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当期目录

    2018年 第51卷 第23期 刊出日期:2018-12-01
      
    作物遗传育种·种质资源·分子遗传学
    大豆GmLEA的分离及其在种子活力中的功能分析
    周亚丽,朱雅婧,赵飞云,王爽,刘骕骦,郭凌凯,赵海红,麻浩
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4397-4408.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.001
    摘要 ( 252 )   HTML ( 93 )   PDF (3927KB) ( 224 )   收藏
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    【目的】大豆(Glycine max (L.) Merr.)种子从发育成熟期(R6或R7期)开始具有活力,在此时期容易受到高温高湿胁迫,导致种子活力下降。通过对GmLEA的研究,揭示其高温高湿胁迫下的表达水平以及功能,为一步深入研究GmLEA在参与大豆种子活力形成及响应非生物胁迫等方面奠定基础。【方法】利用Primer Premier 5.0软件设计引物,以宁镇1号和湘豆3号叶片的cDNA为模板,分离大豆GmLEA的cDNA序列全长。通过NCBI网站BLAST对GmLEA同源性氨基酸序列进行搜索,使用MEGA 6.0和DNAMAN多重比对蛋白质序列,并采用MEGA 6.0的N-J算法构建进化树。通过酵母双杂交试验验证GmLEA与GmCDPKSK5在酵母体内的互作。构建亚细胞定位和双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation,BiFC)载体,通过基因枪介导法转化烟草叶片分析GmLEA与GmCDPKSK5在烟草叶片细胞内的互作及其编码蛋白的亚细胞定位。利用实时荧光定量PCR技术(qRT-PCR)对GmLEA的组织特异性表达及其在高温高湿胁迫下的表达进行分析。构建pBI121融合表达载体,通过农杆菌介导法获得3个纯合的T3代过表达拟南芥株系,对高温高湿胁迫下拟南芥的种子活力进行分析。【结果】获得大豆GmLEA的cDNA序列全长,该基因包含一个长1 377 bp的开放阅读框(ORF);且该基因所编码的蛋白定位在烟草叶片细胞的细胞膜上。酵母双杂交试验与双分子荧光互补(BiFC)试验结果表明,GmLEA与GmCDPKSK5分别在酵母体内与烟草叶片细胞的细胞膜上存在特异性互作。组织特异性分析结果表明,GmLEA主要在宁镇1号和湘豆3号2个品种发育和成熟的种子中表达。在湘豆3号种子发育过程中GmLEA的表达量呈先上升后下降的趋势,在开花后50 d达最大值,在宁镇1号种子发育过程中该基因的表达量呈上升的趋势,在开花后60 d达到最大值。高温高湿胁迫后,与对照相比,GmLEA在湘豆3号中96 h时下调表达,其余时间点均上调表达,在宁镇1号中,仅24 h时下调表达。GmLEA过表达拟南芥株系经高温高湿胁迫后的发芽势、发芽率及种子活力均显著(P<0.01)高于野生型植株。【结论】GmLEA参与高温高湿胁迫下种子活力的形成,与GmCDPKSK5存在特异性互作,二者可能共同参与高温高湿胁迫下种子活力的形成。

    一个甘蔗Ⅱd类WRKY转录因子基因的克隆和表达分析
    张旭,凌辉,刘峰,黄宁,王玲,毛花英,李聪娜,汤翰臣,苏炜华,苏亚春,阙友雄
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4409-4423.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.002
    摘要 ( 116 )   HTML ( 41 )   PDF (5964KB) ( 134 )   收藏
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    【目的】WRKY是植物特有的一类转录因子,在生理调控和逆境响应过程中有着重要作用。通过分析WRKY转录因子基因在甘蔗生长发育及抗逆境过程中的作用,为甘蔗抗逆分子育种提供优良的基因资源。【方法】从甘蔗转录组数据库中挖掘到一条WRKY基因Unigene序列,并通过RT-PCR扩增得到cDNA全长序列,利用ORF finder、Smart、ExPaSy、Prabi、NetPhos、Cell-PLOC 2.0和DNAMAN6.0软件对该基因序列及其编码蛋白序列进行生物信息学分析,并使用MEGA6.0软件构建系统进化树;构建pCAMBIA1300-WRKY-GFP融合表达载体,通过农杆菌转化本氏烟(Nicotiana benthamiana),确定WRKY蛋白在烟草叶片中的亚细胞定位;利用酵母杂交试验验证WRKY是否具有转录自激活活性;采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)方法分析WRKY在甘蔗品种ROC22中的组织特异性(根、蔗芽、叶、蔗髓和皮)及其在MeJA(100 μmol·L -1)、SA(5 mmol·L -1)、PEG(25%)、NaCl(250 mmol·L -1)、CuCl2(500 mmol·L -1)和CdCl2(500 mmol·L -1)胁迫条件下表达量的变化。【结果】从甘蔗品种ROC22中克隆获得一个WRKY转录因子基因,命名为ScWRKY6(GenBank登录号为MH393927)。该基因序列全长1 289 bp,包含1个1 059 bp的ORF,编码352个氨基酸,并具有45个磷酸化位点;理论等电点为9.73,不稳定指数为50.23,亲水性为-0.579,推测其为碱性不稳定亲水性蛋白。ScWRKY6蛋白具有1个WRKY结构域和1个锌指结构域(CX5CX23HXH),该蛋白氨基酸序列与高粱(Sorghum bicolor)WRKY(XP_002464211.1)的同源性最高,根据系统进化树分析可以推测其属于WRKY家族Ⅱd亚类。亚细胞定位结果显示,ScWRKY6::GFP融合蛋白定位在细胞核上。酵母转录激活验证试验显示,ScWRKY6蛋白不具有转录自激活活性。qRT-PCR分析表明,ScWRKY6在甘蔗中为组成型表达,其表达量由大到小依次为蔗芽、叶、根、皮和蔗髓,其中蔗芽、叶和根的表达量分别为蔗髓的2.05、1.55和1.37倍。ScWRKY6在NaCl、PEG、MeJA、重金属Cu 2+和Cd 2+胁迫诱导下表达量均上调,其在NaCl处理12 h时表达量最高,为对照的4.18倍;在PEG处理3 h时表达量最高,为对照组的6.88倍;在CuCl2和CdCl2诱导24 h时表达量最高,分别为对照组的3.63倍和4.86倍。【结论】ScWRKY6蛋白定位在细胞核上,不具有转录自激活活性;该基因在甘蔗不同组织部位中均有表达,且受NaCl、PEG、CuCl2和CdCl2等胁迫的诱导,推测ScWRKY6可能在甘蔗干旱应答、耐盐及金属离子胁迫响应中发挥作用。

    耕作栽培·生理生化·农业信息技术
    Cd胁迫水培试验下水稻糙米Cd累积的关键生育时期
    王倩倩,贾润语,李虹呈,周航,杨文弢,辜娇峰,彭佩钦,廖柏寒
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4424-4433.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.003
    摘要 ( 67 )   HTML ( 23 )   PDF (400KB) ( 82 )   收藏
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    【目的】探究水稻不同生育时期Cd胁迫对水稻成熟期糙米Cd累积的影响,明确糙米Cd累积关键生育时期,以期适时采取阻控措施降低糙米Cd含量,为水稻安全生产提供理论参考。【方法】以水稻品种湘晚籼13号(晚稻品种)为研究对象,采用水培试验,共设计7个添加外源Cd处理,即CG(全生育时期Cd胁迫,102 d)、TS(分蘖期Cd胁迫,15 d)、JS(拔节期Cd胁迫,15 d)、BS(孕穗期Cd胁迫,21 d)、FS(灌浆期Cd胁迫,18 d)、DS(腊熟期Cd胁迫,15 d)、MS(成熟期Cd胁迫,18 d),以全生育时期无Cd胁迫作为空白对照(CK),每个处理重复3次。各处理外源Cd胁迫浓度相同,均为20 μg·L -1。水培试验于2017年7月23日开始,在湖南省长沙市中南林业科技大学水稻试验基地进行。2017年11月19日,水稻成熟后,整株采集水稻,测定指标为不同生育时期Cd胁迫下水稻农艺性状(株高、分蘖数和各部位生物量)和水稻各部位(根、茎、叶、穗、谷壳和糙米)Cd含量,计算水稻各部位Cd累积量以及不同生育时期Cd累积对成熟期糙米Cd累积的相对贡献率。【结果】不同生育时期Cd胁迫对水稻株高、分蘖数以及各部位生物量没有显著影响。灌浆期Cd胁迫下,水稻成熟期糙米Cd含量最高,为1.05 mg·kg -1,显著高于水稻成熟期(0.57 mg·kg -1)、孕穗期(0.52 mg·kg -1)、腊熟期(0.38 mg·kg -1)、拔节期(0.31 mg·kg -1)和分蘖期(0.17 mg·kg -1)Cd胁迫下糙米Cd含量。各生育时期Cd胁迫下水稻成熟期糙米Cd累积量范围为0.18—1.56 μg/株,糙米Cd累积量大小顺序为:全生育时期Cd胁迫>灌浆期Cd胁迫>成熟期Cd胁迫>孕穗期Cd胁迫>拔节期Cd胁迫>分蘖期Cd胁迫。孕穗期、灌浆期和成熟期是水稻糙米Cd累积的关键生育时期,对成熟期糙米Cd累积相对贡献率分别为19.7%、39.3%和22.6%,而分蘖期、拔节期和腊熟期的Cd累积对成熟期糙米Cd累积相对贡献较小,贡献率分别为2.4%、4.2%和11.9%。除全生育时期Cd胁迫外,水稻根、茎、穗和谷壳Cd含量均在孕穗期和灌浆期Cd胁迫下较高;各生育时期Cd胁迫下,水稻叶Cd含量无显著性差异。孕穗期和灌浆期Cd胁迫下根Cd累积量较高,分别为86.09 μg/株和79.23 μg/株,显著高于其他生育时期Cd胁迫下根Cd累积量(31.55—40.37 μg/株)。与其他生育时期Cd胁迫相比,水稻植株Cd总累积量在孕穗期和灌浆期Cd胁迫下较高,分别为107.13 μg/株和98.35 μg/株,显著高于其他生育时期Cd胁迫下水稻植株Cd总累积量(42.24—52.47 μg/株)。【结论】水稻的孕穗期、灌浆期和成熟期是控制水稻糙米Cd累积的关键时期。在孕穗期和灌浆期Cd胁迫下,水稻成熟期根和糙米累积Cd最多,因此可以在水稻孕穗期和灌浆期施加改良剂阻隔根系吸收Cd或者阻隔根系吸收的Cd向糙米中转运,从而降低水稻糙米中Cd的累积。

    拔节期和孕穗期低温处理对小麦叶片光合及叶绿素荧光特性的影响
    刘蕾蕾,纪洪亭,刘兵,马吉锋,肖浏骏,汤亮,曹卫星,朱艳
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4434-4448.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.004
    摘要 ( 194 )   HTML ( 49 )   PDF (7711KB) ( 263 )   收藏
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    【目的】 研究自然温度日变化模式下低温处理对小麦光合及荧光特性的影响。【方法】以温度敏感性不同的2个小麦品种扬麦16和徐麦30为材料,于拔节期和孕穗期在全自动人工气候室中进行4个低温水平和3个低温持续时间的处理,于低温处理期间及低温处理结束后7 d内每天测定小麦第一张全展叶的光合和荧光参数。【结果】低温处理期间,扬麦16和徐麦30叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ФPSII)、光化学猝灭系数(qP)均随温度的降低而下降。拔节期低温处理期间,叶片Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、ФPSII和qP随低温持续时间的延长呈先降低后升高的趋势,而孕穗期低温处理期间,则随低温持续时间的延长呈下降趋势。低温处理结束后,除孕穗期T4(Tmin/Tmax/Tavg,-6℃/4℃/-1℃)处理外,其他处理的叶片Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、ФPSII、qP和非光化学猝灭系数(NPQ)均可恢复到正常水平。低温胁迫下,相对Pn与相对Fv/Fm、ФPSII、qP呈显著的正相关关系,而与相对NPQ呈显著的负相关关系,且相对Pn与相对ФPSII、qP的相关性要高于相对Fv/Fm和相对NPQ。【结论】低温主要通过降低叶片ФPSII和qP,引起小麦叶片光合速率下降,进而降低小麦干物质积累,最终导致产量下降。

    植物保护
    红铃虫性信息素合成激活肽基因克隆、序列特征及在不同发育阶段的表达分析
    许冬,王玲,丛胜波,王金涛,李文静,万鹏
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4449-4458.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.005
    摘要 ( 64 )   HTML ( 85 )   PDF (512KB) ( 62 )   收藏
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    【目的】克隆红铃虫(Pectinophora gossypiella)性信息素合成激活肽(pheromone biosynthesis activating neuropeptide,PBAN)基因,分析其序列特征,阐明该基因在红铃虫不同发育阶段中的表达规律,以及与交配行为、棉花挥发物间的调控关系,为进一步揭示红铃虫性信息素合成释放机制提供科学依据。【方法】利用RACE技术克隆红铃虫性信息素合成激活肽基因PgosPBAN的全长cDNA序列,应用DNAMAN 6.0对其进行序列分析,利用Protparam、Chou & Fasman等在线分析软件进行蛋白二级结构预测和生物信息学分析;利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术检测PgosPBAN在红铃虫不同发育阶段的表达规律,分析交配行为和棉花挥发物对PgosPBAN表达水平的影响。【结果】获得了PgosPBAN全长cDNA序列,GenBank登录号为KY987647,该基因cDNA全长1 461 bp,其开放阅读框(ORF)为618 bp,编码205个氨基酸,5′端非编码区长121 bp,3′端非编码区长722 bp;PgosPBAN编码的氨基酸序列包含了滞育激素、α神经肽、β神经肽、PBAN和γ神经肽5种神经肽,N端还含有一个23氨基酸的信号肽;预测该蛋白分子量为2.41 kD,等电点为9.25;同源性及系统进化树分析发现,PgosPBAN与15种鳞翅目昆虫的PBAN位于同一分支,其中与PgosPBAN进化关系最近的是二化螟(Chilo suppressalis)的PBAN(GenBank登录号:ALM30314.1),表明这两个基因可能有共同的祖先基因;PgosPBAN在红铃虫不同发育阶段存在明显的表达特异性,以成虫期的表达量较高,幼虫期次之,蛹期最低;PgosPBAN在红铃虫雌、雄成虫体内均有表达,且1—5 d内雄性成虫PgosPBAN表达量显著高于雌性成虫;交配后1—3 d的红铃虫体内PgosPBAN表达水平显著高于处女蛾;暴露于棉花挥发物1—5 d雄成虫PgosPBAN表达水平未受到显著影响,而1、8 d雌成虫及8 d雄成虫PgosPBAN表达水平均显著低于对照。【结论】明确了PgosPBAN的核苷酸、氨基酸序列特征,分析了该蛋白的二级结构特征。根据PgosPBAN在红铃虫不同发育阶段的表达规律以及与交配行为、棉花挥发物的调控关系,推测该基因不仅参与了红铃虫雌性信息素的合成释放,在调控雄性信息素以及调节生长发育等方面可能也扮演着重要角色。

    助剂对静电喷雾液剂电导率及沉积量的影响
    任立瑞,陈福良,尹明明
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4459-4469.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.006
    摘要 ( 24 )   HTML ( 3 )   PDF (440KB) ( 26 )   收藏
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    【目的】优化静电喷雾液剂配方,研究助剂对静电喷雾液剂电导率及沉积量的影响,探寻二者之间的关系,为降低农药使用量,实现农业可持续发展提供科学依据。【方法】采用新型环保溶剂HDBE和NCC,以二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮和异佛尔酮作为助溶剂,设定助溶剂用量分别为0、3%、5%、7%和10%,以传统溶剂S200#作为对照。根据静电喷雾液剂质量技术指标对不同配方进行筛选。分析助剂种类及用量的变化对阿维菌素和呋虫胺两种静电喷雾液剂电导率的影响。同时,在施药前测定靶标叶面积,施药后用丙酮反复冲洗、过滤、旋蒸、定容,最后采用高效液相色谱(HPLC)测定靶标叶片上农药有效成分的沉积量,探究助剂种类和用量对黄瓜和番茄叶片正、背面沉积量的影响,分析制剂电导率与沉积量之间的关系,评价静电喷雾包抄效应。【结果】筛选出6个符合质量技术指标要求的环保型静电喷雾液剂配方;制剂电导率并非各组分电导率的加权平均数,而是各组分相互作用的结果;对于极性不同的农药有效成分配制的静电喷雾液剂,助剂种类和用量的改变对电导率和沉积量的影响趋势相同。当有效成分为非极性农药阿维菌素时,其对制剂整体电导率几乎无影响,而当采用极性较大的农药呋虫胺时,制剂整体的电导率得到显著提高,在相同助剂条件下,高出阿维菌素制剂近百倍。当溶剂为HDBE时,电导率较小,电导率和沉积量随助溶剂质量分数的提高增幅较大,差异显著。当溶剂为NCC时,由于其本身电导率较大,二者随助溶剂用量的提高增幅较小,不同配方之间的电导率差异减小。当助溶剂同为二甲亚砜时,由HDBE、NCC作为溶剂制备的静电喷雾液剂电导率及沉积量较传统溶剂S200#均显著增加,其中电导率高出5倍以上,沉积量高出1.5倍以上;静电喷雾液剂在黄瓜叶片正、背面的沉积量均大于番茄;不同配方在靶标正、背面沉积量之比在1.17—2.11。【结论】环境友好的HDBE、NCC可代替S200#成为静电喷雾的优良溶剂;助剂的种类和用量的改变对静电喷雾液剂电导率及沉积量有重要影响,通过提高制剂的电导率可以显著改善沉积量,从而提高农药有效利用率;所配制的静电喷雾液剂具有良好的静电包抄效应。

    土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境
    面向自愿减排碳交易的生物质炭基肥固碳减排计量方法研究
    孙建飞,郑聚锋,程琨,叶仪,庄园,潘根兴
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4470-4484.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.007
    摘要 ( 49 )   HTML ( 9 )   PDF (494KB) ( 45 )   收藏
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    【目的】秸秆热解炭化-生物质炭基肥-生态农业产业体系正在中国兴起。炭基肥通过替代化肥产生可观的温室气体减排量并显著增加土壤有机碳库,其规模化发展具有参与我国正在实施的自愿减排碳交易项目的明显潜力。本研究探讨构建生物质炭基肥项目固碳减排计量方法,为其大规模农业应用参与自愿减排碳交易提供科学依据和方法学支撑。【方法】根据自愿减排项目固碳减排计量方法学和农田固碳减排计量的逻辑框架,基于秸秆炭基肥项目发展的实地调查、已有炭基肥试验的固碳减排案例监测及文献统计,并参考已备案的农业减排方法学,从项目合格性、基准线确定、边界选择、关键排放源和土壤碳库确定、系统泄漏到净碳汇计量方法等方面探讨开发炭基肥项目固碳减排计量方法学,以分析炭基肥项目进行碳交易的可行性。【结果】秸秆炭基肥项目计量方法学的基准线情景为农田常规施肥管理,但需针对不同农田经营模式而确定项目边界(例如分散农民为经营主体的田块模式和工厂-农田的集约化企业运营模式),分别考虑农田氧化亚氮和甲烷的排放和土壤有机碳库来审视项目的关键排放源和碳库,考虑项目的泄漏可能包括农民运输炭基肥导致的额外排放或原有秸秆利用方式发生改变导致的额外排放。农作物炭基肥案例分析表明:以农民为主体的炭基肥项目,单个生长季的冬小麦或水稻生产可分别产生1 440和282 kg CO2-eq·hm -2的减排量;而“工厂-农田”集约化模式中,在未对炭基肥生产工艺进行优化的条件下(副产物未被循环利用),炭基肥生产过程带来的温室气体排放将抵消部分炭基肥应用的农田碳汇量;如对优化炭基肥生产工艺后,单个生长季的冬小麦和水稻生产可分别产生1 479和340 kg CO2-eq·hm -2的净碳汇量。【结论】构建了一套用于量化炭基肥项目净碳汇量的计量方法,可以合理地量化炭基肥农田应用项目产生的净碳汇量。本研究发展的方法学适用炭基肥农业固碳减排项目,量化结果显示炭基肥项目可带来可观的减排量,且旱作农田的净碳汇效应高于稻作农田,优化炭基肥生产工艺条件下工厂-农田集约化运营模式获得的碳汇量显著高于未优化工艺条件下的农民主体的项目模式。研究表明未来应当关注和开发区域尺度不同类型炭基肥施用下氧化亚氮和甲烷减排因子以及土壤固碳因子。

    不同秸秆生物炭对贵州黄壤细菌群落的影响
    侯建伟,邢存芳,卢志宏,陈芬,余高
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4485-4495.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.008
    摘要 ( 69 )   HTML ( 13 )   PDF (978KB) ( 150 )   收藏
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    【目的】表征不同生物炭处理的黄壤细菌群落结构特征和组成差异,探讨引起黄壤细菌群落变化的主控环境因子,为土壤改良和秸秆资源的合理利用提供理论参考。【方法】以玉米、水稻和油菜秸秆500℃炭化得到的生物炭为添加材料,以贵州省地带性黄壤为供试土壤,通过室内培育试验,采用高通量测序(Illumina HiSeq)技术,研究不同生物炭处理的黄壤细菌的菌群变化,并对细菌群落结构与环境因子进行相关性分析和因子分析。试验共设4个处理:对照(CK)、添加玉米秸秆生物炭(BC1)、水稻秸秆生物炭(BC2)和油菜秸秆生物炭(BC3)。【结果】细菌16S rRNA基因拷贝数与土壤全氮、pH和全碳呈极显著或显著正相关关系(r分别为0.78**、0.62*和0.66*)。施用生物炭增加了细菌门和纲水平上的优势菌群的丰富度和多样性,且与pH和C/N具有较强的正相关性。Actinobacteria(放线菌门)、Cyanobacteria(蓝藻菌门)和Chloroflexi(绿弯菌门)为黄壤的3大优势菌门,占所有菌门的68.5%。因子分析显示,土壤全氮、C/N、pH、有效磷和阳离子交换量(CEC)总共解释了80.8%的群落变化,成为黄壤细菌群落结构变化的主控环境因子,贡献率依次为:土壤C/N>pH>有效磷>全氮>CEC。【结论】生物炭改变了细菌的群落构成和化学性质,土壤全氮、C/N、pH、有效磷和CEC对细菌群落结构变化贡献较大,其中全氮和pH是提高土壤细菌群落多样性和丰富度的主控环境因子。

    湖南不同季别稻作系统的生态能值分析
    周江,向平安
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4496-4514.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.009
    摘要 ( 39 )   HTML ( 15 )   PDF (490KB) ( 84 )   收藏
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    【目的】湖南稻作系统以一季稻和双季稻种植制度为主。论文通过评价稻作技术的调整对不同季别水稻种植效率的影响,期望为水稻可持续发展提供决策依据。【方法】通过相关统计年鉴资料获取2002—2016年湖南早稻、中稻和晚稻生态系统环境资源、经济资源的投入与产出原始数据,采用能值分析理论和方法,对三季稻作系统的动态发展状况及综合发展水平进行分析,再将其能值投入产出效率与传统经济利润率指标进行比较。【结果】2002—2016年湖南稻田生态系统中投入的自然资源能值相对稳定,投入能值大部分依赖购买能值并趋向增加;能值投入结构调整为机械>人工+畜力>化肥>农药或种子>燃料>有机肥,农业机械化逐渐代替了以人工、畜力为主的生产方式。系统每千公顷种植面积的购买能值投入中不可更新工业能值投入呈明显增长趋势,其中机械作业能值投入贡献率最高,化肥投入为中稻>早、晚稻且长年居高不下,农药投入为中、晚稻>早稻且趋向增加;可更新有机能值投入密度则趋向减少,其中人工能值虽显著下降,其贡献率仍最高,种子投入为早稻>晚稻>中稻且早、晚稻趋向增加,畜力能值投入转变为中稻>早、晚稻且趋向不断减少,有机肥投入能值不断减少;购买能值投入从2012年起转变为中稻>早稻>晚稻系统。系统单位种植面积的能值产出、生态和经济平均利润率均为中稻>晚稻>早稻;早稻种植面积始终低于晚稻。系统能值指标变化趋势为:能值投入率方面晚稻>早稻、中稻;能值产出率方面中稻>晚稻>早稻;系统对环境的压力较小,但环境负载率指标增长较快且晚稻>早、中稻系统;可持续发展指数已大幅下降至<2,2008年以后中稻>早、晚稻系统。【结论】湖南稻作系统生产方式日益现代化,系统富有活力但发展潜力日益下降。稻作经营仍属于粗放型方式,致使不可更新工业辅助能大量投入,造成短期内系统环境压力增大、生态和经济利润率不断下滑,不利于系统长期可持续发展。虽然湖南中稻生态系统的环境负载率、可持续发展指数、平均利润率仍优于早、晚稻系统,但由于系统投入了较多的人工、畜力、化肥和农药能值且其机械能值效率较低,致使其能值产出率、生态和经济利润率降幅较大并与晚稻系统基本持平,其竞争优势日益缩小。早稻系统种子能值投入较高且能值产出密度和利润率较低,晚稻系统购买能值投入产出综合效益较高。湖南稻作农业现代化的地域不均衡发展矛盾依然突出。无论哪个水稻季别,以市场价值作为评价依据的成本-收益分析法,低估了稻田生态系统的真实价值。政府需针对早、中、晚稻制定激励政策,以保障稻农的利益和实现稻作永续经营。

    园艺
    苹果MdWRKY18和MdWRKY40参与盐胁迫途径分子机理研究
    许海峰,杨官显,张静,邹琦,王意程,曲常志,姜生辉,王楠,陈学森
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4514-4521.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.010
    摘要 ( 79 )   HTML ( 10 )   PDF (1795KB) ( 91 )   收藏
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    【目的】研究苹果WRKY转录因子MdWRKY18和MdWRKY40蛋白结构、表达水平及在盐胁迫中的功能,为进一步完善盐胁迫分子机理的研究提供参考。【方法】以‘红脆2号’苹果为试材,克隆MdWRKY18MdWRKY40,对其蛋白结构进行分析;采用qRT-PCR测定该基因在盐胁迫条件下的表达水平,并通过GUS染色分析它们启动子活性,利用酵母双杂分析其互作关系,并通过转基因验证其功能。【结果】蛋白结构分析表明MdWRKY18和MdWRKY40均含有一个WRKY、Cx5C以及HxH结构域;MdWRKY18MdWRKY40表达水平和启动子活性受150 mmol·L -1 NaCl诱导,酵母双杂交试验表明,MdWRKY18和MdWRKY40能够和自身互作形成同源二聚体,且MdWRKY18也能和MdWRKY40互作形成异源二聚体;在‘王林’愈伤中分别过表达MdWRKY18MdWRKY40时,能够促进MdSOS1MdNHX1的表达,并提高‘王林’愈伤在盐胁迫处理下的生长量,在‘王林’愈伤中共表达MdWRKY18MdWRKY40时,同样能够促进MdSOS1MdNHX1的表达,但对提高‘王林’愈伤的生长量要高于分别过表达MdWRKY18MdWRKY40。【结论】苹果MdWRKY18MdWRKY40受盐胁迫的诱导,可以形成同源或异源二聚体,并增强‘王林’愈伤对盐胁迫的耐性。

    葡萄KEA家族基因的克隆、鉴定及表达分析
    王壮伟,王庆莲,夏瑾,王西成,宋志忠,吴伟民
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4522-4534.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.011
    摘要 ( 53 )   HTML ( 14 )   PDF (2543KB) ( 55 )   收藏
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    【目的】从葡萄中克隆并鉴定KEA家族基因,在转录水平探索其组织特异性表达特征及对缺钾、脱落酸(ABA)、氯化钠(NaCl)与山梨糖醇(sorbitol)等胁迫的响应情况,明确主效基因。【方法】通过同源克隆法,在葡萄基因组中筛选并鉴定KEA家族基因;利用MEGA 7.0软件中的邻接法建立9种不同植物(葡萄、拟南芥、水稻、玉米、高粱、短柄草、白杨、梨和苹果)KEA家族成员的系统进化树;借助多种生物信息学软件分析葡萄KEA家族基因及其编码蛋白的详细特征;检索EST数据库,分析葡萄KEA家族基因的表达谱;利用实时荧光定量PCR分析KEA家族基因在葡萄不同组织部位的表达模式及对缺钾、ABA、NaCl与sorbitol等胁迫的响应情况,明确主效基因。【结果】在葡萄基因组中检索并克隆获得4个KEA家族基因,命名为VvKEA1—VvKEA4,均含有典型的K/H交换结构域(K/H exchanger domain)和TrkA-N domain功能结构域,属于典型的植物K +/H +逆向转运体;9种不同植物的KEA家族蛋白在氨基酸水平具有33.10%的一致性,并可分为2个亚族(GroupⅠ和GroupⅡ),其中,葡萄VvKEA1和VvKEA2属于GroupⅠ,均含有7个Motif基序,而VvKEA3和VvKEA4属于GroupⅡ,只含有4个Motif基序;系统进化树表明葡萄VvKEA1、VvKEA2和VvKEA4成员分别与拟南芥AtKEA2、AtKEA3和AtKEA5紧密聚在一起,而葡萄VvKEA3则与梨PbrKEA5和苹果MdoKEA7紧密聚在一起,水稻、玉米、高粱和短柄草4种禾本科植物KEA家族成员更倾向于聚在一起,而木本植物白杨、苹果、梨KEA家族成员紧密聚在一起;葡萄KEA家族蛋白拥有相似的三级结构,主要定位于细胞质膜,均含有12—13个跨膜区,均为稳定蛋白,等电点pI均小于7.00,且只有VvKEA3具有信号肽;在葡萄VvKEA启动子区域鉴定到至少15种的顺式作用元件,主要包括胁迫响应、营养和发育、激素响应、昼夜规律等不同生命活动相关的调控元件;EST表达谱结果表明葡萄KEA家族基因在多种组织或器官中均有表达,在果实中的表达水平最高,其次是叶、种子、根和雌蕊;实时荧光定量PCR分析表明VvKEA3在8年生‘白罗莎里奥’葡萄树不同组织中的整体表达水平最高,在幼果中的表达量最为突出,而其他3个VvKEA的整体表达水平相对较低,且较为接近;幼苗中,VvKEA1—VvKEA4在转录水平对NaCl处理没有响应,但对ABA处理最为敏感,VvKEA1—VvKEA4的表达量在检测幼苗的地上部和根部均被显著诱导,VvKEA3在检测幼苗的地上部和根部及VvKEA1在地上部的表达量受缺钾处理诱导而显著增强,VvKEA3在检测幼苗的地上部和根部及VvKEA4在根部的表达量受sorbitol渗透处理诱导而显著上升。【结论】从葡萄中克隆并鉴定了4个KEA家族基因,主要在葡萄果实、叶片和种子中表达,其成员与拟南芥KEA成员在遗传距离上较近;VvKEA3在成年葡萄树中的整体表达水平最为丰富(幼果中最高),幼苗中VvKEA3受缺钾、ABA和sorbitol渗透胁迫的调控;VvKEA3是葡萄果实中重要的K +/H +逆向转运体。

    食品科学与工程
    基于BP神经网络和遗传算法的库尔勒香梨挥发性物质萃取条件的优化
    张芳,未志胜,王鹏,李凯旋,詹萍,田洪磊
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4535-4547.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.012
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    【目的】通过BP神经网络结合遗传算法对固相微萃取条件(萃取头种类、样品量、萃取温度、萃取时间和盐离子添加量)的优化,建立高效的库尔勒香梨汁香气物质的萃取分析方法,为库尔勒香梨相关产品天然风味的拟合及调控奠定基础。【方法】通过单因素试验确定最佳萃取纤维头种类和样品量、萃取温度、萃取时间和盐离子添加量的最佳萃取参数。在单因素试验设计的基础上,以库尔勒香梨汁中关键香气物质(己醛、丁酸乙酯、壬醛、乙酸乙酯、(E)-2-己烯醛、己醇、(Z)-2己烯醛、丙酸乙酯和己酸乙酯)的含量为评价指标进行中央复合设计试验进一步考察样品量、萃取温度、萃取时间和盐离子添加量对库尔勒香梨汁固相微萃取效果的影响。最后以中央复合设计的试验结果为初始种群,以样品量、萃取温度、萃取时间和盐离子添加量为输入值,以库尔勒香梨汁中关键香气物质含量为其函数的输出值,通过BP神经网络模型来调试函数适应度。使用中央复合设计数据以外的数据集对BP神经网络外推能力进行验证。利用遗传算法(算法参数:最大进化代数100、初始种群数20、变异概率0.2、交叉概率0.4)在试验水平范围内预测全局最优的萃取条件。【结果】统计分析结果表明,65 μm PDMS/DVB萃取头对库尔勒香梨汁中关键香气物质的萃取效果最好,样品量、萃取温度、萃取时间和盐离子添加量对固相微萃取效果具有显著影响(P<0.05)。BP神经网络的拓扑结构为‘4-15-1’。验证数据和训练数据的MSE均大于0.017;训练、测试和验证数据的相关系数分别为0.990、0.951和0.973,表明BP神经网络预测模型有很好的准确性,可以用于库尔勒香梨汁香气物质固相微萃取结果的预测。BP神经网络外推能力验证试验的结果与BP神经网络模型预测值的拟合度(R 2)为0.992,表明试验建立的BP神经网络模型有很好的外推能力,能够准确地预测不在训练集内的数据集的输出值。遗传算法迭代100代后确定的最优个体为3.41 μg·g -1,最佳固相微萃取条件是样品量5.33 g、萃取温度44.70℃、萃取时间25.22 min和盐离子添加量0.63 g。在尽可能接近此条件下进行验证试验(试验条件:样品量5.33 g、萃取温度45℃、萃取时间25 min和盐离子添加量0.63 g),测得库尔勒香梨汁中9种关键香气物质的含量为(3.37±0.23)μg·g -1,与最优个体预测值相比,误差仅为-1.19%。【结论】上述结果表明BP神经网络模型结合遗传算法是一种准确度较好的优化固相微萃取参数的新方法,同时也为解决非线性模型工艺优化的问题提供了新思路。库尔勒香梨汁香气物质固相微萃取的最佳萃取条件为:样品量5.33 g,萃取温度45℃,萃取时间 25 min,盐离子添加量0.63 g。

    畜牧·兽医·资源昆虫
    黄花蒿提取物对奶牛瘤胃发酵指标的影响
    王丽芳,斯琴毕力格,敖长金
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4548-4555.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.013
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    【目的】在奶牛日粮中添加菊科植物黄花蒿乙醇提取物,研究其对瘤胃中乙酸、丙酸、丁酸等发酵指标的影响,进一步探讨其对CLA合成的溶纤维丁酸弧菌Butyrivibrio fibrisolvens(B.fibrisolvens)和蛋白溶解梭菌Clostridium proteoclasticum(C.proteoclasticum)的影响,旨在阐明黄花蒿乙醇提取物对奶牛瘤胃发酵的作用,并从瘤胃层次探明其对牛奶中CLA合成的部分作用机制。【方法】选取15头体重为(600±29)kg、胎次2-3、泌乳期(158±3)d及泌乳量(22.8±1.8)kg·d -1相近的荷斯坦奶牛为试验动物,试验牛统一管理,自由采食、自由饮水;每天饲喂2次、挤奶2次(早上4:30、下午16:30)。试验采用完全随机设计,分为3组,分别是对照组和2个试验组,每组5头牛。试验1组黄花蒿乙醇提取物的添加量为96 g/(d·头),试验2组黄花蒿乙醇提取物的添加量为160 g/(d·头)。试验期40 d,前9 d为预饲期,10—40 d为正式期。【结果】奶牛日粮中添加黄花蒿乙醇提取物可以增加瘤胃中pH值,其中两个试验组pH值分别增加了2.63%和8.61%,但差异不显著(P>0.05);添加黄花蒿乙醇提取物均降低了瘤胃中VFA的含量,除异戊酸和戊酸低剂量黄花蒿乙醇提取物与对照组差异不显著外,其余各组乙酸、丙酸、丁酸均与对照组差异显著(P<0.05)。添加黄花蒿乙醇提取物均增加了瘤胃液相和瘤胃液混合物中B.fibrisolvens的相对百分比,差异显著(P<0.05);降低了瘤胃固相中B.fibrisolvens的相对百分比,差异不显著(P>0.05)。添加黄花蒿乙醇提取物均降低了瘤胃液相和瘤胃固相中C.proteoclasticum的相对百分比,差异显著(P<0.05),增加了瘤胃液混合物中C.proteoclasticum的相对百分比,但是差异不显著(P>0.05)。【结论】奶牛日粮中添加黄花蒿乙醇提取物影响瘤胃发酵,对瘤胃不同内容物中B.fibrisolvensC.proteoclasticum影响不同,总体趋势是增加瘤胃中B.fibrisolvens的相对百分比,降低瘤胃中C.proteoclasticum的相对百分比,有利于调控CLA的生成。

    温度和相对湿度对山羊生长性能和血液指标的影响
    李金朋,王国军,赵天,周广琛,杨雨鑫
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4556-4574.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.014
    摘要 ( 45 )   HTML ( 13 )   PDF (424KB) ( 60 )   收藏
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    【目的】研究温度和相对湿度(RH)对山羊生长性能、尿常规、血常规和血清生理生化指标的影响,为山羊在高温高湿下的饲养、疾病诊断及制定缓解措施提供理论参考。【方法】试验采用4个温度水平(26℃、30℃、34℃和38℃)和4个RH水平(35%、50%、65%和80%)的4×4的试验设计,选取体重相近的1.5岁左右的波尔山羊与奶山羊杂交一代羊8只,随机分为2个组,每组4只羊,每只羊为1个重复。自然环境下适应期30 d,每组试验期5 d,全天24 h处理,按照处理方式在人工环境控制舱轮流进行试验。各组试验开始前后记录每只羊的体重,每天记录采食量、饮水量,各组试验第3天和第5天采集全血用于测血常规和获得血清,并检测血清生理生化指标。【结果】(1)温度和RH交互作用对山羊平均日采食量(ADFI)和平均日饮水量(ADWI)有显著影响(P<0.05),而对平均日增重(ADG)、料重比和血常规指标均无显著影响(P>0.05)。38℃各处理组山羊ADG显著低于26℃和30℃各处理组(P<0.05)。38℃时山羊ADFI显著低于26℃和30℃(P<0.05)。RH为65%和80%时白细胞总数(WBC)显著低于RH为35%时(P<0.05)。(2)试验第3天,温度和RH交互作用对山羊血清钾(K)含量,谷丙转氨酶(ALT)和谷草转氨酶(AST)活性有显著影响(P<0.05)。38℃,80%时山羊血清K含量显著低于其他组(P<0.05)。38℃时山羊血清葡萄糖(GLU)、球蛋白(GLO)、尿素氮(BUN)、钙(Ca)和碱性磷酸酶(ALP)显著低于26℃和30℃(P<0.05)。RH为80%时山羊血清GLU、BUN显著低于RH为35%时(P<0.05)。试验第5天,温度和RH对山羊血清总蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、GLO、BUN、Ca、磷(P)、K、钠(Na)含量和乳酸脱氢酶(LDH)活性的影响均有显著的交互作用(P<0.05);34℃和38℃时对山羊血清GLU、氯(Cl)、ALT、AST、ALP和肌酸激酶(CK)显著低于26℃(P<0.05);RH为60%和80%时山羊血清GLU、Cl显著低于RH为35%时(P<0.05)。(3)试验第3天和第5天,38℃,80%和38℃,65%时山羊血清总抗氧化能力(T-AOC)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和过氧化氢酶(CAT)的浓度显著低于26℃各处理组(P<0.05)。34℃和38℃山羊血清丙二醛(MDA)显著高于26℃(P<0.05)。(4)温度升高,ADFI、ADG及血清TP、GLO、BUN、GLU、ALT、T-AOC、SOD、CAT降低,而ADWI和血清MDA升高。RH升高,ADFI及血清GLU、Cl、T-AOC、GSH-Px降低,而血清TP、LDH、MDA升高。(5)试验第5天血清TP、ALB、GLO、BUN、GLU、TC、TG、Ca、P、ALT、AST、ALP、LDH和CK大多组低于试验第3天,而血清抗氧化指标MDA高于试验第3天,T-AOC、SOD、CAT和GSH-Px在34℃和38℃时高于第3天。【结论】温度、RH及二者交互作用不同程度地影响山羊平均日采食量、平均日饮水量、血清生化指标和抗氧化指标,高温高湿环境不利于山羊的生长性能和机体抗氧化功能,其中,温度为38℃,RH为80%时山羊受到的影响最严重。另外,随着高温高湿时间的延长,山羊表现出更强的应激反应。

    意大利蜜蜂工蜂中肠发育过程中的差异表达环状RNA及其调控网络分析
    郭睿,陈华枝,熊翠玲,郑燕珍,付中民,徐国钧,杜宇,王海朋,耿四海,周丁丁,刘思亚,陈大福
    中国农业科学. 2018, 51(23):  4575-4590.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.015
    摘要 ( 67 )   HTML ( 16 )   PDF (3399KB) ( 60 )   收藏
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    【目的】环状RNA(circular RNA,circRNA)在可变剪接、转录调控和来源基因的表达调控等方面具有重要功能。本研究旨在探究意大利蜜蜂(Apis mellifera ligustica,简称意蜂)工蜂中肠发育过程中circRNA的表达谱及其发育过程中的差异表达circRNA(differentially expressed circRNA,DEcircRNA),进而在转录组水平探究DEcircRNA在中肠发育中的作用。【方法】基于前期获得的意蜂7和10日龄工蜂中肠样品(Am7和Am10)的全转录组数据,利用find_circ软件从质控后的数据中预测circRNA。采用RPM算法归一化处理得到circRNA的表达量。利用DEGseq软件对circRNA进行差异分析,按照差异倍数(fold change)≥2、P<0.05及错误发现率(false discovery rate,FDR)<0.05条件筛选DEcircRNA。通过BLAST比对GO和KEGG数据库,对DEcircRNA的来源基因进行功能和代谢通路注释。利用TargetFinder软件预测DEcircRNA-miRNA及DEcircRNA-miRNA-mRNA调控网络,通过Cytoscape v.3.2.1软件对调控网络进行可视化。通过实时荧光定量PCR(RT-qPCR)验证测序数据的可靠性。【结果】意蜂中肠各样品比对上参考基因组的短序列读段数平均为19 616 356条。Am7与Am10的组内Pearson相关系数均≥0.950。共预测出256个DEcircRNA,包括105个上调circRNA和151个下调circRNA。Novel_circ_009675和novel_circ_013879分别在Am7和Am10中高量表达。DEcircRNA的来源基因可注释到包括结合、单组织进程及细胞进程在内的32个GO条目,其中分别有35、35和7个来源基因注释到催化活性、代谢进程和应激反应。上述来源基因还可注释到35条KEGG代谢通路,其中分别有5、5和4个来源基因注释到Hippo信号通路、内吞作用和吞噬体;进一步分析发现分别有1、2和2个来源基因注释到磷酸肌醇代谢、淀粉和蔗糖代谢和半乳糖代谢等物质代谢通路,5、4、3、1和1个来源基因注释到内吞作用、吞噬体、溶酶体、泛素介导的蛋白水解和MAPK信号通路等免疫通路。上述结果表明相应的DEcircRNA广泛参与意蜂工蜂中肠的生长发育、新陈代谢和免疫防御。DEcircRNA-miRNA调控网络分析结果显示,141个DEcircRNA可靶向结合107个miRNA,其中多数仅能结合1—2个miRNA,但novel_circ_011577和novel_circ_010719结合的靶miRNA数可达32和28个;此外,mir-136-y、ame-miR-6001-3p及mir-136-y结合的circRNA数最多,分别为15、14和14个,表明相应的DEcircRNA可作为竞争性内源RNA在意蜂中肠发育过程发挥作用。进一步构建DEcircRNAs-ame-miR-6001-3p-mRNA调控网络,分析结果显示14个DEcircRNA可共同靶向结合ame-miR-6001-3p,表明它们可能通过调控ame-miR-6001-3p对意蜂中肠干细胞的分裂和分化进行间接调控。随机选取6个DEcircRNA进行RT-qPCR验证,结果显示5个DEcircRNA的表达量变化趋势与测序结果一致,证实了本研究测序结果的可靠性。【结论】通过对意蜂工蜂中肠发育过程中的DEcircRNA深入分析,提供了circRNA在意蜂工蜂中肠发育过程中的表达谱和差异表达信息,揭示了DEcircRNA在中肠发育过程中的作用,为中肠发育相关的关键circRNA的筛选和功能研究打下了基础。