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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

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小麦抗旱相关根系表型原位测量与分析

农业机械学报 2024年

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作物遗传改良全国重点实验室华中农业大学工学院

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，... 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。研究提取了小麦在干旱胁迫和对照处理下的根面积、总根长、根宽等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。研究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

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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陆地棉重组自交系再生能力和遗传转化效率筛选

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作物学报 2024年第5期50卷 1172-1180页

作者：乐愉王涛张献龙林忠旭华中农业大学植物科学技术学院/作物遗传改良全国重点实验室湖北武汉430070

转基因工程育种是棉花种质创新的有效手段,为了拓展陆地棉可再生基因型,丰富棉花转基因受体,本研究以湖北省高产阔叶棉品种‘鄂棉22’(E22)为母本、高再生能力的鸡脚叶品种‘豫早1号’(YZ1)为父本,通过单籽传法构建了F9重组自交系群体(Y... 详细信息

转基因工程育种是棉花种质创新的有效手段,为了拓展陆地棉可再生基因型,丰富棉花转基因受体,本研究以湖北省高产阔叶棉品种‘鄂棉22’(E22)为母本、高再生能力的鸡脚叶品种‘豫早1号’(YZ1)为父本,通过单籽传法构建了F9重组自交系群体(YE);利用棉花中比较成熟的IBA+KT(IK)和2,4-D+KT(DK)2种不同激素组合的培养体系,分别对重组自交系群体的164个家系的愈伤组织诱导率(CIF)、愈伤组织继代繁殖力(CSC)、愈伤组织的出胚率(CRE)以及愈伤组织出胚时间(CET)进行比较,共获得12个可再生的阔叶棉家系;利用目前成熟的棉花遗传转化体系对可再生阔叶棉家系进行遗传转化效率分析,同时对其进行田间农艺性状考察,最终获得了一个遗传转化效率为82.9%并且农艺性状更优良的家系YE3。本研究为棉花的遗传转化及基因功能研究拓展了陆地棉基因型种质资源。

关键词：棉花重组自交系体细胞胚胎发生再生能力遗传转化效率

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绵羊MYL基因家族的鉴定与组织表达分析

畜牧兽医学报 2024年第4期55卷 1551-1564页

作者：杨杨余乾刘昱成杨华赵卓王立民周平杨庆勇代蓉新疆农垦科学院省部共建绵羊遗传改良与健康养殖国家重点实验室石河子832000 华中农业大学信息学院武汉430070

为了解肌球蛋白轻链(myosin light chain,MYL)基因家族在绵羊中的分子进化关系及表达变化,本研究利用生物信息学方法对绵羊MYL基因家族进行鉴定和系统分析。各选取了3只军垦白肉羊、新疆细毛羊和湖羊成年公羊各组织样品,采用qRT-PCR方... 详细信息

为了解肌球蛋白轻链(myosin light chain,MYL)基因家族在绵羊中的分子进化关系及表达变化,本研究利用生物信息学方法对绵羊MYL基因家族进行鉴定和系统分析。各选取了3只军垦白肉羊、新疆细毛羊和湖羊成年公羊各组织样品,采用qRT-PCR方法验证家族成员MYL1、MYL6B和MYLPF基因的表达情况。结果显示,12个MYL基因分布在9条染色体上,编码由147~211氨基酸组成的亲水性蛋白质,无信号肽和跨膜结构域,二级结构以α-螺旋为主。根据基因结构、保守结构域和基序分布等特征,可以将这些基因家族成员分为3个组。共线性分析结果表明,MYL2和MYL10、MYL2和MYLPF存在片段复制,且这些片段受到较强的选择压力。蛋白互作网络显示MYH10与绵羊MYL家族成员均存在互作关系。MYLs的组织表达模式差异较大,其中MYL1、MYL2、MYL6B和MYLPF在骨骼肌组织中高水平表达。基因克隆测序结果显示,扩增得到目的基因的CDS全长,qRT-PCR结果表明,MYL1、MYL6B和MYLPF在军垦白肉羊肌肉组织中的表达水平显著高于其他组织(P<0.0001),并且在军垦白肉羊骨骼肌中的表达水平显著高于湖羊和细毛羊(P<0.0001)。以上结果为深入研究绵羊MYL基因家族的功能以及优化绵羊肉用性能提供了线索。

关键词：绵羊 MYL 基因家族生物信息学分析基因表达

稻油系统周年产量差及形成因素探究: 以湖北省武穴市为例

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作物学报 2024年第5期50卷 1287-1299页

作者：曹馨元杜明利王宇诚陈欣华陈佳欣凌霄霞黄见良彭少兵邓南燕作物遗传改良全国重点实验室/农业农村部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室/湖北洪山实验室/华中农业大学植物科学技术学院湖北武汉430070

明确农户水平稻油系统的产量差及进一步增产的限制因素对保障我国粮油安全具有重要作用。本研究以我国典型稻油系统生产区湖北省武穴市为研究对象,采用作物模型与田间调查相结合的方法评估了该地区稻油系统周年产量差,并使用单因素方差... 详细信息

明确农户水平稻油系统的产量差及进一步增产的限制因素对保障我国粮油安全具有重要作用。本研究以我国典型稻油系统生产区湖北省武穴市为研究对象,采用作物模型与田间调查相结合的方法评估了该地区稻油系统周年产量差,并使用单因素方差分析和条件推断树综合比较了农户在土壤条件和管理措施上的差异,以探究该地区限制稻油系统产量进一步增长的主要栽培因素及可行的增产途径,为因地制宜地缩小产量差提供新思路。结果表明:(1)武穴市水稻季和油菜季的潜在产量分别为11.79 t hm^(-2)和4.43 t hm^(-2),按照水稻和油菜籽粒的能量当量换算系统周年能量后,稻油系统的最高周年潜在能量为284 GJ hm^(-2)。水稻季和油菜季的平均实际产量分别为8.11 t hm^(-2)和1.82 t hm^(-2),系统平均实际周年能量为165 GJ hm^(-2)。该地区稻油系统的平均周年相对产量差(产量差与潜在产量的比值)为42%,其中油菜季(59%)比水稻季(31%)具有更大的产量提升空间。相较于湖北省和长江流域的平均水平,武穴市稻油系统周年潜在能量相近,而周年实际能量分别低13%和5%,导致该地区的产量差相对较大,其中分别有83%和61%的农户相对产量差大于湖北省和长江流域平均水平。(2)该地区周年产量较低的农户具有以下主要特征:土壤为沙壤土,耕层较浅;水稻季虫草害防治效果差,水稻季肥料做底肥一次施用且轻施氮、钾肥;油菜季重施肥料,且油菜机收损失较大。(3)武穴市89%的农户选择种植常规稻品种黄华占,其实际产量已达到该品种潜在产量的90%左右;种植油菜品种的种类较多且产量差异较大。综上,武穴市稻油系统仍具有较大的增产空间;缩小当地稻油系统产量差的技术措施包括:适当深耕提高土壤生产力;油菜季选择当地适宜的高产油菜品种;水稻季加强推广高产优质杂交稻品种,重点关注增加水稻用种量,提高直播密度和播种时的封闭除草,系统周年施肥管理上应降低油菜季而提高水稻季的肥料用量,水稻季仅施底肥的农户适当增施追肥等。

关键词：产量差田间调查稻油系统作物模型管理措施

转录因子GhWRKY41促进水杨酸合成增强棉花对黄萎病菌的抗性

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作物学报 2024年第10期50卷 2447-2457页

作者：肖胜华董贤镘彭鑫李安子闭兆福廖铭静黄礼豪管倩倩胡琴朱龙付广西大学农学院/亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室广西南宁530004 华中农业大学/作物遗传改良国家重点实验室湖北武汉430070 华中农业大学/湖北洪山实验室湖北武汉430070

棉花是我国最重要的经济作物之一,但其产量和品质受黄萎病菌危害而大幅度下降。挖掘棉花黄萎病抗性相关基因并解析其分子机制,对加快棉花抗黄萎病育种进程具有重要意义。前期研究鉴定到一个在多个抗病棉花品种中均受黄萎病菌诱导显著上... 详细信息

棉花是我国最重要的经济作物之一,但其产量和品质受黄萎病菌危害而大幅度下降。挖掘棉花黄萎病抗性相关基因并解析其分子机制,对加快棉花抗黄萎病育种进程具有重要意义。前期研究鉴定到一个在多个抗病棉花品种中均受黄萎病菌诱导显著上调表达的WRKY基因GhWRKY41,该基因通过激活苯丙烷代谢增强棉花对黄萎病菌的抗性。本研究进一步分析了GhWRKY41在不同激素处理下的诱导表达模式,利用病毒介导的基因沉默(VIGS)技术验证了GhWRKY41的抗病功能,并利用前期已创制的GhWRKY41转基因棉花株系‘Jin668’测定了其内源植物抗病激素含量。结果显示,GhWRKY41受水杨酸(SA)、Me-JA和H_(2)O_(2)诱导均显著上调表达;GhWRKY41被沉默后可削弱棉花对黄萎病菌的抗性;SA含量在GhWRKY41超表达棉花中显著增加,而在GhWRKY41干涉棉花中则明显减少。RT-qPCR分析显示,SA合成基因GhSID2及SA信号转导基因GhNPR1、GhPR1、GhPR5的表达水平在超表达植株中明显上调,而在干涉植株中则显著下降。ChIP-qPCR和双荧光素酶报告基因试验结果表明,GhWRKY41可结合并激活GhSID2、GhPR1和GhPR5的表达。此外,外施SA可明显提高棉花的黄萎病抗性。综上表明,GhWRKY41可通过促进棉花中内源植物激素SA的合成来增强植株的黄萎病抗性,这一结果完善了GhWRKY41在棉花抵御黄萎病菌过程中的生物学功能,为未来利用黄萎病抗性基因创制棉花抗病材料提供了理论基础。

关键词：棉花黄萎病菌 GhWRKY41 水杨酸

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水稻氮素吸收利用与根系特征相互关系的研究进展

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植物生理学报 2024年第3期60卷 441-450页

作者：齐晓丽刘磊崔克辉华中农业大学植物科学技术学院作物遗传改良全国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武汉430070

水稻(Oryza sativa)根系在氮素吸收和利用过程中起重要作用。本文介绍了水稻氮素吸收和同化过程及根系特征,综述了水稻根系特征对氮素吸收的影响和氮素供应对根系特征的调控,从氮肥吸收利用、根系特征与氮肥互作的角度讨论了今后水稻根... 详细信息

水稻(Oryza sativa)根系在氮素吸收和利用过程中起重要作用。本文介绍了水稻氮素吸收和同化过程及根系特征,综述了水稻根系特征对氮素吸收的影响和氮素供应对根系特征的调控,从氮肥吸收利用、根系特征与氮肥互作的角度讨论了今后水稻根系研究的发展方向,以期为提高水稻氮素吸收利用效率提供理论基础,为氮素高效吸收利用水稻新品种选育工作提供新思路。

关键词：水稻根系形态特征氮素吸收利用氮素同化

玉米果穗相关性状QTL定位及重要候选基因分析

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作物学报 2024年第6期50卷 1435-1450页

作者：郑雪晴王兴荣张彦军龚佃明邱法展华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室/湖北洪山实验室湖北武汉430070 甘肃省农业科学院作物研究所甘肃兰州730070

玉米果穗相关性状与产量直接相关,其遗传基础解析对于指导玉米遗传改良意义重大。本研究对3年6个环境下的168份高代回交重组自交系(AB-RILs)的穗长、穗行数和百粒重等8个性状进行表型鉴定,结合玉米10 K芯片产生的覆盖全基因组的11,407个... 详细信息

玉米果穗相关性状与产量直接相关,其遗传基础解析对于指导玉米遗传改良意义重大。本研究对3年6个环境下的168份高代回交重组自交系(AB-RILs)的穗长、穗行数和百粒重等8个性状进行表型鉴定,结合玉米10 K芯片产生的覆盖全基因组的11,407个SNP(Single Nucleotide Polymorphisms)标记对8个性状进行QTL定位。共鉴定到32个与8个果穗性状相关的QTL,其中包含5个环境一致性的QTL,3个多效性QTL。进一步利用507份关联群体的基因型与表型数据对主效QTL候选区间进行关联分析,鉴定到19个可能与果穗性状相关的重要候选基因,结合候选基因的进化分析和表达分析等,初步确定其中4个为关键候选基因。以上结果为玉米育种中果穗性状的遗传改良提供了重要的标记信息,同时也为果穗性状相关基因克隆提供指导。

关键词：玉米 AB-RIL群体果穗籽粒 QTL定位候选区间关联分析