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利用CRISPR/Cas9技术编辑MODD增强水稻休眠性

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中国农业科学 2024年第2期57卷 227-235页

作者：郭乃辉张文忠圣忠华胡培松沈阳农业大学水稻研究所中国水稻研究所/国家水稻改良中心

【目的】休眠是水稻重要的农艺性状。适当的休眠可以抑制水稻的穗发芽现象，是确保产量和品质的关键因素。然而，水稻休眠调控的基因及其调控网络仍需进一步研究。已知基因MODD编码未知功能的蛋白，负向调控水稻脱落酸信号和抗旱性，但... 详细信息

【目的】休眠是水稻重要的农艺性状。适当的休眠可以抑制水稻的穗发芽现象，是确保产量和品质的关键因素。然而，水稻休眠调控的基因及其调控网络仍需进一步研究。已知基因MODD编码未知功能的蛋白，负向调控水稻脱落酸信号和抗旱性，但其调控水稻休眠的功能未知。研究MODD在调控水稻休眠中的功能，有助于完善水稻休眠调控网络，同时为抗穗发芽遗传育种提供新的理论基础和种质资源。【方法】根据RGAP数据库公布的基因序列，构建MODD的CRISPR-Cas9敲除载体，通过农杆菌介导的遗传转化方法转化中花11(ZH11)愈伤组织，从而获得水稻转基因植株；利用PCR扩增、测序技术及qRT-PCR技术筛选并鉴定MODD敲除纯合系；根据2个突变系（KO-1和KO-2）的CDS得到突变系的氨基酸序列，然后，用DNAMAN对比ZH11和2个突变系（KO-1和KO-2）的蛋白序列；利用Linux系统筛选出MODD在水稻中的同源基因；取开花后35 d的种子，调查ZH11和敲除系的发芽率；利用酵母单杂和LUC试验验证MODD的上游基因。【结果】查找到水稻中有6个MODD的同源基因，分别为LOC＿Os07g41160、LOC＿Os03g30570、LOC＿Os03g53630、LOC＿Os04g35430、LOC＿Os03g17050和LOC＿Os06g01170；成功构建了敲除载体，并转入ZH11中，获得2个纯合突变系（KO-1和KO-2）;qRT-PCR结果表明，2个突变系（KO-1和KO-2）的MODD表达量显著降低；蛋白序列分析表明，KO-1和KO-2的移码突变造成了蛋白翻译的提前终止；发芽率结果显示，2个突变系（KO-1和KO-2）的发芽率在吸水第3天比ZH11分别显著降低了15%和15%；之后差异逐渐扩大，在第6天差异达到最大，比ZH11分别显著降低35%和35%;2个突变系（KO-1和KO-2）的穗发芽现象显著低于ZH11；酵母单杂试验结果表明，在酵母中，ABI5可以结合MODD的启动子区域，并且进一步把结合范围缩小至300 bp以内；LUC结果显示，加入ABI5的荧光值是单独加NONE空载荧光值的2.6倍，说明ABI5可以激活MODD的表达。【结论】敲除MODD可以增加种子的休眠，MODD可能通过ABA信号途径调控种子休眠。

关键词：水稻休眠 ABI5 MODD

鸟粪石基载镁生物炭对干湿交替灌溉水稻产量与品质的影响

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农业工程学报 2024年第4期40卷 91-103页

作者：李妍琦吴奇宫福征官玉王宣茗迟道才沈阳农业大学水利学院沈阳110866 沈阳农业大学农学院沈阳110866

鸟粪石(MgNH4PO_(4)·6H2O)普遍存在于镁改性生物炭对废水氮磷去除后的回收产物中,其可以作为缓释肥料使用。为探究鸟粪石基载镁生物炭(struvite-based magnesium modified biochar,MAP-BC)在农田中的应用效果以及对不同灌溉和施肥模式... 详细信息

鸟粪石(MgNH4PO_(4)·6H2O)普遍存在于镁改性生物炭对废水氮磷去除后的回收产物中,其可以作为缓释肥料使用。为探究鸟粪石基载镁生物炭(struvite-based magnesium modified biochar,MAP-BC)在农田中的应用效果以及对不同灌溉和施肥模式的适用性,该研究依托大田试验,以东研18号(粳稻)为供试材料,设置常规淹灌(ICF)、干湿交替(IAWD)2种灌溉模式,以及常规施肥(conventional fertilization,N_(1)B_(0))、常规施肥+5 t/hm^(2)MAP-BC(conventional fertilization+5 t/hm^(2)MAP-BC,N_(1)B_(1))、常规施肥+10 t/hm^(2)MAP-BC(conventional fertilization+10 t/hm^(2)MAP-BC,N_(1)B_(2))、减施氮磷肥25%+5 t/hm^(2)MAP-BC(25%less nitrogen and phosphate fertilizer+5 t/hm^(2)MAP-BC,N_(3/4)B_(1))和减施氮磷肥25%+10 t/hm^(2)MAP-BC(25%less nitrogen and phosphate fertilizer+10 t/hm^(2)MAP-BC,N_(3/4)B_(2))5种施肥模式。结果表明:与ICF相比,IAWD显著提高了乳熟期叶片叶绿素含量,并显著降低了2021年无效分蘖数(P水稻叶绿素含量的不利影响,还具有一定的超补偿效果;MAPBC中高纯度的鸟粪石组分通过缓释氮磷素,保障了对植株氮磷养分的长期供应。与N_(1)B_(0)相比,N_(3/4)B_(2)不仅可以满足水稻生长后期对氮磷养分的需求,还使穗部吸氮量和吸磷量分别显著增加(P水稻外观品质与食味值;此外,N_(1)B_(1)和N_(1)B_(2)较N_(1)B_(0)处理显著提高(P水稻绿色高效生产提供理论依据。

关键词：灌溉肥料水稻鸟粪石基载镁生物炭叶绿素氮磷吸收产量品质

粳稻资源蛋白质组分及其与稻米品质性状的关联研究

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中国粮油学报 2024年第6期39卷 43-50页

作者：鞠鑫月朱子业马兆惠程海涛王先俱吕文彦沈阳农业大学农学院沈阳110161 辽宁省水稻研究所沈阳110101

以适应辽宁省熟期且外观与加工品质符合育种目标的92份特异性粳稻资源为试材,分析其蛋白质组分与淀粉组分含量变异特点,以及这些组分与其他胚乳性状的关系。继而选择峰值黏度和崩解值高、回冷值低的16份材料作为食味优良材料,进一步研... 详细信息

以适应辽宁省熟期且外观与加工品质符合育种目标的92份特异性粳稻资源为试材,分析其蛋白质组分与淀粉组分含量变异特点,以及这些组分与其他胚乳性状的关系。继而选择峰值黏度和崩解值高、回冷值低的16份材料作为食味优良材料,进一步研究了蛋白组分、淀粉组分与稻米食味的关系。结果表明,所研究的粳稻资源在蛋白质组分和淀粉组分变异丰富。其中,清蛋白含量高的品种AAC和Fb_(3)较低,而Fa和Fb_(1)+Fb_(2)较高。清蛋白与峰值黏度、最低黏度、崩解值、终值黏度、回冷值均呈现极显著负相关。对于优良食味品种,谷蛋白含量与食味值、外观、黏度、平衡度呈显著或极显著负相关关系,与硬度呈显著正相关。由此发现,所研究的品种资源中,存在丰富的蛋白质组分及淀粉成分变异,且清蛋白对优良食味有促进作用,而谷蛋白含量则可能增加米饭硬度,降低米饭平衡度,从而劣化米饭食味。此外,崩解值和回冷值可作为预测米饭食味品质的有效指标。

关键词：稻米蛋白质组分稻米品质

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直播稻田杂草稻灾害发生及生态型的演变特征

中国水稻科学 2024年第4期38卷 447-455页

作者：吴玥梁铖玮赵辰妃孙健马殿荣沈阳农业大学水稻研究所沈阳110866 辽东学院辽宁丹东118001

【目的】杂草稻造成直播稻田水稻产量损失严重。对直播稻田中杂草稻种群的发生规律、多样性变化和遗传演变的解析,对农田生态系统管理和杂草稻灾害的防控具有重要意义。【方法】连续三年对新开直播稻田生态系统中杂草稻种群进行追踪调... 详细信息

【目的】杂草稻造成直播稻田水稻产量损失严重。对直播稻田中杂草稻种群的发生规律、多样性变化和遗传演变的解析,对农田生态系统管理和杂草稻灾害的防控具有重要意义。【方法】连续三年对新开直播稻田生态系统中杂草稻种群进行追踪调查。通过定点追踪取样、特征表型鉴定和基于液相芯片的群体遗传结构鉴定,分析杂草稻群体的危害规模、生态类型及其遗传多样性演变。【结果】水稻直播生产方式下杂草稻数量逐年增加,分别为345.6株/m^(2)、512.4株/m^(2)、600.1株/m^(2)。表型多样性也呈逐年上升趋势,香农指数分别为0.530、0.762、0.852;辛普森指数分别为0.340、0.227、0.164。杂草稻群体的基因多样性(Pi)在三年间呈现先升高后降低的趋势,分别为0.2097、0.2530、0.1493。在群体遗传结构层面,主成分分析与进化树分析结果均显示杂草稻与当地种植的栽培稻没有直接的亲缘关系。不同年度间采集的杂草稻样品在各大聚类分支上均有分布。不同类型杂草稻在高纬度冷凉环境以及与直播稻竞争的双重选择压力下优胜劣汰,导致群体遗传多样性增加后迅速收敛,群体遗传结构随之改变,适应性类型崛起。【结论】在直播稻新开田生态系统中,杂草稻入侵后群体规模与多样性迅速上升,导致灾害指数迅速增加。基因多样性与群体遗传结构对选择压力高度敏感,产生危害的适应类型杂草稻在入侵直播稻田生态系统伊始就已经奠定。

关键词：杂草稻直播稻草害群体遗传结构遗传多样性

碱性及复合蛋白酶复配水解对脱脂牛乳致敏性的影响

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中国食品学报 2024年第6期24卷 97-106页

作者：钱冠林孙敬杨慧梁肖娜岳喜庆郑艳沈阳农业大学食品学院沈阳110000

牛乳中致敏蛋白在一定程度上限制了其在婴幼儿配方奶粉中的使用。以脱脂牛乳为原料,以水解度、脱脂牛乳IgG抑制率、过敏患者血清IgE抑制率为指标,研究碱性、复合蛋白酶复配处理对其致敏性的影响。结果表明,复配酶的酶活与底物比(E/S)为6... 详细信息

牛乳中致敏蛋白在一定程度上限制了其在婴幼儿配方奶粉中的使用。以脱脂牛乳为原料,以水解度、脱脂牛乳IgG抑制率、过敏患者血清IgE抑制率为指标,研究碱性、复合蛋白酶复配处理对其致敏性的影响。结果表明,复配酶的酶活与底物比(E/S)为6000 U/g,碱性蛋白酶与复合蛋白酶质量比为3∶1,酶解时间60 min时,脱脂牛乳的水解度为9.21%,对脱脂牛乳IgG及过敏患者血清IgE抗体抑制率分别为86.94%与43.46%,显著高于单一蛋白酶(P研究结果为以脱脂牛乳为婴幼儿奶粉基料的开发提供了重要参考。

关键词：脱脂牛乳复配酶解致敏性 ELISA

基于NGO-CNN-SVM的高标准农田灌溉工程施工成本预测

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农业工程学报 2024年第14期40卷 62-72页

作者：韩坤王惟璐黄雪峰李鹏海李春生郑俊林沈阳农业大学水利学院沈阳110866

为提高高标准农田项目施工成本的预测精度,控制施工成本在合理范围,减少投资风险,该研究从单体灌溉工程施工成本预测角度出发,通过随机森林(random forest,RF)筛选出高标准农田灌溉工程施工成本的关键影响因素,结合卷积神经网络(convolu... 详细信息

为提高高标准农田项目施工成本的预测精度,控制施工成本在合理范围,减少投资风险,该研究从单体灌溉工程施工成本预测角度出发,通过随机森林(random forest,RF)筛选出高标准农田灌溉工程施工成本的关键影响因素,结合卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)和支持向量机(support vector machine,SVM)两种模型的优点,通过北方苍鹰优化算法(northern goshawk optimization,NGO)对模型里的惩罚因子和核参数进行寻优,构建基于NGO-CNN-SVM的施工成本预测模型。通过辽宁省2018—2023年高标准农田工程中灌溉工程的施工成本数据,选取样本决定系数R^(2)、平均绝对误差MAE、平均绝对百分比误差MAPE和均方根误差RMSE作为精度指标进行分析,结果表明:基于NGO-CNN-SVM的施工成本预测模型在渠道工程中MAE低于0.615万元,RMSE低于0.512万元,R^(2)达到0.968以上,相对误差小于4.210%;在进水闸工程中MAE低于0.610万元,RMSE低于0.536万元,R^(2)达到0.966以上,相对误差小于4.410%;在桥涵工程中MAE低于0.494万元,RMSE低于0.477万元,R^(2)达到0.970以上,相对误差小于3.548%,并相比较于反向传播神经网络,CNN和CNN-SVM模型,NGO-CNN-SVM模型的预测结果均最优。通过特征选择、模型融合、算法优化以及不同模型对比表明NGO-CNN-SVM模型具有更高的预测准确率和泛化性,可为高标准农田灌溉工程施工成本预测提供理论依据。

关键词：高标准农田灌溉随机森林北方苍鹰优化算法卷积神经网络支持向量机施工成本

OsELF3-1与OsARID3互作调控水稻根部性状

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植物遗传资源学报 2024年

作者：孙琪芦佳浩陈昊王潇澈于之雯赵辰妃徐铨马殿荣沈阳农业大学水稻所辽东学院农学院

根系是水稻植株的重要组成部分，在植物固定、水份和营养物质获取等生长发育过程中起重要作用。本研究发现oself3-1突变体的根系显著变短，将突变体与野生型杂交构建F2分离群体，进行遗传分析表明突变性状由隐性单基因调控。通过图位克... 详细信息

根系是水稻植株的重要组成部分，在植物固定、水份和营养物质获取等生长发育过程中起重要作用。本研究发现oself3-1突变体的根系显著变短，将突变体与野生型杂交构建F2分离群体，进行遗传分析表明突变性状由隐性单基因调控。通过图位克隆将OsELF3-1定位在6号染色体一段50.9 kb的区间内，该区间内共有4个开放阅读框（ORF），通过序列比对发现突变体在ORF4（OsELF3-1）的第二个外显子上缺失7个碱基，导致基因发生移码并提前终止，推测OsELF3-1为目标基因。调查OsELF3-1的CRISPR/Cas9敲除突变体发现其根系显著短于野生型，验证OsELF3-1参与根系长度调控。为进一步阐明OsELF3-1的调控网络，利用酵母双杂交筛选到OsELF3-1的互作蛋白OsARID3，OsARID3具有ARID功能结构域、α-crystallin/Hsp＿domain、SHSP结构域，以及依靠钾离子的钠离子/钙离子交换的结构域。调查OsARID3-RNAi突变体发现其根系显著短于野生型，说明OsARID3可能参与根系长度调控。通过3 K测序数据分析OsARID3自然变异发现其共有15个单倍型，且存在明显的籼粳分化，粳稻主要属于单倍型I、IV和VI。综上所述，本研究发现OsELF3-1与OsARID3互作调控水稻根系，为进一步深入解析水稻根系生长发育调控网络提供理论基础和种质资源。

关键词：水稻根系 OsELF3-1 OsARID3 图位克隆

无人机高光谱遥感的水稻叶瘟病的光谱特征提取与检测方法研究

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光谱学与光谱分析 2024年第5期44卷 1457-1463页

作者：刘子扬冯帅赵冬雪李金朋关强许童羽沈阳农业大学信息与电气工程学院辽宁沈阳110161 沈阳农业大学辽宁省农业信息化工程技术中心辽宁沈阳110161

为了确定最佳的无人机高光谱遥感检测水稻冠层叶瘟病分类模型,以水稻大田试验为研究基础,获取了400~1000 nm波段内的无人机高光谱图像,参照国家标准GBT 15790—2009稻瘟病测报调查规范,按病情指数将叶瘟病划为5个等级,提取了0~4级共227... 详细信息

为了确定最佳的无人机高光谱遥感检测水稻冠层叶瘟病分类模型,以水稻大田试验为研究基础,获取了400~1000 nm波段内的无人机高光谱图像,参照国家标准GBT 15790—2009稻瘟病测报调查规范,按病情指数将叶瘟病划为5个等级,提取了0~4级共227组高光谱数据。采用Savitzky-Golay平滑(SG平滑)、一阶微分光谱(1-Der)和二阶微分光谱(2-Der)对数据进行预处理,并构建SVM模型,对比得出较优的预处理方法。采用主成分分析法(PCA)选取主成分累计贡献率;连续投影法(SPA)和随机青蛙法(RF)筛选光谱特征波段,并将筛选的结果作为模型的输入,分别构建粒子群优化的极限学习机(PSO-ELM)、极限学习机(ELM)、支持向量机(SVM)和决策树(DT)分类模型,并对模型进行对比分析得出最优分类模型。结果表明:相比于1-Der和2-Der,SG平滑方法的去噪效果较好,分类准确率较高,是较优的预处理方法,分类准确率和Kappa系数分别为93.47%、91.85%。PCA的前2个PC的累计贡献率为93.13%,为了模型的有效构建,最终选取了前6个PC,累计贡献率为99.02%。SPA使用RMSE作为最佳光谱特征波段选择标准,共显示了7个最佳光谱特征波段,其中可见光波段为400.8、416.7和426.2 nm,绿光波段为566 nm,红光波段为683.9 nm,近红外波段为830.2和916.4 nm。RF将筛选概率大于0.2的波段选为最佳光谱特征波段,最终筛选了8个光谱特征波段,其中红光波段为663.4和694.2 nm,近红外波段为784.4、787.9、791.4、905.5、927.2和930.9 nm,该方法有效地降低了波段间相关性和冗余性。将3种筛选结果分别构建分类模型,结果显示所有模型的总体分类准确率全部大于92.61%,建模结果较好;其中,以PSO-ELM模型对PCA的分类准确率达到97.77%,Kappa系数为97.22%,在所有模型中分类准确率最高,相比于ELM模型的最高分类准确率和Kappa系数高1.42%和1.56%,相比于SVM模型的最高分类准确率和Kappa系数高2.12%和2.66%,相比于DT模型的最高分类准确率和Kappa系数高4.44%和5.58%。综合评价PSO-ELM模型的建模效果优于ELM模型、SVM模型和DT模型,是最优的分类模型。因此,利用无人机高光谱遥感检测水稻叶瘟病具有可行性,为水稻生产和叶瘟病的检测提供科学依据和技术支持。

关键词：水稻叶瘟病无人机高光谱机器学习

基于不同维度低场核磁共振技术的大豆含油率检测与判别

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农业工程学报 2024年第4期40卷 337-344页

作者：张宇赵亚楠赵健翔宋平沈阳农业大学信息与电气工程学院沈阳110866

大豆含油率的高低直接影响榨油与育种结果。为探究大豆含油率的最佳检测方法与构建含油率高低判别模型,该研究基于不同维度低场核磁共振(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)技术,以国标法为对照,利用LF-NMR波谱和LF-NMR含油... 详细信息

大豆含油率的高低直接影响榨油与育种结果。为探究大豆含油率的最佳检测方法与构建含油率高低判别模型,该研究基于不同维度低场核磁共振(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)技术,以国标法为对照,利用LF-NMR波谱和LF-NMR含油含水率软件检测大豆含油率;核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)结合深度学习,建立大豆含油率高低判别模型。引入低场二维核磁共振(low field two-dimensional nuclear magnetic resonance,LF-2D-NMR)技术,定性分析一维波谱中信号重叠无法区分组分的问题。试验结果表明,LF-NMR含油含水率软件能快速准确检测大豆含油率,T1-T2二维核磁图谱成功解决了自由水和油信号重叠问题。利用U-net++深度学习模型对MRI成像的矢状面、冠状面、横截面以及三面混合数据集进行训练,其中横截面评价指标与其他数据集相比更优,语义分割部分中平均交并比(mean intersection over union,mIoU)约0.9058,全局准确率0.9980,训练后的模型能够将MRI图像识别并分割,快速判别大豆含油率高低。试验证明,LF-NMR及MRI能够快速无损掌握大豆含油率信息,为大豆的高油育种提供了新思路和技术支持。

关键词：低场核磁共振低场二维核磁共振磁共振成像大豆含油率深度学习