大豆株型与高光效育种的理论与实践——我50年大豆育种科学生涯(第一部分)

文章总结了杜维广从1975年到2024年从事大豆育种50年的研究经历,包括常规育种、高光效育种、理想株型育种、践行分子模块设计育种和全基因组QTL-allele设计育种(组合设计和基因型设计)新方法。本文系统总结了大豆株型与高光效育种的理论与实践,阐述了大豆植株是光能吸收的载体,从而株型与高光效关联;提出理想株型和理想型设计方案及其育种瓶颈,并对耐密大豆株型进行了探讨;提出高光效育种理念和技术路线及其高光效光合生理基础和高光效育种瓶颈。通过对30年高光效育种历程的总结,为从事大豆育种研究的科技人员作进一步研究提供参考。

化学封顶对不同果枝数棉田株型和产量的影响及其评价指标的筛选

【目的】研究化学封顶对不同果枝数棉田株型和产量的影响及其评价指标的筛选,分析棉花化学封顶剂摇钱素和向铃转的最佳施药时期,优选化学封顶效果评价指标,为化学封顶筛选应用提供支撑。【方法】采用完全随机区组试验设计,以人工打顶为对照,选择化学封顶剂摇钱素和向铃转,分别设置果枝数9台时、果枝数10台时、果枝数11台时、果枝数12台时4个化学封顶处理,测量棉花株高及株高增长量、倒1果枝~倒4果枝长度、有效果枝数、单株果节数、茎粗、主茎节间数、棉铃空间分布和籽棉产量。【结果】与人工打顶相比,果枝数9台时化学封顶处理的棉花株高显著增加,果枝数10台时施用向铃转、果枝数11台和12台时喷施摇钱素后单株果节数增加,化学封顶后主茎节间数增多、倒1果枝~倒4果枝长度变短,果枝数10台时施用向铃转后有效果枝率、化学封顶后茎粗、除果枝数9台时喷施摇钱素后上部铃占比外棉铃空间分布均变化不大。果枝数10台时喷施向铃转、果枝数11台和12台时喷施摇钱素后籽棉产量与人工打顶相比差异不显著。单株有效果枝率(以下简称果枝率)可作为化学封顶对棉花株型调控的评价指标。【结论】果枝数10台时喷施向铃转、果枝数11台时喷施摇钱素后棉花有效果枝率和单株果节数最高、株高增长量不高、籽棉产量不降低,有效果枝率可用于评价化学封顶对棉花株型调控的首选指标。

陆地棉主要株型性状关联分析及优异等位基因挖掘

【目的】株型是影响棉花机械化和产量的关键因素,开展陆地棉主要株型性状的关联分析研究,可为棉花株型分子育种提供标记及材料来源。【方法】以403份陆地棉种质资源为材料,利用覆盖全基因组的201对多态性SSR标记,对6个环境4个株型性状进行了关联分析,挖掘株型性状优异等位基因。【结果】6个环境中株高、果枝始节高、果枝始节位和果枝数的平均变异系数分别为13.70%、21.51%、14.18%和11.51%,广义遗传率为46.24%-74.15%;201对标记共产生394个多态性等位变异位点;能同时在最佳线性无偏预测值(best linear unbiased prediction, BLUP)(P<0.01)和2个以上环境中检测到显著(P<0.05)关联的位点共38个,包括与株高关联的位点16个、与果枝始节高关联的位点6个、与果枝始节位关联的位点11个、与果枝数关联的位点5个,5个位点同时与多个性状关联;鉴定到含有目标性状优异等位基因的材料31份,其中6份材料同时携带多个优异等位基因。【结论】在403份陆地棉自然群体中,鉴定到38个与4个株型性状关联的标记位点,发掘出31份含有优异等位基因的典型材料。

摘叶对不同株型木薯品种源、库器官特征的影响

为明确摘叶对不同株型木薯品种源、库器官特征的影响,以紧凑型品种‘华南205’‘、桂热4号’和伞型品种‘华南12号’、‘华南15号’为试验材料,设计4个摘叶处理和不摘叶处理,研究木薯植株形态、干物质生产、氮素积累量和叶片营养物质的差异。结果表明,随着源叶数的减少,单株块根产量、成熟期植株的干物质量和氮素积累量随之降低。植株保留的源叶数越少,摘叶比越大,库/源比越小,株高变矮,茎秆和薯粗变细,薯长变短。随着源叶数的增多,叶片可溶性总糖含量随之呈增加的趋势,叶片蔗糖和总淀粉含量随之呈先增后降的趋势。随着摘叶时间的递进,叶片可溶性总糖和总淀粉含量随之增加,而蔗糖含量随之下降。紧凑型品种叶片可溶性总糖、蔗糖和总淀粉含量均高于伞型品种。研究发现,木薯植株保留的源叶数过少,摘叶比大,植株干物质量和氮素积累量降低,植株和块根的生长受限,块根产量下降。研究以期为高纬度区域木薯高产栽培提供理论支撑。

甲哌鎓复配生长促进剂对棉花株型及产量品质的影响

通过运用甲哌鎓复配促进剂对棉花进行化学封顶,促控结合,调控棉花生长发育,进一步挖掘化学封顶棉花的增产潜力,筛选出甲哌鎓复配促进剂对棉花化学封顶效果最佳的封顶剂组合。试验于2022年在新疆阿克苏地区沙雅县进行,试验棉花品种为新陆中84号,试验用药以甲哌鎓和助剂为主,分别复配噻苯隆(0.1%,T1)、复硝酚钠(98%原药,T2)、胺鲜酯(8%制剂,T3)、14-羟基芸薹素(0.01%,T4)和萘乙酸(98%原药,T5),以常规甲哌鎓封顶为对照(CK),共6个处理。在本研究中,各复配处理较CK均能够增加棉株的果枝台数和铃数,棉株株高范围最终控制在84 cm左右,与CK无显著差异,能够较好控制棉株的纵向生长,T5和T4处理棉株果枝台数较CK增加了7.96%,单株棉铃数较CK分别显著增加了15.19%和23.83%,较CK棉株株宽分别显著减少4.73、4.46 cm,能够抑制棉株中部和上部果枝的生长,对棉株的横向生长起到一定的抑制作用,其中T5处理较CK显著降低棉株果枝始节高度3.61 cm。T5处理较CK能显著提高棉花的叶面积指数和干物质积累量。T4和T5处理生殖器官干物质量占比分别达到65.04%和65.46%,较CK分别提高了3.40、3.82百分点。T5处理较CK单株结铃数显著增加了0.84个,T4和T5处理与CK籽棉产量差异显著,较CK籽棉产量分别增加了424.90、432.88 kg/hm^(2)。综上所述,T4和T5处理与常规甲哌鎓化学封顶相比获得的棉花产量更高,能够更好塑造棉花株型,促进棉花生殖生长,增加单株结铃数,较CK籽棉产量分别增加了424.90、432.88 kg/hm^(2),因此推荐使用T4和T5处理复配类型化学封顶剂对棉花进行化学封顶。

不同叶面肥及株型控制对中科猕砧2号猕猴桃组培苗生长发育的影响

以中科猕砧2号猕猴桃2月龄组培苗为研究对象,研究不同配比的叶面施肥结合株型控制对植株干径生长、叶绿素含量、氮磷钾含量以及幼苗生理指标的影响。结果表明,中科猕砧2号组培穴盘苗的干径、叶绿素含量及植株全氮、全钾含量,根冠比在不同处理间均存在显著差异,植株全磷含量在各处理间差异不显著。4个控制因子中,株型控制对中科猕砧2号组培穴盘苗生长的促进作用最大,全抹芽的株型控制+施复合叶面肥(0.2%尿素+0.1%磷酸二氢钾+0.2%园艺肥)为中科猕砧2号组培穴盘苗育苗期间的最优处理配方。

莲株型调控的研究进展

株型是园林植物的重要观赏性状,培育丰富的观赏性状是园林植物的育种目标之一。莲作为我国重要的园林植物,其理想株型育种应向高大型和极微型2个极端株型发展。本研究对莲株型调控的细胞学基础、生理机制、分子机理进行了系统地综述,提出了深入探究茎顶端分生组织、居间分生组织的发育模式及基因调控机理,挖掘GAs、AUX在合成和信号传导过程中的关键基因、利用分子标记技术开发莲株型相QTL位点和相关基因精准定位的未来研究方向。

单株籽粒丰产甘蓝型油菜理想株型构建研究

为了探明影响油菜单株籽粒产量的株型因素,构建单株籽粒丰产甘蓝型油菜理想株型,对湖南有代表性的3个甘蓝型油菜品种,进行了3个不同肥力的处理,通过无损测量的方式获得了81个植株苗期、初花期、盛花期、角果期等4个生育期的,包括叶面积、角果面积、籽粒产量等在内的11个株型指标,并开展了相关株型研究。对不同生育期相关株型指标进行分析,探明了相关株型指标的基本生长规律。对与籽粒产量相关的株型指标进行了分析,发现不同生育期的诸多株型指标与其呈极显著相关,其中角果期各分枝籽粒产量、角果数、分枝长和角果面积与单株籽粒产量均呈极显著正相关,且各分枝相应株型指标的相关系数呈相似变化规律;分枝数、叶面积、绿叶数、根颈粗和株高与单株籽粒产量均呈极显著正相关性,且相关系数按不同生育期呈现相应的变化规律;分枝高度和分枝相对高度与单株籽粒产量呈极显著负相关,分枝段相对长度与单株籽粒产量呈极显著正相关。分析了单株产量前10%和20%的植株相关特征和生长规律,除分枝高度和分枝相对高度明显降低外,其他株型指标较总体样本相应指标均不同程度地增加,产量前10%样本与产量前20%样本表现出相似规律,只是相应值增加或减少的幅度更大。对不同生育期油菜理想株型特征采取了定性加定量的方式进行描述,理想株型具有“光合器官(叶、角果)表面积大,根颈粗壮、分枝位低、相对抗倒,二次分枝以及相应角果数明显增多”等特征。从光合效能原理、形态结构原理和源、库、流原理等三个方面对油菜理想株型形成的原理进行了分析,并对油菜理想株型的构建策略、应用方法、研究存在不足进行讨论。

种植密度与缩节胺用量对76 cm等行距棉花株型结构及产量的影响

于2021—2022年在76 cm等行距种植方式下,采用裂区设计,设种植密度为主因素,分别为15.00(M1)、20.25(M2)、25.50万株·hm^(-2)(M3);缩节胺用量为副因素,分别为195(D1)、390(D2)、585 g·hm^(-2)(D3),研究不同种植密度与缩节胺用量对棉花株型结构、籽棉产量及其构成因素的影响,以筛选适宜76 cm等行距种植模式棉花产量提高的种植密度与缩节胺用量组合。结果表明:缩节胺用量相同时,降低种植密度会提高棉花株高7.09%~21.66%、茎粗4.36%~13.02%、株宽5.76%~18.69%,增加果枝始节高度、主茎节间长度、果枝数和果枝长度;种植密度对果枝始节位与果枝夹角影响不显著。种植密度相同时,降低缩节胺用量会增加棉花株高7.01%~21.83%、株宽4.61%~9.01%、果枝数1~2台,并有效增加果枝始节高度、果枝始节位、主茎节间长度、果枝长度与果枝夹角,但会降低棉花茎粗3.39%~8.30%。籽棉产量随密度与缩节胺用量的增加呈先增后减的变化趋势,M2D2处理籽棉产量最高,两年分别为6614.09 kg·hm^(-2)和7339.48 kg·hm^(-2),较同年产量最低处理M1D1分别增加19.63%和22.67%。综上,在76 cm等行距种植方式下,棉花种植密度20.25万株·hm^(-2)配合喷施缩节胺390 g·hm^(-2)的组合效果最佳,有利于棉花的生长发育与产量提高。

水稻高产株型指标的研究

本文阐述了提高单产仍然是水稻生产的主攻方向 ,在分析水稻主要生育期株型与产量形成关系的基础上 ,提出了各生育期的株型形态。

不同株型小花生品种氮素养分吸收利用特性

南方小花生植株高大的地方良种与矮化改良的品种并存。为探明其需氮规律,实现差异化施肥的高产管理,以湖南主栽的高秆地方良种安化小籽、矮秆现代品种湘黑小果为材料,设置4个基施复合肥用量0、450、600、750 kg/hm^(2),分别代表土壤背景(CK)、低肥(F30)、中肥(F40)、高肥(F50)水平,于4个生育时期测定并分析植株各器官氮含量、积累与分配状况。结果表明:氮含量以高秆品种果>叶>根>茎为序;矮秆品种则以叶>果>根>茎为序。叶、根氮含量表现为高秆<矮秆,而茎、果反之。增施肥料对氮含量的影响程度总体趋势为茎>叶>根>果,利于营养器官的氮素同化吸收。氮积累量两品种各器官以叶>果>茎>根为序。除苗期外,其余时期的全株、叶、茎氮积累量表现为高秆>矮秆;根在苗期、结荚期为高秆<矮秆,其余时期相反;果则为高秆<矮秆。施肥利于营养器官前期的氮素积累。氮素分配率两品种均以叶最高,荚果和茎其次,根最少。地上部为高秆>矮秆,而地下部反之,说明矮秆植株吸收的氮素更利于转运到荚果。氮素利用效率均为矮秆>高秆,氮素生产效率、氮肥偏生产力两品种均以F40、F30最高,过度施肥降低氮素利用效率。综上,矮秆品种氮素积累量对增肥的响应度较低,总积累量虽然较少而在荚果中分配较多,并具有更高的氮素利用效率;品种株型特点应作为南方典型贫瘠酸性红壤区小籽花生生产上确定施肥量的主要依据。

苦荞杂交后代株型性状和产量性状的遗传分析

【目的】对苦荞杂交后代株型性状和产量性状进行遗传分析,为矮秆苦荞新品种培育提供良好的理论依据。【方法】以株高差异较大的2个苦荞品种杂交F_(2)和F_(3)代群体为研究对象,分析其株高、主茎节数、一级分枝数、二级分枝数、茎粗、单株粒数、单株粒重和千粒重8个农艺性状的遗传规律,并对性状间的相关性进行分析。【结果】8个农艺性状在F_(2)和F_(3)群体中均出现超亲分离;主茎节数和千粒重的变异系数小于20.00%,单株粒数和单株粒重的变异系数大于50.00%,其他性状的变异系数为20.00%~40.00%。株高、主茎节数、单株粒数和单株粒重的加性方差小于显性方差,平均显性度均大于1.00;一级分枝数、二级分枝数、茎粗和千粒重的显性方差小于加性方差,平均显性度小于1.00。千粒重的狭义遗传率、广义遗传率和固定遗传率均大于其他性状。F_(3)代群体农艺性状间相关分析结果显示,株高和单株粒重均与单株粒数、千粒重、主茎节数、一级分枝数、二级分枝数和茎粗存在极显著正相关(P<0.01、P<0.001)。筛选出13个株高比母本矮、单株粒数和单株粒重比母本多的优良单株,其中有3个单株的株高比母本矮50 cm及以上。13个优良单株的农艺性状间相关分析结果显示,株高与主茎节数存在极显著正相关(P<0.01),单株粒重与茎粗、单株粒数存在极显著正相关(P<0.001),株高和单株粒重均与其他性状无显著相关(P>0.05)。【结论】苦荞矮秆高产育种过程中,由于千粒重与其他性状相关系数较小,且具有较高遗传率,可在杂交初期世代进行单株选择;株高与其他主要农艺性状存在显著或极显著正相关,则需要综合考虑性状间的相关性进行单株选择,才能达到选育高产矮秆苦荞品种的目的。

不同株型渠首1号上部烟叶代谢图谱差异分析

为明确烤烟不同株型产质量及代谢组学的差异,以渠首1号为研究对象,利用液相色谱-质谱联用(LC-MS)非靶向代谢组学方法并结合化学成分及感官质量等指标的测定,对筒形和伞形2种株型成熟时期上部烟叶代谢物进行分析。结果表明,与伞形烟株相比,筒形烟株株高和有效叶片数增加、最大叶面积减小。筒形烟株烟叶的整体化学成分协调性和感官质量均优于伞形烟株。筒形烟株产量较伞形烟株降低5.2%,但均价和产值分别增加25.0%和20.4%。通过偏最小二乘法判别分析法(PLS-DA)筛选出123种差异代谢物,主要是氨基酸、有机酸、糖类、类黄酮和生物碱类代谢物,其中N-甲酰-L-蛋氨酸、2-氧基精氨酸、苯乙酰谷氨酰胺、海藻糖、3-酮-β-D-半乳糖、D-甘露糖、2-苯乙醇、茉莉酸等可能是响应不同株型的关键代谢物。差异代谢物显著富集在氨基酸代谢、糖代谢等通路上,其中烟酸和烟酰胺代谢通路,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路,色氨酸代谢通路等在不同株型烟叶内在质量形成过程中起重要调控作用。

OsSAUR55通过GA途径调控水稻株型

以Francis背景下通过CRISPR/Cas9技术获得的敲除突变体ossaur55-1、ossaur55-2为对象,研究其是否影响水稻株型、叶色、单株穗质量、结实率等农艺性状的变化,探究基因OsSAUR55是否通过参与GA途径调控水稻株型,为相关激素途径调控水稻株型提供理论依据。调查野生型(WT)与敲除突变体成株期的主要农艺性状,包括株高、穗长、单株穗质量、十粒长、十粒宽、剑叶长、剑叶宽等;利用叶绿素计和光合速率测定仪测定野生型和突变体齐穗期剑叶的叶绿素含量和净光合速率;通过实时荧光定量PCR技术(qPCR)测定基因OsSAUR55在水稻种子萌发的不同时间点和不同组织中的表达情况;通过原核表达法观察蛋白OsSAUR55的亚细胞定位情况;采用液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)测定野生型和突变体的内源激素(GA和IAA)含量;进一步分析GA途径相关基因的表达情况。结果显示,在成株期,突变体ossaur55-1和ossaur55-2都有显著的表型变化,其中突变体的株高比野生型明显变矮、叶色更绿、叶绿素含量增加、光合作用效率降低、结实率降低、千粒质量降低、单株穗质量降低;定量结果显示,OsSAUR55在胚芽中表达量最高,在剑叶中基本不表达;共聚焦结果显示,OsSAUR55可能定位于细胞膜和细胞核;激素检测结果表明,突变体内源激素GA4的含量显著降低;基因的表达量分析发现,突变体中GA合成途径中基因KAO、GA13ox1、GA20ox1、KO1的表达量显著高于野生型,GA代谢途径中GA2ox5、GA2ox8、GA2ox9的表达量也显著高于野生型。初步推测,敲除基因OsSAUR55导致内源GA4含量降低,可能通过GA途径调控水稻株型,进而影响水稻产量。

水稻株型的遗传基础与分子调控机理研究进展

高产是水稻育种的主要目标之一,而水稻株型对水稻产量具有决定性作用。从基因层面上解析水稻株型的形成机理是利用分子育种技术培育理想株型的前提和条件。从理想株型的概念、叶片形态和穗部性状、水稻株型的重要激素调控机制、株型相关基因的克隆与功能研究等方面总结了水稻理想株型的研究进展,分析了现有研究存在的问题,并提出未来水稻株型的研究方向,以期为通过株型改良提高水稻产量及培育超高产水稻品种提供参考。

冰草1PS和1PL易位染色体导入不同小麦背景改良株型的遗传效应评价

冰草(Agropyron cristatum L.,2n=4x=28,PPPP)携带的多样性外源基因是小麦遗传改良重要基因源。前期研究表明冰草1P染色体上的基因可以改良小麦株叶型,但在获得易位系的基础上,外源片段导入不同背景小麦品种的叶型变化以及可能带来的不利遗传连锁累赘还不清楚。为进一步探究小麦-冰草T1PS·1AL和T1AS·1PL易位系在不同小麦背景中对主要农艺性状的遗传效应,本研究将小麦-冰草1PS、1PL易位系与藁城8901、百农607、漯麦163、百农207、西农979、中麦578、川麦104、宁麦资126等8个普通小麦品种进行杂交,对F2分离群体的农艺性状进行考察和分析。结果表明,冰草1PS染色体导入小麦后,降低了小麦的倒三叶长,株高也显著降低3~8 cm,产量性状基本不受影响。冰草1PL染色体使小麦株高降低,旗叶、倒二叶和倒三叶显著缩短,改变株型的同时,小麦的产量性状同时降低,具有连锁累赘。在冰草1P易位系中,后代的表型除与染色体本身所产生的效应有关外,也与小麦受体的遗传背景相关。在不同背景的小麦亲本杂交组合后代中,可以选出株叶型改良且产量性状不受影响的单株用于小麦的遗传改良。研究表明2个小麦-冰草1P易位系创新种质在株型改良上具有显著的遗传效应,可以为冰草1P染色体易位片段的利用提供指导。

作物理想株型研究进展

随着现代农业科学的发展,株型的内涵由原先的作物形态结构性状转变为株型的改善,这是生理综合作用的结果。理想株型的培育能够合理控制群体结构,优化个体长势,从而促进作物对光的利用,提高干物质积累能力,改善作物对土壤养分的吸收特性,提高作物抗逆性等。因此,本文首先从叶部、茎部、穗部和根部4个方面综述了作物理想株型的形态特征,随后从叶部、茎部、穗部和根部4个方面总结了培育作物理想株型的遗传基础,最后从种植密度、肥料、灌水以及化学调控等方面总结了理想株型调控栽培技术,以期为理想株型的培育提供理论依据。

GA_(3)处理影响菠菜性别及其株型发育

赤霉素(gibberellic acids,GAs)是一种重要的植物激素,但其对菠菜生长发育的影响尚未系统报道.以菠菜亚属PI647862为材料,研究了外源赤霉素(GA_(3))处理后对菠菜的性别转换、开花时间、花粉活力及植株发育等重要性状的影响.结果表明,用质量浓度为25 mg/L的GA_(3)对2叶期菠菜进行处理后,约13%的菠菜雌株转换为雄株,且转换株的花粉数目、形态及活力均和对照无显著差异.但是,转换雄株的开花时间显著早于对照雄株.研究结果也表明,GA_(3)处理后菠菜植株的高度、叶面积及叶柄长度均显著高于对照植株.进一步分析发现,株高的增加是由于节间细胞纵向伸长所导致的,叶面积的增加是叶细胞面积增加引起的.GA_(3)可诱导菠菜雌株发生雄性化转变,促进菠菜早花,同时促使株高、叶面积和叶柄长度也显著增加.研究结果为全面探究GA_(3)对于菠菜性别转换和株型发育的影响奠定了基础.

平作条件下不同种植密度对不同株型大豆品种农艺性状及产量的影响

文章以俄罗斯无限结荚习性分枝型大豆品种Лидия和亚有限结荚习性主茎型大豆品种Персона为试验材料,设置25万、40万、55万、70万、85万株/hm^(2)这5个种植密度处理,研究平作条件下不同种植密度对2种不同株型大豆品种农艺性状及产量的影响。结果表明,种植密度显著影响不同株型大豆品种Лидия和Персона的农艺性状及产量,随着种植密度增加均呈现相似变化趋势。其中,株高和底荚高度随种植密度增加呈升高趋势;有效分枝数、主茎节数、单株荚数、单株粒数和百粒重等农艺性状整体上随种植密度增加呈降低趋势;产量随种植密度增加呈先升高后降低趋势。在平作条件下,无限结荚习性分枝型大豆品种Лидия适宜种植密度为55万株/hm^(2),产量最高可达2.51 t/hm^(2);亚有限结荚习性主茎型大豆品种Персона适宜种植密度为40万株/hm^(2),产量最高可达2.47 t/hm^(2)。

机械拨动对辣椒幼苗株型调控效果研究

[目的]揭示不同拨动处理对辣椒幼苗的影响,为减轻幼苗徒长、培育壮苗提供物理调控株型模式和技术支撑。[方法]研究不同拨动次数、拨动频率对“娇龙2号”形态指标、光合特性、茎部力学特性及内源激素的影响。[结果]T3处理可以显著降低幼苗株高,增加幼苗茎粗,提升幼苗的壮苗指数、光合特性及茎部力学特性。[结论]经主成分分析后,最适宜调控辣椒幼苗株型的是T3处理,即每天拨动90次,于08:00、14:00各拨动45次。