为探究不同水分条件下施磷肥对冬小麦光合及结实特性的调控效应,明确施磷调控光合生产力促进穗花发育成粒的机制,于2020-2022年设置3种水分处理(W0:重度干旱;W1:中度干旱;W2:正常水分)和2种磷肥处理(P0:不施磷;P1:施磷)的盆栽试验,以大穗型品种周麦16(V1)和多穗型品种豫麦49-198(V2)为试验材料,通过测定不同穗位(基部、中部和顶部)的可孕小花数、结实数以及叶片净光合速率、叶绿素、叶绿素荧光参数、蔗糖含量等,分析不同水分条件下磷素对两类型品种冬小麦光合及结实特性的影响.结果表明,施磷肥可以有效增加冬小麦开花期(W10时期)可孕小花数,尤其对基部穗位的可孕小花数提升效果最显著(13.74％—27.01％),其次是顶部(9.57％—20.19％),再次是中部(6.97％—14.01％).对成熟期的结实粒数而言,施磷肥可以提高干旱胁迫下每穗的小穗数以及各小穗的结实数,进而显著提高每穗的结实粒数.此外,施磷肥可以有效提高两类型品种叶片净光合速率、叶绿素含量、光系统Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)和实际光化学效率(ΦPSⅡ);对蔗糖含量的影响因水分而异,干旱处理下增施磷肥降低了蔗糖含量,正常水分条件下则增加了蔗糖含量.将两类型品种光合指标分别与可孕小花数和穗粒数进行通径分析发现,5个光合指标与可孕小花数和穗粒数均呈正相关,其中净光合速率和蔗糖与可孕小花数的直接通径系数为1.001和0.435,与穗粒数的直接通径系数为0.996和0.626,远高于其他指标.最终,施磷通过增加穗数、穗粒数以及千粒重来显著增加产量,其中穗粒数在不同水分下均达到显著水平,穗数在W1和W2处理下显著,千粒重提升效果不显著.综上所述,在不同水分条件下施磷肥均可以通过调控冬小麦的光合性能提高其光合生产力,以维持正常的生理代谢功能,从而减少可孕小花的退化和败育以促进穗花成粒,最终达到缓解干旱胁迫危害以实现高产稳产的目的.研究结果为小麦生产中合理施用磷肥缓解干旱胁迫提供理论依据和技术支撑.

穗顶部退化型在生产中十分常见,它影响穗粒数、结实率和单株产量,需要在育种实践中尽量避免;而直立密穗型是一种能够适应密植栽培的穗型.分离和克隆这两个性状的相关基因对水稻的分子设计育种具有重要意义.本研究报道了一个水稻穗部突变体zhao1的研究结果.zhao1表现为密穗和穗顶部退化的双重表型,利用该材料与IRAT129杂交,F2群体中分离出穗型和顶部退化两个独立遗传的性状.遗传分析表明,直立密穗性状为单基因显性性状,而穗顶部退化性状可能涉及不多于两对的基因.分别对这两个性状开展了连锁分析和图位克隆,发现密穗性状的候选基因为DEP1,其突变方式与dep/的突变方式相同.穗顶部退化性状的连锁和图位克隆结果将穗顶部退化候选基因确定在第3号染色体6.85～6.93 Mb区间内.该区间包含8个推测的基因,其中基因LOC_Os03g12790的表达量下调了 27倍,是可能的候选基因,为最终克隆穗顶部退化候选基因奠定了基础.

水稻穗顶部退化在水稻生产中时有发生,影响水稻的穗粒数,严重时会导致水稻产量下降.目前,虽然从水稻穗顶部退化突变体中已经鉴定出了一些基因如PAA1、PAA2、TUT1等,但是对穗顶部退化发生的分子机制的认知仍十分有限.本研究报道了一个穗顶部退化的隐性突变体tutou3的基因定位及克隆结果.该突变体在营养生长时期表现为株高变矮,穗发育后期穗顶部发生严重退化,每穗实粒数、穗长、千粒重极显著降低.遗传分析表明,tutou3受1对隐性基因控制.利用tutou3xIRAT129杂交组合F2分离群体中的856个穗顶部退化极端个体,将基因TUTOU3定位在了 4号染色体长臂端的29 kb区间内,测序研究发现,区间内一个编码质膜H+-ATP酶基因LOC_Os04g56160的第8外显子存在1个C → A单碱基替换,导致第608个氨基酸从丙氨酸突变为天冬氨酸.qRT-PCR分析发现,TUTOU3基因在水稻中呈组成型表达,在突变体中该基因表达量下降.诱发穗顶部细胞程序性死亡的基因OsVPE2和OsVPE3在突变体tutou3中表达量极显著上升.对TUTOU3基因的深入研究将会揭示H+-ATP酶在穗顶部细胞的生长发育中的作用,有助于深入阐明穗顶部退化在细胞水平上发生的机制.

水稻穗顶部退化(PAA,panicle apical abortion)是一种典型的数量性状,极容易受环境条件的影响.Ats1是一个来自于秋光和七山占的染色体片段置换系,先前的连锁分析发现,它在第8号染色体上带有一个穗顶部退化基因4TS1(Aborted Top Spikelet 1),与先前定位的qPAA8位置近似.通过比较北京地区2018年与其他年份的气候差异,以及在不同生长环境条件下Ats1的穗顶部退化表型时发现,穗顶部退化表型与生长环境条件高度关联.在2018年的高温生长条件下,Ats1穗顶部退化程度相对减轻,说明高温降低了 Ats1穗顶部退化表型的发生率.此外,通过IRAT129和Ats1杂交配置的F2群体的遗传分析,发现穗顶部退化的遗传分离明显偏离单基因显性遗传的3退化∶1正常的分离比例,说明Ats1置换系中可能还存在其他穗顶部退化基因.基于F2∶3家系群的表型分析,筛选出单基因分离家系18C4013,进一步将ATS1基因定位于57 kb区域内,为最终克隆该基因奠定了基础,其表型鉴定及单基因家系分离的方法可以被进一步用于其他受环境条件影响的复杂性状的基因精细定位.