分子设计育种研究进展

遗传改良是提升作物产量和品质的最重要推动力,但其潜力的发挥受到了常规育种技术的严重制约。近年来的研究表明,基于功能基因组学知识和技术的分子设计育种是克服常规育种技术瓶颈的有效途径。在我国水稻结构和功能基因组研究已获得重要成果的基础上,结合国际分子育种领域的最新进展,中科院拟系统开展水稻和小麦品种分子设计研究,建立和完善多基因组装分子设计育种的理论和技术体系,实现传统遗传改良向品种分子设计的跨越,培育出具有高产、优质、高效、抗病虫、耐逆和稳产性状的水稻和小麦新品种。     

加强植物迁地保护，促进植物资源保护和利用

植物资源是人类生存和发展的基础,由于人为和自然原因,植物多样性面临着严重威胁。迁地保护是解除威胁的重要方式,植物园和种质库是迁地保护的主要载体。全球植物园迁地保护了105 634种植物,约占全球植物总数的30%,并且保护了超过40%的受威胁物种;同时,全球500多座种质资源库收藏作物资源300多万份。中国的植物园迁地保护了20 000余种本土植物,约占全国总物种数的60%;国家农作物种质库和资源圃共保存种质资源50余万份。植物迁地保护机构在加强植物保护的同时,开展了大量科学研究和资源利用工作。文章在介绍植物迁地保护状况的基础上,综述了相关研究进展,提出了加强我国植物迁地保护的建议,以期促进植物多样性迁地保护和生物多样性可持续利用。     

基于MODIS时序NDVI特征值提取多作物播种面积的方法

MODIS数据的1、2波段是具有250m空间分辨率的红和近红外波段,并具有较高的时间分辨率,可对农作物进行动态跟踪监测.随着农作物的生长,NDVI值逐渐增大,并在一定生育期达到最大值后开始下降.由于不同作物具有不同的生育期,NDVI峰值的大小、出现的时间各不相同.通过对北京市主要农作物的种植结构调查和3月中旬到11月上旬的不同作物的NDVI值采样分析,得出:①冬小麦NDVI值3月下旬相对较高,5月上旬最大;②春玉米的NDVI峰值出现于8月上旬;③夏玉米的NDVI峰值出现于8月中旬;④大豆的NDVI峰值也出现在8月中上旬,可通过物候历与春玉米区分开来(春玉米是单季作物,大豆是双季作物),通过峰值大小与夏玉米区分开来.结合北京市1:10万土地利用数据,通过NDVI值时序变化规律从MODIS数据中提取了冬小麦、春玉米、夏玉米、大豆等作物的种植面积,总体精度达到95%以上.     

干旱区农户作物选择及农作物空间格局变化模拟研究——以甘肃省高台县为例

通过对甘肃省黑河流域中游下段的高台县60个村578户农业户进行参与式调查,采用决策树分类和空间分析方法,探索干旱区农户作物选择的影响机制,模拟不同水资源供应情景下的作物空间格局变化。结果表明:1影响作物选择的首要因素是作物所需的灌溉次数,其次是预期收入、预期成本以及灌区;2作物种植在空间上存在差异,水资源相对充足的灌区种植结构单一,以收益较高的制种玉米为主,山区及灌溉用水不足的灌区,以低耗水作物和套种模式为主;沿黑河干流向下游套种比例逐渐增多,高耗水作物逐渐减小;3情景模拟结果显示,若水资源供给减少,高耗水作物种植比例将会下降,中、低耗水的作物种植比例将会增加;大田种植减少,套种模式增加。     

农作物种植结构演变下的黄淮海旱作区小麦玉米生产时空格局

明确农作物种植结构类型的时空演变规律、以及演变过程中主要作物的生产时空格局,对开展农作物生产布局优化工作、促进农业可持续发展具有重要意义。基于农业统计数据,探讨2002—2018年黄淮海旱作区农作物种植结构类型的时空演变特征,同时利用空间自相关、重心模型等方法探讨农作物种植结构变化过程中该区域的两种主要作物——小麦和玉米的生产时空格局及其变化规律。结果发现：①近20年,黄淮海旱作区农作物种植结构类型整体由多样化向专一化发展,种植结构类型丰富度总体呈减小趋势,以小麦和玉米及其组合为主的种植结构占有的县域数目逐年增多,43%的县域小麦种植比例显著增加,81%的县域玉米种植比例显著增加（p<0.05）。②传统农业生产地带,包括河北平原西部、鲁西北等地小麦和玉米单产呈显著“高-高”聚集特征（p<0.05）,河南中东部小麦单产也呈显著“高-高”聚集特征,但研究区南部玉米单产呈显著“低-低”聚集特征。尽管旱作区内部小麦和玉米的生产格局表现出一定的地域差异性,但近20年小麦和玉米的生产重心均集中分布在河北、山东、河南三省交界处,表明在农作物种植结构类型演变的过程中,区域尺度小麦和玉米的生产具有一定的时序稳定性。③在“以水定产”和地下水可持续利用的目标导向下,河北平原的小麦种植比例有所减少,2014年以后,小麦玉米型县域数目减少,玉米小麦型增加,2018年已不存在单一小麦型县域。本文可为黄淮海旱作区区域尺度农作物种植结构优化提供数据支撑与决策支持。     

Improvement of anther cultures conditions using the Taguchi method in three cereal crops

BackgroundPlant tissue cultures have the potential to reprogram the development of microspores from normal gametophytic to sporophytic pathway resulting in the formation of androgenic embryos. The efficiency of this process depends on the genotype, media composition and external conditions. However, this process frequently results in the regeneration of albino instead of green plants. Successful regeneration of green plants is affected by the concentration of copper sulfate (CuSO₄) and silver nitrate (AgNO₃) and the length of induction step. In this study, we aimed at concurrent optimization of these three factors in barley (Hordeum vulgare L.), wheat (Triticum aestivum L.), and triticale (x Triticosecale spp. Wittmack ex A. Camus 1927) using the Taguchi method. We evaluated uniform donor plants under varying experimental conditions of in vitro anther culture using the Taguchi approach, and verified the optimized conditions.ResultsOptimization of the regeneration conditions resulted in an increase in the number of green regenerants compared with the control. Statistic Taguchi method for optimization of the in vitro tissue culture plant regeneration via anther cultures allowed reduction of the number of experimental designs from 27 needed if full factorial analysis is used to 9. With the increase in the number of green regenerants, the number of spontaneous doubled haploids decreased. Moreover, in barley and triticale, the number of albino regenerants was reduced.ConclusionThe statistic Taguchi approach could be successfully used for various factors (here components of induction media, time of incubation on induction media) at a one time, that may impact on cereals anther cultures to improve the regeneration efficiency.How to cite: Orłowska R, Pachota KA, Machczyńska J, et al. Improvement of anther cultures conditions using the Taguchi method in three cereal crops. Electron J Biotechnol 2020;43. https://doi.org/10.1016/j.ejbt.2019.11.001.     

大麦耐非生物胁迫相关分子标记研究进展

综述分子标记在大麦耐非生物胁迫研究中的应用及其研究进展,包括发育基因效应、野生种或地方种的变异、遗传(QTLs)图谱等。现代引种和育种过程引起物种的遗传变异趋于狭窄、多样性减少,由此可能加重疾病、害虫和非生物胁迫等危害的潜在威胁。发育基因对环境胁迫具有较强的多态性效应;野生大麦和原始地方种为提高耐胁迫性提供了丰富的遗传变异资源。大麦遗传多样性的分离鉴定、遗传图谱构建、及数量性状位点(QTL)分析和分子标记辅助选择,将有助于更好地利用野生种质优良抗性,更有效的选择耐(抗)性基因型。文末从正反两方面简要讨论了分子标记在大麦耐非生物胁迫遗传育种研究中作用。     

黑河流域中游地区近43 年来农作物需水量的变化趋势分析

根据黑河流域中游地区7个气象站点1967年-2009年的逐日气象资料,利用FAOPenman-Monteith模型和所提供的作物系数计算出主要作物不同生育阶段的需水量,采用Mann-Kendall趋势分析法对主要作物需水量的变化特征进行了研究,并对引起作物需水量的驱动因子进行了相关性分析,在此基础上,应用基于分型理论的R/S方法对作物需水量的变化趋势进行了预测。结果表明：近43年来,中游地区春小麦和玉米ETc均呈波动下降趋势,春小麦下降斜率为6mm/10a,玉米下降斜率为8mm/10a;其中,民乐和甘州站春小麦和玉米的ETc呈缓慢上升趋势,其他站点春小麦和玉米的ETc均呈下降趋势,且部分站点下降趋势显著。春小麦和玉米ETc的主要影响因子均为相对湿度、日照时数和平均风速。中游地区各站点春小麦和玉米需水量Hurst指数H均大于0.5,同时分维数D均小于1.5,因此未来一段时间ETc仍然保持与过去相一致的变化趋势。     

华北平原小麦、玉米作物生产水足迹的研究

水足迹概念将水问题拓展到了社会经济领域,是当前测度人类活动对水资源系统影响的理想指标。本文借助水足迹的概念,计算了华北平原地区(河北、北京、天津)小麦、玉米的虚拟水含量及其生长生产水足迹,并就绿水的重要性和灰水对环境的不利影响进行了相关分析。结果显示:2007年华北平原主要地区小麦虚拟水含量为1.054m3/㎏,生长用水以蓝水为主;玉米虚拟水含量为0.808m3/㎏,生长用水以绿水为主;小麦生产水足迹为172×108m3,其中绿水足迹30.85×108m3,蓝水足迹102.5×108m3,灰水足迹38.65×108m3;玉米生产水足迹为173.07×108m3,其中绿水足迹101.06×108m3,蓝水足迹26.92×108m3,灰水足迹45.09×108m3。通过分析表明:绿水在当地农作物生产中占有重要的地位,绿水的使用与作物的生长特点及作物生长周期有关;小麦、玉米总水足迹约为当地水资源总量的2.2倍,减少小麦、玉米作物生产水足迹对华北平原具有重要的意义。     

两种绿篱植物对作物养分吸收的影响

种植等高绿篱是丘陵山区实现农业可持续发展较为理想的经营措施,是防治坡耕地的水土流失和土地退化的有效手段.由于绿篱植物的引入,存在着绿篱植物与作物之间的抑制或促进作用,尤其是两者之间在养分、光、水和气方面的竞争作用,又成为植物篱推广应用的限制因子.本研究选用豆科紫穗槐和禾木科香根草为绿篱植物,间作小麦、大豆,设置单作、板隔、网隔和无隔4个处理.借助同位素示踪技术,测定绿篱和作物养分含量及吸收量.研究结果表明:香根草、紫穗槐对小麦N吸收影响不大,香根草不利于大豆N吸收,紫穗槐对大豆N的吸收有利;香根草抑制小麦P的吸收,促进大豆对P的吸收,紫穗槐对小麦、大豆P吸收都有利;香根草、紫穗槐对小麦、大豆K吸收起促进作用;香根草对N的竞争和对P、K的吸收能力均强于紫穗槐,而对N的吸收能力弱于紫穗槐;两种绿篱对小麦影响弱于小麦个体间的影响,对大豆的影响强于大豆个体的相互影响.这些揭示了紫穗槐和香根草对小麦、大豆之间的养分促进与竞争特点,为丘陵山区植物篱技术的推广应用提供理论依据.     

两种绿篱植物对作物养分吸收的影响

种植等高绿篱是丘陵山区实现农业可持续发展较为理想的经营措施,是防治坡耕地的水土流失和土地退化的有效手段。由于绿篱植物的引入,存在着绿篱植物与作物之间的抑制或促进作用,尤其是两者之间在养分、光、水和气方面的竞争作用,又成为植物篱推广应用的限制因子。本研究选用豆科紫穗槐和禾木科香根草为绿篱植物,间作小麦、大豆,设置单作、板隔、网隔和无隔4个处理。借助同位素示踪技术,测定绿篱和作物养分含量及吸收量。研究结果表明：香根草、紫穗槐对小麦N吸收影响不大,香根草不利于大豆N吸收,紫穗槐对大豆N的吸收有利;香根草抑制小麦P的吸收,促进大豆对P的吸收,紫穗槐对小麦、大豆P吸收都有利;香根草、紫穗槐对小麦、大豆K吸收起促进作用;香根草对N的竞争和对P、K的吸收能力均强于紫穗槐,而对N的吸收能力弱于紫穗槐;两种绿篱对小麦影响弱于小麦个体间的影响,对大豆的影响强于大豆个体的相互影响。这些揭示了紫穗槐和香根草对小麦、大豆之间的养分促进与竞争特点,为丘陵山区植物篱技术的推广应用提供理论依据。     

Enzymatic preparation of manno-oligosaccharides from locust bean gum and palm kernel cake,and investigations into its prebiotic activity

BackgroundManno-oligosaccharides (MOS) is known as a kind of prebiotics. Mannanase plays a key role for the degradation of mannan to produce MOS. In this study, the mannanases of glycoside hydrolase (GH) families 5 Man5HJ14 and GH26 ManAJB13 were employed to prepare MOS from locust bean gum (LBG) and palm kernel cake (PKC). The prebiotic activity and utilization of MOS were assessed in vitro using the probiotic Lactobacillus plantarum strain.ResultsGalactomannan from LBG was converted to MOS ranging in size from mannose up to mannoheptose by Man5HJ14 and ManAJB13. Mannoheptose was got from the hydrolysates produced by Man5HJ14, which mannohexaose was obtained from LBG hydrolyzed by ManAJB13. However, the same components of MOS ranging in size from mannose up to mannotetrose were observed between PKC hydrolyzed by the mannanases mentioned above. MOS stability was not affected by high-temperature and high-pressure condition at their natural pH. Based on in vitro growth study, all MOS from LBG and PKC was effective in promoting the growth of L. plantarum CICC 24202, with the strain preferring to use mannose to mannotriose, rather than above mannotetrose.ConclusionsThe effect of mannanases and mannan difference on MOS composition was studied. All of MOS hydrolysates showed the stability in adversity condition and prebiotic activity of L. plantarum, which would have potential application in the biotechnological applications.How to cite: Zhang R, Li X-Y, Cen X-L, et al. Enzymatic preparation of manno-oligosaccharides from locust bean gum and palm kernel cake, and investigations into its prebiotic activity. Electron J Biotechnol 2021;49. https://doi.org/10.1016/j.ejbt.2020.11.001     

基于BP神经网络的作物Cd含量预测及安全种植分区

为科学预测作物重金属含量,实现重金属污染农用地的安全利用,本研究利用地理探测器选取对作物Cd含量影响较大的土壤Cd含量、土壤pH值、与交通主干线的距离等10个因素为输入因子,农作物可食部分Cd含量作为输出因子,分别建立小麦、水稻、油菜籽、蔬菜可食部分Cd含量的BP神经网络预测模型,对作物种植污染情况进行预测分析,划分作物安全利用种植区。研究结果表明：① BP神经网络模型预测精度明显优于多元回归预测模型;② 对小麦、水稻和油菜籽的可食部分Cd含量预测结果进行评价,得到作物污染可能的空间分布及特征;③ 依据评价结果,对3种作物进行配置,划分得到4种作物适宜种植区,并提出管控策略。研究可为污染农用地的安全利用及作物种植调整提供思路和依据,兼具理论和现实意义。     

气候变化对中国主要农作物秸秆资源的影响

生物质能在缓解能源紧张,降低气候变化影响方面具有广阔的发展前景。农作物秸秆作为其丰富重要的原料之一,它的有效开发和利用,将对我国生物质资源的综合利用有重要影响。气候变化会影响农作物秸秆产量,本研究利用CERES作物模型模拟了基本气候BS情景下(1961年-1990年)和SRES温室气体排放方案下B2情景的(2011年-2100年)我国三大粮食作物水稻、小麦、玉米的秸秆生产量,分析并预测了未来气候变化对其秸秆生产量的影响,结果表明:①作物秸秆生产总量表现为先降低(2020s)后增加(2050s、2080s)的趋势,其中水稻的秸秆单产和总量将下降,而小麦和玉米的秸秆单产、总量则有增加趋势,尤其是小麦增加幅度更大;②未来气候变化将增大作物秸秆生产总量的年际波动,影响秸秆利用量的稳定性;③华北地区是未来三大作物秸秆总量增加的主要区域,有利于秸秆资源的开发和利用,而东北的东部地区秸秆总量表现为大幅度的降低。本文成果属初步研究,存在一定的不确定性,今后需要继续深入探讨,逐步降低研究中的不确定性。     

冬小麦复种青饲玉米效益分析与技术模式的研究

针对宁夏中部干旱带库、井灌区及盐-环-定扬黄灌区一年一熟光、热资源丰足有余,一年两熟又嫌光,热不足的气候特点进行冬小麦复种青饲玉米的研究,结果表明,生态、经济、社会效益十分显著。相对单种冬小麦,水、肥、气、热、光等自然资源利用率得到提高,增加了农作物产量,为宁夏中部干旱带农牧交错区稳定粮食生产的同时,兼顾发展草畜产业开辟了一条新途径。     

1989—2019年陕西省作物生产水足迹时空演变与节水潜力评价

【目的】陕西省是中国重要的粮油果基地,却大部分地处半干旱区,有限的水资源是制约当地经济社会可持续发展的最大刚性约束。作物生产耗水及节水潜力定量评价是农业适水发展与绿色高效节水的基础性工作。【方法】本文基于1989—2019年陕西省地级市尺度10种主要作物在灌溉、雨养条件下作物生产蓝水足迹(灌溉水消耗)、绿水足迹(有效降水消耗)和灰水足迹(稀释污染负荷所需水量)时空演变特征,推演典型年作物生产工程节水潜力和真实节水潜力。【结果】结果显示：(1)近30年陕西省各作物生产消耗型水足迹均呈整体下降趋势,同一作物生产水足迹在市际间存在较大差异。省平均苹果生产消耗型水足迹下降幅度达91.3%;各市间小麦生产消耗型水足迹差异值可达3.41 m³/kg,同时,苹果和油菜籽生产灰水足迹呈上升趋势。(2)省作物生产消耗型总水足迹在2019年达160.55亿m³/a,较1989年微降1.8%;玉米、小麦和苹果贡献了省作物生产消耗型总水足迹的80%以上。(3)陕西省作物生产工程节水潜力、蓝水真实节水潜力和绿水真实节水潜力分别可达62%、68%和49%。【结论】陕西省...     

北方农牧交错带作物耗水特征及其与气温和降水的关系——以内蒙古呼和浩特市武川县为例

当前干暖化的气候变化趋势对北方农牧交错带农作物生长发育产生了重要影响,研究农作物耗水特征及其与气温、降水的关系对指导当地农业生产与生态建设具有重要意义。本文以北方农牧交错带内蒙古呼和浩特市武川县为例,基于1960年-2007年的气温、降水等气象资料和1983年-2007年的土壤水分数据,分析气温、降水变化特征,划分降水年型,研究小麦、莜麦和马铃薯三种当地典型作物的生育期耗水特征,探讨气温、降水对作物耗水的影响。研究表明：近50年来,武川气候呈现干暖化趋势,生长季平均温度每年升高0.03℃,生长季降水每年减少0.9mm;近25年来,干暖化趋势更加明显,生长季平均温度每年升高0.08℃,生长季降水每年减少2.5mm;作物耗水量随之呈现减少趋势,小麦耗水量平均每年减少1.65mm,莜麦每年减少2.04mm,马铃薯每年减少3.85mm。作物耗水量在不同年型表现出差异性。马铃薯、莜麦耗水量明显多于小麦。降水变化对作物耗水量影响显著,当前气温升高、降水减少的趋势不利于北方农牧交错带作物生产,培育抗旱品种、发展抗旱栽培管理措施是适应气候变化的重要途径。     

Short-chain fatty acids production by Bifidobacterium species in the presence of salep

BackgroundSalep is obtained by grinding dried orchid tubers and used as a valuable ingredient in the food industry. Because of the glucomannan content of salep, it is thought to have prebiotic potential. However, there is little information in studies concerning the fermentation characteristics and potential prebiotic properties of salep. The objective of this study was to investigate the effect of salep on bifidobacterial growth by measuring the highest optical density (OD), calculating the specific growth rates, and determining the production of lactic acid and short-chain fatty acids (acetic, propionic, and butyric acid) as a result of bacterial fermentation.ResultThe OD and pH values obtained in this study showed that salep was utilized as a source of assimilable carbon and energy by the Bifidobacterium species (BS). All Bifidobacterium strains produced lactic, acetic, propionic, and butyric acid, indicating that salep is readily fermented by these bacteria. Salep at 1% (w/v) showed a similar effect on bifidobacterial growth as that promoted by 1% (w/v) glucose used as a traditional carbon source.ConclusionsBifidobacterium species can develop in media containing salep as well as in glucose and exhibit the potential to be used as new sources of prebiotics.How to cite: Usta-Gorgun B, Yilmaz-Ersan L. Short-chain fatty acid production by the Bifidobacterium species in the presence of salep. Electron J Biotechnol 2020;47. https://doi.org/10.1016/j.ejbt.2020.06.004.     

能源作物资源现状与发展前景

能源作物是生物质能源发展的基础环节,本文就国内外能源作物研究现状与前景进行综合述评。分析了能源作物的基本概念和分类,明确了适合中国国情的能源作物概念,归纳了当前淀粉与糖料作物、油脂作物和木质纤维素作物三类能源作物研究与应用现状。重点介绍了当前几种受国内外重视的新型能源作物甜高粱(Sorghum bicolor)、木薯(Manihot esculenta)、柳枝稷(Panicum virgatum)、芒属植物(Miscanthusspp.)和柳属植物(Salixspp.)的发展现状和前景。从土地的承载能力和对环境的影响方面分析了中国发展发展能源作物的存在的问题与前景,明确提出,中国要坚持利用边际性土地、与生态恢复相结合发展能源作物的原则。指出中国能源作物种类筛选及品种改良至关重要,选择目标上应重视高光效、多年生、以收获营养器官为收获对象和高度抗逆等特征,以期形成具有地区适应性且收获季节多样化的系列能源作物种类与品种。     

中国小麦、玉米碳足迹历史动态及未来趋势

气候变化是当今国际研究的热点问题,小麦、玉米是中国主要粮食作物,分析小麦、玉米生产碳足迹的时空动态和中国相关农业政策对小麦、玉米生产的温室气体减排的引导效果对于合理应对气候变化具有重要的意义。本研究基于生命周期评价法（LCA）对2005—2015年中国小麦、玉米生产碳足迹进行了核算,并在此基础上,根据种植业结构及化肥、农药调整政策模拟分析了不同玉米种植面积和不同单位面积化肥及农药施用量等4种情景下2020年小麦、玉米生产的温室气体排放和单位面积碳足迹。研究结果显示：2005—2015年小麦、玉米生产的单位面积碳足迹和温室气体排放量均呈现出显著增加的趋势 （P < 0.05）;模拟分析结果表明：通过缩减种植面积,优化化肥、农药投入能够有效降低小麦、玉米生产的碳足迹,实现（168.89~ 560.07）亿kg CO₂-eq的减排潜力。因此建议构建科学施肥技术体系,提高农资投入品的利用效率,以实现中国的温室气体减排目标。