[目的]农田土壤镉污染严重威胁农产品质量安全,探讨化肥减量同时配施不同有机肥条件下小麦和燕麦各器官镉积累、分配及转运特征,对于指导作物合理施肥、保证农产品安全具有重要意义.[方法]在化肥施用减量20％基础上,设厩肥30 000 kg/hm2(AM)、生物有机肥600 kg/hm2(BF)、厩肥30 000 kg/hm2+生物有机肥600 kg/hm2(AM+BF)及化肥正常施用量(CK)4个施肥处理,研究不同有机肥处理对小麦和燕麦镉积累、分配、转运特征的影响.[结果](1)与CK相比,不同有机肥配施处理可使小麦和燕麦生物量增加6.78％～11.00％;同时可使各器官镉含量总体降低,其中籽粒镉含量降低11.76％～47.06％.(2)各有机肥配施处理使各器官镉富集系数总体降低,籽粒富集系数降低0～38.46％;BF、AM+BF处理根、茎、叶、穗镉向籽粒的转运系数分别降低16.67％～42.86％、15.79％～42.03％、0～56.10％、6.82％～22.06％.(3)燕麦灌浆期后茎秆镉含量下降伴随着籽粒镉含量上升;燕麦抽穗期后各器官镉向籽粒的转移量、转移率、贡献率均以茎秆为最高.[结论]化肥减量配施有机肥可降低作物籽粒镉含量、富集系数和转运系数,且对燕麦籽粒降镉效果优于小麦;燕麦抽穗期后茎秆转运的镉是籽粒镉积累的主要来源.

基于黄土高原干旱地区生态环境特性,研究了4种糜子(P)-绿豆(M)间作模式下[2∶2(2P2M)、4∶2(4P2M)、4∶4(4P4M)、2∶ 4(2P4M)]农田小气候特征及产量效应.结果表明:糜子-绿豆间作模式显著增加了生育后期糜子的株高、叶面积指数(LAI)和叶绿素含量(SPAD),使其达到最佳的生长状态;由于高位糜子的遮阴,导致矮位绿豆阶段性徒长,株高显著增加,而LAI和SPAD均有所下降.糜子-绿豆间作模式降低了糜子籽粒灌浆过程中的群体上层光照度和空气温度,而相对湿度显著上升.地上部气候环境的变化调控了间作体系地下部的土壤温度,减少了群体的漏光损失,使其表现出冷湿的生态环境.而矮位绿豆较差的通风透光条件形成相对封闭的间作系统,抑制了绿豆植株的生长发育,使其处于间作劣势.与单作相比,2P2M、4P2M、4P4M和2P4M处理的糜子单株穗数、穗长、单株粒重和千粒重分别增加了7.5％ ～45.0％、2.2％ ～ 12.2％、35.4％ ～94.0％和2.3％ ～4.7％,产量比单作提高了5.6％ ～ 20.7％;间作处理下矮位绿豆的分枝数、单株荚数、单株粒重和百粒重均有不同程度的下降,2P4M间作模式下的绿豆受糜子影响最小,产量比单作降低了34.8％.糜子-绿豆间作存在明显的间作优势,各间作处理下的土地当量比(LER)均大于1,2P4M间作模式下的LER达到最大值(1.86).因此,黄土高原地区糜子-绿豆最佳的间作配比为2P4M.

为探明不同氮钾配比和玉米茎秆抗倒伏性能及产量特性的内在联系,在松嫩平原西部采用田间裂区设计(主区为施氮量,副区为施钾量),研究了不同氮钾水平(N∶ 195、210、225、240 kg·hm-2;K20∶70、85、100、115 kg·hm-2)配比对灌浆期玉米茎秆形态力学特征及籽粒产量的影响.结果 表明:氮肥单因素对株高、钾肥单因素对重心高度的影响明显,而氮钾肥互作对于株高、穗位高和重心高度均未达显著水平;氮、钾肥单因素及其互作对节间长度、茎粗、截面面积、节间充实度、抗折力、穿刺强度、断面模数、秆型指数、弯曲力矩、抗断弯距、弯曲应力均表现出显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01)的影响,在不同组合处理中,以210 kg N·hm-2+ 85 kg K2O·hm-2处理的抗倒伏指数最大,其次为225 kg Nhm-2+ 100kg K2O·hm-2和210 kg N·hm-2+100 kg K2O·hm-2处理,显著高于其他处理组合31.59％～80.86％,同时氮、钾肥对玉米抗倒伏指数的互作效应显著(FN×K=19.577**);综合玉米茎秆形态力学特性与产量水平,松嫩平原西部玉米丰产抗倒伏的氮钾肥优化配施方案为:施210～225 kg N·hm-2+ 85～ 100 kg K20·hm-2,氮钾配比为1.75～1.88∶0.71～0.83.本研究结果可为松嫩平原玉米密植丰产提质增抗的养分高效运筹模式提供科学依据和技术途径.

研究我国玉米自交系茎秆性状特征及其多样性,是培育宜机收玉米品种的重要前提.本研究以兰卡斯特、PB、四平头、旅大红骨和瑞德五大主要类群70份主要玉米自交系为材料,调查12个茎秆相关性状(茎高、穗位高、穗位系数、茎节数、穗位节、穗节系数、穗茎长、穗茎粗、茎鲜重、茎干重、含糖量和含水量),分析性状相关性和类群多样性.结果 表明,我国地方种质四平头和旅大红骨茎秆性状表型变异丰富;灌浆期玉米茎秆含水量比较稳定;玉米植株高度与茎节长度显著相关;玉米雌、雄穗节之间的节间数比较恒定;玉米茎秆含糖量与茎节长度、茎粗、果穗着生位置有关;有效降低稳住高度应从降低果穗着生节入手;类群茎秆特征鲜明:兰卡斯特茎节较少,瑞德茎秆较粗,PB茎秆较细,旅大红骨茎秆较粗、茎节较短,四平头植株较矮、茎秆含糖量较低、干物质含量较低;兰卡斯特×四平头和兰卡斯特×PB类群间存在较强的生物量及籽粒产量杂种优势;挖掘和利用茎节较长、稳住较低的玉米地方种质是我国宜机收玉米育种的技术途径.本研究结果对玉米育种具有重要指导意义.

玉米骨干自交系黄早四育成于20世纪70年代,具有适应性强、配合力高、株型紧凑、生育期短、灌浆速度快等优点.以其为基础材料选育衍生出数以百计的黄改系,形成我国特有的黄改群(或称塘四平头群)核心种质群.利用黄早四及其衍生系组配的杂交种已累计推广应用数十亿亩,包括目前的主导大品种郑单958、京科968等.该系在我国玉米育种史中发挥了极其重要作用,但黄早四的系谱尚未明确、来源尚不清晰.本文根据历史上所描述的黄早四选育过程,推断黄早四是由白粒的塘四平头自交系与另一个熟期更早、籽粒颜色为黄色的玉米材料"串粉"杂交,又在塘四平头自交系繁殖田中得到回交,再经人工自交选育而成.利用40对SSR核心引物对黄早四、塘四平头及1970年代初种植的9份黄粒农家种或自交系进行DNA分子指纹比对,发现黄早四与塘四平头自交系有28个位点指纹完全相同,而在剩余的12个位点中仅黄四平头与黄早四具有完全的共同带型.全基因组IBD遗传结构分析结果进一步表明,塘四平头是黄早四的主要供体,黄四平头是其另一个亲本来源.经表型形态性状契合比对,证明黄早四的表型特征和农艺性状表现符合塘四平头与黄四平头两者杂交选系的结果.破解了黄早四自交系的来源之谜.

近年来雾霾等大气环境污染问题突出,气溶胶导致到达地表的太阳辐射强度降低,对农作物生长造成了较大影响.为了探讨太阳辐射强度降低对粮食作物生理特性和矿质元素营养的影响,本研究以'南粳5055'水稻品种为供试材料,采用田间随机区组设计,通过不同程度遮光处理模拟弱光环境(CK,不遮光对照;Y1、Y2遮光率分别为19％、45％),研究了在水稻关键生育期(拔节期、抽穗期、灌浆期)内叶绿素含量(SPAD)、叶面积指数(LAI)、叶片净光合速率、产量和籽粒中、微量金属元素(Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu)含量的响应特征.结果 表明:全生育期内遮光处理抑制了水稻光合作用产物的合成,降低了叶面积指数;但在生育前期对叶绿素含量无显著影响,在生育后期则显著增加.两种遮光处理下水稻的千粒重较CK分别降低了14.4％和18.4％,结实率降低了4.3％和12.9％,从而导致水稻产量下降,且随着遮光程度增加,水稻减产率加大,产量分别下降了58.5％和66.4％.遮光处理籽粒糙米和颖壳中金属元素含量升高,尤其微量元素含量显著上升.可见,遮光对水稻生长产生了不利影响,最终使其减产,并使Cu、Mn等重金属元素含量增加,这可能造成污染风险进而对人体健康造成威胁,因此,太阳辐射减弱对作物产量和品质的影响需要综合评价.

为探明小麦(Triticum aestivum)不同灌浆速率品种籽粒淀粉合成与积累差异的生理基础,本研究以长江中下游麦区灌浆速率较快的品种'扬麦16'和'扬麦23'为材料,以灌浆速率较慢的'扬麦15'和'宁麦13'为对照,测定不同灌浆时间籽粒中淀粉含量,通过树脂半薄切片和扫描电镜观察胚乳淀粉体发育特征,采用荧光定量PCR测定灌浆期籽粒淀粉合成酶基因相对表达量,并测定淀粉合成关键酶活性.结果 表明:'扬麦16'和'扬麦23'灌浆盛期单粒淀粉合成量大于对照,形态学表现为胚乳细胞内淀粉体大,充实快,且B型淀粉体形成早,淀粉体总体发育进程快.灌浆前中期,'扬麦16'和'扬麦23'中AGPaseI、GBSSI、SSSIII、SBEI等4种基因表达量总体高于对照,并且ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、结合态淀粉合成酶(GBSS)和淀粉分支酶(SBE)活性也均高于'扬麦15'和'宁麦13'.本研究表明,'扬麦16'和'扬麦23'灌浆期淀粉体较大、淀粉合成关键酶活性高是淀粉合成与积累快的主要原因.

果树-小麦间作模式是新疆南疆地区的主要农业种植模式.试验以扁桃-冬小麦(新冬20)间作模式为对象,通过主干分层形(DC)、小冠形(SC)、开心形(OC)和高干形(HS)4个树形和3个间作距离(分别距树干距离1.5、2.5和3.5 m)共同营造不同果树树冠遮光处理,以单作小麦为对照,对不同处理下冬小麦灌浆期环境因子、籽粒灌浆特性进行测定,对灌浆特征参数与千粒重和环境因子的相关关系进行分析,旨在为新疆南疆果粮间作树形的选择和优化提供理论依据.结果表明:树冠遮光导致小麦冠层上方光合有效辐射强度(PAR)、红光/远红光(R/FR)和温度显著降低,湿度显著提高,变化程度受树形和间作距离的共同影响,4个树形对应间作区域PAR降幅均为DC＞OC/HS＞SC,除HS外,同一树形不同间作距离PAR降幅均表现为1.5 m＞2.5 m＞3.5 m,PAR降幅分布范围为35.5％～86.6％.采用三次多项式方程拟合籽粒灌浆过程,对籽粒灌浆参数与籽粒重量的相关性分析表明,小麦千粒重的降低与平均灌浆速率(V)、最大灌浆速率(Vmax)、有效灌浆持续期(Se)和有效灌浆持续期平均灌浆速率(Vs)的下降密切相关.灌浆特征参数与环境因子的相关性分析表明,Se缩短、V降低主要是由小麦冠层入射PAR强度的下降导致的.果粮间作模式下,树冠遮阴使PAR强度降低,干物质积累量减少、Se下降,最终导致间作小麦千粒重降低,当间作距离大于75％树高、遮阴强度≤自然光强的35.5％时,间作可以通过延长有效灌浆持续期,提高小麦千粒重.

为探究施氮量对水稻源库器官协同衰老的影响及其生理机制,本试验测定了不同氮肥水平下水稻结实期天数、全生育期天数、叶面积指数(LAI)、叶片SPAD值、籽粒灌浆特性、叶片与籽粒的抗氧化酶活性[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)]和丙二醛(MDA)含量.结果 表明,2019-2020年,高氮水平(345 kg·hm-2)下水稻的结实期和全生育期分别比低氮水平延长13.3～16.3 d和16.0～18.7 d,LAI、叶片SPAD值和籽粒灌浆活跃期较高,而叶面积衰减率较低.高氮水平的水稻剑叶和籽粒中的抗氧化酶活性均显著较高,而膜质过氧化产物MDA含量显著较低.相关性分析表明水稻施氮量与抽穗后叶片和籽粒不同生育阶段的抗氧化酶活性呈正相关,而与MDA含量呈负相关.综上所述,高氮水平下水稻源库的抗氧化酶系统酶活性较强,能减少MDA的积累,提高叶片持绿天数和籽粒灌浆活跃期,从而延缓了水稻源库协同衰老进程.

内复制是影响玉米胚乳发育的关键因素.通过降低CDK(周期蛋白依赖性激酶)活性,胚乳细胞可实现有丝分裂向内复制转变,进而推动籽粒快速灌浆.该研究以玉米微染色体维持蛋白ZmMCM基因家族为对象,对其基本生物信息学特征和非生物胁迫条件下的表达特征进行系统分析,并对其中低温胁迫响应明显的ZmMCM2通过转基因和酵母双杂的方法进行功能验证和分子互作分析.结果表明:(1)在玉米基因组中共鉴定到17个MCM家族成员,分布于6条染色体,而且部分基因间存在串联重复基因和片段复制基因;不同物种MCM蛋白的系统进化树可分为6个亚组,玉米、水稻和拟南芥的MCM2蛋白同属于第Ⅳ亚组;启动子序列分析显示,MCM家族基因启动子序列含有许多与激素响应、胁迫应答以及生长发育调节相关的顺式作用元件.(2)逆境胁迫响应分析表明,MCM基因表达受到NaCl和ABA抑制,对PEG、高温以及低温表现出不同程度的应答,尤其对低温具有明显响应.(3)ZmMCM2基因的过表达会对内复制产生一定的抑制作用,进而导致拟南芥植株矮小、莲座叶数减少以及种子体积缩小.(4)亚细胞定位结果显示,ZmMCM2基因定位于细胞核内;cDNA文库筛选和回转验证发现,MCM2与CDC73相互作用.该研究结果为进一步深入了解MCM2蛋白的分子作用机理奠定了基础.