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當期目錄

    2018年 第51卷 第23期 刊出日期:2018-12-01
      
    作物遺傳育種·種質資源·分子遺傳學
    大豆GmLEA的分離及其在種子活力中的功能分析
    周亞麗,朱雅婧,趙飛云,王爽,劉骕骦,郭凌凱,趙海紅,麻浩
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4397-4408.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.001
    摘要 ( 406 )   HTML ( 133 )   PDF (3927KB) ( 323 )   收藏
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    【目的】大豆(Glycine max (L.) Merr.)種子從發育成熟期(R6或R7期)開始具有活力,在此時期容易受到高溫高濕脅迫,導致種子活力下降。通過對GmLEA的研究,揭示其高溫高濕脅迫下的表達水平以及功能,為一步深入研究GmLEA在參與大豆種子活力形成及響應非生物脅迫等方面奠定基礎。【方法】利用Primer Premier 5.0軟件設計引物,以寧鎮1號和湘豆3號葉片的cDNA為模板,分離大豆GmLEA的cDNA序列全長。通過NCBI網站BLAST對GmLEA同源性氨基酸序列進行搜索,使用MEGA 6.0和DNAMAN多重比對蛋白質序列,并采用MEGA 6.0的N-J算法構建進化樹。通過酵母雙雜交試驗驗證GmLEA與GmCDPKSK5在酵母體內的互作。構建亞細胞定位和雙分子熒光互補(bimolecular fluorescence complementation,BiFC)載體,通過基因槍介導法轉化煙草葉片分析GmLEA與GmCDPKSK5在煙草葉片細胞內的互作及其編碼蛋白的亞細胞定位。利用實時熒光定量PCR技術(qRT-PCR)對GmLEA的組織特異性表達及其在高溫高濕脅迫下的表達進行分析。構建pBI121融合表達載體,通過農桿菌介導法獲得3個純合的T3代過表達擬南芥株系,對高溫高濕脅迫下擬南芥的種子活力進行分析。【結果】獲得大豆GmLEA的cDNA序列全長,該基因包含一個長1 377 bp的開放閱讀框(ORF);且該基因所編碼的蛋白定位在煙草葉片細胞的細胞膜上。酵母雙雜交試驗與雙分子熒光互補(BiFC)試驗結果表明,GmLEA與GmCDPKSK5分別在酵母體內與煙草葉片細胞的細胞膜上存在特異性互作。組織特異性分析結果表明,GmLEA主要在寧鎮1號和湘豆3號2個品種發育和成熟的種子中表達。在湘豆3號種子發育過程中GmLEA的表達量呈先上升后下降的趨勢,在開花后50 d達最大值,在寧鎮1號種子發育過程中該基因的表達量呈上升的趨勢,在開花后60 d達到最大值。高溫高濕脅迫后,與對照相比,GmLEA在湘豆3號中96 h時下調表達,其余時間點均上調表達,在寧鎮1號中,僅24 h時下調表達。GmLEA過表達擬南芥株系經高溫高濕脅迫后的發芽勢、發芽率及種子活力均顯著(P<0.01)高于野生型植株。【結論】GmLEA參與高溫高濕脅迫下種子活力的形成,與GmCDPKSK5存在特異性互作,二者可能共同參與高溫高濕脅迫下種子活力的形成。

    一個甘蔗Ⅱd類WRKY轉錄因子基因的克隆和表達分析
    張旭,凌輝,劉峰,黃寧,王玲,毛花英,李聰娜,湯翰臣,蘇煒華,蘇亞春,闕友雄
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4409-4423.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.002
    摘要 ( 222 )   HTML ( 44 )   PDF (5964KB) ( 184 )   收藏
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    【目的】WRKY是植物特有的一類轉錄因子,在生理調控和逆境響應過程中有著重要作用。通過分析WRKY轉錄因子基因在甘蔗生長發育及抗逆境過程中的作用,為甘蔗抗逆分子育種提供優良的基因資源。【方法】從甘蔗轉錄組數據庫中挖掘到一條WRKY基因Unigene序列,并通過RT-PCR擴增得到cDNA全長序列,利用ORF finder、Smart、ExPaSy、Prabi、NetPhos、Cell-PLOC 2.0和DNAMAN6.0軟件對該基因序列及其編碼蛋白序列進行生物信息學分析,并使用MEGA6.0軟件構建系統進化樹;構建pCAMBIA1300-WRKY-GFP融合表達載體,通過農桿菌轉化本氏煙(Nicotiana benthamiana),確定WRKY蛋白在煙草葉片中的亞細胞定位;利用酵母雜交試驗驗證WRKY是否具有轉錄自激活活性;采用實時熒光定量PCR(qRT-PCR)方法分析WRKY在甘蔗品種ROC22中的組織特異性(根、蔗芽、葉、蔗髓和皮)及其在MeJA(100 μmol·L -1)、SA(5 mmol·L -1)、PEG(25%)、NaCl(250 mmol·L -1)、CuCl2(500 mmol·L -1)和CdCl2(500 mmol·L -1)脅迫條件下表達量的變化。【結果】從甘蔗品種ROC22中克隆獲得一個WRKY轉錄因子基因,命名為ScWRKY6(GenBank登錄號為MH393927)。該基因序列全長1 289 bp,包含1個1 059 bp的ORF,編碼352個氨基酸,并具有45個磷酸化位點;理論等電點為9.73,不穩定指數為50.23,親水性為-0.579,推測其為堿性不穩定親水性蛋白。ScWRKY6蛋白具有1個WRKY結構域和1個鋅指結構域(CX5CX23HXH),該蛋白氨基酸序列與高粱(Sorghum bicolor)WRKY(XP_002464211.1)的同源性最高,根據系統進化樹分析可以推測其屬于WRKY家族Ⅱd亞類。亞細胞定位結果顯示,ScWRKY6::GFP融合蛋白定位在細胞核上。酵母轉錄激活驗證試驗顯示,ScWRKY6蛋白不具有轉錄自激活活性。qRT-PCR分析表明,ScWRKY6在甘蔗中為組成型表達,其表達量由大到小依次為蔗芽、葉、根、皮和蔗髓,其中蔗芽、葉和根的表達量分別為蔗髓的2.05、1.55和1.37倍。ScWRKY6在NaCl、PEG、MeJA、重金屬Cu 2+和Cd 2+脅迫誘導下表達量均上調,其在NaCl處理12 h時表達量最高,為對照的4.18倍;在PEG處理3 h時表達量最高,為對照組的6.88倍;在CuCl2和CdCl2誘導24 h時表達量最高,分別為對照組的3.63倍和4.86倍。【結論】ScWRKY6蛋白定位在細胞核上,不具有轉錄自激活活性;該基因在甘蔗不同組織部位中均有表達,且受NaCl、PEG、CuCl2和CdCl2等脅迫的誘導,推測ScWRKY6可能在甘蔗干旱應答、耐鹽及金屬離子脅迫響應中發揮作用。

    耕作栽培·生理生化·農業信息技術
    Cd脅迫水培試驗下水稻糙米Cd累積的關鍵生育時期
    王倩倩,賈潤語,李虹呈,周航,楊文弢,辜嬌峰,彭佩欽,廖柏寒
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4424-4433.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.003
    摘要 ( 170 )   HTML ( 31 )   PDF (400KB) ( 111 )   收藏
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    【目的】探究水稻不同生育時期Cd脅迫對水稻成熟期糙米Cd累積的影響,明確糙米Cd累積關鍵生育時期,以期適時采取阻控措施降低糙米Cd含量,為水稻安全生產提供理論參考。【方法】以水稻品種湘晚秈13號(晚稻品種)為研究對象,采用水培試驗,共設計7個添加外源Cd處理,即CG(全生育時期Cd脅迫,102 d)、TS(分蘗期Cd脅迫,15 d)、JS(拔節期Cd脅迫,15 d)、BS(孕穗期Cd脅迫,21 d)、FS(灌漿期Cd脅迫,18 d)、DS(臘熟期Cd脅迫,15 d)、MS(成熟期Cd脅迫,18 d),以全生育時期無Cd脅迫作為空白對照(CK),每個處理重復3次。各處理外源Cd脅迫濃度相同,均為20 μg·L -1。水培試驗于2017年7月23日開始,在湖南省長沙市中南林業科技大學水稻試驗基地進行。2017年11月19日,水稻成熟后,整株采集水稻,測定指標為不同生育時期Cd脅迫下水稻農藝性狀(株高、分蘗數和各部位生物量)和水稻各部位(根、莖、葉、穗、谷殼和糙米)Cd含量,計算水稻各部位Cd累積量以及不同生育時期Cd累積對成熟期糙米Cd累積的相對貢獻率。【結果】不同生育時期Cd脅迫對水稻株高、分蘗數以及各部位生物量沒有顯著影響。灌漿期Cd脅迫下,水稻成熟期糙米Cd含量最高,為1.05 mg·kg -1,顯著高于水稻成熟期(0.57 mg·kg -1)、孕穗期(0.52 mg·kg -1)、臘熟期(0.38 mg·kg -1)、拔節期(0.31 mg·kg -1)和分蘗期(0.17 mg·kg -1)Cd脅迫下糙米Cd含量。各生育時期Cd脅迫下水稻成熟期糙米Cd累積量范圍為0.18—1.56 μg/株,糙米Cd累積量大小順序為:全生育時期Cd脅迫>灌漿期Cd脅迫>成熟期Cd脅迫>孕穗期Cd脅迫>拔節期Cd脅迫>分蘗期Cd脅迫。孕穗期、灌漿期和成熟期是水稻糙米Cd累積的關鍵生育時期,對成熟期糙米Cd累積相對貢獻率分別為19.7%、39.3%和22.6%,而分蘗期、拔節期和臘熟期的Cd累積對成熟期糙米Cd累積相對貢獻較小,貢獻率分別為2.4%、4.2%和11.9%。除全生育時期Cd脅迫外,水稻根、莖、穗和谷殼Cd含量均在孕穗期和灌漿期Cd脅迫下較高;各生育時期Cd脅迫下,水稻葉Cd含量無顯著性差異。孕穗期和灌漿期Cd脅迫下根Cd累積量較高,分別為86.09 μg/株和79.23 μg/株,顯著高于其他生育時期Cd脅迫下根Cd累積量(31.55—40.37 μg/株)。與其他生育時期Cd脅迫相比,水稻植株Cd總累積量在孕穗期和灌漿期Cd脅迫下較高,分別為107.13 μg/株和98.35 μg/株,顯著高于其他生育時期Cd脅迫下水稻植株Cd總累積量(42.24—52.47 μg/株)。【結論】水稻的孕穗期、灌漿期和成熟期是控制水稻糙米Cd累積的關鍵時期。在孕穗期和灌漿期Cd脅迫下,水稻成熟期根和糙米累積Cd最多,因此可以在水稻孕穗期和灌漿期施加改良劑阻隔根系吸收Cd或者阻隔根系吸收的Cd向糙米中轉運,從而降低水稻糙米中Cd的累積。

    拔節期和孕穗期低溫處理對小麥葉片光合及葉綠素熒光特性的影響
    劉蕾蕾,紀洪亭,劉兵,馬吉鋒,肖瀏駿,湯亮,曹衛星,朱艷
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4434-4448.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.004
    摘要 ( 395 )   HTML ( 67 )   PDF (7711KB) ( 438 )   收藏
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    【目的】 研究自然溫度日變化模式下低溫處理對小麥光合及熒光特性的影響。【方法】以溫度敏感性不同的2個小麥品種揚麥16和徐麥30為材料,于拔節期和孕穗期在全自動人工氣候室中進行4個低溫水平和3個低溫持續時間的處理,于低溫處理期間及低溫處理結束后7 d內每天測定小麥第一張全展葉的光合和熒光參數。【結果】低溫處理期間,揚麥16和徐麥30葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、最大光化學效率(Fv/Fm)、實際光化學效率(ФPSII)、光化學猝滅系數(qP)均隨溫度的降低而下降。拔節期低溫處理期間,葉片Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、ФPSII和qP隨低溫持續時間的延長呈先降低后升高的趨勢,而孕穗期低溫處理期間,則隨低溫持續時間的延長呈下降趨勢。低溫處理結束后,除孕穗期T4(Tmin/Tmax/Tavg,-6℃/4℃/-1℃)處理外,其他處理的葉片Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、ФPSII、qP和非光化學猝滅系數(NPQ)均可恢復到正常水平。低溫脅迫下,相對Pn與相對Fv/Fm、ФPSII、qP呈顯著的正相關關系,而與相對NPQ呈顯著的負相關關系,且相對Pn與相對ФPSII、qP的相關性要高于相對Fv/Fm和相對NPQ。【結論】低溫主要通過降低葉片ФPSII和qP,引起小麥葉片光合速率下降,進而降低小麥干物質積累,最終導致產量下降。

    植物保護
    紅鈴蟲性信息素合成激活肽基因克隆、序列特征及在不同發育階段的表達分析
    許冬,王玲,叢勝波,王金濤,李文靜,萬鵬
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4449-4458.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.005
    摘要 ( 141 )   HTML ( 89 )   PDF (512KB) ( 88 )   收藏
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    【目的】克隆紅鈴蟲(Pectinophora gossypiella)性信息素合成激活肽(pheromone biosynthesis activating neuropeptide,PBAN)基因,分析其序列特征,闡明該基因在紅鈴蟲不同發育階段中的表達規律,以及與交配行為、棉花揮發物間的調控關系,為進一步揭示紅鈴蟲性信息素合成釋放機制提供科學依據。【方法】利用RACE技術克隆紅鈴蟲性信息素合成激活肽基因PgosPBAN的全長cDNA序列,應用DNAMAN 6.0對其進行序列分析,利用Protparam、Chou & Fasman等在線分析軟件進行蛋白二級結構預測和生物信息學分析;利用實時熒光定量PCR(qRT-PCR)技術檢測PgosPBAN在紅鈴蟲不同發育階段的表達規律,分析交配行為和棉花揮發物對PgosPBAN表達水平的影響。【結果】獲得了PgosPBAN全長cDNA序列,GenBank登錄號為KY987647,該基因cDNA全長1 461 bp,其開放閱讀框(ORF)為618 bp,編碼205個氨基酸,5′端非編碼區長121 bp,3′端非編碼區長722 bp;PgosPBAN編碼的氨基酸序列包含了滯育激素、α神經肽、β神經肽、PBAN和γ神經肽5種神經肽,N端還含有一個23氨基酸的信號肽;預測該蛋白分子量為2.41 kD,等電點為9.25;同源性及系統進化樹分析發現,PgosPBAN與15種鱗翅目昆蟲的PBAN位于同一分支,其中與PgosPBAN進化關系最近的是二化螟(Chilo suppressalis)的PBAN(GenBank登錄號:ALM30314.1),表明這兩個基因可能有共同的祖先基因;PgosPBAN在紅鈴蟲不同發育階段存在明顯的表達特異性,以成蟲期的表達量較高,幼蟲期次之,蛹期最低;PgosPBAN在紅鈴蟲雌、雄成蟲體內均有表達,且1—5 d內雄性成蟲PgosPBAN表達量顯著高于雌性成蟲;交配后1—3 d的紅鈴蟲體內PgosPBAN表達水平顯著高于處女蛾;暴露于棉花揮發物1—5 d雄成蟲PgosPBAN表達水平未受到顯著影響,而1、8 d雌成蟲及8 d雄成蟲PgosPBAN表達水平均顯著低于對照。【結論】明確了PgosPBAN的核苷酸、氨基酸序列特征,分析了該蛋白的二級結構特征。根據PgosPBAN在紅鈴蟲不同發育階段的表達規律以及與交配行為、棉花揮發物的調控關系,推測該基因不僅參與了紅鈴蟲雌性信息素的合成釋放,在調控雄性信息素以及調節生長發育等方面可能也扮演著重要角色。

    助劑對靜電噴霧液劑電導率及沉積量的影響
    任立瑞,陳福良,尹明明
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4459-4469.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.006
    摘要 ( 84 )   HTML ( 5 )   PDF (440KB) ( 49 )   收藏
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    【目的】優化靜電噴霧液劑配方,研究助劑對靜電噴霧液劑電導率及沉積量的影響,探尋二者之間的關系,為降低農藥使用量,實現農業可持續發展提供科學依據。【方法】采用新型環保溶劑HDBE和NCC,以二甲亞砜、N-甲基吡咯烷酮和異佛爾酮作為助溶劑,設定助溶劑用量分別為0、3%、5%、7%和10%,以傳統溶劑S200#作為對照。根據靜電噴霧液劑質量技術指標對不同配方進行篩選。分析助劑種類及用量的變化對阿維菌素和呋蟲胺兩種靜電噴霧液劑電導率的影響。同時,在施藥前測定靶標葉面積,施藥后用丙酮反復沖洗、過濾、旋蒸、定容,最后采用高效液相色譜(HPLC)測定靶標葉片上農藥有效成分的沉積量,探究助劑種類和用量對黃瓜和番茄葉片正、背面沉積量的影響,分析制劑電導率與沉積量之間的關系,評價靜電噴霧包抄效應。【結果】篩選出6個符合質量技術指標要求的環保型靜電噴霧液劑配方;制劑電導率并非各組分電導率的加權平均數,而是各組分相互作用的結果;對于極性不同的農藥有效成分配制的靜電噴霧液劑,助劑種類和用量的改變對電導率和沉積量的影響趨勢相同。當有效成分為非極性農藥阿維菌素時,其對制劑整體電導率幾乎無影響,而當采用極性較大的農藥呋蟲胺時,制劑整體的電導率得到顯著提高,在相同助劑條件下,高出阿維菌素制劑近百倍。當溶劑為HDBE時,電導率較小,電導率和沉積量隨助溶劑質量分數的提高增幅較大,差異顯著。當溶劑為NCC時,由于其本身電導率較大,二者隨助溶劑用量的提高增幅較小,不同配方之間的電導率差異減小。當助溶劑同為二甲亞砜時,由HDBE、NCC作為溶劑制備的靜電噴霧液劑電導率及沉積量較傳統溶劑S200#均顯著增加,其中電導率高出5倍以上,沉積量高出1.5倍以上;靜電噴霧液劑在黃瓜葉片正、背面的沉積量均大于番茄;不同配方在靶標正、背面沉積量之比在1.17—2.11。【結論】環境友好的HDBE、NCC可代替S200#成為靜電噴霧的優良溶劑;助劑的種類和用量的改變對靜電噴霧液劑電導率及沉積量有重要影響,通過提高制劑的電導率可以顯著改善沉積量,從而提高農藥有效利用率;所配制的靜電噴霧液劑具有良好的靜電包抄效應。

    土壤肥料·節水灌溉·農業生態環境
    面向自愿減排碳交易的生物質炭基肥固碳減排計量方法研究
    孫建飛,鄭聚鋒,程琨,葉儀,莊園,潘根興
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4470-4484.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.007
    摘要 ( 145 )   HTML ( 14 )   PDF (494KB) ( 89 )   收藏
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    【目的】秸稈熱解炭化-生物質炭基肥-生態農業產業體系正在中國興起。炭基肥通過替代化肥產生可觀的溫室氣體減排量并顯著增加土壤有機碳庫,其規模化發展具有參與我國正在實施的自愿減排碳交易項目的明顯潛力。本研究探討構建生物質炭基肥項目固碳減排計量方法,為其大規模農業應用參與自愿減排碳交易提供科學依據和方法學支撐。【方法】根據自愿減排項目固碳減排計量方法學和農田固碳減排計量的邏輯框架,基于秸稈炭基肥項目發展的實地調查、已有炭基肥試驗的固碳減排案例監測及文獻統計,并參考已備案的農業減排方法學,從項目合格性、基準線確定、邊界選擇、關鍵排放源和土壤碳庫確定、系統泄漏到凈碳匯計量方法等方面探討開發炭基肥項目固碳減排計量方法學,以分析炭基肥項目進行碳交易的可行性。【結果】秸稈炭基肥項目計量方法學的基準線情景為農田常規施肥管理,但需針對不同農田經營模式而確定項目邊界(例如分散農民為經營主體的田塊模式和工廠-農田的集約化企業運營模式),分別考慮農田氧化亞氮和甲烷的排放和土壤有機碳庫來審視項目的關鍵排放源和碳庫,考慮項目的泄漏可能包括農民運輸炭基肥導致的額外排放或原有秸稈利用方式發生改變導致的額外排放。農作物炭基肥案例分析表明:以農民為主體的炭基肥項目,單個生長季的冬小麥或水稻生產可分別產生1 440和282 kg CO2-eq·hm -2的減排量;而“工廠-農田”集約化模式中,在未對炭基肥生產工藝進行優化的條件下(副產物未被循環利用),炭基肥生產過程帶來的溫室氣體排放將抵消部分炭基肥應用的農田碳匯量;如對優化炭基肥生產工藝后,單個生長季的冬小麥和水稻生產可分別產生1 479和340 kg CO2-eq·hm -2的凈碳匯量。【結論】構建了一套用于量化炭基肥項目凈碳匯量的計量方法,可以合理地量化炭基肥農田應用項目產生的凈碳匯量。本研究發展的方法學適用炭基肥農業固碳減排項目,量化結果顯示炭基肥項目可帶來可觀的減排量,且旱作農田的凈碳匯效應高于稻作農田,優化炭基肥生產工藝條件下工廠-農田集約化運營模式獲得的碳匯量顯著高于未優化工藝條件下的農民主體的項目模式。研究表明未來應當關注和開發區域尺度不同類型炭基肥施用下氧化亞氮和甲烷減排因子以及土壤固碳因子。

    不同秸稈生物炭對貴州黃壤細菌群落的影響
    侯建偉,邢存芳,盧志宏,陳芬,余高
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4485-4495.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.008
    摘要 ( 171 )   HTML ( 21 )   PDF (978KB) ( 240 )   收藏
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    【目的】表征不同生物炭處理的黃壤細菌群落結構特征和組成差異,探討引起黃壤細菌群落變化的主控環境因子,為土壤改良和秸稈資源的合理利用提供理論參考。【方法】以玉米、水稻和油菜秸稈500℃炭化得到的生物炭為添加材料,以貴州省地帶性黃壤為供試土壤,通過室內培育試驗,采用高通量測序(Illumina HiSeq)技術,研究不同生物炭處理的黃壤細菌的菌群變化,并對細菌群落結構與環境因子進行相關性分析和因子分析。試驗共設4個處理:對照(CK)、添加玉米秸稈生物炭(BC1)、水稻秸稈生物炭(BC2)和油菜秸稈生物炭(BC3)。【結果】細菌16S rRNA基因拷貝數與土壤全氮、pH和全碳呈極顯著或顯著正相關關系(r分別為0.78**、0.62*和0.66*)。施用生物炭增加了細菌門和綱水平上的優勢菌群的豐富度和多樣性,且與pH和C/N具有較強的正相關性。Actinobacteria(放線菌門)、Cyanobacteria(藍藻菌門)和Chloroflexi(綠彎菌門)為黃壤的3大優勢菌門,占所有菌門的68.5%。因子分析顯示,土壤全氮、C/N、pH、有效磷和陽離子交換量(CEC)總共解釋了80.8%的群落變化,成為黃壤細菌群落結構變化的主控環境因子,貢獻率依次為:土壤C/N>pH>有效磷>全氮>CEC。【結論】生物炭改變了細菌的群落構成和化學性質,土壤全氮、C/N、pH、有效磷和CEC對細菌群落結構變化貢獻較大,其中全氮和pH是提高土壤細菌群落多樣性和豐富度的主控環境因子。

    湖南不同季別稻作系統的生態能值分析
    周江,向平安
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4496-4514.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.009
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    【目的】湖南稻作系統以一季稻和雙季稻種植制度為主。論文通過評價稻作技術的調整對不同季別水稻種植效率的影響,期望為水稻可持續發展提供決策依據。【方法】通過相關統計年鑒資料獲取2002—2016年湖南早稻、中稻和晚稻生態系統環境資源、經濟資源的投入與產出原始數據,采用能值分析理論和方法,對三季稻作系統的動態發展狀況及綜合發展水平進行分析,再將其能值投入產出效率與傳統經濟利潤率指標進行比較。【結果】2002—2016年湖南稻田生態系統中投入的自然資源能值相對穩定,投入能值大部分依賴購買能值并趨向增加;能值投入結構調整為機械>人工+畜力>化肥>農藥或種子>燃料>有機肥,農業機械化逐漸代替了以人工、畜力為主的生產方式。系統每千公頃種植面積的購買能值投入中不可更新工業能值投入呈明顯增長趨勢,其中機械作業能值投入貢獻率最高,化肥投入為中稻>早、晚稻且長年居高不下,農藥投入為中、晚稻>早稻且趨向增加;可更新有機能值投入密度則趨向減少,其中人工能值雖顯著下降,其貢獻率仍最高,種子投入為早稻>晚稻>中稻且早、晚稻趨向增加,畜力能值投入轉變為中稻>早、晚稻且趨向不斷減少,有機肥投入能值不斷減少;購買能值投入從2012年起轉變為中稻>早稻>晚稻系統。系統單位種植面積的能值產出、生態和經濟平均利潤率均為中稻>晚稻>早稻;早稻種植面積始終低于晚稻。系統能值指標變化趨勢為:能值投入率方面晚稻>早稻、中稻;能值產出率方面中稻>晚稻>早稻;系統對環境的壓力較小,但環境負載率指標增長較快且晚稻>早、中稻系統;可持續發展指數已大幅下降至<2,2008年以后中稻>早、晚稻系統。【結論】湖南稻作系統生產方式日益現代化,系統富有活力但發展潛力日益下降。稻作經營仍屬于粗放型方式,致使不可更新工業輔助能大量投入,造成短期內系統環境壓力增大、生態和經濟利潤率不斷下滑,不利于系統長期可持續發展。雖然湖南中稻生態系統的環境負載率、可持續發展指數、平均利潤率仍優于早、晚稻系統,但由于系統投入了較多的人工、畜力、化肥和農藥能值且其機械能值效率較低,致使其能值產出率、生態和經濟利潤率降幅較大并與晚稻系統基本持平,其競爭優勢日益縮小。早稻系統種子能值投入較高且能值產出密度和利潤率較低,晚稻系統購買能值投入產出綜合效益較高。湖南稻作農業現代化的地域不均衡發展矛盾依然突出。無論哪個水稻季別,以市場價值作為評價依據的成本-收益分析法,低估了稻田生態系統的真實價值。政府需針對早、中、晚稻制定激勵政策,以保障稻農的利益和實現稻作永續經營。

    園藝
    蘋果MdWRKY18和MdWRKY40參與鹽脅迫途徑分子機理研究
    許海峰,楊官顯,張靜,鄒琦,王意程,曲常志,姜生輝,王楠,陳學森
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4514-4521.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.010
    摘要 ( 179 )   HTML ( 16 )   PDF (1795KB) ( 121 )   收藏
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    【目的】研究蘋果WRKY轉錄因子MdWRKY18和MdWRKY40蛋白結構、表達水平及在鹽脅迫中的功能,為進一步完善鹽脅迫分子機理的研究提供參考。【方法】以‘紅脆2號’蘋果為試材,克隆MdWRKY18MdWRKY40,對其蛋白結構進行分析;采用qRT-PCR測定該基因在鹽脅迫條件下的表達水平,并通過GUS染色分析它們啟動子活性,利用酵母雙雜分析其互作關系,并通過轉基因驗證其功能。【結果】蛋白結構分析表明MdWRKY18和MdWRKY40均含有一個WRKY、Cx5C以及HxH結構域;MdWRKY18MdWRKY40表達水平和啟動子活性受150 mmol·L -1 NaCl誘導,酵母雙雜交試驗表明,MdWRKY18和MdWRKY40能夠和自身互作形成同源二聚體,且MdWRKY18也能和MdWRKY40互作形成異源二聚體;在‘王林’愈傷中分別過表達MdWRKY18MdWRKY40時,能夠促進MdSOS1MdNHX1的表達,并提高‘王林’愈傷在鹽脅迫處理下的生長量,在‘王林’愈傷中共表達MdWRKY18MdWRKY40時,同樣能夠促進MdSOS1MdNHX1的表達,但對提高‘王林’愈傷的生長量要高于分別過表達MdWRKY18MdWRKY40。【結論】蘋果MdWRKY18MdWRKY40受鹽脅迫的誘導,可以形成同源或異源二聚體,并增強‘王林’愈傷對鹽脅迫的耐性。

    葡萄KEA家族基因的克隆、鑒定及表達分析
    王壯偉,王慶蓮,夏瑾,王西成,宋志忠,吳偉民
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4522-4534.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.011
    摘要 ( 150 )   HTML ( 21 )   PDF (2543KB) ( 95 )   收藏
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    【目的】從葡萄中克隆并鑒定KEA家族基因,在轉錄水平探索其組織特異性表達特征及對缺鉀、脫落酸(ABA)、氯化鈉(NaCl)與山梨糖醇(sorbitol)等脅迫的響應情況,明確主效基因。【方法】通過同源克隆法,在葡萄基因組中篩選并鑒定KEA家族基因;利用MEGA 7.0軟件中的鄰接法建立9種不同植物(葡萄、擬南芥、水稻、玉米、高粱、短柄草、白楊、梨和蘋果)KEA家族成員的系統進化樹;借助多種生物信息學軟件分析葡萄KEA家族基因及其編碼蛋白的詳細特征;檢索EST數據庫,分析葡萄KEA家族基因的表達譜;利用實時熒光定量PCR分析KEA家族基因在葡萄不同組織部位的表達模式及對缺鉀、ABA、NaCl與sorbitol等脅迫的響應情況,明確主效基因。【結果】在葡萄基因組中檢索并克隆獲得4個KEA家族基因,命名為VvKEA1—VvKEA4,均含有典型的K/H交換結構域(K/H exchanger domain)和TrkA-N domain功能結構域,屬于典型的植物K +/H +逆向轉運體;9種不同植物的KEA家族蛋白在氨基酸水平具有33.10%的一致性,并可分為2個亞族(GroupⅠ和GroupⅡ),其中,葡萄VvKEA1和VvKEA2屬于GroupⅠ,均含有7個Motif基序,而VvKEA3和VvKEA4屬于GroupⅡ,只含有4個Motif基序;系統進化樹表明葡萄VvKEA1、VvKEA2和VvKEA4成員分別與擬南芥AtKEA2、AtKEA3和AtKEA5緊密聚在一起,而葡萄VvKEA3則與梨PbrKEA5和蘋果MdoKEA7緊密聚在一起,水稻、玉米、高粱和短柄草4種禾本科植物KEA家族成員更傾向于聚在一起,而木本植物白楊、蘋果、梨KEA家族成員緊密聚在一起;葡萄KEA家族蛋白擁有相似的三級結構,主要定位于細胞質膜,均含有12—13個跨膜區,均為穩定蛋白,等電點pI均小于7.00,且只有VvKEA3具有信號肽;在葡萄VvKEA啟動子區域鑒定到至少15種的順式作用元件,主要包括脅迫響應、營養和發育、激素響應、晝夜規律等不同生命活動相關的調控元件;EST表達譜結果表明葡萄KEA家族基因在多種組織或器官中均有表達,在果實中的表達水平最高,其次是葉、種子、根和雌蕊;實時熒光定量PCR分析表明VvKEA3在8年生‘白羅莎里奧’葡萄樹不同組織中的整體表達水平最高,在幼果中的表達量最為突出,而其他3個VvKEA的整體表達水平相對較低,且較為接近;幼苗中,VvKEA1—VvKEA4在轉錄水平對NaCl處理沒有響應,但對ABA處理最為敏感,VvKEA1—VvKEA4的表達量在檢測幼苗的地上部和根部均被顯著誘導,VvKEA3在檢測幼苗的地上部和根部及VvKEA1在地上部的表達量受缺鉀處理誘導而顯著增強,VvKEA3在檢測幼苗的地上部和根部及VvKEA4在根部的表達量受sorbitol滲透處理誘導而顯著上升。【結論】從葡萄中克隆并鑒定了4個KEA家族基因,主要在葡萄果實、葉片和種子中表達,其成員與擬南芥KEA成員在遺傳距離上較近;VvKEA3在成年葡萄樹中的整體表達水平最為豐富(幼果中最高),幼苗中VvKEA3受缺鉀、ABA和sorbitol滲透脅迫的調控;VvKEA3是葡萄果實中重要的K +/H +逆向轉運體。

    食品科學與工程
    基于BP神經網絡和遺傳算法的庫爾勒香梨揮發性物質萃取條件的優化
    張芳,未志勝,王鵬,李凱旋,詹萍,田洪磊
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4535-4547.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.012
    摘要 ( 104 )   HTML ( 16 )   PDF (515KB) ( 68 )   收藏
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    【目的】通過BP神經網絡結合遺傳算法對固相微萃取條件(萃取頭種類、樣品量、萃取溫度、萃取時間和鹽離子添加量)的優化,建立高效的庫爾勒香梨汁香氣物質的萃取分析方法,為庫爾勒香梨相關產品天然風味的擬合及調控奠定基礎。【方法】通過單因素試驗確定最佳萃取纖維頭種類和樣品量、萃取溫度、萃取時間和鹽離子添加量的最佳萃取參數。在單因素試驗設計的基礎上,以庫爾勒香梨汁中關鍵香氣物質(己醛、丁酸乙酯、壬醛、乙酸乙酯、(E)-2-己烯醛、己醇、(Z)-2己烯醛、丙酸乙酯和己酸乙酯)的含量為評價指標進行中央復合設計試驗進一步考察樣品量、萃取溫度、萃取時間和鹽離子添加量對庫爾勒香梨汁固相微萃取效果的影響。最后以中央復合設計的試驗結果為初始種群,以樣品量、萃取溫度、萃取時間和鹽離子添加量為輸入值,以庫爾勒香梨汁中關鍵香氣物質含量為其函數的輸出值,通過BP神經網絡模型來調試函數適應度。使用中央復合設計數據以外的數據集對BP神經網絡外推能力進行驗證。利用遺傳算法(算法參數:最大進化代數100、初始種群數20、變異概率0.2、交叉概率0.4)在試驗水平范圍內預測全局最優的萃取條件。【結果】統計分析結果表明,65 μm PDMS/DVB萃取頭對庫爾勒香梨汁中關鍵香氣物質的萃取效果最好,樣品量、萃取溫度、萃取時間和鹽離子添加量對固相微萃取效果具有顯著影響(P<0.05)。BP神經網絡的拓撲結構為‘4-15-1’。驗證數據和訓練數據的MSE均大于0.017;訓練、測試和驗證數據的相關系數分別為0.990、0.951和0.973,表明BP神經網絡預測模型有很好的準確性,可以用于庫爾勒香梨汁香氣物質固相微萃取結果的預測。BP神經網絡外推能力驗證試驗的結果與BP神經網絡模型預測值的擬合度(R 2)為0.992,表明試驗建立的BP神經網絡模型有很好的外推能力,能夠準確地預測不在訓練集內的數據集的輸出值。遺傳算法迭代100代后確定的最優個體為3.41 μg·g -1,最佳固相微萃取條件是樣品量5.33 g、萃取溫度44.70℃、萃取時間25.22 min和鹽離子添加量0.63 g。在盡可能接近此條件下進行驗證試驗(試驗條件:樣品量5.33 g、萃取溫度45℃、萃取時間25 min和鹽離子添加量0.63 g),測得庫爾勒香梨汁中9種關鍵香氣物質的含量為(3.37±0.23)μg·g -1,與最優個體預測值相比,誤差僅為-1.19%。【結論】上述結果表明BP神經網絡模型結合遺傳算法是一種準確度較好的優化固相微萃取參數的新方法,同時也為解決非線性模型工藝優化的問題提供了新思路。庫爾勒香梨汁香氣物質固相微萃取的最佳萃取條件為:樣品量5.33 g,萃取溫度45℃,萃取時間 25 min,鹽離子添加量0.63 g。

    畜牧·獸醫·資源昆蟲
    黃花蒿提取物對奶牛瘤胃發酵指標的影響
    王麗芳,斯琴畢力格,敖長金
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4548-4555.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.013
    摘要 ( 94 )   HTML ( 30 )   PDF (361KB) ( 99 )   收藏
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    【目的】在奶牛日糧中添加菊科植物黃花蒿乙醇提取物,研究其對瘤胃中乙酸、丙酸、丁酸等發酵指標的影響,進一步探討其對CLA合成的溶纖維丁酸弧菌Butyrivibrio fibrisolvens(B.fibrisolvens)和蛋白溶解梭菌Clostridium proteoclasticum(C.proteoclasticum)的影響,旨在闡明黃花蒿乙醇提取物對奶牛瘤胃發酵的作用,并從瘤胃層次探明其對牛奶中CLA合成的部分作用機制。【方法】選取15頭體重為(600±29)kg、胎次2-3、泌乳期(158±3)d及泌乳量(22.8±1.8)kg·d -1相近的荷斯坦奶牛為試驗動物,試驗牛統一管理,自由采食、自由飲水;每天飼喂2次、擠奶2次(早上4:30、下午16:30)。試驗采用完全隨機設計,分為3組,分別是對照組和2個試驗組,每組5頭牛。試驗1組黃花蒿乙醇提取物的添加量為96 g/(d·頭),試驗2組黃花蒿乙醇提取物的添加量為160 g/(d·頭)。試驗期40 d,前9 d為預飼期,10—40 d為正式期。【結果】奶牛日糧中添加黃花蒿乙醇提取物可以增加瘤胃中pH值,其中兩個試驗組pH值分別增加了2.63%和8.61%,但差異不顯著(P>0.05);添加黃花蒿乙醇提取物均降低了瘤胃中VFA的含量,除異戊酸和戊酸低劑量黃花蒿乙醇提取物與對照組差異不顯著外,其余各組乙酸、丙酸、丁酸均與對照組差異顯著(P<0.05)。添加黃花蒿乙醇提取物均增加了瘤胃液相和瘤胃液混合物中B.fibrisolvens的相對百分比,差異顯著(P<0.05);降低了瘤胃固相中B.fibrisolvens的相對百分比,差異不顯著(P>0.05)。添加黃花蒿乙醇提取物均降低了瘤胃液相和瘤胃固相中C.proteoclasticum的相對百分比,差異顯著(P<0.05),增加了瘤胃液混合物中C.proteoclasticum的相對百分比,但是差異不顯著(P>0.05)。【結論】奶牛日糧中添加黃花蒿乙醇提取物影響瘤胃發酵,對瘤胃不同內容物中B.fibrisolvensC.proteoclasticum影響不同,總體趨勢是增加瘤胃中B.fibrisolvens的相對百分比,降低瘤胃中C.proteoclasticum的相對百分比,有利于調控CLA的生成。

    溫度和相對濕度對山羊生長性能和血液指標的影響
    李金朋,王國軍,趙天,周廣琛,楊雨鑫
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4556-4574.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.014
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    【目的】研究溫度和相對濕度(RH)對山羊生長性能、尿常規、血常規和血清生理生化指標的影響,為山羊在高溫高濕下的飼養、疾病診斷及制定緩解措施提供理論參考。【方法】試驗采用4個溫度水平(26℃、30℃、34℃和38℃)和4個RH水平(35%、50%、65%和80%)的4×4的試驗設計,選取體重相近的1.5歲左右的波爾山羊與奶山羊雜交一代羊8只,隨機分為2個組,每組4只羊,每只羊為1個重復。自然環境下適應期30 d,每組試驗期5 d,全天24 h處理,按照處理方式在人工環境控制艙輪流進行試驗。各組試驗開始前后記錄每只羊的體重,每天記錄采食量、飲水量,各組試驗第3天和第5天采集全血用于測血常規和獲得血清,并檢測血清生理生化指標。【結果】(1)溫度和RH交互作用對山羊平均日采食量(ADFI)和平均日飲水量(ADWI)有顯著影響(P<0.05),而對平均日增重(ADG)、料重比和血常規指標均無顯著影響(P>0.05)。38℃各處理組山羊ADG顯著低于26℃和30℃各處理組(P<0.05)。38℃時山羊ADFI顯著低于26℃和30℃(P<0.05)。RH為65%和80%時白細胞總數(WBC)顯著低于RH為35%時(P<0.05)。(2)試驗第3天,溫度和RH交互作用對山羊血清鉀(K)含量,谷丙轉氨酶(ALT)和谷草轉氨酶(AST)活性有顯著影響(P<0.05)。38℃,80%時山羊血清K含量顯著低于其他組(P<0.05)。38℃時山羊血清葡萄糖(GLU)、球蛋白(GLO)、尿素氮(BUN)、鈣(Ca)和堿性磷酸酶(ALP)顯著低于26℃和30℃(P<0.05)。RH為80%時山羊血清GLU、BUN顯著低于RH為35%時(P<0.05)。試驗第5天,溫度和RH對山羊血清總蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、GLO、BUN、Ca、磷(P)、K、鈉(Na)含量和乳酸脫氫酶(LDH)活性的影響均有顯著的交互作用(P<0.05);34℃和38℃時對山羊血清GLU、氯(Cl)、ALT、AST、ALP和肌酸激酶(CK)顯著低于26℃(P<0.05);RH為60%和80%時山羊血清GLU、Cl顯著低于RH為35%時(P<0.05)。(3)試驗第3天和第5天,38℃,80%和38℃,65%時山羊血清總抗氧化能力(T-AOC)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)和過氧化氫酶(CAT)的濃度顯著低于26℃各處理組(P<0.05)。34℃和38℃山羊血清丙二醛(MDA)顯著高于26℃(P<0.05)。(4)溫度升高,ADFI、ADG及血清TP、GLO、BUN、GLU、ALT、T-AOC、SOD、CAT降低,而ADWI和血清MDA升高。RH升高,ADFI及血清GLU、Cl、T-AOC、GSH-Px降低,而血清TP、LDH、MDA升高。(5)試驗第5天血清TP、ALB、GLO、BUN、GLU、TC、TG、Ca、P、ALT、AST、ALP、LDH和CK大多組低于試驗第3天,而血清抗氧化指標MDA高于試驗第3天,T-AOC、SOD、CAT和GSH-Px在34℃和38℃時高于第3天。【結論】溫度、RH及二者交互作用不同程度地影響山羊平均日采食量、平均日飲水量、血清生化指標和抗氧化指標,高溫高濕環境不利于山羊的生長性能和機體抗氧化功能,其中,溫度為38℃,RH為80%時山羊受到的影響最嚴重。另外,隨著高溫高濕時間的延長,山羊表現出更強的應激反應。

    意大利蜜蜂工蜂中腸發育過程中的差異表達環狀RNA及其調控網絡分析
    郭睿,陳華枝,熊翠玲,鄭燕珍,付中民,徐國鈞,杜宇,王海朋,耿四海,周丁丁,劉思亞,陳大福
    中國農業科學. 2018, 51(23):  4575-4590.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.015
    摘要 ( 156 )   HTML ( 19 )   PDF (3399KB) ( 78 )   收藏
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    【目的】環狀RNA(circular RNA,circRNA)在可變剪接、轉錄調控和來源基因的表達調控等方面具有重要功能。本研究旨在探究意大利蜜蜂(Apis mellifera ligustica,簡稱意蜂)工蜂中腸發育過程中circRNA的表達譜及其發育過程中的差異表達circRNA(differentially expressed circRNA,DEcircRNA),進而在轉錄組水平探究DEcircRNA在中腸發育中的作用。【方法】基于前期獲得的意蜂7和10日齡工蜂中腸樣品(Am7和Am10)的全轉錄組數據,利用find_circ軟件從質控后的數據中預測circRNA。采用RPM算法歸一化處理得到circRNA的表達量。利用DEGseq軟件對circRNA進行差異分析,按照差異倍數(fold change)≥2、P<0.05及錯誤發現率(false discovery rate,FDR)<0.05條件篩選DEcircRNA。通過BLAST比對GO和KEGG數據庫,對DEcircRNA的來源基因進行功能和代謝通路注釋。利用TargetFinder軟件預測DEcircRNA-miRNA及DEcircRNA-miRNA-mRNA調控網絡,通過Cytoscape v.3.2.1軟件對調控網絡進行可視化。通過實時熒光定量PCR(RT-qPCR)驗證測序數據的可靠性。【結果】意蜂中腸各樣品比對上參考基因組的短序列讀段數平均為19 616 356條。Am7與Am10的組內Pearson相關系數均≥0.950。共預測出256個DEcircRNA,包括105個上調circRNA和151個下調circRNA。Novel_circ_009675和novel_circ_013879分別在Am7和Am10中高量表達。DEcircRNA的來源基因可注釋到包括結合、單組織進程及細胞進程在內的32個GO條目,其中分別有35、35和7個來源基因注釋到催化活性、代謝進程和應激反應。上述來源基因還可注釋到35條KEGG代謝通路,其中分別有5、5和4個來源基因注釋到Hippo信號通路、內吞作用和吞噬體;進一步分析發現分別有1、2和2個來源基因注釋到磷酸肌醇代謝、淀粉和蔗糖代謝和半乳糖代謝等物質代謝通路,5、4、3、1和1個來源基因注釋到內吞作用、吞噬體、溶酶體、泛素介導的蛋白水解和MAPK信號通路等免疫通路。上述結果表明相應的DEcircRNA廣泛參與意蜂工蜂中腸的生長發育、新陳代謝和免疫防御。DEcircRNA-miRNA調控網絡分析結果顯示,141個DEcircRNA可靶向結合107個miRNA,其中多數僅能結合1—2個miRNA,但novel_circ_011577和novel_circ_010719結合的靶miRNA數可達32和28個;此外,mir-136-y、ame-miR-6001-3p及mir-136-y結合的circRNA數最多,分別為15、14和14個,表明相應的DEcircRNA可作為競爭性內源RNA在意蜂中腸發育過程發揮作用。進一步構建DEcircRNAs-ame-miR-6001-3p-mRNA調控網絡,分析結果顯示14個DEcircRNA可共同靶向結合ame-miR-6001-3p,表明它們可能通過調控ame-miR-6001-3p對意蜂中腸干細胞的分裂和分化進行間接調控。隨機選取6個DEcircRNA進行RT-qPCR驗證,結果顯示5個DEcircRNA的表達量變化趨勢與測序結果一致,證實了本研究測序結果的可靠性。【結論】通過對意蜂工蜂中腸發育過程中的DEcircRNA深入分析,提供了circRNA在意蜂工蜂中腸發育過程中的表達譜和差異表達信息,揭示了DEcircRNA在中腸發育過程中的作用,為中腸發育相關的關鍵circRNA的篩選和功能研究打下了基礎。

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