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基于深度学习的小麦抗旱相关根系表型原位测量与分析

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农业机械学报 2024年第5期55卷 207-217页

作者：段凌凤傅金阳王新轶施家伟李为坤杨万能华中农业大学工学院武汉430070 华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室武汉430070

根系是植物吸收水分的主要通道,根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标,利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验,共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程,针对... 详细信息

根系是植物吸收水分的主要通道,根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标,利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验,共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程,针对土壤遮蔽引起的断根问题,提出了一种融合目标检测网络和沙漏注意力网络的检测-修复两阶段断根修复方法,以修复根系断裂区域,并通过多尺度训练和自适应迭代法提高修复精度和鲁棒性。提取了小麦在干旱胁迫和对照处理下的根面积、总根长、根宽、根深、根宽深比、根密度6个表型性状,分析了小麦根系对干旱胁迫的表型响应。结果显示,干旱胁迫下,小麦会有更低的根系生物量、更深的根系扎根深度及更分散的根系构型。同时计算了小麦根系干旱胁迫耐受性指数,结合主成分分析法,对小麦品种的抗旱能力进行了描述和排序。

关键词：小麦根系表型原位测量抗旱性分析断根修复深度学习

高光效等位基因HPY1:人工诱导新突变,水稻高产新资源

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科学通报 2024年第26期69卷 3831-3833页

作者：邢永忠崖州湾国家实验室三亚572024 华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室洪山实验室武汉430070

如何实现水稻单产持续增产一直是水稻研究领域的重大科学问题[1].在过去的几十年里,水稻的矮化育种、株型育种、杂种优势利用育种和超级杂交稻育种历程使水稻的单产得到了迅速提升,这得益于矮杆基因、理想株型基因、雄性不育和恢复基因... 详细信息

如何实现水稻单产持续增产一直是水稻研究领域的重大科学问题[1].在过去的几十年里,水稻的矮化育种、株型育种、杂种优势利用育种和超级杂交稻育种历程使水稻的单产得到了迅速提升,这得益于矮杆基因、理想株型基因、雄性不育和恢复基因、高产优质基因等各种重要农艺性状基因的优良等位基因的发掘和应用[2].

关键词：矮化育种理想株型超级杂交稻水稻单产人工诱导恢复基因株型育种雄性不育

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基于CRISPR/Cas9的基因编辑及其在甘蓝型油菜中的应用

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华中农业大学学报 2024年第5期43卷 51-64页

作者：许磊何菡子范楚川华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室/湖北洪山实验室武汉430070

油菜是世界第二大油料作物,同时也是我国最主要的食用植物油来源。长期以来,油菜育种工作者尝试通过传统育种策略培育良种。然而,甘蓝型油菜是种间杂交后双二倍进化而来的异源四倍体物种,其基因组中存在较多基因冗余现象。因此,通过人... 详细信息

油菜是世界第二大油料作物,同时也是我国最主要的食用植物油来源。长期以来,油菜育种工作者尝试通过传统育种策略培育良种。然而,甘蓝型油菜是种间杂交后双二倍进化而来的异源四倍体物种,其基因组中存在较多基因冗余现象。因此,通过人工杂交选择、随机诱变等传统遗传方法改良性状效率非常低。近年来,CRISPR/Cas9技术以其高效、简便的独特优势,已广泛应用于多倍体油菜的基因功能研究和定向遗传改良。为了能够快速高效地对甘蓝型油菜进行种质资源创新和遗传改良,将CRISPR/Cas9基因编辑技术应用于甘蓝型油菜恰逢其时。本文综述了目前CRISPR/Cas9系统应用于油菜基因功能研究和遗传改良的研究进展,涉及油菜产量、含油量和脂肪酸组成、生物和非生物胁迫耐受性等重要农艺性状,并探讨了油菜基因编辑存在的局限性以及未来发展的方向。

关键词： CRISPR/Cas9 基因编辑甘蓝型油菜种质资源创新作物遗传改良

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基于改进Pix2Pix-HD网络的多品种水稻生长可视化预测方法

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作物学报 2024年

作者：段凌凤王新轶王治昊耿泽栋卢运瑞杨万能华中农业大学工学院华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室

植物生长建模与预测能模拟植物的生长过程，有助于生理学家和植物学家分析植物未来的生长模式，缩短试验周期、降低试验成本，受时间和条件限制的植物试验与研究指导。生长可视化预测能提供未来生长时间点的植物图像，能更逼真、直观地... 详细信息

植物生长建模与预测能模拟植物的生长过程，有助于生理学家和植物学家分析植物未来的生长模式，缩短试验周期、降低试验成本，受时间和条件限制的植物试验与研究指导。生长可视化预测能提供未来生长时间点的植物图像，能更逼真、直观地描述植物的生长过程。水稻作为重要的粮食作物，实现水稻的生长可视化预测，对水稻生长发育分析具有十分重要的意义。针对传统作物生长预测方法存在的视觉真实度和可视化效果较差等问题，本文提出了一种基于改进Pix2Pix-HD模型的多品种水稻生长可视化预测方法，利用数据驱动的方式，实现了对水稻抽穗期到灌浆期的高分辨率生长可视化预测，通过水稻抽穗期的图像预测灌浆期水稻生长图像。方法评估中，本文从视觉相似性、表型准确性和不同尺度评估模型预测性能，通过消融实验评估改进方法的有效性，并与现有研究进行比较。结果表明，测试集预测的灌浆期水稻图像与真实灌浆期水稻图像之间的FID、PSNR和SSIM值分别达到24.75、13.58和0.78，预测表型和真实表型相关系数的平均值为0.762，在不同尺度上都能保持较好的准确性。本文提出的基于数据驱动的水稻生长预测方法能够实现高分辨率和高视觉真实性的水稻生长可视化预测，为水稻生长预测提供了新思路。

关键词：水稻生长可视化预测生成对抗网络 Pix2Pix-HD 数字植物

甘蓝型油菜pol CMS恢复系621R硼高效利用的遗传改良

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中国油料作物学报 2024年第2期46卷 267-273页

作者：邱收洪登峰杨光圣华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室湖北武汉430070

油菜是需硼量最大的作物之一,在生产中需要额外增施硼肥,否则易出现大幅度减产。为了提高油菜对硼元素的利用效率,本研究以携带Bna.A03NIP5;1优良等位基因的硼高效利用材料2016-XFSB为供体亲本,以621R为轮回亲本,通过回交与MAS相结合的... 详细信息

油菜是需硼量最大的作物之一,在生产中需要额外增施硼肥,否则易出现大幅度减产。为了提高油菜对硼元素的利用效率,本研究以携带Bna.A03NIP5;1优良等位基因的硼高效利用材料2016-XFSB为供体亲本,以621R为轮回亲本,通过回交与MAS相结合的方法,将Bna.A03NIP5;1优良等位基因导入621R中,选育出拥有621R遗传背景并携带有Bna.A03NIP5;1优良等位基因的近等基因系材料621R^(NIP5;1A3),并在此基础上与细胞核雄性不育系RG430A配制了杂交种。利用水培和不同土质土壤栽培试验对621R和621R^(NIP5;1A3)及其杂种进行相关农艺性状的鉴定。结果表明,621R^(NIP5;1A3)及其杂交种对硼的利用效率有明显提升。农艺性状考察结果表明,621R^(NIP5;1A3)及其改良杂交种在生物量、株高、角果长、每角果粒数和千粒重等性状上有显著优势。本研究结果对油菜硼高效育种具有重要参考价值。

关键词：甘蓝型油菜硼高效利用分子标记辅助选择回交育种

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基于智能手机的田间水稻有效分蘖检测方法

智慧农业(中英文) 2024年

作者：崔家乐曾祥峰任政威孙健汤晨杨万能宋鹏华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室

[目的/意义]单株有效分蘖数是影响水稻产量的重要农艺性状之一，为解决水稻分蘖密集、相互遮挡且存在无效分蘖导致有效分蘖检测成本高、精度较低的问题。[方法]通过对水稻有效分蘖与无效分蘖高度的调查分析，提出一种基于水稻分蘖高度... 详细信息

[目的/意义]单株有效分蘖数是影响水稻产量的重要农艺性状之一，为解决水稻分蘖密集、相互遮挡且存在无效分蘖导致有效分蘖检测成本高、精度较低的问题。[方法]通过对水稻有效分蘖与无效分蘖高度的调查分析，提出一种基于水稻分蘖高度的有效分蘖计数方法，即在水稻固定高度收割后，测量茎秆数量以得到水稻有效分蘖数；通过GhostNet对YOLOv8模型进行轻量化，以减小模型规模，便于手机端部署；并基于此模型，开发手机端水稻有效分蘖检测程序。[结果和讨论]田间实验结果表明，在水稻植株总株高的52%～55%范围内进行收割，计数茎秆数量得到有效分蘖数，其查全率与准确率均超过99%；轻量化的Ghost-YOLOv8模型参数量减少43%；基于该模型的水稻有效分蘖App，对本研究标准下采集的100张茎秆横截面图像进行预测，准确率为99.61%，召回率为98.76%，与人工计数单株有效分蘖结果相比，决定系数为0.985 9。[结论]满足田间水稻有效分蘖计数需求，有助于育种专家收集大量数据，为水稻产量田间预测提供基础。

关键词：有效分蘖 Android YOLOv8 GhostNet App

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甘蓝型油菜半体外授粉方法的建立以及应用

中国油料作物学报 2024年

作者：张琴梁晓梅赵雪梅戴成马朝芝华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室

为研究自交亲和性，快速挖掘甘蓝型油菜自交（不）亲和的调控因子，改进拟南芥以及白菜中的花粉体外萌发培养基和培养条件，研究出适于甘蓝型油菜半体外授粉的培养基及最适花粉萌发条件，建立适于甘蓝型油菜的半体外授粉方法。结果表明... 详细信息

为研究自交亲和性，快速挖掘甘蓝型油菜自交（不）亲和的调控因子，改进拟南芥以及白菜中的花粉体外萌发培养基和培养条件，研究出适于甘蓝型油菜半体外授粉的培养基及最适花粉萌发条件，建立适于甘蓝型油菜的半体外授粉方法。结果表明，在温度为22～23℃，湿度为48%～53%的条件下，半体外授亲和花粉后4 h，可见成束的花粉管，授不亲和花粉几乎没有花粉可以萌发，表明该半体外授粉系统可以用于油菜自交（不）亲和性的研究；在培养基中添加自交（不）亲和关键识别基因BnaSRK和BnaEXO70A1的反义寡核苷酸，半体外授不亲和花粉后4 h，分别有55.7%和27.4%油菜花粉可以粘附并且萌发，表明抑制这两个关键基因的表达可以影响自交（不）亲和；在培养基中添加10 mmol/L乙烯利，半体外授粉结果中约有77.4%油菜花粉可以萌发，表明乙烯可以打破油菜的自交不亲和性。利用该半体外授粉方法，将有利于挖掘和验证与甘蓝型油菜自交（不）亲和性相关的基因。

关键词：甘蓝型油菜自交不亲和半体外授粉 S位点受体激酶SRK基因 EXO70A1基因

陆地棉CLE基因家族的鉴定及GhCLE13参与调控棉花抗旱性的功能分析

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作物学报 2024年

作者：戎宇轩惠留洋王沛琦孙思敏张献龙袁道军杨细燕华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室/湖北洪山实验室

CLAVATA3/Embryo surrounding region-related (CLE)小肽家族是植物中最大的小肽激素家族，在植物中广泛存在，且参与植物多个重要的生命活动。本研究对陆地棉CLE基因家族进行了鉴定，并对GhCLE基因家族成员进行基因结构、启动子顺式作... 详细信息

CLAVATA3/Embryo surrounding region-related (CLE)小肽家族是植物中最大的小肽激素家族，在植物中广泛存在，且参与植物多个重要的生命活动。本研究对陆地棉CLE基因家族进行了鉴定，并对GhCLE基因家族成员进行基因结构、启动子顺式作用元件、蛋白质理化性质、系统发育的分析；通过RNA-seq数据构建了GhCLE基因家族成员在陆地棉各组织的表达谱及干旱处理下的表达模式，并筛选在棉花根系特异表达且受干旱诱导的CLE基因；最后通过VIGS技术对筛选出的GhCLE基因进行了抗旱功能的验证。结果显示，在陆地棉全基因组共鉴定出40个GhCLE基因，GhCLE基因结构较为简单，32个GhCLE基因没有内含子，所有基因编码的蛋白序列均包含12 aa长度的CLE结构域；GhCLE基因启动子区域包含多种光诱导响应、胁迫响应、激素响应和发育相关的顺式作用元件；GhCLE基因在陆地棉多个组织均有表达，筛选出了1个根系特异表达且受干旱诱导的GhCLE13-D-2基因。通过VIGS技术和MDA含量的测定和比较验证了GhCLE13-D-2基因提高棉花的抗旱性的功能。本研究为CLE小肽在植物抗逆方面的深入研究以及棉花种质创新提供了新的理论依据。

关键词：陆地棉 CLE小肽基因家族根系特异表达抗旱 GhCLE13-D-2

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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