浓度为150 μg·mL -1时,拟轮枝镰孢完全丧失生长能力。利用优化后的ATMT转化获得了2 465株GFP标记的拟轮枝镰孢转化子;转化子在不含潮霉素B的PDA培养基上连续转接5代再转到含潮霉素B的培养基上仍能正常生长,说明HPH成功插入野生型基因组且稳定遗传;利用GFP特异性引物对转化子进行PCR检测,测序结果显示与NCBI中GFP(登录号:LC420351.1)的同源性为99.26%,表明GFP已成功整合到野生型基因组中;转化子菌丝和孢子在荧光显微镜下观察均呈现绿色,而野生型菌株未观察到任何荧光,表明GFP转移到拟轮枝镰孢野生型菌株基因组中,且能够成功表达。对部分转化子分析发现,与野生型相比转化子54的产孢量明显增多,约为野生型的1.9倍;转化子24的分生孢子萌发率在相同时间内明显下降;转化子13的致病力增强,病害级别达到9级,转化子33和16致病力减弱为3级,转化子4致病力最弱为1级,部分转化子生物学性状未发生明显变化。 【结论】构建了农杆菌介导GFP标记的拟轮枝镰孢突变体库,筛选分析获得了产孢量、孢子萌发率、致病力发生变化的突变体,为进一步研究拟轮枝镰孢侵染玉米果穗的途径和致病的分子机制打下了基础。

    飞蝗LmGSTS2的酶学特性及其对马拉硫磷、 p,p’-DDT的代谢分析
    马雯,刘娇,张学尧,申国华,秦雪梅,张建琴
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1389-1399.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.009
    摘要 ( 38 )?? HTML ( 8 )?? PDF (1008KB) ( 33 )?? 收藏
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    【目的】将飞蝗(Locusta migratoria)谷胱甘肽硫转移酶sigma2(glutathione-S-transferases sigma2,LmGSTS2)在大肠杆菌中原核表达后进行纯化,研究LmGSTS2的酶学特性,并分析其对马拉硫磷和p,p’-DDT的代谢作用。结合飞蝗体内LmGSTs2的RNA干扰及杀虫剂生物学测定,评估LmGSTS2对杀虫剂的代谢解毒能力,为飞蝗抗性治理及合理施药提供理论依据。【方法】将LmGSTS2在BL21(DE3)中表达,通过Ni-NTA亲和层析对LmGSTS2进行纯化,以CDNB为底物检测LmGSTS2在不同温度和pH条件下的酶活性变化。在最适条件下(pH=7,27℃),用纯化的LmGSTS2蛋白与马拉硫磷和p,p’-DDT进行孵育,通过超高效液相色谱(UPLC)评估LmGSTS2对马拉硫磷和p,p’-DDT的代谢解毒能力。进一步将3 μg dsLmGSTs2注入2龄飞蝗若虫体内,24 h后检测目的基因LmGSTs2的沉默效率,并结合杀虫剂生测试验分析飞蝗对杀虫剂敏感度的变化。【结果】将LmGSTS2在大肠杆菌中诱导表达,经SDS-PAGE检测后,发现与两个对照组pET28a/BL21(DE3)和未诱导的pET28a/BL21(DE3)-LmGSTS2相比,诱导后的pET28a/BL21(DE3)-LmGSTS2总蛋白在25 kD左右出现与目标蛋白大小相符的单一条带,表明LmGSTS2成功表达。对纯化后LmGSTS2蛋白的酶学特性研究结果表明,其最适反应pH范围为6—8,在pH=7时酶活性达到顶峰;最适反应温度范围为25—30℃,27℃时活性最高。在最适条件下,LmGSTS2分别与马拉硫磷和p,p’-DDT进行孵育。UPLC结果显示,与3个对照组相比(GSH+insecticide、active LmGSTS2+insecticide及inactive LmGSTS2+GSH+ insecticide),LmGSTS2组马拉硫磷色谱峰面积分别降低83.6%、84.0%和84.6%,差异显着(P<0.05),而p,p’-DDT色谱峰面积与对照组相比无显着变化(P>0.05),说明LmGSTS2可对马拉硫磷进行代谢,对p,p’-DDT无代谢作用。进一步通过RNA干扰结合杀虫剂生测在飞蝗体内检测LmGSTS2蛋白对马拉硫磷的代谢解毒作用。将靶标基因的双链RNA注入2龄飞蝗若虫体内,24 h后可使飞蝗体内LmGSTs2表达量抑制96%。飞蝗对马拉硫磷的敏感度检测发现,与对照组相比,LmGSTs2基因沉默后飞蝗对马拉硫磷的敏感度增加,死亡率由29.9%上升至45.2%,表明LmGSTS2参与了马拉硫磷在体内的代谢解毒过程。【结论】将LmGSTS2在体外进行表达纯化,并以CDNB为底物检测到该酶最适反应条件为pH=7,27℃左右;对马拉硫磷的体内和体外检测结果显示,LmGSTS2参与马拉硫磷在飞蝗体内的代谢解毒过程;对p,p’-DDT的体外研究结果显示该酶不参与p,p’-DDT的代谢。

    土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境
    湖南祁阳县土壤酸化主要驱动因素贡献解析
    周海燕,徐明岗,蔡泽江,文石林,吴红慧
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1400-1412.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.010
    摘要 ( 89 )?? HTML ( 6 )?? PDF (530KB) ( 63 )?? 收藏
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    【目的】以湖南省祁阳县为例,定量化分析整个县域不同土地利用方式下土壤的致酸因素,为我国的红壤酸化防治提供理论依据。【方法】通过搜集大量公开发表的文献、统计年鉴等,获取施肥量、主要农作物产量和林木生物量,以及地上部不同部位的养分含量等数据,基于经典的H +产生量的计算方法,解析氮循环过程、盐基离子吸收和酸沉降等三个关键过程的相对贡献大小。 【结果】对于整个祁阳县域,氮循环(N)过程致酸贡献率为66.5%(65.3%—68.8%),盐基(BC)吸收为33.0%(30.1%—34.4%),酸沉降则仅为0.5%(0.3%—1.7%)。无论是农田还是林地,氮循环过程都是产生H +的主要来源,是土壤酸化的主要驱动因素。3种土地利用方式中,单位面积旱地农田的H +净产量(产酸量)最高,达到19.0 kmol·hm -2·a -1,其次为水田(16.5 kmol·hm -2·a -1),林地的产酸量(3.2 kmol·hm -2·a -1)最低,旱地农田产酸量约为林地产酸量的6倍。6种主要农作物体系产酸量存在很大差异,从10.1 kmol·hm -2·a -1 到 30.0 kmol·hm -2·a -1不等,产酸量从大到小依次为:大豆>油菜>花生>水稻>玉米>甘薯,油料作物(油菜、花生、大豆)产酸量普遍大于粮食作物(水稻、玉米、甘薯)的产酸量;6种不同农作物的氮循环过程和盐基吸收的致酸贡献差异较大,氮循环过程致酸贡献率范围为45.3%— 78.3%,盐基吸过程为21.4%—54.2%。7种主要林地体系产酸量也存在很大差异,从2.0 kmol·hm -2·a -1到27.8 kmol·hm -2·a -1不等,柑橘>板栗>油茶林>马尾松>杉木>竹>湿地松,经济林(柑橘、板栗、油茶林)产酸量普遍大于用材林(马尾松、杉木、竹、湿地松)的产酸量;7种林木体系的氮循环过程和盐基吸收的致酸贡献率差异较大,氮循环过程致酸贡献率范围为46.1%—80.8%,盐基吸过程为19.0%—53.3%。采用“长期定位试验+土壤缓冲曲线”相结合的方法验证了本研究采用的H +产生量的计算方法,土壤pH的模拟值和实测值呈极显着正相关,均方根误差(RMSE)为0.15,两者之间吻合度较高。 【结论】氮循环过程是祁阳县域土壤酸化的主控因素。土壤酸化过程总产酸量差异和致酸因素贡献的大小主要取决于土地利用方式、农作物种类和林地类型。

    水氮调控对葡萄园土壤温室气体排放及其增温潜势的影响
    刘巧,吉艳芝,郭艳杰,张丽娟,张杰,韩建
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1413-1424.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.011
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    【目的】探究不同水氮调控下鲜食葡萄园土壤N2O、CO2和CH4 3种温室气体的排放特征及其增温潜势,以期了解水氮调控对温室气体排放的贡献,旨在筛选出更为合理的水氮调控管理模式,从而为减缓葡萄园温室气体排放,促进葡萄产业可持续生产提供科学依据和技术参考。【方法】于2017年4—12月,选择在河北省葡萄主产区—昌黎,以鲜食葡萄‘红地球’为供试葡萄品种,通过田间小区设置传统水氮、移动水肥、优化水氮和优化水氮+DMPP(3,4-二甲基吡唑磷酸盐,一种新型的硝化抑制剂) 4个处理,采用密闭静态箱-气相色谱法对鲜食葡萄园土壤3种温室气体(N2O、CO2和CH4)排放量进行监测,比较其综合增温潜势差异,并测定葡萄产量。【结果】N2O排放通量施肥后呈现单峰趋势,在施肥灌水后的1—2 d出现峰值。氮肥能显着提高土壤N2O排放通量,与传统水氮相比,减氮控水处理能降低73.03%—88.19%的N2O平均排放通量,达到显着性差异(P<0.05)。等氮条件下配施DMPP能平均降低50.08%的N2O排放通量;各处理CO2排放通量变化趋势一致,在施肥后2—3 d达到排放高峰,在生长期内表现为季节变化规律。减氮控水处理能减少60.56%—62.13%的CO2排放,达到减排效果;CH4排放通量则无明显变化趋势,施肥后CH4排放通量时正时负,其中传统水氮CH4排放通量波动性较大,范围在-0.132—0.238 μg·m -2·h -1,减氮控水处理之间变化趋势平缓,无显着性差异(P>0.05)。在整个试验期间,各处理土壤N2O排放总量从高到低依次是传统水氮、优化水氮、移动水肥和优化水氮+DMPP,分别为3.90、2.83、2.76和2.65 kg·hm -2,排放系数介于0.58%—0.67%。与传统水氮处理相比,减氮控水处理(移动水肥、优化水氮和优化水氮+DMPP)可使N2O总排放累积量降低27.56%—32.09%;各处理土壤CO2和CH4的累积排放量,分别为传统水氮(3 816.05 kg·hm -2、0.060 g·hm -2),移动水肥(3 387.33 kg·hm -2、-0.075 g·hm -2),优化水氮(3 410.95 kg·hm -2、-0.036 g·hm -2)和优化水氮+DMPP(3 412.06 kg·hm -2、-0.030 g·hm -2)。减氮控水处理可分别使CO2排放累积量降低10.59%—11.23%,CH4总排放累积量降低150.23%—224.38%。结合葡萄产量,减氮控水处理葡萄产量较传统水氮处理增加8.81%—19.35%,其中以优化+DMPP处理增幅最大,且比优化水氮和移动水肥处理也高出9.69%和2.25%。 【结论】与传统水氮相比,优化水氮+DMPP处理土壤N2O、CO2和CH4累积排放量分别降低了32.09%、10.59%和150.23%,总GWP 降低了12.82%,实现了葡萄园温室气体减排,同时可使葡萄产量增加19.35%,达到了经济与环境双赢,综合评价为本研究中最佳水氮调控措施。

    园艺
    武夷茶区茶园土壤养分状况及其对茶叶品质成分的影响
    周志,刘扬,张黎明,许锐能,孙丽莉,廖红
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1425-1434.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.012
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    【目的】分析乌龙茶主产区武夷茶园中土壤养分状况及其对茶叶品质成分的影响,为改良茶园养分管理和提升茶叶品质提供理论依据。【方法】本研究在2008年福建省土壤普查数据的基础上,于2015年在武夷3大茶区,(桐木区、岩茶区和洲茶区)随机选取68个茶园,包括桐木区12个、岩茶区32个和洲茶区24个,分别采取茶园0—20 cm的土壤和一芽三叶的茶青样品。检测土壤pH,有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量等土壤养分指标,同时利用高效液相色谱系统(HPLC)定量测定茶青中的茶氨酸、咖啡碱、芦丁、ECG、EGCG和总儿茶素等6种次级代谢物含量做品质成分分析。【结果】通过对比2008年和2015年的土壤养分指标,发现近年来,武夷茶区土壤酸化严重,部分茶园土壤有效磷含量增加显着。三大茶区中,岩茶区茶园土壤养分状况变化最为明显,其土壤pH、有机质和碱解氮分别下降了0.65、45.29%和49.39%;土壤有效磷含量却大幅度上升,从5.21 mg?kg -1上升到平均值为245.70 mg?kg -1,上升幅度超过40倍。说明该区域茶园存在过度施肥的现象。土壤养分状况显着影响茶叶品质成分,并且不同土壤养分指标对不同品质成分的影响有所不同。通过边际效应分析,发现各次级代谢物的最高含量都有其对应的土壤养分范围。在此基础上,拟合了武夷茶区高品质茶园适宜的土壤养分范围:pH 4.5—5.0;有机质20—40g·kg -1;碱解氮60—100 mg·kg -1;有效磷10—100 mg·kg -1;速效钾100—150 mg·kg -1。 【结论】综合本研究结果,建议武夷岩茶区和洲茶区在养分管理方面,总体采取有机肥取代部分化肥,适量补氮和钾,严格控制磷肥施用等措施。

    食品科学与工程
    聚乙烯膜包装金针菇冷藏期间的风味变化规律
    马宁,王超璠,方东路,丁梦婷,姚嘉蕾,杨文建,胡秋辉
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1435-1448.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.013
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    【目的】模拟实际生产中金针菇采后贮藏过程,研究金针菇冷藏期间风味的变化规律,为金针菇的贮藏保鲜提供理论依据。【方法】以聚乙烯膜包装的金针菇为试验材料,在温度4℃、相对湿度90%条件下贮藏15 d,每隔3 d取样进行分析。金针菇的挥发性风味物质采用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用技术(SPME-GC/MS)和电子鼻技术(E-NOSE)进行检测;非挥发性风味物质采用高效液相(HPLC)、全自动氨基酸分析仪和电子舌(E-TONGUE)进行检测。【结果】通过对金针菇风味成分变化动态监测可知,冷藏期间金针菇的主要挥发性成分是醛类和醇类,在贮藏6 d内醛类和醇类的含量均下降,在贮藏末期(15 d)呈上升的趋势。金针菇冷藏过程中甘露醇和果糖含量在贮藏初期(3 d)分别上升了8.6%、9.9%,在贮藏中期(9 d)、末期(15 d)呈下降的趋势。柠檬酸含量在贮藏过程中下降了67.9%。琥珀酸含量在贮藏初期(3 d)有所下降,贮藏中期(9 d)含量上升了17.94%,贮藏末期(15 d)含量下降了17.61%。5′-AMP、5′-IMP含量的变化趋势一致,在贮藏中期(9 d)含量有所上升,贮藏末期(15 d)含量均下降。鲜味氨基酸的含量在贮藏初期(3 d)呈下降的趋势,贮藏中期(9 d)变化不明显,贮藏末期(15 d)呈上升的趋势。【结论】随着贮藏时间的延长,根据风味成分的变化规律可以有效区分不同贮藏期的金针菇样品,实现对金针菇样品品质的快速检测,为金针菇品质的控制和风味的保持提供科学依据。

    畜牧·兽医·资源昆虫
    苏淮猪抗腹泻MUC13基因rs319699771位点多态性 及其与经济性状的关联
    刘晨曦,王彬彬,蒲广,张倩,曹旸,王欢,高琛,牛培培,李平华,黄瑞华
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1449-1457.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.014
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    【背景】MUC13基因是调控致使仔猪断奶前腹泻的产肠毒素大肠杆菌F4ac感染的主效基因,该基因上rs319699771位点(G/A突变)能准确鉴别易感和抗性个体,其中GG型是抗腹泻基因型,苏淮猪抗腹泻性能分子选育是通过选留GG型个体来实现。但在选留抗腹泻GG型个体时是否会对苏淮猪其它重要经济性状如生长、胴体、肉质产生不利影响尚未明晰。【目的】旨在分析该位点是否与其它性状关联,以确定基于MUC13基因rs319699771位点抗腹泻性能的分子选育是否会对苏淮猪其它经济性状产生不利影响。【方法】以313头体重为87.61±0.54 kg的苏淮育肥猪为试验动物,屠宰测定其胴体和肉质性状,以261头日龄为161.1±0.5 d苏淮后备猪为试验动物,测定其生长、体尺性状,同时采集相应苏淮育肥猪和后备猪群耳组织样提取组织DNA,经过多重PCR反应进行MUC13基因rs319699771位点多态性检测,采用SAS软件中一般线性模型分析MUC13基因rs319699771位点多态性基因型和苏淮猪肉质、胴体和生长性状的关联性。【结果】MUC13基因rs319699771位点多态性检测结果显示,苏淮猪育肥群公、母猪群体MUC13基因rs319699771位点的抗腹泻G等位基因频率分别为0.695和0.634,抗腹泻优势GG型频率在苏淮猪育肥群公、母群体中分别为0.467和0.373;该位点抗腹泻G等位基因频率在苏淮后备群公、母猪群体分别为0.690和0.705,抗腹泻优势GG型频率在后备群公、母猪群体中分别为0.508和0.480,说明苏淮猪抗腹泻等位基因频率较高,通过分子选育提升苏淮猪抗腹泻GG型频率的可行性强。MUC13基因rs319699771位点多态性与苏淮猪经济性状关联分析结果显示:育肥猪群体该位点多态性与胴体、肉质性状均无显着关联(P>0.05),可见在苏淮猪育肥猪群体内加大对抗腹泻MUC13基因rs319699771位点的选育不会影响到苏淮育肥猪的胴体和肉质性状;苏淮后备猪群体该位点多态性与腿臀围指标存在极显着关联(P<0.01),该位点GG型个体腿臀围平均比比AG型个体腿臀围长1.46 cm,比AA型个体腿臀围长3 cm;与日增重和结测体重的关联性分析有关联趋势(P<0.10),GG型个体相较于AA、AG型个体有提升趋势,对于这三个性状来说,有利基因型都是GG型,说明选留该位点GG型进行苏淮后备猪抗腹泻选育的同时还可以提升苏淮后备猪生长相关性状。【结论】据此,苏淮猪群体MUC13基因rs319699771位点抗腹泻等位基因频率较高,进行抗腹泻选育的可行性强,同时对于苏淮猪群体,不仅可通过选留提升MUC13基因rs319699771位点GG型频率来提高抗腹泻能力,还能同时实现对苏淮猪群腿臀围、日增重的选育提升。

    畜禽场空气污染物检测技术综述
    汪开英,吴捷刚,赵晓洋
    中国农业科学. 2019, 52(8):? 1458-1474.? doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.015
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    随着畜禽养殖集约化程度的提高,高密度、集约化的畜禽养殖引起的畜禽养殖场空气污染问题日益突出,畜牧业已成为我国空气污染的重要来源之一。畜禽场排放的氨气(NH3)、硫化物(H2S)、颗粒物(particulate matters,PM)和挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)等空气污染物不仅对畜禽场人畜健康造威胁,还会扩散到周围环境中形成大气污染。科学适用的空气污染物检测方法和技术是研究和控制畜禽场空气污染的前提。文章对国内外畜禽场的NH3、H2S、温室气体、PM以及恶臭等主要空气污染物的检测方法与技术进行了介绍与分析。以NH3、H2S为代表的畜禽场有害气体检测方法主要有化学分析法、半导体气体传感器检测法、光谱法、质谱法与气相色谱法,其中,湿化学法灵敏度高,成本低,可以准确获取气体浓度,但检测费时费力,且无法实时在线检测;气体检测管法成本较低,操作简单,但误差相对较大;电化学传感器法灵敏度较高,成本适中,可以连续检测气体浓度,但存在装置易老化、使用寿命较短等缺陷;光谱法、质谱法以及气相色谱法可快速准确检测气体,但检测仪器昂贵,使用成本较高,不适合生产性畜禽场的常规检测。文章主要介绍与分析了反刍动物肠道发酵、畜禽舍、粪污贮存与处理过程中温室气体CH4、CO2、N2O的检测方法和技术。畜牧业温室气体排放随时间、季节和采样点等不同而不断变化,实现畜牧业温室气体的精确监测较为困难,目前仍未有国际通用的检测方法与测量标准,畜牧业温室气体检测方法与技术及其标准研究亟待开展。文章从物理特征、化学特征及生物特征三个方面对畜禽场排放的颗粒物检测方法与技术进行了综述。畜禽场PM成分复杂,其吸附的NH3、恶臭化合物、微生物的影响有待评估,因此亟待完善PM的物理、化学和生物成分的检测方法与技术,以获取畜禽场PM的全面特征信息。文章对畜禽场的主要恶臭物质成分和恶臭感官的检测方法与技术进行了综述。相比气相色谱-质谱联用法,采用专业嗅辨人员对恶臭浓度进行嗅辨分析的方法成本更高,且主观性较强。但气相色谱-质谱联用技术无法仅凭借气体样品确定所有气态有机化合物,同时难以确定引起恶臭的化合物种类。因此结合气相色谱与动态嗅觉仪可更全面的分析恶臭样品指标。文章还对国内外畜禽场空气污染物(包含有害气体、温室气体、颗粒物以及恶臭物质)的主要检测方法与技术进行综述,以期为我国畜禽养殖业的空气污染物检测技术的研发与应用提供参考。