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CRISPR/Cas9基因编辑技术创制水稻雄性不育系的研究进展

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中国农业科技导报 2024年

作者：杨大兵胡亮杜雪树万丙良夏明元戚华雄李进波湖北省农业科学院粮食作物研究所粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室农业农村部作物分子育种重点实验室

CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated protein 9)基因编辑技术可以对特定基因进行改造，从而实现目标性状的定向改良，在作物遗传改良中具有良好的应用前景。而基于雄性不育系建立的杂交水稻育种体系是水稻杂种优势利用的重要途径，编辑水稻雄性不育基因能够定向创制新的雄性不育种质，有助于丰富杂交水稻不育系遗传资源，更好地利用水稻杂种优势。综述了CRISPR/Cas9基因编辑技术创制水稻雄性不育系的研究进展，展望了基因编辑水稻雄性不育系未来研究方向，以期为杂交水稻育种技术的创新与发展提供参考。

关键词：基因编辑水稻雄性不育系育种应用

高通量测序分析褐飞虱circRNA表达谱及其潜在功能

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昆虫学报 2024年第3期67卷 431-442页

作者：于鑫滢赵哲奇闸雯俊湖北省农业科学院粮食作物研究所粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室武汉430064 湖北洪山实验室武汉430070 武汉大学生命科学学院武汉430072 农业农村部作物分子育种重点实验室武汉430070

【目的】探究褐飞虱Nilaparvata lugens如何适应抗性水稻品种YHY15,并为研究环状RNA(circular RNA, circRNA)在褐飞虱对抗性水稻适应机制中的作用奠定基础。【方法】利用高通量测序技术鉴定生物型1和生物型Y(能致害抗性水稻YHY15的生物... 详细信息

【目的】探究褐飞虱Nilaparvata lugens如何适应抗性水稻品种YHY15,并为研究环状RNA(circular RNA, circRNA)在褐飞虱对抗性水稻适应机制中的作用奠定基础。【方法】利用高通量测序技术鉴定生物型1和生物型Y(能致害抗性水稻YHY15的生物型)褐飞虱的circRNA,并统计其类型和分布。分析生物型1和生物型Y褐飞虱间circRNA表达差异,并对circRNA来源基因进行GO功能注释和KEGG富集分析。【结果】生物型1和生物型Y褐飞虱共鉴定到19个circRNA,分布在9条染色体上,其中17个circRNA由剪接位点之间的外显子构成,2个circRNA由剪接位点之间的所有碱基构成,17个circRNA长度在200~800 bp。生物型Y褐飞虱的circRNA表达丰度与表达量比生物型1褐飞虱的更高。分析结果表明,在生物型1褐飞虱克服抗性水稻YHY15形成新的生物型Y的过程中,在自然选择压力下,circRNA的表达出现变化,推测这种变化影响了褐飞虱新生物型的形成。KEGG分析结果表明,鉴定到的生物型1和生物型Y褐飞虱circRNA来源基因主要富集到自噬相关通路上。【结论】褐飞虱长期取食抗性水稻,导致褐飞虱消化、解毒和代谢能力进化,能降解抗性水稻为抵御褐飞虱而产生的次生代谢物。鉴定到的生物型1和生物型Y褐飞虱的circRNA来源基因与细胞自噬相关,表明褐飞虱通过细胞自噬过程应答抗虫水稻,这种应答反应促进褐飞虱适应抗虫水稻,致害性增强和生物型形成。

关键词：褐飞虱 circRNA 细胞自噬抗虫水稻高通量测序

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基于玉米CSSLs群体的苗期抗旱性QTL定位

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分子植物育种 2024年

作者：李召锋后斌桑志勤潘振远贺正华张士龙贾海涛石河子大学农学院绿洲生态农业兵团重点实验室新疆农垦科学院湖北省农业科学院粮食作物研究所粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室

干旱是影响中国作物生产的最大的非生物胁迫，严重的限制着玉米产业发展，因此提高玉米的抗旱性是实现节水生产重要目标之一。为了明确调控玉米抗旱性的遗传学基础，本研究以抗逆性较好的优异玉米种质‘白马牙’为供体亲本，以玉米自交... 详细信息

干旱是影响中国作物生产的最大的非生物胁迫，严重的限制着玉米产业发展，因此提高玉米的抗旱性是实现节水生产重要目标之一。为了明确调控玉米抗旱性的遗传学基础，本研究以抗逆性较好的优异玉米种质‘白马牙’为供体亲本，以玉米自交系‘B73’轮回亲本，构建了一个包含318个家系的染色体片段代换系(chromosomal segment substitution lines， CSSLs)群体。为了鉴定该群体的苗期抗旱性，在两个环境中进行了苗期自然干旱处理及复水试验，并统计其存活率，结果表明，该性状存在较为广泛的遗传变异，且在不同环境中保持一定的稳定性。利用10K玉米SNP芯片对该群体进行基因型鉴定，最终筛选了2 859对高质量SNP标记，并构建了总长4 467.48 cM的遗传连锁图谱，相邻的两个标记的平均遗传距离为1.56 cM。基于311个CSSLs在两个环境苗期干旱处理复水后的存活率表型、BLUP数据及基因型数据，进行玉米苗期抗旱性数量性状位点(quantitative trait locus， QTL)定位研究，共检测到2个与玉米苗期抗旱有关QTL位点，qSR1和qSR9，分别位于第1和第9染色体上，并且qSR1在两个环境及BLUP数据都能被重复检测到，表明qSR1是控制玉米苗期耐旱性一个可靠主效QTL位点。本研究结果为培育玉米抗旱新品种提供新的基因资源和理论指导。

关键词：玉米染色体片段代换系苗期抗旱 QTL

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稻渔综合种养对土壤和水稻影响的研究进展

华南农业大学学报 2024年

作者：窦志张耀元郭威陆静雯徐强汪本福高辉扬州大学农学院江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/水稻产业工程技术研究院粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室/农业农村部作物分子育种重点实验室

近十几年来，因经济效益良好、农产品更绿色优质，稻渔综合种养规模迅速扩增，模式不断丰富，已经成为我国一种重要的稻作制度。稻渔综合种养下稻田土壤质量和水稻产量水平一直是政府和学界关注的焦点问题。本文综述了稻渔综合种养对稻... 详细信息

近十几年来，因经济效益良好、农产品更绿色优质，稻渔综合种养规模迅速扩增，模式不断丰富，已经成为我国一种重要的稻作制度。稻渔综合种养下稻田土壤质量和水稻产量水平一直是政府和学界关注的焦点问题。本文综述了稻渔综合种养对稻田土壤性状和水稻产量的影响，并对今后稻渔综合种养的相关研究进行了展望，为保持稻渔综合种养下土壤质量健康和水稻产量稳定、促进稻渔综合种养产业高质量发展提供参考。

关键词：稻渔综合种养土壤性状水稻产量绿色生态可持续发展

不同镉胁迫下施用纳米硅和活性硅对水稻的降镉效应

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中国稻米 2024年

作者：宋平原刘君权杨健周亚胡兵王小伟汪本福张枝盛程建平长江大学湖北省农业科学院粮食作物研究所/粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室武穴市农业农村局中农普罗丰禾湖北科技有限公司

为明确施用纳米硅和活性硅在不同镉污染条件下的降镉效应,选取轻度污染的稻田土壤,盆栽设置双因素试验,即设3个镉水平(Cd1,不添加镉,低镉;Cd2,添加5 mg/kg镉,中镉;Cd3,添加10 mg/kg镉,高镉)和3个硅肥水平(Si0,不施硅肥;Si1,叶片喷施纳米... 详细信息

为明确施用纳米硅和活性硅在不同镉污染条件下的降镉效应,选取轻度污染的稻田土壤,盆栽设置双因素试验,即设3个镉水平(Cd1,不添加镉,低镉;Cd2,添加5 mg/kg镉,中镉;Cd3,添加10 mg/kg镉,高镉)和3个硅肥水平(Si0,不施硅肥;Si1,叶片喷施纳米硅20 mg/pot;Si2,叶喷纳米硅20 mg/pot+土施活性硅120 mg/kg)共9个处理。结果表明,随着土壤镉浓度的增加,水稻根系和茎叶生物量降低,有效穗数减少,产量显著下降,与Cd1处理相比,Cd2和Cd3处理水稻产量分别降低7.1%和20.0%;施用硅肥能够降低根系和茎叶镉含量,促进根系和地上部分干物质积累,提高有效穗数,进而增加水稻产量,与Si0处理相比,Si1和Si2处理水稻产量分别增加12.3%和15.4%;与Si0处理相比,Si1和Si2处理还能够降低镉从颖壳向糙米和精米转运,糙米镉含量分别降低26.0%和42.3%,精米镉含量分别降低25.2%和42.0%,Si2处理的降镉效果要优于Si1处理。综上,在中镉和高镉胁迫下,水稻叶片喷纳米硅+土壤施活性硅的处理增产和降镉效果显著,可以作为镉污染稻田降镉的有效措施进一步研究。

关键词：水稻纳米硅活性硅镉

人工合成小麦和地方品种穗发芽抗性育种利用效率

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中国农业科学 2024年第7期57卷 1255-1266页

作者：刘泽厚王琴叶美金万洪深杨宁杨漫宇杨武云李俊四川省农业科学院作物研究所/农业农村部西南地区小麦生物学与遗传育种重点实验室/粮食作物绿色种质创新与遗传改良四川省重点实验室成都师范学院化学与生命科学学院

【目的】小麦穗发芽是影响小麦产量和品质的重要限制因子。具有抗穗发芽特性的人工合成小麦和地方品种是改良栽培小麦穗发芽抗性的重要基因资源，通过分子标记辅助选择转育人工合成小麦和地方品种穗发芽抗性位点，评价人工合成小麦和地... 详细信息

【目的】小麦穗发芽是影响小麦产量和品质的重要限制因子。具有抗穗发芽特性的人工合成小麦和地方品种是改良栽培小麦穗发芽抗性的重要基因资源，通过分子标记辅助选择转育人工合成小麦和地方品种穗发芽抗性位点，评价人工合成小麦和地方品种导入系抗穗发芽育种利用效率，筛选抗穗发芽小麦新材料，为小麦穗发芽抗性育种提供数据和材料支撑。【方法】以抗穗发芽的人工合成小麦SYN792和四川地方品种涪陵须须麦为母本，以穗发芽敏感品种川麦45为轮回亲本，构建2个BC1F7群体。2017年，通过整穗发芽鉴定法对2个BC1F7群体的1 796个株系进行穗发芽表型初筛，然后利用与人工合成小麦PHS-3D和地方品种PHS-A1穗发芽抗性位点连锁的SSR标记进行分子标记选择，筛选出整穗发芽率(SGR)小于35%且携带PHS-3D和PHS-A1抗性位点的导入系；2018和2019年，连续2年对初筛选出的PHS-3D和PHS-A1导入系进行整穗发芽率、籽粒发芽指数(GI)和产量相关性状鉴定，其中，籽粒发芽鉴定试验设置25℃(18GI)和32℃(19GI)2个发芽温度。通过不同环境下穗发芽抗性和产量数据，分析人工合成小麦和地方品种导入系抗穗发芽育种利用效率，筛选抗穗发芽且综合性状好的优异导入系。【结果】经整穗发芽鉴定初筛，从1 796个衍生系中筛选出SGR值小于35%的株系537个；进一步对筛选出的537个株系进行分子标记检测，发现332个株系导入了人工合成小麦PHS-3D和地方品种PHS-A1穗发芽抗性位点，包括人工合成小麦导入系73个、地方品种导入系259个；地方品种PHS-A1导入系的频率显著高于人工合成小麦PHS-3D导入系。2018和2019年通过对332个穗发芽抗性位点导入系穗发芽鉴定发现，不同年份穗发芽指标间均呈极显著正相关，穗发芽指标SGR和GI表现出相对稳定的趋势；人工合成小麦和地方品种导入系的3个穗发芽指标平均值(18GI、18SGR和19SGR)均低于23%，差异不显著。不同发芽温度导入系的GI值差异较大，发芽温度32℃时，人工合成小麦PHS-3D导入系的GI值显著低于地方品种PHS-A1导入系。筛选出的73个人工合成小麦导入系中，红粒系穗发芽指标值均低于白粒系；其中，11个人工合成小麦白粒导入系表现中抗及以上抗性水平，14个红粒导入系在不同发芽温度时GI值均低于35%。2年产量相关性状分析表明，人工合成小麦PHS-3D导入系的千粒重显著高于地方品种PHS-A1导入系，而穗粒数显著小于地方品种PHS-A1导入系。根据产量性状和穗发芽抗性表现，筛选出23个穗发芽抗性和综合性状均较好的优异导入系，包括7个人工合成小麦PHS-3D导入系、16个地方品种PHS-A1导入系；人工合成小麦优异导入系中有2个白粒导入系穗发芽抗性中抗以上，2个红粒导入系不同发芽温度的GI值均低于25%，表现出稳定的穗发芽抗性。【结论】人工合成小麦和地方品种均可用于改良现代栽培小麦穗发芽抗性，利用地方品种进行穗发芽抗性育种改良效率优于人工合成小麦；但人工合成小麦导入系的穗发芽抗性的稳定性优于地方品种导入系。筛选出的23个人工合成小麦和地方品种导入系是小麦穗发芽抗性和产量性状改良的重要基因资源；特别是人工合成小麦白粒导入系(编号5201)和红粒导入系(编号5497和5505)是非常有育种利用价值的穗发芽抗性育种亲本材料。

关键词：小麦人工合成小麦地方品种穗发芽产量相关性状

一种基于改进YOLOv5s的麦穗检测计数方法

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南京农业大学学报 2024年

作者：仝召茂陈学海汪本福马志艳杨光友湖北工业大学农机工程研究设计院湖北省农机装备智能化工程技术研究中心粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室/农业农村部作物分子育种重点实验室

[目的]为实现对田间麦穗的实时准确计数，本文提出一种基于改进YOLOv5s的麦穗检测计数方法。[方法]通过C2f模块获得更加丰富的梯度流，增强模型细粒度特征提取能力，并在网络关键部位引入CoordConv坐标卷积，加大对坐标信息关注程度，... 详细信息

[目的]为实现对田间麦穗的实时准确计数，本文提出一种基于改进YOLOv5s的麦穗检测计数方法。[方法]通过C2f模块获得更加丰富的梯度流，增强模型细粒度特征提取能力，并在网络关键部位引入CoordConv坐标卷积，加大对坐标信息关注程度，提升模型对麦穗位置的感知能力，同时考虑到麦穗检测任务中中小尺寸麦穗居多，采用Inner CIoU损失函数加快模型收敛速度。[结果]在公开数据集Global Wheat Head Detection(GWHD)上对上述方法进行试验，结果表明，本文所提模型的精确率、召回率、平均精度均值mAP0.5分别为93.5%、91.6%和95.9%，参数量、计算量、FPS分别为12.4 MB、27.5 GFLOPs和34 帧·s-1。[结论]本文所提模型在精确率、召回率、平均精度均值mAP0.5等指标上较原始YOLOv5s模型分别提升了1.0、1.2和1.3百分点，并且优于YOLOv7-tiny、YOLOv8s等模型，同时满足检测的实时性要求，此外，改进后模型在处理遮挡、重叠等复杂情况时都比原始模型表现更优，具有良好的鲁棒性。

关键词：麦穗计数估产作物表型 YOLO 目标检测

土壤改良剂对低湖冷浸田土壤特性及水稻生长的影响

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作物杂志 2024年

作者：汪本福余振渊宋平原张作林张枝盛李阳苏章锋郑中春程建平粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室/农业农村部作物分子育种重点实验室长江大学农学院潜江市农业技术推广中心潜江市农业农村局

低湖冷浸田具有土壤通气透水性差、土壤还原性强、有效养分缺乏等特点。本研究以湖北省典型潜育型低湖冷浸田为研究对象，探讨土壤改良剂对土壤特性、水稻根系特征及产量的影响。结果表明，与单施化肥处理（CK）比较，施用土壤改良剂通... 详细信息

低湖冷浸田具有土壤通气透水性差、土壤还原性强、有效养分缺乏等特点。本研究以湖北省典型潜育型低湖冷浸田为研究对象，探讨土壤改良剂对土壤特性、水稻根系特征及产量的影响。结果表明，与单施化肥处理（CK）比较，施用土壤改良剂通过增加有效穗数和结实率提高产量16.7%；显著促进了水稻根系生长发育，总根长增加14.0%，根鲜重增加27.1%、根干重增加28.5%、根体积增加21.5%；并有效降低了冷浸田还原性，增强土壤氧化特性，氧化还原电位提高16.3%，土壤还原性物质总量降低1.86 cmol/kg，活性还原物质降低2.19 cmol/kg，还可增加土壤有效养分含量，碱解氮、有效磷和速效钾分别达11.0%、28.5%和39.2%。化肥减量20%配施土壤调理剂后，产量减产4.98%，但减产未达显著水平，增加总根长5.0%，根鲜重增加9.3%、根干重增加18.6%、根体积增加8.3%；并使土壤还原性物质总量降低1.95 cmol/kg，活性还原物质降低2.24 cmol/kg，氧化还原电位提高13.9%，亦降低了土壤还原性。综上，施用土壤改良剂可减轻低湖冷浸田还原性，提高土壤氧化特性，改善根系生长发育，提高土壤有效养分供应，增产效果显著。

关键词：土壤改良剂冷浸田氧化还原电位土壤理化性状产量

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种子耐低温萌发生理特性及分子机制研究进展

植物生理学报 2024年第4期60卷 617-634页

作者：雷蕾周熙荣王伟荣朱吉风农业农村部粮油作物种质创新与遗传改良重点实验室(部省共建) 上海市农业科学院作物育种栽培研究所上海201403

低温显著抑制种子萌发,降低幼苗质量,最终造成产量严重损失。种子在低温胁迫下发生一系列生理及代谢的变化,包括抗氧化酶(过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶等)活性及非酶抗氧化物质(抗坏血酸、谷胱甘肽、类黄酮)、渗透调节物质... 详细信息

低温显著抑制种子萌发,降低幼苗质量,最终造成产量严重损失。种子在低温胁迫下发生一系列生理及代谢的变化,包括抗氧化酶(过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶等)活性及非酶抗氧化物质(抗坏血酸、谷胱甘肽、类黄酮)、渗透调节物质、植物内源激素等代谢物含量的变化。种子低温萌发是受多个基因控制的复杂数量性状,研究者已在多个作物中鉴定到种子低温萌发数量性状基因位点(QTL),但种子低温萌发关键响应基因及表达调控机理解析方面的研究仍相当匮乏。本文综述了目前在种子耐低温萌发生理特性、QTL/基因定位及基因克隆、分子响应机制等方面已取得的研究进展,并对该领域未来研究方向进行了展望,以期为该领域的科研人员全面了解和深入研究种子耐低温萌发抗性机制及耐低温品种培育提供理论参考。

关键词：低温萌发生理抗性数量性状基因位点(QTL) 分子机制

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