周廣生 王 晶 蒯 婕 汪 波

專輯導讀: 加強大田經(jīng)濟作物栽培措施與環(huán)境/資源配置的互作研究、推動產(chǎn)業(yè)高效優(yōu)質(zhì)發(fā)展

周廣生 王 晶 蒯 婕 汪 波

華中農(nóng)業(yè)大學植物科學技術(shù)學院/ 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室, 湖北武漢 430070

油菜、大豆、花生、棉花是食用油、飼料蛋白和紡織原料的重要來源, 是我國主要的大田經(jīng)濟作物。但目前, 我國食用植物油、大豆及棉花的自給率均處于較低水平, 產(chǎn)需矛盾尤為突出[1-3]; 且其關(guān)鍵品質(zhì)也低于其他主產(chǎn)國, 市場競爭力不強。此外, 這些經(jīng)濟作物在各主產(chǎn)區(qū)還常常遭遇干旱、洪澇、高溫、低溫、鹽堿等不良環(huán)境, 嚴重影響了作物的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)。“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“大田經(jīng)濟作物優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的生理基礎(chǔ)與調(diào)控”針對各主產(chǎn)區(qū)的生態(tài)特點和生產(chǎn)中的主要問題, 圍繞油菜、大豆、花生、棉花的光溫水肥高效利用; 栽培措施與資源配置的互作及調(diào)控、抗逆穩(wěn)產(chǎn)及反饋機制等科學問題展開研究, 旨在創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、提質(zhì)增效的理論和方法, 提升我國主要經(jīng)濟作物科技創(chuàng)新能力和國際競爭力, 保持可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)民增收?！蹲魑飳W報》以專輯形式集中刊發(fā)該項目支持的17篇論文, 方便相關(guān)研究工作者了解最新研究動態(tài)。

適宜的品種、合理的栽培措施不僅是作物高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)的重要保證, 還可以提高肥料利用率, 減少化肥用量, 平衡高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)與環(huán)境友好間的關(guān)系[4-10]。作物產(chǎn)量既取決于光合源同化物的生產(chǎn)能力, 又取決于庫的大小和庫容能力, 協(xié)調(diào)的源庫關(guān)系, 擴源增庫才能保證作物的高產(chǎn)[11-13]?！氨狈街髟曰ㄉ贩N的源庫特征及其分類”一文[13]以中國北方主栽的13個花生品種為材料, 對單株葉面積等18個源庫性狀進行分析, 對比不同品種的源庫性狀差異和產(chǎn)量差異。研究指出在花生品種培育和高產(chǎn)栽培上, 應該控制葉源大小, 防止源冗余現(xiàn)象限制產(chǎn)量; 通過提高有效果比例和莢果飽滿度, 增加莢果產(chǎn)量, 獲得高產(chǎn)。不同栽培措施間常通過互作方式影響作物的生長發(fā)育[14-15]?！胺N植密度對油菜正反交組合產(chǎn)量與倒伏相關(guān)性狀的影響”一文[16]研究種植密度對親本及正、反交組合產(chǎn)量與倒伏相關(guān)性狀的影響。研究指出在當前油菜高密度直播生產(chǎn)模式下, 雜交油菜親本選配推薦方案以高產(chǎn)品種為父本, 抗倒性強的品種為母本進行組配, 可以獲得高產(chǎn)、抗倒性強且更適宜密植的雜交油菜品種。當前我國主推花生品種多為直立緊湊型, 適宜密植栽培, 但因其主莖較高, 易倒伏, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需噴施外源生長調(diào)節(jié)劑調(diào)控株高[17]?！袄肳GCNA鑒定花生主莖生長基因共表達模塊”一文[18]以不同主莖高花生品種為材料, 利用轉(zhuǎn)錄組測序揭示出細胞壁及次生細胞壁纖維素和木質(zhì)素生物合成基因的表達差異, 并鑒定到關(guān)聯(lián)模塊內(nèi)核心調(diào)控因子, 對花生品種選育以及栽培調(diào)控具有重要參考意義?！靶芯?、氮肥和甲哌鎓化控對黃河流域棉區(qū)棉花冠層結(jié)構(gòu)及微環(huán)境的影響”一文[19]采用黃河流域棉區(qū)機采棉的適宜種植密度, 在等密度下鑒別行距間的差異及行距與氮肥和甲哌鎓化控的互作, 從而為黃河流域棉區(qū)機采棉配套栽培措施的制定提供依據(jù)。研究指出, 黃河流域棉區(qū)機采棉采用92 cm等行距種植, 施氮量可在105～210 kg hm-2之間進一步優(yōu)化, 而DPC劑量以140～280 g hm-2為宜。飼料玉米與大豆間作模式下, 耐蔭大豆品種的選用尤為重要?！帮曈么蠖蛊贩N耐蔭性鑒定指標篩選及綜合評價”一文[20]獨辟蹊徑, 采用結(jié)莢期遮光處理來模擬間作模式下的遮陰效果, 結(jié)果表明該技術(shù)完全可以用于玉米間作大豆模式下耐蔭材料的快速評價與篩選。鈣肥和氮肥的施用是影響花生生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要栽培措施[21-24]?！扳}與氮肥互作對花生干物質(zhì)和氮素積累分配及產(chǎn)量的影響”一文[25]采用單粒播種方式, 在不同試驗樣地設(shè)置不同的施鈣量和施氮量, 分析鈣肥和氮肥及其互作對花生干物質(zhì)和氮素積累分配及莢果產(chǎn)量的影響。研究指出鈣肥增施是提高氮肥利用效率, 增加花生結(jié)果數(shù)和百果重、促進穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要途徑。該結(jié)果為花生減氮協(xié)同增效栽培提供了重要理論依據(jù)。磷是作物必需的營養(yǎng)元素之一, 但土壤中能被作物吸收利用的有效磷僅占土壤全磷的1%; 且有研究表明, 磷鐵2個營養(yǎng)元素間存在著拮抗效應, 土壤中磷含量與植物鐵吸收密切相關(guān)[26]。探索植物體內(nèi)磷鐵平衡規(guī)律, 將會為磷鐵肥的合理施用提供理論證據(jù)?！安煌仔蚀蠖罐r(nóng)藝性狀與磷/鐵利用率對磷素的響應”一文[27]以磷高效和磷低效大豆品種為試驗材料, 采用沙培方式和裂區(qū)設(shè)計研究不同P︰Fe比對大豆生物學性狀的影響及基因型差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鐵供應充足情況下, 無論是磷高效還是磷低效基因型施P︰Fe比達到1︰1時整體表現(xiàn)最好。與傳統(tǒng)的栽培領(lǐng)域研究相比, 上述研究在試驗思路上具有一定的新意, 研究結(jié)果為實現(xiàn)大田經(jīng)濟作物優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)、資源高效利用提供了品種選用依據(jù)及便于操作的栽培新技術(shù)。

作物的生長發(fā)育要求一定的溫度范圍。在適宜的溫度下, 作物不僅生命活動旺盛, 而且生長發(fā)育迅速。溫度過高或過低都會影響作物的正常生長[28-32]。低溫脅迫是影響我國花生發(fā)芽出苗的重要因素, 不論是北方地區(qū)的“倒春寒”, 還是華南地區(qū)的“秋季冷害”等常引起花生低溫爛種, 導致嚴重減產(chǎn)[33]。“花生耐冷綜合評價體系構(gòu)建及耐冷種質(zhì)篩選”一文[34]對68個東北地區(qū)主栽的花生品種進行了耐冷性評價, 鑒定出適合東北地區(qū)種植的在萌發(fā)期和幼苗期均耐冷的農(nóng)花5號及冷敏感型品種阜花18號, 為高寒地區(qū)的花生栽培及耐冷機制研究提供了寶貴資源。高油酸花生由于種子亞油酸含量顯著降低, 具有更好的加工與儲藏品質(zhì), 已逐漸成為我國當前的主推品種。通常認為高油酸花生對低溫敏感, 耐冷性差, 因此不適宜在高緯度與高海拔等寒冷地區(qū)種植[33]?；ㄉ哂退嵝誀钣?對Δ12脂肪酸脫氫酶(fatty acid desaturase 2, FAD2)基因(和)發(fā)生隱性突變導致[35]?！盎ㄉ騿幼蛹?￠-UTR內(nèi)含子功能驗證及其低溫脅迫應答”一文[36]發(fā)現(xiàn), 在低溫脅迫條件下,基因調(diào)控區(qū)啟動活性明顯受到抑制, 導致下游基因表達受限, 這可能是花生對冷脅迫敏感的一個因素。但是, “低溫脅迫對普通和高油酸花生種子萌發(fā)的影響研究”一文[37]則發(fā)現(xiàn), 種子高油酸并非決定其萌發(fā)期耐寒性的關(guān)鍵因素, 而遺傳背景對花生耐寒性的影響更大, 可能與Δ12脂肪酸脫氫酶基因的其他拷貝在低溫誘導下上調(diào)表達有關(guān)。上述研究結(jié)果為培育耐寒能力強的高油酸花生品種提供了理論依據(jù)?！斑^氧化氫浸種對花生種子發(fā)芽及生理代謝的影響”一文[38]則發(fā)現(xiàn)利用過氧化氫(H2O2)浸種可以顯著提高低溫下花生的發(fā)芽能力, 這可能與其介導的抗氧化酶、ABA和GA以及貯藏物質(zhì)的分解來促進種子萌發(fā)有關(guān)。不同于花生, 棉花生產(chǎn)中常常受到高溫的脅迫。高溫脅迫導致的源能力不足被認為是高溫條件下棉花減產(chǎn)降質(zhì)的重要原因之一[39-41]?！懊藁ㄈ~片響應高溫的差異與夜間淀粉降解密切相關(guān)”一文[42]利用13C標記技術(shù), 從光合產(chǎn)物暫時儲存和轉(zhuǎn)運能力入手, 系統(tǒng)研究脅迫下和脅迫解除后不同熱敏感性棉花葉片源能力響應花鈴期短期高溫脅迫的差異。結(jié)果表明, 耐熱型棉花品種的葉片在高溫脅迫發(fā)生時及脅迫恢復后表現(xiàn)出更強的抵御高溫逆境能力及更好的恢復能力, 且與其夜間淀粉降解能力即葉片最小(夜間)淀粉含量增加幅度較小密切相關(guān)。這些結(jié)果初步揭示了花生耐低溫和棉花耐高溫的生理機制, 為選育和篩選適宜品種、提出合理的栽培調(diào)控技術(shù)提出了新的參考依據(jù)。

受全球氣候變暖的影響, 各主產(chǎn)區(qū)極端天氣發(fā)生頻率增多, 降水年際間和季節(jié)間分布不均勻, 干旱已成為嚴重影響大田經(jīng)濟作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的主要非生物逆境脅迫[43-46]。褪黑素(melatonin, MT)是內(nèi)源性的自由基清除劑和抗氧化劑, 能夠有效清除過量的活性氧物質(zhì), 有效緩解作物逆境脅迫損傷[47]?！巴庠赐屎谒貙Ω珊得{迫下春大豆品種綏農(nóng)26形態(tài)、光合生理及產(chǎn)量的影響”[48]與“外源褪黑素對干旱脅迫下綏農(nóng)26大豆鼓粒期葉片碳氮代謝調(diào)控的途徑分析”[49]2篇文章分別聚焦外施褪黑素對干旱條件下苗期與鼓粒期大豆生長的影響。研究指出, 施用褪黑素可以顯著提高干旱脅迫下大豆氣體交換參數(shù)、苗期各器官干物質(zhì)積累量、葉片中抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量, 從而緩解大豆苗期的干旱脅迫; 而對于鼓粒期大豆來說, 外源褪黑素可以促進干旱脅迫下β-葡萄糖苷酶基因表達, 提高了L-天冬酰胺和6-磷酸葡萄糖代謝物的含量, 最終也提高了大豆的抗旱性。植物與其生長環(huán)境中的微生物關(guān)系密切, 兩者形成了植物—微生物共生體系統(tǒng)。植物影響著其周圍及體內(nèi)微生物的群落結(jié)構(gòu), 這些微生物又通過其生命活動影響植物的生長發(fā)育, 對植物的生長和適逆性至關(guān)重要[50]。“干旱條件下棉花根際真菌多樣性分析”[51]與“澇害對不同大豆品種根際微生物群落結(jié)構(gòu)特征的影響”[52]分別對干旱條件下棉花根際真菌群落及淹水條件下2個大豆品種根際細菌群落進行了多樣性、群落組成和網(wǎng)絡(luò)特征行分析。結(jié)果表明, 干旱的發(fā)生對土壤中真菌的豐度、多樣性和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響, 棉花根際表現(xiàn)出豐富的真菌群落; 而在淹水條件下, 耐澇基因型與敏感型大豆根際微生物豐度及富集種類存在顯著差異。這些結(jié)果為利用微生物提高棉花水分利用率與耐旱性、大豆耐澇栽培及育種提供了新的思路。

隨著生活水平的逐步提高, 人們的飲食結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大變化, 對肉、蛋、奶的需求增加; 消費者對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全, 食品多樣化和高品質(zhì), 食物營養(yǎng)與健康也提出了更高要求。而隨著畜牧業(yè)的大力發(fā)展, 蛋白飼料的緊缺越發(fā)突出。中國工程院院士華中農(nóng)業(yè)大學傅廷棟教授創(chuàng)新性提出, 利用麥(及其他早熟作物)收獲后的空閑耕地, 復種飼料油菜, 不僅可解決牲畜青飼料缺乏的問題[53-54], 而且可提高油菜生產(chǎn)效益?！盁o人機多角度成像方式的飼料油菜生物量估算研究”一文[55]探索并評估一種通過無人機平臺搭載可見光相機提取飼料油菜生物量的新方法, 為大田作物地上生物量信息的無損高效監(jiān)測提供了易于實施的解決方案和技術(shù)參考。

優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn), 不僅需要高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種, 更缺乏配套的栽培調(diào)控理論和技術(shù)。希望這些論文的發(fā)表, 能為我國不同區(qū)域主要大田經(jīng)濟作物的豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)與提質(zhì)、增效研究提供借鑒, 為提出各作物優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)生理基礎(chǔ)及栽培調(diào)控技術(shù), 創(chuàng)新栽培理論與關(guān)鍵技術(shù), 突破制約各作物產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的技術(shù)瓶頸, 解決產(chǎn)量、品質(zhì)協(xié)同提升的矛盾, 提高種植效益提供新的思路和技術(shù), 為落實黨的十九大提出的鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供有力支撐。

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Editorial: strengthening the research on the interaction between cultivated measures and environment/resource allocation of field economic crops to promote the development of industry with high efficiency and high quality

ZHOU Guang-Sheng, WANG Jing, KUAI Jie, and WANG Bo

College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System for the Middle Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430070, Hubei, China

10.3724/SP.J.1006.2021.04633

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目“大田經(jīng)濟作物優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的生理基礎(chǔ)與調(diào)控”(2018YFD1000900)資助。

This study was supported bythe National Key Research and Development Program of China “Physiological Basis and Agronomic Management for High-quality and High-yield of Field Cash Crops” (2018YFD1000900).

周廣生, E-mail: zhougs@mail.hzau.edu.cn