冬小麦水分利用效率相关驱动因子及其预测模型构建

【目的】水分利用效率能够综合反映冬小麦生长适宜度和能量转化效率,筛选并探究冬小麦各生育时期响应标准化水分利用效率(WP*)的驱动因子,构建相关驱动因子的WP*预测模型,对黄淮海平原冬小麦水分利用效率监测及水资源高效利用具有重要意义。【方法】以冬小麦为研究对象,设置3个水分处理,包括水分亏缺处理(W1):35 mm和(W2):48 mm,对照处理(W3):68 mm,获取冬小麦拔节期、孕穗期和灌浆期的冠层温度参数、生理指标和标准化水分利用效率(WP*)。通过逐步回归和通径分析筛选各生育时期响应WP*变化的主要驱动因子,探究WP*与相关驱动因子间关系,最后采用偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机(SVM)方法构建各生育时期基于驱动因子的WP*预测模型。【结果】较对照处理(常规灌溉),水分亏缺处理下冬小麦冠层温度参数、生理指标和WP*均表现出显著差异。基于逐步回归方法筛选出了各生育时期响应WP*的主要驱动因子,并采用通径分析得到各驱动因子响应WP*敏感程度排序,即拔节期依次为冠层温度极差(MTD)、气孔导度(Gs)、叶片含水量(LWC)和POD;孕穗期依次为冠层相对温差(CRTD)、等效水厚度(EWT)、可溶性糖含量(SSC)和作物水分胁迫指数(CWSI);灌浆期依次为SSC、冠层温度标准差(CTSD)、LWC和Gs。最后,采用偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机(SVM)基于筛选后的驱动因子构建了各生育时期WP*预测模型,其中以SVM构建的孕穗期WP*预测模型精度最优,R2cal(R^(2)val)、RMSEcal(RMSEval)和n RMSEcal(n RMSE_(val))分别为0.945(0.926)、0.533 g·m^(-2)(0.580 g·m^(-2))和2.844%(3.075%)。【结论】通过筛选冬小麦各生育时期响应WP*的相关驱动因子信息及构建冬小麦水分利用效率预测模型,为黄淮海平原冬小麦水分精准监测与管理提供了理论基础。

前茬冬小麦不同灌溉处理对夏甘薯产量的影响

【目的】探究前茬冬小麦季水分处理对夏甘薯生长及产量的影响,为周年轮作模式下水分管理提供参考。【方法】于2019—2021年在黄淮海平原南部开展田间试验,在冬小麦季设置3种灌溉处理:W0(不灌溉)、W1(单次灌溉45 mm)、W2(单次灌溉90 mm),各处理均灌溉2次。研究冬小麦不同水分处理对后茬夏甘薯土壤贮水量、生物量、产量和产量构成的影响。【结果】W1处理下土壤贮水量在甘薯收获期较W2处理和W0处理分别显著降低13.86%~19.28%和8.96%~10.92%。W2处理与不灌溉处理相比可显著增加甘薯叶面积指数9.65%~60.27%,提高蔓茎生物量6.42%~45.82%。W1和W2处理可显著提高鲜薯产量,分别较不灌溉处理显著提高13.43%~19.77%和9.18%~15.65%。就水分利用效率而言,2020年W1处理的水分利用效率分别较W2和W0处理显著提高12.66%和19.47%。【结论】该试验条件下,冬小麦季W1处理可促进夏甘薯地上部同化物向地下部分配,进而在提升鲜薯产量的同时提高水分利用效率。

冬小麦不同指标的干旱响应阈值及干旱程度定量分级研究

为评估冬小麦水分亏缺程度,需要采用合理的评价标准表征植株受旱程度,这对规避气候变化新常态下可能的干旱风险具有重要意义。以冬小麦为研究对象,设置雨养(T1)、漫灌(T2)、滴灌W1(40%~50%FC)、滴灌W2(60%~70%FC)和滴灌W3(80%~100%FC)5个水分处理,测定了形态指标、光合指标、叶绿素荧光参数和土壤水分含量,采用阈值指标分类法(thresholdindicatortaxaanalysis,简称TITAN)分析上述各农学参数与干旱程度(drought degree,简称D)的定量响应关系,并确定其对干旱程度发生明显改变的临界点,从而对冬小麦受旱程度进行定量分级。结果表明,相较于周麦27,洛麦22的受旱程度较高,各农学参数对干旱胁迫适应性强。基于TITAN法确定了不同冬小麦品种各农学参数的干旱响应临界点,并将2个冬小麦品种划分为4个受旱等级:轻旱D1、中旱D2、中旱D3和重旱D4,其中,洛麦22为0.00<D1≤0.277、0.277<D2≤0.504、0.504<D3≤0.714和0.714<D4≤1.00;周麦27为0.00<D1≤0.112、0.112<D2≤0.390、0.390<D3≤0.690、0.690<D4≤1.00。在冬小麦受到轻旱(D1)时,各农学参数降幅为4.39%~14.35%,其中以净光合速率和气孔导度降幅最为敏感,分别为11.20%~14.35%和10.64%~13.60%,其次是茎生物量(11.76%~12.82%);在冬小麦受到中旱(D2)时,各农学参数降幅均比较严重,降幅为21.73%~4429%;在D3干旱等级时,冬小麦干旱胁迫加剧,其中以周麦27的叶干重降幅最高。本研究结果将为科学评估作物干旱受灾程度提供依据,也为农业防旱抗旱和稳定国家粮食生产提供重要保障。

适宜耕作模式提高黄淮海平原冬小麦产量并改善土壤水肥状况

为了探索黄淮海小麦生产适宜的耕作模式,该研究设计长期定位试验(2017—2022年)对比了简化耕作模式深耕(deep tillage,DT)、轮耕(rotational tillage,RT)和免耕(no-tillage,NT)对冬小麦产量和土壤水肥状况的影响。结果表明:RT处理显著提高了冬小麦苗期0~20 cm土层土壤水分吸收利用情况,冬小麦孕穗期、灌浆期RT处理0~20、>20~40 cm土层土壤含水量显著高于DT、NT处理。RT处理0~20、>20~40 cm土壤全氮、有机质含量和碳氮比含量较DT、NT处理显著提高,2021—2022年0~20 cm土壤全氮、有机质含量、碳氮比RT处理较DT和NT处理分别显著提高40.45%和31.58%、56.66%和45.34%、11.62%和9.91%。2020—2021年和2021—2022年RT处理冬小麦产量较DT、NT处理分别显著提高20.20%、13.39%和20.35%、18.74%。RT处理显著增加了冬小麦千粒质量,其产量变异系数最低,产量可持续指数最高,说明RT处理有助于增加冬小麦生产力稳定性和可持续性,可以实现黄淮海冬小麦高产稳产。研究可为黄淮海平原冬小麦生产应用一年深耕、两年免耕的轮耕耕作模式提供理论指导与技术支撑。

基于综合指标协同优化的冬小麦植株水分含量预测

【目的】基于冬小麦冠层温度参数、形态指标和生理指标3种综合指标构建不同生育时期冬小麦植株含水量(PWC)反演模型,探寻更全面、精准的水分亏缺监测方法,为冬小麦抗旱提供理论依据。【方法】以冬小麦为研究对象,设置3个水分梯度,分别为水分亏缺处理(W1):35 mm和(W2):48 mm,对照处理(W3):68 mm;2个小麦品种洛麦22(一般耐旱品种)和周麦27(弱耐旱品种)。分别获取拔节期、孕穗期和灌浆期冬小麦的冠层温度参数(冠层温度标准差(CTSD)和作物水分胁迫指数(CWSI))、形态指标(株高、茎粗、地上部生物量和叶面积指数)和生理指标(气孔导度、蒸腾速率和光合速率),按照平均权重原则分别构建综合温度参数指标(comprehensive temperature parameter indicator,CTPI)、综合生长指标(comprehensive growth indicator,CGI)和综合生理指标(comprehensive physiological indicator,CPI)。分析植株含水量与综合指标之间的相关关系,并采用多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机(SVM)方法分生育时期构建基于综合指标的PWC反演模型。【结果】不同生育时期内冬小麦的冠层温度参数、形态指标及生理指标水分亏缺处理(W1、W2)较对照处理(W3)均表现出显著性差异(P<0.05)。孕穗期和灌浆期的综合指标(CTPI、CGI和CPI)与PWC具有显著相关关系,相关系数(r)分别为-0.70(-0.78)、0.84(0.80)和0.83(0.76)。采用MLR、PLSR和SVM方法,基于综合指标(CTPI、CGI和CPI)构建PWC反演预测模型均具有较高的预测精度,其中以SVM构建的孕穗期PWC模型最优,R_(cal)^(2)(R_(val)^(2))、RMSE_(cal)(RMSE_(val))和nRMSE_(cal)(nRMSE_(val))分别为0.878(0.815)、2.06%(2.37%)和3.10%(3.33%)。【结论】基于综合指标(CTPI、CGI和CPI)构建的SVM-PWC模型能够很好地预测冬小麦各生育时期水分亏缺状况,可为黄淮海平原冬小麦防旱抗旱提供理论依据。

基于文献计量的植物根系构型研究热点及趋势分析

【目的】通过检索分析根系构型相关研究数据库,以期为进一步研究提供新视野新思路。【方法】基于Web of Science数据库收录2011—2020年有关根系构型研究的相关文献753篇,采用Citespace信息可视化手段对根系构型研究年发文量、研究国家与机构、关键词、研究主旨进行分析,旨在归纳当前研究热点与趋势,总结研究现状,展望未来研究方向。【结果】结果表明,2011—2020年10 a间根系构型文献发表量呈快速上升趋势;主要学科涉及植物科学、农学、土壤科学。中国在该研究发文量占全球总的28.69%;主要关键词为根系生理、根系构型、植物类型等3个聚类,热点关键词为“干旱”和“耐受性”;研究方向可分为探测技术、环境影响、根系生长特性、自身调控等4个聚类,其中环境影响为热点研究方向。研究方向自探测技术和根系生长特性(2011—2013年)、植株自身调控及根系生长特性(2014—2017年)至环境影响(2018—2020年)逐步过渡。【结论】鉴于目前研究多集中于根系本身或根系周围环境对土壤微生物、土壤水分生态及土壤养分生态的影响,推断地上部响应根系构型变化以适应全球气候变化可能会成为未来研究热点。

发根农杆菌介导西瓜转基因过表达体系的建立

【目的】建立发根农杆菌介导的西瓜转基因不定根过表达体系。【方法】探索利用野生型发根农杆菌K599侵染西瓜材料‘Sugar Baby’,诱导西瓜产生不定根的实验方法。借助该方法,将含有GUS基因和EGFP基因的过表达载体pCAMBIA3301和pCAMBIA1300-ProSuper导入发根农杆菌K599,侵染西瓜材料‘Sugar Baby’,通过常规PCR、qRTPCR、GUS染色和激光共聚焦显微镜检测,评价该过表达体系的效果。【结果】利用野生型和导入外源质粒的发根农杆菌均能成功诱导西瓜‘Sugar Baby’产生不定根。PCR检测结果显示,携带pCAMBIA3301和pCAMBIA1300-ProSuper载体的发根农杆菌K599诱导产生的不定根阳性率达到100%。qRT-PCR、GUS染色和激光共聚焦显微镜检测均能成功检测到GUS基因和EGFP基因的过量表达。【结论】利用发根农杆菌K599诱导西瓜产生不定根介导基因过表达的方法,具有周期短,操作方便,转化率高的特点,可实现基因功能的快速验证,为西瓜根系相关基因的功能研究提供技术支持。

小果型西瓜新品种‘众天锦龙’的选育

‘众天锦龙’是以优良自交系‘N37’为母本、优良自交系‘N132’为父本杂交选育出的二倍体早熟小果型西瓜新品种。在河南地区采用塑料大棚种植,早春茬栽培全生育期约为115 d,果实发育期为40 d左右。植株第1雌花出现在第8节左右,以后每隔5~6节出现雌花。果实为椭圆形,单瓜质量1.4~2.5 kg,果皮底色为浅绿色,覆绿色网状条带,果实表面光滑无蜡粉,果皮厚度约0.4 cm,瓤色为黄色,口感酥脆,中心可溶性固形物含量11.0%~12.5%,边部10.0%左右。该品种抗逆性、商品性好,适宜在河南、湖北、山东等地进行早春茬保护地栽培。2018年9月通过国家非主要农作物品种登记。

发根农杆菌介导甜瓜转基因过表达体系的建立

遗传转化是实现基因功能验证和基因快速转育的重要手段,但目前甜瓜的遗传转化依旧存在众多技术难题。笔者利用野生型发根农杆菌K599侵染甜瓜’E31’,成功诱导甜瓜产生了不定根。借助该技术,将含有GUS基因和EGF基因的过表达载体pCAMBIA3301和pCAMBIA1300-ProSuper导入发根农杆菌K599,利用转化后的农杆菌侵染甜瓜’E31’,成功诱导出了不定根。PCR检测结果表明,新生不定根的阳性率达到100%。通过GOS染色和激光共聚焦显微镜检测,在不定根中检测到GOS基因和EGFP基因的大量表达,成功实现了外源基因在甜瓜新生不定根内过表达。该方法周期短、操作方便、转化率高,可实现基因功能的快速验证,为甜瓜根系抗病抗逆方面的研究提供技术支持。

激素调控瓜菜植株矮化的研究进展

株型是影响作物产量和品质的重要性状之一,而矮化株型对于很多作物都是一种优良的农艺性状。通过采用株型矮化的品种,合理选择种植密度,可充分利用土地空间、提高光能利用率、增加单位面积产量。研究表明,植物激素尤其是赤霉素、油菜素内酯、生长素,在调控植株株高方面发挥了重要作用,目前已有多个相关基因被鉴定或克隆。笔者总结了近年来报道的与植物激素调控瓜菜植物矮化性状相关的基因,为揭示植株矮化机制以及植物种质资源改良提供参考。