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当期目录

    2018年 第51卷 第1期 刊出日期:2018-01-01
      
    作物遗传育种·种质资源·分子遗传学
    基因组编辑技术应用于作物遗传改良的进展与挑战
    王福军,赵开军
    中国农业科学. 2018, 51(1):  1-16.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.001
    摘要 ( 94 )   HTML ( 6 )   PDF (588KB) ( 784 )   收藏
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    基因组定点编辑(site-specific genome editing)是指在基因组水平上对生物DNA序列进行定点改造的遗传操作技术,其在基因功能解析、动植物遗传改良和新品种培育等方面具有重大的应用价值。基因组定点编辑工作原理是利用序列特异性核酸内切酶(sequence-specific nucleases,SSNs)在基因组靶定位置切割DNA双链,造成DNA双链断裂(DNA double-strand breaks,DSBs),并通过非同源末端连接(non-homologous end joining,NHEJ)或同源重组(homology-directed repair,HDR)的DNA修复途径在基因组特定位点造成靶标基因的碱基插入、缺失或DNA片段替换,从而实现基因组的定点改造。目前,已成功应用于作物遗传改良的SSNs主要包括锌指核酸酶(Zinc finger nucleases,ZFNs)、类转录激活因子效应物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)、成簇的规律间隔的短回文重复序列及其相关系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins,CRISPR/Cas system)。从发展态势看,基于CRISPR/Cas系统的基因组编辑技术必将成为作物遗传改良和分子设计育种的核心技术之一。论文简要概述了ZFNs、TALENs和CRISPR/Cas系统这3种基因组编辑的技术背景及工作原理;结合案例重点综述上述3种技术在作物产量、品质、抗病性、抗逆性改良及水稻雄性不育系创制上的研究进展;详细梳理基于CRISPR/Cas的植物基因组单碱基编辑系统和DNA-free植物基因组编辑系统的技术创新和应用;比较分析3种技术的优缺点,并提出基因组编辑技术应用于作物遗传改良的一般原则;介绍了美国和欧盟等对基因编辑技术及其产品安全监管和商业化应用的政策法规,及业界人士对基因编辑作物提出的监管框架协议;最后,针对基因编辑技术自身的技术优势和缺陷,讨论该技术应用于作物遗传改良和分子育种的机遇和挑战。
    基于90K芯片标记的小麦芒长QTL定位
    张传量,简俊涛,冯洁,崔紫霞,许小宛,孙道杰
    中国农业科学. 2018, 51(1):  17-25.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.002
    摘要 ( 50 )   HTML ( 6 )   PDF (1320KB) ( 211 )   收藏
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    【目的】麦芒对小麦的抗逆性以及穗部光合等方面具有重要影响。研究旨在挖掘控制芒长的主效QTL及与其紧密连锁或共分离的分子标记,为全基因组分子标记辅助选择育种、近等基因系的构建、候选基因的筛选以及基因克隆提供依据。【方法】以小偃81/周8425B、小偃81/西农1376这2个组合的F9代RIL群体(分别含有102个和120个家系)为作图群体,利用覆盖小麦21条染色体组的90K标记构建2个遗传连锁图谱,于2016年10月至2017年6月将这2个F9群体衍生的F9﹕10群体分别种植在陕西杨凌、河南南阳和河南驻马店,小麦蜡熟期对芒长进行表型鉴定,用完备区间模型和多环境的联合分析对此性状进行QTL定位。【结果】构建了覆盖小麦21条染色体的2张遗传图谱,图谱长度分别为4 412.14和4 281.67 cM,平均遗传距离为分别为2.65和2.31 cM。2个连锁图谱的连锁标记数表明,90K标记在小麦基因组A、B和D间分布不均衡,但均表现为B基因组的标记数>A基因组的标记数>D基因组的标记数。对于2个连锁图谱的公共标记而言D基因组公共标记最少,从侧面反映出D基因组具有较高的保守性。2个RIL群体在陕西杨凌、河南南阳和河南驻马店3个环境下共检测到6个控制芒长的QTL。其中主效位点Qal5A-1在2个群体3种环境下都能被检测到,属于环境钝感QTL,表型变异贡献率变幅为46.01%—79.82%,对芒长具有强烈的抑制作用,加性效应来自短芒亲本小偃81,该主效QTL位点被定位在5A染色体末端,与分子标记RAC875_c8121_1147紧密连锁。另外Qal6B-1、Qal1B-1、Qal3B-1、Qal2D-1和Qal2D-2这5个QTL,分别被定位在6B、1B、3B、和2D染色体上,其表型变异的贡献率分别为1.39%、3.66%、3.93%、5.53%和3.51%,为微效QTL。小偃81/周8425B组合的RIL群体共检测的2个QTL,其中1个主效位点Qal5A-1和1个微效QTL位点Qal6B-1,2个QTL表型变异的贡献率总和为79.91%。小偃81/西农1376组合的RIL群体检测出5个QTL,1个主效位点Qal5A-1和4个微效位点Qal1B-1、Qal3B-1、Qal2D-1和Qal2D-2,5个QTL表型变异的贡献率总和为63.96%。多环境的联合分析得到了6个QTL,其互作效应的表型变异贡献率都远低于加性效应的表型变异贡献率,说明QTL与环境间的互作不是影响芒长的主要因素;加性效应值在不同的环境下近似相等,进一步表明这6个QTL在3个环境间有着稳定的遗传效应。【结论】2个群体检测到1个主效位点Qal5A-1,此位点能够稳定表达且与分子标记RAC875_c8121_1147紧密连锁,表型变异贡献率46.01%—79.82%,对芒长具有较强的抑制作用。
    中国棉花产业发展现状及展望
    卢秀茹,贾肖月,牛佳慧
    中国农业科学. 2018, 51(1):  26-36.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.003
    摘要 ( 59 )   HTML ( 2 )   PDF (435KB) ( 359 )   收藏
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    棉花是中国种植业生产中产业链最长的大田经济作物,其商品率高达95%以上,但棉花产业尚存在许多不足之处,需要涉棉企业、棉农、科技人员、学者进一步关注,如自主种业、品牌培育、清洁生产、统防统治、贸易依存度、产业安全、规模经济、产业组织等因素影响中国棉花的产业竞争力和可持续发展。中国棉花种植以新疆、黄河流域、长江流域为主,其中新疆棉花产量占全国产量的67%,已形成规模化和机械化种植,而长江、黄河流域仍以小规模种植为主,没有充分发挥新型经营主体的带动作用,无法形成规模化种植和机械化生产,且缺乏集棉花生产、加工、销售为一体的综合数据平台,在棉花的专业化服务、全程服务和托管式服务方面仅有数家。中国棉花产业未来发展方向和目标应是提升棉田生产规模化、机械化、智能化、信息化、服务社会化水平,研发轻简化生产技术使棉农有尊严快乐植棉,降低生产成本,解决谁来种地的问题,掌控棉花产业链条的主动权。文中从棉花产业链的供求角度出发,阐述了中国棉花种植面积和总产量大幅减少、产业布局上新疆一枝独秀、国内消费有所降低但供求形势有所好转、进口量长期大于出口量和纺织业优势递减的发展现状,分析了中国棉花产业在生产环节、产业布局、组织管理、平台建设等方面存在的问题,借鉴美国和澳大利亚在棉花品种、生产技术、机械化和国家政策的种植经验和发展优势,结合中国供给侧结构改革的政策背景,从培育棉花新品种、研发轻简化和机械化新技术、投入农机设备、优化品种品质和区域布局、科学防治病虫害提高棉花质量、制定棉花目标价格制度、提高棉花生产保险额度、加大对棉农、棉商、农机制造商、纺织企业、出口商等的补贴力度和政策保障力度、发挥产学研优势和棉花协会功能、构建产供销一体化平台、完善棉花供需调控体系、建设现代植棉业服务体系、借助“一带一路”契机带动棉花和纺织业走出国门等多个层面提出相应的对策建议,从而刺激国内有效供给,尽快实现中国棉花产业供需平衡。最后,对中国棉花产业进行展望,将“三去一降一补”应用于棉花产业,并顺应全球棉花去库存的格局,未来两年棉价将有所上涨。
    耕作栽培·生理生化·农业信息技术
    油-稻-稻三熟制下双季稻高产品种特征研究
    吕伟生,肖国滨,叶川,李亚贞,陈明,肖小军,赖诗盛,郑伟,吴艳,黄天宝
    中国农业科学. 2018, 51(1):  37-48.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.004
    摘要 ( 52 )   HTML ( 5 )   PDF (406KB) ( 154 )   收藏
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    【目的】在早稻-晚稻-套播早熟油菜(油-稻-稻)三熟制下,筛选生育期适宜的高产水稻品种,系统研究早、晚稻高产品种特征,以期为油稻稻三熟制下水稻高产品种的选育与栽培提供理论参考。【方法】以9个早稻品种和10个晚稻品种为材料,通过系统聚类分析和方差分析等方法对油稻稻三熟制下双季稻高产品种特征进行研究。【结果】(1)与低产和中产类型双季稻相比,高产类型双季稻有效穗数、结实率、千粒重、生育期差异不显著,但每穗粒数、总颖花量、产量及日均产量显著高于低产类型。(2)高产类型与低产及中产类型双季稻的分蘖增长率、分蘖下降率及高峰苗数差异不显著,但成穗率显著高于低产类型,高产类型分蘖呈稳增缓降的发展态势。(3)早稻抽穗期干物质量及各生育时期平均单茎干物质量不同类型间无显著差异,结实期与全生育期干物质量随产量水平的提高呈增加趋势,高产类型显著高于低产类型;晚稻各生育时期干物质量及平均单茎干物质量不同类型间差异较大,高产类型均显著高于低产类型,但与中产类型差异不显著;各产量类型品种收获指数差异不显著。(4)随产量水平的提高,双季稻抽穗期和成熟期群体叶面积(LAI)和单茎叶面积呈增加趋势,灌浆结实期叶面积下降率则呈降低趋势,高产类型与低产类型均存在显著差异;粒叶比随产量水平的提高而增大,其中早稻高产类型与低产类型差异显著,而晚稻差异不明显。【结论】在油稻稻三熟制条件下,高产类型双季稻具有分蘖力中等、成穗率较高、全生育期特别是花后干物质生产量及单茎干物质量大、中后期LAI及单茎叶面积较高、每穗粒数较多、总颖花量大、粒叶比协调和日产量高等基本特征。高产类型早稻品种生育期为105—110 d,日产量75—78 kg·hm-2·d-1,每穗粒数125—140粒,千粒重26—28 g;高产类型晚稻品种生育期约115 d,日产量77—81 kg·hm-2·d-1,每穗粒数140—160粒,千粒重24—28 g。
    早稻抽穗开花至成熟期气候适宜度对气候变暖与提前移栽的响应
    刘维,李祎君,吕厚荃
    中国农业科学. 2018, 51(1):  49-59.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.005
    摘要 ( 48 )   HTML ( 1 )   PDF (2666KB) ( 174 )   收藏
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    【目的】研究1961年以来南方早稻移栽至成熟期温度变化情况,结合早稻不同移栽期,定量分析气候变暖和提前移栽对早稻抽穗开花至乳熟成熟期温度适宜度的影响和高温日数的时空变化规律。【方法】将南方早稻种植区划分为海南(区域1)、华南(区域2)、广西北部(区域3)、江南(区域4)4个区域,以候为研究尺度,计算1961—2015年4个区域早稻正常移栽、提前1候和2候移栽3种情况下的抽穗开花至乳熟成熟期的温度适宜度和高温日数,建立抽穗开花至乳熟成熟期温度适宜度评价指标,以此分析南方早稻关键生育期适宜度对气候变暖与提前移栽的响应。【结果】(1)移栽至成熟期不同区域平均温度均呈现缓慢升高的态势,倾向率在0.097℃·(10a)-10.192·(10a)-1之间;20世纪90年代为早稻抽穗至成熟期高温日数最少的年代,21世纪为最多的年代。(2)空间上来说,不同年代区域3温度适宜度最高,区域4最低;20世纪90年代温度适宜度高值区分布大于其他年代。(3)区域2、4提前移栽有利于提高早稻关键生育期的温度适宜度,同时减少高温日数;区域1中提前移栽导致高温日数增多;区域3提前移栽温度适宜度降低,但高温日数增多。(4)代表站广东梅县早稻关键生育期温度适宜度呈现“下降-升高-再下降”的特点,进入2000年后降幅明显;高温日数则呈现上升的特点;同时表明提前移栽能够提高适宜度,减少高温日数。【结论】气候变暖的背景下,华南和江南地区提前移栽有利于提高早稻抽穗开花至乳熟成熟期温度适宜度,同时降低高温日数,有效避开高温热害对早稻的影响。
    出苗期遇雨对不同播种方式棉花出苗及产量的影响
    卢合全,代建龙,李振怀,李维江,徐士振,唐薇,张冬梅,孔祥强,罗振,辛承松,董合忠
    中国农业科学. 2018, 51(1):  60-70.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.006
    摘要 ( 50 )   HTML ( 2 )   PDF (1551KB) ( 183 )   收藏
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    【目的】黄河流域棉花一般采用播后覆盖地膜、齐苗后人工放苗的传统播种方式,但人工放苗费工费时;膜上播种可以减免放苗环节,在少雨的西北内陆棉区已经广泛应用,但能否应用于黄河流域棉区取决于出苗时遇雨是否会影响棉花出苗。研究明确降雨对不同播种方式棉花出苗及产量的影响,为黄河流域棉区选择简便适用的播种方式,促进棉花轻简化生产提供参考。【方法】2014—2015年以陆地棉(Gossypium hirsutium L.)品种K836为试验材料,采用裂区设计,以人工模拟降雨(0和10 mm)为主区,以露地直播(SWM)、播后覆膜(SBM)、膜上播种(SAM)和双膜覆盖(SDM)4种播种方式为裂区,在山东省临清市研究了降雨和播种方式对棉花出苗率、产量及产量构成的影响。【结果】降雨和播种方式对棉花出苗、群体干物质、叶面积指数、单位面积铃数和产量均有显著的互作效应。未遭雨时,膜上播种和双膜覆盖的出苗率、群体干物质、叶面积指数、单位面积铃数和产量与传统播后覆膜相当,露地直播则分别降低了13.6%、19.0%、13.3%、24.7%和27.7%;遭遇降雨时,膜上播种的出苗率、群体干物质、叶面积指数、单位面积铃数和产量分别降低了32.2%、43.1%、26.3%、25.8%和29.2%,露地直播分别降低了42.8%、55.8%、47.2%、35.0%和40.1%,而双膜覆盖的相关指标与传统播后覆膜相当或略好。【结论】出苗期遭遇降雨显著影响膜上播种棉花的出苗和生长,导致减产;双膜覆盖无论是否遭遇降雨都能达到播后覆膜的效果。根据当地生态条件,特别是播种期降雨概率选择适宜的播种方式是保证一播全苗、夺取高产的重要措施。
    基于高光谱小波分维的茎瘤芥镉含量估算模型
    王婷,周翠,顾艳文,马文超,刘媛,魏虹
    中国农业科学. 2018, 51(1):  71-81.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.007
    摘要 ( 40 )   HTML ( 1 )   PDF (611KB) ( 99 )   收藏
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    【目的】定量揭示三峡库区特色蔬菜茎瘤芥瘤茎期食用部分瘤茎镉含量与茎瘤芥生长早期叶片光谱信息之间的相关关系,为快速、精准预测茎瘤芥食用部分镉含量提供理论指导,以实现在茎瘤芥生长早期阶段掌握瘤茎食用品质。【方法】以三峡库区重庆段土壤镉含量和国家土壤环境质量标准为背景,通过盆栽模拟试验,设置0、0.1、0.2、0.3、1 mg·kg-1 5个不同镉添加浓度处理。于茎瘤芥4个生育时期同步测定叶片光谱反射率、不同部位镉含量等信息,基于Daubechies函数2—8小波基的第5尺度提取茎瘤芥膨大前期光谱高频信息,结合相关分析与回归分析构建茎瘤芥瘤茎期食用部分瘤茎镉含量的预测模型。【结果】茎瘤芥不同生育时期叶片和瘤茎期食用部分瘤茎对镉均有较强的富集作用,且随着土壤镉处理浓度的增大而增加;瘤茎镉含量与不同生育时期叶片镉含量存在极显著的相关性,相关系数均在0.9以上。不同生育时期的茎瘤芥叶片光谱反射率均能较好地响应土壤镉胁迫,尤其是膨大前期对镉的光谱响应最明显;膨大前期的分维系数与不同镉胁迫下叶片镉含量均达到显著相关水平,有较大的预测瘤茎镉含量的潜力。基于膨大前期“db5”尺度构建的预测模型R2达到0.929,RMSE为1.0540,是预测瘤茎镉含量的最优模型。【结论】茎瘤芥对镉有较强的富集作用,能通过食物链进一步对人体健康构成潜在威胁,需要对其食品安全问题特别关注;小波分维方法能较好地提取重金属污染下的叶片光谱弱信息;基于“db5”建立的预测茎瘤芥食用部分瘤茎镉含量的幂函数模型,即Y=-0.029+32.878X-7.656R2=0.929,RMSE=1.0540,P<0.01)是最优的估算模型,在茎瘤芥生长早期能较好地实现对其成熟时期食用部分瘤茎镉含量的预测,为提早掌握其食用品质奠定了一定的理论基础。
    植物保护
    禾谷镰孢复合种毒素化学型及遗传多样性分析
    马红霞,孙华,郭宁,张海剑,石洁,常佳迎
    中国农业科学. 2018, 51(1):  82-95.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.008
    摘要 ( 30 )   HTML ( 2 )   PDF (1587KB) ( 147 )   收藏
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    【目的】明确不同省(自治区)引起玉米穗腐病的禾谷镰孢复合种(Fusarium graminearum species complex,FGSC)的毒素化学型和它们之间的遗传差异以及亲缘关系。【方法】选用根据基因Tri13和Tri3序列设计的特异性引物分析来自11个省(自治区)的92株禾谷镰孢复合种菌株的毒素化学型;从100条哥伦比亚大学(UBC)开发的通用引物中筛选出13 条扩增条带丰富、重复性好、信号强、背景清晰的引物,利用筛选出的引物对供试菌株进行ISSR-PCR扩增,使用Popgen32软件计算多态性位点百分率、Shannon’s多样性指数、群体间的遗传距离和遗传相似性;依据Nei’s 遗传距离,利用NTsys2.10e软件进行UPGMA聚类分析,并构建供试菌株的聚类图。【结果】供试的92株禾谷镰孢复合种菌株的产毒素化学型有4种:DON、15-ADON、DON+15-ADON和NIV+15-ADON。其中产生DON和15-ADON的菌株分别为1株和20株;同时产生15-ADON和NIV的有1株;同时产生15-ADON和DON的有55株。筛选出的13条引物对所有供试菌株进行PCR扩增,共获得102条带,其中多态性条带101条,多态性比率为99.02%,平均每条引物产生条带为7.85条。在群体平均水平上,基因多样性指数(H)为0.3129,Shannon’s的信息指数(I)为0.4774,表明禾谷镰孢复合种存在较高的遗传多样性水平;不同地理种群间,各群体的遗传多样性水平具有一定差异,河北、山西、黑龙江和吉林种群遗传多样性最高,安徽和河南种群最低。地理种群间的基因分化系数(Gst)为0.2722,说明不同地理种群间存在一定的遗传变异,但大部分遗传变异(72.78%)发生在种群内。遗传分化系数估算的基因流值Nm=1.3372(>1),表明不同地理种群间存在一定的基因流动;遗传关系结果表明河北、山西、黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古和甘肃菌株群体间亲缘关系较近,山东、江苏、河南和安徽菌株间亲缘关系较近,安徽和内蒙古菌株间的亲缘关系最远。聚类分析显示所有菌株相似系数为0.43—0.95。在相似系数为0.43时,所有菌株分成2大类群,Group 1包括4株北方春播区菌株(吉林、山西和河北张家口),不产生NIV和DON;Group 2由余下的88株菌株构成,产生的毒素类型主要为DON和15-ADON,其来源于北方春播区(山西、黑龙江、吉林、辽宁、甘肃和河北张家口、唐山)和黄淮海夏播区(河北石家庄、河南、山东、江苏和安徽),在相似系数为0.664时,各类群分成不同的亚群,亚群的结果与菌株来源有一定的相关性。聚类分析结果和毒素化学型分析显示,同一地理种群的菌株多数聚在一起,个别菌株分散到不同的分支上。【结论】北方春播区和黄淮海夏播区的禾谷镰孢复合种主要的毒素化学型为DON和15-ADON。引起玉米穗腐病的禾谷镰孢复合种菌株群体内存在丰富的遗传变异,不同地理种群间存在一定的基因交流,遗传多样性与地理来源有关。
    灵芝多糖拌种对小麦抗纹枯病的诱导效应及生长发育影响
    张中霄,王红艳,王开运,王东,姜莉莉
    中国农业科学. 2018, 51(1):  96-104.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.009
    摘要 ( 89 )   HTML ( 3 )   PDF (450KB) ( 133 )   收藏
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    【目的】真菌多糖能够调节作物生长,激活植株的防御反应,诱导植株对植物真菌和病毒病害产生抗性,具有广谱性和持效性的特点。通过灵芝多糖拌种的方式,研究灵芝多糖对小麦抗纹枯病的诱导效应及对生长发育的影响。【方法】选用纹枯病高感小麦品种济麦22、中感品种山农23、中抗品种鲁原502,采用室内盆栽的方法每盆混入20 mL相同浓度的纹枯病菌培养液,使用4、8 g a.i./100 kg种子剂量的灵芝多糖进行拌种,用清水处理作为对照组。通过调查植株病情指数,计算相对防治效果以评价灵芝多糖对小麦抗纹枯病的诱导效果,并从叶绿素和丙二醛(MDA)含量、防御酶活性的角度评价其诱导抗性的作用机制。同时测定使用清水和4、8 g a.i./100 kg种子剂量的灵芝多糖进行拌种后各处理的发芽率、株高以及根系活力等生长指标。【结果】小麦纹枯病高感品种济麦22、中感品种山农23、中抗品种鲁原502经灵芝多糖拌种后,小麦的生长发育、小麦抗纹枯病的效果以及小麦体内防御酶活性和MDA的含量等各项指标具有相同的趋势。灵芝多糖拌种对小麦生长指标具有一定的促进作用,4、8 g a.i./100 kg种子剂量的灵芝多糖拌种济麦22的发芽势分别为53.50%和52.75%,显著高于空白对照。在小麦出苗7 d后,经4、8 g a.i./100 kg种子剂量的灵芝多糖处理的3个小麦品种的株高均显著高于对照,并且处理剂量越高,诱导效果越明显。灵芝多糖拌种能够显著提高小麦的根系活力和叶绿素含量,同样处理剂量越高,诱导效果越明显,8 g a.i./100 kg种子剂量灵芝多糖拌种后,济麦22根系活力为0.26 mg·g-1·h-1,是空白对照的2.77倍;济麦22的叶绿素a、b含量分别为1.96、0.96 mg·g-1,是空白对照的1.52、1.44倍。灵芝多糖拌种可以对小麦纹枯病产生一定的防控效果,以高感品种济麦22为例,8 g a.i./100 kg种子剂量的灵芝多糖拌种在小麦完全出苗后7、14和21 d对小麦纹枯病的防效分别为33.7%、31.9%和30.4%。同时,小麦叶片防御酶活性明显上升,MDA含量下降。8 g a.i./100 kg种子剂量灵芝多糖拌种后,济麦22苯丙氨酸解氨酶(PAL)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)的活性分别为60.72 U·min-1·g-1 FW、2.45 U·g-1 FW、135.67 U·min-1·g-1 FW,分别是空白对照的1.10、1.32、1.13倍。MDA含量为1.48 μmol·g-1,比对照组降低26.1%。【结论】灵芝多糖拌种对小麦种子发芽和植株幼苗的生长具有一定的促进作用,增加小麦体内叶绿素的含量,增强根系活力,能够诱导小麦植株抗纹枯病,提高小麦叶片防御酶的活性,降低MDA的含量。
    抗除草剂转基因油菜与野芥菜的抗性回交3代子3代的适合度
    闫静,王晓蕾,张玉池,张庆玲,王建,强胜,宋小玲
    中国农业科学. 2018, 51(1):  105-118.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.010
    摘要 ( 28 )   HTML ( 1 )   PDF (1058KB) ( 78 )   收藏
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    【目的】抗除草剂转基因油菜(Brassica napusspan,AACC,2n=38)的抗性基因一旦成功漂移到近缘杂草中,将会给农田杂草防除带来很大的困难。转基因油菜的近缘杂草野芥菜(wild B. juncea,AABB,2n=36)广泛分布于中国西部地区并沿长江流域扩散,因此有必要深入研究抗除草剂转基因油菜与野芥菜回交后代的适合度,为抗性基因是否能成功漂移到近缘杂草中提供试验依据。【方法】在田间以不同密度(低密度为15株/区,高密度为30株/区)单种和混种(野芥菜与回交后代以4﹕1、3﹕2、1﹕1比例混种)野芥菜及抗性回交3代子3代(抗草甘膦转基因油菜及抗草丁膦转基因油菜与野芥菜的抗性正反回交3代子3代分别表示为BC3mF4R、BC3pF4R和BC3mF4L、BC3pF4L,m表示以野芥菜为母本的回交后代,p表示以野芥菜为父本的回交后代),测定抗性正反回交3代子3代的营养生长(株高、茎粗、一次分枝数、地上部单株干生物量)和生殖生长(单株有效角果数、单株种子质量、角果长、每角果饱粒数)的适合度成分,并比较供试回交后代的总适合度与野芥菜的差异。【结果】在单种条件下,BC3mF4R和BC3pF4R的各适合度成分及总适合度均与野芥菜无显著差异;尽管在高密度下BC3mF4L和BC3pF4L的茎粗、地上部单株干生物量和单株有效角果数显著低于野芥菜,但BC3mF4L和BC3pF4L的总适合度仍与野芥菜无显著差异;因此,在单种条件下,抗草甘膦或抗草丁膦的回交3代子3代在低密度和高密度均具有与野芥菜相当的总适合度。当回交后代与野芥菜混种时,在低密度3种比例混种下,抗草甘膦和抗草丁膦的回交3代子3代的总适合度与野芥菜无显著差异;在高密度3种比例混种下,BC3F4R与野芥菜的各适合度成分及总适合度无显著差异,但BC3F4L的株高、茎粗、一次分枝数、地上部单株干生物量、单株有效角果数、单株种子质量及总适合度均显著低于野芥菜。相关性分析结果表明,BC3F4的各适合度成分仅与种植密度相关。【结论】抗草甘膦或抗草丁膦的正反回交3代子3代都具有在野外生存定植的可能性,且抗草甘膦的回交3代子3代比抗草丁膦的回交3代子3代的可能性更大。因此,在防范转基因油菜的基因逃逸时不仅要防范转基因油菜与近缘杂草的初始杂交,而且要防范杂交后代与近缘杂草的不断回交,以免产生适合度较高的回交后代。
    土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境
    施用有机肥对中国农田土壤微生物量影响的整合分析
    任凤玲,张旭博,孙楠,徐明岗,柳开楼
    中国农业科学. 2018, 51(1):  119-128.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.011
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    【目的】施用有机肥能促进农田土壤微生物的生长和繁殖,进而提高土壤肥力。然而,在全国尺度上量化施用有机肥对农田土壤微生物生物量碳(SMBC)和氮(SMBN)含量的影响研究极其缺乏。因此,探明不同气候和土壤条件下有机肥施用后农田SMBC和SMBN的变化规律,可为不同地区合理施用有机肥、提高土壤肥力和微生物活性提供理论依据。【方法】本研究搜集1990年至2017年已发表的文献共70篇(336和222个相对独立的数据分别涉及SMBC和SMBN),结合整合分析(Meta分析)从不同气候类型、土地利用类型和土壤pH水平3个方面定量阐述了有机肥施用相比不施肥或化肥对中国农田SMBC和SMBN含量的影响程度。【结果】与不施肥比较,施用有机肥后土壤SMBC和SMBN的含量分别提高128.1%和70.2%;与施用化肥比较,施用有机肥后土壤SMBC和SMBN含量分别提高57.1%和34.2%。与施用化肥比较,在亚热带季风区施用有机肥可以大幅度提高SMBC(66.7%)和SMBN含量(57.5%),且显著高于温带大陆气候区(SMBC:26.0%;SMBN:20.9%),而在温带季风气候区SMBC和SMBN含量则分别提高了37.0%和56.7%。不同土地利用类型下,施用有机肥比施用化肥能显著提高水田SMBC和SMBN的含量(69.1%和67.1%),且提高幅度均高于旱地(34.7%和26.4%)和水旱轮作(50.2%和63.9%)。此外,与施用化肥比较,中性土壤(6<pH<8)上施用有机肥后SMBC含量提高了64.4%,显著高于pH>8的碱性土壤和pH<6的酸性土壤(29.4%和44.4%);SMBN含量提高了63.7%,亦显著高于碱性和酸性土壤(分别为21.9%和45.5%)。同时,SMBC和SMBN含量分别与来自有机肥的年均碳、氮投入量呈显著正相关。【结论】施用有机肥可显著提高SMBC和SMBN的含量,但不同土地利用类型、气候类型和土壤pH下的提升幅度不同,因此,施用有机肥时应综合考虑不同地区的气候和土壤条件。
    西南地区玉米产量对基础地力和施肥的响应
    徐春丽,谢军,王珂,李丹萍,陈轩敬,张跃强,陈新平,石孝均
    中国农业科学. 2018, 51(1):  129-138.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.012
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    【目的】明确西南地区土壤基础地力与不同施肥措施对玉米产量的影响,以期为西南玉米种植区土壤培肥以及合理施肥提供科学依据。【方法】依据2006年以来在西南地区布置的508个玉米田间试验,选取不施肥对照(CK)、氮磷(NP)、氮钾(NK)、磷钾(PK)、氮磷钾(NPK)5个处理,测定玉米产量和养分吸收分析了西南地区玉米基础地力产量和地力贡献特征、玉米施肥产量反应和农学效率。采用直线拟合和边界线分析评价玉米种植区土壤基础地力与玉米施肥产量及产量差的关系;用稳定性指数和可持续性指数评估了基础地力状况对施肥产量稳定性和可持续性的影响。【结果】西南地区玉米基础地力产量在3.9-4.7 t·hm-2(平均为4.4 t·hm-2);施肥能显著提高玉米产量,施肥(NPK)区平均产量为7.7 t·hm-2,比基础地力产量平均增产3.3 t·hm-2,边界线分析结果表明,重庆、四川、贵州的施肥高产潜力分别为 11.5、12.7、12.6 t·hm-2(平均为11.7 t·hm-2)。玉米产量的地力贡献率和肥料贡献率平均分别为57.1%和42.9%;玉米地力贡献率随着基础地力产量的提升而增加。西南地区肥料对玉米的增产效果表现为氮肥>磷肥>钾肥。重庆、四川、贵州及整个西南地区玉米现实生产力与基础地力拟合直线决定系数分别达 0.356、0.393、0.448 和0.434(P<0.0001);随着基础地力的提升,玉米施肥产量差降低,产量的稳定性和可持续性增加。【结论】在西南地区,提高土壤基础地力可以提升玉米的施肥产量,提高产量的稳定性和可持续性,降低产量差,减少玉米对肥料的依赖性,促进西南地区玉米的高产稳产。
    油菜专用控释尿素用量对冬油菜产量和氮素吸收的影响
    张亚伟,刘秋霞,朱丹丹,樊小林,任涛,张丽梅,李小坤,丛日环,鲁剑巍
    中国农业科学. 2018, 51(1):  139-148.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.013
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    【目的】明确不同冬油菜种植区域油菜专用控释尿素用量对冬油菜产量和氮素吸收的影响,验证油菜专用控释尿素一次性施用的可行性和适宜用量,为指导冬油菜轻简化生产提供依据。【方法】于2015—2016年分别开展油菜专用控释尿素静水释放试验和田间埋袋养分释放以及控释尿素用量施用效果田间试验。油菜专用控释尿素用量试验布置于冬油菜3个主产地区——湖南衡阳、江西九江和湖北武穴。试验共设5个氮肥用量梯度,分别为0、60、120、180和240 kg N·hm-2,探究油菜专用控释尿素对不同区域冬油菜产量和氮素吸收的影响。【结果】田间埋袋试验结果表明,油菜专用控释尿素的缓释期在150 d左右,累积释放量为83.4%,与冬油菜氮素需求吻合。施用油菜专用控释尿素可以调控收获密度,增加冬油菜的单株角果数和每角粒数。与不施氮处理相比,单株角果数、每角粒数分别增加15.0—81.5角/株和0.2—2.4粒/角,收获密度随氮肥用量增加或降低协调群体与个体。3个产地的籽粒产量均在施氮量达到180 kg N·hm-2时最高,分别较不施氮增产1 118、1 088和2 049 kg·hm-2。用线性加平台模型拟合的最佳控释尿素用量,湖南衡阳、江西九江和湖北武穴分别为174、180和192 kg N·hm-2。油菜专用控释尿素施用显著增加地上部生物量、氮素含量和氮素积累量。在收获期时,随氮肥用量增加,茎秆中的氮素分配比例逐渐增加,籽粒中氮素积累分配比例减小,而角壳的氮素分配比例保持在10%左右。不同时期氮肥利用率存在差异,苗期最小,花期最大,收获期居中,分别为19.20%—23.45%、50.69%—56.89%和39.39%—46.71%。苗期和花期的氮肥利用率随着施氮量的增加,出现先增加后降低的趋势,在控释尿素用量为180 kg N·hm-2时达到最大;收获期的氮肥利用率随着施氮量的增加呈降低趋势。【结论】油菜专用控释尿素一次性施用可以增加油菜各生育时期的氮素吸收、促进油菜生长发育,提高收获密度、单株角果数和每角粒数,增加油菜产量。不同冬油菜主产区所需专用控释尿素推荐用量差异不大,平均为180 kg N·hm-2
    园艺
    番荔枝花发育不同阶段的差异蛋白质组分析
    刘锴栋,莫亿伟,冯少娴,吴婉仪,黎海利,钟军弟,袁长春
    中国农业科学. 2018, 51(1):  149-159.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.014
    摘要 ( 26 )   HTML ( 1 )   PDF (1350KB) ( 148 )   收藏
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    【目的】从蛋白质组学的角度研究番荔枝花发育不同阶段差异表达的蛋白质,分析相关信号通路,为揭示番荔枝花发育的分子机制提供理论基础。【方法】以番荔枝不同发育阶段的花为材料,采用双向电泳技术(Two-dimensional gel electrophoresis,2-DE)分离获得花芽(1 mm<花芽<2 mm)、花蕾(5 mm<花蕾<6 mm)、开花前期(花瓣轻微张开)及开花期(花瓣张开)等不同阶段表达丰度不同的蛋白点,利用MALDI-TOF-MS质谱鉴定技术分析相关差异蛋白质,并对其进行功能注释。【结果】通过蛋白图谱比较分析发现,番荔枝花双向电泳图谱中的每张凝胶图谱中都可以检测到800多个重复蛋白点,其中在不同花发育阶段存在表达差异的有50个蛋白点。经质谱鉴定分析,并采用MASCOT软件在线检索,共检测到36个表达量相差2倍以上的蛋白点。36个蛋白质可分为7个主要的功能类别,这些功能类别包括:呼吸与能量代谢(11个蛋白质),蛋白合成与代谢(8个蛋白质),转录与翻译(3个蛋白质),胁迫与防御(2个蛋白质),细胞分化与增殖(3个蛋白质),次生物质代谢(8个蛋白质)和未知功能蛋白(1个蛋白质)。通过GO分析,发现36个已鉴定的蛋白,分别归属于20个分类(term)。通过对差异蛋白进行定量分析,发现呼吸与能量代谢相关的蛋白中,3个蛋白(A07、C28、C42)随着花发育表达量不断下降,4个蛋白(A36、A37、B13、B29)表达则显著上升。在蛋白合成与代谢相关蛋白中,2个蛋白(A13和A22)在花发育的4个阶段都处于低水平表达,而另5个蛋白(B17、B20、A19、A21和C21)表达量显著上升。一个胁迫与防御相关蛋白(B32)在开花期,表达量达到最大值。2个细胞分化与增殖相关蛋白(B27和C57)表达量也呈逐渐升高的趋势。5个次生物质代谢相关蛋白(A06、A29、A34、C100和C110)随着花发育,表达量逐渐降低,而蛋白质C79和D38在花蕾阶段表达量达到最大值后,又逐渐下降。【结论】通过比较番荔枝花发育4个阶段的蛋白图谱,发现36个蛋白具有不同的差异表达谱。其中呼吸与能量代谢相关蛋白质占最大比例,诸如两个ATP合酶α亚基和丙酮酸脱羧化同工酶,都在番荔枝花发育过程呈现出显著的差异表达,这可能与花发育过程需要耗费大量的能量有关。此外,发掘了两个含有三角状五肽重复蛋白,其表达随着番荔枝花发育阶段的变化而改变,这些蛋白的功能还有待进一步研究。能量代谢、次生代谢、蛋白质合成等生物过程可能都参与了对番荔枝开花过程的调控。
    苹果根系生理和叶片光合对地面不同覆盖物的差异反应
    黄萍,曹辉,张瑞雪,纪拓,李燕歌,杨洪强
    中国农业科学. 2018, 51(1):  160-169.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.015
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    【目的】揭示苹果根系和叶片对地面覆盖稻草苫等材料的差异性反应,为果园地面合理覆盖提供依据。【方法】于春季将稻草苫、农用地毯、园艺地布和透明塑料膜覆盖在3年生‘红星’苹果树地面,以清耕为对照,于翌年仲春、夏末、中秋和初冬调查根系活力、根系一氧化氮(NO)生成速率、根系硝酸还原酶(NR)和一氧化氮合酶(NOS)活性以及叶片净光合速率(Pn)等生理参数的变化,在秋冬季分析植株生长量及根系构型等。【结果】苹果根系活力、根系NO生成速率和叶片Pn等生理变化对4种覆盖物的反应存在明显的季节差异。春季,4种覆盖物均提高了根系活力、根系NR和NOS活性及NO生成速率,其中透明塑料膜和农用地毯的效果更显著;夏季,稻草苫和农用地毯覆盖显著提高上述所测根系生理参数值,而透明塑料膜使这些参数值显著降低;秋季,4种覆盖均显著提高根系NR和NOS活性;初冬,稻草苫、农用地毯和园艺地布覆盖均显著提高所测根系生理参数值。除了春季,4种覆盖物对根系生理参数的提高,均以稻草苫的效果最显著。4种覆盖物均降低根系生理参数的变异性,其中,农用地毯覆盖下各参数变异最小,透明塑料膜覆盖下变异最大。4种覆盖物均显著提高夏末、中秋和初冬的叶片Pn及秋季叶片水分利用效率(WUE),增大初冬根系表面积、直径、总长度、体积和根系分形维数,促进新梢生长和干径增粗,稻草苫和农用地毯的效果更显著。稻草苫改善根系生理特性和根系形态构型,提高夏秋季叶片Pn及促进植株生长的效果最突出;农用地毯对根系分形维数的提高与稻草苫相近且高于园艺地布和透明塑料膜,对根系生理变化的稳定作用最突出;园艺地布对夏秋季叶片Pn的提高作用仅次于稻草苫,对根系生理参数的稳定效果不及农用地毯;透明塑料膜在夏末和中秋季节降低根系活力,对秋季叶片WUE的提高及对植株生长的促进作用最小,对根系生理变化的稳定作用也最小。【结论】从改善苹果根系活力和根系构型、提高叶片光合作用和水分利用效率、促进植株生长及稳定根系生理变化的综合效果看,稻草苫的覆盖效果最好。
    笃斯越橘果实、叶片矿质元素和土壤肥力因子与果实品质的多元分析
    白永超,卫旭芳,陈露,万如萌,侯智霞
    中国农业科学. 2018, 51(1):  170-181.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.016
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    【目的】分析大兴安岭地区不同立地类型中笃斯越橘果实总酚、类黄酮、花青苷、葡萄糖、果糖及可溶性糖含量特性;探究笃斯越橘果实、叶片矿质元素和根系层土壤肥力因子间及其与几个主要果实品质指标的关系;筛选通过影响笃斯越橘叶片矿质元素含量进而影响果实黄酮类和糖类物质积累的主要土壤肥力因子,为提高果实品质的土肥管理技术提供理论依据。【方法】以大兴安岭地区水湿地有土壤、水湿地苔草和山地土坡3种立地类型中的笃斯越橘为研究对象,使用典型相关分析法研究土壤肥力因子、叶片和果实矿质元素与果实品质的相关性;应用多元线性回归分析法建立回归方程,并筛选影响笃斯越橘叶片矿质元素的主要土壤肥力因子。【结果】大兴安岭地区水湿地有土壤、山地土坡2种立地类型中,笃斯越橘果实成熟期可溶性糖以葡萄糖和果糖为主,属于单糖积累型,其总含量占可溶性糖的84.20%(水湿地有土壤类型)、95.11%(山地土坡类型),而水湿地苔草类型中葡萄糖和果糖总含量仅占可溶性糖的56.95%;果实总酚、花青苷含量在3种立地类型中差异显著(P<0.05)。典型相关分析表明,果实总酚含量与果实Ca、Mg、Fe、Mn元素含量呈极显著正相关,与P元素含量呈显著负相关;果实K、Zn元素显著影响果实品质特性,其中果实K元素与果实类黄酮呈极显著正相关,与花青苷、可溶性糖呈显著正相关,果实Zn元素与果实类黄酮、花青苷、葡萄糖、果糖呈极显著负相关;叶片Ca、Fe元素与果实类黄酮、花青苷、葡萄糖、果糖分别呈现显著正相关和显著负相关,但叶片Ca元素与果实Zn元素呈极显著正相关;土壤肥力因子与果实品质指标的相关性较弱。叶片N、P、K元素与果实N、P、K元素呈显著正相关,叶片P元素与果实K元素呈极显著正相关,叶片Zn元素与果实Ca、Fe元素呈显著负相关;果实矿质元素中仅有Mg、Cu元素与土壤肥力因子呈显著相关,土壤肥力因子主要影响叶片矿质元素含量,但叶片矿质元素与土壤肥力因子间的关系较复杂。多元线性回归分析表明,土壤pH对叶片矿质元素含量的影响最大,其次是土壤有机质,随土壤有机质含量的增加,叶片N、P、K、Mn元素含量升高,但叶片Zn元素随有机质含量的升高呈现降低趋势。【结论】提高土壤有机质和铵态氮含量,增强土壤酸度是笃斯越橘栽培区土壤管理的关键技术;提高果实K、Ca、Mg、Fe、Mn含量,减少果实Zn元素含量是提高笃斯越橘果实品质的重要措施。
    食品科学与工程
    根皮苷氧化物POP2的酶促反应体系及其结构表征
    王娟,邓红,刘芸,郭玉蓉,孟永宏
    中国农业科学. 2018, 51(1):  182-190.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.017
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    【目的】根皮苷氧化物POP2是苹果汁加工过程中由酶促氧化生成的一种多酚氧化物,对果汁的褐变和劣变有着重要影响。通过多酚氧化酶氧化根皮苷反应体系的建立,POP2的分离纯化与结构表征,探讨根皮苷氧化物POP2合成条件与反应历程,为苹果汁中POP2的检测分析,及弄清其对果汁褐变和劣变的影响奠定基础。【方法】通过pH、温度、底物浓度3个单因素试验建立根皮苷酶促氧化体系的基础上,研究乙醇溶液对酶促反应的促进作用和反应历程,通过高效液相色谱法检测根皮苷酶促氧化过程中根皮苷、中间产物及POP2含量的变化,通过乙酸乙酯萃取、无水乙醇除盐、重结晶等方法对氧化产物POP2进行分离纯化,并采用质谱(ESI-MS)和红外光谱(IR)对POP2进行结构表征。【结果】根皮苷酶促氧化反应的最佳条件为pH 6.5、35℃、底物浓度3 mg?mL-1,添加不同浓度的无水乙醇均能显著提高根皮苷酶促氧化速率,当添加浓度为20%时,可提高反应转化率,最大为2.4倍;根皮苷反应液随时间的变化颜色也发生改变,反应刚开始溶液颜色呈微黄色,随着反应的进行颜色逐渐从亮黄色变为橙黄色,最终产物的颜色为橙红色;高效液相色谱法分析根皮苷酶促氧化反应历程发现,当底物浓度为3 mg?mL-1,反应48 h时,根皮苷的转化率最大为90.2%,中间产物X1和POP1也基本接近痕量,POP2的积累量基本不再发生变化;通过乙酸乙酯萃取可以将反应液中残留的根皮苷除去,用无水乙醇除盐并经甲醇重结晶后,获得纯度为96.8%的POP2;经正离子模式ESI-MS分析,POP2的m/z为467,分子式为C21H22O12;IR结果发现POP2具有特征性的醚、氧化羧基、酮基及苯环官能团,与推测的根皮苷氧化物结构式吻合。【结论】根皮苷酶促氧化体系中的主要氧化物为POP2,可以根据POP2的含量高低建立苹果汁褐变和劣变的标志性检测指标。
    畜牧·兽医·资源昆虫
    草原管理的生态学理论与概念模式进展
    李向林
    中国农业科学. 2018, 51(1):  191-202.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.018
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    20世纪初期CLEMENTS的演替学说被引入草原科学,标志着草原科学理论的一大进步。在此后相当长的一个时期,以演替学说为代表的平衡生态学理论对全世界草原科学研究和草原资源管理模式产生了深远的影响。然而,20世纪70和80年代以来,平衡生态学和稳态管理模式日益受到批评。一方面,在草原生态系统的研究中发现植被动态表现出非线性特征,而这与传统演替理论和稳态管理观点不一致。另一方面,在世界其他地区开展的研究发现,在美国建立起来的草原科学理论和管理模式,在亚洲、非洲等环境随机干扰比较频繁的生态系统并不适用,因而呼吁研究新的框架模型,以便更准确地解释实际的草原植被动态,更有效地为草原管理提供科技支撑。在此背景下,非平衡生态学应运而生。特别是在东非草原生态系统的研究,提出了生态系统是非平衡的但又是可持续的(持续非平衡模型)的观点。进一步的研究揭示了干(冷)季关键资源相对比例对家畜数量和草原植被的潜在影响。20世纪80年代提出的状态与过渡模型是一个具有重要意义的替代性概念框架,20世纪90年代在美国被应用于草原管理实践,取代了盛行多年的草原基况评价。而非平衡理论则逐渐被后出现的恢复力理论所替代,因为研究发现过去认为的“非平衡态”,被解释为“多平衡态”似乎更为合理。生态恢复力在涉及多稳态生态系统管理的领域得到了广泛应用,特别是复杂的社会生态系统的适应性管理。草原生态学理论的进步,也伴随着草原资源管理模式的平行发展,其中一个极为显著的特征是人类的角色从自然资源的利用者转变成了自然资源的管理者。20世纪草原管理的主要模式被概括为稳态管理,其目标是获得牧草和家畜产品的最大可持续产量。恢复力理论代表了当代生态学最新、最重要的进展,其应用进一步扩展到社会系统与生态系统的耦合──社会生态系统,并促进了适应性管理等概念和方法的发展。目前,上述几种管理模式在草原生态学领域都有不同程度的应用。随着时间的推移,草原生态学理论和管理模式必将得到进一步的发展和整合,从而形成更完善的框架模型,能更加有效地应用于兼具复杂性、适应性和社会性的草原生态系统。