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基于55K SNP芯片的山西冬小麦种质资源遗传多样性分析

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中国农业科学 2024年第10期57卷 1845-1856页

作者：雷梦林刘霞王艳珍崔国庆穆志新刘龙龙李欣逯腊虎李晓丽张晓军山西农业大学农业基因资源研究中心/农业农村部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室/杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室山西农业大学农学院/作物遗传与分子改良山西省重点实验室山西农业大学小麦研究所

【目的】分析山西省冬小麦种质资源的遗传多样性演变规律，为山西省小麦育种的亲本选配和品种选育提供更丰富多样的原始亲本材料。【方法】以山西省冬小麦323份地方品种和105份育成品种为自然群体，利用55K SNP芯片对428份自然群体进行... 详细信息

【目的】分析山西省冬小麦种质资源的遗传多样性演变规律，为山西省小麦育种的亲本选配和品种选育提供更丰富多样的原始亲本材料。【方法】以山西省冬小麦323份地方品种和105份育成品种为自然群体，利用55K SNP芯片对428份自然群体进行全基因组扫描，分析品种间的遗传多样性、遗传结构、主成分、遗传聚类及亲缘关系。【结果】SNP位点在21条染色体上的分布范围为329—1 639个，平均值为1 152个；7个部分同源群中的分布范围为2 154—3 852个，平均值约为3 456个；基因组的分布规律为：B基因组>A基因组>D基因组；基因组注释多态性标记，在基因间区分布最多，约占50%，分析表明，SNP位点在21条染色体、7个同源群和3个基因组上均有覆盖，但分布各异，多态性比率为45.60%。整个群体的平均观测杂合度（0.0185）均低于平均期望杂合度（0.4992），整个自然群体的香农-威纳指数和多态性信息含量的变化幅度不大。对比自然群体多样性各参数，发现群体的遗传多样性不高，育成品种的遗传多样性比地方品种略高。群体结构分析将群体分为2个类群，第Ⅰ类群307份材料，以地方品种为主；第Ⅱ类群121份材料，以育成品种为主。主成分和聚类分析均将自然群体分为5个类群，第Ⅰ类群品种间的遗传距离平均值为0.21831，变幅为0.00127—0.72461；第Ⅱ类群品种间的遗传距离平均值为0.14619，变幅为0.00038—0.76489；第Ⅲ类群品种间的遗传距离平均值为0.16521，变幅为0.00049—0.43033；第Ⅳ类群品种间的遗传距离平均值为0.17643，变幅为0.00118—0.60496；第Ⅴ类群品种间的遗传距离平均值为0.12039，变幅为0.00042—0.37032，可见，山西省冬小麦品种间的遗传距离变异幅度较大，但平均遗传距离值较低，聚类分群明显，类群中部分品种的遗传关系较近。经对比，第Ⅰ类群和第Ⅳ类群的平均遗传距离均要高于第Ⅱ类群、第Ⅲ类群和第Ⅴ类群，第Ⅰ类群和第Ⅳ类群的遗传距离变幅大于第Ⅲ类群和第Ⅴ类群，可知，育成品种的遗传距离普遍大于地方品种。【结论】利用55K SNP芯片对山西省冬小麦种质资源进行遗传多样性分析，明确了山西省冬小麦育成品种和地方品种在基因组层面上的遗传多样性分布特点，育成品种通过外源基因的导入有利于品种的遗传多样性提高，地方品种的遗传多样性相对较低，同时，极少数品种的亲缘关系呈两极分化，在后续利用时应合理地区分利用。

关键词：小麦地方品种育成品种遗传多样性 55K SNP

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一个影响酪氨酸代谢藜麦突变体的鉴定

生物技术通报 2024年

作者：姜宇舢兰倩王芳姜亮裴成成山西省后稷实验室山西农业大学作物遗传与分子改良山西省重点实验室山西农业大学农学院

【目的】利用收集的藜麦植株颜色突变体，测定该突变体的代谢组成，分析代谢通路之间变化和转化规律，构建出该突变体代谢变化基本模型，为进一步鉴定和克隆影响藜麦重要代谢通路的关键遗传位点提供材料基础。【方法】利用正向遗传学手... 详细信息

【目的】利用收集的藜麦植株颜色突变体，测定该突变体的代谢组成，分析代谢通路之间变化和转化规律，构建出该突变体代谢变化基本模型，为进一步鉴定和克隆影响藜麦重要代谢通路的关键遗传位点提供材料基础。【方法】利用正向遗传学手段，从藜麦常规品种‘藜红1号’（Red Quinoa 1, RQ1）后代中，筛选到一植株和穗部红色消退而绿色加深（green quinoa 1, gq1）的自然突变株作为材料，与其原始亲本RQ1相比较，利用非靶向代谢组学鉴定灌浆时期幼穗差异代谢成分，通过KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)代谢途径分析和差异代谢物关联分析，揭示GQ1基因突变引发的关键代谢通路的变化。【结果】经过连续4个世代的遗传分析表明，gq1突变体植株颜色变异能够稳定遗传，且是由单个遗传位点控制。与其原始亲本RQ1相对比，在藜麦gq1突变体中检测到了409个差异代谢物，其中含量升高的代谢物有110个，299个代谢物含量降低。代谢组学分析发现，在藜麦gq1突变体中，对植物次级代谢有着重要影响的酪氨酸和以其为核心衍生出的其他代谢产物发生了整体性的降低。此外，包括6种人体必需氨基酸在内的多种氨基酸和TCA循环中的成分，在gq1突变体发生了显著的减少。【结论】通过对这些差异代谢进行KEGG代谢途径富集分析，表明GQ1基因突变造成了以酪氨酸为核心的初级代谢组分和次级代谢组分整体降低，意味着该基因可以成为协同优化藜麦初级代谢和次级代谢的关键遗传位点。

关键词：藜麦突变体gq1 代谢组学酪氨酸代谢氨基酸含量初级代谢次级代谢

玉米穗轴的颜色变化,是偶然还是与农艺性状存在关联?--以历年国审普通品种为例

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作物学报 2024年第3期50卷 771-778页

作者：梁星伟杨文亭金雨胡莉傅小香陈先敏周顺利申思梁效贵江西农业大学农学院/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/植物化学与植物源农药创新团队江西南昌330045 中国农业大学农学院北京100193

玉米穗轴颜色在温带种质及商业化杂交品种中受到强烈的人工选择。为了明确我国不同区域玉米穗轴颜色选择的偏向性,探索轴色与多种农艺性状间的关联,本文以1992—2020年国审普通玉米品种为例,对品种轴色、审定区域及多项农艺性状进行了... 详细信息

玉米穗轴颜色在温带种质及商业化杂交品种中受到强烈的人工选择。为了明确我国不同区域玉米穗轴颜色选择的偏向性,探索轴色与多种农艺性状间的关联,本文以1992—2020年国审普通玉米品种为例,对品种轴色、审定区域及多项农艺性状进行了比较分析。在统计到的1604个品种中,红轴品种占比从1992年的50%逐渐提高至2020年的80%以上。其中,北方春玉米区、黄淮海夏玉米区和西北玉米区的红轴品种比例随年份更替提升速度高于西南和南方玉米区。对比分析红、白轴品种在株型、果穗和籽粒特性等方面的差异发现,近15~20年间的红轴品种平均穗长和穗行数均显著高于白轴。随年代更替,红轴品种的籽粒平均粗淀粉含量升高趋势快于白轴,但其平均粗脂肪含量下降明显,并且红轴品种平均粗蛋白含量和赖氨酸含量表现弱于白轴。因此,针对红色穗轴的强烈人工选择可能主要与玉米单株产量潜力的挖掘有关。但红轴品种在非生物逆境抗性和籽粒品质方面的表现需要进一步探讨。

关键词：玉米穗轴颜色人工选择国审品种区域分布农艺性状

基于YOLOv5m和CBAM-CPN的单分蘖水稻表型参数提取

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农业工程学报 2024年第2期40卷 307-314页

作者：陈慧颖宋青峰常天根郑立华朱新广张漫王敏娟中国农业大学智慧农业系统集成研究教育部重点实验室北京100083 中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室上海200032 中国农业大学烟台研究院烟台264670

为快速获取单分蘖水稻植株的形态结构和表型参数,该研究提出了一种基于目标检测和关键点检测模型相结合的骨架提取和表型参数获取方法。该方法基于目标检测模型生成穗、茎秆、叶片的边界框和类别,将所得数据分别输入到关键点检测模型检... 详细信息

为快速获取单分蘖水稻植株的形态结构和表型参数,该研究提出了一种基于目标检测和关键点检测模型相结合的骨架提取和表型参数获取方法。该方法基于目标检测模型生成穗、茎秆、叶片的边界框和类别,将所得数据分别输入到关键点检测模型检测各部位关键点,按照语义信息依次连接关键点形成植株骨架,依据关键点坐标计算穗长度、茎秆长度、叶片长度、叶片-茎秆夹角4种表型参数。首先,构建单分蘖水稻的关键点检测和目标检测数据集;其次,训练Faster R-CNN、YOLOv3、YOLOv5s、YOLOv5m目标检测模型,经过对比,YOLOv5m的检测效果最好,平均精度均值(mean average precision,mAP)达到91.17%;然后,应用人体姿态估计的级联金字塔网络(cascaded pyramid network,CPN)提取植株骨架,并引入注意力机制CBAM(convolutional block attention module)进行改进,与沙漏网络(hourglass networks,HN)、堆叠沙漏网络模型(stacked hourglass networks,SHN)和CPN模型相比,CBAM-CPN模型的预测准确率分别提高了9.68、8.83和1.06个百分点,达到94.75%,4种表型参数的均方根误差分别为1.06 cm、0.81 cm、1.25 cm和2.94°。最后,结合YOLOv5m和CBAM-CPN进行预测,4种表型参数的均方根误差分别为1.48、1.05、1.74cm和2.39°,与SHN模型相比,误差分别减小1.65 cm、3.43 cm、2.65 cm和4.75°,生成的骨架基本能够拟合单分蘖水稻植株的形态结构。所提方法可以提高单分蘖水稻植株的关键点检测准确率,更准确地获取植株骨架和表型参数,有助于加快水稻的育种和改良。

关键词：目标检测注意力机制水稻关键点检测骨架提取表型参数单分蘖植株

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小麦发芽对面粉质量与加工产品品质的影响

中国农业科学 2024年第7期57卷 1267-1280页

作者：梁王壮唐雅楠刘佳荟郭晓江董慧雪祁鹏飞王际睿四川农业大学西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室四川农业大学农学院四川农业大学小麦研究所四川农业大学西南作物基因资源与遗传改良教育部重点实验室

【目的】小麦在收获季节若遇连续的阴雨天气，将会导致籽粒萌动，甚至发芽，从而影响小麦的产量和品质。将正常小麦与发芽小麦以不同比例混合、制粉，评价其对加工成品的烘焙/蒸煮品质的影响，探讨利用轻微程度芽麦的可能性，为减少粮... 详细信息

【目的】小麦在收获季节若遇连续的阴雨天气，将会导致籽粒萌动，甚至发芽，从而影响小麦的产量和品质。将正常小麦与发芽小麦以不同比例混合、制粉，评价其对加工成品的烘焙/蒸煮品质的影响，探讨利用轻微程度芽麦的可能性，为减少粮食损失提供参考。【方法】基于郑麦583（郑583）和科成麦6号（科6）制备含芽麦比例分别为30%、50%和100%的混合小麦。以降落值、沉降值、干面筋含量、湿面筋含量、面团形成时间和面团稳定时间评估混合小麦面粉的劣化程度；从感官评分及品质参数综合评估混合小麦面粉制作的面包、饺子皮、馒头、海绵蛋糕、面条和饼干的烘焙或蒸煮特性。【结果】随着芽麦占比的增加（30%、50%和100%），郑583面粉的面团形成时间呈先增加再降低的趋势，面团稳定时间逐渐降低；但科6的2个参数变化趋势均为先降低再增加，最后降低；2个品种面粉的降落数值、湿面筋含量、干面筋含量和沉降值指标均呈逐渐降低的趋势。郑583馒头的比容先增加后降低，科6馒头的比容逐渐降低；郑583海绵蛋糕的比容逐渐增加，科6海绵蛋糕的比容保持不变。2个品种的面包比容、饼干面积、面条蒸煮损失、饺子汤浑浊参数（A*）均呈相同的梯度变化。与郑583和科6的对照（无芽麦）相比，100%芽麦占比的郑583、科6的面包比容分别降低11.33%和17.44%，饼干面积分别增加24.10%和7.49%，面条蒸煮损失率分别增加29.85%和9.69%，饺子汤A*值分别增加8.93%和13.32%。当芽麦占比为30%时，2个品种所制作的面包、馒头和饺子皮均出现显著劣化，郑583面条也出现显著劣化；当芽麦占比达到50%时，2个品种的海绵蛋糕和饼干出现显著劣化；当芽麦占比达100%时，科6的面条也表现为显著劣化。【结论】发芽小麦严重影响面包、饺子皮、馒头、海绵蛋糕、面条和饼干的蒸煮或烘焙特性。不同品种小麦受影响也有差异，但是总体趋势一致。当发芽程度较轻时，对饼干和蛋糕的加工品质影响较小。

关键词：发芽小麦面粉质量烘焙品质蒸煮品质感官评分质构参数

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玉米花序发育基因AFP1的定位及功能研究

作物学报 2024年第3期50卷 603-612页

作者：薛明汪晨晨姜露光刘浩张路遥陈赛华江苏省作物基因组学和分子育种重点实验室/植物功能基因组学教育部重点实验室/江苏省作物遗传生理重点实验室扬州大学农学院江苏扬州225009 作物杂种优势与利用教育部重点实验室/国家玉米改良中心/中国农业大学农学院与生物技术学院北京100193

玉米花序的正常发育是玉米产量的根本保证。鉴定和挖掘调控花序模式建成的基因和代谢通路将有助于揭示花序发育的分子机制,为提高玉米产量提供理论指导。本研究从Mo17背景的EMS突变体库中筛选到一个玉米花序发育模式改变的材料,命名为al... 详细信息

玉米花序的正常发育是玉米产量的根本保证。鉴定和挖掘调控花序模式建成的基因和代谢通路将有助于揭示花序发育的分子机制,为提高玉米产量提供理论指导。本研究从Mo17背景的EMS突变体库中筛选到一个玉米花序发育模式改变的材料,命名为altered flower pattern 1(afp1)。表型鉴定结果发现,afp1雌穗产生一系列侧生分枝、且无花丝形成;雄穗上侧生小穗数量显著增多。遗传学分析表明,afp1性状受一对隐性核基因控制。利用afp1与B73构建的F2分离群体进行连锁分析,该基因被定位在第7号染色体分子标记M150~M176之间。利用该区间内新开发的14对多态性标记进行精细定位,afp1被限定在分子标记M1722和M1725间约300 kb的范围内,其间包含一个已知调控玉米花序发育基因BD1(Branched silkless1)。通过测序发现,afp1的BD1发生一处C-T的变异,引起BD1蛋白的第67位精氨酸(R)变为色氨酸(W),该突变位于保守的功能域ERF/AP2上。对发育早期的野生型与afp1雌穗进行RNA-seq分析后发现,afp1相比野生型存在274个差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs),其中56.20%基因表达下调,43.80%基因表达上调。通过KEGG分析发现,差异表达基因富集到多种代谢通路,其中富集到植物激素信号转导途径中的83.30%基因表达量都显著下调,说明afp1可能通过影响激素信号从而改变花序发育模式。

关键词：玉米花序发育 BD1 激素信号转导

以粪污水热资源化为核心的高效种养结合系统分析与展望

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农业工程学报 2024年第12期40卷 1-12页

作者：徐永洞刘志丹中国农业大学水利与土木工程学院农业农村部设施农业工程重点实验室环境增值能源实验室北京100083

种养结合系统是实现养殖业和种植业可持续发展的重要途径。水热技术可以将畜禽粪污快速直接转化生产生物原油、水热炭、水相产物和气体产物,生成物分别具有燃料、土壤改良、农用杀菌剂和气体肥料应用潜力,以粪污水热资源化为核心构建的... 详细信息

种养结合系统是实现养殖业和种植业可持续发展的重要途径。水热技术可以将畜禽粪污快速直接转化生产生物原油、水热炭、水相产物和气体产物,生成物分别具有燃料、土壤改良、农用杀菌剂和气体肥料应用潜力,以粪污水热资源化为核心构建的高效种养结合系统有助于提升畜禽粪污的无害化资源化水平和消纳能力、构建生态可持续的绿色循环农业,实现畜禽粪污资源化利用、种植业和养殖的协同高效发展。该研究基于国内外近十余年的研究,系统综述了粪污水热资源化产物在种养结合生态循环农业模式中的作用和应用潜力,论述了畜禽粪污水热转化生物原油在农业内燃机中作为燃料的研究现状,阐述了水相产物作为潜在的农用杀菌剂在作物病害防控中的作用,梳理了畜禽粪污源水热炭在转化机理、理化特性和还田应用中的研究进展,分析了气相产物中的组分和用于温室种植的潜力。在此基础上总结了以粪污水热资源化为核心的高效种养结合系统面临的主要挑战,并对水热资源化产物农业循环应用的研究方向进行展望。研究为畜禽粪污水热资源化和高效种养结合系统研究提供理论参考。

关键词：畜禽粪污水热炭生物炭水热转化生物原油种养结合系统农作物病害防控

水稻分蘖期干旱锻炼对幼穗分化期高温下穗发育和产量形成的影响

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中国水稻科学 2024年第3期38卷 277-289页

作者：赵艺婷谢可冉高逖崔克辉作物遗传改良国家重点实验室/农业农村部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室/华中农业大学植物科学技术学院武汉430070

【目的】明确分蘖期干旱锻炼对幼穗分化期高温下水稻穗发育和产量形成的影响,并探究其生理机理。【方法】以两优培九(热敏感型)和汕优63(耐热型)为材料,在盆栽条件下设置全生育期淹灌和分蘖期干旱锻炼、幼穗分化期适温和高温共四种水分... 详细信息

【目的】明确分蘖期干旱锻炼对幼穗分化期高温下水稻穗发育和产量形成的影响,并探究其生理机理。【方法】以两优培九(热敏感型)和汕优63(耐热型)为材料,在盆栽条件下设置全生育期淹灌和分蘖期干旱锻炼、幼穗分化期适温和高温共四种水分和温度处理组合,研究干旱锻炼对高温胁迫下水稻颖花分化与退化、花粉活力、颖花育性、颖花大小、产量及穗生理特性的影响。【结果】与淹灌相比,在适温下干旱锻炼对两个品种产量无显著影响,但高温下干旱锻炼后两优培九和汕优63的产量分别显著提高了54.0%和20.1%,这主要是因为结实率和千粒重显著提高。与淹灌相比,幼穗分化期高温下,分蘖期干旱锻炼显著增强两优培九颖花过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性,降低了丙二醛含量,其花粉活力和颖花育性分别显著提高了26.0%和39.0%。与适温相比,全生育期淹灌下,高温显著降低了两个品种的颖花大小和总颖花分化数。与淹灌相比,分蘖期干旱锻炼显著提高了幼穗分化期高温下两品种穗非结构性碳水化合物含量和颖花细胞分裂素(反式玉米素+反式玉米素核苷)含量,两个品种颖花长、颖花宽和总颖花分化数平均显著增加了3.2%、4.4%和15.0%。【结论】分蘖期干旱锻炼可通过增加抗氧化酶活性、非结构性碳水化合物和细胞分裂素含量来促进颖花发育和提高颖花育性,进而缓解幼穗分化期高温对水稻产量的不利影响,研究结果可为高温热害频发地区的水稻生产实践提供理论指导。

关键词：干旱锻炼幼穗分化期高温颖花育性颖花发育产量

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小麦秸秆还田后不同水稻品种对简化穗肥施用的响应及其成因

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中国农业科学 2024年第10期57卷 1961-1978页

作者：舒小伟王树深伏桐王子涵丁周宇杨英赵士茹周娟黄建晔姚友礼王余龙董桂春扬州大学农学院/江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室

【目的】探讨小麦秸秆还田条件下不同水稻品种产量、颖花分化和退化、土壤微生物活性及碱解氮对简化穗肥施用响应的差异及其原因。【方法】以迟熟中粳南粳9108和中籼扬稻6号两个品种为试材，研究秸秆还田方式（全量还田和不还田）和简... 详细信息

【目的】探讨小麦秸秆还田条件下不同水稻品种产量、颖花分化和退化、土壤微生物活性及碱解氮对简化穗肥施用响应的差异及其原因。【方法】以迟熟中粳南粳9108和中籼扬稻6号两个品种为试材，研究秸秆还田方式（全量还田和不还田）和简化穗肥处理（0﹕0，不施穗肥；2﹕0，全施促花肥；1﹕1，促花肥和保花肥各施一半；0﹕2，全施保花肥）互作条件下产量、颖花分化和退化等的差异及其相互关系。从秸秆腐解和养分释放、土壤微生物量和酶活性变化、土壤碱解氮含量等角度分析水稻颖花分化和退化的机制。【结果】（1）秸秆还田后，南粳9108和扬稻6号的产量分别平均增加4.2%和3.2%。穗肥处理中，两品种分别以2﹕0和1﹕1处理的产量最高；而秸秆不还田处理下，两品种产量均以1﹕1处理最高。在施氮量180—360 kg N·hm-2范围内穗肥处理的产量趋势一致；（2）秸秆还田后0—30 d为快速腐解期，秸秆中的碳和氮迅速释放，30 d时土壤中的细菌、真菌和放线菌的数量平均增加179.2%，脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性平均增加88.8%;40—60 d秸秆腐解和碳氮释放速率变缓，微生物数量和酶活性迅速降低；60—90 d秸秆腐解和碳氮释放基本停滞，微生物数量和酶活性缓慢下降。秸秆还田后10—40 d，土壤碱解氮含量平均降低4.8%,50—90 d平均增加5.2%;（3）秸秆还田后，土壤碱解氮的增加使供试水稻的颖花分化数平均增加1.4%，颖花退化数平均降低12.3%，颖花现存数平均增加4.4%，每穗粒数（每穗颖花现存数）的增加是水稻增产的主要原因。南粳9108和扬稻6号2﹕0处理下颖花退化率秸秆还田较不还田处理分别降低23.5%和7.6%。南粳9108在2﹕0处理下的颖花分化数和退化数较1﹕1处理分别增加8.9和5.7朵/穗，扬稻6号分别增加6.8和11.6朵/穗。由于颖花分化数的增幅大于颖花退化数的增幅，故南粳9108的颖花现存数以2﹕0处理最多，而扬稻6号则以1﹕1处理最多。【结论】秸秆还田提高了水稻产量，全施促花肥南粳9108产量最高，扬稻6号则是促保均施处理的最高。产量提高的原因主要通过显著降低颖花退化率和退化数，增加每穗粒数实现的。南粳9108颖花退化率下降的幅度大于扬稻6号，是两个品种颖花现存数对不同穗肥处理响应差异的主要原因。

关键词：秸秆还田穗肥水稻颖花分化和退化产量土壤微生物活性