合理的大豆-玉米间作模式可有效促进土壤磷周转与作物磷吸收,减少磷肥投入.为优化大豆与玉米间作系统对磷素的利用效率,本研究选用两种不同基因型大豆与玉米间作,探究其影响土壤磷组分及作物磷吸收的关键根际过程及机制.结果表明:间作显著消耗了大豆'粤春03-3'根际可溶性无机磷(CaCl2-P),而对大豆'Essex'根际磷组分无显著影响.间作显著增加了大豆'粤春03-3'的生物量和磷吸收量,比单作分别显著增加42.2％和46.9％,而对大豆'Essex'和玉米磷吸收量和生物量无显著影响.间作显著增加了'粤春03-3'总根长和根系分泌物总量,比单作分别增加了 19.7％和138.1％,且粤春'03-3'磷吸收量与总根长呈显著正相关,与可溶性无机磷含量呈显著负相关.综上,大豆-玉米间作对土壤磷组分与作物磷吸收的影响存在基因型差异,间作通过增加磷高效大豆根长与根系分泌物等促进磷吸收及根际土壤磷周转,从而提高其磷利用效率.本研究明确了大豆-玉米间作体系磷素利用的基因型差异及潜在机制,为优化大豆-玉米间作体系品种搭配、实现磷素高效利用与化肥减施增效提供了科学依据.

[目的]盐胁迫易导致月季生长发育不良、观赏品质下降,严重影响其在高盐环境或沿海地区室外绿化应用,探究施用外源褪黑素(MT)和接种丛枝菌根真菌(AMF)对其幼苗生长、叶绿素荧光参数以及激素代谢的调控作用,解析它们促进月季适应盐胁迫的生理生化机制,对于增强月季抗盐性,扩大月季应用范围具有重要意义.[方法]以月季品种'月月红'幼苗为试验材料,采用室内盆栽试验,设置对照(CK)、100 mol/L NaCl胁迫、根际施用MT、根际接种AMF幼套近明球囊霉(Claroideoglomus etunicatum)及其组合等8个处理,考察各处理对月季幼苗生长、叶绿素荧光参数、激素代谢及抗氧化系统的影响.[结果](1)施用MT可以促进AMF对月季幼苗根系的侵染,提高侵染率、丛枝着生率、泡囊数和侵入点数;(2)月季幼苗株高、茎粗以及生物量等在盐胁迫下显著下降,在MT或AMF处理下均不同程度增加,而AMF+MT处理下株高、茎粗无显著变化,地上部干重、地下部干重分别显著增加24.1％和37.0％;(3)月季幼苗叶绿素含量在盐胁迫下显著下降,叶绿素荧光参数也降低,MT或AMF处理能提高盐胁迫月季幼苗叶绿素含量以及叶绿素荧光参数,AMF+MT处理则使叶绿素总量、叶绿素a/b分别增加46.2％和67.2％,PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、潜在活性(Fv/Fo)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)、有效光化学量子效率(Fv'/Fm')、光化学淬灭系数(qP)分别增加4.9％、51.0％、175.0％、168.7％和92.5％,而NPQ下降42.7％;(4)在盐胁迫下,月季叶片中玉米素(ZT)、赤霉素(GA)、生长素(IAA)含量下降,而脱落酸(ABA)含量增加,MT或AMF处理有利于盐胁迫下ZT、GA、IAA含量的提高以及ABA含量的下降,AMF+MT处理后ZT、GA、IAA分别增加146.9％、116.9％、35.7％,ABA下降21.1％;(5)在盐胁迫下,抗氧化酶SOD、CAT活性增强,超氧阴离子(O2(·-))产生速率和H2O2累积大量增加,MT或AMF处理有助于增加抗氧化酶活性并减少O2(·-)产生速率和H2O2含量,而AMF+MT处理能够进一步激活SOD、CAT活性,降低O2(·-)产生速率和H2O2累积.[结论]接种AMF、添加MT或者AMF+MT处理均可以提高盐胁迫下月季幼苗叶绿素含量,保护叶绿素荧光系统,维持植物内源激素的平衡,激活SOD、CAT等抗氧化酶活性以及降低脂质过氧化和H2O2累积,以减轻盐胁迫对月季幼苗的伤害,促进月季生长,并以AMF+MT处理增强月季幼苗抗盐性的效果更佳.

了解根系吸水模式对缺水地区发展高效的灌溉管理措施至关重要.大多数估算根系吸水的模型或传统方法都需要对根系形态有详细的了解,而这很难在原位条件下获得.本研究借助Insentek水分监测仪来估算地下滴灌条件下冬小麦-夏玉米的根系吸水特征.试验于2018-2019年在防雨棚下测坑内进行,地下滴灌灌溉量分别为作物蒸发蒸散量(ETc)的0.4、0.8、1.0和1.2倍,记为0.4ETc、0.8ETc、1.0ETc和1.2ETc,并设置地面灌溉处理为对照(CK).结果表明:土壤上层(20～50cm)和下层(60～100 cm)根系对水分的吸收存在互补效应;除0.4ETc外,灌溉后,下层土壤根系吸水速率降低;在各灌溉周期的后期,当上层根系吸水速率降低时,下层根系吸水速率表现为增强趋势;与CK处理相比,1.0ETc处理的根系吸水速率波动幅度较小,其冬小麦和夏玉米产量分别增加7.4％和15.3％;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理主要降低了冬小麦灌浆前期和夏玉米灌浆后期的测定间隔累计根系吸水量,最终,0.8ETc处理冬小麦的产量增加12.7％,而夏玉米产量没有显著降低;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理的水分利用效率显著增加.综上,地下滴灌适度亏缺灌溉(0.8ETc)能增强深层土壤根系吸水能力,提高冬小麦的产量及冬小麦-夏玉米水分利用效率,是一种有效的高产节水灌溉策略.

西部露天煤矿区气候干旱,提高矿区植物利用深层土壤水是矿区生态环境恢复的重要步骤,明晰微生物生态修复技术下植物根系及土壤水分分布特征对于矿区生态重建具有重要意义.为了探讨接种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)对玉米根系形态及土壤水分分布的影响,本研究以饱和粉质黏土作为隔水层,砂土作为土壤层来进行室内土柱试验,共设置了不种玉米不接种AMF(CK)、种植玉米不接种AMF(YM)、种植玉米接种AMF(YF)3个试验处理,并在试验过程中对土壤水分分布和植物生长相关指标进行监测.结果表明:试验前期接菌处理下土壤平均含水率比不接菌处理低 14.5%,而试验后期接菌处理比不接菌处理高 20.1%,同时还发现 97.4%的玉米根系主要分布在0-40 cm的土层中.与不接种AMF处理相比,接种AMF的玉米细根的根长度、根体积和根表面积占比分别增加 4.4%、1.2%和 2.6%.通过直接对比法和贝叶斯混合模型分析表明,接菌处理下玉米对中层土壤(10-50 cm)水分吸收为 47.1%,而不接菌处理对该层土壤水分吸收则为 35%.这些结果表明接种 AMF 能提高植物对土壤中层水的利用比例.研究结果可作为西部露天煤矿区土地复垦与生态恢复提供科学依据和技术支撑.

[背景]土壤盐渍化已经成为日益严重的世界性问题,盐渍化不仅影响作物的产量,还会影响土壤的理化性质,抑制种子的萌发,阻碍植物正常生长,以及种子对水分和养分的吸收,进而影响作物的产量.[目的]玉米在盐渍土壤上生长受限,探究在中、高盐浓度下田菁种子内生菌与田菁胶混合浸种对玉米发芽的影响,为促进盐渍土玉米生长提供技术支持.[方法]利用LB液体培养基测定田菁种子内生菌贝莱斯芽孢杆菌ZH60 的耐盐性;分别利用 1%浓度田菁胶、OD600 为0.8的ZH60菌悬液及两者混合液对玉米浸种3 h,自然风干后分别置于0、100和200 mmol/L NaCl的 0.8%琼脂培养基上培养,测定玉米种子发芽势、发芽率、根长及芽长.将两叶一心期的玉米幼苗移至装有蛭石的花盆中培养,用荧光标记的内生菌ZH60 灌根,分别于 1、5、11、17、25 d取玉米根系研磨,利用平板菌落计数法测定内生菌在玉米根部的定殖量;利用激光共聚焦显微镜观察第 28 天ZH60 在玉米根部的定殖情况.[结果]菌株ZH60 耐 11%的NaCl盐浓度,在中、高盐浓度下混合浸种的发芽势较对照组分别提高了 28%、22%、30%;芽长提高了 158%、163%、150%;根长提高了 36.8%、21.4%、42.9%.ZH60 能够在玉米根部定殖,定殖量从第 1 天的 2×104 CFU/g提高到第 25 天的 2.5×104 CFU/g.[结论]田菁种子内生菌贝莱斯芽孢杆菌ZH60 具有较高的耐盐性,在盐浓度下与田菁胶共混浸种均明显提高了玉米发芽势及根长、芽长,且能在玉米根部定殖,为实现盐渍土上提高玉米出芽和生根提供了菌株资源.

本试验利用改进的开顶式气室(OTC)在黄土高原长武农业生态试验站田间模拟大气CO2浓度升高环境,设置3 个处理:CK(田间环境,自然大气CO2浓度)、OTC(OTC气室,自然大气CO2浓度)、OTCe(OTC气室,CO2浓度 700 μmol·mol-1),探讨春玉米在不同生育期各器官非结构性碳水化合物(NSC)及籽粒品质(可溶性糖、淀粉和粗蛋白)对大气CO2浓度升高的响应,为揭示旱作区春玉米对大气CO2浓度升高的适应机理提供科学依据.结果表明:大气CO2浓度升高对玉米NSC含量、积累量的影响因器官和生育期不同而异.与CK和OTC相比,OTCe促进了生殖生长阶段叶、茎和根NSC的活化再分配,提高了叶片、茎秆和根系NSC转运到籽粒的量(ATMNSC)、向籽粒的转运率(ARNSC)以及对籽粒的贡献率(ACNSC);与CK相比,OTC带来的增温效应抑制了茎和根 NSC 的活化再分配,促进了叶 NSC 的活化再分配,显著提高了玉米叶 ATMNSC、ARNSC、ACNSC.在两年试验中,大气CO2浓度升高对玉米籽粒可溶性糖、淀粉和粗蛋白含量无显著影响.

禾本科/豆科作物间作能够促进作物生长与产量形成,而根际微生物组被认为与间作产量优势形成关系密切.将玉米和花生进行盆栽间作并设置以下三种根系分隔方式:塑料膜分隔(即全隔玉米与全隔花生)、尼龙网分隔(即网隔玉米与网隔花生)、无分隔处理(即无隔玉米与无隔花生),采用基于16S rRNA基因的高通量测序技术及PICRUSt功能预测分析不同模式下二者根际细菌群落结构与功能类群的变化,以期从土壤微生物组角度阐明玉米/花生间作产量优势形成的内在机制.结果显示:玉米/花生间作明显改变了二者根际细菌群落结构,无隔、网隔玉米的根际细菌群落结构更为相似并区别于全隔玉米,而网隔花生根际细菌群落结构明显区别于无隔、全隔花生.而且,无隔、网隔玉米根际放线菌门的相对丰度显著高于全隔玉米,网隔花生根际放线菌门、厚壁菌门的相对丰度显著高于全隔、无隔花生,而芽单胞菌门呈现相反的变化趋势.在玉米和花生根际,无隔、网隔处理高于全隔处理的OTU也均主要注释为放线菌门.共存网络分析发现,作为玉米根际细菌网络重要节点的Streptomyces、Actinomadura、Arthrobacter、Bacillus等菌属其丰度变化表现为无隔、网隔处理高于全隔处理;类似地,花生根际Streptomyces、Actinomadura、Arthrobacter等重要节点也呈现网隔处理高于无隔、全隔处理的变化趋势.最后,PICRUSt功能预测分析发现,玉米/花生间作显著提高了膜转运、碳水化合物代谢等功能类的相对丰度而降低了复制与修复等功能类的相对丰度.综上可见,玉米/花生间作选择塑造了二者的根际细菌群落结构,增加了特定潜在有益菌群的丰度,改善了根际微生态环境与功能,进而促进间作下产量优势的形成.

为了探明干旱胁迫下沼液对玉米幼苗抗旱、光合生理、形态的缓解效应,以中度抗旱玉米杂交种'先玉335'和较强抗旱杂交种'中单2号'为材料,采用10％聚乙二醇-6000模拟干旱胁迫,研究50％沼液根部浇灌处理对干旱胁迫下玉米幼苗生长和生理特性的影响.结果表明,沼液根部施用可以显著提高两品种玉米的抗旱性,有效缓解干旱胁迫对玉米幼苗根系和地上部生长的抑制作用,促进两品种玉米幼苗生长和提高根系活力,降低根冠比,且'先玉335'的变幅更大;同时显著提高两品种叶片SOD、POD和CAT活性以及可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量('中单2号'的CAT除外),降低MAD含量,且对'中单2号'的影响更显著;沼液根施还可以显著提高干旱胁迫下两品种叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr),降低气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci),但'中单2号'的Tr和Gs除外,同时使两品种叶片叶绿素含量和水分利用效率(WUE)均显著增加.可见,沼液根施处理可以有效改善干旱胁迫下玉米幼苗的光合能力,显著提高幼苗抗氧化酶活性和渗透调节物质的含量,减轻膜脂过氧化程度,有效缓解干旱胁迫对2种不同抗旱性玉米幼苗的生长抑制,从而增强玉米耐受干旱胁迫的能力,且对'中单2号'的缓解效果更明显.

以京农科 728 等 24 个我国玉米生产大面积推广种植品种为研究材料,设置 6.0(D1)和 9.0(D2)万株/hm2 共两个种植密度处理,研究并明确不同种植密度条件下参试品种的茎秆力学和根系性状差异,为耐密高产品种选择和育种提供参考和指导.结果表明,(1)参试玉米品种的抗倒性存在较大差异,其中,以京 2416 为父本组配的京农科 728 等 18 个品种全生育期均未发生倒伏倒折,抗倒能力强;郑单 958 在生理成熟前未发生倒伏,而在生理成熟期D2 密度下倒伏倒折率高达 89.40%;先玉335 在大喇叭口期发生根倒,倒伏率高达 68.56%,生育后期未发生倒伏.(2)随种植密度增加,参试品种的株高、穗位高和穗位系数均呈升高趋势.以京 2416 为父本组配的京农科 728 等 18 个品种的株高、穗位高和穗位系数平均为 272.13 cm、106.44 cm和39.11%,显著低于郑单 958 和先玉 335.(3)随种植密度增加,参试品种的茎皮穿刺强度、茎秆抗折力、根系长度和根系干物重均呈降低趋势,平均为 40.61 N/mm2、205.06 N、217.35 m/plant和 14.29 g/plant;产量呈升高趋势,平均为 11 724.48 kg/hm2.与郑单 958 和先玉 335 相比,以京 2416 为父本组配的京农科 728 等 18 个品种的茎皮穿刺强度、茎秆抗折力、根系长度、根系干物重和产量具有明显优势,且耐密抗倒性强,产量潜力高,是耐密高产型品种.

作物表型的多样性受到多方面因素的影响,其中表观遗传变异可以通过表观修饰调控基因表达来控制作物性状及胁迫响应,进而影响农作物产量.影响玉米产量的主要农艺性状包括株高、叶夹角、根系等株型因素.此外,生物胁迫和非生物胁迫、种质资源也是影响玉米产量的关键因素.作物中主要的表观调控方式包括组蛋白修饰、DNA修饰、RNA修饰、非编码RNA及染色质重构.本综述重点总结了表观遗传修饰对玉米主要产量性状的调控机制及表观遗传变化在作物品种改良中的重要性,并结合表观遗传编辑技术提出了提高玉米产量的表观育种新途径.