麦类作物学报杂志

麦类作物学报杂志2023年第11期

• 小麦DNA去甲基化酶基因全基因组鉴定及其在籽粒发育中的表达分析

  蒋正宁，刘大同，张晓，江伟，王玲，李东升，程晓明,高德荣

  DNA去甲基化酶（dMTase）是一种高度保守的表观遗传修饰因子，涉及许多生物学过程，包括生长发育、应激反应和次生代谢。本研究基于小麦基因组数据，对小麦 DNA去甲基化酶基因（TadMTase）进行了全面鉴定和生物信息学分析。结果表明，小麦基因组中包含18 个TadMTase基因，分布于小麦15条染色体上。系统进化分析将TadMTase分为 ROS、DML3、DML4 和 DML5等 4个亚家族，亚家族之间的TadMTase基因序列长度和内含子数量存在差异，但同一个系统进化树分支中的亚族成员具有高度相似的基因结构、保守 motifs 和结构域，为植物dMTase基因家族的直系同源基因，在进化方面具有保守性。亚细胞定位预测TadMTase均定位于细胞核中；通过与小麦祖先物种的进化及共线性分析，发现在小麦异源六倍体形成过程中存在部分TadMTase基因丢失；TadMTase基因家族启动子区域包含大量光信号、植物激素、胁迫响应和生长发育等相关顺式作用元件；转录组数据分析表明TadMTase基因在不同组织器官和籽粒发育不同时期表达模式不同，有一定的组织特异性。进一步RNA-Seq和荧光定量PCR分析表明TaROS1b-1A.1和TaROS1a-5A/D分别在籽粒的种皮和胚乳发育时期显著上调表达，且在强筋和弱筋小麦品种中表达存在差异。结果为TadMTase 基因在调控小麦籽粒生长发育及其品质形成中的调控机制提供参考。

• 二穗短柄草SPL家族基因的鉴定、系统发育和表达分析

  王淑婷，朱婷，马浩森，李小鹏，牛娜，马翎健

  植物特异性SPL家族基因编码SBP（squamosa promoter-binding protein-like）保守结构，参与调节植物的生长和发育。为了解二穗短柄草中SPL家族基因的分布、结构及功能，对二穗短柄草全基因组中SPL家族成员进行了系统分析。结果表明，在二穗短柄草全基因组中鉴定出17个BdSPL基因，在5条染色体上呈不均匀分布,bd03号染色体上分布最多；根据系统发育树，17个BdSPL被分为6个组，同组成员有保守的结构和基序；其中6对 BdSPL基因发生基因复制事件;在BdSPL基因启动子区域发现了各种顺式元件，如ABRE、CGTAC-motif和LTR。转录组数据和qRT-PCR分析显示，BdSPL基因在二穗短柄草花中表达量较高，而在根系中表达量较低，在不同植物激素处理下表达量有差异。

• 燕麦植物激素信号转导通路中响应干旱胁迫的关键基因

  崔思宇，张志芬，付晓峰，刘俊青，杨海顺

  植物激素信号转导通路是响应胁迫的重要通路，该通路中基因的表达调控作物的抗旱性。为挖掘燕麦植物激素信号转导通路中响应干旱胁迫的关键基因，本研究对燕麦幼苗进行不同干旱胁迫处理，取叶片进行转录组测序，分析不同处理下基因的表达。结果表明，与正常水分条件相比，轻度干旱胁迫（PEG 10%）诱导624个基因表达发生显著变化（DEGs），重度干旱胁迫（PEG 20%）诱导13 063个。GO富集分析显示，重度干旱胁迫下，DEGs主要富集在对胁迫反应的调节；KEGG分析显示，轻度干旱胁迫下，植物激素信号转导通路中1个ARF和2个CRE1基因表达显著下调，表达量较高，可能为燕麦在该通路中响应轻度干旱胁迫的基因；而重度干旱胁迫下，植物激素信号转导通路富集169个DEGs，其中生长素和脱落酸信号转导过程DEGs较多，分别占植物激素信号转导通路总DEGs的20.7%和15.9%；在8条激素信号转导过程中筛选出12个表达量较高的基因，可能为燕麦在该通路中响应重度干旱胁迫的关键基因。本研究将为今后燕麦抗旱基因的克隆和验证提供依据。

• 燕麦PRR基因家族鉴定与表达分析

  南金生，王跃飞，安江红，刘娜，温欣燕，王梦旭，王媛媛，强泽，韩冰

  春、夏播燕麦是长日照作物，光周期不敏感燕麦的创制使其在短日照条件下能正常生长发育。PRR基因是光周期途径中重要的昼夜节律调节基因。前期转录组研究表明PRR基因可能与燕麦光周期不敏感性有关。本研究从转录组和全基因组水平对燕麦PRR基因家族进行鉴定、生物信息学分析和表达研究。结果表明，在燕麦转录组和基因组水平分别鉴定到6个和2个PRR基因，均包含REC和CCT结构域；进化分析表明燕麦PRR基因与小麦、大麦、黑麦草和山羊草的亲缘关系较近；燕麦PRR基因启动子区域包含与光响应、生长发育和胁迫相关的顺式作用元件；qRT-PCR分析表明燕麦PRR基因的表达具有节律特征，全生育期过程中AsPRR1和AsPRR2在穗和叶的表达量均呈现由低到高、下降后再升高的双峰趋势，且AsPRR2基因的表达量高于AsPRR1。以上结果说明，AsPRR基因在燕麦光周期途径中发挥负调控作用，其下调表达促进了光周期不敏感性燕麦gp012在短日照条件下开花。本研究为揭示AsPRR基因在燕麦光周期不敏感机制中的作用奠定 了基础。

• 基于高效SNP芯片的小麦产量相关性状全基因组关联分析

  刘丽华，刘阳娜，周悦，李宏博，张明明，屈平平，赵昌平，庞斌双

  挖掘小麦产量相关性状的稳定关联位点，为相关基因克隆和分子标记辅助选择提供理论依据。本研究以248个中国北部冬麦区育成品种为材料，利用自主研发的Affymetrix BAAFS Wheat 90K SNP芯片对株高、穗长、小穗数、穗粒数、有效分蘖数、粒长、粒宽和千粒重共8个产量相关性状进行全基因组关联分析。共检测到158个与8个性状显著关联(P≤0.00001)的SNP位点，其中45个位点至少在两个环境中稳定表达，解释平均表型变异的3.60%~10.51%。在这45个位点中，有8个稳定关联位点与以往的研究结果一致；37个为新发现稳定位点，其中3个与株高稳定关联的位点，分布在7D染色体上，解释表型变异的3.60%~4.39%；9个与穗长稳定关联的位点，分别分布在1D、3A、5B和7D染色体上，解释表型变异的5.61%~8.42%；1个与穗粒数稳定关联的位点，分布在7D染色体上，解释表型变异的6.06%~7.22%；8个与有效分蘖数稳定关联的位点，分布在1B染色体上，解释表型变异的6.33%~8.73%；6个与粒长稳定关联的位点，分别分布在2A和5B染色体上，解释表型变异的5.45%~6.62%；7个与粒宽稳定关联的位点，分别分布在4B和5A染色体上，解释表型变异的6.90%~10.51%；3个与千粒重稳定关联的位点，分布在3A染色体上，解释表型变异的7.05%~7.69%；对稳定位点进行候选基因分析，筛选到45个候选基因，其中有功能注释的基因41个，其中4个位于基因内。

• 9个燕麦品种在齐齐哈尔地区的农艺性状及饲草品质评价

  柴华，杨曌，申忠宝，李莎莎，王晓龙，徐艳霞，吴玥

  为筛选出适宜在齐齐哈尔地区推广种植的燕麦品种，用基于熵权的灰色关联方法对9个燕麦品种的农艺性状和饲草品质进行综合评价。结果发现，9个品种中，梦龙株高达到120 cm以上，与吉利和摩登差异不显著，但显著高于其他品种（P<0.05）；悍马鲜草产量最高（49 395 kg·hm-2），龙牧12号干草产量最高（13 837 kg·hm-2）。9个燕麦品种的可溶性碳水化合物（WSC）、粗蛋白（CP）、粗脂肪（EE）、酸性洗涤纤维（ADF）、中性洗涤纤维（NDF）、粗灰分（ASH）、木质素（ADL）含量和相对牧草质量（RFQ）分别为10.52%～12.55%、6.58%～9.88%、1.96%～2.83%、32.67%～39.52%、59.47%～68.34%、6.99%～10.40%、3.50%～4.47%、85.00～110.67。梦龙、龙牧12号和吉利的CP含量显著低于其他品种（P<0.05）；泰克的ASH含量显著高于其他品种（P<0.05）；龙牧12号的ADF和NDF含量均显著高于其他品种（P<0.05）。应用灰色关联度法对9个燕麦品种的农艺性状与饲草品质指标进行综合分析发现，作为饲草最适宜在该地区推广种植的燕麦品种为龙牧12号、悍马和优牧1号。

• 基于PSO-SVR模型的小麦赤霉病病穗率预测方法

  郁凌华，邢程，荀静，缪新伟，王军，曹文昕，岳伟

  为探寻小麦赤霉病病穗率预测方法，基于滁州市2005-2020年小麦赤霉病病穗率资料和对应气象资料，运用相关性及灰色关联分析法(GRA)确定小麦赤霉病主要气象影响因子并作为支持向量回归(SVR)模型的输入向量，再利用粒子群算法(PSO)优化SVR模型的惩罚因子C和核函数参数g，建立基于粒子群算法优化的小麦赤霉病预测支持向量回归模型。同时针对本地不同小麦品种，构建PSO-SVR-SOUTH和PSO-SVR-NORTH的PSO-SVR分模型，应用3种模型对滁州地区小麦赤霉病病穗率进行预测。结果表明，拔节期至灌浆期是影响滁州小麦赤霉病的重要时段，各生育时期内降水量、雨日数、湿度、日照等气象因子与赤霉病有高关联；PSO-SVR赤霉病病穗率预测模型的起报时间越接近灌浆期，其预测精度越高，测试样本的预测值与实测值相关系数最高达0.68，均方根误差最小为9.55%；按照不同小麦品种构建的PSO-SVR-SOUTH和PSO-SVR-NORTH模型的预测效果要优于原PSO-SVR模型，其中最迟起报时间的PSO-SVR-SOUTH和PSO-SVR-NORTH模型的平均绝对误差分别较原PSO-SVR模型减少了63.7%和20.8%，均方根误差RMSE较原有模型分别降低了61.6%和40.6%，相关系数分别提高了38.2%和29.4%，拟合优度R2则分别提高了1.4倍和1.1倍。该模型业务服务效果较好，可用于本地小麦赤霉病预测。

• 农户田块尺度冬小麦不同产量水平土壤细菌群落差异

  米倩，陈鲜妮，徐晓峰

  为了明确土壤细菌群落对小麦产量的影响，以河南省济源市冬小麦种植户田块为研究对象，通过采集扬花期麦田土壤样品，利用Illumina高通量测序技术测定细菌16S rRNA V3+V4区序列，分析冬小麦不同产量水平土壤的细菌群落差异。结果表明，高产组土壤铵态氮含量显著高于低产组(P<0.05)，土壤有机质含量、速效钾含量、有效磷含量、硝态氮含量、pH值在组间均无显著差异，土壤酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性在组间也均无显著差异。酸杆菌门(Acidobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)是土壤细菌群落的主导菌门。门水平上，小麦产量与芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、装甲菌门(Armatimonadetes)、纤维杆菌门(Fibrobacteres)、Latescibacteria、Dadabacteria相对丰度显著相关。属水平上，Bryobacter、黄杆菌属(Flavisolibacter)、芽单胞菌属(Gemmatimonas)、丰佑菌属(Opitutus)、黏液杆菌属(Mucilaginibacter)、Dongia、Chryseolinea、Pantoea、陶厄氏菌属(Thauera)、多囊菌属(Polyangium)、Chitinophaga相对丰度与小麦产量显著相关。高产组和低产组间土壤细菌OTU数量、Chao1指数以及香农指数均无显著差异，β-多样性差异极显著(P<0.01)。通过偏最小二乘路径模型分析，细菌物种丰度(属水平)和土壤理化性质对小麦产量有显著直接正向影响，土壤酶活性对小麦产量有显著直接负向影响(P<0.05)。综上芽单胞菌门、装甲菌门、纤维杆菌门以及Bryobacter、黄杆菌属、芽单胞菌属、黏液杆菌属、丰佑菌属的相对丰度对小麦产量有显著正向影响。土壤细菌物种丰度对小麦产量影响显著。

• 放线菌剂使用方法对晚播冬小麦生长及光合性状的影响

  张东旭，胡丹珠，闫金龙，冯丽云，邬志远，杨斌，李岩华，张俊灵

  为探究放线菌剂使用方法对晚播冬小麦生长及光合性状的影响，以长6990为供试小麦品种、娄彻氏链霉菌（D74）为供试菌剂，在大田设置T1（种子包衣+拔节期、灌浆期喷施D74菌剂）、T2（种子包衣+拔节期喷施D74菌剂，灌浆期喷施清水）、T3（种子包衣+拔节期、灌浆期喷施清水）、T4（种子不包衣+拔节期、灌浆期喷施D74菌剂）和CK（种子不包衣+拔节期、灌浆期喷施清水）5个处理（包衣中含有菌剂D74），比较分析了不同处理间小麦产量及其构成要素、表型性状、光合特性及干物质积累的差异。结果表明，放线菌剂处理下晚播小麦的产量较CK均不同程度提高，增产幅度为7.35%~25.00%，且不同处理的产量表现为T4>T1>T2>T3>CK，其中T1、T4处理与CK差异显著(P＜0.05)；不同处理间株高无显著差异(P>0.05)， T1和T4处理的穗长、穗粒数和千粒重显著高于CK，T2处理穗粒数和千粒重也较高。在光合性状中，放线菌剂处理主要影响晚播小麦灌浆后期的光合效率。花后28~35 d，T1、T4处理的旗叶净光合速率，T1~T4处理的旗叶叶绿素相对含量（SPAD）和氮含量，T1、T2和T4处理的叶面积指数均显著高于CK。放线菌剂使用后晚播小麦的花前干物质转运量及其对籽粒产量贡献率有所降低，但不同处理间差异不显著。T1、T2和T4处理的花后干物质的积累量较CK增加了37.93%、29.42%和50.92%；花后干物质积累对籽粒产量贡献率也有所提高，但不同处理间差异不显著。综合来看，放线菌剂能够有效增加晚播小麦的光合持续能力，延缓叶片衰老，促进花后干物质积累、穗部发育和籽粒灌浆，增加穗粒数和千粒重，进而提高产量，其中放线菌剂种子包衣效果不明显，叶面喷施放线菌剂效果较突出，拔节期和灌浆期叶面喷施放线菌剂的效果最佳。

• 多遥感光谱指标结合进行大田冬小麦叶片叶绿素含量估测研究

  韩振强，李卫国，张晓东，李伟，马廷淮，张宏，姚永胜

  为解决大田冬小麦叶片叶绿素含量估测模型精度低、通用性弱的问题，在获取冬小麦拔节期和抽穗期冠层红光波段反射率（BRred）和近红外波段反射率（BRnir）的基础上，计算归一化差值植被指数（NDVI）、差值植被指数（DVI）、比值植被指数（RVI）、土壤调节植被指数（SAVI）、改进型比值植被指数（MSR）、重归一化植被指数（RDVI）、II型增强植被指数（EVI2）和非线性植被指数（NLI）等8个植被指数。经统计分析，选择与叶片叶绿素含量（SPAD值）相关性较好的5个遥感光谱指标（NDVI、MSR、NLI、BRred和RVI）作为输入变量，建立了冬小麦叶片叶绿素含量的BP神经网络估测模型（WWLCCBP），并对估测模型进行精度验证。结果表明，WWLCCBP估测模型在拔节期估测的决定系数（r2）为0.84，均方根误差（RMSE）为5.39，平均相对误差（ARE）为9.87%。抽穗期的估测效果与拔节期较为一致。将WWLCCBP和高分六号影像结合监测了研究区域冬小麦叶片叶绿素含量的空间分布信息，叶片SPAD值在43.2~53.7之间的冬小麦长势正常，种植面积为25 483 hm2，占冬小麦总播种面积的69.81%。这说明多遥感光谱指标结合建立的神经网络估测模型可以实现对大田冬小麦叶片叶绿素含量的有效估测。

• 基于高光谱特征参数的冬小麦氮营养指数估算

  王玉娜，李粉玲，李振发，吕书豪

  为了实现快速高精度获取冬小麦氮营养指数的高光谱监测技术，利用美国SVC HR-1024I型野外光谱辐射仪对2017-2019年关中地区的冬小麦进行遥感监测，获取“三边”参数、任意两波段光谱指数和植被指数，通过相关性分析和逐步回归分析方法筛选冬小麦氮营养指数的敏感光谱参数，结合偏最小二乘回归（PLSR）、随机森林算法（RFR）、支持向量机回归（SVR）和梯度增强回归（GBDT）建立冬小麦氮营养指数模型，并对模型估算精度进行验证。结果表明，从拔节期到灌浆期，各时期的氮营养指数与任意两波段光谱指数均呈极显著相关，其中拔节期氮营养指数与任意两波段光谱指数相关性均高于其他时期，且基于一阶导数光谱的归一化光谱指数和比值光谱指数与氮营养指数的相关系数最大，为0.66。拔节期基于梯度增强回归的冬小麦氮营养指数预测模型的决定系数（r2）和均方根误差（RMSE）分别为0.96和0.05，模型验证的r2、RMSE和相对预测偏差（RPD）分别为0.95、0.12和2.12，模型预测精度最高。因此，拔节期基于梯度增强回归的冬小麦氮营养指数估算模型可用于冬小麦氮营养监测及后期田间管理。

• 氮磷钾用量对土壤矿质态氮和春小麦氮积累的影响

  田海梅,王月梅,王西娜，韦广源,谭军利,王朝辉

  为探明在引黄灌区春小麦生产中减施化肥对土壤供氮与春小麦吸氮的影响，通过田间小区试验，分析不同氮、磷、钾用量对耕层土壤矿质态氮累积与春小麦氮素吸收利用的影响。结果表明：(1)施氮量120～180 kg·hm-2时，土壤矿质态氮累积量和植株氮素累积量最高为102.58 kg·hm-2和294.92 kg·hm-2，与常规施氮量(240 kg·hm-2)相比，氮素利用率、氮肥贡献率及氮肥农学效率均显著提高，增幅分别为138.97%、29.23%、136.35%，氮肥偏生产力和依存率降低至41.2 kg·kg-1和68.35%；籽粒产量增加3.54%～15.66%。可见，适量减氮有利于耕层土壤氮素矿化，促进氮向籽粒转移，提高氮肥利用率和籽粒产量。(2)从常规施磷量(120 kg·hm-2)减施至48～96 kg·hm-2时，土壤矿质态氮累积量和植株氮累积量均升高，最高为98.61 kg·hm-2和242.79 kg·hm-2，比常规施磷平均高26.69%和9.91%；施磷量为48 kg·hm-2时，氮肥利用率和贡献率较不施磷提高295.24%和29.91%，氮依存率降低至68.56%，而与常规施磷相比籽粒产量并未降低，说明适当施磷可提高耕层土壤矿质态氮和小麦植株氮累积量，从而提高氮肥利用效率和籽粒含量。(3)施钾量30～60 kg·hm-2时，较不施钾的土壤矿质态氮累积量提高8.48%和12.87%，拔节期提高显著，对氮肥利用效率和籽粒产量无显著影响，说明适量钾肥促进土壤氮素矿化和拔节期植株氮素累积。宁夏引黄灌区，施氮、磷和钾量对土壤矿质态氮和春小麦植株氮积累量有显著影响，施氮120～180 kg·hm-2、施磷48～96 kg·hm-2、施钾30～60 kg·hm-2利于耕层土壤矿质态氮和春小麦植株氮积累，从而提高氮肥利用率。