JIA-2018-09期 发布
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Review
Agricultural remote sensing big data: Management and applications
农业遥感大数据: 管理的应用
Yanbo Huang, CHEN Zhong-xin, YU Tao, HUANG Xiang-zhi, GU Xing-fa
以巨大数量高度复杂性为特征的大数据愈来愈受到各专业和行业的关注,研发和使用。遥感做为大数据的一个重要来源每天从卫星, 有人和无人驾驶飞机以及地面系统产生着对地观测数据和分析结果。农业遥感是精准农业的骨干技术之一。精准农业采用以农田地块内变异为依据的点位特异管理, 而不像传统农业的统一管理。农业遥感的核心作用是和全球定位数据地理信息一起产生空间变异数据为其后的精准农业操作提供依据。和一般遥感数据一样农业遥感数据具有大数据的一切特征。农业遥感大数据的获取, 处理, 存储, 分析, 以及可视化对精准农业的成功至关重要。本文全面介绍遥感数据资源, 遥感大数据管理的最新技术发展, 以及为精准农业服务的遥感数据处理和管理的情况和方法。通过研究五层十五级卫星遥感数据管理结构生成一个新的四层十二级遥感数据管理结构用来管理和应用精准农业中的遥感大数据, 而这些数据大都从高分辩率卫星, 有人和无人驾驶飞机以及地面系统获取。四层十二级遥感数据管理结构是为精准农业和当地农场研究用的遥感大数据管理和应用的技术框架, 为遥感大数据在区域尺度和农场范围上管理和应用的协同提供支持。
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Yanbo Huang, CHEN Zhong-xin, YU Tao, HUANG Xiang-zhi, GU Xing-fa. 2018. Agricultural remote sensing big data: Management and applications. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 1915-1931.
Crop Science
A mitochondrial phosphate transporter, McPht gene, confers an acclimation regulation of the transgenic rice to phosphorus deficiency
线粒体磷转运子McPht基因增强了转基因水稻对磷缺乏的适应性改良调节
HAN Jiao, YU Guo-hong, WANG Li, LI Wei, HE Rui, WANG Bing, HUANG Sheng-cai, CHENG Xian-guo
磷转运蛋白基因在促进植物磷的吸收和转运方面发挥重要的调节作用。本研究中，我们从冰叶日中花（Mesembryanthemum crystallinum）中分离出一个线粒体磷转运蛋白McPht 基因，并构建到35S::GFP组成型表达载体转入Kitaake水稻粳稻品种（Oryza sativa japonica），旨在探讨缺磷条件下McPht基因在转基因水稻中的调节作用。McPht 基因编码357个氨基酸，拥有六个跨膜结构域，McPht蛋白定位于线粒体。磷缺乏时，McPht基因的mRNA 转录主要在冰叶日中花地上部累积。然而，缺磷胁迫条件下，更多的McPht基因mRNA积累在转基因水稻的根系中。测试表明，磷素缺乏时，转基因水稻根系发育、根系活力以及磷吸收明显增加。转录组测序分析表明，磷素缺乏时，转基因水稻拥有198个差异表达基因，其中154个表现为上调表达模式，44个表现为下调表达模式。荧光定量PCR表明，磷素缺乏时，6个差异表达显著上调基因在转基因水稻叶片中的表达明显增加，而水稻中McPht基因的同源体基因在转基因水稻与受体中的表达并无明显差异。功能富集分析表明多数上调基因参与细胞质膜囊生物过程，而多数下调基因同时参与了细胞质膜囊与线粒体生物过程，差异表达基因主要在植物次生代谢与植物病原互作中进行富集。本结果表明磷素缺乏条件下，McPht基因的过表达可能通过差异表达基因的上调或下调参与了转基因水稻的生理适应性改良调节。
Cite this article:
HAN Jiao, YU Guo-hong, WANG Li, LI Wei, HE Rui, WANG Bing, HUANG Sheng-cai, CHENG Xian-guo. 2018. A mitochondrial phosphate transporter, McPht gene, confers an acclimation regulation of the transgenic rice to phosphorus deficiency. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 1932-1945.
Transcriptomic responses to aluminum (Al) stress in maize
XU Li-ming, LIU Chan, CUI Bao-ming, WANG Ning, ZHAO Zhuo, ZHOU Li-na, HUANG Kai-feng, DING Jian-zhou, DU Han-mei, JIANG Wei, ZHANG Su-zhi
在酸性土壤中，铝毒害是影响农作物产量和植物生长的主要因素。现今仍未阐明植物铝毒性机制和铝毒耐受性机制的复杂遗传特性。为更好了解玉米应答铝毒胁迫的基因调控网络，使用能检测34,715个基因的Agilent基因芯片进行根部详细的基因表达时序分析。在用60 μmol/L铝毒处理玉米6 h 、1 h和0 h后，使用基因表达变化值大于2(>2.0-foldchange)和P检验值小于0.01(p value < 0.01)作为筛选标准，分别鉴定689个上调表达基因和143个下调表达基因的832个差异应答基因，与59个上调表达基因和1个下调表达基因的60个差异应答基因。1 h和6 h铝毒胁迫应答的重复转录组分析揭示了大约61%的差异应答基因能够基于植物基因组库被功能注释。用荧光定量PCR技术检测一些候选基因的表达，证实了此基因芯片能被用于鉴定铝毒处理与对照的差异表达基因。铝毒胁迫6 h主要诱导一些细胞壁结构和代谢、氧化胁迫应答、跨膜转运、有机酸代谢、信号、激素和转录因子相关基因转录水平上的变化。铝毒胁迫1h诱导一些跨膜转运、激酶和转录因子相关基因在转录丰富度上发生变化。在本研究中，一些玉米差异表达基因潜在功能的多样性表明，短期的铝毒胁迫诱导了一个复杂的转录组水平基因表达变化。这些结果有助于我们进一步了解玉米铝毒耐受性早期转录水平上的调控机制。
Cite this article:
XU Li-ming, LIU Chan, CUI Bao-ming, WANG Ning, ZHAO Zhuo, ZHOU Li-na, HUANG Kai-feng, DING Jian-zhou, DU Han-mei, JIANG Wei, ZHANG Su-zhi. 2018. Transcriptomic responses to aluminum (Al) stress in maize. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 1946-1958.
Overexpression of GmBIN2, a soybean glycogen synthase kinase 3 gene, enhances tolerance to salt and drought in transgenic Arabidopsis and soybean hairy roots
过表达大豆GmBIN2提高转基因拟南芥和大豆根毛对盐和干旱的耐受力
WANG Ling-shuang, CHEN Qing-shan, XIN Da-wei, QI Zhao-ming, ZHANG Chao, LI Si-nan, JIN Yang-mei, LI Mo, MEI Hong-yao, SU An-yu, WU Xiao-xia
糖原合成激酶3（GSK3）是一种在真核生物中广泛存在的丝氨酸/苏氨酸激酶。许多植物GSK3基因在调控胁迫应答反应中起着重要的作用。本文研究了大豆GSK3蛋白激酶家族成员BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 2 (GmBIN2)基因，它是拟南芥BIN2/AtSK21的同源基因。GmBIN2基因的表达受到盐和干旱胁迫的强烈诱导，但对ABA诱导表达不显著。我们通过构建转基因拟南芥和转基因大豆毛状根进行GmBIN2基因的功能分析，结果表明在盐和甘露醇处理下，在拟南芥中过表达GmBIN2基因能够明显提高拟南芥的发芽率及根长。过量表达的GmBIN2基因通过在细胞中积累Ca2+，减少Na+含量来增强转基因拟南芥的抗盐性。在大豆根毛体系中，过量表达GmBIN2基因在盐和甘露醇处理下能够明显提高根的相对生长率。一些生理指标的测定，包括脯氨酸含量、SOD活性和相对电导率，进一步支持上述结论。此外，我们还发现，在转基因拟南芥和根毛体系中，GmBIN2基因能够上调一些逆境相关基因的表达。总的来说，这些结果表明，GmBIN2基因能够提高转基因拟南芥和大豆根毛对盐和干旱的耐受力。
Cite this article:
WANG Ling-shuang, CHEN Qing-shan, XIN Da-wei, QI Zhao-ming, ZHANG Chao, LI Si-nan, JIN Yang-mei, LI Mo, MEI Hong-yao, SU An-yu, WU Xiao-xia. 2018. Overexpression of GmBIN2, a soybean glycogen synthase kinase 3 gene, enhances tolerance to salt and drought in transgenic Arabidopsis and soybean hairy roots. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 1959-1971.
A simple way to visualize detailed phylogenetic tree of huge genomewide SNP data constructed by SNPhylo
YANG Hai-long, DONG Le, WANG Hui, LIU Chang-lin, LIU Fang, XIE Chuan-xiao
Phylogenetic trees based on genome-wide single nucleotide polymorphisms (SNPs) among diverse inbreds could provide valuable and intuitive information for breeding and germplasm management in crops. As a result of sequencing technology developments, a huge amount of whole genome SNP data have become available and affordable for breeders. However, it is a challenge to perform quick and reliable plotting based on the huge amount of SNP data. To meet this goal, a visualization pipeline was developed and demonstrated based on publicly available SNP data from the current important maize inbred lines, including temperate, tropical, sweetcorn, and popcorn. The detailed phylogenetic tree plotted by our pipeline revealed the authentic genetic diversity of these inbreds, which was consistent with several previous reports and indicated that this straightforward pipeline is reliable and could potentially speed up advances in crop breeding.
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YANG Hai-long, DONG Le, WANG Hui, LIU Chang-lin, LIU Fang, XIE Chuan-xiao. 2018. A simple way to visualize detailed phylogenetic tree of huge genomewide SNP data constructed by SNPhylo. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 1972-1978.
Effects of zinc fertilizer and short-term high temperature stress on wheat grain production and wheat flour proteins
锌肥和短期高温胁迫对小麦籽粒产量及面粉蛋白的影响
TAO Zhi-qiang, WANG De-mei, CHANG Xu-hong, WANG Yan-jie, YANG Yu-shuang, ZHAO Guang-cai
小麦面粉蛋白质含量影响小麦粉品质。小麦锌营养可以改变面粉的蛋白质含量。小麦灌浆期受高温胁迫影响籽粒品质的不一致性和不稳定性是优质小麦生产中的主要问题。目前关于锌肥和高温胁迫对小麦面粉蛋白质及其组分含量影响的研究不足。本研究的处理设置为，2个不同筋型的小麦品种，4个锌肥水平和开花后20天短期高温胁迫。于2015-2017年在中国农业科学院作物科学研究所以1个强筋小麦品种藁优2018（GY2018）和1个中筋小麦品种中麦8（ZM8）为材料开展盆栽试验。测定了籽粒产量、粒重，以及开花后10天和20天旗叶中2种酶（硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶）的活性，还有总蛋白含量、蛋白质产量、面粉蛋白质组分（清蛋白、醇溶蛋白、麦谷蛋白和球蛋白）含量。高温胁迫显著提高了小麦籽粒总蛋白、清蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋白含量，降低了籽粒产量、粒重、蛋白质产量、球蛋白含量和旗叶硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）的活性。结果表明，高温胁迫和锌肥对强筋小麦品种的影响大于中筋小麦品种。高温胁迫条件下，GY2018和ZM8的籽粒产量分别降低了13%和8%；蛋白质产量分别降低了7%和8%。锌肥增加了籽粒产量、粒重、总蛋白、清蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋白含量、蛋白质产量、NR和GS活性。但是，锌肥降低球蛋白含量。处理15 mg Zn kg-1土与其他3个锌肥处理（0、30、45 mg Zn kg-1土）相比，对籽粒产量和品质的影响最大。锌肥还降低了高温胁迫对蛋白质产量、含量和组分含量的负面影响。因此，在土壤中填加锌有利于提高小麦面粉的品质。
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TAO Zhi-qiang, WANG De-mei, CHANG Xu-hong, WANG Yan-jie, YANG Yu-shuang, ZHAO Guang-cai. 2018. Effects of zinc fertilizer and short-term high temperature stress on wheat grain production and wheat flour proteins. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 1979-1990.
Dynamics of Bt cotton Cry1Ac protein content under an alternating high temperature regime and effects on nitrogen metabolism
昼夜变温下高温对Bt棉杀虫蛋白表达及氮代谢生理的影响
ZHANG Xiang, RUI Qiu-zhi, LIANG Pan-pan, WEI Chen-hua, DENG Guo-qiang, CHEN Yuan, CHEN Yuan, DONG Zhao-di, CHEN De-hua
【目的】研究昼夜变温条件下高温逆境对棉铃中杀虫蛋白表达影响及生理机制，为Bt棉抗虫性安全表达提供理论参考。【方法】以大面积推广应用且具有相同遗传背景的Bt棉常规品种泗抗1号和杂交种泗抗3号为材料，2011-2012年设计不同高温（32、34、36、38、40°C）持续胁迫24h；2012-2013年进一步设计38°C/27°C的昼夜变温（DH/NN）胁迫0、4、7和10d，检测供试品种棉铃中Cry1Ac杀虫蛋白含量及氮代谢相关物质和酶活性。【结果】结果表明：38°C持续胁迫24h后，供试品种铃壳中Cry1Ac杀虫蛋白已开始显著下降。但DH/NN持续胁迫4d时供试品种铃壳中Cry1Ac杀虫蛋白却无显著变化，当胁迫7d以上时，才开始显著下降，泗抗1号和泗抗3号分别比未胁迫处理下降19.1%和15.3%（2012年）、17.5%和13.7%（2013年）。进一步研究DH/NN不同持续期下氮代谢相关物质含量和酶活性表明，持续胁迫4d时，可溶性蛋白含量和谷丙转氨酶活性、游离氨基酸含量和蛋白酶活性均无显著变化；但胁迫7d时，可溶性蛋白含量和谷丙转氨酶活性显著下降，而游离氨基酸含量和蛋白酶活性显著升高。供试品种间相比，泗抗1号下降幅度高于泗抗3号。【结论】与38°C高温持续胁迫24h相比，38°C/27°C昼夜变温下高温需要7d才会导致Bt棉杀虫蛋白表达量显著下降。而蛋白质合成功能下降，分解能力增强是导致其杀虫蛋白含量下降的重要原因。
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ZHANG Xiang, RUI Qiu-zhi, LIANG Pan-pan, WEI Chen-hua, DENG Guo-qiang, CHEN Yuan, CHEN Yuan, DONG Zhao-di, CHEN De-hua. 2018. Dynamics of Bt cotton Cry1Ac protein content under an alternating high temperature regime and effects on nitrogen metabolism. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 1991-1998.
Horticulture
Selection for high quality pepper seeds by machine vision and classifiers
基于机器视觉技术和模型分类器的高质量辣椒种子精选
TU Ke-ling, LI Lin-juan, YANG Li-ming, WANG Jian-hua, SUN Qun
本研究旨在优化辣椒种子的精选，快速有效地从种子批中挑选出优质种子。前人的研究已经表明种子活力与种子颜色和大小显著相关，因此，这些物理特征可用于鉴定高活力的种子。本文以101号辣椒种子为材料，采用种子形态自动化识别软件提取400粒种子的相关物理指标。进行单粒发芽试验，通过单粒发芽试验获得对应的幼苗鲜质量作为种子的活力指标。之后，应用二元Logistic回归和神经网络建立判别模型，对种子是否能够萌发进行预测并确定最佳预测模型。相关分析结果表明，幼苗鲜重与8个物理特征呈显著正相关：三个颜色特征（R、a*、Brightness）、宽度、长度、投影面积、密度和单粒重。鲜重与与H值呈极显著负相关。在单指标精选中，按a≥3对辣椒种子进行精选，辣椒种子的发芽率由59.3%提高到71.8%，获选率为57.8%；按单粒重≥0.0064g精选，发芽率由59.3%提高到79.4%，获选率为76.8%。在基于模型的精选中，最有效的模型是以15个物理特征作为输入变量的多层感知器（MLP）神经网络，其模型稳定性为99.4%。经过精选，种子的发芽率为79.1%，获选率为90%。结果表明，该基于物理特征的模型能较好地预测种子萌发能力，在种子精选中可为质量控制提供指导。基于机器视觉和模型分类器的自动化精选系统也将有助于降低辣椒种子精选所需的成本和劳动力。
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TU Ke-ling, LI Lin-juan, YANG Li-ming, WANG Jian-hua, SUN Qun. 2018. Selection for high quality pepper seeds by machine vision and classifiers. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 1999-2006.
Isolation and characterization of the secondary wall-related SND1 gene in hawthorn
山楂中次生细胞壁相关基因SND1的分离与功能验证
CHEN Ke-qin, GUO Yun-na, SONG Meng-ru, DAI Hong-yan, ZHANG Zhi-hong
次级壁相关的NAC结构域蛋白1（SND1）是调控次生细胞壁合成的关键转录因子，可以直接调节MYB46和MYB83表达水平，尤其是在植物的纤维细胞中。在本研究中，我们从山楂中分离到一个SND1基因，因为它具有与AtSND1保守的N末端DNA结合结构域所以命名为CpSND1。过表达CpSND1基因的拟南芥植株表现出与过表达AtSND1的植物相似的表型，例如生长收到抑制、叶片向上卷曲、萼片发育不良和不育等。此外，在拟南芥中过量表达CpSND1基因，会诱导木质素、纤维素和木聚糖生物合成基因的表达以及下游基因MYB的表达。我们的研究结果为山楂基因工程的研究提供了功能信息基础。
Cite this article:
CHEN Ke-qin, GUO Yun-na, SONG Meng-ru, DAI Hong-yan, ZHANG Zhi-hong. 2018. Isolation and characterization of the secondary wall-related SND1 gene in hawthorn. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2007-2014.
Effect of pre-culture on virus elimination from in vitro apple by thermotherapy coupled with shoot tip culture
预培养对热处理结合茎尖培养脱除苹果病毒的影响研究
HU Guo-jun, DONG Ya-feng, ZHANG Zun-ping, FAN Xu-dong, REN Fang, LI Zheng-nan
本研究采用 “粉红女士”和“华富”两个苹果品种作为试验材料，研究预培养对苹果试管苗热处理成活率的影响，这两个品种在中国广泛种植且经检测携带苹果退绿叶斑病毒和苹果茎沟病毒。实验结果表明，在设置的5个预处理时间段中，苹果试管苗的生长和体内病毒的含量没有明显的变化趋势，但是预处理可提高植株在热处理过程中的成活率。预培养13d的“粉红女士”和“华富”植株在热处理时的成活率分别比预处理1d的提高14%和15%，同时，预培养在一定程度上可促进 “华富”的增殖。预培养1d和4d的苹果试管苗，其热处理后再生植株的成活率较预培养7d、10d和13d的成活率低20%。利用反转录-聚合酶链式反应（RT-PCR）技术进行脱毒效率的测定，每种病毒选用两对检测引物，检测结果表明，预培养对苹果病毒的热处理脱除效果没有影响。尽管在热处理5d的时候已经几乎检测不到两种病毒，但是在热处理30d后的再生植株中仍然没有获得无毒苹果苗。
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HU Guo-jun, DONG Ya-feng, ZHANG Zun-ping, FAN Xu-dong, REN Fang, LI Zheng-nan. 2018. Effect of pre-culture on virus elimination from in vitro apple by thermotherapy coupled with shoot tip culture. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2015-2023.
Plant Protection
Germination and appressorium formation of Pyricularia oryzae Cavara can be inhibited by reduced concentration of Blasin®Flowable with carbon dioxide microbubbles
Tamaki Masahiko, Kobayashi Fumiyuki, Suehiro Keisuke, Ohsato Shuichi, Sato Michio
We investigated the possibility to reduce the usage of Blasin®Flowable (BF), a disinfectant inhibiting the germination and appressorium formation of Pyricularia oryzae Cavara conidia, by using carbon dioxide microbubbles (CO2MB). Germination was significantly inhibited by 10 000-fold diluted BF solution containing CO2MB generated by the decompression-type generator compared to CO2 millibubbles (CO2MMB) and CO2MB generated by the gas-water circulating-type generator. Appressorium formation in the 10 000-fold diluted BF solution containing both CO2MBs was less than that in CO2MMB. Scanning electron microscopy showed wrinkles and dents on the surface of conidia treated with 5 000-fold diluted BF solution containing both CO2MBs. Via transmission electron microscopy, we observed the expansion of the vacuole and the intracellular space and bloated or absent lipid granules in the conidia treated with BF solution containing both CO2MBs. Our results show that inhibition of the conidium germination and appressorium formation of P. oryzae Cavara by 10 000-fold diluted BF solution could be achieved by using the decompression-type CO2MB.
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Tamaki Masahiko, Kobayashi Fumiyuki, Suehiro Keisuke, Ohsato Shuichi, Sato Michio. 2018. Germination and appressorium formation of Pyricularia oryzae Cavara can be inhibited by reduced concentration of Blasin®Flowable with carbon dioxide microbubbles. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2024-2030.
Strawberry vein banding virus P6 protein intracellular transport and an important domain identification
PAN Yuan, ZHOU Xiu-hong, LI Shuai, FENG Ming-feng, SHI Man-ling, ZUO Deng-pan, JIANG Xi-zi, CHEN Jing, HU Ya-hui, ZHANG Xiang-xiang, JIANG Tong
草莓镶脉病毒（SVBV）侵染的草莓细胞含有大量的细胞质包涵体。为了鉴定包涵体的组分，将绿色荧光蛋白（GFP）分别与SVBV各开放阅读框（ORF）的C端融合，分别转入农杆菌并浸润本氏烟叶片。结果显示SVBV P6 蛋白聚集为明显且不规则的包涵体。为了探究P6的亚细胞定位，在本氏烟中异源表达P6-GFP后进行DAPI染色。我们发现P6蛋白在核中聚集，也能在细胞质中形成不同大小的包涵体。为了进一步确定P6包涵体在细胞质中的定位，同时研究P6包涵体的移动是否需要细胞骨架和内质网，将微丝标记蛋白（GFP-ABD2-GFP）、微管标记蛋白（mCherry-MAP65-1）和内质网标记蛋白（mCherry-HDEL）分别与P6-GFP共浸润本氏烟叶片，结果显示P6包涵体的定位与细胞骨架和内质网重合。同时，P1和P6的共浸润表明二者能共定位于细胞边界。P6蛋白含有一个位于C端的核定位信号（NLS）区域，NLS缺失的P6蛋白不能定位于细胞核，无法形成包涵体，且不能促进外源绿色荧光蛋白的表达。这些结果显示缺失的NLS区域是与P6蛋白生物学功能相关的一个很重要的结构域。综上所述，移动的P6包涵体与内质网、微丝和微管相关，并且沿着微丝移动至定位于胞间连丝的P1蛋白所在的位置。
Cite this article:
PAN Yuan, ZHOU Xiu-hong, LI Shuai, FENG Ming-feng, SHI Man-ling, ZUO Deng-pan, JIANG Xi-zi, CHEN Jing, HU Ya-hui, ZHANG Xiang-xiang, JIANG Tong. 2018. Strawberry vein banding virus P6 protein intracellular transport and an important domain identification. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2031-2041.
Conidia of one Fusarium solani isolate from a soybean-production field enable to be virulent to soybean and make soybean seedlings wilted
一种从大豆生产地分离的腐皮镰刀菌的分生孢子能对大豆致病，使大豆幼苗萎蔫
ZHENG Na, ZHANG Liu-ping, GE Feng-yong, HUANG Wen-kun, KONG Ling-an, PENG De-liang, LIU Shi-ming
镰刀菌引起大豆根腐病，每年都造成巨大的大豆产量损失。镰刀菌侵染大豆，并使大豆发生根腐病通常是由于它的分泌物包括镰刀菌毒素和细胞壁裂解酶的作用，但到目前为止并没有镰刀菌分生孢子本身表现任何毒性的报道。本文报道了一种分离的腐皮镰刀菌的分生孢子对大豆有毒性，并能单独起作用造成大豆幼苗萎蔫。我们从大豆生产地的萎蔫植株中分离并分子鉴定了17种镰刀菌分离物。在这些镰刀菌分离物中，只有一种分离物对不同大豆品种表现不同的毒性（对一种大豆无毒性，而对另一种大豆有毒性），其余的分离物对两个试验的大豆品种均表现毒性：分生孢子发酵液和分泌物在处理5天后均能使大豆幼苗萎蔫，并且它们对大豆的毒性有浓度效应，只有在分生孢子发酵液中分生孢子浓度达到5x106个.ml-1才能对大豆表现毒性作用。然而，4号腐皮镰刀菌分离物的分生孢子能单独对大豆表现毒性并致幼苗萎蔫。最后，我们开发了特异性的CAPS标记可以很容易地鉴别镰刀菌分离物。本研究中4号腐皮镰刀菌分离物可用于镰刀菌引起大豆致病的新机制研究。
Cite this article:
ZHENG Na, ZHANG Liu-ping, GE Feng-yong, HUANG Wen-kun, KONG Ling-an, PENG De-liang, LIU Shi-ming. 2018. Conidia of one Fusarium solani isolate from a soybean-production field enable to be virulent to soybean and make soybean seedlings wilted. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2042-2053.
Selection and evaluation of potential reference genes for gene expression analysis in greenbug (Schizaphis graminum Rondani)
麦二叉蚜候选内参基因筛选和评估
ZHANG Bai-zhong, LIU Jun-jie, YUAN Guo-hui, CHEN Xi-ling, GAO Xi-wu
为了准确分析基因表达水平，荧光定量PCR数据分析必须选择稳定的内参基因。麦二叉蚜作为严重危害小麦的害虫，其靶基因转录水平分析需要选择适合内参基因。本文用实时荧光定量PCR技术测定了麦二叉蚜Elongation fator1 beta (Ef1β), TATA box binding protein (TBP), alpha-tubulin (α-TUB), 18s ribosomal (18S), 28s ribosomal (28S), glyceraldehyde-3-phosphate (GAPDH), actin (ACT), 以及ribosomal protein L18 (RPL18) 8个候选内参基因在不同生长发育阶段，不同组织以及不同处理条件下的mRNA表达水平的稳定性; 为了进一步确定这些基因是否适合做为稳定的内参，应用geNorm，Bestkeeper，Normfinder和RefFinder 软件分别对8个内参基因进行分析和排序。由geNorm软件分析出最佳内参基因数并通过3个靶基因，热激蛋白 (HSP70), 细胞色素P450 (SgraCYP18A1), 和谷胱甘肽S转移酶 (GST)评估特定内参基因的适合性。我们发现不同发育阶段中α-TUB 和 28S 最适合作为内参基因，不同组织中18S 和 ACT最为合适，不同处理中28S 和α-TUB最为理想。此外，所有处理中28S 和α-TUB 最为合适。本结果为进一步开展麦二叉蚜不同靶基因的表达分析提供了参照。
Cite this article:
ZHANG Bai-zhong, LIU Jun-jie, YUAN Guo-hui, CHEN Xi-ling, GAO Xi-wu. 2018. Selection and evaluation of potential reference genes for gene expression analysis in greenbug (Schizaphis graminum Rondani). Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2054-2065.
The biotypes and host shifts of cotton-melon aphids Aphis gossypii in northern China
华北地区棉蚜生物型及寄主转移规律
ZHANG Shuai, LUO Jun-yu, WANG Li, WANG Chun-yi, LÜ Li-min, ZHANG Li-juan, ZHU Xiang-zhen, CUI Jin-jie
棉蚜是一种世界分布性害虫，具有高度变异的生活史。在华北地区，棉蚜寄主广泛，遗传分化多样，目前为止，不同生物型棉蚜的生活史尚不明确。本研究中，对采自于5种主要夏寄主和4种冬寄主棉蚜的Cytb-16S 基因序列进行分析。在1046个棉蚜个体种鉴定出57类单倍型，这些单倍型包含44个变异位点，其中有27个简约信息位点和17个单突变位点。存在较多的3类单倍型包含896棉蚜个体，占总数的85.7%；有36个单倍型只包含1个棉蚜个体。选取21个包含2个以上棉蚜个体的单倍型序列，使用neighbor-joining方法构建进化树，结合进化树和寄主信息，鉴定出5种棉蚜生物型。Type 1对应黄瓜型棉蚜，其他4种生物型对应棉花型棉蚜，其中Type 3是华北棉田棉蚜主要的生物型。
Cite this article:
ZHANG Shuai, LUO Jun-yu, WANG Li, WANG Chun-yi, LÜ Li-min, ZHANG Li-juan, ZHU Xiang-zhen, CUI Jin-jie. 2018. The biotypes and host shifts of cotton-melon aphids Aphis gossypii in northern China. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2066-2073.
Animal Science • Veterinary Medicine
Synonymous codon usage pattern in model legume Medicago truncatula
豆科模式植物蒺藜苜蓿同义密码子使用模式
SONG Hui, LIU Jing, CHEN Tao, NAN Zhi-biao
在自然界中，除了3种终止密码子，共有61种密码子编码20种氨基酸。该现象必然造成多种密码子对应同一种氨基酸。编码同一种氨基酸的不同密码子称为同义密码子。基因在表达过程中会偏好使用某一种同义密码子，该结果是密码子长期进化的结果。在该过程中，自然选择和突变压力启到重要的作用。虽然先前大量关于密码子使用偏好性的研究工作主要集中在不同原核生物和真核生物的模式生物中，但是关于豆科模式植物蒺藜苜蓿密码子使用偏好性还不完全清楚。在本研究中，我们使用生物信息学方法对39,531条具有完整编码框的蒺藜苜蓿编码序列的密码子使用模式进行了研究。GC12和GC3相关性分析和有效密码子数分析结果显示，蒺藜苜蓿密码子使用的偏好性主要受到自然选择作用。通过高表达基因和低表达基因RSCU差值筛选最优密码子的结果显示，在蒺藜苜蓿编码序列中共发现了30个最优密码子，编码18个氨基酸。进一步分析发现，最优密码子偏好使用A或者T碱基作为结尾。但是，最优密码子使用偏好性与编码序列的GC含量成正相关。分析蒺藜苜蓿基因表达水平和密码子的关系发现，蒺藜苜蓿基因表达量水平与编码序列的氨基酸长度和GC含量无相关性。总之，在本研究中，我们阐述了蒺藜苜蓿同义密码子的使用模式。该结果为今后使用基因工程技术改良豆科植物的性状具有指导作用。
Cite this article:
SONG Hui, LIU Jing, CHEN Tao, NAN Zhi-biao. 2018. Synonymous codon usage pattern in model legume Medicago truncatula. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2074-2081.
Comparison of forage yield, silage fermentative quality, anthocyanin stability, antioxidant activity, and in vitro rumen fermentation of anthocyanin-rich purple corn (Zea mays L.) stover and sticky corn
stover
TIAN Xing-zhou, Pramote Paengkoum, Siwaporn Paengkoum, Sorasak Thongpea, BAN Chao
The objective of this study was to observe the forage yield, silage fermentative quality, anthocyanin stability, and antioxidant activity during the storage period and in vitro rumen fermentation of anthocyanin-rich purple corn (Zea mays L.) stover (PS) and sticky corn stover (SS). Forage yield of corn stover was weighed and ensiled with two treatments: (1) hybrid sticky waxy corn stover (control), and (2) hybrid purple waxy corn stover (treatment). Samples were stored in mini-silos for periods of 0, 7, 14, 21, 42, 63, 84, and 105 d. The results showed that PS had significantly higher (P<0.05) yields of dry matter (DM), organic matter (OM), gross energy (GE), crude protein (CP), neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF), and total anthocyanins than that of the SS. Anthocyanin-rich purple corn stover silage (PSS) showed higher (P<0.05) levels of DM and CP relative to the sticky corn stover silage (SSS). Although anthocyanin-rich PSS displayed a lower (P<0.05) level of pelargonidin-3-glucoside (P3G), it had higher (P<0.05) levels of peonidin (Peo) and pelargonidin (Pel) compared to the control. Delphinidin (Del) and malvidin (Mal) were not detected in SSS during the ensilage period; in PSS, Del was no longer detected after 7 d of ensilage. Specifically, total anthocyanins in anthocyanin-rich PSS decreased rapidly (P<0.05) prior to 7 d of ensilage, and then remained at relatively stable (P>0.05) constants. Compared to the anthocyanin-rich PSS, SSS displayed significantly higher P<0.05) pH value and ammonia nitrogen (NH3-N) content. Propionic acid (PA) at 0 d and butyric acid (BA) during the entire study period were not detected, whereas anthocyanin-rich PSS showed a higher (P<0.05) level of lactic acid (LA) than that of the SSS. Compared with the SSS extract, anthocyanin-rich PSS extract showed a higher (P<0.05) level of 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) scavenging activity and displayed a lower (P<0.05) half maximal inhibitory concentration (IC50) value. Moreover, anthocyanin-rich PSS reduced (P<0.05) gas production (GP), and displayed lower levels of immediately soluble fraction and ratio of acetic acid (AA) to PA at 12 h, but the other parameters were unaffected (P>0.05) relative to the control. Taken together, the results indicated that: (1) anthocyanins could be stable in silage; (2) anthocyanin-rich PSS showed better silage fermentative quality and stronger antioxidant activity; and (3) anthocyanin-rich PSS had no negative effect on rumen fermentation parameters.
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TIAN Xing-zhou, Pramote Paengkoum, Siwaporn Paengkoum, Sorasak Thongpea, BAN Chao. 2018. Comparison of forage yield, silage fermentative quality, anthocyanin stability, antioxidant activity, and in vitro rumen fermentation of anthocyanin-rich purple corn (Zea mays L.) stover and sticky corn stover. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2082-2095.
Agro-Ecosystem & Environment
Design of a spatial sampling scheme considering the spatial autocorrelation of crop acreage included in the sampling units
考虑抽样单元内农作物面积空间自相关性的空间抽样方案设计
WANG Di, ZHOU Qing-bo, YANG Peng, CHEN Zhong-xin
农作物面积信息是国家制定粮食政策和经济计划的重要依据。联合遥感、地理信息系统和传统抽样方法构建的空间抽样技术为区域尺度的农作物面积估计提供了有效途径。然而，传统抽样方法要求抽样单元间应满足相互独立原则，但受自然条件、社会经济等因素影响，抽样单元内的农作物面积常存在空间自相关性。本文选取吉林省德惠市为研究区，利用农作物专题图（提取自SPOT-5卫星遥感影像。获取日期：2009年8月1日；空间分辨率：10 m）、耕地图斑和数字高程模型数据研究了不同尺度抽样单元内玉米和水稻面积的空间自相关特征，分析了各种分层标志（作物种植强度、耕地破碎度、地表坡度）对抽样单元内两种农作物空间自相关程度的影响，采用全局空间自相关指数（Moran's I）定量评价了抽样单元内玉米和水稻种植面积的空间自相关性。研究结果表明，尽管抽样单元内玉米和水稻面积空间自相关程度随单元尺度的增大而减小，但在包含两种农作物的抽样单元内仍存在显著的空间自相关性（Moran's I 变化范围从0.49到 0.89），无论抽样单元尺度大小与否。当抽样单元尺寸小于3000 m时，采用农作物种植强度作为分层标志、分层层数为5且单层层限为20%的分层设计能够将抽样单元内玉米和水稻面积空间自相关强度降至零值，从而，可以使用传统抽样方法对两种农作物的面积进行抽样外推估计。相比于农作物种植强度，采用耕地破碎度或地表坡度作为分层标志时，抽样单元内的玉米和水稻面积仍存在较强的空间自相关性。就分层标志和抽样单元尺寸的选取而言，本文为农作物面积空间抽样方案的合理设计提供了实验依据。
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WANG Di, ZHOU Qing-bo, YANG Peng, CHEN Zhong-xin. 2018. Design of a spatial sampling scheme considering the spatial autocorrelation of crop acreage included in the sampling units. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2096-2106.
Spatial-temporal evolution of vegetation evapotranspiration in Hebei Province, China
中国河北省植被蒸散发时空演变
WANG Qian-feng, TANG Jia, ZENG Jing-yu, QU Yan-ping, ZHANG Qing, SHUI Wei, WANG Wu-lin, YI Lin, LENG Song
蒸散发（ET）是土壤或水体的蒸发以及植物蒸腾的总和，其将水分从陆地表面和海洋传输到大气中。因此对陆地表面碳和水资源循环起着调控作用。本研究基于MODIS遥感产品MOD16的时间序列数据集，通过时间序列变异特征，空间格局刻画和M-K非参数趋势检测方法，研究2000-2014年盐渍化研究区植被蒸散发时空演变特征。结果表明：不同植被覆盖区ET的年际和年内变化呈现季节性变化，可有效识别时间序列上ET异常月份；耕地区域空间异质性较大，阔叶落叶林覆盖区，ET空间格局呈现较高等级，耗水量较大；仅耕地区域ET呈现大面积的减少趋势，然而农业种植并未加剧区域的水资源短缺和土壤盐渍化问题，其它植被覆盖水资源短缺加剧的趋势。本研究为盐渍区域水资源的合理配置和植被种植格局的调整提供一定的参考依据。
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WANG Qian-feng, TANG Jia, ZENG Jing-yu, QU Yan-ping, ZHANG Qing, SHUI Wei, WANG Wu-lin, YI Lin, LENG Song. 2018. Spatial-temporal evolution of vegetation evapotranspiration in Hebei Province, China#br#. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2107-2117.
Food Science
Implications of step-chilling on meat color investigated using proteome analysis of the sarcoplasmic protein fraction of beef longissimus lumborum muscle
基于肌浆蛋白质组研究逐步冷却对牛肉背最长肌肉色及肉色稳定性的影响
ZHANG Yi-min, ZHANG Xiu-ze, WANG Tian-tian, David L. Hopkins, MAO Yan-wei, LIANG Rong-rong, YANG Guang-fu, LUO Xin, ZHU Li-xian
本研究采用了一种逐步冷却方式来提高牛肉肉色及肉色稳定性。研究对象为离体的牛肉背最长肌，冷却条件为0 ~ 4 °C 冷却5小时，12 ~ 18 °C冷却6小时，之后0 ~ 4 °C冷却至宰后24小时。实验测定了逐步冷却处理及对照处理（冷却条件为0 ~ 4 °C 冷却24小时）在尸僵期的pH值和温度，测定了在成熟第1天、7天、14天肉色亮度值（L*）红度值（a*）、黄度值（b*），高铁肌红蛋白含量、高铁肌红蛋白还原力和NADH含量，并对成熟1天的样品进行了蛋白质组分析。结果发现逐步冷却处理组的样品宰后5到10小时保持在15 °C左右，表现出较慢的温度下降速率和较快的pH下降速率。成熟1天和7天时，相较于对照处理，逐步冷却样品呈现出较高的亮度值、红度值、黄度值和色彩饱和度，但是成熟14天时，两组的红度值、黄度值及色彩饱和度值无显著差异。逐步冷却组的样品具有相对较低的高铁肌红蛋白含量，较高的高铁肌红蛋白还原力和NADH含量，表示逐步冷却后的样品具有较高的肉色稳定性。双向电泳及质谱鉴定的结果显示，逐步冷却与对照组有11个差异蛋白点（9种差异蛋白），这些蛋白与氧化还原、伴侣蛋白绑定、代谢功能和过氧化活性等有关。氧化还原酶能够降低肌红蛋白的氧化程度而利于NADH的产生，最终利于肉色的保持。丙酮酸脱氧酶E1组件β亚基与肉色亮度值、红度值及黄度值显著正相关，能够解释60%的肉色变化；因此这一蛋白可以作为牛肉颜色的潜在生物标记物。本研究为逐步冷却对肉色影响的分子机制和肉色相关分子标记物的鉴定等方面的研究提供了重要的研究信息。
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ZHANG Yi-min, ZHANG Xiu-ze, WANG Tian-tian, David L. Hopkins, MAO Yan-wei, LIANG Rong-rong, YANG Guang-fu, LUO Xin, ZHU Li-xian. 2018. Implications of step-chilling on meat color investigated using proteome analysis of the sarcoplasmic protein fraction of beef longissimus lumborum muscle. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2118-2125.
Identification and characterization of Pichia membranifaciens Hmp-1 isolated from spoilage blackberry wine
黑莓污染果酒中膜醭毕赤酵母Hmp-1鉴定和特性研究
WANG Ying, ZHAO Yan-cun, FAN Lin-lin, XIA Xiu-dong, LI Ya-hui, ZHOU Jian-zhong
成膜酵母能够导致果酒品质劣变。在本研究中，从污染黑莓果酒中分离筛选出一株能够成膜的酵母Hmp-1，依据形态学分析和26S rDNA序列分析鉴定结果，该菌株为膜醭毕赤酵母。发酵条件（酒精浓度、SO2含量、糖浓度和发酵温度）对Hmp-1和酿酒酵母FM-S-115（黑莓果酒发酵用菌株）生长的影响结果显示：Hmp-1菌株对发酵因素的抗性低于FM-S-115，当果酒体系中酒精浓度等于或高于10%（v/v）时Hmp-1的生长会被完全抑制，当果酒体系中SO2浓度等于或高于50 mg/L时Hmp-1的生长也会被完全抑制。该结果表明，在果酒发酵过程中或者在储存过程中，通过提高果酒体系中酒精含量或者SO2浓度可以预防Hmp-1污染果酒。另外，两种果酒的气质分析结果显示， FM-S-115和Hmp-1共同发酵果酒的风味物质明显比只有FM-S-115发酵的果酒的风味物质少，尤其是醛类和脂类物质，同时，在FM-S-115和Hmp-1共同发酵果酒中检测出有毒物质。以上结果表明，Hmp-1是导致黑莓果酒品质劣变的主要因素。
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WANG Ying, ZHAO Yan-cun, FAN Lin-lin, XIA Xiu-dong, LI Ya-hui, ZHOU Jian-zhong. 2018. Identification and characterization of Pichia membranifaciens Hmp-1 isolated from spoilage blackberry wine. Journal of Integrative Agriculture, 17(09): 2126-2136.
Journal of Integrative Agriculture
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