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吉林農業(yè)大學學報2024年第2期

發(fā)布時間:2024-5-09 | 雜志分類:其他
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吉林農業(yè)大學學報2024年第2期

吉 林 農 業(yè) 大 學 學 報第 46 卷 第 2 期 2024 年 4 月期刊基本參數(shù):CN 22-1100/S * 1979 * b * A4 * 174 * zh * P *¥30. 00 * 500 * 21 * 2024?04特約稿基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的研究進展 ……………張斯童,石佳,王剛,田春杰,陳光(175)研究論文高寒區(qū)玉米葉片光合參數(shù)日變化及其與環(huán)境因子關系……………………………………… 歷艷璐,王俊鵬,于欣志,魏宏磊,趙洪祥,邊少鋒,張治安(187)灌溉方式對施肥時期田面水氮磷濃度及水稻生育性狀影響…………………………………………………………牛世偉,徐嘉翼,隋世江,張鑫,葉鑫,王娜(197)滴灌磷肥分配比例對玉米磷素吸收利用的影響………………………戚昕元,曹國軍,耿玉輝,鄒欣(205)吉林省水稻惡苗病菌對咯菌腈的敏感性及抗藥性風險評估  ……………………………………………………………… 劉禹含,鄒佳營,何博,劉麗萍,高潔(211)2個抗感煙草品種響應馬鈴薯Y病毒早期脅迫的轉錄組分析……………………………………王平,任雅萍,任昭輝,蘇亮,吳委林,楊超群... [收起]
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吉林農業(yè)大學學報2024年第2期
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吉 林 農 業(yè) 大 學 學 報

第 46 卷 第 2 期 2024 年 4 月

期刊基本參數(shù):CN 22-1100/S * 1979 * b * A4 * 174 * zh * P *¥30. 00 * 500 * 21 * 2024?04

特約稿

基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的研究進展 ……………張斯童,石佳,王剛,田春杰,陳光(175)

研究論文

高寒區(qū)玉米葉片光合參數(shù)日變化及其與環(huán)境因子關系

……………………………………… 歷艷璐,王俊鵬,于欣志,魏宏磊,趙洪祥,邊少鋒,張治安(187)

灌溉方式對施肥時期田面水氮磷濃度及水稻生育性狀影響

…………………………………………………………牛世偉,徐嘉翼,隋世江,張鑫,葉鑫,王娜(197)

滴灌磷肥分配比例對玉米磷素吸收利用的影響………………………戚昕元,曹國軍,耿玉輝,鄒欣(205)

吉林省水稻惡苗病菌對咯菌腈的敏感性及抗藥性風險評估

  ……………………………………………………………… 劉禹含,鄒佳營,何博,劉麗萍,高潔(211)

2個抗感煙草品種響應馬鈴薯Y病毒早期脅迫的轉錄組分析

……………………………………王平,任雅萍,任昭輝,蘇亮,吳委林,楊超群,董環(huán)宇,樸世領(219)

偏腫革裥菌GMC基因家族在木質條件下轉錄表達分析

……………………………………… 池玉杰,陳欣妍,楊旭欣,郝雅昕,趙予璐,賈子燁,蘇文浩(228)

林下栽培靈芝主要活性成分與生態(tài)因子的關系…………………………石云龍,韓梅,孫卓,楊利民(239)

天然闊葉次生林下不同年生人參根際微生物群落多樣性 …………………劉麗娟,佟愛仔,秦佳梅(246)

栽培年限的增加對人參根區(qū)土壤養(yǎng)分及微生物群落結構的影響

……………………………………………………………… 王天佑,丁萬隆,尹春梅,王蓉,李勇(255)

氮磷鉀配施對朝鮮淫羊藿產量和質量的影響……………………………張碩,張永剛,楊利民,韓梅(264)

精氨酸雙糖苷對黑色素瘤B16細胞的作用及其機制初步研究

…………………………………………………馮梓航,劉興龍,趙迎春,陳雪艷,丁傳波,劉文叢(272)

青風藤總生物堿提取工藝及抗痛風作用 ………曹沛瑩,陳維佳,宗穎,時坤,李建明,何忠梅,杜銳(280)

復合微生物菌劑在蘇打鹽堿土改良中的應用 …………………龐寧,張雪,劉俊清,胡琦琳,張建峰(290)

連續(xù)施用不同種類畜禽糞肥對土壤結合態(tài)腐殖質組成的影響

………………………………………………………… 李曉航,吳景貴,孟慶龍,陳曉東,朱文悅(297)

東北典型黑土區(qū)積雪-凍融耦合作用下的包氣帶水熱運移模擬

…………………………………………………………… 孫國靜,卞建民,王宇,阮冬梅,谷志琪(306)

梅花鹿耳成纖維細胞體外培養(yǎng)及轉染條件優(yōu)化……高鶴軒,榮敏,劉匯濤,唐麗昕,周宏達,邢秀梅(315)

LEF1基因在鵝胚胎期皮膚毛囊中的表達 ………孫越,劉靜,劉暢,王義沖,周宇軒,隋玉健,孫永峰(324)

LEC-5在秀麗線蟲中的表達及亞細胞定位

  …………………………………………… 張楠,程淑琴,宮鵬濤,李建華,王曉岑,李新,張西臣(329)

銀耳五谷粉糊化特性、流變特性及其擠壓米品質

  ……………………………………………………曹宸瑀,楊嘉丹,劉鴻鋮,鄒巖,同政泉,王大為(335)

微波-高壓蒸汽復合殺菌對雞骨泥肝醬品質的影響及營養(yǎng)分析

…………………………………………………………唐銳,劉學軍,靖玉林,劉源,劉吉濱,紀靖(342)

吉林省科學技術進步獎一等獎 牛主要繁殖障礙防治技術研發(fā)與應用 ……………………(封二,封三)

目 次

(本期執(zhí)行編輯:林海濤)

第5頁

JOURNAL OF JILIN AGRICULTURAL UNIVERSITY

Vol.46 No.2 April 2024

Invited Paper

Research Progress of Gene Knockout Technology in Modification of Microbial Metabolic Pathway

……………………………………………………ZHANG Sitong,SHI Jia,WANG Gang,TIAN Chunjie,CHEN Guang(175)

Research Paper

Relationship Between Diurnal Changes of Net Photosynthetic Rate and Environmental Factors in Leaves of Maize in

  Alpine Cold Region

………………LI Yanlu,WANG Junpeng,YU Xinzhi,WEI Honglei,ZHAO Hongxiang,BIAN Shaofeng,ZHANG Zhian(187)

Effects of Irrigation Modes on Nitrogen and Phosphorus Concentrations of Field Ponding Water and Rice Growth

  Traits During Fertilization ………………………NIU Shiwei,XU Jiayi,SUI Shijiang,ZHANG Xin,YE Xin,WANG Na(197)

Effect of Distribution Ratio of Phosphorus Fertilizer in Drip Irrigation on Absorption and Utilization of Phosphorus in Maize

………………………………………………………………………QI Xinyuan,CAO Guojun,GENG Yuhui,ZOU Xin(205)

Sensitiveness and Resistance Risk Assessment of Rice Fusarium fujikuroi to Fludioxonil in Jilin Province

…………………………………………………………………LIU Yuhan,ZOU Jiaying,HE Bo,LIU Liping,GAO Jie(211)

Transcriptome Analysis of Two Resistant and Susceptible Tobacco Varieties in Response to Early Potato Y Virus Stress

……WANG Ping,REN Yaping,REN Zhaohui,SU Liang,WU Weilin,YANG Chaoqun,DONG Huanyu,PIAO Shiling(219)

Transcriptional Expression Analysis of GMC Gene Family from Lenzites gibbosa under Woody Condition

………………………………CHI Yujie,CHEN Xinyan,YANG Xuxin,HAO Yaxin,ZHAO Yulu,JIA Ziye,SU Wenhao(228)

Relationship between Main Active Components of Ganoderma lucidum Cultivated under Forests and Ecological Factors

………………………………………………………………………SHI Yunlong,HAN Mei,SUN Zhuo,YANG Limin(239)

Diversity of Rhizosphere Microbial Community of Different Age Panax ginseng in Natural Broad-leaved Secondary Forests

……………………………………………………………………………………LIU Lijuan,TONG Aizi,QIN Jiamei(246)

Effects of Increasing Cultivation Years on Soil Nutrients and Microbial Community Structure in Root Zone of Ginseng

…………………………………………………WANG Tianyou,DING Wanlong,YIN Chunmei,WANG Rong,LI Yong(255)

Effects of N, P and K Combined Application on Yield and Quality of Epimedium koreanum

………………………………………………………………ZHANG Shuo,ZHANG Yonggang,YANG Limin,HAN Mei(264)

Effect of Arginyl-Fructosyl-Glucose on Melanoma B16 Cells and Its Mechanism

………………………FENG Zihang,LIU Xinglong,ZHAO Yingchun,CHEN Xueyan,DING Chuanbo,LIU Wencong(272)

Extraction Process of Total Alkaloids from Sinomenii caulis and Its Anti Gout Effect

………………………………CAO Peiying,CHEN Weijia,ZONG Ying,SHI Kun,LI Jianming,HE Zhongmei,DU Rui(280)

Application of Compound Microbial Agent in Improvement of Soda Saline-alkali Soil

……………………………………………………PANG Ning,ZHANG Xue,LIU Junqing,HU Qilin,ZHANG Jianfeng(290)

Effects of Various Livestock Manure under Continuous Application on Composition of Soil Bound Humus

…………………………………………LI Xiaohang,WU Jinggui,MENG Qinglong,CHEN Xiaodong,ZHU Wenyue(297)

Simulation of Water Heat Transfer in Aerated Zone under Coupling Effect of Snow and Freeze-Thaw in Typical Black

  Earth Soil Region of Northeast China ……………SUN Guojing,BIAN Jianmin,WANG Yu,RUAN Dongmei,GU Zhiqi(306)

In Vitro Culture and Optimization of Transfection Conditions of Sika Deer Ear Fibroblasts

……………………………………GAO Hexuan,RONG Min,LIU Huitao,TANG Lixin,ZHOU Hongda,XING Xiumei(315)

Expression of LEF1 mRNA in Feather Follicles during Goose Embryonic Period

…………………………SUN Yue,LIU Jing,LIU Chang,WANG Yichong,ZHOU Yuxuan,SUI Yujian,SUN Yongfeng(324)

Expression and Subcellular Localization of LEC-5 in Caenorhabditis elegans

…………………ZHANG Nan,CHENG Shuqin,GONG Pengtao,LI Jianhua,WANG Xiaocen,LI Xin,ZHANG Xichen(329)

Gelatinization Characteristics, Rheological Properties and Extruded Rice Quality of Tremella-multigrain Flour

……………………………CAO Chenyu,YANG Jiadan,LIU Hongcheng,ZOU Yan,TONG Zhengquan,WANG Dawei(335)

Effects of Microwave and High Pressure Steam Compound Sterilization on Quality of Chicken Bone Liver Paste and

  Detection of Its Nutritional Composition ……………TANG Rui,LIU Xuejun,JING Yulin,LIU Yuan,LIU Jibin,JI Jing(342)

CONTENTS

(Executive Editor: LIN Haitao)

第6頁

吉林農業(yè)大學學報 2024,46(2):175-186 http : // xuebao.jlau.edu.cn

Journal of Jilin Agricultural University E?mail : jlndxb @ vip.sina.com

基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的研究

進展*

張斯童1,2,3

,石 佳1,2

,王 剛1,2

,田春杰3

,陳 光1,2**

1. 秸稈綜合利用與黑土地保護教育部重點實驗室,長春 130118;2. 吉林農業(yè)大學生命科學學

院,長春 130118;3. 中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農業(yè)生態(tài)重點實驗室,長

春 130102

摘 要:微生物是生產多種高附加值天然產物的優(yōu)良宿主,基因敲除技術有效地阻斷或弱化了微生物的旁路

代謝途徑,使代謝通量集中流向目的產物?;蚯贸夹g在微生物中的應用帶動了微生物代謝工程研究的不

斷深入,為微生物工業(yè)發(fā)酵及合成生物學的發(fā)展開辟了新道路。綜述了常見的幾種微生物基因敲除策略,總

結了近年基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的應用情況,并對基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的

應用前景進行了展望,以期為基因敲除技術的發(fā)展和微生物代謝工程的研究提供理論參考。

關鍵詞:基因敲除技術;代謝工程;合成生物學;底盤微生物

中圖分類號:S182;Q78 文獻標志碼:A 文章編號:1000-5684(2024)02-0175-12

DOI:10.13327/j.jjlau.2021.20297

引用格式:張斯童,石佳,王剛,等 .基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的研究進展[J].吉林農業(yè)大學學

報,2024,46(2):175-186.

Research Progress of Gene Knockout Technology in Modification of

Microbial Metabolic Pathway *

ZHANG Sitong1,2,3

,SHI Jia1,2

,WANG Gang1,2

,TIAN Chunjie3

,CHEN Guang1,2**

1. Key Laboratory of Straw Comprehensive Utilization and Black Soil Conservation, Ministry of Educa?

tion, Changchun 130118, China;2. College of Life Sciences, Jilin Agricultural University, Changc?

hun 130118, China;3. Key Laboratory of Mollisols Agroecology, Northeast Institute of Geography

and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China

Abstract:Microorganisms are excellent hosts for the production of a variety of high value-added

natural products. Gene knockout technology can effectively block or weaken the bypass metabolic

pathway of microorganisms, so that the metabolic flux can concentrate on target products. The appli?

cation of gene knockout technology in microorganisms has promoted the research of microbial meta?

bolic engineering and opened up a new way for the development of microbial industrial fermentation

and synthetic biology. This paper has mainly reviewed several common microbial gene knockout

strategies and summarized the application of gene knockout technology in microbial metabolic path?

* 基金項目:中國科學院戰(zhàn)略先導科技項目(XDA28020400),吉林省科技發(fā)展計劃重點項目(20210203117),吉林省自然科學基金

項目(20220101334JC)

作者簡介:張斯童,男,博士,副教授,研究方向:農業(yè)廢棄物資源化利用,低溫微生物代謝工程改造;石佳,女,碩士研究生,研究

方向:微生物資源開發(fā)與利用。石佳與張斯童同為第一作者。

收稿日期:2023-06-28

** 通信作者:陳光,E-mail:chg61@163.com

第7頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

way modification in recent years. The application prospect of gene knockout technology in the trans?

formation of microbial metabolic pathway has been analyzed in order to provide some theoretical ref?

erence for the development of gene knockout technology and the research of microbial metabolic en?

gineering.

Key words:gene knockout technology; metabolic engineering; synthetic biology; chassis microor?

ganism

基因敲除(Gene knockout)又稱基因打靶,是

20世紀80年代發(fā)展起來的一種分子生物學技術,

能夠精細地修飾和改造DNA片段,具有位點專一

性、遺傳穩(wěn)定性等特點[1]

?;蚯贸鳛榛蚬?/p>

程中重要的基因修飾技術,也是微生物代謝途徑

改造中的重要手段。微生物是廉價、可持續(xù)發(fā)展

的自然資源,其代謝產物可廣泛用于工業(yè)發(fā)酵,但

微生物自身固有的代謝途徑往往并非最適于工業(yè)

生產[2]

。利用基因敲除技術阻斷某一代謝途徑的

支路是最常見的改造方法之一,從而實現(xiàn)提高目

的產物產量,減少副產物或有毒有害物質產生,合

理分配能量流向等目的[3]

。

基因敲除技術發(fā)展至今,在多物種多領域中

不斷取得突破性進展,尤其在構建人類疾病的動

物模型方面[4]

。近些年來,結合各種數(shù)據(jù)分析軟

件和生物信息學工具,人們從基因組學和代謝組

學入手,已構建了超百種微生物的基因組級代謝

網(wǎng)絡[5]

,這對于微生物的代謝調控以及微生物代

謝產物的工業(yè)生產都具有重要意義。本研究綜述

了微生物基因敲除中的常見策略,并對近些年利

用該技術對微生物代謝途徑改造情況進行總結,

以期為基因敲除技術和微生物代謝工程的發(fā)展提

供理論參考。

1 常見的微生物基因敲除策略

同源重組是生物體修復 DNA 損傷的內在機

制,也是基因敲除的分子生物學基礎。由重組酶

介導的多種重組系統(tǒng),可使外源DNA與生物體基

因發(fā)生重組,進而實現(xiàn)靶基因的敲除[6]

。隨著科

學技術的進步,基因敲除的方法也在逐步發(fā)展,尤

其是基因編輯技術迅速發(fā)展,在基因敲除中逐漸

占據(jù)主要地位,以 CRISPR Cas 9系統(tǒng)為代表的第

3 代人工核酸內切酶技術的應用,成為基因敲除

的新型手段[7]

?;蚯贸椒ū姸嗲腋饔袃?yōu)劣,

根據(jù)不同的物種偏好選擇合適的敲除方法是敲除

成功的關鍵。

1. 1 基于同源重組的基因敲除

1. 1. 1 Red 重組系統(tǒng)介導的基因敲除 Red 重

組系統(tǒng)由 Exo、Beta、Gam 3種蛋白組成,廣泛用于

細菌工程菌的構建,完整的敲除過程(圖 1)主要

包括:獲取同源片段、構建敲除載體、轉化及篩

選[8]

。Datsenko等[9]

在此系統(tǒng)基礎上提出的“一步

PCR 法”,在很大程度上改良了這項技術,大大縮

減了構建打靶載體所需的時間,但這種方法中使

用的質粒大多帶有抗性基因,去除抗性基因后留

下的“瘢痕”序列可能會對后續(xù)的基因試驗造成一

定影響。在隨后的研究中,人們發(fā)現(xiàn)將重組系統(tǒng)

與負選擇標記(如Sac基因)結合可以實現(xiàn)無痕重

組,Lei 等[10]利用 3 個敲除質粒(pXL1、pXL2 和

pXL3)設計的環(huán)形基因敲除系統(tǒng),已在伯克霍爾

德氏菌菌株DSM 7029和恥垢分枝桿菌mc2

155中

得到驗證,證實該系統(tǒng)能夠多個、連續(xù)、快速地進

行基因敲除,此外,結合正負篩選系統(tǒng)也可準確快

速地獲得敲除突變株。

現(xiàn)今,Red重組系統(tǒng)仍具有一定的局限性,如

何提高靶基因與菌株之間重組效率是其中的一項

重大難題。有研究表明,適當增加同源序列的長

度可以有效提高重組效率,除此之外,采用電穿孔

法或接合轉移等轉化方式替換傳統(tǒng)的熱激轉化法

可以大大提高轉化效率,進而加大同源重組發(fā)生

的概率[11]

。對該系統(tǒng)的研究已經(jīng)十分深入且應

用廣泛,該系統(tǒng)已在大腸桿菌、假單胞菌、沙雷氏

菌、蘇云金芽孢桿菌等多數(shù)細菌中實現(xiàn)基因敲除,

但對于真菌的基因敲除卻存在一定難度,并不能

廣泛適用[12-13]

。因此,Red 重組系統(tǒng)介導的基因

敲除仍具有很大的發(fā)展空間,進一步優(yōu)化與完善

該敲除方法對于細菌工程菌株的構建具有重要

意義。

176

第8頁

張斯童,等:基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的研究進展

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

1. 1. 2 Cre LoxP重組系統(tǒng)介導的基因敲除 Cre

LoxP系統(tǒng)來源于大腸桿菌 P1噬菌體,包括 Cre重

組酶及其特異性識別位點,LoxP 位點兩部分[14]

。

Cre 重組酶是 λ 整合酶家族的成員,分子量為

38.5 ku,可 以 在 沒 有 輔 助 因 子 的 參 與 下 催 化

LoxP 位點之間的定點重組。LoxP 位點是一段

34 bp 的 DNA 序列,由 2 個 13 bp 的反向重復序列

和 1個 8 bp的不對稱間隔區(qū)組成,每個 LoxP 位點

上有 2 個 Cre 重組酶結合位點[15]

。Cre LoxP 的工

作原理見圖 2,在發(fā)生重組時,2個 LoxP 位點上會

結合4個Cre重組酶,形成1個復合體,其中的2個

重組酶亞基會促使第 1 次鏈交換的發(fā)生,生成

“Holliday中間體”。隨后,第2對重組酶亞基對剩

余的1對鏈進行切割和交換,將Holliday結構分解

為重組產物[16]

。此外,由于 LoxP位點具有 2個反

向重復序列,使 Cre 重組酶的特異性重組具有一

定的方向性,在與底物結合的過程中會介導產生

基因的缺失、翻轉、交叉、整合 4 種不同的重組

現(xiàn)象[17]

。

Cre 重組酶的重組效率高,能夠不受切除長

度和位置的限制準確標記靶基因。因此,Cre

LoxP 系統(tǒng)能夠高效地應用于基因敲除,近些年

來,利用該系統(tǒng)進行神經(jīng)科學,尤其是癲癇病的研

究尤為廣泛,也在成骨、肝臟等器官的研究及疾病

建模上不斷取得突破[18-19]

。目前,該技術的應用

主要集中在真核生物,在小鼠的基因敲除上[20]

,

仍具有一定的物種局限性。

1. 2 基于基因編輯技術的基因敲除

基因編輯技術主要依賴可編程核酸酶在基因

組的特定位置誘導DNA雙鏈發(fā)生斷裂,進而通過

圖1 Red 2步同源重組過程

Fig. 1 Red two-step homologous recombination process

圖2 Cre LoxP介導的基因敲除[21]

Fig. 2 Cre LoxP-mediated gene knockout

177

第9頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

非同源末端連接(NHEJ)和同源定向修復(NDR)

實現(xiàn)基因敲除,主要包括鋅指核酸酶(ZFN)技術、

轉錄激活物樣效應器核酸酶(TALEN)技術和

CRISPR Cas9 技術[22]。雖然 NHEJ 和 NDR 都是

DNA 雙鏈斷裂后產生的 DNA 修復機制,但 NHEJ

途徑會通過隨機缺失或插入堿基造成移碼突變,

進而實現(xiàn)目的基因的敲除,NDR途徑則更多的是

引入目的基因實現(xiàn)基因的定點敲入,在 CRISPR

Cas9技術中產生NHEJ的效率遠高于HR[23]

1. 2. 1 ZFN 技術 ZFN 技術由至少 3 個串聯(lián)在

一起的鋅指蛋白組成的鋅指結構域特異識別 9~

18 bp 的 DNA 序列,單個 Fok Ⅰ核酸酶與鋅指結

構域相連形成切割的位點,而 Fok Ⅰ核酸酶只有

在形成二聚體時才具有酶切活性;故需要在左右

2 個位點間隔 5~7 bp 處設計 2 個 ZFN 才能實現(xiàn)定

點切割 DNA,完整的工作過程見圖 3。但二聚體

非特異性結合時會由此造成脫靶現(xiàn)象,產生較強

的細胞毒性[24]

。此外,ZFN 技術中 3 個串聯(lián)的鋅

指蛋白常會相互干擾,且進行操作時難度較大,這

些問題都限制了該技術的應用。

1. 2. 2 TALEN 技術 TALEN 技術中的 DNA 結

合結構域也就是 TALE 蛋白能夠識別單個堿基

對,是由 33~35 個氨基酸組成的可變重復序列組

成的,其中2個可變氨基酸殘基(RVD)使TALE具

有特異性[25]

。此外,TALEN 技術也是由 Fok Ⅰ核

酸酶與 DNA 結合結構域進行結合,且 2個位點之

間間隔12~20 bp,這也導致了TALEN技術存在一

定的脫靶效應[26]

。與ZFN技術相比,TALEN更容

易設計,且產生的細胞毒性較低,脫靶程度也更

低,但二者在實際應用中的操作程度都相對較大,

需要花費的成本較高,也都存在一定的物種局限

性,目前更適用于真核生物,故很難在大范圍上使

用這2種技術進行基因敲除[27]

。

1. 2. 3 CRISPR Cas9技術 CRISPR Cas9技術由

成簇的有規(guī)律間隔的短回文重復序列(CRISPR)

及 Cas9 蛋白組成。其中,CRISPR 廣泛存在于古

細菌和細菌中,是許多原核生物抵抗外來入侵的

適應性免疫系統(tǒng),而 Cas9 蛋白是一種單一的、大

分子量的蛋白質,可以切割靶 DNA,產生雙鏈斷

裂[28-29]

。CRISPR Cas9 技術的工作主要由反式激

活 CRISPR RNA(tracrRNA)、核 糖 核 酸 酶 Ⅲ 、

crRNA和Cas9蛋白4種組分完成。tracrRNA作為

一種小的非編碼 RNA 能夠與宿主內的核糖核酸

酶Ⅲ和與 CRISPR相關的 csn1蛋白一起負責產生

活性 crRNA[30]

,Cas9蛋白能夠識別由 tracrRNA 與

crRNA 的 重 復 序 列 進 行 堿 基 互 補 配 對 ,形 成

tracrRNA:crRNA 復合體,并激活 crRNA 引導的

DNA 切割[31]

。隨后,人們通過設計小導向 RNA

(sgRNA)來模擬 tracrRNA:crRNA 復合體的功能,

其工作過程見圖 4。由于 Cas9 的內切酶活性,

sgRNA 和靶 DNA 之間的堿基配對會導致 DNA 的

雙鏈發(fā)生斷裂[32]

,因此,目前的CRISPR Cas9系統(tǒng)

僅需 Cas9 蛋白和 sgRNA 這 2 個組分就能進行

工作。

圖3 ZFN介導的基因敲除

Fig. 3 ZFN-mediated gene knockout

178

第10頁

張斯童,等:基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的研究進展

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

與前面2種基因編輯技術相比,CRISPR Cas9

技術由RNA與DNA堿基配對驅動,避免了蛋白質

與DNA的相互作用,在很大程度上彌補了二者的

不足,它的設計更簡便、易于操作、成本低且精準

高效,CRISPR Cas9技術也突破了物種的限制,在

原核生物和真核生物中均可廣泛應用[33-34]

。但目

前利用CRISPR Cas9技術進行基因敲除時仍面臨

與前者相同的難題,就是工作過程中始終存在不

可預測和不可控的脫靶風險,這在一定程度上影

響了 CRISPR Cas9的打靶效率[35]

。

1. 3 其他基因敲除方法

1. 3. 1 RNA 干擾 RNA 干擾(RNAi)作為同源

重組的替代方法,常表現(xiàn)為轉錄后基因表達下調

且不改變遺傳密碼,是研究基因功能的反向遺傳

學工具,主要是利用小干擾 RNA(siRNA)造成目

的mRNA降解,從而導致特定基因沉默的特異性,

實現(xiàn)靶基因的“敲除”[36]

。由于原核細胞中存在

共翻譯的現(xiàn)象,故該策略廣泛適用于真核生物的

基因敲除,值得注意的是,RNAi 并不是真正意義

上的基因敲除,它并沒有將目的基因從基因組中

刪除而是將目的基因沉默,故會存在目的基因未

全部沉默導致產生的表型難以分析的現(xiàn)象[37]

。

1. 3. 2 農桿菌介導的 T-DNA 插入突變 農桿

菌介導的 T-DNA 插入突變主要是利用農桿菌侵

染植物并釋放Ti質粒,質粒上的T-DNA片段會由

此進入植物基因組并與之整合,進而導致植物基

因的表達失活或改變以及植物表型的“功能喪

失”[38]

。這種方法較同源重組來說更簡便高效,

能夠實現(xiàn)目的基因的定向敲除,已在真菌尤其是

各種病原菌中廣泛應用,這對病原菌的致病機理

以及植物病害防治來說具有重要意義[39-40]

2 基因敲除在微生物代謝途徑改造中的

研究現(xiàn)狀

為了獲得遺傳穩(wěn)定的優(yōu)良工業(yè)菌種并提高代

謝產物的產量,利用基因工程技術合理改造微生

物是必不可少的,基因敲除技術是其中的有效手

段之一。中心碳代謝途徑(糖酵解、三羧酸循環(huán)、

磷酸戊糖途徑)是代謝的主要途徑,也是如今基因

敲除圍繞的重點途徑,在細菌、酵母菌以及絲狀真

菌的改造中已取得一定進展。

2. 1 基因敲除在細菌代謝途徑改造中的研究

現(xiàn)狀

細菌具有最小的中樞代謝途徑和強大且集中

的調節(jié)系統(tǒng),是發(fā)酵中常用的宿主細胞。其中,大

腸桿菌(Escherichia coli)結構簡單,是人們研究最

為深入的中性菌,也是最早進行改造的細菌之一。

1973 年,美國學者首先構建出了第 1 株大腸桿菌

工程菌,在大腸桿菌基因組測序工作完成后,人們

開始著手從基因組層面對大腸桿菌的代謝途徑進

行改造[41]

。2008年,Atsumi等[42]

將乙酰丁酸桿菌

中與 1-丁醇合成相關的部分基因轉移到大腸桿

菌,使其成為可以生產 1-丁醇的工程菌。隨后,

圖4 CRISP/Cas9系統(tǒng)介導的基因敲除

Fig. 4 Gene knockdown mediated by CRISP/Cas9 system

179

第11頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

Shen 等[43]

敲除了該途徑中的 frdBC、ldhA、adhE、

pta 基因,以阻斷琥珀酸、乳酸、乙醇及醋酸鹽這

4 種副產物的形成途徑,從而增加了 1-丁醇途徑

的通量。雖然上述操作有效提高了1-丁醇滴度,

但基于代謝組學分析后顯示,由此也造成了 CoA

失衡,致使許多 CoA 衍生物的不良累積。為此,

Ohtake 等[44]對 pduP 和 AdhE2 基因進行了過表

達,使 1-丁醇的滴度進一步提升至 18.3 g/L。在

隨后的研究中,Nitta 等[45]

也同樣通過代謝組學

分析確定敲除乙醛酸分流可以有效提高 1-丁醇

的產量。

枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)被 FDA 認證

是公認的安全菌株,具有強大的工業(yè)生產應用能

力。在枯草芽孢的代謝改造中,大多需要外源引

入所需的合成途徑,5-甲基四氫葉酸(5-MTHF)

合成途徑雖是枯草芽孢桿菌內存在的代謝途徑,

但由于分解代謝途徑的存在,導致 5-MTHF 難以

積累。為此,Yang 等[46]

在 2020 年提出了以二氫

葉酸(DHF)為前體合成 5-MTHF 的改造方法,即

用大腸桿菌中的 metF 替換枯草芽孢桿菌中的天

然基因yitJ,并敲除purU以及過表達dfrA,在抑制

5-MTHF的競爭和分解代謝途徑同時,使代謝通量

集中至5-MTHF的生物合成,從而實現(xiàn)了5-MTHF

和總葉酸的高滴度生產。

保加利亞乳桿菌是產乳酸的重要微生物

菌株之一,但乙酸卻是保加利亞乳桿菌代謝乳

酸最主要的副產物。本課題組前期以保加利亞

乳 桿菌(Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus

CICC21101)為出發(fā)菌株,利用溫敏質粒 pGhost4

成功構建敲除載體,并根據(jù)同源重組雙交換的原

理成功敲除了 L-乳酸脫氫酶(ldhL-ldb0094)基

因,敲除后的工程菌中實現(xiàn)了D-乳酸產量顯著下

降與 L-乳酸的產量大幅提高,且光學純度由

54.56%增至90.00%[47]

細菌基因組相對較小,結構簡單,對其代謝途

徑的改造更易于操作,除大腸桿菌和枯草芽孢桿

菌外,其他細菌如乳酸菌、谷氨酸棒桿菌等也是工

業(yè)發(fā)酵中的優(yōu)良宿主,對細菌代謝途徑改造情況

總結見表1。

2. 2 基因敲除在酵母菌代謝途徑改造中的研究

現(xiàn)狀

酵母菌產生的二倍體能夠強勢生長,具有更

強的適應性,利用酵母的亞細胞室可以實現(xiàn)代謝

途徑的分離以及增加異源產物的通量,加之酵母

菌具有更強的環(huán)境耐受性,使其成為工業(yè)生產中

更具優(yōu)勢的宿主菌株[54]

。酵母菌中的許多非傳

統(tǒng)酵母均具有獨特的生理特性和良好的耐性,是

近年廣受關注的熱點。隨著微生物工業(yè)發(fā)酵的

不斷發(fā)展,人們逐漸將關注點從大腸桿菌轉移到

酵母菌上,對酵母菌代謝途徑改造情況總結

見表2。

釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是目前研

究最透徹、對人類貢獻最大的酵母菌,其對低pH、

高滲透壓、高乙醇濃度具有高耐受性,且厭氧生長

能力極強,是產生醇類、糖衍生物、有機酸、萜烯類

表1 細菌代謝途徑改造

Table 1 Metabolic pathway modification of bacteria

菌株

E. coli W3110

E. coli MG1655

B. subtilis W168

C. glutamicum

S9114

L.mesenteroides

CGMCC1.1032

L. plantarum

WCFS1

敲除方法

Lambda red system

Lambda red

system

CRISPR-Cas9 system

Homologous recombination

and Cre/lox site-specific

Recombination

Two-step homologous

recombination

CRISPR-Cas9 system

敲除基因

metJ、metI、lysA

sdA、sdaB、tdcG、glyA

ackA、pta、lctE、mmgA

nagA、gamA、ldh

Pat、fk、stpK

nagB

碳源

Glucose

Glucose

Glycerol

Glucose

Sucrose

Glucose

產物

L-methionine

L-Serine

2,3-BD

N-acetylglucosamine

Mannitol

N-acetylglucosamine

還原性

0.200 g/(L·h)

11.700 g/L

NR

0.130 g/(L·h)

97.300%

797.300 mg/L

文獻

[48]

[49]

[50]

[51]

[52]

[53]

注:NR代表文章中未提及。下表同

180

第12頁

張斯童,等:基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的研究進展

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

等多種化學物質的優(yōu)良宿主[55]

。研究發(fā)現(xiàn),敲除

乙醇脫氫酶(ADH2)基因后,得到的菌株比天然菌

株產生的乙醇產量提高了74.7%[56]

。

除釀酒酵母外,許多非傳統(tǒng)酵母也被視作具

有生產前景的宿主生物。畢赤酵母(Pichia pasto?

ris)是甲基營養(yǎng)酵母,可以在以甲醇為唯一碳源的

培養(yǎng)基中良好生長,Guo 等[57]

為提高畢赤酵母中

甲醇產蘋果酸的含量,提出敲除鳥氨酸脫羧酶

(ODC)和丙酮酸脫羧酶(PDC),以減少副產物琥

珀酸和乙醇生成;刪除S-(羥甲基)谷胱甘肽脫羧

酶(GDH)和甲酸脫氫酶(FDC),削弱或阻斷甲醇

異化途徑;刪除葡萄糖-6磷酸異構酶(PGI),促進

木酮糖單磷酸途徑(XuMP),以優(yōu)化甲醇同化途徑

的改造策略,使代謝通量集中流向蘋果酸。解脂

亞羅酵母(Yarrowia lipolytica)作為油脂酵母能夠

積累大量脂質,在代謝工程中主要用于脂質的生

產,Kim等[58]

通過敲除試驗證實了刪除碳/蛋氨酸

代謝中的 YALI0F30745g 基因會導致菌株中脂質

積累增加 1.45 倍。假絲酵母(Candida bombicola)

可高產槐糖脂,但槐糖脂的合成與β-氧化競爭同

一脂肪酸底物,酵母中 β-氧化的第 2 步與第 3 步

由同一種酶——MFE-2 催化,因此,敲除 MFE-2

基因可以抑制 2 種生化反應的發(fā)生,Van 等[59]

十二烷醇發(fā)酵試驗中發(fā)現(xiàn),MFE-2敲除菌株的槐

糖脂產量均比野生菌株高出1.7~2.9倍。

與釀酒酵母相比,非傳統(tǒng)酵母對廣譜底物的

利用能力更強,且在高密度發(fā)酵上具有突出優(yōu)勢,

更利于工業(yè)生產,尤其是在萜類和黃酮類化合物

等天然產物的合成方面展現(xiàn)出了巨大應用潛力。

但目前對非常規(guī)酵母的遺傳改造效率不高,在進

行分子操作時難度較大,仍是限制其進一步發(fā)展

的難題[60]

。

2. 3 基因敲除在絲狀真菌代謝途徑改造中的研

究現(xiàn)狀

絲狀真菌作為工業(yè)發(fā)酵中重要的細胞工廠,

是多種酶、有機酸、蛋白質及次生代謝物合成的理

想宿主,具有重要的經(jīng)濟價值[67]

。與大腸桿菌和

酵母菌相比,絲狀真菌的遺傳背景相對復雜,利用

基因工程手段對其代謝途徑的改造也相對更晚。

但絲狀真菌產生的次級代謝產物具有良好的生物

活性以及巨大的發(fā)展?jié)摿?,引起了學者的廣泛關

注和研究[68]

。自 1973 年 Mishra 等[69]

首次報道粗

糙鏈孢霉(Neurospora crassa)的DNA轉化現(xiàn)象,到

如今已有超百種絲狀真菌實現(xiàn)了轉化,絲狀真菌

的基因敲除技術也隨之快速發(fā)展,對絲狀真菌代

謝途徑改造情況總結見表3。

土曲霉(Aspergillus terreus)是衣康酸工業(yè)生

產中應用最廣泛的菌株,但土曲霉對發(fā)酵條件高

度敏感,培養(yǎng)的重復性是阻礙其發(fā)展的難題,在

隨后的研究中,人們發(fā)現(xiàn)玉米黑粉菌(Ustilago

maydis)是衣康酸工業(yè)生產中非常有前景的生物

之一。2016年,Geiser等[70]

發(fā)現(xiàn),玉米黑粉菌中有

不同于土曲霉的衣康酸合成途徑,其中P450單加

氧酶 Cyp3 基因的過度表達會導致衣康酸產量的

急劇下降,而 Cyp3 的缺失又會引起衣康酸輕微

但不顯著的增加,故推測P450單加氧酶會催化衣

康酸降解并形成副產物 2-羥基對乙酰丙酸鹽。

2020 年,Becker 等[71]利用 CRISPR Cas9 和 FLP/

FRT 連續(xù)敲除了菌株中的多個基因,以阻斷蘋果

酸鹽、糖脂及三酰甘油等代謝產物的生成,構建的

菌株能夠利用葡萄糖生產衣康酸,且無副產物的

生成,是生產衣康酸良好的底盤生物。

表2 酵母菌代謝途徑改造

Table 2 Metabolic pathway modification of yeast

菌株

S. cerevisiae BY4742

S. cerevisiae BY4741

S. bombicola CGMCC 1576

Y. lipolytica PGC01003

S. stipitis CBS6054

P. pastoris GS115

敲除方法

NR

RNAi

Homologous recombination

Homologous recombination

Homologous recombination

Homologous recombination

敲除基因

HAP4

ssb1

rlp,leu3,ztf1

Ylach

Psfum1,Psfum2,ura3,leu2

CBS

碳源

Xylose

Glucose

Glucose

Glycerol

Xylose

NR

產物

Ethanol

Lactic Acid

Sophorolipids

Succinic acid

Fumaric acid

S-adenosyl-L-methionine

還原性

2.170 g/L

0.833 g/(L·h)

97.440 g/L

110.700 g/L

4.670 g/L

13.500 g/L

文獻

[61]

[62]

[63]

[64]

[65]

[66]

181

第13頁

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黑曲霉(Aspergillus niger)一直被視為最佳的

檸檬酸工業(yè)生產菌株,其利用糖類物質通過糖酵

解,經(jīng)TCA循環(huán)途徑可實現(xiàn)檸檬酸的合成[72]

。在

對黑曲霉的基因工程改造中,人們首先對中心碳

代謝的相關基因進行過表達,但卻并未引起檸檬

酸鹽產量的大幅增加[73]

。隨后,Ruijter等[74]

在黑

曲霉葡萄糖氧化酶(goxC)缺失菌株(NW131)中

敲除草酰乙酸水解酶(OAH)基因,構成的雙缺陷

菌株(NW185),能夠在無副產物(草酸和葡萄糖

酸)產生的同時實現(xiàn)檸檬酸的高產。

現(xiàn)今絲狀真菌的基因敲除仍存在諸多問題,

主要表現(xiàn)在需要更長的同源序列;發(fā)生同源重組

和轉化的效率較低;成功構建打靶載體及敲除菌

株費時費力[75]

。但絲狀真菌產生的許多次生代

謝物具有抗菌、抗腫瘤等生物活性,利用絲狀真菌

工廠大規(guī)模生產這些活性物質將在極大程度上促

進醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展[76]

。

3 大數(shù)據(jù)時代下的基因敲除策略

自人類進入后基因時代以來,下一代測序技

術的快速發(fā)展使微生物全基因組測序及全轉錄組

測序的范圍也隨之擴大,利用多種生物信息學分

析軟件可以快速有效地從龐大的數(shù)據(jù)庫中挖掘出

所需的基因并進行后續(xù)的基因功能驗證。例如,

Shi等[82]

對中國白酒發(fā)酵曲中分離出的W. anoma?

lus Y-1 菌株進行了全基因組測序,數(shù)據(jù)分析表

明,該菌株中含有與 Eeb1p 類似的推定?;D移

酶基因(Eht1p),猜測該基因為脂合成的關鍵基

因,可能催化合成?;o酶A和醇,進而通過醇酰

基轉移酶途徑合成乙酸乙酯。而面對微生物數(shù)量

龐大且復雜的基因,將微生物、基因、代謝物聯(lián)合

在一起形成網(wǎng)絡,利用微生物功能基因組學與代

謝組學數(shù)據(jù)整合尤為重要,現(xiàn)今常見數(shù)據(jù)整合方

法有相關網(wǎng)絡、全基因組代謝模型(GEM)、種子

集框架、相對代謝更新率預測等[83]

。

其中,GEM能夠有效地模擬基因與表型之間

的關系,建立基因—酶—代謝反應之間的橋梁,已

被廣泛用于微生物的基因敲除。作為細菌遺傳學

的模式生物,大腸桿菌的基因組級代謝重建運動

已進行了 20多年,Edwards等[84]

于 2000年報道了

第1個大腸桿菌GEM-iJE660。隨后,該模型被用

于預測代謝基因敲除以實現(xiàn)菌株改造和生物發(fā)

現(xiàn)。2016 年,Mienda 等[85]

利用大腸桿菌的精確

GEM預測在以葡萄糖和甘油為底物時,發(fā)現(xiàn)刪除

大腸桿菌中 6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶基因(gnd),

會導致大腸桿菌在厭氧條件下琥珀酸產量的增

加;2 年后,Mienda 等[86]

利用同樣的方法預測并

證實了敲除乳酸脫氫酶基因(ldhA),會導致甘油

生成琥珀酸的含量增加。與大腸桿菌相同的

是,釀酒酵母的 GMEs 也已廣泛用于某一基因敲

除后所需產物的產量預測。Iranmanesh等[87]

使用

OptGene 和代謝調節(jié)最小化來分別評估 6 個基因

缺失對釀酒酵母代謝模型中通量分布的影響,發(fā)

現(xiàn)缺失編碼葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(ZWf1)的突變

株在利用2 g/L苯甲醛時表現(xiàn)出最高的L-苯基乙

酰甲醇(L-PAC)生成量(2.48 g/L)。

然而,并沒有一個模型是完美的,許多已經(jīng)開

發(fā)的模型質量較低,在使用時仍需慎用,但微生物

全基因組模型也正在不斷地建立與重建,仍具有

巨大的開發(fā)與應用潛力[88]

。通過組學測序及生

物信息學分析挖掘關鍵基因,利用GEM預測基因

敲除后產生的表型變化使微生物代謝改造形成了

一個完整的閉環(huán),有望在未來的生產實踐中得到

廣泛的應用。

表3 絲狀真菌代謝途徑改造

Table 3 Metabolic pathway modification of filamentous fungi

菌株

A.niger S575

A. niger ATCC1015

A. gossypii

M.thermophila A

TCC 42464

P. chrysogenum

DS17690

敲除方法

Cre-LoxP system

RNP-based CRISPRCas9 system

Homologous recombination

CRISPR Cas9 system

Gene-deletion cassettes

敲除基因

cex A

gox,oah

SHM2

Mtfum,Mtfr1,Mtfr2

Pc20g01800,Pc20g07920

碳源

Glucose

Glucose

Glycine

Glucose

Adipic acid

產物

Malic acid

Succinic acid

Riboflavin

Fumaric acid

Semi-synthetic

cephalosporins

還原性

201.130 g/L

17.000 g/L

NR

17.000 g/L

NR

文獻

[77]

[78]

[79]

[80]

[81]

182

第14頁

張斯童,等:基因敲除技術在微生物代謝途徑改造中的研究進展

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

4 展 望

基因敲除技術是一種理想地改造與修飾遺傳

物質的工具,且已在微生物中的多個領域應用,尤

其是在工業(yè)發(fā)酵中發(fā)揮出了巨大的作用,眾多微

生物已被打造成“細胞工廠”。雖然微生物的基因

組相對較小,但仍有一部分與微生物正常生長代

謝無關的冗余基因,刪除這些不必要的基因可避

免能量及生物質前體的浪費,簡化后的生物體也

能夠成為人工條件下產品生產的全新平臺[89-90]

。

但敲除某一基因后的結果往往是無法估計的,達

到預期結果也或導致菌株死亡,對其產生的結果

進行預測就顯得尤為重要。因此,今后的研究工

作可從以下3個方面展開。

(1)基因敲除技術將向可預測、更簡便高效的

方向發(fā)展。無痕基因編輯技術的不斷發(fā)展以及堿

基編輯技術的逐漸興起,將使基因敲除變得更加

簡單、高效,且更利于后續(xù)分子試驗的展開。而結

合基于約束的通量平衡分析等算法構建的模型,

可以準確地預測需要敲除的基因,及靶基因敲除

后提高所需產物的產量,這對于微生物代謝工程

以及合成生物學的發(fā)展都具有重要意義。

(2)結合過表達、基因沉默、敲入或敲低等技

術對微生物代謝途徑進行改造。在對微生物代謝

途徑改造情況的總結中發(fā)現(xiàn),基因敲除技術是其

中有效但卻不是唯一的方法,與其他基因工程手

段相結合往往能使能量最大化流向目的產物,減

少副產物產生的同時,最大限度地提高目的產物

的產量。

(3)通過多組學聯(lián)合分析及高通量測序等技

術挖掘關鍵基因,打造最適微生物底盤工廠。隨

著微生物全基因組測序的不斷完成以及微生物

GME的不斷建立與重建,可以從基因水平上更清

楚地了解生物的代謝規(guī)律,并向著人類需要的方

向進行改造。利用先進的技術手段將更多的微生

物被改造成理想的底盤生物,將是未來微生物工

業(yè)發(fā)酵與生產的重點。

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(責任編輯:王希)

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吉林農業(yè)大學學報 2024,46(2):187-196 http : // xuebao.jlau.edu.cn

Journal of Jilin Agricultural University E?mail : jlndxb @ vip.sina.com

高寒區(qū)玉米葉片光合參數(shù)日變化及其與環(huán)境因

子關系*

歷艷璐1

,王俊鵬1

,于欣志1

,魏宏磊1

,趙洪祥2

,邊少鋒2

,張治安1**

1. 吉林農業(yè)大學農學院,長春130118;2. 吉林省農業(yè)科學院,長春 130124

摘 要:為探明高寒區(qū)玉米葉片光合相關參數(shù)日變化特性,以“隆平702”玉米品種為材料,在安圖縣松江鎮(zhèn)南

道村進行田間試驗,利用 Li-6400 光合儀在抽雄吐絲期測定葉片凈光合速率(Pn

)、氣孔導度(Gs

)、蒸騰速率

(Tr

)、胞間CO2濃度(Ci

)以及當天的光合有效輻射(PAR)、空氣溫度(T)和空氣相對濕度(RH),分析葉片光合相

關參數(shù)日變化及其與環(huán)境因子的關系。結果表明:高寒區(qū)玉米葉片Pn與Tr

的日變化均為雙峰曲線變化,Pn的

峰值分別出現(xiàn)在 10:00 和 14:00;Tr的峰值分別出現(xiàn)在 10:00 和 13:00;Gs的最大值出現(xiàn)在 10:00,隨后呈下

降趨勢;Ci

呈先下降后上升的趨勢;06:00—10:00,Pn與 PAR,T,RH 分別呈極顯著正相關、顯著正相關、極

顯著負相關(r=0. 927,r=0. 574,r=-0. 765);14:00—18:00,Pn與PAR,T,RH的相關性分別為r=0. 921,r=0. 553,

r=-0. 712;06:00—10:00時,Gs

與PAR極顯著正相關(r=0. 772),與RH呈顯著負相關(r=-0. 550);10:00—14:00,Gs與

PAR呈顯著正相關(r=0. 545),與RH呈正相關(r=0. 482);06:00—10:00,Tr與PAR呈極顯著正相關(r=0. 953),

與 RH 均呈極顯著負相關(r=-0. 857);06:00—10:00,Ci

與 PAR 呈極顯著負相關(r=-0. 655)??梢?,空氣溫度

和光合有效輻射偏低、空氣相對濕度偏高是限制該高寒區(qū)域玉米光合物質生產的主要因子。

關鍵詞:玉米;光合參數(shù);日變化;環(huán)境因子;高寒區(qū)

中圖分類號:S513 文獻標志碼:A 文章編號:1000-5684(2024)02-0187-10

DOI:10.13327/j.jjlau.2020.5811

引用格式:歷艷璐,王俊鵬,于欣志,等.高寒區(qū)玉米葉片光合參數(shù)日變化及其與環(huán)境因子關系[J].吉林農業(yè)大

學學報,2024,46(2):187-196.

Relationship Between Diurnal Changes of Net Photosynthetic Rate

and Environmental Factors in Leaves of Maize in Alpine Cold Re?

gion *

LI Yanlu1

,WANG Junpeng1

,YU Xinzhi1

,WEI Honglei1

,ZHAO Hongxiang2

,BIAN Shaofeng2

,

ZHANG Zhian1**

1. College of Agronomy, Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China;2. Jilin Academy

of Agricultural Sciences, Changchun 130124, China

Abstract:The characteristics of photosynthetic parameters of maize leaves in alpine region were in?

vestigated. Field experiments were carried out in Nandao village, Songjiang town, Antu county, using

Longping 702 maize varieties as materials, net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs

),

transpiration rate (Tr

), intercellular CO2 concentration (Ci

), photosynthetically active radiation(PAR),

air temperature (T), and air relative humidity (RH) of maize leaves were determined using a Li-6400

* 基金項目:國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFD0300205)

作者簡介:歷艷璐,女,在讀碩士,研究方向:作物栽培生理學。

收稿日期:2020-05-14

** 通信作者:張治安,E-mail:zhangzhian6412@163.com

第19頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

photosynthetic apparatus during the extraction and male-spraying period. The relationship between

photosynthetic parameters and environmental factors was analyzed. The results showed that: the

changes of leaf Pn and Tr

of maize in alpine region were double peak curve, the peak of Pn appeared

at 10:00 and 14:00, respectively. Tr

peaks were around 10:00 and 13:00, respectively. Gs

maximum

reached at 10:00, followed by a downward trend. Ci

decreased first and then increased. At 6:00—

10:00, Pn showed an extremely significantly positive correlation, a significantly positive correlation,

and an extremely significantly negative correlation with PAR, T, and RH, respectively (r=0.927,

r=0.574,r=-0.765); At 14:00—18:00, the correlation between Pn and PAR, T, and RH was r=0.921,

r=0.553,r=-0.712, respectively; At 06:00—10:00, Gs

showed an extremely significantly positive cor?

relation with PAR(r=0.772) and a significantlt negative correlation with RH (r=-0.550); At 10:00—

14: 00, Gs

showed a significantly positive correlation with PAR(r=0.545)and a positive correlation

with RH (r=0.482); At 06:00—10:00, Tr

showed an extremely significantly positive correlation with

PAR (r=0.953), and an extremely significantly negative correlation with RH(r=-0.857). At 06:00—

10: 00, Ci

showed an extremely significantly negative correlation with PAR(r=-0.655). The results

showed that low air temperature and photosynthetically active radiation and high air relative humid?

ity are the main factors limiting the production of photosynthetic materials in maize.

Key words:maize; photosynthetic parameter; diurnal change; environmental factor; alpine cold

region

玉米(Zea mays L.)屬于禾本科一年生草本植

物,是我國最為重要的糧食飼料作物,2016 年全

國的玉米總產量已達2.1億t

[1]

。玉米是我國種植

范圍最廣、總產量最高的糧食經(jīng)濟作物,發(fā)展玉米

生產對保障我國糧食安全和滿足市場需要至關重

要[2]

。在吉林省,玉米是種植面積最大、產量占比

也最大的糧食作物,其種植面積占總種植面積的

72.8%,總產量占比已達 76.2%[3]

。在吉林省東部

的高寒地區(qū),由于受氣候條件的限制而影響玉米

產量的提高。光照、溫度、水分是影響植物功能和

生長最主要的環(huán)境因子[4-5]

。因光合作用與凈生

產力的直接聯(lián)系,而被認為是植物生長的重要指

標[6]

,作物葉片的光合作用也是其物質生產和形

成產量的重要基礎。玉米子粒約 95% 的干物質

是由其葉片光合作用直接或者間接形成的,并且

大部分是由抽雄吐絲后的光合作用供應[7-9]

。關

于不同玉米品種葉片光合速率變化及其與產量形

成關系的研究已有較多的報道[10-13]

,朱韻哲等[14]

和 Li[15]

的研究表明,葉片光合性能的強弱與其物

質生產能力高低呈現(xiàn)正相關關系。然而,有關高

寒地區(qū)玉米葉片光合參數(shù)日變化特性及其與環(huán)境

因子關系的研究尚未見文獻報道。本研究系統(tǒng)分

析了高寒區(qū)玉米在抽雄吐絲期的葉片光合相關參

數(shù)日變化及其與環(huán)境因子的關系,以期為高寒區(qū)

玉米栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試玉米品種為“隆平702”。

1. 2 試驗設計

在吉林省延邊朝鮮族自治州安圖縣松江鎮(zhèn)南

道村(北緯42°32′,東經(jīng)128°24′),無霜期125~130 d,

年平均降水量 669.7 mm,年平均溫度為 2.2 ℃。

試驗小區(qū)行長 10 m,每個小區(qū) 10 行,行距 0.6 m,

每小區(qū)面積為60 m2

,3次重復,2018年5月15日播

種,種植密度為7.5萬株/hm2

,常規(guī)栽培與田間管理。

1. 3 測定項目與方法

在玉米的抽雄吐絲期,選晴朗天氣,于2018年

7 月 23 日用 Li-6400 型連接開放氣路的光合蒸騰

測定儀器,從 06:00 開始,到 18:00 為止,每間隔

1 h測 3個重復穗位葉的凈光合速率(Pn

)、蒸騰速

率(Tr

)、氣孔導度(Gs

)、胞間 CO2濃度(Ci

)以及當

天的空氣溫度(T)、空氣相對濕度(RH)和光合有

效輻射(PAR)。依據(jù)環(huán)境因子變化的特點,將光合

參數(shù)與環(huán)境因子之間的關系分為 06:00—10:00,

10:00—14:00,14:00—18:00 3個時間段進行分析。

1. 4 數(shù)據(jù)處理

取3次重復小區(qū)測定的平均值,用Excel 2007

188

第20頁

歷艷璐,等:高寒區(qū)玉米葉片光合參數(shù)日變化及其與環(huán)境因子關系

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

與SPSS進行數(shù)據(jù)的處理與分析。

2 結果與分析

2. 1 環(huán)境因子的日變化

光合作用是一個非常復雜的生化氧化還原反

應,與環(huán)境因子變化密切相關[16]

。空氣溫度的日

變化見圖1。由圖1可見,在一日之中溫度的變化

呈單峰曲線,06:00最低,13:00達到最高值,然后

逐漸降低,溫度日均值為25.4 ℃。

空氣相對濕度與光合有效輻射的日變化見圖2。

由圖 2 可見,空氣相對濕度從 07:00—16:00 逐漸

降低,16:00以后又逐漸升高,日最高值為76.84%,

最低值為 47.39%;光合有效輻射日 變 化 呈 現(xiàn)

出單峰曲線特征,在 12:00 達到最大,06:00—

18:00 PAR日均值為755.87 μmol/(m2

·s)。

圖2 空氣相對濕度與光合有效輻射的日變化

Fig. 2 Diurnal variation of air relative humidity and

photosynthetic radiation

2. 2 玉米葉片凈光合速率日變化及其與環(huán)境因

子關系

2. 2. 1 葉片凈光合速率的日變化 凈光合速率

是能夠反映光合代謝過程強弱的直接指標[17]

。

抽雄吐絲期高寒區(qū)玉米葉片 Pn 日變化見圖 3。

由圖 3 可 見 ,Pn 日 變 化 曲 線 呈 不 對 稱 的 雙 峰

型 ,第 1 峰最大值出現(xiàn)在 10:00,此后 Pn逐漸

下降,13:00繼續(xù)升高,到14:00出現(xiàn)第2峰值,為

26.99 μmol/(m2

·s)。在 09:00—15:00 Pn一直保

持較高水平,均值是27.06 μmol/(m2

·s)。

2. 2. 2 葉片凈光合速率與環(huán)境因子關系 植物

的光合日變化與其生長的環(huán)境因子變化關系密

切[18]

,一日中玉米葉片 Pn與 PAR,T,RH 的關系見

圖 4~6。由圖 4 可見,06:00—10:00 Pn隨著 PAR

的增大逐漸增大,兩者之間呈極顯著正相關

(r=0.927);10:00—14:00 Pn與PAR呈不顯著正相

關(r=0.034);14:00—18:00 Pn與PAR呈極顯著正

相關(r=0.921)??梢姡琍AR 的日變化是影響高寒

區(qū)玉米葉片Pn日變化的主要環(huán)境因子之一。

溫度是影響作物生長發(fā)育及其光合作用的重

要因子,與作物的各項生長指標、光合作用、產量

均有著密切的關系[19]

。由圖5可見,06:00—10:00

Pn 與 T 呈著正相關(r=0.574);10:00—14:00 Pn

與 T 呈不顯著負相關(r=-0.397);14:00—18:00

Pn與 T 呈顯著正相關(r=0.553)??梢姡諝鉁囟?/p>

也是影響高寒區(qū)玉米葉片 Pn 的主要環(huán)境因子

之一。

由圖6可見,06:00—10:00時Pn與RH呈極顯

著負相關(r= -0.765);10:00—14:00 呈不顯著負

相關(r= -0.487);14:00—18:00 呈極顯著負相關

(r= -0.712)。

圖1 空氣溫度的日變化

Fig. 1 Diurnal variation of air temperature

圖3 玉米葉片凈光合速率日變化

Fig. 3 Diurnal variation of net photosynthetic rate in

leaves of maize

189

第21頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

2. 3 玉米氣孔導度的日變化及其與環(huán)境因子

關系

2. 3. 1 氣孔導度的日變化 玉米葉片 Gs的日變

化見圖7。由圖7可見,玉米葉片氣孔導度呈單峰

趨勢,在 10:00 值最大,為 0.97 mol/(m2

·s),隨后

呈下降趨勢,到18:00達到一天中最低值,一天的

均值為0.43 mol/(m2

·s)。

2. 3. 2 氣孔導度與環(huán)境因子關系 氣孔導度是

植物光合作用的一個重要指標,氣孔導度除了受

自身生理因素的影響外,外界的環(huán)境對其也有影

響[20]

。一日中玉米葉片Gs與PAR,T,RH的關系見

圖 8~10。由圖 8 可見,06:00—10:00 時 Gs與 PAR

呈極顯著正相關(r=0.772);10:00—14:00時Gs與

PAR呈顯著正相關(r =0.545),表明較好的光照條

圖4 玉米葉片凈光合速率與光合有效輻射的關系

Fig. 4 Relationship between net photosynthetic rate and photosynthetically active radiation in leaves of maize

圖5 玉米葉片凈光合速率與溫度的關系

Fig. 5 Relationship between net photosynthetic rate and air temperature in leaves of maize

圖6 玉米葉片凈光合速率與空氣相對濕度的關系

Fig. 6 Relationship between net photosynthetic rate and air relative humidity in leaves of maize

190

第22頁

歷艷璐,等:高寒區(qū)玉米葉片光合參數(shù)日變化及其與環(huán)境因子關系

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

件有利于氣孔的擴張從而增加 Gs

;14:00—18:00

時Gs與PAR呈顯著正相關(r =0.578),此時Gs隨著

PAR 的降低而減小,從而導致 Pn的降低??梢?,

PAR是影響高寒區(qū)玉米葉片Gs的最主要環(huán)境因子

之一。由圖 9 可見,10:00—14:00 時 Gs與 T 呈顯

著負相關(r =-0.594),說明中午空氣溫度過高從

而導致玉米葉片氣孔的縮小或關閉致使 Gs下降。

由圖 10 可見,一天中早晚空氣濕度大,06:00—

10:00時和14:00—18:00時,Gs與RH均呈顯著負

相關(r=-0.550, r =-0.683)。高寒區(qū)空氣相對濕

度過大是影響Gs的最主要環(huán)境因素之一。

圖7 玉米葉片氣孔導度的日變化

Fig. 7 Diurnal variation of stomatal conductance in

leaves of maize

2. 4 蒸騰速率日變化及其與環(huán)境因子關系

2. 4. 1 蒸騰速率的日變化 蒸騰作用是植物生

理生化過程中的一個重要的環(huán)節(jié),其功能主要是

為植物吸收和運輸水分提供動力,還可以通過水

分的蒸散來降低葉片的溫度以確保葉片不受高

溫損害,進而維系作物進行正常的生理生化反

應。玉米葉片 Tr日變化見圖 11。由圖 11 可見,

玉米葉片的蒸騰速率呈雙峰趨勢,最大峰值在

10:00 時,為 10.15 mmol/(m2

·s),第 2 個峰值在

13:00,之后蒸騰速率逐漸降低。一天均值為

5.43 mmol/(m2

·s)。09:00—16:00 時蒸騰速率在

較高水平,均值為7.38 mmol/(m2

·s)。

圖8 玉米葉片氣孔導度與光合有效輻射的關系

Fig. 8 Relationship between stomatal conductance and photosynthetically active radiation in leaves of maize

圖9 玉米葉片氣孔導度與溫度的關系

Fig. 9 Relationship between stomatal conductance and air temperature in leaves of maize

191

第23頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

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2. 4. 2 蒸騰速率與環(huán)境因子關系 一日中玉米

葉片 Tr與 PAR,T 和 RH 的關系見圖 12~14。由

圖 12 可見,06:00—10:00 時 Tr與 PAR 呈極顯著

正相關(r=0.953),此時 Tr隨著 PAR 的增大而增

大,10:00 達到一天最大值;10:00—14:00 時

Tr與 PAR 呈 不 顯 著 正 相 關(r=0.337);14:00—

18:00時 PAR與 Tr呈極顯著正相關(r=0.783)。可

見,較充足光照可以促進玉米植株的光合、蒸騰等

生理作用。

由圖13可見,在10:00—14:00 Tr與T呈不顯

著 負 相 關(r=-0.115)。 由 圖 14 可 見 ,06:00—

10:00 時和 14:00—18:00 時 Tr與 RH 均呈極顯著

負相關,相關系數(shù)分別為 r= -0.857 和 r=-0.823。

綜合分析,一天中上午與下午的RH較高,說明RH

越大Tr越小,這是因為大氣的相對濕度越大,其飽

和蒸氣壓越大,葉內外飽和蒸氣壓差就會隨之變

小,氣孔下腔的水蒸氣不容易擴散出去,因此蒸騰

作用相對減弱。

圖11 玉米葉片蒸騰速率日變化

Fig. 11 Diurnal change of transpiration rate in leaves

of maize

圖10 玉米葉片氣孔導度與空氣相對濕度的關系

Fig. 10 Relationship between stomatal conductance and air relative humidity in leaves of maize

圖12 玉米葉片蒸騰速率與光合有效輻射的關系

Fig. 12 Relationship between transpiration rate and photosynthetically active radiation in leaves of maize

192

第24頁

歷艷璐,等:高寒區(qū)玉米葉片光合參數(shù)日變化及其與環(huán)境因子關系

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2. 5 胞間CO2濃度日變化及其與環(huán)境因子關系

2. 5. 1 胞間CO2濃度的日變化 玉米葉片Ci

日變

化見圖15。由圖15可見,玉米葉片的胞間CO2濃度

整體呈先下降后上升的趨勢,在 15:00 達到一天

最低值114.58 μmol/mol,胞間CO2濃度從06:00—

09:00表現(xiàn)為快速下降的趨勢,從396.86 μmol/mol

下降到186.65 μmol/mol。

圖15 玉米葉片胞間CO2濃度日變化

Fig. 15 Diurnal change of intercellular CO2 concentra?

tion in leaves of maize

2. 5. 2 胞間 CO2濃度與環(huán)境因子關系 一日中

玉米葉片 Ci與 PAR,T 和 RH 的關系見圖 16~18。

由圖16可見,06:00—10:00時Ci

與PAR均呈極顯

著負相關(r=-0.665);14:00—18:00 時呈顯著負

相關(r=-0.921),PAR 對 Pn與對 Ci

的影響效果相

反,光照強度是影響Ci

最重要的環(huán)境因素之一。

由圖 17可見,Ci

與 T在 06:00—10:00呈顯著

負相關(r=-0.586),10:00—14:00 時和 14:00—

18:00 均呈不顯著負相關(r=-0.251,r=-0.512),

綜合分析顯示,溫度過高是抑制 Ci的一個重要

因素。

由圖 18 可見,06:00—10:00,10:00—14:00

和 14:00—18:00 時 Ci 與 RH 均 表 現(xiàn) 為 正 相

關,其中 06:00—10:00 時表現(xiàn)為顯著正相關

(r=0.575),表明在一定范圍內,Ci

會隨著 RH 的升

高而增大。

圖13 玉米葉片蒸騰速率與溫度的關系

Fig. 13 Relationship between transpiration rate and air temperature in leaves of maize

圖14 玉米葉片蒸騰速率與空氣相對濕度的關系

Fig. 14 Relationship between transpiration rate and relative humidity in leaves of maize

193

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吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

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3 討 論

光合作用是一個十分復雜的生理生化過

程[21]

,玉米通過光合作用為其自身的生長發(fā)育提

供所需的營養(yǎng)物質。凈光合速率作為評價植物光

合作用的重要指標,一般 Pn的日變化趨勢有單峰

型和雙峰型[22-23]

2 種。本試驗結果表明,高寒區(qū)

抽雄吐絲期玉米 Pn的日變化呈雙峰型,最大值在

10:00,第 2 峰值出現(xiàn)在 14:00。光照對植物的生

理功能,特別是光合作用有顯著影響[24]

。適宜的

光照條件能夠增強凈光合速率進而促進光合代

謝,而 PAR 過大則會出現(xiàn)光抑制,從而導致光合

圖16 玉米葉片胞間CO2濃度與光合有效輻射的關系

Fig. 16 Relationship between intercellular CO2 concentration and photosynthetically active radiation in leaves of

maize

圖17 玉米葉片胞間CO2濃度與溫度的關系

Fig. 17 Relationship between intercellular CO2 concentration and air temperature in leaves of maize

圖18 玉米葉片胞間CO2濃度與空氣相對濕度的關系

Fig. 18 Relationship between intercellular CO2 concentration and relative humidity in leaves of maize

194

第26頁

歷艷璐,等:高寒區(qū)玉米葉片光合參數(shù)日變化及其與環(huán)境因子關系

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

進入“午休”現(xiàn)象,Pn的變化是分析光合“午休”的

一個重要指標[25]

。11:00—12:00 時葉片光合出

現(xiàn)“午休”現(xiàn)象,10:00—14:00 時 PAR 和 T 均與 Pn

呈不顯著負相關,此時間段的 PAR 和 T 為一天中

最高,推測導致高寒區(qū)玉米葉片出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象

的最主要環(huán)境因子是PAR與T。

本試驗研究表明,06:00—18:00 時 Gs與 PAR

呈顯著正相關,說明 PAR 是影響 Gs最主要的環(huán)境

因子。在10:00時后Gs逐漸下降,這是由于T的增

大導致葉片氣孔的縮小或關閉,從而導致 Gs的下

降。這與陶俊等[26-28]

認為,環(huán)境因子高溫會導致

氣孔導度或氣孔阻力變化的結果一致。06:00—

10:00 時和 14:00—18:00 時 Gs與 RH 均呈顯著負

相關,說明過高的 RH 是影響玉米葉片 Gs的主要

環(huán)境因素之一。

蒸騰作用是植物重要的生理作用,植物葉片

通過蒸騰作用完成植物體內水分與營養(yǎng)元素的

吸收以及運輸。高寒區(qū)玉米葉片的 Tr日變化趨

勢與 Pn基本一致:06:00—10:00 時,Tr與 PAR 表

現(xiàn)為極顯著正相關,Tr與 RH 表現(xiàn)為極顯著負相

關;14:00—18:00時,Tr與PAR表現(xiàn)為極顯著正相

關,Tr與 RH 表現(xiàn)為極顯著負相關,表明較好的光

照條件能夠增加玉米葉片的蒸騰作用,早晚 RH

較大,而蒸騰速率較小,RH 可導致葉內外氣壓產

生變化,進而影響蒸騰速率的變化。

胞間CO2濃度的變化方向是確定光合速率變

化的主要原因。06:00—10:00 時 Ci與 PAR 呈極

顯著負相關,Ci與T呈顯著負相關,表明光照和溫

度的逐漸升高導致玉米葉片的胞間CO2濃度降低;

06:00—10:00時,Ci

與RH呈顯著正相關,10:00—

14:00 時和 14:00—18:00 時呈正相關,這表明空

氣相對濕度可對其產生促進作用,在適宜范圍內

隨著空氣相對濕度的升高,胞間CO2濃度會增大。

4 結 論

高 寒 區(qū) 玉 米 葉 片 的 凈 光 合 速 率 為 4.51~

36.46 μmol/(m2

·s),日變化呈雙峰曲線,第1峰值

在 10:00 時,第 2 峰值在 14:00 時,06:00—10:00

時凈光合速率平均值 17.34 μmol/(m2

·s),高于下

午凈光合速率的平均值14.51 μmol/(m2

·s)。氣孔

導度在10:00時達到最大隨后呈下降趨勢。蒸騰

速率也呈雙峰趨勢,第1峰值出現(xiàn)在10:00,第2峰

值在13:00。06:00—10:00時和14:00—18:00時,

Pn與 PAR 均呈極顯著正相關(r=0.927,r=0.921),

Pn與 T 均呈顯著正相關(r=0.574,r=0.553),Pn與

RH 呈極顯著負相關(r=-0.765,r=-0.712);Gs 與

PAR 均呈極顯著正相關(r=0.772,r=0.578),Gs與

RH 均呈顯著負相關(r=-0.550,r=-0.683);Tr 與

PAR 均呈極顯著正相關(r=0.953,r=0.783),Tr與

RH均呈極顯著負相關(r=-0.857,r=-0.823)。綜上

分析表明,空氣溫度和光合有效輻射偏低,空氣相

對濕度偏高是限制該高寒區(qū)玉米光合物質生產的

主要因子。

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(責任編輯:王希)

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吉林農業(yè)大學學報 2024,46(2):197-204 http : // xuebao.jlau.edu.cn

Journal of Jilin Agricultural University E?mail : jlndxb @ vip.sina.com

灌溉方式對施肥時期田面水氮磷濃度及水稻生

育性狀影響*

牛世偉,徐嘉翼,隋世江,張 鑫,葉 鑫,王 娜**

遼寧省農業(yè)科學院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所,沈陽 110161

摘 要:為探尋遼河三角洲地區(qū)稻田排水的利用方式,揭示稻田排水循環(huán)灌溉容易引起面源污染風險。通過

定位定期監(jiān)測灌排溝渠水體氮磷濃度變化,研究灌溉模式對施肥時期田面水氮磷濃度與水稻生育性狀的影

響。結果表明:灌水溝和排水渠水體總氮(TN)濃度于第2次達峰值(4. 49 mg/L和15. 61 mg/L)后下降,這與基

肥泡田時期相吻合,排水渠TN和總磷(TP)濃度高于灌水溝,關鍵施肥時期應控制稻田水外排,以減少排水渠

水體氮磷濃度。在基肥和追肥灌溉時期,施肥各處理田面水TN濃度在3 d達到峰值后下降,10 d趨于穩(wěn)定,循

環(huán)灌溉比常規(guī)灌溉高0. 65~2. 42 mg/L,田面水TN濃度與氮肥用量呈正相關,排水循環(huán)灌溉后1 d的TN濃度均

高于常規(guī)灌溉,在3 d后差異不顯著,排水循環(huán)灌溉與常規(guī)灌溉TP濃度差異不顯著,排水循環(huán)灌溉增加了氮磷

流失風險,3 d內應避免田面水外排,基肥后10 d內也是氮磷流失風險期。排水循環(huán)灌溉結合氮肥減施22%可

促進水稻有效分蘗并提高產量,合理利用排水循環(huán)灌溉可應用于水稻生產和減少氮磷流失風險。

關鍵詞:灌溉方式;田面水;氮磷流失;水稻;生育性狀

中圖分類號:S511 文獻標志碼:A 文章編號:1000-5684(2024)02-0197-08

DOI:10.13327/j.jjlau.2020.5709

引用格式:牛世偉,徐嘉翼,隋世江,等.灌溉方式對施肥時期田面水氮磷濃度及水稻生育性狀影響[J].吉林農

業(yè)大學學報,2024,46(2):197-204.

Effects of Irrigation Modes on Nitrogen and Phosphorus Concentra?

tions of Field Ponding Water and Rice Growth Traits During Fertil?

ization *

NIU Shiwei,XU Jiayi,SUI Shijiang,ZHANG Xin,YE Xin,WANG Na**

Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources, Liaoning Academy of Agricultural Sciences,

Shenyang 110161, China

Abstract:In order to explore the drainage utilization in the paddy field of Liaohe Delta region and

reveal whether irrigation-drainage recycle has the risk of causing non-point source pollution, we

monitored N and P concentrations of ditch water and determined the effects of irrigation modes on N

and P concentrations of field ponding water and rice growth traits during fertilization. The results

showed that TN concentrations reached the peak values of 4.49 mg/L and 15.61 mg/L in the irriga?

tion ditch water and the drainage channel water at the time of the second monitoring, followed by a

decrease, which was in accordance with that in the period of basal fertilizer soaking. The concentra?

tions of TN and TP in the drainage channel water were higher than those in the irrigation ditch water.

* 基金項目:國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0800504),遼寧省科技重大專項(2019020171-JH1/103-01-03)

作者簡介:牛世偉,男,副研究員,主要從事農業(yè)面源污染防控和資源利用研究。

收稿日期:2020-03-18

** 通信作者:王娜,E-mail:wnsxh1999@126.com

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吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

During the critical fertilization period, the drainage of field ponding water should be controlled for

the reduction of N and P concentrations in the drainage channel water. TN concentrations of field

ponding water peaked on the 3rd and then stabilized 10 days after both basal fertilizer and topdress?

ing, with 0.65-2.42 mg/L higher in the irrigation-drainage recycle treatment than the conventional ir?

rigation. There was a positive correlation between TN concentrations of field ponding water and N fer?

tilizer application. TN concentrations 1 day after irrigation were higher in the irrigation-drainage re?

cycle treatment than the conventional one, whereas 3 days after irrigation there was no significant dif?

ference between these two treatments. Likewise, no significant difference for TP concentrations ex?

isted between these two treatments. Irrigation-drainage recycle increased the risk of N and P loss, in?

dicating that we should control the drainage from paddy field within 3 days. Within 10 days after

basal fertilization, there was also a risk period for nitrogen and phosphorus loss. Irrigation-drainage

recycle combined with a 22% reduction in N fertilizer can promote effective tillering and increase

rice yield. Reasonable utilization of irrigation-drainage recycle can be applied to rice production and

reduce the risk of N and P loss.

Key words:irrigation mode; field ponding water; nitrogen and phosphorus loss; rice; growth traits

稻田排水主要來自稻田側滲水、徑流水和人

為排水,我國是水資源緊缺國家,農業(yè)用水量

3 693.1億m3

,占總用水量6 015.5億m3

的61.39%[1]

,

稻田灌溉水占農業(yè)用水量的60%以上[2]

。稻田排

水用于循環(huán)灌溉,節(jié)約灌溉用水量,對提高水資源

利用率有重要意義。稻田排水循環(huán)利用是緩解農

業(yè)水資源短缺、提高用水效率的重要途徑,并已在

國內外有廣泛應用[3]

,循環(huán)灌溉是利用降水或灌

溉排水進行再灌溉利用的一種田間水分管理模

式[4]

,Hama 等[5]

研究結果表明,控制排水循環(huán)灌

溉能提供 85% 的灌溉用水量。尤其是水稻生產

過程中,稻田排水增加了氮磷等物質向河流等地

表水體的排放,水稻施肥后,排水中含有大量的氮

磷,這成為農業(yè)面源污染的主要來源之一,再利用

排水中的氮、磷等養(yǎng)分,可減少化肥投入,對降低

農業(yè)面源污染風險具有重要意義。Zulu等[6]

研究

發(fā)現(xiàn),采用排水灌溉補充 15% 年灌溉水量,排水

灌溉輸入?yún)^(qū)塊的氮磷總量高于流出量,表明稻田

作為人工濕地具有凈化水質的作用,排水循環(huán)提

供補充水源供給作物所需水分,也可以減少對水

環(huán)境的影響[7]

。然而,已有的研究尚未見關于稻

田排水循環(huán)灌溉容易引起面源污染風險,尤其是

關鍵施肥時期排水循環(huán)灌溉對田面水氮磷濃度的

影響。本試驗通過排水循環(huán)灌溉田間試驗,再結

合肥料減施優(yōu)化處理,分析稻田排水循環(huán)灌溉對

田面水氮磷濃度及水稻產量的影響,為平原稻區(qū)

排水循環(huán)利用和面源污染防控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗區(qū)概況

試驗田塊位于遼寧省盤山縣壩墻子鎮(zhèn)煙李村

(試驗始于 2017 年),處于遼河三角洲中部地區(qū),

屬于溫帶半濕潤季風氣候區(qū),多年平均降水量約

為 650 mm,多集中在 7—8 月,無霜期約 170 d,具

有完備的灌排溝渠。供試土壤為鹽堿水稻土,試

驗前耕層土壤理化性質為pH 7.8,有機質17.7 g/kg,

全氮 1.58 g/kg,堿解氮 71.0 mg/kg,全磷(P2O5

4.06 g/kg,有效磷(P2O5

)43.28 mg/kg,全鉀(K2O)

18.55 g/kg,速 效 鉀(K2O)154.0 mg/kg,全 鹽 量

1.17 g/kg。

1. 2 試驗設計

試驗設置常規(guī)灌溉和循環(huán)灌溉 2 種灌溉模

式,常規(guī)灌溉用水來自排灌站汲取的遼河水,循環(huán)

灌溉用水來自抽取的排水主渠匯集的稻田尾水;

施氮肥量設置3個水平,不施肥料(ck)、減量施氮

(N 210 kg/hm2

)和常規(guī)施氮(N 270 kg/hm2

)。設

置 6個處理:常規(guī)灌溉+不施肥料(CGck),循環(huán)灌

溉 + 不 施 肥 料(XHck),常 規(guī) 灌 溉 + 減 量 施 氮

(CGN210),循環(huán)灌溉+減量施氮(XHN210),常規(guī)

灌溉+常規(guī)施肥(CGN270),循環(huán)灌溉+常規(guī)施肥

(XHN270)。施用氮肥種類為大顆粒尿素(46%),

分蘗時期追肥1次,基肥∶分蘗肥比例為8∶2(當?shù)?/p>

施肥習慣);磷肥為過磷酸鈣(P2O5 12%),鉀肥為

氯化鉀(K2O 60%),施肥各處理磷肥(P2O5

)和鉀肥

198

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牛世偉,等:灌溉方式對施肥時期田面水氮磷濃度及水稻生育性狀影響

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

(K2O)用量為90 kg/hm2

,磷鉀肥全部基施。

每個小區(qū)面積為 200 m2

,每個處理 3次重復,

隨機排列,小區(qū)用寬50 cm、高50 cm土埂隔離,灌

溉時采用抽水泵單獨灌溉并水量一致。供試水稻

品種為“鹽豐47”,5月15日施肥旋耕,5月17日泡

田,5月22日插秧,機械插秧密度為30 cm×18 cm,

10 月 15 日收獲水稻。除自然降水外,田間灌溉

作業(yè) 18 次,其中,基肥和追肥后 1,7,15 d 進行灌

溉,每次灌溉 8.0 cm,其他正常灌溉,水量合計

14 400 m3

/hm2

,田間不排水,其他按照常規(guī)田間管

理進行。

1. 3 樣品采集及測試方法

灌水水樣和排水水樣:于每次灌溉時 10:00

進行取樣,在灌水溝和排水渠分別定位采集 3 個

位點,每個位點采集 500 mL,裝入塑料采樣瓶,并

迅速放入冰柜冷凍保存,用于測定總氮和總磷

指標。

田面水水樣:于施肥后1,3,5,7,10,15 d 10:00

對田面水進行取樣。每個小區(qū)定位采集 5 個位

點,混合后裝入采樣瓶,冷凍保存。

水稻植株采樣:水稻成熟后,每個小區(qū)隨機選

取 3塊 2 m×2 m 樣方,收獲并晾曬測產,各處理隨

機選取 10 穴測量株高、有效分蘗數(shù)等生育性狀

指標。

采集的水樣用德國 AA3 流動分析儀(Bran

Luebbe)測定TN和TP濃度。

1. 4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2007 軟件進行

處理和繪圖,用軟件SPSS 18.0進行檢驗差異顯著

性統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2. 1 灌排溝渠水體TN和TP濃度

2. 1. 1 灌排溝渠水體 TN 濃度 稻田灌水溝和

排水渠水體 TN 濃度,結果見圖 1,灌水溝灌水 TN

濃度較為平穩(wěn),最大值為第 2 次的 4.49 mg/L,最

小值為第18次的2.26 mg/L,平均值為2.93 mg/L,整

體波動幅度相對不大。排水渠排水 TN 濃度變化

幅度較大,最大值為第 2次的 15.61 mg/L,最小值

為第18次的5.99 mg/L,平均值為8.60 mg/L,除前

5次外,其他結果趨于平穩(wěn)。排水渠排水 TN平均

濃度大于灌水溝,排水渠排水TN濃度均高于灌水

溝灌水,并且差異顯著,同一時期差值最大時為

11.59 mg/L,差值最小時也達到 3.72 mg/L。排水

渠中水體TN濃度第1峰值和第2峰值正處于基肥

泡田時期和追肥時期,施肥時期是排水渠水體TN

流失高風險期,應加強田間管理并控制稻田水外

排,以減少稻田氮素的流失。

2. 1. 2 灌排溝渠水體 TP 濃度 灌水溝和排水

渠水體 TP 濃度結果見圖 2,灌排溝渠水體 TP 濃

度均呈波動變化,灌水溝灌水 TP 濃度最大值為

第3次的0.108 mg/L,最小值為第6次的0.091 mg/L,

平均值為 0.098 mg/L,>0.100 mg/L 的數(shù)值出現(xiàn)

5 次。排水渠排水 TP 濃度最大值為施肥初期的

0.123 mg/L,最 小 值 為 0.094 mg/L,平 均 值 為

0.106 mg/L,>0.100 mg/L 的數(shù)值有 12 次,較高的

峰值有 5 次。排水渠排水 TP 平均濃度高于灌水

溝,比灌水溝高8.16%,除第10次外,其他TP濃度

均高于灌水溝,差值最大時為 0.021 mg/L,差值最

小時0.001 mg/L。

圖1 灌排溝渠水體TN濃度

Fig. 1 TN concentrations in ditch irrigation water

199

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吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

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通過稻田灌排溝渠水體結果可知,稻田排水

渠排水 TN 和 TP 濃度高于灌水溝灌水濃度,稻田

排水可進行田間循環(huán)灌溉,供給水稻所需的營養(yǎng)

元素和水分,減少稻田的氮磷排放,并降低對水環(huán)

境的影響[8]

。

2. 2 灌溉方式對基肥后稻田田面水TN和TP濃

度的影響

2. 2. 1 灌溉方式對基肥后稻田田面水 TN 濃度

的影響 各處理田面水 TN濃度結果見圖 3,施肥

各處理在 3 d 達到峰值后下降,可能是基肥中氮

素溶解后釋放到田面水中,使田面水 TN 濃度迅

速升高,在 10 d 趨于穩(wěn)定。循環(huán)灌溉田面水 TN

平均濃度高于常規(guī)灌溉 1.08~2.42 mg/L,其中,

XHck 處理 TN 平均濃度 4.67 mg/L,比 CGck 處理

(3.59 mg/L)高 1.08 mg/L;XHN210 處理 TN 平均

濃度 13.13 mg/L,比 CGN210處理(10.71 mg/L)高

2.42 mg/L;XHN270處理TN平均濃度14.01 mg/L,

比 CGN270 處 理(12.78 mg/L)高 1.23 mg/L。

CGN210 田面水 TN 平均濃度低于 CGN270 處理,

而 XHN210略高于 CGN270處理,而低于 XHN270

處理,說明氮肥減施 22% 后降低了田面水 TN 平

均濃度 16.20%,田面水 TN 濃度與氮肥用量呈正

相關,隨著氮肥用量增加而升高,循環(huán)灌溉能夠提

高田面水TN濃度,結合適量氮肥減施后還略高于

常規(guī)處理。稻田排水循環(huán)灌溉后1 d的TN濃度均

高于常規(guī)灌溉,在 3 d 后差異不顯著(通過 XHck

與CGck灌溉后1,3,7,10 d比較),因此,應用排水

循環(huán)灌溉時也增加了稻田田面水氮素流失風險,

排水灌溉后3 d內應避免田面水外排,同時基肥后

灌溉10 d內也是氮素流失風險期。

2. 2. 2 灌溉方式對基肥后稻田田面水 TP 濃度

的影響 基肥后稻田田面水 TP 濃度結果見圖 4,

從各處理整體上看,田面水TP濃度在初期為最高

值,之后一直呈下降趨勢,10 d 趨于平穩(wěn)。CGck

處理 TP 平均濃度 0.117 mg/L 為最小值,XHN270

和 CGN210 處理 TP 平均濃度 0.120 mg/L 為最大

圖2 灌排溝渠水體TP濃度

Fig. 2 TP concentrations in ditch irrigation water

圖3 灌溉方式對田面水TN濃度的影響

Fig. 3 Effect of Irrigation mode on TN concentration in field ponding water

200

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牛世偉,等:灌溉方式對施肥時期田面水氮磷濃度及水稻生育性狀影響

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

值,且各處理間差異不顯著,這可能與土壤有效磷

濃度高及田間水耙地作業(yè)有關,土壤被攪動后,使

田面水 TP 濃度升高,之后磷素逐漸被土壤固定,

而田面水TP濃度逐漸降低。田面水TP濃度與磷

肥用量90 kg/hm2

以內相關性不大,且排水循環(huán)灌

溉與常規(guī)灌溉差異不顯著,基肥期間 10 d內應用

排水循環(huán)灌溉對稻田田面水磷素流失風險影響較

小,但基肥后灌溉10 d內是磷素流失風險期。

2. 3 灌溉方式對追肥后稻田田面水TN和TP濃

度的影響

2. 3. 1 灌溉方式對追肥后稻田田面水 TN 濃度

的影響 追肥后稻田田面水TN濃度結果見圖 5,

各施肥處理在 3 d 達到峰值后呈下降趨勢,到

10 d 基本穩(wěn)定,這與基肥趨勢一致,氮肥施入

初期影響田面水 TN 濃度大于灌溉的影響。循

環(huán)灌溉田面水 TN 平均濃度高于常規(guī)灌溉 0.65~

0.80 mg/L,其中XHck處理TN平均濃度3.23 mg/L,

比 CGck 處理(2.43 mg/L)高 0.80 mg/L,XHN210

處 理 TN 平 均 濃 度 4.94 mg/L 比 CGN210 處 理

4.20 mg/L 高 0.74 mg/L,XHN270 處 理 TN 平 均

濃 度 5.30 mg/L 比 CGN270 處 理(4.65 mg/L)高

0.65 mg/L。 CGN210 田 面 水 TN 平 均 濃 度 低 于

CGN270 處 理 0.45 mg/L,但 XHN210 略 高 于

CGN270 處 理 0.29 mg/L,而 低 于 XHN270 處 理

0.36 mg/L,同樣說明氮肥減施可降低田面水 TN

濃度,并且田面水 TN 濃度與氮肥用量呈正相關,

循環(huán)灌溉能夠提高田面水 TN 濃度。排水循環(huán)灌

溉與常規(guī)灌溉在3 d后差異不顯著,在此期間應避

免稻田水外排,以減少氮素流失。

2. 3. 2 灌溉方式對追肥后稻田田面水 TP 濃度

的影響 追肥后稻田田面水 TP 濃度結果見圖 6,

各處理田面水TP濃度變幅不大,施肥處理與不施

肥處理間差異顯著,排水循環(huán)灌溉與常規(guī)灌溉差

圖4 灌溉方式對田面水TP濃度的影響

Fig. 4 Effect of irrigation mode on TP concentration in field ponding water

圖5 灌溉方式對田面水TN濃度的影響

Fig. 5 Effect of irrigation mode on TN concentration in field ponding water

201

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吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

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異 不 顯 著 ,但 對 田 面 水 TP 濃 度 有 小 幅 提 高

(0.001~0.002 mg/L)。與基肥灌溉不同,灌溉 1 d

內 TP 濃度相對較高,灌溉 3~4 d 后有小幅下降

(0.001~0.012 mg/L),說明不用農機擾動土壤進

行灌溉時,灌溉水中的磷素或灌溉過程中產生的

土壤輕微擾動對田面水TP濃度有一定提高作用。

非基肥期間,灌溉 3 d 內對稻田田面水 TP 濃度有

一定提高,應用排水循環(huán)灌溉對稻田田面水磷素

流失風險影響較小。

2. 4 灌溉方式對水稻農藝性狀及產量的影響

由表 1可知,循環(huán)灌溉結合適量的氮肥減施

可以促進有效分蘗,使水稻株高和秸稈量適度,

提高水稻產量。產量依次為 XHN210>CGN270>

XHN270>CGN210>XHck>CGck,XHN210 處理產

量 最 高 ,為 11 932.59 kg/hm2

。 XHN270 比

CGN270 處理產量降低 2.40%,常規(guī)施肥進行循

環(huán)灌溉有小幅減產,說明利用稻田排水循環(huán)灌溉

時,要對施入氮肥進行適度減量。XHN210 比

CGN270處理增產0.89%,差異不顯著,XHN210能

夠節(jié)約氮肥22%,且能夠保持穩(wěn)產。

3 討 論

合理利用農業(yè)灌區(qū)排水對減緩水資源矛盾、

保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義[9]

,特別是灌溉排水

導致的氮磷流失成為地表水體富營養(yǎng)化的主要

污染源之一[10-11]

,本研究監(jiān)測灌溉時灌排溝渠

水體和施肥時期稻田田面水氮磷濃度變化,

有助于預警氮磷流失風險和稻田面源污染的

防控。圖 1 和圖 2 結果表明,灌水溝常規(guī)灌溉期

間,TN 濃度為 2.26~4.49 mg/L,TP 濃度為 0.091~

0.108 mg/L,整體較為平穩(wěn),這與王赫[12]

的監(jiān)測結

果較為一致。排水渠水體 TN 平均濃度高于灌水

溝,第2次時達到峰值,在第6次后趨于穩(wěn)定,但整

體高于灌水溝3.72~5.63 mg/L,同時與稻田施肥時

期田面水TN濃度變化趨勢一致,說明稻田在施肥

時期有稻田排水現(xiàn)象;而排水渠TP濃度整體呈波

動變化,平均濃度略高于灌水溝,介于 0.094~

0.123 mg/L,與灌水溝有10次以上差異顯著?;?/p>

試驗地所處地區(qū)水稻生產用水量為14 400 m3

/hm2

,

圖6 灌溉方式對田面水TP濃度的影響

Fig. 6 Effect of irrigation mode on TP concentration in field ponding water

表1 水稻產量和農藝性狀分析

Table 1 Analysis of yield and agronomic traits of rice

處理

CGck

XHck

CGN210

XHN210

CGN270

XHN270

有效分蘗數(shù)

13.60±1.06d

15.00±1.20c

22.60±1.30b

24.00±1.07a

23.80±1.01a

23.67±1.40a

株高/cm

80.39±1.14e

81.60±1.37d

94.33±1.52c

95.40±1.30b

97.40±0.92a

96.72±1.45a

秸稈生物量/(kg·hm-2

)

4 972.18±133.85d

5 275.36±142.53d

9 156.09±66.38c

9 586.90±178.96b

9 632.59±327.14b

10 249.14±135.82a

子粒產量/(kg·hm-2

)

6 275.86±172.08c

6 609.36±197.96c

11 399.63±280.47b

11 932.59±253.41a

11 827.59±52.15a

11 543.27±203.67ab

注:同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

202

第34頁

牛世偉,等:灌溉方式對施肥時期田面水氮磷濃度及水稻生育性狀影響

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按照排水渠水體循環(huán)灌溉TN平均濃度8.60 mg/L、

TP 平均濃度 0.106 mg/L 以及利用排水循環(huán)灌溉

20% 計算,可至少減少氮磷流失 25.07 kg/hm2

上,并實現(xiàn)節(jié)約用水2 880 m3

/hm2

。

排水循環(huán)灌溉是減少稻田氮磷流失的主要措

施之一,循環(huán)灌溉后可以延長水力的停留時間,提

高磷素的沉淀作用和土壤的吸附能力,水稻再次

利用稻田排水中的氮磷等營養(yǎng)物質,提高氮磷的

凈化率[13-14]

。本研究表明,同等施肥管理條件下,

圖3中基肥時期進行循環(huán)灌溉,田面水TN濃度比

常規(guī)灌溉高 1.01~3.33 mg/L,TN 平均濃度高于

3 個不同處理常規(guī)灌溉 1.08~2.42 mg/L,圖 5中追

肥時期進行循環(huán)灌溉,田面水TN濃度比常規(guī)灌溉

高 0.16~1.85 mg/L,TN 平均濃度高于 3 個不同處

理常規(guī)灌溉 0.65~0.80 mg/L,圖 4和圖 6中基肥和

追肥時期排水循環(huán)灌溉與常規(guī)灌溉處理間 TP 濃

度的差異不顯著,排水循環(huán)灌溉能夠小幅提高田

面水 TN 和 TP 濃度,但氮磷肥的施用是稻田田面

水氮磷濃度較大的主要來源[15]

,本研究與唐敏

等[16-18]

研究表明,施肥 10 d 內是氮磷的流失風險

期一致,與王強等[19-20]

研究結果,施肥后 5 d 內和

8 d內是稻田徑流流失的高風險期有所不同,這可

能是南北方種植環(huán)境導致的。施肥時期和排水循

環(huán)灌溉時應加強田間管理,保持田面水合適水位,

控制稻田水外排,同時滿足水稻不同生育時期對

水分和養(yǎng)分的需求。本研究結果認為,排水灌溉

時期和灌溉水位也是重要因素,水稻施肥時期、降

雨高發(fā)期和稻田高水位時期,應降低施肥用量和

減少排水灌溉,田面水中氮磷濃度較高容易增加

稻田氮磷流失風險[21-22]

。

我國水資源日益緊缺,將稻田排水循環(huán)再利

用是解決農業(yè)用水和緩解水資源供需矛盾的有效

途徑之一,灌溉水質濃度與水稻的生長指標和產

量密切相關[23-27]

,在北方鹽堿地區(qū)進行稻田排水

循環(huán)灌溉時,要及時掌握稻區(qū)鹽度變化,鹽度較高

時及時改變灌溉方式,例如進行河水和排水交替

灌溉或混合灌溉,以減少鹽堿對水稻的危害,本研

究的稻田減量施肥結合排水循環(huán)灌溉對水稻穩(wěn)產

高產的持久性也有待進一步研究。

4 結 論

(1)灌水溝和排水渠TN濃度在均第2次達到

峰值(4.49 mg/L和 15.61 mg/L)后下降,平均值分

別為 2.93 mg/L 和 8.60 mg/L,TP 濃度均呈波動變

化,排水渠TP平均濃度高于灌水溝0.008 mg/L,稻

區(qū)泡田時期和追肥時期應控制稻田水外排,以減

少排水渠水體氮磷濃度,降低稻田面源污染風險。

(2)基肥灌溉期,施肥各處理田面水 TN 濃度

在 3 d 達到峰值后下降,10 d 趨于穩(wěn)定,循環(huán)灌溉

比常規(guī)灌溉高 1.08~2.42 mg/L,田面水 TN 濃度與

氮肥用量呈正相關,排水循環(huán)灌溉后 1 d的 TN 濃

度均高于常規(guī)灌溉,在3 d后差異不顯著。各處理

田面水TP濃度在初期達最大值后下降,10 d趨于

平穩(wěn),TP 濃度與磷肥用量 90 kg/hm2

以內相關性

不大,且排水循環(huán)灌溉與常規(guī)灌溉差異不顯著。

排水循環(huán)灌溉增加了流失風險,灌溉后3 d內應避

免田面水外排,同時基肥后灌溉 10 d內也是氮磷

流失風險期。

(3)追肥灌溉期,施肥各處理在 3 d達到峰值

下降,10 d 基本穩(wěn)定,循環(huán)灌溉田面水 TN 平均濃

度高于常規(guī)灌溉 0.65~0.80 mg/L,循環(huán)灌溉能提

高田面水 TN 濃度。TP 濃度動態(tài)變幅較小,施肥

處理與不施肥處理間差異顯著,排水循環(huán)灌溉與

常規(guī)灌溉差異不顯著,監(jiān)測灌溉 1 d 后 TP 濃度由

高降低。排水循環(huán)灌溉3 d內避免稻田水外排,減

少氮磷流失。

(4)循環(huán)灌溉結合適量的氮肥減施可促進水

稻有效分蘗,提高產量,節(jié)約氮肥 22%且穩(wěn)產,合

理利用稻田排水對水稻生產及面源污染防控有重

要意義。

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(責任編輯:林海濤)

204

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吉林農業(yè)大學學報 2024,46(2):205-210 http : // xuebao.jlau.edu.cn

Journal of Jilin Agricultural University E?mail : jlndxb @ vip.sina.com

滴灌磷肥分配比例對玉米磷素吸收利用的影響*

戚昕元,曹國軍**,耿玉輝,鄒 欣

吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,長春 130118

摘 要:通過膜下滴灌水肥一體化田間試驗,在灌水定額(150 mm)和施磷量(P2

O5 80 kg/hm2

)一定的條件下,

研究磷肥不同施用時期及分配比例對玉米產量及磷素吸收利用的影響。結果表明:磷肥分次施磷處理(P2,

P3,P4,P5

)產量均高于一次性基肥處理P1,以P4處理(磷肥40%基肥、15%拔節(jié)追肥、35%喇叭口追肥、10%抽雄

追肥)產量最高,為 12 370. 0 kg/hm2

,比 P1處理增產 5. 2%。磷肥分次施用可提高拔節(jié)期之后植株磷素積累量

和積累速率,以 P4處理磷素吸收積累量最高,完熟期達 81. 9 kg/hm2

。拔節(jié)期-喇叭口期、抽雄期-灌漿期可作

為磷素營養(yǎng)的關鍵階段,并以抽雄期-灌漿期為重。磷肥分次施用與 P1處理相比,磷肥利用率提高 28. 1%~

87. 0%,磷肥偏生產力提高2. 0%~5. 2%,磷肥農學效率提高22. 4%~57. 5%。

關鍵詞:磷素;膜下滴灌;分配比例;玉米;產量;磷肥利用率

中圖分類號:S513;S143. 2 文獻標志碼:A 文章編號:1000-5684(2024)02-0205-06

DOI:10.13327/j.jjlau.2020.5684

引用格式:戚昕元,曹國軍,耿玉輝,等 .滴灌磷肥分配比例對玉米磷素吸收利用的影響[J].吉林農業(yè)大學學

報,2024,46(2):205-210.

Effect of Distribution Ratio of Phosphorus Fertilizer in Drip Irriga?

tion on Absorption and Utilization of Phosphorus in Maize *

QI Xinyuan,CAO Guojun**,GENG Yuhui,ZOU Xin

College of Resources and Environment, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China

Abstract:The effects of different application periods and distribution ratios of phosphate fertilizer

on maize yield and phosphorus absorption and utilization were studied under certain conditions of ir?

rigation quota (150 mm) and phosphorus application amount (P2O5 80 kg/hm2

) through integrated

field experiment of drip irrigation under film. The results showed that the yield of P fertilizer applied

in different stages (P2,P3,P4,P5) was higher than that of the total base application of P fertilizer (P1),

among which the yield of P fertilizer applied in P4 treatment (P fertilizer 40% base application, P fer?

tilizer 15% jointed top application, P fertilizer 35% bell mouth top application, P fertilizer 10% tas?

seling top application) was the highest (12 370.0 kg/hm2

), with an increase of 5.2% compared with

P1 treatment. The application of phosphate fertilizer in different stages could improve the accumula?

tion amount and rate of phosphorus in the plants after jointing stage. P4 treatment had the highest

phosphorus absorption and accumulation, reaching 81.9 kg/hm2

in the mature stage. Jointing-bell

mouth stage and tasseling-filling stage could be regarded as two important growth stages of phospho?

rus nutrition regulation, and tasseling-filling stage was the most important stage. Compared with P1

treatment, the utilization rate of phosphate fertilizer increased by 28.1%-87.0%, the partial produc?

tivity of phosphate fertilizer increased by 2.0%-5.2%, and the agricultural efficiency of phosphate

* 基金項目:國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0201505,2018YFD0300203,2017YFD0300604)

作者簡介:戚昕元,女,碩士研究生,研究方向:植物營養(yǎng)學。

收稿日期:2020-03-10

** 通信作者:曹國軍,E-mail:cgj72@126.con

第37頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

fertilizer increased by 22.4%-57.5%.

Key words:phosphorus; underfilm drip irrigation; distribution ratio; maize; yield; phosphorus

utilization rate

吉林省西部地區(qū)屬半干旱區(qū),是重要的旱作

農業(yè)產區(qū)之一[1]

。目前,水資源分布不均勻,農業(yè)

用水占總用水量的 60% 以上,水資源短缺已成為

制約農業(yè)糧食生產的重要因素。玉米是典型的磷

敏感作物,磷素作為三大營養(yǎng)元素之一,對促進玉

米生長發(fā)育和提高產量起到至關重要的作用[2]

我國磷肥生產和消費量均居世界前列,然而我國

磷肥當季利用率<25%,肥料利用率水平遠低于發(fā)

達國家[3]

。水肥一體化能夠顯著提高作物產量和

肥料利用率,實現(xiàn)水分和肥料的綜合調控及一體

化管理,以水促肥、以肥調水,提高磷肥利用率和

玉米對磷素的吸收利用[4]

。磷肥隨水分次滴施,

可以增加磷的移動性和有效性[5]

。耿玉輝等[6]

究認為,在總施磷量固定的條件下,生育后期追施

磷肥能顯著提高玉米對磷素的吸收利用。王聰

宇[7]

通過磷肥施用時期試驗表明,磷肥分次追施

要優(yōu)于一次性基施和一次追施,以磷肥 50% 基

肥,25% 拔節(jié)期追肥,25% 喇叭口追肥效果最好。

張國橋等[8]

研究得出,液體磷肥100%追施可以顯

著提高玉米中后期產量的形成及磷素吸收利用效

率。目前,膜下滴灌水肥一體化大部分磷肥仍以

基肥為主,做追肥比例較少,未能充分發(fā)揮在水肥

一體化技術中磷素資源的高效利用。

本研究利用膜下滴灌水肥一體化技術,在灌

水定額和施磷量一定的條件下,研究了磷肥不同

施用時期及分配比例對吉林省西部半干旱區(qū)玉米

產量和磷素吸收利用的影響,探討了不同生育時

期磷肥的合理分配比例,旨在為吉林省半干旱區(qū)

膜下滴灌水肥一體化條件下磷肥合理施用及高效

利用提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1. 1 試驗區(qū)概況

本試驗于 2018 年在吉林省乾安縣贊字鄉(xiāng)父

字村進行,5月15日播種,該地區(qū)屬半干旱溫帶大

陸性季風氣候,年平均氣溫 4.6 ℃,日照時間

2 866.6 h,全年積溫2 884.5 ℃·d,無霜期平均145 d,

年均降水量 350 mm。土壤類型為黑鈣土,土壤

pH 為 7.8,有機質 18.2 g/kg,全氮 1.32 g/kg,全磷

0.49 g/kg,有效磷13.2 mg/kg,速效鉀103.01 mg/kg。

1. 2 試驗材料與設計

田間試驗采用地膜覆蓋,大壟雙行種植,壟寬

130 cm,施肥罐選用 25 L 壓差式施肥罐。供試玉

米品種為“富民 985”,種植密度 8.0萬株/hm2

。供

試肥料:氮肥為尿素(N 46%),磷肥基肥為磷酸二

銨(N 18%,P2O5 46%),追肥為工業(yè)級磷酸一銨

(N 12%,P2O5 60%),鉀 肥 基 肥 為 硫 酸 鉀(K2O

50%),追肥為工業(yè)級氯化鉀(K2O 60%)。

磷肥施用時期及分配比例試驗共設置 6 個

處理,每個處理 3次重復,共 18個小區(qū),小區(qū)面積

30 m2

,隨機區(qū)組排列。根據(jù)乾安縣多年田間試驗

結果確定本試驗施肥量,各處理均施N 180 kg/hm2

,

施 K2O 80 kg/hm2

,除 P0 處理外各處理均施 P2O5

80 kg/hm2

。由于磷容易被土壤固定、移動性小,

存在后移現(xiàn)象,本試驗根據(jù)磷素吸收規(guī)律,將抽雄

期追肥比例前移至拔節(jié)期及喇叭口期分配,以滿

足玉米前期生長及中后期的磷素吸收。各處理磷

肥施用方法見表 1。各處理氮肥滴施 4 次,磷、鉀

肥滴施3次,氮、鉀滴施時期及分配比例見表2。

表1 磷肥不同施用時期及分配比例

Table 1 Different application methods and distribution ratios of phosphate fertilizer

處理

P0

P1

P2

P3

P4

P5

施P2

O5量(/ kg·hm-2

0

80

80

80

80

80

基肥占比/%

0

100

0

40

40

40

滴施占比/%

拔節(jié)期

0

0

40

35

15

15

喇叭口期

0

0

40

15

35

20

抽雄期

0

0

20

10

10

25

206

第38頁

戚昕元,等:滴灌磷肥分配比例對玉米磷素吸收利用的影響

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

各處理生育期灌水定額均為150 mm,可保證

玉米生育期內降水量與灌水定額之和的下限為

450~500 mm。玉米生育期內滴灌 5 次,每次滴灌

的灌水定額依據(jù)玉米不同生育時期需水量、降雨

情況及土壤墑情確定,各處理灌水定額及分配比

例見表 3。每次滴灌補水量最少應達到土壤相對

含水量的下限(表4)。

1. 3 測定項目與方法

采樣時期及方法:各處理均在玉米拔節(jié)期、喇

叭口期、抽雄期、灌漿期、乳熟期、完熟期進行田間

觀測和樣品采集。每個小區(qū)選取有代表性的植株

3 株,并按葉片、莖稈、子粒各器官進行分類,

105 ℃殺青30 min 后,85 ℃烘干至恒重。

表3 各處理不同生育時期灌水定額及分配比例

Table 3 Irrigation quota and distribution ratio in differ?

ent growth periods

生育時期

苗期

拔節(jié)期

大口期

抽雄期

灌漿期

全生育期

分配比例/%

5

15

30

30

20

100

灌水定額/mm

7.5

22.5

45

45

30

150

表4 各生育時期土壤相對含水量下限

Table 4 Lower limit of soil relative water content in different growth stages

項目

土層深/cm

田間持水量/%

苗期

20

60

拔節(jié)期

40

70

大口期

60

75

抽雄期

60

80

灌漿期

60

80

玉米產量的測定:在玉米成熟期,每個試驗小

區(qū)選取約10 m2

,選擇玉米生長程度均勻的區(qū)域進

行測產,參考重量均值法,采集10穗鮮穗樣本,根

據(jù)每個小區(qū)所采集的10穗子粒的風干重量(含水

量以14%計)計算得出。

植株全磷含量的測定:將植株樣品烘干粉碎

后,經(jīng) H2SO4-H2O2消煮,采用釩鉬黃比色法測定

全磷含量。

植株磷素積累量(kg/hm2

)=植株磷含量(%)×

植株生物量(kg/hm2

);磷素階段積累量(kg/hm2

)=

2 個相鄰生育時期磷素積累量之差;磷素階段吸

收積累速率[kg/(hm2

?d)]=磷素階段積累量/2個

生育時期間隔天數(shù);磷肥利用率=(施磷處理的植

株吸磷量-不施磷處理植株吸磷量)/P2O5施用量×

100%;磷肥偏生產力=施磷區(qū)子粒產量/施磷量;

磷肥農學效率=(施磷處理子粒產量-不施磷處理

子粒產量)/施磷量。

1. 4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用 Microsoft Excel 2016 和 SPSS 統(tǒng)計分析

軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2. 1 磷肥不同施用時期及分配比例對玉米植株

磷素吸收積累的影響

由圖1可見,玉米植株磷素積累量,隨著生育

時期的推進表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,呈“S”型曲線

增長,拔節(jié)期(34 d)開始磷素積累加快,至乳熟期

(99 d)磷素積累增加趨于緩慢,在完熟期達到最

大。由圖 1 可見,施磷處理不同生育時期磷素積

累量均高于不施磷處理P0,完熟期(131 d)各處理

的磷素積累量比 P0處理提高 9.3%~14.7%。在相

同施磷量條件下,從拔節(jié)期開始,磷肥分次施用處

理 P(2 磷肥 40% 拔節(jié)期追肥、40% 喇叭口期追肥、

20%抽雄期追肥)、P(3 磷肥40%基肥、35%拔節(jié)期

追肥、15% 喇叭口期追肥、10% 抽雄期追肥)、P4

(磷肥 40% 基肥、15% 拔節(jié)期追肥、35% 喇叭口期

追肥、10% 抽雄期追肥)、P(5 磷肥 40% 基肥、15%

拔節(jié)期追肥、20% 喇叭口期追肥、25% 抽雄期追

肥)處理磷素積累量均高于P(1 一次性基肥)處理,

其中 P4處理拔節(jié)期后的各生育時期磷素積累量

表2 氮、鉀滴施時期及分配比例

Table 2 N and K dripping period and distribution ratio %

養(yǎng)分

N

K2

O

基肥

30

30

拔節(jié)期

20

40

大口期

25

25

抽雄期

15

5

灌漿期

10

0

207

第39頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

均處于最高水平,至完熟期達 81.9 kg/hm2

,比 P1

高7.3%,其次為P3處理,完熟期達80.6 kg/hm2

,比

P1高 5.6%。在拔節(jié)期之前,由于 P1處理磷肥全部

作基肥施用,其磷素積累量高于其他各處理。完

熟期磷素積累量大小順序依次為 P4>P3>P5>P2>P1

>P0。可見,玉米對磷素吸收積累,隨著玉米生育

時期的推進,呈增加的趨勢,在乳熟期之后隨著生

長發(fā)育的推進,磷素吸收積累量變化不明顯。說

明膜下滴灌水肥一體化條件下,玉米在乳熟期前

對磷素營養(yǎng)的需求始終保持較高的水平。

圖 2為不同生育時期玉米磷素階段積累量,結

合表5可知,各處理在抽雄期-灌漿期磷素階段積累

量和階段積累速率最大,階段積累量占總積累量

32.57%~34.42%,平均階段積累量為27.29 kg/hm2

,

平均階段積累速率為 1.30 kg/(hm2

?d),其中 P4處

理磷素階段積累量和階段積累速率最高,分別為

29.17 kg/hm2

和 1.39 kg/(hm2

?d),比 P1處理分別

提高 9.3% 和 9.3%;其次是拔節(jié)期-喇叭口期階

段,各處理磷素階段積累量占總積累量 19.42%~

22.12%,平均階段積累量為 16.87 kg/hm2

,平均階

段積累速率為 1.12 kg/(hm2

?d),其中 P4 處理磷

素階段積累量和階段積累速率最高,分別為

18.23 kg/hm2

和 1.22 kg/(hm2

?d),比 P1處理分別

提高 18.4% 和 18.4%??梢?,在膜下滴灌水肥一

體化條件下,玉米在拔節(jié)期-喇叭口期、抽雄期灌漿期出現(xiàn) 2 個磷素積累高峰,可作為磷素營養(yǎng)

調控的2個重要生育階段,并以抽雄期-灌漿期為

重,磷肥分次施用可提高這 2 個生育階段的磷素

積累量和積累速率,其中 P4處理效果更為明顯。

灌漿期之后對磷素吸收積累較為緩慢,乳熟期完熟期對磷素吸收積累趨于平緩,各處理磷素階

段積累量占總積累量 3.00%~5.26%,積累速率為

0.08~0.13 kg/(hm2

?d)。

圖1 不同處理玉米植株磷素積累量

Fig. 1 Phosphorus accumulation in maize plants un?

der different treatments

圖2 各處理不同生育時期磷素階段積累量

Fig. 2 Phosphorus accumulation in different growth

stages of each treatment

表5 各處理不同生育時期磷素階段積累速率

Table 5 Accumulation rate of phosphorus in different growth stages of each treatment kg/(hm2

?d)

處理

P0

P1

P2

P3

P4

P5

出苗-拔節(jié)

0.18

0.23

0.19

0.23

0.23

0.23

拔節(jié)-喇叭口

0.99

1.03

1.18

1.20

1.22

1.13

喇叭口-抽雄

0.94

0.98

0.99

1.08

1.15

1.03

抽雄-灌漿

1.11

1.27

1.31

1.37

1.39

1.34

灌漿-乳熟

0.66

0.67

0.67

0.66

0.66

0.68

乳熟-完熟

0.11

0.11

0.12

0.08

0.08

0.13

208

第40頁

戚昕元,等:滴灌磷肥分配比例對玉米磷素吸收利用的影響

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

2. 2 磷肥不同施用時期及分配比例對玉米磷肥

利用效率的影響

由表 6 可知,磷肥分次施用處理(P2,P3,P4,

P5

)的磷肥利用效率與P1處理相比,磷肥利用率提

高 28.1%~87.0%,磷肥偏生產力提高 2.0%~5.2%,

磷肥農學效率提高 22.4%~57.5%。P4處理磷肥利

用率、磷肥偏生產力及磷肥農學效率均高于其他

處理,其中磷肥利用率達34.6%。從整體上看,在

膜下滴灌水肥一體化條件下,磷肥分次施用的利

用效率高于磷肥 100% 作基肥,分次施用磷肥可

促進玉米對磷素的吸收利用,以 P4 處理效果

最佳。

2. 3 磷肥不同施用時期及分配比例對玉米產量

和產量構成的影響

在灌水量為 150 mm,施 P2O5 80 kg/hm2

的條

件下,不同的磷肥施用時期及分配比例對玉米產

量的影響不同。由表 7 可知,磷肥分次追肥處理

(P2,P3,P4,P5

)產量均高于磷肥全部基施(P1

)處

理,其中 P4處理產量最高,達 12 370.0 kg/hm2

,比

P1處理增產 5.2%,兩者產量差異顯著。與 P1處理

相比,P2,P3,P5處理分別增產 2.0%,4.3%,2.9%。

P4 處理比 P0,P1,P2,P3,P5 處理分別增產 15.8%,

5.2%,3.1%,0.9%,2.2%。磷肥不同施用時期及分

配比例對玉米千粒重均有不同程度的影響,各處

理千粒重及穗粒數(shù)均高于不施磷處理,說明施磷

可以提高玉米千粒重和穗粒數(shù)。

3 討 論

已有大量研究表明,施磷可以促進作物生長

發(fā)育及產量形成[9-12]

,適宜的水分和養(yǎng)分合理配

施有利于玉米對養(yǎng)分的吸收[13-14]

。王珍等[15]

究表明,磷肥的土壤吸附特征明顯,磷肥隨水施入

可以有效促進作物生長及產量形成,有效減少土

壤對磷的吸附,從而達到增產目的。本研究結果

表明,在施磷量為 80 kg/hm2

時,磷肥分次追肥處

理的產量均高于磷肥一次性基肥施用(P1

),其中

P(4 磷肥 40% 基肥,15% 拔節(jié)期追肥、35% 喇叭口

期追肥、10% 抽雄期追肥)處理產量最高,達

12 370.0 kg/hm2

,比 P1 處 理 增 產 5.2%。 侯 云 鵬

等[16]

研究表明,磷肥60%追肥可以顯著提高玉米

產量及吐絲后期磷素吸收利用效率,其中以磷肥

40% 基肥,20% 拔節(jié)追肥,20% 大喇叭口追肥,

20%開花追肥施用方式效果最佳。本試驗根據(jù)磷

素吸收規(guī)律,考慮磷存在后移現(xiàn)象,將抽雄期磷肥

分配比例部分前移于拔節(jié)期、喇叭口期施用,結果

表明,磷肥分次施用在拔節(jié)期以后植株磷素積累

量均高于磷肥一次性基肥施用。本試驗結果表

表6 不同施磷處理磷肥利用效率

Table 6 Utilization efficiency of phosphorus fertilizer under different phosphorus application treatments

處理

P1

P2

P3

P4

P5

磷肥利用率%

18.5b

23.7ab

30.9a

34.6a

29.4ab

磷肥偏生產力

147.0b

150.0ab

153.3a

154.6a

151.3ab

磷肥農學效率

13.4b

16.4ab

19.7a

21.1a

17.7ab

注:同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下表同

表7 不同處理玉米產量及其構成因素

Table 7 Maize yield and its components under different treatments

處理

P0

P1

P2

P3

P4

P5

每公頃穗數(shù)

72 511a

73 910a

73 527a

73 754a

72 833a

73 775a

千粒重/g

322d

332c

339b

345a

349a

336bc

穗粒數(shù)

476b

493ab

495a

501a

502a

497a

產量/(kg·hm-2

)

10 684.1e

11 758.8d

11 999.0c

12 261.7ab

12 370.0a

12 100.5bc

209

第41頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

明,玉米拔節(jié)期-喇叭口期、抽雄期-灌漿期出現(xiàn)

2 個磷素積累高峰階段,可作為磷素營養(yǎng)調控的

2 個重要生育階段,并以抽雄期-灌漿期為重,磷

肥分次施用可提高這2個生育階段的磷素積累量

和積累速率,其中 P4處理效果更為明顯,磷肥一

次性基肥施用可以滿足作物前期對磷素吸收利

用,但隨著生育時期遞進,固體磷肥容易被固定,

而磷肥分次隨水施用,可以顯著提高玉米生育中

后期對磷素的吸收利用。

有研究表明,液體磷肥在石灰性土壤中可以

明顯促進作物對磷的吸收[17-18]

,磷肥分次隨水施

用可以改善玉米磷素營養(yǎng),提高植株吸磷量和磷

肥利用率[19-22]

。本研究結果表明,磷肥分次施用

與磷肥一次性基肥施用相比,磷肥利用率提高

28.1%~87.0%,磷肥偏生產力提高 2.0%~5.2%,磷

肥農學效率提高 22.4%~57.5%,明顯提高了玉米

磷素吸收利用效率,這與前人研究結論一致。在

本試驗條件下,P4處理可以獲得最高產量和磷素

吸收利用效率,即施磷量為 80 kg/hm2

時,磷肥

40% 基肥、15% 拔節(jié)期追肥、35% 喇叭口期追肥、

10%抽雄期追肥效果最佳。

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(責任編輯:林海濤)

210

第42頁

吉林農業(yè)大學學報 2024,46(2):211-218 http : // xuebao.jlau.edu.cn

Journal of Jilin Agricultural University E?mail : jlndxb @ vip.sina.com

吉林省水稻惡苗病菌對咯菌腈的敏感性及抗藥

性風險評估*

劉禹含,鄒佳營,何 博,劉麗萍**,高 潔**

吉林農業(yè)大學植物保護學院,長春130118

摘 要:為了解吉林省水稻惡苗病菌(Fusarium fujikuroi)對咯菌腈的敏感性,并評估其抗性風險。采用菌絲生

長速率法,分別測定了2016—2018年,自吉林省16個地區(qū)分離獲得的水稻惡苗病菌F. fujikuroi 508株,從中選

取F. fujikuroi 136株測定其對咯菌腈的敏感性。通過藥劑馴化方法獲得F. fujikuroi抗咯菌腈突變體。結果表

明:F. fujikuroi 對咯菌腈的EC50值分布范圍為2. 810×10-9

~0. 740 9 mg/L,對咯菌腈極其敏感,未發(fā)現(xiàn)抗藥性群

體,所測菌株EC50平均值為(0. 024 9±0. 093 6)mg/L,表明吉林省水稻惡苗病菌對咯菌腈沒有產生抗藥性。藥

劑馴化獲得2株抗藥突變體,抗性倍數(shù)分別為3 596. 48和9 539. 73,表現(xiàn)為高抗。通過生物學測定,抗性突變

體的適合度極高,易在田間成為優(yōu)勢菌。交互抗性試驗結果表明,咯菌腈與福美雙、甲基硫菌靈、精甲霜靈和

噁霉靈存在正交互抗性,與戊唑醇和咪鮮胺無交互抗性。水稻惡苗病菌在藥劑選擇壓力下可形成抗咯菌腈突

變體,存在抗藥性風險。研究結果為吉林省水稻惡苗病的防治及抗藥性治理提供科學依據(jù)。

關鍵詞:水稻惡苗病菌;咯菌腈;敏感性;抗藥突變體;生物學性狀;抗藥性治理;吉林省

中圖分類號:S435. 111. 44   文獻標志碼:A   文章編號:1000-5684(2024)02-0211-08

DOI:10.13327/j.jjlau.2020.5228

引用格式:劉禹含,鄒佳營,何博,等.吉林省水稻惡苗病菌對咯菌腈的敏感性及抗藥性風險評估[J].吉林農業(yè)

大學學報,2024,46(2):211-218.

Sensitiveness and Resistance Risk Assessment of Rice Fusarium fuji?

kuroi to Fludioxonil in Jilin Province *

LIU Yuhan,ZOU Jiaying,HE Bo,LIU Liping**,GAO Jie**

College of Plant Protection, Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China

Abstract:The study aims to understand the sensitiveness of Fusarium fujikuroi to fludioxonil and as?

sess the risk of resistance. From 2016 to 2018, 508 strains of F. fujikuroi were isolated from 16 re?

gions of Jilin province, and sensitiveness of 136 strains of F. fujikuroi to fludioxonil was determined

by mycelial growth rate method. Resistant mutants of rice F. fujikuroi to fludioxonil were obtained by

drug domestication. The results showed that EC50 values of 136 selected strains to fludioxonil ranged

from 2.810 × 10-9

to 0.740 9 mg/L, which were extremely sensitive to fludioxonil. No resistant popu?

lation was found, and the mean EC50 value was(0.024 9±0.093 6)mg/L, indicating that rice F. fujiku?

roi in Jilin province did not develop resistance to fludioxonil. Compared with their parent strains, re?

sistance levels of the two resistant mutants (LH10-2-11 and DH34-5-11) were 3 596.48 and 9 539.73

fold, respectively, showing high resistance. Through biological testing, adaptability of resistant mu?

* 基金項目:國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFD0300200),國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201810193042)

作者簡介:劉禹含,女,碩士研究生,主要從事植物病害的綜合治理研究。

收稿日期:2019-05-15

** 通信作者:劉麗萍,E-mail:zhou_237@163.com;高潔,E-mail:jiegao115@126.com

第43頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

tants was proved to be extremely high, making them easy to become dominant fungi in the field. The

results of cross resistance test showed that there was positive cross resistance between fludioxonil

and thiram, thiophanate-methyl, metalaxyl-M and hymexazd, but no cross resistance with prochloraz

and tebuconazole. The results suggested that the resistant mutants of F. fujikuroi from rice can be de?

veloped under the selection of fludioxonil, which poses a risk of resistance to fludioxonil. The results

lay foundation for the control of rice bakanae caused by F. fujikuroi and management of fungicide re?

sistance of F. fujikuroi to fludioxonil.

Key words:Fusarium fujikuroi; fludioxonil; sensitiveness; resistant mutant; biological character?

istic; resistance management; Jilin province

水稻惡苗病是水稻重要的病害之一,可引起

水稻的徒長,主要由水稻惡苗病菌(Fusarium fuji?

kuroi)引起[1]

。此病是一種從苗期到抽穗期均可

發(fā)生的種傳病害[2]

。該病害常發(fā)生在我國各個水

稻地區(qū),一般會使產量減少 10%~20%,發(fā)病嚴重

時可達到 50% 以上[3]

。近年來,隨著水稻栽培年

限的增加和抗藥性問題的出現(xiàn),該病害的發(fā)生日

趨嚴重,給產量和經(jīng)濟帶來嚴重影響[4]

。在生產

上,前期的種子處理依舊是控制此病害發(fā)生和流

行的重要措施,了解該病菌對常用藥劑的抗性狀

況是科學合理用藥的前提。目前,由于抗藥性的

產生,水稻惡苗病的防治與過去已完全不同。有

機汞的農藥禁用后,由多菌靈到惡苗靈,均是連續(xù)

使用幾年后產生抗藥性,效果降低。目前,生產上

防治該病害的主要藥劑為咪鮮胺,然而,近年來由

于連年頻繁使用該藥劑,F(xiàn). fujikuroi 在田間對咪

鮮胺的抗藥性問題在我國江蘇省、遼寧省以及韓

國等一些國家和地區(qū)已逐漸凸顯[5-8]

。藥劑防治

的效果降低,致使惡苗病發(fā)病率上升,給生產造成

較大損失。

咯菌腈(Fludioxonil)屬于吡咯類殺真菌劑,具

有獨特的殺菌作用機理,通過抑制病原真菌對氨

酸激酶的磷酸化作用,抑制菌絲生長,最終導致病

菌死亡[9]

。從 2009 年開始咯菌腈登記用于防治

水稻惡苗病,到目前為止已有 35 個產品登記(包

括其與精甲霜靈、咪鮮胺、氟唑環(huán)菌胺、苯醚甲環(huán)

唑復配產品),涉及28個廠家,在生產上應用較廣

(http:∥www. chinapesticide. org. cn/hysj/index.

jhtml)。但是,未見關于咯菌腈用于防治該病害

是否產生抗藥性的研究,僅有關于灰霉病菌等病

原菌對咯菌腈的抗藥性報道[10-12]

。因此,開展水

稻惡苗病菌對咯菌腈的抗藥性相關研究,了解

F. fujikuroi 對咯菌腈的敏感程度,并評估水稻惡

苗病菌對咯菌腈的抗藥性風險,研究與其他殺菌劑

之間是否存在交互抗性,對水稻惡苗病的抗藥性監(jiān)

測及合理用藥,延緩抗藥性的產生具有重要意義。

1 材料與方法

1. 1 供試材料

供試菌株:2016—2018 年從吉林省長春市、

通化市、梅河口市、延邊朝鮮族自治州、集安市、松

原市、白城市等不同市(縣)共16個地區(qū)采集標本

539 份,利用組織分離法并經(jīng)單孢分離獲得有致

病性的菌株F. fujikuroi 508株,于4 ℃ PDA斜面試

管中保存待用。選取主要致病菌水稻惡苗病菌

F. fujikuroi 136 株用于敏感性測定。其中,長春

(CC)15 株、雙陽(SY)7 株、梅河口(MHK)14 株、

吉林(JL)3株、松原(SS)14株、白城(DA)11株、通

化(TH)15株、柳河(LH)9株、集安(JA)12株、安圖

(AT)14 株、敦化(DH)4 株、琿春(HC)8 株、汪清

(WQ)10株。

供試藥劑:將表 1 中原藥均配制成 100 mg/L

的母液,于4 ℃冰箱貯存,備用。

表1 供試藥劑

Table 1 Test fungicides

藥劑

咯菌腈

多菌靈

咪鮮胺

福美雙

戊唑醇

克菌丹

甲基硫菌靈

噁霉靈

精甲霜靈

含量/%

96

98

97

95

98.3

97

95

99

90

廠家

浙江禾本科技有限公司

江蘇藍豐生物化工股份有限公司

山東濰坊潤豐化工股份有限公司

江蘇省南通寶葉化工有限公司

深圳諾普信農化股份有限公司

河北冠龍農化有限公司

山東濰坊潤豐化工股份有限公司

延邊綠洲化工有限公司

江蘇寶靈化工股份有限公司

溶劑

乙腈

鹽酸

丙酮

丙酮

丙酮

丙酮

丙酮

丙酮

丙酮

212

第44頁

劉禹含,等:吉林省水稻惡苗病菌對咯菌腈的敏感性及抗藥性風險評估

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

培養(yǎng)基為馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(Potato

dextrose agar,PDA):馬鈴薯 200 g,葡萄糖 20 g,瓊

脂15 g,蒸餾水1 000 mL。

1. 2 方法

1. 2. 1 F. fujikuroi 對咯菌腈的敏感性測定 采

用菌絲生長速率法[13]

,將隨機選取的136 株F. fu?

jikuroi 純化于 PDA 平板培養(yǎng)基上,在 25 ℃恒溫培

養(yǎng)箱中培養(yǎng)。制備含藥培養(yǎng)基:用乙腈溶劑將

95% 咯菌腈原藥溶解,再用無菌的 0.1% Tween80

溶液稀釋成質量濃度為 100 mg/L 的母液 ,將

Tween80 溶液稀釋成系列質量濃度,與冷卻至約

55 ℃的 PDA 培養(yǎng)基,以 1 mL 藥液加入 9 mL 培養(yǎng)

基的比例混合均勻,制成質量濃度為1,10-1

,10-2

10-3

,10-4

,10-5

mg/L 的 6 個質量濃度梯度的 PDA

含藥平板。在培養(yǎng) 5 d 的菌落邊緣處,用直徑

8 mm的打孔器打取菌餅,接種于不同濃度藥劑處

理的培養(yǎng)基平板中間,以不含藥但含等量乙腈溶

劑的PDA培養(yǎng)基平板為對照,每處理重復3次,置

于 25 ℃下培養(yǎng) 7 d,采用十字交叉法量取并記錄

各濃度處理下的菌落直徑,計算平均值。

根據(jù)測定的在不同濃度含藥培養(yǎng)基中水稻惡

苗病菌(F. fujikuroi)菌落直徑(mm)和對照菌落直

徑進行比較,計算藥劑對菌落生長的抑制率。使

用 DPS3.01 軟件和 SPSS20.0 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),計算

藥劑的有效抑制中濃度(EC50)、毒力回歸方程和相

關系數(shù)(r),分析F. fujikuroi對咯菌腈的敏感性,比

較吉林省不同地區(qū)的敏感性差異,并根據(jù)F. fujikuroi

對咯菌腈的敏感性頻率分布,建立敏感基線[14-15]

。

菌絲生長抑制率的計算方法:抑菌率(%)=(對

照菌落直徑-處理菌落直徑)(/ 對照菌落直徑-菌

餅直徑)×100。

1. 2. 2 F. fujikuroi 抗咯菌腈突變體的獲得 通

過藥劑馴化的方法[16]

,隨機選取 8 株不同地區(qū)不

同敏感性的菌株,在 PDA 平板培養(yǎng)基上預培養(yǎng)

3 d后,在無菌操作臺中,于菌落邊緣用直徑5 mm

的打孔器打取菌餅,用無菌接種針挑取菌餅轉接

至質量濃度為0.1 μg/mL的咯菌腈PDA培養(yǎng)基和

空白 PDA 對照平板培養(yǎng)基上,在每皿中心接種

1 塊菌餅,共接種 10 皿,置于 25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中

培養(yǎng),3 d 后觀察菌落的生長情況,挑選菌絲生長

最迅速的菌落,移至下一代含藥培養(yǎng)基上進行培

養(yǎng),并按此方式轉接培養(yǎng)每一代,直至誘導菌株能

在 0.1 μg/mL 的咯菌腈 PDA 培養(yǎng)基上較好地生

長,代表藥劑對菌絲抑制下降,疑似抗性突變體。

通過菌絲生長速率法檢測突變體對咯菌腈的EC50

值,以各親本菌株為對照,分別計算各抗性突變體

的抗性倍數(shù):抗性倍數(shù)=抗性突變體 EC50值/親本

菌株EC50值。

抗性水平分級標準[17]

:抗性倍數(shù)≤5 為敏感;

5<抗性倍數(shù)≤10 為低抗;10<抗性倍數(shù)≤100 為中

抗;抗性倍數(shù)>100為高抗。

1. 2. 3 抗藥性突變體與其親本菌株的主要生物

學性狀比較 (1)菌絲生長速率測定。采用十字

交叉法測量抗性突變體和親本菌株在 PDA 上生

長 1,3,5,7 d 的菌落直徑,每個菌株設 5 次重

復,處理所得數(shù)據(jù),計算 7 d 時菌落的生長速率

(mm/d),對比抗藥突變體和其親本菌株,分析差

異性。生長速率=(菌落平均直徑-菌餅直徑)/培

養(yǎng)天數(shù)。

(2)產孢能力測定。將抗藥突變體和其親本

菌株分別接種在 PDA 平板上,于 25 ℃培養(yǎng) 15 d,

向每個培養(yǎng)皿中加入 20 mL 無菌水,以三角涂布

器刮磨菌落,無菌紗布過濾,將洗下的分生孢子用

無菌水定容至 20 mL,配成孢子懸浮液,之后在顯

微鏡下用血球計數(shù)板統(tǒng)計每毫升分生孢子個數(shù),

每個處理重復3次。

(3)菌絲干質量測定。分別將抗藥突變體及

其親本菌株轉接到 100 mL 的 PD 液體培養(yǎng)基中,

每處理加入 3 個菌餅,以溫度為 25 ℃、150 r/min

的速度振蕩培養(yǎng) 7 d 后,置于布氏漏斗上進行抽

濾,再將抽干的菌絲放置在 80 ℃烘箱中烘干后,

稱量菌絲干質量,各菌株重復3次。

(4)抗藥突變體致病性的測定。利用孢子菌

懸液浸種法進行接種。用濃度為1×105

~1×106

個/mL

的孢子菌懸液浸泡,經(jīng)過消毒和催芽的水稻種子

(“農大888”),于31 ℃下浸泡24 h后,在組培罐中

培養(yǎng),觀察致病性,每個處理重復3次。

1. 2. 4 抗咯菌腈突變體對其他不同殺菌劑的交

互抗性測定 采用菌絲生長速率法,分別測定各

抗性菌株對多菌靈、咪鮮胺、福美雙、戊唑醇、克菌

丹、甲基硫菌靈、噁霉靈和精甲霜靈的敏感性。使

用 SPSS20.0 軟件分析各菌株對咯菌腈的 EC50值

與對其他藥劑 EC50值的關系,確定是否存在交互

抗性。

213

第45頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

2 結果與分析

2. 1 F. fujikuroi對咯菌腈敏感性的測定

經(jīng)對 136 株來自不同地區(qū)的 F. fujikuroi 菌株

對咯菌腈的敏感性測定,結果發(fā)現(xiàn),通化地區(qū)的

菌株平均 EC50值為 0.000 2 mg/L,相對其他地區(qū)

菌株更敏感,梅河口地區(qū)菌株的平均 EC50 值為

0.102 8 mg/L,最不敏感(表 2)。其中最敏感菌株

為采自吉林省延邊州琿春市的 HC03-1 菌株,

EC50值為 2.810×10-9

mg/L,而最不敏感菌株為采

自吉林省延邊州安圖縣的 AT117-4 菌株,EC50

值為 0.740 9 mg/L。吉林省各地區(qū)的 F. fujikuroi

群體對咯菌腈的敏感性無顯著差異(表 2,圖 1),

F. fujikuroi對咯菌腈敏感性集中在0~0.005 0 mg/L

(圖2),表現(xiàn)出較高敏感性。

表2 吉林省不同地區(qū)水稻惡苗病菌菌株對咯菌腈EC50值的比較

Table 2 Sensitiveness(EC50 value)of F. fujikuroi strains from different areas to fludioxonil in Jilin province

采集地點

長春市南關區(qū)

長春市雙陽區(qū)

梅河口市

吉林市經(jīng)開區(qū)

松原市寧江區(qū)

白城市大安縣

通化市輝南縣

通化市柳河縣

集安市

延邊州安圖縣

延邊州敦化市

延邊州琿春市

延邊州汪清縣

菌株數(shù)

15

7

14

3

14

11

15

9

12

14

4

8

10

EC50值范圍/(mg·L-1

)

0.000 031~0.003 252

0.004 284~0.285 000

0.001 600~0.600 300

0.000 124~0.001 372

0.000 010~0.001 824

0.000 002~0.307 500

0.000 000~0.001 973

0.000 654~0.008 053

0.002 845~0.027 780

0.000 055~0.740 900

0.000 016~0.017 000

0.000 000~0.008 401

0.000 031~0.002 916

EC50/(mg·L-1

)

0.000 741 ± 0.000 926

0.063 312 ± 0.099 873

0.102 814 ± 0.221 004

0.000 655 ± 0.000 644

0.000 486 ± 0.000 597

0.064 234 ± 0.099 940

0.000 220 ± 0.000 531

0.002 695 ± 0.002 203

0.011 851 ± 0.007 627

0.091 851 ± 0.204 881

0.005 016 ± 0.008 098

0.001 166 ± 0.002 928

0.001 283 ± 0.001 227

圖1 136株水稻惡苗病菌對咯菌腈的敏感性分布

Fig. 1 Sensitiveness distribution of 136 rice F. fujiku?

roi strains to fludioxonil

圖2 EC50值在0~0.005 0 mg/L菌株的敏感性分布

Fig. 2 Sensitiveness distribution of F. fujikuroi strains

with EC50 values in 0-0.005 0 mg/L to fludioxo?

nil

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第46頁

劉禹含,等:吉林省水稻惡苗病菌對咯菌腈的敏感性及抗藥性風險評估

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

2. 2 F. fujikuroi對咯菌腈敏感基線的建立

測得的 136 株水稻惡苗病菌(F. fujikuroi)對

咯菌腈的敏感性測定結果,經(jīng) SPSS 處理分析

(圖3)顯示:所測的136株F. fujikuroi對咯菌腈的敏

感性頻率不是典型正態(tài)分布,是連續(xù)的單峰曲線,各

菌株 EC50 值的范圍為 2.810×10-9

~0.740 9 mg/L,

EC50的平均值為(0.024 9±0.093 6) mg/L,從圖中

可以看出,各菌株之間對該殺菌劑的敏感性差異

較小,EC50值分布主要集中在 0~0.005 0 mg/L,未

出現(xiàn)敏感性明顯下降的群體,表明該殺菌劑對

F. fujikuroi 的菌落生長有顯著的抑制活性。暫時

不能將這 136 株菌株對咯菌腈的 EC50 平均值

(0.024 9±0.093 6) mg/L作為 F. fujikuroi對咯菌腈

的敏感基線。

2. 3 F. fujikuroi 抗咯菌腈突變體的獲得及抗性

倍數(shù)

對隨機選取的8株敏感性不同的水稻惡苗病

菌菌株通過繼代室內藥劑馴化,獲得 2 株抗藥突

變體。在誘導到第 11 代時,由親本菌株 LH10-2

和 DH34-5,分別誘導出與親本菌株菌落生長速

率相似的近似突變體,各取得 1 株抗性突變菌株

為代表,命名為LH10-2-11和DH34-5-11。

采用菌絲生長速率法測定水稻惡苗病菌抗

藥性突變體對咯菌腈的敏感性,試驗結果表

明,抗藥突變體對咯菌腈的敏感性下降,抗藥

突變體 LH10-2-11 抗性倍數(shù)為 3 596.48,抗性突

變體 DH34-5-11 抗性倍數(shù)為 9 539.73,均為高

抗(表3)。

圖3 136株水稻惡苗病菌對咯菌腈敏感性頻率分布

Fig. 3 Sensitiveness frequency distribution of 136

rice F. fujikuroi strains to fludioxonil

2. 4 水稻惡苗病菌抗咯菌腈突變體的主要生物

學性狀

2. 4. 1 菌絲生長速率 通過測量抗性突變體與

其親本菌株培養(yǎng) 1,3,5,7 d 在 PDA 上的菌落直

徑(圖 4),親本菌株 LH10-2 的菌絲生長速率為

7.90 mm/d,其突變菌株 LH10-2-11 的菌絲生長

速率為8.50 mm/d;親本菌株DH34-5的菌絲生長

速率為 7.82 mm/d,其突變菌株 DH34-5-11 的菌

絲生長速率為 8.13 mm/d,對比分析可以發(fā)現(xiàn),突

變菌株的菌絲生長速率均快于其親本菌株。

表3 水稻惡苗病菌抗性突變菌株對咯菌腈的抗性倍數(shù)

Table 3 Resistance level of resistant mutants of rice F. fujikuroi to fludioxonil

菌株編號

LH10-2

LH10-2-11

DH34-5

DH34-5-11

獨立回歸方程

y=6.956 2+0.100 2x

y=6.408 7+0.124 3x

y=7.733 9+0.110 1x

y=6.388 3+0.088 5x

相關系數(shù)

0.931 5

0.899 1

0.986 8

0.874 6

EC50值

0.003 338

12.005 1

0.00 001 627

0.155 2

抗性倍數(shù)

3 596.48

9 539.73

圖4 水稻惡苗病菌對咯菌腈的抗性突變體與其親本菌

株的菌絲生長速率

Fig. 4 Growth rate of mycelia of resistance mutants

and their parental strains of rice F. fujikuroi to

fludioxonil

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吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

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2. 4. 2 產孢能力和菌絲干質量 在25 ℃下黑暗

培養(yǎng) 15 d后,用血球計數(shù)板對各菌株的產孢量進

行統(tǒng)計,結果顯示(表 4),各突變菌株產孢量均

明顯低于其親本菌株,存在顯著性差異。抗性

突變體 LH10-2-11 和 DH34-5-11 的產孢量分別

為 3.74×107

/mL 和 1.31×107

/mL,分別為其親本菌

株的 64.49% 和 85.06%,表明抗藥突變體的繁殖

能力明顯降低。

表4 水稻惡苗病菌抗咯菌腈突變體的生長情況

Table 4 Growth of resistant mutants of F. fujikuroi

against fludioxonil

菌株編號

LH10-2

LH10-2-11

DH34-5

DH34-5-11

產孢量/mL

5.83×107

3.76×107

1.54×107

1.31×107

每毫升菌絲干質量/

mg

4.96

5.67

2.42

2.38

抗性突變體 LH10-2-11 每毫升菌絲干質量

為5.67 mg,高于其親本菌株LH10-2。DH34-5-11

每毫升菌絲干質量為 2.38 mg,近似其親本菌株

DH34-5。表明抗性突變體的菌絲生長能力較強,

適合度相似或高于其親本菌株。

2. 4. 3 致病力測定 致病力測定試驗結果表

明,突變菌株對植株具有致病力,可引起水稻

徒長。

2. 5 抗咯菌腈突變體對其他殺菌劑的交互抗性

從突變體對各藥劑的敏感性(表 5)可以看

出,戊唑醇和咪鮮胺對咯菌腈產生抗藥性的菌株

抑制效果顯著;多菌靈和克菌丹抑制效果較好,對

福美雙和噁霉靈不敏感,甲基硫菌靈和精甲霜靈

對其幾乎無抑制效果。

通過 SPSS 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行突變菌株對咯

菌腈的 EC50與其他殺菌劑的 EC50的相關性分析

(圖 5),均在 P=0.01 上顯著相關,咯菌腈與福美

雙、甲基硫菌靈、精甲霜靈和噁霉靈存在正交互抗

性,與戊唑醇和咪鮮胺無交互抗性??┚婵梢?/p>

與戊唑醇和咪鮮胺交互使用,對水稻惡苗病會有

良好的防治效果,延緩抗藥性的產生。

表5 水稻惡苗病菌抗咯菌腈突變菌株對不同殺菌劑的敏感性

Table 5 Sensitiveness of resistance mutant strains of rice F. fujikuroi to different fungicides

菌株編號

LH10-2-11

DH34-5-11

藥劑

多菌靈

福美雙

戊唑醇

克菌丹

甲基硫菌靈

噁霉靈

精甲霜靈

咪鮮胺

多菌靈

福美雙

戊唑醇

克菌丹

甲基硫菌靈

噁霉靈

精甲霜靈

咪鮮胺

毒力回歸方程

y=12.204 7+0.472 5x

y=9.108 9+0.347 3x

y=10.439 1+0.283 3x

y=7.466 4+0.187 1x

y=5.882 3+0.138 8x

y=7.599 0+0.241 3x

y-5.186 5+0.086 9x

y=8.040 3+0.188 1x

y=7.153 5+0.157 2x

y=7.152 8+0.183 8x

y=10.040 1+0.284 1x

y=6.725 0+0.112 3x

y=5.144 9+0.112 5x

y=9.391 8+0.440 5x

y=5.567 6+0.130 3x

y=10.335 3+0.290 5x

相關系數(shù)

0.938 8

0.975 5

0.897 7

0.986 8

0.895 8

0.835 9

0.811 1

0.978 8

0.939 9

0.963 8

0.929 8

0.992 3

0.948 0

0.968 3

0.952 7

0.981 1

EC50值

0.238 9

7.274 8

0.004 6

1.885 8

1 732.379 0

20.992 8

116 888.834 9

0.095 77

1.125 8

8.204 9

0.019 8

0.213 1

275 738.24

46.816 1

12 837.998 8

0.010 57

216

第48頁

劉禹含,等:吉林省水稻惡苗病菌對咯菌腈的敏感性及抗藥性風險評估

吉林農業(yè)大學學報 Journal of Jilin Agricultural University

3 討 論

咯菌腈作為新型登記應用藥劑,作用廣譜,該

藥近年來在我國已大面積推廣和使用`,并有研究

表明,咯菌腈對水稻惡苗病在田間有較好的防

效[18-20]

。目前,尚未見關于水稻惡苗病菌對咯菌

腈抗藥性的研究報道,僅有關于番茄灰霉病菌對

咯菌腈產生抗藥性的報道,說明若在生產上單一、

圖5 咯菌腈與不同作用機制殺菌劑的交互抗性

Fig. 5 Cross resistance of fludioxonil and fungicides with different mechanisms of action

217

第49頁

吉林農業(yè)大學學報 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

不合理持續(xù)用藥,此類殺菌劑可能具有抗藥性風

險。在藥劑防治病害大量推廣施用前,了解其敏

感性并對其進行抗性風險評估,對監(jiān)測病原菌的

敏感性變化和抗藥性發(fā)生具有重要意義。

本研究是從 2016—2018 年自吉林省 16 個地

區(qū)采集到的水稻惡苗病標本中分離得到主要病原

菌水稻惡苗病菌(F. fujikuroi),從中選取了 136株

該病菌,通過菌絲生長速率法測定了其對咯菌腈

的敏感性。結果表明,雖然吉林省同一地區(qū)水稻

惡苗病菌不同菌株對咯菌腈的敏感性存在一定差

異,但對咯菌腈的敏感性較高,敏感性集中在 0~

0.005 0 mg/L,尚未產生抗藥性群體。其EC50平均值

(0.024 9 ± 0.093 6) mg/L,水稻惡苗病菌F. fujikuroi

對咯菌腈較敏感。

本研究通過藥劑馴化的方法在誘導到第 11

代時獲得 2 株水稻惡苗病菌抗咯菌腈突變體

LH10-2-11 和 DH34-5-11,敏感性與其親本對比

后抗性倍數(shù)高達3 596.48和9 539.73,均表現(xiàn)為高

抗。對突變菌株的生物學研究中發(fā)現(xiàn),抗性突變

體的適合度極高,易在田間成為優(yōu)勢菌,推測咯菌

腈的持續(xù)使用可造成抗藥性風險。此外,該 2 株

突變體對不同殺菌劑的敏感性不同,為進一步分

析 F. fujikuroi對咯菌腈的抗藥性突變位點研究提

供材料。

在一種新型農藥產生抗藥性前,明確其與其

他藥劑是否存在交互抗性,有助于田間科學用藥。

試驗通過菌絲生長速率法檢測不同機制殺菌劑對

水稻惡苗病菌抗咯菌腈突變體的敏感性,分析發(fā)

現(xiàn)福美雙、甲基硫菌靈、精甲霜靈和噁霉靈與咯菌

腈存在正交互抗性,戊唑醇和咪鮮胺與咯菌腈無

交互抗性,抗性突變菌株對戊唑醇和咪鮮胺仍極

其敏感,因此在田間的防治中,應對田間咯菌腈的

施用進行合理的指導推廣,加強田間抗藥性監(jiān)測,

可將咯菌腈與戊唑醇和咪鮮胺輪換使用,避免抗

藥性風險的產生。

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(責任編輯:王希)

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吉林農業(yè)大學學報 2024,46(2):219-227 http : // xuebao.jlau.edu.cn

Journal of Jilin Agricultural University E?mail : jlndxb @ vip.sina.com

2個抗感煙草品種響應馬鈴薯 Y病毒早期脅迫

的轉錄組分析*

王 平1,3

,任雅萍1

,任昭輝2

,蘇 亮2

,吳委林1

,楊超群1

,董環(huán)宇1

,樸世領1**

1. 延邊大學農學院,延吉 133002;2. 吉林煙草工業(yè)有限責任公司,長春 130031;3. 呼倫貝爾

市農牧科學研究所,呼倫貝爾 021000

摘 要:為探明煙草不同抗性品種NC95和SY04-3對馬鈴薯Y病毒(PVY)脅迫的響應差異,對煙草幼苗接種

PVY,在 12 h 采集幼苗樣本,進行轉錄組測序和生物信息學分析。結果表明:NC95 上調差異表達基因有

206個,下調111個;SY04-3上調差異表達基因有1 001個,下調423個。這些差異表達基因的功能歸類于生物

過程、細胞組分及分子功能3大類54個GO條目,NC95和SY04-3上調差異表達基因顯著富集在7條 KEGG 代

謝通路中,而 NC95和 SY04-3下調差異表達基因分別顯著富集在 10條、14條 KEGG 代謝通路中;轉錄因子預

測 NC95有 13個家族的 20個轉錄因子發(fā)生顯著變化,SY04-3有 20個家族的 38個轉錄因子發(fā)生了顯著變化。

關鍵詞:煙草;馬鈴薯Y病毒;轉錄組;差異表達基因

中圖分類號:S572 文獻標志碼:A 文章編號:1000-5684(2024)02-0219-09

DOI:10.13327/j.jjlau.2021.1560

引用格式:王平,任雅萍,任昭輝,等.2個抗感煙草品種響應馬鈴薯Y病毒早期脅迫的轉錄組分析[J].吉林農

業(yè)大學學報,2024,46(2):219-227.

Transcriptome Analysis of Two Resistant and Susceptible Tobacco

Varieties in Response to Early Potato Y Virus Stress *

WANG Ping1,3

,REN Yaping1

,REN Zhaohui2

,SU Liang2

,WU Weilin1

,YANG Chaoqun1

,

DONG Huanyu1

,PIAO Shiling1**

1. College of Agonomy, Yanbian University, Yanji 133002, China;2. Jilin Tobacco Industrial Co. ,

Ltd. , Changchun 130031, China;3. Hulunbuir Institute of Agriculture and Animal Husbandry,

Hulunbuir 021000, China

Abstract:In order to explore the response differences of different tobacco resistant varieties NC95

and SY04-3 to potato virus Y stress, tobacco seedlings were inoculated with PVY, and seedling

samples were collected at 12 h. Transcriptome sequencing and bioinformatics analysis were per?

formed. The analysis results of PVY inoculation and control showed that NC95 up-regulated 206 dif?

ferentially expressed genes and down-regulated 111 genes. SY04-3 up-regulated 1 001 differentially

expressed genes, down-regulated 423. The functions of these differentially expressed genes are classi?

fied into 54 GO entries in three categories: biological processes, cell components and molecular func?

tions. NC95 and SY04-3 up-regulated differentially expressed genes were significantly enriched in 7

KEGG metabolic pathways, while NC95 and SY04-3 down-regulated differentially expressed genes

* 基金項目:國家自然科學基金項目(31760418)

作者簡介:王平,女,在讀碩士,研究方向:煙草抗逆遺傳育種。

收稿日期:2021-12-23

** 通信作者:樸世領,E-mail:pslpjj@ybu.edu.cn

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