干旱胁迫对玉米幼苗根系中NO信号转导的影响

以玉米(Zea mays L.)幼苗根系为材料,研究其生长发育对内外源NO的感应及在干旱条件下内外源NO对其生长发育的影响.结果表明:干旱抑制根系NO释放,NO的产生可能不依赖于NO合酶系统,而依赖于NADPH硝酸还原酶的酶促反应;用活性氧清除剂NAC、NAC与干旱复合处理均能促使内源NO的产生和释放:其根系生物量的分析表明内源NO的释放明显抑制根系的生长发育.     

华北夏玉米干物质分配系数对干旱胁迫的响应

干物质分配系数反映作物各器官干物质的分配与积累,研究干物质分配系数对干旱胁迫的响应,是研究干旱胁迫对作物生长发育影响的基础.本文基于华北夏玉米主产省山东、河北和山西3个试验点2013—2015年田间水分控制试验资料,建立了夏玉米苗期、抽雄期、灌浆期3个主要发育阶段叶、茎、穗的干物质分配系数与土壤相对湿度的定量关系模型,分析了叶、茎、穗干物质分配系数对不同程度干旱胁迫的响应.结果表明: 3个阶段叶、茎、穗的干物质分配系数与土壤相对湿度均呈显著的一元二次关系.干旱胁迫下,叶片向外转运的干物质相对减少,叶干物质分配比例增加,并且在轻、中度干旱胁迫时的灌浆期(叶干物质分配系数增加0.04~0.09)以及重度干旱胁迫时的抽雄期(叶干物质分配系数增加0.17)响应最敏感.穗干物质分配系数对干旱胁迫表现为负响应,干旱胁迫越严重,分配系数越小,轻-重度干旱胁迫使穗干物质分配系数减小0.08~0.34.茎干物质分配系数对干旱胁迫的响应总体表现为灌浆期(正响应)＞抽雄期(负响应)＞苗期(负响应).     

土壤干旱胁迫下非水力根信号调控夏玉米气体交换对大气环境的响应

对不同程度土壤干旱胁迫下夏玉米非水力根信号的产生以及气体交换过程对大气环境的响应进行了试验研究。充足底墒播种后采用3个土壤水分处理等级(0~200cm土壤相对湿度为>80%、60%~70%、40%~50%,代号为W T1、W T2和W T3)。生育期内遮去自然降水。试验结果表明,在拔节期轻度和中度土壤干旱胁迫的情况下,玉米根系合成大量ABA传输到地上部分,参与控制气孔开度和气体交换过程对大气环境变化的响应并调节水分消耗。在日变化过程中,当光强和水汽压亏缺较高时,由于蒸腾速率较高,非水力根信号物质向冠层的传输速率也较高,ABA在叶片中的累积影响了气孔开张对光强响应的敏感度,气孔开度受到抑制,并且随着ABA累积和浓度的增加,气孔抑制作用越强;在水汽压亏缺较低的情况下,非水力根信号物质向冠层的传输速率较低,ABA的代谢过程以及再分配过程能够保证这种信号物质保持在低水平,从而保证一定程度的气孔开度和光合、蒸腾速率。这种策略能够使夏玉米在轻、中等干旱条件下保证最大的光合作用,同时在可能的胁迫情况下降低蒸腾作用以提高水分利用效率。     

施肥对沙打旺根系提水及土壤养分活性的影响

采用上下桶分根法,通过下桶施肥研究施肥对沙打旺根系提水作用能力及上桶土壤养分活性的影响.结果发现：沙打旺根系提水量随施肥量的增加而增加;在上桶不浇水的情况下,高肥处理组上桶伴生的浅根植物早熟禾在干旱胁迫时间较短时较对照组生长正常;根系提水量最大时,高肥和低肥处理的上桶土壤呼吸速率分别比对照增加14.9%和51.4%,有机质含量分别下降17.8%、19.6%,速效磷分别增加13.9%、33.2%,速效钾分别增加20.4%和22.8%.研究表明,施肥促进了沙打旺根系的生长发育,增加了下桶根系吸水和上桶释水量,有效地缓解了上桶土壤的旱情,显著提高了上桶土壤养分的活化程度和有效养分含量.     

土壤水分胁迫对夏玉米植株性状整齐度的影响

利用大型防雨设施池栽,严格调控水量,研究夏玉米全程及阶段性土壤水分胁迫对植株性状整齐度的影响。结果表明,夏玉米生育全程水分胁迫,植株性状整齐度全面劣化,产量极低;苗期阶段水分胁迫导致大、小苗,壮、弱苗两极分化明显,株高整齐度显著下降,其负效应持续至生育后期,生育进程推迟,千粒重显著降低,对产量造成一定影响;穗期阶段水分胁迫对穗长、穗料数整齐度影响明显,产量降幅度较大;花粒期阶段水平胁迫对千粒重及穗     

干旱胁迫对花生根系生长发育和生理特性的影响

以花育17号和唐科8号两个花生品种为试验材料,在防雨棚栽培池内进行土柱栽培试验,研究了中度干旱胁迫和正常供水处理下花生生育后期根系形态发育特征和生理特性.结果表明: 唐科8号具有较发达的根系及较高的产量和抗旱系数,花育17号根系对干旱胁迫的适应性小于唐科8号.两品种根长密度、根系生物量均主要分布于0～40 cm土层中,但同一土层内两品种根系性状存在差异.与正常供水处理相比,干旱胁迫处理使花育17号各生育期总根长、根系总表面积和总体积均降低,而唐科8号除花针期显著降低外,其余生育期均明显升高;干旱胁迫增加了两品种20～40 cm土层内根系生物量、根系表面积和体积,而降低了40 cm以下土层内各根系性状;干旱胁迫处理使两品种饱果期40 cm以下土层内根系活力降低,且花育17号降低幅度高于唐科8号.干旱胁迫下两品种生育后期根系发育和生理特性的差异表明其根系在干旱胁迫下对水分吸收和利用存在差异.     

施氮对干旱胁迫下毛竹幼苗生物量和根系形态的影响

为探讨氮素添加对水分胁迫下毛竹幼苗地上生物量及地下根系形态的调控作用,选取1年生毛竹实生苗为材料,采用水分和施氮双因素完全随机区组设计,以田间持水量的80%～85%作为水分对照(CK)、50%～55%为中度干旱(MD)、30%～35%为重度干旱(HD)设置3个水分水平,氮处理分未施氮(N0,0 mg N·kg^-1)和施氮(N1,100 mg N·kg^-1)2个水平,通过盆栽试验,测定毛竹实生苗根系形态特征及各器官生物量。结果显示：施氮显著增加了同一水分下毛竹幼苗叶、根及整株生物量,其中,N1MD和N1HD分别较N0MD和N0HD地上生物量增加15.6%、11.9%,总生物量分别增加36.7%、25.0%(P<0.05);施氮降低了相同水分处理下毛竹的比根长、茎叶比,显著促进了中度和重度干旱下根冠比的增加(P<0.05);水分胁迫下,除根生物量比显著增加外,茎、叶生物量比均随氮素添加呈减小的趋势;施氮对毛竹幼苗根系形态特征(根长、根表面积、根体积)具有不同程度的促进作用;施氮对中度干旱下毛竹幼苗干物质积累的缓解作用比重度干旱大,但在...     

玉米根、叶质膜透性和叶片水分对土壤干旱胁迫的反应

利用大型活动式防雨旱棚 ,人工控制不同土壤含水量 ,全生育期系统研究了轻度及严重土壤干旱胁迫对夏玉米根系活力、叶片相对含水量、离体叶片保水力和根、叶质膜透性的影响 .结果表明 :土壤干旱胁迫下 ,玉米叶片相对含水量下降、离体叶片保水力降低 ;叶片及根系质膜透性上升 ,并且根的质膜透性比叶片上升快 ,根系活力下降 ;在干旱胁迫下 ,根系、叶片质膜透性与叶片相对含水量呈负相关 ,而根系、叶片质膜透性与离体叶片保水力呈显著正相关 ,根系膜透性与叶片膜透性也呈显著正相关 ,维持根系活力与保持较高的叶片含水量有密切关系 .另外 ,由于严重水分胁迫处理的上述特性和充分供水处理差异显著 ,而轻度胁迫和充分供水不显著 ,因此可以认为轻度水分胁迫 ,即土壤含水量为田间持水量的 6 0± 5 %为夏玉米正常生长发育的下限指标 ,可作为制定节水栽培措施的理论依据 .     

干旱胁迫对不同烤烟品种根系生长和生理特性的影响

以抗旱型烤烟品种‘农大202'及一般型烤烟品种‘NC89'和‘K326'为材料,采用盆栽试验研究了干旱胁迫对根系生长和生理特性的影响,以明确各烟草品种的抗旱能力及其与根系生长和生理特性的关系.结果显示:严重干旱胁迫之后各烤烟品种根系鲜重、干重上升,而根系活力、根系吸收面积以及根系SOD和POD活性等根系生理指标则呈下降趋势.在干旱胁迫条件下,‘农大202'的根系总吸收面积、活跃吸收面积、根系活力、SOD活性和POD活性均显著高于两对照品种‘NC89'和‘K326',但其根系鲜重和干重等生物量并不具有太大的优势.研究表明,烟草的根系生长和生理特性对环境水分条件的响应存在明显的基因型差异;在干旱胁迫条件下, ‘农大202'根系能保持较高总吸收面积、活跃吸收面积、根系活力和保护酶活性,是其具有较强抗旱性的生理基础.     

干旱胁迫对小麦幼苗根系生长和叶片光合作用的影响

采用水培试验方法,以2个耐旱性不同的小麦品种(敏感型望水白和耐旱型洛旱7号)为材料,研究了干旱胁迫对小麦幼苗根系形态、生理特性以及叶片光合作用的影响,以期揭示小麦幼苗对干旱胁迫的适应机制.结果表明： 干旱胁迫下,2个小麦品种幼苗的根系活力显著增大,而根数和根系表面积受到抑制;干旱胁迫降低了望水白的叶片相对含水量,提高了束缚水/自由水,而对洛旱7号无显著影响;干旱胁迫降低了2个小麦品种叶片的叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度,但随胁迫时间的延长,洛旱7号的叶绿素含量和净光合速率与对照差异不显著;干旱胁迫降低了2个小麦品种幼苗的单株叶面积,以及望水白的根系、地上部和植株生物量,而对洛旱7号无显著影响.水分胁迫下,耐旱型品种可以通过提高根系活力、保持较高的根系生长量来补偿根系吸收面积的下降,保持较高的根系吸水能力,进而维持较高的光合面积和光合速率,缓解干旱对生长的抑制.     

叶面喷施褪黑素对干旱及复水下玉米光合特性和抗氧化系统的影响

为揭示叶面喷施外源褪黑素(MT)在干旱胁迫及复水下调控玉米的生理机制,该研究以玉米‘陕科9号’为试验材料,叶面喷施100 μmol·L^-1褪黑素,在重度干旱胁迫和复水后测定叶片相对含水量(RWC)、叶面积、地上部生物量、光合机构活性以及抗氧化酶活性等指标。结果表明：(1)外源喷施褪黑素能有效缓解干旱胁迫诱导的玉米生长发育抑制,同时显著提高干旱胁迫下玉米叶片光系统(PSⅡ和PSⅠ)有效量子产量［Y(Ⅱ)和Y(Ⅰ)］,并降低干旱胁迫下叶片PSⅠ 受体侧和供体侧限制引起的非光化学能量耗散的量子产量Y(ND)和Y(NA)。(2)喷施外源褪黑素显著增强了干旱胁迫玉米植株叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)及谷胱甘肽还原酶(GR)活性,显著降低了其丙二醛(MDA)和过氧化氢(H₂O₂)含量;同时外源褪黑激素也显著上调了其相应抗氧化酶活性相关基因的表达量。(3)复水后,干旱胁迫下经褪黑素处理的玉米植株叶片上述各参数恢复速度较单独干旱胁迫处理植株更快。研究认为,叶面喷施褪黑素有效缓解了干旱胁迫对玉米叶片的光合机构的损伤,增强了叶片抗氧化酶活性及相关基因的表达,显著降低了膜脂过氧化伤害程度,且复水后显著促进叶片生理功能的恢复,表明外源褪黑素可通过改善干旱及复水下玉米叶片光合效率和抗氧化能力,从而促进植株生长以适应干旱多变的环境。     

Dissecting Maize Productivity: Ideotypes Associated with Grain Yield under Drought Stress and Well-watered Conditions

To increase maize (Zea mays L.) yields in drought‐prone environments and offset predicted maize yield losses under future climates, the development of improved breeding pipelines using a multi‐disciplinary approach is essential. Elucidating key growth processes will provide opportunities to improve drought breeding progress through the identification of key phenotypic traits, ideotypes, and donors. In this study, we tested a large set of tropical and subtropical maize inbreds and single cross hybrids under reproductive stage drought stress and well‐watered conditions. Patterns of biomass production, senescence, and plant water status were measured throughout the crop cycle. Under drought stress, early biomass production prior to anthesis was important for inbred yield, while delayed senescence was important for hybrid yield. Under well‐watered conditions, the ability to maintain a high biomass throughout the growing cycle was crucial for inbred yield, while a stay‐green pattern was important for hybrid yield. While new quantitative phenotyping tools such as spectral reflectance (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI) allowed for the characterization of growth and senescence patterns as well as yield, qualitative measurements of canopy senescence were also found to be associated with grain yield.     

Molecular Improvement of Tropical Maize for Drought Stress Tolerance in Sub-Saharan Africa

The C4 grass Zea mays (maize or corn) is the third most important food crop globally after wheat and rice in terms of production and the second most widespread genetically modified (GM) crop, after soybean. Its demand is predicted to increase by 45% by the year 2020. In sub-Saharan Africa, tropical maize has traditionally been the main staple of the diet, 95% of the maize grown is consumed directly as human food and as an important source of income for the resource—poor rural population. However, its growth, development and production are greatly affected by environmental stresses such as drought and salinization. In this respect, food security in tropical sub-Saharan Africa is increasingly dependent on continuous improvement of tropical maize through conventional breeding involving improved germplasm, greater input of fertilizers, irrigation, and production of two or more crops per year on the same piece of land. Integration of advances in biotechnology, genomic research, and molecular marker applications with conventional plant breeding practices opens tremendous avenues for genetic modifications and fundamental research in tropical maize. The ability to transfer genes into this agronomically important crop might enable improvement of the species with respect to enhanced characteristics, such as enriched nutritional quality, high yield, resistance to herbicides, diseases, viruses, and insects, and tolerance to drought, salt, and flooding. These improvements in tropical maize will ultimately enhance global food production and human health. Molecular approaches to modulate drought stress tolerance are discussed for sub-Saharan Africa, but widely applicable to other tropical genotypes in Central and Latin America. This review highlights abiotic constraints that affect growth, development and production of tropical maize and subsequently focuses on the mechanisms that regulate drought stress tolerance in maize. Biotechnological approaches to manage abiotic stress tolerance in maize will be discussed. The current status of tropical maize transformation using Agrobacterium as a vehicle for DNA transfer is emphasized. This review also addresses the present status of genetically modified organisms (GMOs) regulation in sub-Saharan Africa.     

夏玉米叶片气体交换参数对干旱过程的响应

目前已经开展了大量的干旱对作物叶片气体交换参数影响的研究,但关于作物叶片气体交换参数对干旱过程的响应及其关键阈值的研究仍较少。基于夏玉米七叶期开始的5个初始水分梯度的长时间持续干旱模拟实验资料,分析了不同强度持续干旱过程中夏玉米叶片气体交换参数(净光合速率Pn,气孔导度Gs,蒸腾速率Tr,胞间CO_2浓度Ci和气孔限制值Ls)的变化规律及其关键阈值。结果表明,玉米的净光合速率(Pn),蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)在干旱发生初期呈大幅度下降,但随着干旱持续会出现一定的适应性。利用统计容忍限方法确定了夏玉米拔节期Pn,Tr和Gs响应干旱的临界土壤相对湿度(0—30cm)分别为53%,51%和48%,对应的临界叶含水率分别为81.8%,81.3%和81.2%。夏玉米光合作用由气孔限制向非气孔限制转换的0—30cm土壤相对湿度均为44%±2%,对应的叶含水率均为77.6%±0.3%。研究结果可为夏玉米干旱发生发展过程的监测预警提供依据。     

玉米ZmSOD基因克隆及其在干旱胁迫下的表达

为探讨超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)基因在玉米抗逆反应中的作用,研究选用2个抗旱性有明显差别的玉米品种为试验材料,采用RT-PCR、实时荧光定量PCR(qRT-PCR)及二维凝胶电泳(2-DE)耦联的基质辅助激光解吸电离/飞行时间质谱(MALDI-TOF)法,对ZmSOD基因的序列结构及其在干旱胁迫下的表达特性进行分析。结果表明：(1)从干旱敏感品种‘登海605’(DH605)和抗旱品种‘蠡玉35’(LY35)玉米叶片中分别成功克隆出ZmSOD1和ZmSOD2基因。DH605中ZmSOD1开放阅读框(ORF)全长456 bp,编码151个氨基酸,编码的蛋白等电点为5.76,分子量为15.05 kD。LY35中ZmSOD2ORF全长459 bp,编码152个氨基酸,编码的蛋白等电点为5.65,分子量为15.11 kD;ZmSOD1和ZmSOD2是亲水性稳定蛋白,都含有Cu/Zn-SOD结构域,蛋白序列N端无信号肽及无跨膜结构域。同源性和系统进化分析表明,玉米ZmSOD和谷子Cu/Zn-SOD2的亲缘关系最近,相似性高达96.05%。(2)在干旱条件下,ZmSOD1在DH605中转录水平明显降低,LY35中ZmSOD2转录水平显著升高;2-DE耦联的质谱分析显示：ZmSOD1在DH605中表达量明显降低,LY35中ZmSOD2表达量无显著性变化,却检测到Mn-SOD蛋白表达量显著增加。(3)相关分析显示,干旱条件下,DH605叶片中ZmSOD1转录水平和其蛋白丰度及SOD酶活性呈极显著性正相关,LY35叶片中ZmSOD2转录水平与SOD酶活性呈显著性正相关。研究结果为进一步探索SOD基因在调节玉米抗性以及逆境胁迫应答过程中的作用机制提供了基础。     

玉米跨代干旱胁迫记忆生理机制及DNA甲基化变化分析

为研究亲代干旱锻炼对后代玉米生理特性和DNA甲基化修饰的影响,以亲代(G₀代)经干旱锻炼的玉米自交系B73和H99自交后代(G₁代)为材料,利用20% PEG 6000模拟干旱胁迫条件,检测G₁和G₀代叶片相对含水量(RWC)与丙二醛(MDA)、可溶性糖、脯氨酸含量以及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性变化,并利用甲基化敏感扩增多态性技术(MSAP)检测G₁和G₀代基因组DNA甲基化状况,分析2个世代玉米生理指标和基因组DNA甲基化修饰的变异规律。结果表明：(1)在相同干旱胁迫条件下,玉米B73和H99 自交系G₁代叶片的RWC、可溶性糖与脯氨酸含量以及SOD和POD活性均高于G₀代,其G₁代MDA含量则低于G₀代;G₁代叶片的RWC减少量和MDA增加量小于G₀代,G₁代可溶性糖和脯氨酸含量以及SOD和POD活性增加量均大于G₀代。(2)干旱胁迫诱发了B73和H99 自交系G₁和G₀代DNA甲基化水平和甲基化模式的改变;在相同干旱胁迫条件下,两自交系G₁代DNA甲基化修饰变化均大于G₀代。(3)B73和H99 自交系DNA甲基化修饰变异规律不同,随胁迫时间延长,B73 自交系2个世代CG、CHG甲基化水平均呈上升趋势,H99 自交系2个世代CG甲基化水平呈上升趋势,CHG甲基化水平呈下降趋势;B73 自交系2个世代均以CG hypo和CHG hypo变化为主,H99 自交系2个世代均以CHG hypo和CG hyper变化为主。研究发现,B73和H99玉米自交系G₁代植株的抗氧化和渗透调解能力以及DNA甲基化修饰变化均大于G₀代,其抗旱性也强于G₀代,从而证明玉米存在跨代干旱胁迫记忆。     

干旱胁迫下耐旱性小麦在不同生育期脱水素的表达分析

以2种耐旱性不同的盆栽小麦陕合6号(干旱耐受型)和郑引1号(干旱敏感型)为材料,分别在其苗期、分蘖期、拔节期、开花期对土壤实施不同程度的自然干旱胁迫和复水处理,采用SDS-PAGE和Western blotting技术研究其叶片脱水素的表达规律,探究小麦整个生长期脱水素的表达与干旱胁迫的关系.结果表明:2种小麦的脱水素均仅在干旱胁迫时表达,其中45 kD和37 kD的脱水素在2种小麦的4个发育期的叶片中均有表达,28 kD的脱水素仅在特定发育时期表达.在干旱耐受型小麦(陕合6号)中,脱水素在胁迫初期少量表达,随着胁迫程度加剧表达量急剧增加,在重度干旱胁迫下达到峰值,复水后小麦叶片中脱水素含量迅速下降;在干旱敏感型小麦(郑引1号)中,脱水素在胁迫初期大量表达,中度胁迫表达量小幅度回落,到复水1 d达到峰值,此后随着复水时间增加小麦叶片中脱水素的量逐渐下降.研究表明,小麦叶片脱水素表达与干旱胁迫程度和生育期迫密切相关,不同耐旱型小麦材料中叶片脱水素表达的差异与品种之间的干旱耐受能力密切相关.     

水肥耦合下夏玉米不同生育时期的高光谱特性与反演模型研究

本文通过整个光谱范围内一阶导数光谱反射率与叶绿素、可溶性糖和可溶性蛋白的相关系数显著的波段,建立高光谱预监测水肥耦合条件下的夏玉米光合特性以及碳氮代谢,进而为玉米高产提供依据。在玉米拔节期和大喇叭口期选择596、1025和924nnl,吐丝期和乳熟期选择638、1068和965nm这几个显著性波段的实测值来建立估测模型。研究结果表明,拔节和大喇叭口期叶片叶绿素SPAD值的估测模型为y=28832．45p596＋39．34,可溶性糖含量的估测模型为y=640．54p1025＋7．92,可溶性蛋白含量一阶导数光谱估测模型为y=4092．90p924＋5．63,而吐丝期和乳熟期叶片叶绿素SPAD值的估测模型为y=134151．00p638＋129．92,可溶性糖含量的估测模型为y=524．80p1068＋9．20,可溶性蛋白含量一阶导数光谱估测模型为y=7321．61lp965＋36．64。所建立的高光谱预测模型在本试验所属的时空范围内能很好地预测和反演玉米生长状况。