吉林农业大学学报2024年第2期

发布时间:2024-5-09 | 杂志分类:其他
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吉林农业大学学报2024年第2期

吉 林 农 业 大 学 学 报第 46 卷 第 2 期 2024 年 4 月期刊基本参数:CN 22-1100/S * 1979 * b * A4 * 174 * zh * P *¥30. 00 * 500 * 21 * 2024⁃04特约稿基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究进展 ……………张斯童,石佳,王刚,田春杰,陈光(175)研究论文高寒区玉米叶片光合参数日变化及其与环境因子关系……………………………………… 历艳璐,王俊鹏,于欣志,魏宏磊,赵洪祥,边少锋,张治安(187)灌溉方式对施肥时期田面水氮磷浓度及水稻生育性状影响…………………………………………………………牛世伟,徐嘉翼,隋世江,张鑫,叶鑫,王娜(197)滴灌磷肥分配比例对玉米磷素吸收利用的影响………………………戚昕元,曹国军,耿玉辉,邹欣(205)吉林省水稻恶苗病菌对咯菌腈的敏感性及抗药性风险评估  ……………………………………………………………… 刘禹含,邹佳营,何博,刘丽萍,高洁(211)2个抗感烟草品种响应马铃薯Y病毒早期胁迫的转录组分析……………………………………王平,任雅萍,任昭辉,苏亮,吴委林,杨超群... [收起]
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吉林农业大学学报2024年第2期
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第4页

吉 林 农 业 大 学 学 报

第 46 卷 第 2 期 2024 年 4 月

期刊基本参数:CN 22-1100/S * 1979 * b * A4 * 174 * zh * P *¥30. 00 * 500 * 21 * 2024⁃04

特约稿

基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究进展 ……………张斯童,石佳,王刚,田春杰,陈光(175)

研究论文

高寒区玉米叶片光合参数日变化及其与环境因子关系

……………………………………… 历艳璐,王俊鹏,于欣志,魏宏磊,赵洪祥,边少锋,张治安(187)

灌溉方式对施肥时期田面水氮磷浓度及水稻生育性状影响

…………………………………………………………牛世伟,徐嘉翼,隋世江,张鑫,叶鑫,王娜(197)

滴灌磷肥分配比例对玉米磷素吸收利用的影响………………………戚昕元,曹国军,耿玉辉,邹欣(205)

吉林省水稻恶苗病菌对咯菌腈的敏感性及抗药性风险评估

  ……………………………………………………………… 刘禹含,邹佳营,何博,刘丽萍,高洁(211)

2个抗感烟草品种响应马铃薯Y病毒早期胁迫的转录组分析

……………………………………王平,任雅萍,任昭辉,苏亮,吴委林,杨超群,董环宇,朴世领(219)

偏肿革裥菌GMC基因家族在木质条件下转录表达分析

……………………………………… 池玉杰,陈欣妍,杨旭欣,郝雅昕,赵予璐,贾子烨,苏文浩(228)

林下栽培灵芝主要活性成分与生态因子的关系…………………………石云龙,韩梅,孙卓,杨利民(239)

天然阔叶次生林下不同年生人参根际微生物群落多样性 …………………刘丽娟,佟爱仔,秦佳梅(246)

栽培年限的增加对人参根区土壤养分及微生物群落结构的影响

……………………………………………………………… 王天佑,丁万隆,尹春梅,王蓉,李勇(255)

氮磷钾配施对朝鲜淫羊藿产量和质量的影响……………………………张硕,张永刚,杨利民,韩梅(264)

精氨酸双糖苷对黑色素瘤B16细胞的作用及其机制初步研究

…………………………………………………冯梓航,刘兴龙,赵迎春,陈雪艳,丁传波,刘文丛(272)

青风藤总生物碱提取工艺及抗痛风作用 ………曹沛莹,陈维佳,宗颖,时坤,李建明,何忠梅,杜锐(280)

复合微生物菌剂在苏打盐碱土改良中的应用 …………………庞宁,张雪,刘俊清,胡琦琳,张建峰(290)

连续施用不同种类畜禽粪肥对土壤结合态腐殖质组成的影响

………………………………………………………… 李晓航,吴景贵,孟庆龙,陈晓东,朱文悦(297)

东北典型黑土区积雪-冻融耦合作用下的包气带水热运移模拟

…………………………………………………………… 孙国静,卞建民,王宇,阮冬梅,谷志琪(306)

梅花鹿耳成纤维细胞体外培养及转染条件优化……高鹤轩,荣敏,刘汇涛,唐丽昕,周宏达,邢秀梅(315)

LEF1基因在鹅胚胎期皮肤毛囊中的表达 ………孙越,刘静,刘畅,王义冲,周宇轩,隋玉健,孙永峰(324)

LEC-5在秀丽线虫中的表达及亚细胞定位

  …………………………………………… 张楠,程淑琴,宫鹏涛,李建华,王晓岑,李新,张西臣(329)

银耳五谷粉糊化特性、流变特性及其挤压米品质

  ……………………………………………………曹宸瑀,杨嘉丹,刘鸿铖,邹岩,同政泉,王大为(335)

微波-高压蒸汽复合杀菌对鸡骨泥肝酱品质的影响及营养分析

…………………………………………………………唐锐,刘学军,靖玉林,刘源,刘吉滨,纪靖(342)

吉林省科学技术进步奖一等奖 牛主要繁殖障碍防治技术研发与应用 ……………………(封二,封三)

目 次

(本期执行编辑:林海涛)

第5页

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页

吉林农业大学学报 2024,46(2):175-186 http : // xuebao.jlau.edu.cn

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

基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究

进展*

张斯童1,2,3

,石 佳1,2

,王 刚1,2

,田春杰3

,陈 光1,2**

1. 秸秆综合利用与黑土地保护教育部重点实验室,长春 130118;2. 吉林农业大学生命科学学

院,长春 130118;3. 中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态重点实验室,长

春 130102

摘 要:微生物是生产多种高附加值天然产物的优良宿主,基因敲除技术有效地阻断或弱化了微生物的旁路

代谢途径,使代谢通量集中流向目的产物。基因敲除技术在微生物中的应用带动了微生物代谢工程研究的不

断深入,为微生物工业发酵及合成生物学的发展开辟了新道路。综述了常见的几种微生物基因敲除策略,总

结了近年基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的应用情况,并对基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的

应用前景进行了展望,以期为基因敲除技术的发展和微生物代谢工程的研究提供理论参考。

关键词:基因敲除技术;代谢工程;合成生物学;底盘微生物

中图分类号:S182;Q78 文献标志码:A 文章编号:1000-5684(2024)02-0175-12

DOI:10.13327/j.jjlau.2021.20297

引用格式:张斯童,石佳,王刚,等 .基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究进展[J].吉林农业大学学

报,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⁃

* 基金项目:中国科学院战略先导科技项目(XDA28020400),吉林省科技发展计划重点项目(20210203117),吉林省自然科学基金

项目(20220101334JC)

作者简介:张斯童,男,博士,副教授,研究方向:农业废弃物资源化利用,低温微生物代谢工程改造;石佳,女,硕士研究生,研究

方向:微生物资源开发与利用。石佳与张斯童同为第一作者。

收稿日期:2023-06-28

** 通信作者:陈光,E-mail:chg61@163.com

第7页

吉林农业大学学报 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)又称基因打靶,是

20世纪80年代发展起来的一种分子生物学技术,

能够精细地修饰和改造DNA片段,具有位点专一

性、遗传稳定性等特点[1]

。基因敲除作为基因工

程中重要的基因修饰技术,也是微生物代谢途径

改造中的重要手段。微生物是廉价、可持续发展

的自然资源,其代谢产物可广泛用于工业发酵,但

微生物自身固有的代谢途径往往并非最适于工业

生产[2]

。利用基因敲除技术阻断某一代谢途径的

支路是最常见的改造方法之一,从而实现提高目

的产物产量,减少副产物或有毒有害物质产生,合

理分配能量流向等目的[3]

基因敲除技术发展至今,在多物种多领域中

不断取得突破性进展,尤其在构建人类疾病的动

物模型方面[4]

。近些年来,结合各种数据分析软

件和生物信息学工具,人们从基因组学和代谢组

学入手,已构建了超百种微生物的基因组级代谢

网络[5]

,这对于微生物的代谢调控以及微生物代

谢产物的工业生产都具有重要意义。本研究综述

了微生物基因敲除中的常见策略,并对近些年利

用该技术对微生物代谢途径改造情况进行总结,

以期为基因敲除技术和微生物代谢工程的发展提

供理论参考。

1 常见的微生物基因敲除策略

同源重组是生物体修复 DNA 损伤的内在机

制,也是基因敲除的分子生物学基础。由重组酶

介导的多种重组系统,可使外源DNA与生物体基

因发生重组,进而实现靶基因的敲除[6]

。随着科

学技术的进步,基因敲除的方法也在逐步发展,尤

其是基因编辑技术迅速发展,在基因敲除中逐渐

占据主要地位,以 CRISPR Cas 9系统为代表的第

3 代人工核酸内切酶技术的应用,成为基因敲除

的新型手段[7]

。基因敲除方法众多且各有优劣,

根据不同的物种偏好选择合适的敲除方法是敲除

成功的关键。

1. 1 基于同源重组的基因敲除

1. 1. 1 Red 重组系统介导的基因敲除 Red 重

组系统由 Exo、Beta、Gam 3种蛋白组成,广泛用于

细菌工程菌的构建,完整的敲除过程(图 1)主要

包括:获取同源片段、构建敲除载体、转化及筛

选[8]

。Datsenko等[9]

在此系统基础上提出的“一步

PCR 法”,在很大程度上改良了这项技术,大大缩

减了构建打靶载体所需的时间,但这种方法中使

用的质粒大多带有抗性基因,去除抗性基因后留

下的“瘢痕”序列可能会对后续的基因试验造成一

定影响。在随后的研究中,人们发现将重组系统

与负选择标记(如Sac基因)结合可以实现无痕重

组,Lei 等[10]利用 3 个敲除质粒(pXL1、pXL2 和

pXL3)设计的环形基因敲除系统,已在伯克霍尔

德氏菌菌株DSM 7029和耻垢分枝杆菌mc2

155中

得到验证,证实该系统能够多个、连续、快速地进

行基因敲除,此外,结合正负筛选系统也可准确快

速地获得敲除突变株。

现今,Red重组系统仍具有一定的局限性,如

何提高靶基因与菌株之间重组效率是其中的一项

重大难题。有研究表明,适当增加同源序列的长

度可以有效提高重组效率,除此之外,采用电穿孔

法或接合转移等转化方式替换传统的热激转化法

可以大大提高转化效率,进而加大同源重组发生

的概率[11]

。对该系统的研究已经十分深入且应

用广泛,该系统已在大肠杆菌、假单胞菌、沙雷氏

菌、苏云金芽孢杆菌等多数细菌中实现基因敲除,

但对于真菌的基因敲除却存在一定难度,并不能

广泛适用[12-13]

。因此,Red 重组系统介导的基因

敲除仍具有很大的发展空间,进一步优化与完善

该敲除方法对于细菌工程菌株的构建具有重要

意义。

176

第8页

张斯童,等:基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究进展

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

1. 1. 2 Cre LoxP重组系统介导的基因敲除 Cre

LoxP系统来源于大肠杆菌 P1噬菌体,包括 Cre重

组酶及其特异性识别位点,LoxP 位点两部分[14]

Cre 重组酶是 λ 整合酶家族的成员,分子量为

38.5 ku,可 以 在 没 有 辅 助 因 子 的 参 与 下 催 化

LoxP 位点之间的定点重组。LoxP 位点是一段

34 bp 的 DNA 序列,由 2 个 13 bp 的反向重复序列

和 1个 8 bp的不对称间隔区组成,每个 LoxP 位点

上有 2 个 Cre 重组酶结合位点[15]

。Cre LoxP 的工

作原理见图 2,在发生重组时,2个 LoxP 位点上会

结合4个Cre重组酶,形成1个复合体,其中的2个

重组酶亚基会促使第 1 次链交换的发生,生成

“Holliday中间体”。随后,第2对重组酶亚基对剩

余的1对链进行切割和交换,将Holliday结构分解

为重组产物[16]

。此外,由于 LoxP位点具有 2个反

向重复序列,使 Cre 重组酶的特异性重组具有一

定的方向性,在与底物结合的过程中会介导产生

基因的缺失、翻转、交叉、整合 4 种不同的重组

现象[17]

Cre 重组酶的重组效率高,能够不受切除长

度和位置的限制准确标记靶基因。因此,Cre

LoxP 系统能够高效地应用于基因敲除,近些年

来,利用该系统进行神经科学,尤其是癫痫病的研

究尤为广泛,也在成骨、肝脏等器官的研究及疾病

建模上不断取得突破[18-19]

。目前,该技术的应用

主要集中在真核生物,在小鼠的基因敲除上[20]

仍具有一定的物种局限性。

1. 2 基于基因编辑技术的基因敲除

基因编辑技术主要依赖可编程核酸酶在基因

组的特定位置诱导DNA双链发生断裂,进而通过

图1 Red 2步同源重组过程

Fig. 1 Red two-step homologous recombination process

图2 Cre LoxP介导的基因敲除[21]

Fig. 2 Cre LoxP-mediated gene knockout

177

第9页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

非同源末端连接(NHEJ)和同源定向修复(NDR)

实现基因敲除,主要包括锌指核酸酶(ZFN)技术、

转录激活物样效应器核酸酶(TALEN)技术和

CRISPR Cas9 技术[22]。虽然 NHEJ 和 NDR 都是

DNA 双链断裂后产生的 DNA 修复机制,但 NHEJ

途径会通过随机缺失或插入碱基造成移码突变,

进而实现目的基因的敲除,NDR途径则更多的是

引入目的基因实现基因的定点敲入,在 CRISPR

Cas9技术中产生NHEJ的效率远高于HR[23]

1. 2. 1 ZFN 技术 ZFN 技术由至少 3 个串联在

一起的锌指蛋白组成的锌指结构域特异识别 9~

18 bp 的 DNA 序列,单个 Fok Ⅰ核酸酶与锌指结

构域相连形成切割的位点,而 Fok Ⅰ核酸酶只有

在形成二聚体时才具有酶切活性;故需要在左右

2 个位点间隔 5~7 bp 处设计 2 个 ZFN 才能实现定

点切割 DNA,完整的工作过程见图 3。但二聚体

非特异性结合时会由此造成脱靶现象,产生较强

的细胞毒性[24]

。此外,ZFN 技术中 3 个串联的锌

指蛋白常会相互干扰,且进行操作时难度较大,这

些问题都限制了该技术的应用。

1. 2. 2 TALEN 技术 TALEN 技术中的 DNA 结

合结构域也就是 TALE 蛋白能够识别单个碱基

对,是由 33~35 个氨基酸组成的可变重复序列组

成的,其中2个可变氨基酸残基(RVD)使TALE具

有特异性[25]

。此外,TALEN 技术也是由 Fok Ⅰ核

酸酶与 DNA 结合结构域进行结合,且 2个位点之

间间隔12~20 bp,这也导致了TALEN技术存在一

定的脱靶效应[26]

。与ZFN技术相比,TALEN更容

易设计,且产生的细胞毒性较低,脱靶程度也更

低,但二者在实际应用中的操作程度都相对较大,

需要花费的成本较高,也都存在一定的物种局限

性,目前更适用于真核生物,故很难在大范围上使

用这2种技术进行基因敲除[27]

1. 2. 3 CRISPR Cas9技术 CRISPR Cas9技术由

成簇的有规律间隔的短回文重复序列(CRISPR)

及 Cas9 蛋白组成。其中,CRISPR 广泛存在于古

细菌和细菌中,是许多原核生物抵抗外来入侵的

适应性免疫系统,而 Cas9 蛋白是一种单一的、大

分子量的蛋白质,可以切割靶 DNA,产生双链断

裂[28-29]

。CRISPR Cas9 技术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种组分完成。tracrRNA作为

一种小的非编码 RNA 能够与宿主内的核糖核酸

酶Ⅲ和与 CRISPR相关的 csn1蛋白一起负责产生

活性 crRNA[30]

,Cas9蛋白能够识别由 tracrRNA 与

crRNA 的 重 复 序 列 进 行 碱 基 互 补 配 对 ,形 成

tracrRNA:crRNA 复合体,并激活 crRNA 引导的

DNA 切割[31]

。随后,人们通过设计小导向 RNA

(sgRNA)来模拟 tracrRNA:crRNA 复合体的功能,

其工作过程见图 4。由于 Cas9 的内切酶活性,

sgRNA 和靶 DNA 之间的碱基配对会导致 DNA 的

双链发生断裂[32]

,因此,目前的CRISPR Cas9系统

仅需 Cas9 蛋白和 sgRNA 这 2 个组分就能进行

工作。

图3 ZFN介导的基因敲除

Fig. 3 ZFN-mediated gene knockout

178

第10页

张斯童,等:基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究进展

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

与前面2种基因编辑技术相比,CRISPR Cas9

技术由RNA与DNA碱基配对驱动,避免了蛋白质

与DNA的相互作用,在很大程度上弥补了二者的

不足,它的设计更简便、易于操作、成本低且精准

高效,CRISPR Cas9技术也突破了物种的限制,在

原核生物和真核生物中均可广泛应用[33-34]

。但目

前利用CRISPR Cas9技术进行基因敲除时仍面临

与前者相同的难题,就是工作过程中始终存在不

可预测和不可控的脱靶风险,这在一定程度上影

响了 CRISPR Cas9的打靶效率[35]

1. 3 其他基因敲除方法

1. 3. 1 RNA 干扰 RNA 干扰(RNAi)作为同源

重组的替代方法,常表现为转录后基因表达下调

且不改变遗传密码,是研究基因功能的反向遗传

学工具,主要是利用小干扰 RNA(siRNA)造成目

的mRNA降解,从而导致特定基因沉默的特异性,

实现靶基因的“敲除”[36]

。由于原核细胞中存在

共翻译的现象,故该策略广泛适用于真核生物的

基因敲除,值得注意的是,RNAi 并不是真正意义

上的基因敲除,它并没有将目的基因从基因组中

删除而是将目的基因沉默,故会存在目的基因未

全部沉默导致产生的表型难以分析的现象[37]

1. 3. 2 农杆菌介导的 T-DNA 插入突变 农杆

菌介导的 T-DNA 插入突变主要是利用农杆菌侵

染植物并释放Ti质粒,质粒上的T-DNA片段会由

此进入植物基因组并与之整合,进而导致植物基

因的表达失活或改变以及植物表型的“功能丧

失”[38]

。这种方法较同源重组来说更简便高效,

能够实现目的基因的定向敲除,已在真菌尤其是

各种病原菌中广泛应用,这对病原菌的致病机理

以及植物病害防治来说具有重要意义[39-40]

2 基因敲除在微生物代谢途径改造中的

研究现状

为了获得遗传稳定的优良工业菌种并提高代

谢产物的产量,利用基因工程技术合理改造微生

物是必不可少的,基因敲除技术是其中的有效手

段之一。中心碳代谢途径(糖酵解、三羧酸循环、

磷酸戊糖途径)是代谢的主要途径,也是如今基因

敲除围绕的重点途径,在细菌、酵母菌以及丝状真

菌的改造中已取得一定进展。

2. 1 基因敲除在细菌代谢途径改造中的研究

现状

细菌具有最小的中枢代谢途径和强大且集中

的调节系统,是发酵中常用的宿主细胞。其中,大

肠杆菌(Escherichia coli)结构简单,是人们研究最

为深入的中性菌,也是最早进行改造的细菌之一。

1973 年,美国学者首先构建出了第 1 株大肠杆菌

工程菌,在大肠杆菌基因组测序工作完成后,人们

开始着手从基因组层面对大肠杆菌的代谢途径进

行改造[41]

。2008年,Atsumi等[42]

将乙酰丁酸杆菌

中与 1-丁醇合成相关的部分基因转移到大肠杆

菌,使其成为可以生产 1-丁醇的工程菌。随后,

图4 CRISP/Cas9系统介导的基因敲除

Fig. 4 Gene knockdown mediated by CRISP/Cas9 system

179

第11页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

Shen 等[43]

敲除了该途径中的 frdBC、ldhA、adhE、

pta 基因,以阻断琥珀酸、乳酸、乙醇及醋酸盐这

4 种副产物的形成途径,从而增加了 1-丁醇途径

的通量。虽然上述操作有效提高了1-丁醇滴度,

但基于代谢组学分析后显示,由此也造成了 CoA

失衡,致使许多 CoA 衍生物的不良累积。为此,

Ohtake 等[44]对 pduP 和 AdhE2 基因进行了过表

达,使 1-丁醇的滴度进一步提升至 18.3 g/L。在

随后的研究中,Nitta 等[45]

也同样通过代谢组学

分析确定敲除乙醛酸分流可以有效提高 1-丁醇

的产量。

枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)被 FDA 认证

是公认的安全菌株,具有强大的工业生产应用能

力。在枯草芽孢的代谢改造中,大多需要外源引

入所需的合成途径,5-甲基四氢叶酸(5-MTHF)

合成途径虽是枯草芽孢杆菌内存在的代谢途径,

但由于分解代谢途径的存在,导致 5-MTHF 难以

积累。为此,Yang 等[46]

在 2020 年提出了以二氢

叶酸(DHF)为前体合成 5-MTHF 的改造方法,即

用大肠杆菌中的 metF 替换枯草芽孢杆菌中的天

然基因yitJ,并敲除purU以及过表达dfrA,在抑制

5-MTHF的竞争和分解代谢途径同时,使代谢通量

集中至5-MTHF的生物合成,从而实现了5-MTHF

和总叶酸的高滴度生产。

保加利亚乳杆菌是产乳酸的重要微生物

菌株之一,但乙酸却是保加利亚乳杆菌代谢乳

酸最主要的副产物。本课题组前期以保加利亚

乳 杆菌(Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus

CICC21101)为出发菌株,利用温敏质粒 pGhost4

成功构建敲除载体,并根据同源重组双交换的原

理成功敲除了 L-乳酸脱氢酶(ldhL-ldb0094)基

因,敲除后的工程菌中实现了D-乳酸产量显著下

降与 L-乳酸的产量大幅提高,且光学纯度由

54.56%增至90.00%[47]

细菌基因组相对较小,结构简单,对其代谢途

径的改造更易于操作,除大肠杆菌和枯草芽孢杆

菌外,其他细菌如乳酸菌、谷氨酸棒杆菌等也是工

业发酵中的优良宿主,对细菌代谢途径改造情况

总结见表1。

2. 2 基因敲除在酵母菌代谢途径改造中的研究

现状

酵母菌产生的二倍体能够强势生长,具有更

强的适应性,利用酵母的亚细胞室可以实现代谢

途径的分离以及增加异源产物的通量,加之酵母

菌具有更强的环境耐受性,使其成为工业生产中

更具优势的宿主菌株[54]

。酵母菌中的许多非传

统酵母均具有独特的生理特性和良好的耐性,是

近年广受关注的热点。随着微生物工业发酵的

不断发展,人们逐渐将关注点从大肠杆菌转移到

酵母菌上,对酵母菌代谢途径改造情况总结

见表2。

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是目前研

究最透彻、对人类贡献最大的酵母菌,其对低pH、

高渗透压、高乙醇浓度具有高耐受性,且厌氧生长

能力极强,是产生醇类、糖衍生物、有机酸、萜烯类

表1 细菌代谢途径改造

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

产物

L-methionine

L-Serine

2,3-BD

N-acetylglucosamine

Mannitol

N-acetylglucosamine

还原性

0.200 g/(L·h)

11.700 g/L

NR

0.130 g/(L·h)

97.300%

797.300 mg/L

文献

[48]

[49]

[50]

[51]

[52]

[53]

注:NR代表文章中未提及。下表同

180

第12页

张斯童,等:基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究进展

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

等多种化学物质的优良宿主[55]

。研究发现,敲除

乙醇脱氢酶(ADH2)基因后,得到的菌株比天然菌

株产生的乙醇产量提高了74.7%[56]

除酿酒酵母外,许多非传统酵母也被视作具

有生产前景的宿主生物。毕赤酵母(Pichia pasto⁃

ris)是甲基营养酵母,可以在以甲醇为唯一碳源的

培养基中良好生长,Guo 等[57]

为提高毕赤酵母中

甲醇产苹果酸的含量,提出敲除鸟氨酸脱羧酶

(ODC)和丙酮酸脱羧酶(PDC),以减少副产物琥

珀酸和乙醇生成;删除S-(羟甲基)谷胱甘肽脱羧

酶(GDH)和甲酸脱氢酶(FDC),削弱或阻断甲醇

异化途径;删除葡萄糖-6磷酸异构酶(PGI),促进

木酮糖单磷酸途径(XuMP),以优化甲醇同化途径

的改造策略,使代谢通量集中流向苹果酸。解脂

亚罗酵母(Yarrowia lipolytica)作为油脂酵母能够

积累大量脂质,在代谢工程中主要用于脂质的生

产,Kim等[58]

通过敲除试验证实了删除碳/蛋氨酸

代谢中的 YALI0F30745g 基因会导致菌株中脂质

积累增加 1.45 倍。假丝酵母(Candida bombicola)

可高产槐糖脂,但槐糖脂的合成与β-氧化竞争同

一脂肪酸底物,酵母中 β-氧化的第 2 步与第 3 步

由同一种酶——MFE-2 催化,因此,敲除 MFE-2

基因可以抑制 2 种生化反应的发生,Van 等[59]

十二烷醇发酵试验中发现,MFE-2敲除菌株的槐

糖脂产量均比野生菌株高出1.7~2.9倍。

与酿酒酵母相比,非传统酵母对广谱底物的

利用能力更强,且在高密度发酵上具有突出优势,

更利于工业生产,尤其是在萜类和黄酮类化合物

等天然产物的合成方面展现出了巨大应用潜力。

但目前对非常规酵母的遗传改造效率不高,在进

行分子操作时难度较大,仍是限制其进一步发展

的难题[60]

2. 3 基因敲除在丝状真菌代谢途径改造中的研

究现状

丝状真菌作为工业发酵中重要的细胞工厂,

是多种酶、有机酸、蛋白质及次生代谢物合成的理

想宿主,具有重要的经济价值[67]

。与大肠杆菌和

酵母菌相比,丝状真菌的遗传背景相对复杂,利用

基因工程手段对其代谢途径的改造也相对更晚。

但丝状真菌产生的次级代谢产物具有良好的生物

活性以及巨大的发展潜力,引起了学者的广泛关

注和研究[68]

。自 1973 年 Mishra 等[69]

首次报道粗

糙链孢霉(Neurospora crassa)的DNA转化现象,到

如今已有超百种丝状真菌实现了转化,丝状真菌

的基因敲除技术也随之快速发展,对丝状真菌代

谢途径改造情况总结见表3。

土曲霉(Aspergillus terreus)是衣康酸工业生

产中应用最广泛的菌株,但土曲霉对发酵条件高

度敏感,培养的重复性是阻碍其发展的难题,在

随后的研究中,人们发现玉米黑粉菌(Ustilago

maydis)是衣康酸工业生产中非常有前景的生物

之一。2016年,Geiser等[70]

发现,玉米黑粉菌中有

不同于土曲霉的衣康酸合成途径,其中P450单加

氧酶 Cyp3 基因的过度表达会导致衣康酸产量的

急剧下降,而 Cyp3 的缺失又会引起衣康酸轻微

但不显著的增加,故推测P450单加氧酶会催化衣

康酸降解并形成副产物 2-羟基对乙酰丙酸盐。

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

FRT 连续敲除了菌株中的多个基因,以阻断苹果

酸盐、糖脂及三酰甘油等代谢产物的生成,构建的

菌株能够利用葡萄糖生产衣康酸,且无副产物的

生成,是生产衣康酸良好的底盘生物。

表2 酵母菌代谢途径改造

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

产物

Ethanol

Lactic Acid

Sophorolipids

Succinic acid

Fumaric acid

S-adenosyl-L-methionine

还原性

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

文献

[61]

[62]

[63]

[64]

[65]

[66]

181

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吉林农业大学学报 2024 年 4 月

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黑曲霉(Aspergillus niger)一直被视为最佳的

柠檬酸工业生产菌株,其利用糖类物质通过糖酵

解,经TCA循环途径可实现柠檬酸的合成[72]

。在

对黑曲霉的基因工程改造中,人们首先对中心碳

代谢的相关基因进行过表达,但却并未引起柠檬

酸盐产量的大幅增加[73]

。随后,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,构成的双缺陷

菌株(NW185),能够在无副产物(草酸和葡萄糖

酸)产生的同时实现柠檬酸的高产。

现今丝状真菌的基因敲除仍存在诸多问题,

主要表现在需要更长的同源序列;发生同源重组

和转化的效率较低;成功构建打靶载体及敲除菌

株费时费力[75]

。但丝状真菌产生的许多次生代

谢物具有抗菌、抗肿瘤等生物活性,利用丝状真菌

工厂大规模生产这些活性物质将在极大程度上促

进医药行业的发展[76]

3 大数据时代下的基因敲除策略

自人类进入后基因时代以来,下一代测序技

术的快速发展使微生物全基因组测序及全转录组

测序的范围也随之扩大,利用多种生物信息学分

析软件可以快速有效地从庞大的数据库中挖掘出

所需的基因并进行后续的基因功能验证。例如,

Shi等[82]

对中国白酒发酵曲中分离出的W. anoma⁃

lus Y-1 菌株进行了全基因组测序,数据分析表

明,该菌株中含有与 Eeb1p 类似的推定酰基转移

酶基因(Eht1p),猜测该基因为脂合成的关键基

因,可能催化合成酰基辅酶A和醇,进而通过醇酰

基转移酶途径合成乙酸乙酯。而面对微生物数量

庞大且复杂的基因,将微生物、基因、代谢物联合

在一起形成网络,利用微生物功能基因组学与代

谢组学数据整合尤为重要,现今常见数据整合方

法有相关网络、全基因组代谢模型(GEM)、种子

集框架、相对代谢更新率预测等[83]

其中,GEM能够有效地模拟基因与表型之间

的关系,建立基因—酶—代谢反应之间的桥梁,已

被广泛用于微生物的基因敲除。作为细菌遗传学

的模式生物,大肠杆菌的基因组级代谢重建运动

已进行了 20多年,Edwards等[84]

于 2000年报道了

第1个大肠杆菌GEM-iJE660。随后,该模型被用

于预测代谢基因敲除以实现菌株改造和生物发

现。2016 年,Mienda 等[85]

利用大肠杆菌的精确

GEM预测在以葡萄糖和甘油为底物时,发现删除

大肠杆菌中 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶基因(gnd),

会导致大肠杆菌在厌氧条件下琥珀酸产量的增

加;2 年后,Mienda 等[86]

利用同样的方法预测并

证实了敲除乳酸脱氢酶基因(ldhA),会导致甘油

生成琥珀酸的含量增加。与大肠杆菌相同的

是,酿酒酵母的 GMEs 也已广泛用于某一基因敲

除后所需产物的产量预测。Iranmanesh等[87]

使用

OptGene 和代谢调节最小化来分别评估 6 个基因

缺失对酿酒酵母代谢模型中通量分布的影响,发

现缺失编码葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(ZWf1)的突变

株在利用2 g/L苯甲醛时表现出最高的L-苯基乙

酰甲醇(L-PAC)生成量(2.48 g/L)。

然而,并没有一个模型是完美的,许多已经开

发的模型质量较低,在使用时仍需慎用,但微生物

全基因组模型也正在不断地建立与重建,仍具有

巨大的开发与应用潜力[88]

。通过组学测序及生

物信息学分析挖掘关键基因,利用GEM预测基因

敲除后产生的表型变化使微生物代谢改造形成了

一个完整的闭环,有望在未来的生产实践中得到

广泛的应用。

表3 丝状真菌代谢途径改造

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

产物

Malic acid

Succinic acid

Riboflavin

Fumaric acid

Semi-synthetic

cephalosporins

还原性

201.130 g/L

17.000 g/L

NR

17.000 g/L

NR

文献

[77]

[78]

[79]

[80]

[81]

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张斯童,等:基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究进展

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

4 展 望

基因敲除技术是一种理想地改造与修饰遗传

物质的工具,且已在微生物中的多个领域应用,尤

其是在工业发酵中发挥出了巨大的作用,众多微

生物已被打造成“细胞工厂”。虽然微生物的基因

组相对较小,但仍有一部分与微生物正常生长代

谢无关的冗余基因,删除这些不必要的基因可避

免能量及生物质前体的浪费,简化后的生物体也

能够成为人工条件下产品生产的全新平台[89-90]

但敲除某一基因后的结果往往是无法估计的,达

到预期结果也或导致菌株死亡,对其产生的结果

进行预测就显得尤为重要。因此,今后的研究工

作可从以下3个方面展开。

(1)基因敲除技术将向可预测、更简便高效的

方向发展。无痕基因编辑技术的不断发展以及碱

基编辑技术的逐渐兴起,将使基因敲除变得更加

简单、高效,且更利于后续分子试验的展开。而结

合基于约束的通量平衡分析等算法构建的模型,

可以准确地预测需要敲除的基因,及靶基因敲除

后提高所需产物的产量,这对于微生物代谢工程

以及合成生物学的发展都具有重要意义。

(2)结合过表达、基因沉默、敲入或敲低等技

术对微生物代谢途径进行改造。在对微生物代谢

途径改造情况的总结中发现,基因敲除技术是其

中有效但却不是唯一的方法,与其他基因工程手

段相结合往往能使能量最大化流向目的产物,减

少副产物产生的同时,最大限度地提高目的产物

的产量。

(3)通过多组学联合分析及高通量测序等技

术挖掘关键基因,打造最适微生物底盘工厂。随

着微生物全基因组测序的不断完成以及微生物

GME的不断建立与重建,可以从基因水平上更清

楚地了解生物的代谢规律,并向着人类需要的方

向进行改造。利用先进的技术手段将更多的微生

物被改造成理想的底盘生物,将是未来微生物工

业发酵与生产的重点。

参考文献:

[1] Tang P W, Chua P S, Chong S K, et al. A review of gene

knockout strategies for microbial cells[J]. Recent Pat Biotech⁃

nol,2015,9(3):176-197.

[2] Menendez-Bravo S, Comba S, Gramajo H, et al. Metabolic

engineering of microorganisms for the production of structur⁃

ally diverse esters[J]. Appl Microbiol Biotechnol,2017,101

(8):3043-3053.

[3] Choi K R, Jang W D, Yang D, et al. Systems metabolic engi⁃

neering strategies: Integrating systems and synthetic biology

with metabolic engineering[J]. Trends Biotechnol,2019,37

(8):817-837.

[4] Alnasser S M. Review on mechanistic strategy of gene therapy

in the treatment of disease[J]. Gene,2021,769:145246.

[5] King Z A, Lloyd C J, Feist A M, et al. Next-generation

genome-scale models for metabolic engineering[J]. Curr Opin

Biotechnol,2015,35:23-29.

[6] Li X, Heyer W D. Homologous recombination in DNA repair

and DNA damage tolerance[J]. Cell Res,2008,18(1):

99-113.

[7] Wang H, La Russa M, Qi L S. CRISPR/Cas9 in genome edit⁃

ing and beyond[J]. Annu Rev Biochem,2016,85:227-264.

[8] Liu L P, Yang X, Zhao X J, et al. A lambda red and FLP/

FRT-mediated site-specific recombination system in Kom⁃

agataeibacter xylinus and its application to enhance the pro⁃

ductivity of bacterial cellulose[J]. ACS Synth Biol,2020,9

(11):3171-3180.

[9] Datsenko K A, Wanner B L. One-step inactivation of chromo⁃

somal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products[J].

Proc Natl Acad Sci,2000,97(12):6640-6645.

[10] Lei X, Fan Q, Huang T, et al. Efficient circular gene knock⁃

out system for Burkholderiales strain DSM 7029 and Myco⁃

bacterium smegmatis mc2 155[J]. Acta Biochim Biophys

Sin,2019,51(7):697-706.

[11] Ares-Arroyo M, Coluzzi C, Rocha E P C. Origins of transfer

establish networks of functional dependencies for plasmid

transfer by conjugation[J]. Nucleic Acids Res,2023,51(7):

3001-3016.

[12] Chen W, Chen R, Cao J. Rapid genome modification in Ser⁃

ratia marcescens through red homologous recombination[J].

Appl Biochem Biotechnol,2021,193(9):2916-2931.

[13] Xia L, Zeng Z, Ding X, et al. The expression of a recombi⁃

nant cry1Ac gene with subtilisin-like protease CDEP2 gene

in acrystalliferous Bacillus thuringiensis by Red/ET homolo⁃

gous recombination[J]. Curr Microbiol,2009,59(4):

386-392.

[14] Siegel R W, Jain R, Bradbury A. Using an in vivo phagemid

system to identify non-compatible loxP sequences[J]. FEBS

Letters,2001,499(1):147-153.

[15] Hoess R H, Abremski K. Interaction of the bacteriophage P1

recombinase Cre with the recombining site loxP[J]. Proc Natl

Acad Sci,1984,81(4):1026-1029.

[16] Stachowski K, Norris A S, Potter D, et al. Mechanisms of

Cre recombinase synaptic complex assembly and activation

illuminated by Cryo-EM[J]. Nucleic Acids Res,2022,50

(3):1753-1769.

[17] Fragoso-Luna A, Romero-Bueno R, Eibl M, et al. Ex⁃

panded FLP toolbox for spatiotemporal protein degradation

and transcriptomic profiling in Caenorhabditis elegans[J].

Genetics,2023,223(1):iyac166.

[18] Bai Y, Zhang Q, Chen Q, et al. Conditional knockout of the

183

第15页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

PDK-1 gene in osteoblasts affects osteoblast differentiation

and bone formation[J]. J Cell Physiol,2021,236(7):5432-

5445.

[19] Li X, Guo S, Xu S, et al. Neocortex- and hippocampusspecific deletion of Gabrg2 causes temperature-dependent

seizures in mice[J]. Cell Death Dis,2021,12(6):553.

[20] Lee S E, Rudd B D, Smith N L. Fate-mapping mice: New

tools and technology for immune discovery[J]. Trends Immu⁃

nol,2022,43(3):195-209.

[21] Gopaul D N, Guo F, Van Duyne G D. Structure of the Holli⁃

day junction intermediate in Cre-loxP site-specific recombi⁃

nation[J]. EMBO J,1998,17(14):4175-4187.

[22] Lee J, Chung J H, Kim H M, et al. Designed nucleases for

targeted genome editing[J]. Plant Biotechnol J,2016,14

(2):448-462.

[23] Scully R, Panday A, Elango R, et al. DNA double-strand

break repair-pathway choice in somatic mammalian cells[J].

Nat Rev Mol Cell Biol,2019,20(11):698-714.

[24] Zhang H X, Zhang Y, Yin H. Genome editing with mRNA

encoding ZFN, TALEN, and Cas9[J]. Mol Ther,2019,27

(4):735-746.

[25] Chandrasegaran S, Carroll D. Origins of programmable nucle⁃

ases for genome engineering[J]. J Mol Biol,2016,428:

963-989.

[26] Boti M A, Athanasopoulou K, Adamopoulos P G, et al. Re⁃

cent advances in genome-engineering strategies[J]. Genes

(Basel),2023,14(1):129.

[27] Jiao X, Gu Y, Zhou P, et al. Recent advances in construc⁃

tion and regulation of yeast cell factories[J]. World J Micro⁃

biol Biotechnol,2022,38(4):57.

[28] Sari-Ak D, Alomari O, Smali R A, et al. Advances in

CRISPR-Cas9 for the baculovirus vector system: A system⁃

atic review[J]. Viruses,2022,15(1):54-71.

[29] 贾惠舒,张云彤,余洪宇,等 . 大豆 GmEPSPS1 基因表达及

草甘膦抗性功能分析[J]. 吉林农业大学学报,2022,44

(1):35-43.

[30] Deltcheva E, Chylinski K, Sharma C M, et al. CRISPR RNA

maturation by trans-encoded small RNA and host factor

RNase Ⅲ[J]. Nature,2011,471(7340):602-607.

[31] Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, et al. A programmable

dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial

immunity[J]. Science,2012,337(6096):816-821.

[32] Qi L S, Larson M H, Gilbert L A, et al. Repurposing

CRISPR as an RNA-guided platform for sequence-specific

control of gene expression[J]. Cell,2013,152(5):1173-

1183.

[33] Javed M R, Noman M, Shahid M, et al. Current situation of

biofuel production and its enhancement by CRISPR/Cas9-

mediated genome engineering of microbial cells[J]. Micro⁃

biol Res,2019,219:1-11.

[34] 周俊名,李泽远,李米涵,等 . 大豆 GmFAD2 基因家族鉴

定及基于 CRISPR/Cas9 编辑载体的构建[J]. 吉林农业大

学学报:1-11[2023-06-23]. https://doi.org/10.13327/j.jj⁃

lau.2022.1858.

[35] Shams F, Bayat H, Mohammadian O, et al. Advance trends

in targeting homology-directed repair for accurate gene edit⁃

ing: An inclusive review of small molecules and modified

CRISPR-Cas9 systems[J]. Bioimpacts,2022,12(4):

371-391.

[36] Agrawal N, Dasaradhi P V, Mohmmed A, et al. RNA inter⁃

ference: Biology, mechanism, and applications[J]. Micro⁃

biol Mol Biol Rev,2003,67(4):657-685.

[37] Chakraborty P, Ghosh A. Topical spray of dsRNA induces

mortality and inhibits chilli leaf curl virus transmission by

Bemisia tabaci Asia Ⅱ 1[J]. Cells,2022,106(6):645-652.

[38] Frandsen R J. A guide to binary vectors and strategies for tar⁃

geted genome modification in fungi using Agrobacterium

tumefaciens-mediated transformation[J]. J Microbiol Meth⁃

ods,2011,87(3):247-262.

[39] Wang S, Xing H, Hua C, et al. An improved single-step

cloning strategy simplifies the Agrobacterium tumefaciensmediated transformation (ATMT)-based gene-disruption

method for Verticillium dahliae[J]. Phytopathology,2016,

106(6):645-652.

[40] Nai Y S, Lee M R, Kim S, et al. Relationship between ex⁃

pression level of hygromycin B-resistant gene and Agrobacte⁃

rium tumefaciens-mediated transformation efficiency in Beau⁃

veria bassiana JEF-007[J]. J Appl Microbiol,2017,123

(3):724-731.

[41] 于勇,朱欣娜,毕昌昊,等 . 大肠杆菌细胞工厂的创建技

术[J]. 生物工程学报,2021,37(5):1564-1577.

[42] Atsumi S, Cann A F, Connor M R, et al. Metabolic engineer⁃

ing of Escherichia coli for 1-butanol production[J]. Metab

Eng,2008,10(6):305-311.

[43] Shen C R, Lan E I, Dekishima Y, et al. Driving forces en⁃

able high-titer anaerobic 1-butanol synthesis in Escherichia

coli[J]. Appl Environ Microbiol,2011,77(9):2905-2915.

[44] Ohtake T, Pontrelli S, Lavina W A, et al. Metabolomicsdriven approach to solving a CoA imbalance for improved 1-

butanol production in Escherichia coli[J]. Metab Eng,2017,

41:135-143.

[45] Nitta K, Lavina W A, Pontrelli S, et al. Metabolome analysis

revealed the knockout of glyoxylate shunt as an effective strat⁃

egy for improvement of 1-butanol production in transgenic

Escherichia coli[J]. J Biosci Bioeng,2019,127(3):

301-308.

[46] Yang H, Liu Y, Li J, et al. Systems metabolic engineering of

Bacillus subtilis for efficient biosynthesis of 5-methyltetrahy⁃

drofolate[J]. Biotechnol Bioeng,2020,117(7):2116-

2130.

[47] 王刚,肖雨,李义,等 . ldhL-ldb0094 基因敲除对保加利亚

乳杆菌产L-乳酸的影响[J]. 中国生物工程杂志,2019,39

(8):66-73.

[48] Huang J F, Liu Z Q, Jin L Q, et al. Metabolic engineering of

Escherichia coli for microbial production of L-methionine[J].

Biotechnol Bioeng,2017,114(4):843-851.

[49] Mundhada H, Schneider K, Christensen H B, et al. Engi⁃

neering of high yield production of L-serine in Escherichia

coli[J]. Biotechnol Bioeng,2016,113(4):807-816.

[50] Vikromvarasiri N, Shirai T, Kondo A. Metabolic engineering

184

第16页

张斯童,等:基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究进展

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

design to enhance (R,R)-2,3-butanediol production from

glycerol in Bacillus subtilis based on flux balance analysis[J].

Microbial Cell Factories,2021,20(1):196.

[51] Deng C, Lü X, Liu Y, et al. Metabolic engineering of Cory⁃

nebacterium glutamicum S9114 based on whole-genome se⁃

quencing for efficient N-acetylglucosamine synthesis[J].

Synth Syst Biotechnol,2019,4(3):120-129.

[52] Peng Y W, Jin H X. Effect of the pat, fk, stpk gene knockout and mdh gene knock-in on mannitol production in Leuco⁃

nostoc mesenteroides[J]. J Microbiol Biotechnol,2018,28

(12):2009-2018.

[53] Zhou D, Jiang Z, Pang Q, et al. CRISPR/Cas9-assisted

seamless genome editing in Lactobacillus plantarum and its

application in N-Acetylglucosamine production[J]. Appl En⁃

viron Microbiol,2018,34(10):154.

[54] Liu L, Redden H, Alper H S. Frontiers of yeast metabolic en⁃

gineering: diversifying beyond ethanol and Saccharomyces

[J]. Curr Opin Biotechnol,2013,24(6):1023-1030.

[55] Nevoigt E. Progress in metabolic engineering of Saccharomy⁃

ces cerevisiae[J]. Microbiol Mol Biol Rev,2008,72(3):

379-412.

[56] Xue T, Liu K, Chen D, et al. Improved bioethanol produc⁃

tion using CRISPR/Cas9 to disrupt the ADH2 gene in Saccha⁃

romyces cerevisiae[J]. World J Microbiol Biotechnol,2018,

34(10):154.

[57] Guo F, Dai Z, Peng W, et al. Metabolic engineering of Pi⁃

chia pastoris for malic acid production from methanol[J]. Bio⁃

technol Bioeng,2021,118(1):357-371.

[58] Kim M, Park B G, Kim E J, et al. In silico identification of

metabolic engineering strategies for improved lipid produc⁃

tion in Yarrowia lipolytica by genome-scale metabolic model⁃

ing[J]. Biotechnol Biofuels,2019,12:187.

[59] Van Bogaert I N, Sabirova J, Develter D, et al. Knocking out

the MFE-2 gene of Candida bombicola leads to improved

medium-chain sophorolipid production[J]. FEMS Yeast

Res,2009,9(4):610-617.

[60] Lacerda M P, Oh E J, Eckert C. The model system Saccharo⁃

myces cerevisiae versus emerging non-model yeasts for the

production of biofuels[J]. Life (Basel), 2022,9,10:

818445.

[61] Matsushika A, Hoshino T. Increased ethanol production by

deletion of HAP4 in recombinant xylose-assimilating Saccha⁃

romyces cerevisiae[J]. J Ind Microbiol Biotechnol,2015,42

(12):1623-1631.

[62] Lee J J, Crook N, Sun J, et al. Improvement of lactic acid

production in Saccharomyces cerevisiae by a deletion of ssb1

[J]. J Ind Microbiol Biotechnol,2016,43(1):87-96.

[63] Liu J, Zhang X, Liu G, et al. A cumulative effect by

multiple-gene knockout strategy leads to a significant in⁃

crease in the production of sophorolipids in Starmerella bom⁃

bicola CGMCC 1576[J]. Front Bioeng Biotechnol,2022,

10:818445.

[64] Cui Z, Gao C, Li J, et al. Engineering of unconventional

yeast Yarrowia lipolytica for efficient succinic acid production

from glycerol at low pH[J]. Metab Eng,2017,42:126-133.

[65] Wei L, Liu J, Qi H, et al. Engineering Scheffersomyces sti⁃

pitis for fumaric acid production from xylose[J]. Bioresour

Technol,2015,187:246-254.

[66] He J, Deng J, Zheng Y, et al. A synergistic effect on the pro⁃

duction of S-adenosyl-L-methionine in Pichia pastoris by

knocking in of S-adenosyl-L-methionine synthase and

knocking out of cystathionine-beta synthase[J]. J Biotech⁃

nol,2006,126(4):519-527.

[67] Wosten H. Filamentous fungi for the production of enzymes,

chemicals and materials[J]. Curr Opin Biotechnol,2019,

59:65-70.

[68] Bills G F, Gloer J B. Biologically active secondary metabo⁃

lites from the fungi[J]. Microbiol Spectr,2016,4(6):4-6.

[69] Mishra N C,Tatum E L.Non-Mendelian inheritance of DNAinduced inositol independence in Neurospora[J]. Proc Natl

Acad Sci,1973,70(12):3875-3879.

[70] Geiser E, Przybilla S K, Friedrich A, et al. Ustilago maydis

produces itaconic acid via the unusual intermediate transaconitate[J]. Microb Biotechnol,2016,9(1):116-126.

[71] Becker J, Hosseinpour T H, Gauert M, et al. An Ustilago

maydis chassis for itaconic acid production without byproducts[J]. Microb Biotechnol,2020,13(2):350-362.

[72] Behera B C. Citric acid from Aspergillus niger: A comprehen⁃

sive overview[J]. Crit Rev Microbiol, 2020, 46(6):

727-749.

[73] Chroumpi T, Makela M R, de Vries R P. Engineering of pri⁃

mary carbon metabolism in filamentous fungi[J]. Biotechnol

Adv,2020,43:107551.

[74] Ruijter G, van de Vondervoort P, Visser J. Oxalic acid pro⁃

duction by Aspergillus niger: an oxalate-non-producing mu⁃

tant produces citric acid at pH 5 and in the presence of man⁃

ganese[J]. Microbiology,1999,145:2569-2576.

[75] Lee M H, Bostock R M. Agrobacterium T-DNA-mediated in⁃

tegration and gene replacement in the brown rot pathogen

Monilinia fructicola[J]. Curr Genet,2006,49(5):309-322.

[76] Huang X, Men P, Tang S, et al. Aspergillus terreus as an in⁃

dustrial filamentous fungus for pharmaceutical biotechnology

[J]. Curr Opin Biotechnol,2021,69:273-280.

[77] Xu Y, Zhou Y, Cao W, et al. Improved production of malic

acid in Aspergillus niger by abolishing citric acid accumula⁃

tion and enhancing glycolytic flux[J]. ACS Synth Biol,

2020,9(6):1418-1425.

[78] Yang L, Henriksen M M, Hansen R S, et al. Metabolic engi⁃

neering of Aspergillus niger via ribonucleoprotein-based

CRISPR-Cas9 system for succinic acid production from re⁃

newable biomass [J]. Biotechnol Biofuels, 2020, 13

(1):206.

[79] Schlupen C, Santos M A, Weber U, et al. Disruption of the

SHM2 gene, encoding one of two serine hydroxym ethyltrans⁃

ferase isoenzymes, reduces the flux from glycine to serine in

Ashbya gossypii[J]. Biochem J,2003,369:263-273.

[80] Gu S, Li J, Chen B, et al. Metabolic engineering of the ther⁃

mophilic filamentous fungus Myceliophthora thermophila to

produce fumaric acid [J]. Biotechnol Biofuels, 2018,

11:323.

185

第17页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

[81] Veiga T, Gombert A K, Landes N, et al. Metabolic engineer⁃

ing of beta-oxidation in Penicillium chrysogenum for im⁃

proved semi-synthetic cephalosporin biosynthesis[J]. Metab

Eng,2012,14(4):437-448.

[82] Shi X, Wang X, Hou X, et al. Gene mining and flavour me⁃

tabolism analyses of Wickerhamomyces anomalus Y-1 iso⁃

lated from a chinese liquor fermentation starter[J]. Front Mi⁃

crobiol,2022,13:891387.

[83] Bernstein D B, Sulheim S, Almaas E, et al. Addressing un⁃

certainty in genome-scale metabolic model reconstruction

and analysis[J]. Genome Biol,2021,22(1):64.

[84] Edwards J S, Palsson B O. The Escherichia coli MG1655 in

silico metabolic genotype: its definition, characteristics, and

capabilities[J]. Proc Natl Acad Sci,2000,97(10):5528-

5533.

[85] Mienda B S, Shamsir M S, Illias R M. Model-guided meta⁃

bolic gene knockout of gnd for enhanced succinate production

in Escherichia coli from glucose and glycerol substrates[J].

Comput Biol Chem,2016,61:130-137.

[86] Mienda B S. Escherichia coli genome-scale metabolic gene

knockout of lactate dehydrogenase (ldhA), increases succi⁃

nate production from glycerol[J]. J Biomol Struct Dyn,

2018,36(14):3680-3686.

[87] Iranmanesh E, Asadollahi M A, Biria D. Improving lphenylacetylcarbinol production in Saccharomyces cerevisiae

by in silico aided metabolic engineering[J]. J Biotechnol,

2020,308:27-34.

[88] Zhang C, Hua Q. Applications of genome-scale metabolic

models in biotechnology and systems medicine[J]. Front

Physiol,2015,6:413.

[89] Singh D, Lercher M J. Network reduction methods for

genome-scale metabolic models[J]. Cell Mol Life Sci,

2020,77(3):481-488.

[90] 白换力,张海雷,李忠义,等 . 不同月龄 PRNP 基因敲除小

鼠的行为学观察[J]. 吉林农业大学学报,2013,35(5):

601-605.

(责任编辑:王希)

186

第18页

吉林农业大学学报 2024,46(2):187-196 http : // xuebao.jlau.edu.cn

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

高寒区玉米叶片光合参数日变化及其与环境因

子关系*

历艳璐1

,王俊鹏1

,于欣志1

,魏宏磊1

,赵洪祥2

,边少锋2

,张治安1**

1. 吉林农业大学农学院,长春130118;2. 吉林省农业科学院,长春 130124

摘 要:为探明高寒区玉米叶片光合相关参数日变化特性,以“隆平702”玉米品种为材料,在安图县松江镇南

道村进行田间试验,利用 Li-6400 光合仪在抽雄吐丝期测定叶片净光合速率(Pn

)、气孔导度(Gs

)、蒸腾速率

(Tr

)、胞间CO2浓度(Ci

)以及当天的光合有效辐射(PAR)、空气温度(T)和空气相对湿度(RH),分析叶片光合相

关参数日变化及其与环境因子的关系。结果表明:高寒区玉米叶片Pn与Tr

的日变化均为双峰曲线变化,Pn的

峰值分别出现在 10:00 和 14:00;Tr的峰值分别出现在 10:00 和 13:00;Gs的最大值出现在 10:00,随后呈下

降趋势;Ci

呈先下降后上升的趋势;06:00—10:00,Pn与 PAR,T,RH 分别呈极显著正相关、显著正相关、极

显著负相关(r=0. 927,r=0. 574,r=-0. 765);14:00—18:00,Pn与PAR,T,RH的相关性分别为r=0. 921,r=0. 553,

r=-0. 712;06:00—10:00时,Gs

与PAR极显著正相关(r=0. 772),与RH呈显著负相关(r=-0. 550);10:00—14:00,Gs与

PAR呈显著正相关(r=0. 545),与RH呈正相关(r=0. 482);06:00—10:00,Tr与PAR呈极显著正相关(r=0. 953),

与 RH 均呈极显著负相关(r=-0. 857);06:00—10:00,Ci

与 PAR 呈极显著负相关(r=-0. 655)。可见,空气温度

和光合有效辐射偏低、空气相对湿度偏高是限制该高寒区域玉米光合物质生产的主要因子。

关键词:玉米;光合参数;日变化;环境因子;高寒区

中图分类号:S513 文献标志码:A 文章编号:1000-5684(2024)02-0187-10

DOI:10.13327/j.jjlau.2020.5811

引用格式:历艳璐,王俊鹏,于欣志,等.高寒区玉米叶片光合参数日变化及其与环境因子关系[J].吉林农业大

学学报,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

* 基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFD0300205)

作者简介:历艳璐,女,在读硕士,研究方向:作物栽培生理学。

收稿日期:2020-05-14

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

第19页

吉林农业大学学报 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.)属于禾本科一年生草本植

物,是我国最为重要的粮食饲料作物,2016 年全

国的玉米总产量已达2.1亿t

[1]

。玉米是我国种植

范围最广、总产量最高的粮食经济作物,发展玉米

生产对保障我国粮食安全和满足市场需要至关重

要[2]

。在吉林省,玉米是种植面积最大、产量占比

也最大的粮食作物,其种植面积占总种植面积的

72.8%,总产量占比已达 76.2%[3]

。在吉林省东部

的高寒地区,由于受气候条件的限制而影响玉米

产量的提高。光照、温度、水分是影响植物功能和

生长最主要的环境因子[4-5]

。因光合作用与净生

产力的直接联系,而被认为是植物生长的重要指

标[6]

,作物叶片的光合作用也是其物质生产和形

成产量的重要基础。玉米子粒约 95% 的干物质

是由其叶片光合作用直接或者间接形成的,并且

大部分是由抽雄吐丝后的光合作用供应[7-9]

。关

于不同玉米品种叶片光合速率变化及其与产量形

成关系的研究已有较多的报道[10-13]

,朱韵哲等[14]

和 Li[15]

的研究表明,叶片光合性能的强弱与其物

质生产能力高低呈现正相关关系。然而,有关高

寒地区玉米叶片光合参数日变化特性及其与环境

因子关系的研究尚未见文献报道。本研究系统分

析了高寒区玉米在抽雄吐丝期的叶片光合相关参

数日变化及其与环境因子的关系,以期为高寒区

玉米栽培管理提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试玉米品种为“隆平702”。

1. 2 试验设计

在吉林省延边朝鲜族自治州安图县松江镇南

道村(北纬42°32′,东经128°24′),无霜期125~130 d,

年平均降水量 669.7 mm,年平均温度为 2.2 ℃。

试验小区行长 10 m,每个小区 10 行,行距 0.6 m,

每小区面积为60 m2

,3次重复,2018年5月15日播

种,种植密度为7.5万株/hm2

,常规栽培与田间管理。

1. 3 测定项目与方法

在玉米的抽雄吐丝期,选晴朗天气,于2018年

7 月 23 日用 Li-6400 型连接开放气路的光合蒸腾

测定仪器,从 06:00 开始,到 18:00 为止,每间隔

1 h测 3个重复穗位叶的净光合速率(Pn

)、蒸腾速

率(Tr

)、气孔导度(Gs

)、胞间 CO2浓度(Ci

)以及当

天的空气温度(T)、空气相对湿度(RH)和光合有

效辐射(PAR)。依据环境因子变化的特点,将光合

参数与环境因子之间的关系分为 06:00—10:00,

10:00—14:00,14:00—18:00 3个时间段进行分析。

1. 4 数据处理

取3次重复小区测定的平均值,用Excel 2007

188

第20页

历艳璐,等:高寒区玉米叶片光合参数日变化及其与环境因子关系

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

与SPSS进行数据的处理与分析。

2 结果与分析

2. 1 环境因子的日变化

光合作用是一个非常复杂的生化氧化还原反

应,与环境因子变化密切相关[16]

。空气温度的日

变化见图1。由图1可见,在一日之中温度的变化

呈单峰曲线,06:00最低,13:00达到最高值,然后

逐渐降低,温度日均值为25.4 ℃。

空气相对湿度与光合有效辐射的日变化见图2。

由图 2 可见,空气相对湿度从 07:00—16:00 逐渐

降低,16:00以后又逐渐升高,日最高值为76.84%,

最低值为 47.39%;光合有效辐射日 变 化 呈 现

出单峰曲线特征,在 12:00 达到最大,06:00—

18:00 PAR日均值为755.87 μmol/(m2

·s)。

图2 空气相对湿度与光合有效辐射的日变化

Fig. 2 Diurnal variation of air relative humidity and

photosynthetic radiation

2. 2 玉米叶片净光合速率日变化及其与环境因

子关系

2. 2. 1 叶片净光合速率的日变化 净光合速率

是能够反映光合代谢过程强弱的直接指标[17]

抽雄吐丝期高寒区玉米叶片 Pn 日变化见图 3。

由图 3 可 见 ,Pn 日 变 化 曲 线 呈 不 对 称 的 双 峰

型 ,第 1 峰最大值出现在 10:00,此后 Pn逐渐

下降,13:00继续升高,到14:00出现第2峰值,为

26.99 μmol/(m2

·s)。在 09:00—15:00 Pn一直保

持较高水平,均值是27.06 μmol/(m2

·s)。

2. 2. 2 叶片净光合速率与环境因子关系 植物

的光合日变化与其生长的环境因子变化关系密

切[18]

,一日中玉米叶片 Pn与 PAR,T,RH 的关系见

图 4~6。由图 4 可见,06:00—10:00 Pn随着 PAR

的增大逐渐增大,两者之间呈极显著正相关

(r=0.927);10:00—14:00 Pn与PAR呈不显著正相

关(r=0.034);14:00—18:00 Pn与PAR呈极显著正

相关(r=0.921)。可见,PAR 的日变化是影响高寒

区玉米叶片Pn日变化的主要环境因子之一。

温度是影响作物生长发育及其光合作用的重

要因子,与作物的各项生长指标、光合作用、产量

均有着密切的关系[19]

。由图5可见,06:00—10:00

Pn 与 T 呈著正相关(r=0.574);10:00—14:00 Pn

与 T 呈不显著负相关(r=-0.397);14:00—18:00

Pn与 T 呈显著正相关(r=0.553)。可见,空气温度

也是影响高寒区玉米叶片 Pn 的主要环境因子

之一。

由图6可见,06:00—10:00时Pn与RH呈极显

著负相关(r= -0.765);10:00—14:00 呈不显著负

相关(r= -0.487);14:00—18:00 呈极显著负相关

(r= -0.712)。

图1 空气温度的日变化

Fig. 1 Diurnal variation of air temperature

图3 玉米叶片净光合速率日变化

Fig. 3 Diurnal variation of net photosynthetic rate in

leaves of maize

189

第21页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

2. 3 玉米气孔导度的日变化及其与环境因子

关系

2. 3. 1 气孔导度的日变化 玉米叶片 Gs的日变

化见图7。由图7可见,玉米叶片气孔导度呈单峰

趋势,在 10:00 值最大,为 0.97 mol/(m2

·s),随后

呈下降趋势,到18:00达到一天中最低值,一天的

均值为0.43 mol/(m2

·s)。

2. 3. 2 气孔导度与环境因子关系 气孔导度是

植物光合作用的一个重要指标,气孔导度除了受

自身生理因素的影响外,外界的环境对其也有影

响[20]

。一日中玉米叶片Gs与PAR,T,RH的关系见

图 8~10。由图 8 可见,06:00—10:00 时 Gs与 PAR

呈极显著正相关(r=0.772);10:00—14:00时Gs与

PAR呈显著正相关(r =0.545),表明较好的光照条

图4 玉米叶片净光合速率与光合有效辐射的关系

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

图5 玉米叶片净光合速率与温度的关系

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

图6 玉米叶片净光合速率与空气相对湿度的关系

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

190

第22页

历艳璐,等:高寒区玉米叶片光合参数日变化及其与环境因子关系

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

件有利于气孔的扩张从而增加 Gs

;14:00—18:00

时Gs与PAR呈显著正相关(r =0.578),此时Gs随着

PAR 的降低而减小,从而导致 Pn的降低。可见,

PAR是影响高寒区玉米叶片Gs的最主要环境因子

之一。由图 9 可见,10:00—14:00 时 Gs与 T 呈显

著负相关(r =-0.594),说明中午空气温度过高从

而导致玉米叶片气孔的缩小或关闭致使 Gs下降。

由图 10 可见,一天中早晚空气湿度大,06:00—

10:00时和14:00—18:00时,Gs与RH均呈显著负

相关(r=-0.550, r =-0.683)。高寒区空气相对湿

度过大是影响Gs的最主要环境因素之一。

图7 玉米叶片气孔导度的日变化

Fig. 7 Diurnal variation of stomatal conductance in

leaves of maize

2. 4 蒸腾速率日变化及其与环境因子关系

2. 4. 1 蒸腾速率的日变化 蒸腾作用是植物生

理生化过程中的一个重要的环节,其功能主要是

为植物吸收和运输水分提供动力,还可以通过水

分的蒸散来降低叶片的温度以确保叶片不受高

温损害,进而维系作物进行正常的生理生化反

应。玉米叶片 Tr日变化见图 11。由图 11 可见,

玉米叶片的蒸腾速率呈双峰趋势,最大峰值在

10:00 时,为 10.15 mmol/(m2

·s),第 2 个峰值在

13:00,之后蒸腾速率逐渐降低。一天均值为

5.43 mmol/(m2

·s)。09:00—16:00 时蒸腾速率在

较高水平,均值为7.38 mmol/(m2

·s)。

图8 玉米叶片气孔导度与光合有效辐射的关系

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

图9 玉米叶片气孔导度与温度的关系

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

191

第23页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

2. 4. 2 蒸腾速率与环境因子关系 一日中玉米

叶片 Tr与 PAR,T 和 RH 的关系见图 12~14。由

图 12 可见,06:00—10:00 时 Tr与 PAR 呈极显著

正相关(r=0.953),此时 Tr随着 PAR 的增大而增

大,10:00 达到一天最大值;10:00—14:00 时

Tr与 PAR 呈 不 显 著 正 相 关(r=0.337);14:00—

18:00时 PAR与 Tr呈极显著正相关(r=0.783)。可

见,较充足光照可以促进玉米植株的光合、蒸腾等

生理作用。

由图13可见,在10:00—14:00 Tr与T呈不显

著 负 相 关(r=-0.115)。 由 图 14 可 见 ,06:00—

10:00 时和 14:00—18:00 时 Tr与 RH 均呈极显著

负相关,相关系数分别为 r= -0.857 和 r=-0.823。

综合分析,一天中上午与下午的RH较高,说明RH

越大Tr越小,这是因为大气的相对湿度越大,其饱

和蒸气压越大,叶内外饱和蒸气压差就会随之变

小,气孔下腔的水蒸气不容易扩散出去,因此蒸腾

作用相对减弱。

图11 玉米叶片蒸腾速率日变化

Fig. 11 Diurnal change of transpiration rate in leaves

of maize

图10 玉米叶片气孔导度与空气相对湿度的关系

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

图12 玉米叶片蒸腾速率与光合有效辐射的关系

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

192

第24页

历艳璐,等:高寒区玉米叶片光合参数日变化及其与环境因子关系

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

2. 5 胞间CO2浓度日变化及其与环境因子关系

2. 5. 1 胞间CO2浓度的日变化 玉米叶片Ci

日变

化见图15。由图15可见,玉米叶片的胞间CO2浓度

整体呈先下降后上升的趋势,在 15:00 达到一天

最低值114.58 μmol/mol,胞间CO2浓度从06:00—

09:00表现为快速下降的趋势,从396.86 μmol/mol

下降到186.65 μmol/mol。

图15 玉米叶片胞间CO2浓度日变化

Fig. 15 Diurnal change of intercellular CO2 concentra⁃

tion in leaves of maize

2. 5. 2 胞间 CO2浓度与环境因子关系 一日中

玉米叶片 Ci与 PAR,T 和 RH 的关系见图 16~18。

由图16可见,06:00—10:00时Ci

与PAR均呈极显

著负相关(r=-0.665);14:00—18:00 时呈显著负

相关(r=-0.921),PAR 对 Pn与对 Ci

的影响效果相

反,光照强度是影响Ci

最重要的环境因素之一。

由图 17可见,Ci

与 T在 06:00—10:00呈显著

负相关(r=-0.586),10:00—14:00 时和 14:00—

18:00 均呈不显著负相关(r=-0.251,r=-0.512),

综合分析显示,温度过高是抑制 Ci的一个重要

因素。

由图 18 可见,06:00—10:00,10:00—14:00

和 14:00—18:00 时 Ci 与 RH 均 表 现 为 正 相

关,其中 06:00—10:00 时表现为显著正相关

(r=0.575),表明在一定范围内,Ci

会随着 RH 的升

高而增大。

图13 玉米叶片蒸腾速率与温度的关系

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

图14 玉米叶片蒸腾速率与空气相对湿度的关系

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

193

第25页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

3 讨 论

光合作用是一个十分复杂的生理生化过

程[21]

,玉米通过光合作用为其自身的生长发育提

供所需的营养物质。净光合速率作为评价植物光

合作用的重要指标,一般 Pn的日变化趋势有单峰

型和双峰型[22-23]

2 种。本试验结果表明,高寒区

抽雄吐丝期玉米 Pn的日变化呈双峰型,最大值在

10:00,第 2 峰值出现在 14:00。光照对植物的生

理功能,特别是光合作用有显著影响[24]

。适宜的

光照条件能够增强净光合速率进而促进光合代

谢,而 PAR 过大则会出现光抑制,从而导致光合

图16 玉米叶片胞间CO2浓度与光合有效辐射的关系

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

maize

图17 玉米叶片胞间CO2浓度与温度的关系

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

图18 玉米叶片胞间CO2浓度与空气相对湿度的关系

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

194

第26页

历艳璐,等:高寒区玉米叶片光合参数日变化及其与环境因子关系

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

进入“午休”现象,Pn的变化是分析光合“午休”的

一个重要指标[25]

。11:00—12:00 时叶片光合出

现“午休”现象,10:00—14:00 时 PAR 和 T 均与 Pn

呈不显著负相关,此时间段的 PAR 和 T 为一天中

最高,推测导致高寒区玉米叶片出现“午休”现象

的最主要环境因子是PAR与T。

本试验研究表明,06:00—18:00 时 Gs与 PAR

呈显著正相关,说明 PAR 是影响 Gs最主要的环境

因子。在10:00时后Gs逐渐下降,这是由于T的增

大导致叶片气孔的缩小或关闭,从而导致 Gs的下

降。这与陶俊等[26-28]

认为,环境因子高温会导致

气孔导度或气孔阻力变化的结果一致。06:00—

10:00 时和 14:00—18:00 时 Gs与 RH 均呈显著负

相关,说明过高的 RH 是影响玉米叶片 Gs的主要

环境因素之一。

蒸腾作用是植物重要的生理作用,植物叶片

通过蒸腾作用完成植物体内水分与营养元素的

吸收以及运输。高寒区玉米叶片的 Tr日变化趋

势与 Pn基本一致:06:00—10:00 时,Tr与 PAR 表

现为极显著正相关,Tr与 RH 表现为极显著负相

关;14:00—18:00时,Tr与PAR表现为极显著正相

关,Tr与 RH 表现为极显著负相关,表明较好的光

照条件能够增加玉米叶片的蒸腾作用,早晚 RH

较大,而蒸腾速率较小,RH 可导致叶内外气压产

生变化,进而影响蒸腾速率的变化。

胞间CO2浓度的变化方向是确定光合速率变

化的主要原因。06:00—10:00 时 Ci与 PAR 呈极

显著负相关,Ci与T呈显著负相关,表明光照和温

度的逐渐升高导致玉米叶片的胞间CO2浓度降低;

06:00—10:00时,Ci

与RH呈显著正相关,10:00—

14:00 时和 14:00—18:00 时呈正相关,这表明空

气相对湿度可对其产生促进作用,在适宜范围内

随着空气相对湿度的升高,胞间CO2浓度会增大。

4 结 论

高 寒 区 玉 米 叶 片 的 净 光 合 速 率 为 4.51~

36.46 μmol/(m2

·s),日变化呈双峰曲线,第1峰值

在 10:00 时,第 2 峰值在 14:00 时,06:00—10:00

时净光合速率平均值 17.34 μmol/(m2

·s),高于下

午净光合速率的平均值14.51 μmol/(m2

·s)。气孔

导度在10:00时达到最大随后呈下降趋势。蒸腾

速率也呈双峰趋势,第1峰值出现在10:00,第2峰

值在13:00。06:00—10:00时和14:00—18:00时,

Pn与 PAR 均呈极显著正相关(r=0.927,r=0.921),

Pn与 T 均呈显著正相关(r=0.574,r=0.553),Pn与

RH 呈极显著负相关(r=-0.765,r=-0.712);Gs 与

PAR 均呈极显著正相关(r=0.772,r=0.578),Gs与

RH 均呈显著负相关(r=-0.550,r=-0.683);Tr 与

PAR 均呈极显著正相关(r=0.953,r=0.783),Tr与

RH均呈极显著负相关(r=-0.857,r=-0.823)。综上

分析表明,空气温度和光合有效辐射偏低,空气相

对湿度偏高是限制该高寒区玉米光合物质生产的

主要因子。

参考文献:

[1] 中华人民共和国国家统计局 . 中国统计年鉴 2017[M]. 北

京:中国统计出版社,2017.

[2] 赵久然,王帅,李明,等. 玉米育种行业创新现状与发展趋

势[J]. 植物遗传资源学报,2018,19(3):435-446.

[3] 吴佩蓉,王桂霞,郎宇 . 吉林省粮食结构变动及路径优化

研究[J]. 中国农机化学报,2020,41(2):206-211.

[4] 徐晓蓝,徐世浩,梁宗锁,等. 不同叶位黄精叶片的光合日

变化及其影响因子[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学

版),2020,48(2):119-128.

[5] 孙梅,田昆,张贇,等. 植物叶片功能性状及其环境适应研

究[J]. 植物科学学报,2017,35(6):940-949.

[6] Piao S L, Ciais P, Friedlingstein P, et al. Net carbon dioxide

losses of northern ecosystems in response to autumn warming[J].

Nature,2008,451(7174):49-52.

[7] 张吉旺,董树亭,王空军,等. 大田遮阴对夏玉米淀粉合成

关键酶活性的影响[J]. 作物学报,2008,34(8):1470-

1474.

[8] 郑洪建,董树亭 . 生态因素与玉米产量关系的研究[J]. 山

东农业大学学报(自然科学版),2000,31(3):315-319.

[9] 程建峰,沈允钢. 试析光合作用的研究动向[J]. 植物学报,

2011,46(6):694-704.

[10] 白岚方,张向前,王瑞,等 . 不同玉米品种光合特性及青

贮 产 量 品 质 的 差 异 性 研 究[J]. 作 物 杂 志 ,2020(1):

154-160.

[11] 李潮海,刘奎,周苏玫,等 . 不同施肥条件下夏玉米光合

对生理生态因子的响应[J]. 作物学报,2002,28(2):

265-269.

[12] 孙雪芳,丁在松,侯海鹏,等 . 不同春玉米品种花后光合

物质生产特点及碳氮含量变化[J]. 作物学报,2013,39

(7):1284-1292.

[13] 李少昆.关于光合速率与作物产量关系的讨论[J].石河子

大学学报(自然科学版),1998(S1):117-126.

[14] 朱韵哲,马国胜,张仁和,等 . 不同产量水平玉米品种光

合产物的积累与分配比较[J]. 西北农业学报,2013,22

(5):20-24.

[15] Li X G.Effects of different cultivation methods on photosyn⁃

thetic characteristics and yield of maize[J].China Collective

Economy,2018(27):162-163.

[16] 晏增,翟晓巧,马永涛,等 . 白蜡树净光合速率及其影响

195

第27页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

因子日变化研究[J]. 河南林业科技,2014,34(4):1-3.

[17] 杨浩,韩维栋,高秀梅. 山椒子光合特性日变化与其环境

因子的相关性分析[J]. 生态科学,2019,38(6):92-97.

[18] 张治安,杨福,陈展宇,等 . 菰叶片净光合速率日变化及

其与环境因子的相互关系[J]. 中国农业科学,2006,39

(3):502-509.

[19] 李海燕 . 年际间气象因子变化对玉米生长发育及产量的

影响[D].沈阳:沈阳农业大学,2013.

[20] 赵雪梅,张治安,杨福,等 . 菰叶片光合作用温度特性的

研究[J]. 吉林农业大学学报,2004,26(5):488-490.

[21] 张广富,赵铭钦,韩富根,等 . 烤烟净光合速率与生理生

态因子的关系[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版),

2011,37(2):187-192.

[22] 满为群,杜维广,张桂茹,等 . 高光效大豆品种光合作用

的日变化[J]. 中国农业科学,2002,35(7):860-862.

[23] 黄滔,唐红,廖菊阳,等 . 长果安息香夏季光合蒸腾日变

化与其环境因子的关系[J]. 中南林业科技大学学报,

2015,35(7):62-68.

[24] Kono M, Terashima I. Long-term and short-term responses

of the photosynthetic electron transport to fluctuating light

[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology B, Biology,

2014,137:89-99.

[25] 陈忠辉 . 植物与植物生理[M]. 2 版 . 北京:中国农业出版

社,2007:154-206.

[26] 陶俊,陈鹏,佘旭东 . 银杏光合特性的研究[J]. 园艺学

报,1999,26(3):157.

[27] 李宁毅,韩晓芳,宋妍.高温胁迫下不同浓度烯效唑对百日

草幼苗光合作用和叶绿素荧光参数的影响[J]. 吉林农业

大学学报,2012,34(1):5-10.

[28] 武志海,杨美英,吴春胜,等 .玉米群体冠层内蒸腾速率与

气孔导度的变化特性[J]. 吉林农业大学学报,2001,23

(4):18-20,24.

(责任编辑:王希)

196

第28页

吉林农业大学学报 2024,46(2):197-204 http : // xuebao.jlau.edu.cn

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

灌溉方式对施肥时期田面水氮磷浓度及水稻生

育性状影响*

牛世伟,徐嘉翼,隋世江,张 鑫,叶 鑫,王 娜**

辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所,沈阳 110161

摘 要:为探寻辽河三角洲地区稻田排水的利用方式,揭示稻田排水循环灌溉容易引起面源污染风险。通过

定位定期监测灌排沟渠水体氮磷浓度变化,研究灌溉模式对施肥时期田面水氮磷浓度与水稻生育性状的影

响。结果表明:灌水沟和排水渠水体总氮(TN)浓度于第2次达峰值(4. 49 mg/L和15. 61 mg/L)后下降,这与基

肥泡田时期相吻合,排水渠TN和总磷(TP)浓度高于灌水沟,关键施肥时期应控制稻田水外排,以减少排水渠

水体氮磷浓度。在基肥和追肥灌溉时期,施肥各处理田面水TN浓度在3 d达到峰值后下降,10 d趋于稳定,循

环灌溉比常规灌溉高0. 65~2. 42 mg/L,田面水TN浓度与氮肥用量呈正相关,排水循环灌溉后1 d的TN浓度均

高于常规灌溉,在3 d后差异不显著,排水循环灌溉与常规灌溉TP浓度差异不显著,排水循环灌溉增加了氮磷

流失风险,3 d内应避免田面水外排,基肥后10 d内也是氮磷流失风险期。排水循环灌溉结合氮肥减施22%可

促进水稻有效分蘖并提高产量,合理利用排水循环灌溉可应用于水稻生产和减少氮磷流失风险。

关键词:灌溉方式;田面水;氮磷流失;水稻;生育性状

中图分类号:S511 文献标志码:A 文章编号:1000-5684(2024)02-0197-08

DOI:10.13327/j.jjlau.2020.5709

引用格式:牛世伟,徐嘉翼,隋世江,等.灌溉方式对施肥时期田面水氮磷浓度及水稻生育性状影响[J].吉林农

业大学学报,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.

* 基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFD0800504),辽宁省科技重大专项(2019020171-JH1/103-01-03)

作者简介:牛世伟,男,副研究员,主要从事农业面源污染防控和资源利用研究。

收稿日期:2020-03-18

** 通信作者:王娜,E-mail:wnsxh1999@126.com

第29页

吉林农业大学学报 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

稻田排水主要来自稻田侧渗水、径流水和人

为排水,我国是水资源紧缺国家,农业用水量

3 693.1亿m3

,占总用水量6 015.5亿m3

的61.39%[1]

稻田灌溉水占农业用水量的60%以上[2]

。稻田排

水用于循环灌溉,节约灌溉用水量,对提高水资源

利用率有重要意义。稻田排水循环利用是缓解农

业水资源短缺、提高用水效率的重要途径,并已在

国内外有广泛应用[3]

,循环灌溉是利用降水或灌

溉排水进行再灌溉利用的一种田间水分管理模

式[4]

,Hama 等[5]

研究结果表明,控制排水循环灌

溉能提供 85% 的灌溉用水量。尤其是水稻生产

过程中,稻田排水增加了氮磷等物质向河流等地

表水体的排放,水稻施肥后,排水中含有大量的氮

磷,这成为农业面源污染的主要来源之一,再利用

排水中的氮、磷等养分,可减少化肥投入,对降低

农业面源污染风险具有重要意义。Zulu等[6]

研究

发现,采用排水灌溉补充 15% 年灌溉水量,排水

灌溉输入区块的氮磷总量高于流出量,表明稻田

作为人工湿地具有净化水质的作用,排水循环提

供补充水源供给作物所需水分,也可以减少对水

环境的影响[7]

。然而,已有的研究尚未见关于稻

田排水循环灌溉容易引起面源污染风险,尤其是

关键施肥时期排水循环灌溉对田面水氮磷浓度的

影响。本试验通过排水循环灌溉田间试验,再结

合肥料减施优化处理,分析稻田排水循环灌溉对

田面水氮磷浓度及水稻产量的影响,为平原稻区

排水循环利用和面源污染防控提供依据。

1 材料与方法

1. 1 试验区概况

试验田块位于辽宁省盘山县坝墙子镇烟李村

(试验始于 2017 年),处于辽河三角洲中部地区,

属于温带半湿润季风气候区,多年平均降水量约

为 650 mm,多集中在 7—8 月,无霜期约 170 d,具

有完备的灌排沟渠。供试土壤为盐碱水稻土,试

验前耕层土壤理化性质为pH 7.8,有机质17.7 g/kg,

全氮 1.58 g/kg,碱解氮 71.0 mg/kg,全磷(P2O5

4.06 g/kg,有效磷(P2O5

)43.28 mg/kg,全钾(K2O)

18.55 g/kg,速 效 钾(K2O)154.0 mg/kg,全 盐 量

1.17 g/kg。

1. 2 试验设计

试验设置常规灌溉和循环灌溉 2 种灌溉模

式,常规灌溉用水来自排灌站汲取的辽河水,循环

灌溉用水来自抽取的排水主渠汇集的稻田尾水;

施氮肥量设置3个水平,不施肥料(ck)、减量施氮

(N 210 kg/hm2

)和常规施氮(N 270 kg/hm2

)。设

置 6个处理:常规灌溉+不施肥料(CGck),循环灌

溉 + 不 施 肥 料(XHck),常 规 灌 溉 + 减 量 施 氮

(CGN210),循环灌溉+减量施氮(XHN210),常规

灌溉+常规施肥(CGN270),循环灌溉+常规施肥

(XHN270)。施用氮肥种类为大颗粒尿素(46%),

分蘖时期追肥1次,基肥∶分蘖肥比例为8∶2(当地

施肥习惯);磷肥为过磷酸钙(P2O5 12%),钾肥为

氯化钾(K2O 60%),施肥各处理磷肥(P2O5

)和钾肥

198

第30页

牛世伟,等:灌溉方式对施肥时期田面水氮磷浓度及水稻生育性状影响

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

(K2O)用量为90 kg/hm2

,磷钾肥全部基施。

每个小区面积为 200 m2

,每个处理 3次重复,

随机排列,小区用宽50 cm、高50 cm土埂隔离,灌

溉时采用抽水泵单独灌溉并水量一致。供试水稻

品种为“盐丰47”,5月15日施肥旋耕,5月17日泡

田,5月22日插秧,机械插秧密度为30 cm×18 cm,

10 月 15 日收获水稻。除自然降水外,田间灌溉

作业 18 次,其中,基肥和追肥后 1,7,15 d 进行灌

溉,每次灌溉 8.0 cm,其他正常灌溉,水量合计

14 400 m3

/hm2

,田间不排水,其他按照常规田间管

理进行。

1. 3 样品采集及测试方法

灌水水样和排水水样:于每次灌溉时 10:00

进行取样,在灌水沟和排水渠分别定位采集 3 个

位点,每个位点采集 500 mL,装入塑料采样瓶,并

迅速放入冰柜冷冻保存,用于测定总氮和总磷

指标。

田面水水样:于施肥后1,3,5,7,10,15 d 10:00

对田面水进行取样。每个小区定位采集 5 个位

点,混合后装入采样瓶,冷冻保存。

水稻植株采样:水稻成熟后,每个小区随机选

取 3块 2 m×2 m 样方,收获并晾晒测产,各处理随

机选取 10 穴测量株高、有效分蘖数等生育性状

指标。

采集的水样用德国 AA3 流动分析仪(Bran

Luebbe)测定TN和TP浓度。

1. 4 数据处理

试验数据采用 Microsoft Excel 2007 软件进行

处理和绘图,用软件SPSS 18.0进行检验差异显著

性统计分析。

2 结果与分析

2. 1 灌排沟渠水体TN和TP浓度

2. 1. 1 灌排沟渠水体 TN 浓度 稻田灌水沟和

排水渠水体 TN 浓度,结果见图 1,灌水沟灌水 TN

浓度较为平稳,最大值为第 2 次的 4.49 mg/L,最

小值为第18次的2.26 mg/L,平均值为2.93 mg/L,整

体波动幅度相对不大。排水渠排水 TN 浓度变化

幅度较大,最大值为第 2次的 15.61 mg/L,最小值

为第18次的5.99 mg/L,平均值为8.60 mg/L,除前

5次外,其他结果趋于平稳。排水渠排水 TN平均

浓度大于灌水沟,排水渠排水TN浓度均高于灌水

沟灌水,并且差异显著,同一时期差值最大时为

11.59 mg/L,差值最小时也达到 3.72 mg/L。排水

渠中水体TN浓度第1峰值和第2峰值正处于基肥

泡田时期和追肥时期,施肥时期是排水渠水体TN

流失高风险期,应加强田间管理并控制稻田水外

排,以减少稻田氮素的流失。

2. 1. 2 灌排沟渠水体 TP 浓度 灌水沟和排水

渠水体 TP 浓度结果见图 2,灌排沟渠水体 TP 浓

度均呈波动变化,灌水沟灌水 TP 浓度最大值为

第3次的0.108 mg/L,最小值为第6次的0.091 mg/L,

平均值为 0.098 mg/L,>0.100 mg/L 的数值出现

5 次。排水渠排水 TP 浓度最大值为施肥初期的

0.123 mg/L,最 小 值 为 0.094 mg/L,平 均 值 为

0.106 mg/L,>0.100 mg/L 的数值有 12 次,较高的

峰值有 5 次。排水渠排水 TP 平均浓度高于灌水

沟,比灌水沟高8.16%,除第10次外,其他TP浓度

均高于灌水沟,差值最大时为 0.021 mg/L,差值最

小时0.001 mg/L。

图1 灌排沟渠水体TN浓度

Fig. 1 TN concentrations in ditch irrigation water

199

第31页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

通过稻田灌排沟渠水体结果可知,稻田排水

渠排水 TN 和 TP 浓度高于灌水沟灌水浓度,稻田

排水可进行田间循环灌溉,供给水稻所需的营养

元素和水分,减少稻田的氮磷排放,并降低对水环

境的影响[8]

2. 2 灌溉方式对基肥后稻田田面水TN和TP浓

度的影响

2. 2. 1 灌溉方式对基肥后稻田田面水 TN 浓度

的影响 各处理田面水 TN浓度结果见图 3,施肥

各处理在 3 d 达到峰值后下降,可能是基肥中氮

素溶解后释放到田面水中,使田面水 TN 浓度迅

速升高,在 10 d 趋于稳定。循环灌溉田面水 TN

平均浓度高于常规灌溉 1.08~2.42 mg/L,其中,

XHck 处理 TN 平均浓度 4.67 mg/L,比 CGck 处理

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

浓度 13.13 mg/L,比 CGN210处理(10.71 mg/L)高

2.42 mg/L;XHN270处理TN平均浓度14.01 mg/L,

比 CGN270 处 理(12.78 mg/L)高 1.23 mg/L。

CGN210 田面水 TN 平均浓度低于 CGN270 处理,

而 XHN210略高于 CGN270处理,而低于 XHN270

处理,说明氮肥减施 22% 后降低了田面水 TN 平

均浓度 16.20%,田面水 TN 浓度与氮肥用量呈正

相关,随着氮肥用量增加而升高,循环灌溉能够提

高田面水TN浓度,结合适量氮肥减施后还略高于

常规处理。稻田排水循环灌溉后1 d的TN浓度均

高于常规灌溉,在 3 d 后差异不显著(通过 XHck

与CGck灌溉后1,3,7,10 d比较),因此,应用排水

循环灌溉时也增加了稻田田面水氮素流失风险,

排水灌溉后3 d内应避免田面水外排,同时基肥后

灌溉10 d内也是氮素流失风险期。

2. 2. 2 灌溉方式对基肥后稻田田面水 TP 浓度

的影响 基肥后稻田田面水 TP 浓度结果见图 4,

从各处理整体上看,田面水TP浓度在初期为最高

值,之后一直呈下降趋势,10 d 趋于平稳。CGck

处理 TP 平均浓度 0.117 mg/L 为最小值,XHN270

和 CGN210 处理 TP 平均浓度 0.120 mg/L 为最大

图2 灌排沟渠水体TP浓度

Fig. 2 TP concentrations in ditch irrigation water

图3 灌溉方式对田面水TN浓度的影响

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

200

第32页

牛世伟,等:灌溉方式对施肥时期田面水氮磷浓度及水稻生育性状影响

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

值,且各处理间差异不显著,这可能与土壤有效磷

浓度高及田间水耙地作业有关,土壤被搅动后,使

田面水 TP 浓度升高,之后磷素逐渐被土壤固定,

而田面水TP浓度逐渐降低。田面水TP浓度与磷

肥用量90 kg/hm2

以内相关性不大,且排水循环灌

溉与常规灌溉差异不显著,基肥期间 10 d内应用

排水循环灌溉对稻田田面水磷素流失风险影响较

小,但基肥后灌溉10 d内是磷素流失风险期。

2. 3 灌溉方式对追肥后稻田田面水TN和TP浓

度的影响

2. 3. 1 灌溉方式对追肥后稻田田面水 TN 浓度

的影响 追肥后稻田田面水TN浓度结果见图 5,

各施肥处理在 3 d 达到峰值后呈下降趋势,到

10 d 基本稳定,这与基肥趋势一致,氮肥施入

初期影响田面水 TN 浓度大于灌溉的影响。循

环灌溉田面水 TN 平均浓度高于常规灌溉 0.65~

0.80 mg/L,其中XHck处理TN平均浓度3.23 mg/L,

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

处 理 TN 平 均 浓 度 4.94 mg/L 比 CGN210 处 理

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

浓 度 5.30 mg/L 比 CGN270 处 理(4.65 mg/L)高

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

CGN270 处 理 0.45 mg/L,但 XHN210 略 高 于

CGN270 处 理 0.29 mg/L,而 低 于 XHN270 处 理

0.36 mg/L,同样说明氮肥减施可降低田面水 TN

浓度,并且田面水 TN 浓度与氮肥用量呈正相关,

循环灌溉能够提高田面水 TN 浓度。排水循环灌

溉与常规灌溉在3 d后差异不显著,在此期间应避

免稻田水外排,以减少氮素流失。

2. 3. 2 灌溉方式对追肥后稻田田面水 TP 浓度

的影响 追肥后稻田田面水 TP 浓度结果见图 6,

各处理田面水TP浓度变幅不大,施肥处理与不施

肥处理间差异显著,排水循环灌溉与常规灌溉差

图4 灌溉方式对田面水TP浓度的影响

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

图5 灌溉方式对田面水TN浓度的影响

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

201

第33页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

异 不 显 著 ,但 对 田 面 水 TP 浓 度 有 小 幅 提 高

(0.001~0.002 mg/L)。与基肥灌溉不同,灌溉 1 d

内 TP 浓度相对较高,灌溉 3~4 d 后有小幅下降

(0.001~0.012 mg/L),说明不用农机扰动土壤进

行灌溉时,灌溉水中的磷素或灌溉过程中产生的

土壤轻微扰动对田面水TP浓度有一定提高作用。

非基肥期间,灌溉 3 d 内对稻田田面水 TP 浓度有

一定提高,应用排水循环灌溉对稻田田面水磷素

流失风险影响较小。

2. 4 灌溉方式对水稻农艺性状及产量的影响

由表 1可知,循环灌溉结合适量的氮肥减施

可以促进有效分蘖,使水稻株高和秸秆量适度,

提高水稻产量。产量依次为 XHN210>CGN270>

XHN270>CGN210>XHck>CGck,XHN210 处理产

量 最 高 ,为 11 932.59 kg/hm2

。 XHN270 比

CGN270 处理产量降低 2.40%,常规施肥进行循

环灌溉有小幅减产,说明利用稻田排水循环灌溉

时,要对施入氮肥进行适度减量。XHN210 比

CGN270处理增产0.89%,差异不显著,XHN210能

够节约氮肥22%,且能够保持稳产。

3 讨 论

合理利用农业灌区排水对减缓水资源矛盾、

保护生态环境具有重要意义[9]

,特别是灌溉排水

导致的氮磷流失成为地表水体富营养化的主要

污染源之一[10-11]

,本研究监测灌溉时灌排沟渠

水体和施肥时期稻田田面水氮磷浓度变化,

有助于预警氮磷流失风险和稻田面源污染的

防控。图 1 和图 2 结果表明,灌水沟常规灌溉期

间,TN 浓度为 2.26~4.49 mg/L,TP 浓度为 0.091~

0.108 mg/L,整体较为平稳,这与王赫[12]

的监测结

果较为一致。排水渠水体 TN 平均浓度高于灌水

沟,第2次时达到峰值,在第6次后趋于稳定,但整

体高于灌水沟3.72~5.63 mg/L,同时与稻田施肥时

期田面水TN浓度变化趋势一致,说明稻田在施肥

时期有稻田排水现象;而排水渠TP浓度整体呈波

动变化,平均浓度略高于灌水沟,介于 0.094~

0.123 mg/L,与灌水沟有10次以上差异显著。基于

试验地所处地区水稻生产用水量为14 400 m3

/hm2

图6 灌溉方式对田面水TP浓度的影响

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

表1 水稻产量和农艺性状分析

Table 1 Analysis of yield and agronomic traits of rice

处理

CGck

XHck

CGN210

XHN210

CGN270

XHN270

有效分蘖数

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

秸秆生物量/(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

子粒产量/(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:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

202

第34页

牛世伟,等:灌溉方式对施肥时期田面水氮磷浓度及水稻生育性状影响

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

按照排水渠水体循环灌溉TN平均浓度8.60 mg/L、

TP 平均浓度 0.106 mg/L 以及利用排水循环灌溉

20% 计算,可至少减少氮磷流失 25.07 kg/hm2

上,并实现节约用水2 880 m3

/hm2

排水循环灌溉是减少稻田氮磷流失的主要措

施之一,循环灌溉后可以延长水力的停留时间,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营养物质,提高氮磷的

净化率[13-14]

。本研究表明,同等施肥管理条件下,

图3中基肥时期进行循环灌溉,田面水TN浓度比

常规灌溉高 1.01~3.33 mg/L,TN 平均浓度高于

3 个不同处理常规灌溉 1.08~2.42 mg/L,图 5中追

肥时期进行循环灌溉,田面水TN浓度比常规灌溉

高 0.16~1.85 mg/L,TN 平均浓度高于 3 个不同处

理常规灌溉 0.65~0.80 mg/L,图 4和图 6中基肥和

追肥时期排水循环灌溉与常规灌溉处理间 TP 浓

度的差异不显著,排水循环灌溉能够小幅提高田

面水 TN 和 TP 浓度,但氮磷肥的施用是稻田田面

水氮磷浓度较大的主要来源[15]

,本研究与唐敏

等[16-18]

研究表明,施肥 10 d 内是氮磷的流失风险

期一致,与王强等[19-20]

研究结果,施肥后 5 d 内和

8 d内是稻田径流流失的高风险期有所不同,这可

能是南北方种植环境导致的。施肥时期和排水循

环灌溉时应加强田间管理,保持田面水合适水位,

控制稻田水外排,同时满足水稻不同生育时期对

水分和养分的需求。本研究结果认为,排水灌溉

时期和灌溉水位也是重要因素,水稻施肥时期、降

雨高发期和稻田高水位时期,应降低施肥用量和

减少排水灌溉,田面水中氮磷浓度较高容易增加

稻田氮磷流失风险[21-22]

我国水资源日益紧缺,将稻田排水循环再利

用是解决农业用水和缓解水资源供需矛盾的有效

途径之一,灌溉水质浓度与水稻的生长指标和产

量密切相关[23-27]

,在北方盐碱地区进行稻田排水

循环灌溉时,要及时掌握稻区盐度变化,盐度较高

时及时改变灌溉方式,例如进行河水和排水交替

灌溉或混合灌溉,以减少盐碱对水稻的危害,本研

究的稻田减量施肥结合排水循环灌溉对水稻稳产

高产的持久性也有待进一步研究。

4 结 论

(1)灌水沟和排水渠TN浓度在均第2次达到

峰值(4.49 mg/L和 15.61 mg/L)后下降,平均值分

别为 2.93 mg/L 和 8.60 mg/L,TP 浓度均呈波动变

化,排水渠TP平均浓度高于灌水沟0.008 mg/L,稻

区泡田时期和追肥时期应控制稻田水外排,以减

少排水渠水体氮磷浓度,降低稻田面源污染风险。

(2)基肥灌溉期,施肥各处理田面水 TN 浓度

在 3 d 达到峰值后下降,10 d 趋于稳定,循环灌溉

比常规灌溉高 1.08~2.42 mg/L,田面水 TN 浓度与

氮肥用量呈正相关,排水循环灌溉后 1 d的 TN 浓

度均高于常规灌溉,在3 d后差异不显著。各处理

田面水TP浓度在初期达最大值后下降,10 d趋于

平稳,TP 浓度与磷肥用量 90 kg/hm2

以内相关性

不大,且排水循环灌溉与常规灌溉差异不显著。

排水循环灌溉增加了流失风险,灌溉后3 d内应避

免田面水外排,同时基肥后灌溉 10 d内也是氮磷

流失风险期。

(3)追肥灌溉期,施肥各处理在 3 d达到峰值

下降,10 d 基本稳定,循环灌溉田面水 TN 平均浓

度高于常规灌溉 0.65~0.80 mg/L,循环灌溉能提

高田面水 TN 浓度。TP 浓度动态变幅较小,施肥

处理与不施肥处理间差异显著,排水循环灌溉与

常规灌溉差异不显著,监测灌溉 1 d 后 TP 浓度由

高降低。排水循环灌溉3 d内避免稻田水外排,减

少氮磷流失。

(4)循环灌溉结合适量的氮肥减施可促进水

稻有效分蘖,提高产量,节约氮肥 22%且稳产,合

理利用稻田排水对水稻生产及面源污染防控有重

要意义。

参考文献:

[1] 中华人民共和国国家统计局 . 中国统计年鉴[M]. 北京:中

国统计出版社,2019.

[2] 和玉璞,张建云,徐俊增,等. 灌溉排水耦合调控稻田水分

转化关系[J]. 农业工程学报,2016,32(11):144-149.

[3] Jury W A, Tuli A, Letey J. Effect of travel time on manage⁃

ment of a sequential reuse drainage operation[J]. Soil Science

Society of America Journal,2003,67(4):1122-1126.

[4] 于颖多,焦平金,许迪,等. 排水循环灌溉驱动的稻区水循

环模型与评价[J]. 农业工程学报,2016,32(11):138-143.

[5] Hama T, Nakamura K, Kawashima S. Effectiveness of cyclic

irrigation in reducing suspended solids load from a paddyfield district[J]. Agricultural Water Management,2009,97

(3):483-489.

[6] Zulu G, Toyota M, Misawa S I. Characteristics of water reuse

and its effects on paddy irrigation system water balance and

the riceland ecosystem[J]. Agricultural Water Management,

1996,31(3):269-283.

203

第35页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

[7] Qadir M, Oster J D. Crop and irrigation management strategies

for saline-sodic soils and waters aimed at environmentally sus⁃

tainable agriculture[J]. The Science of the Total Environ⁃

ment,2004,323(1-3):1-19.

[8] 叶鑫,张鑫,隋世江 . 有机肥替代化肥氮对稻田田面水氮

素浓度变化及产量的影响[J]. 吉林农业大学学报,2023,

45(2):137-142.

[9] 王少丽,许迪,刘大刚. 灌区排水再利用研究进展[J]. 农业

机械学报,2016,47(4):42-48,28.

[10] 张维理,武淑霞,冀宏杰,等 . 中国农业面源污染形势估

计及控制对策 I.21世纪初期中国农业面源污染的形势估

计[J]. 中国农业科学,2004,37(7):1008-1017.

[11] 赵军,杨凯,邰俊,等 . 区域景观格局与地表水环境质量

关系研究进展[J]. 生态学报,2011,31(11):3180-3189.

[12] 王赫. 辽宁省辽河流域水质污染特征分析[J]. 环境科学与

管理,2016,41(5):51-54.

[13] Shiratani E, Munakata Y, Yoshinaga I, et al. Scenario analy⁃

sis for reduction of pollutant load discharged from a water⁃

shed by recycling of treated water for irrigation[J]. Journal of

Environmental Sciences (China),2010,22(6):878-884.

[14] 刘国丽,牛世伟,徐嘉翼,等 . 基于高通量测序分析优化

施氮对养蟹稻田土壤细菌多样性的影响[J]. 吉林农业大

学学报,2019,41(6):686-694.

[15] 焦平金,许迪,朱建强,等 . 排水循环灌溉下稻田磷素时

空分布特征[J]. 环境科学,2016,37(10):3842-3849.

[16] 唐敏,许文来,郭宗会. 施肥过程中尿素的迁移与转化研

究[J]. 绿色科技,2017(6):59-61.

[17] 王小治,朱建国,宝川靖和,等 . 施用尿素稻田表层水氮

素的动态变化及模式表征[J]. 农业环境科学学报,2004,

23(5):852-856.

[18] 杨坤宇,王美慧,王毅,等 . 不同农艺管理措施下双季稻

田氮磷径流流失特征及其主控因子研究[J]. 农业环境科

学学报,2019,38(8):1723-1734.

[19] 王强,姜丽娜,潘建清,等 . 一次性施肥稻田田面水氮素

变化特征和流失风险评估[J]. 农业环境科学学报,2019,

38(1):168-175.

[20] 单峰,王淑平,王惠惠,等 . 太湖典型地区水稻田面水氮

素时空变异特征研究[J]. 吉林农业大学学报,2009,31

(3):284-290.

[21] 周静雯,苏保林,黄宁波,等 . 不同灌溉模式下水稻田径

流污染试验研究[J]. 环境科学,2016,37(3):963-969.

[22] 侯朋福,薛利祥,俞映倞,等 . 稻田径流易发期不同类型

肥料的氮素流失风险[J]. 农业环境科学学报,2017,36

(7):1353-1361.

[23] 尹爱经,薛利红,杨林章,等 . 生活污水氮磷浓度对水稻

生长及氮磷利用的影响[J]. 农业环境科学学报,2017,36

(4):768-776.

[24] 张欣宇,王呈玉,李锦秀,等 .不同施肥处理对黑钙土理化

性质及产量的影响[J/OL].吉林农业大学学报:1-6[2024-

01-20]. https://doi.org/10.13327/j.jjlau.2021.1728.

[25] 王晓飞,魏国江,徐海军,等.播期、密度及施肥量对寒地紫

苏产量的影响[J].吉林农业大学学报,2020,42(1):69-76.

[26] 苍柏峰,姜浩,李韫哲,等 .不同施肥模式对东北粳稻产量

及氮肥利用率的影响[J]. 吉林农业大学学报,2022,44

(1):21-27.

[27] 辛贵民,刘春海,吴明根,等 .施肥方式和种植年限对春季

冻融期稻田土壤温室气体排放的影响[J]. 吉林农业大学

学报,2020,42(6):669-678.

(责任编辑:林海涛)

204

第36页

吉林农业大学学报 2024,46(2):205-210 http : // xuebao.jlau.edu.cn

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

滴灌磷肥分配比例对玉米磷素吸收利用的影响*

戚昕元,曹国军**,耿玉辉,邹 欣

吉林农业大学资源与环境学院,长春 130118

摘 要:通过膜下滴灌水肥一体化田间试验,在灌水定额(150 mm)和施磷量(P2

O5 80 kg/hm2

)一定的条件下,

研究磷肥不同施用时期及分配比例对玉米产量及磷素吸收利用的影响。结果表明:磷肥分次施磷处理(P2,

P3,P4,P5

)产量均高于一次性基肥处理P1,以P4处理(磷肥40%基肥、15%拔节追肥、35%喇叭口追肥、10%抽雄

追肥)产量最高,为 12 370. 0 kg/hm2

,比 P1处理增产 5. 2%。磷肥分次施用可提高拔节期之后植株磷素积累量

和积累速率,以 P4处理磷素吸收积累量最高,完熟期达 81. 9 kg/hm2

。拔节期-喇叭口期、抽雄期-灌浆期可作

为磷素营养的关键阶段,并以抽雄期-灌浆期为重。磷肥分次施用与 P1处理相比,磷肥利用率提高 28. 1%~

87. 0%,磷肥偏生产力提高2. 0%~5. 2%,磷肥农学效率提高22. 4%~57. 5%。

关键词:磷素;膜下滴灌;分配比例;玉米;产量;磷肥利用率

中图分类号:S513;S143. 2 文献标志码:A 文章编号:1000-5684(2024)02-0205-06

DOI:10.13327/j.jjlau.2020.5684

引用格式:戚昕元,曹国军,耿玉辉,等 .滴灌磷肥分配比例对玉米磷素吸收利用的影响[J].吉林农业大学学

报,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

* 基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFD0201505,2018YFD0300203,2017YFD0300604)

作者简介:戚昕元,女,硕士研究生,研究方向:植物营养学。

收稿日期:2020-03-10

** 通信作者:曹国军,E-mail:cgj72@126.con

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吉林农业大学学报 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

吉林省西部地区属半干旱区,是重要的旱作

农业产区之一[1]

。目前,水资源分布不均匀,农业

用水占总用水量的 60% 以上,水资源短缺已成为

制约农业粮食生产的重要因素。玉米是典型的磷

敏感作物,磷素作为三大营养元素之一,对促进玉

米生长发育和提高产量起到至关重要的作用[2]

我国磷肥生产和消费量均居世界前列,然而我国

磷肥当季利用率<25%,肥料利用率水平远低于发

达国家[3]

。水肥一体化能够显著提高作物产量和

肥料利用率,实现水分和肥料的综合调控及一体

化管理,以水促肥、以肥调水,提高磷肥利用率和

玉米对磷素的吸收利用[4]

。磷肥随水分次滴施,

可以增加磷的移动性和有效性[5]

。耿玉辉等[6]

究认为,在总施磷量固定的条件下,生育后期追施

磷肥能显著提高玉米对磷素的吸收利用。王聪

宇[7]

通过磷肥施用时期试验表明,磷肥分次追施

要优于一次性基施和一次追施,以磷肥 50% 基

肥,25% 拔节期追肥,25% 喇叭口追肥效果最好。

张国桥等[8]

研究得出,液体磷肥100%追施可以显

著提高玉米中后期产量的形成及磷素吸收利用效

率。目前,膜下滴灌水肥一体化大部分磷肥仍以

基肥为主,做追肥比例较少,未能充分发挥在水肥

一体化技术中磷素资源的高效利用。

本研究利用膜下滴灌水肥一体化技术,在灌

水定额和施磷量一定的条件下,研究了磷肥不同

施用时期及分配比例对吉林省西部半干旱区玉米

产量和磷素吸收利用的影响,探讨了不同生育时

期磷肥的合理分配比例,旨在为吉林省半干旱区

膜下滴灌水肥一体化条件下磷肥合理施用及高效

利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1. 1 试验区概况

本试验于 2018 年在吉林省乾安县赞字乡父

字村进行,5月15日播种,该地区属半干旱温带大

陆性季风气候,年平均气温 4.6 ℃,日照时间

2 866.6 h,全年积温2 884.5 ℃·d,无霜期平均145 d,

年均降水量 350 mm。土壤类型为黑钙土,土壤

pH 为 7.8,有机质 18.2 g/kg,全氮 1.32 g/kg,全磷

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

1. 2 试验材料与设计

田间试验采用地膜覆盖,大垄双行种植,垄宽

130 cm,施肥罐选用 25 L 压差式施肥罐。供试玉

米品种为“富民 985”,种植密度 8.0万株/hm2

。供

试肥料:氮肥为尿素(N 46%),磷肥基肥为磷酸二

铵(N 18%,P2O5 46%),追肥为工业级磷酸一铵

(N 12%,P2O5 60%),钾 肥 基 肥 为 硫 酸 钾(K2O

50%),追肥为工业级氯化钾(K2O 60%)。

磷肥施用时期及分配比例试验共设置 6 个

处理,每个处理 3次重复,共 18个小区,小区面积

30 m2

,随机区组排列。根据乾安县多年田间试验

结果确定本试验施肥量,各处理均施N 180 kg/hm2

施 K2O 80 kg/hm2

,除 P0 处理外各处理均施 P2O5

80 kg/hm2

。由于磷容易被土壤固定、移动性小,

存在后移现象,本试验根据磷素吸收规律,将抽雄

期追肥比例前移至拔节期及喇叭口期分配,以满

足玉米前期生长及中后期的磷素吸收。各处理磷

肥施用方法见表 1。各处理氮肥滴施 4 次,磷、钾

肥滴施3次,氮、钾滴施时期及分配比例见表2。

表1 磷肥不同施用时期及分配比例

Table 1 Different application methods and distribution ratios of phosphate fertilizer

处理

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/%

拔节期

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页

戚昕元,等:滴灌磷肥分配比例对玉米磷素吸收利用的影响

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

各处理生育期灌水定额均为150 mm,可保证

玉米生育期内降水量与灌水定额之和的下限为

450~500 mm。玉米生育期内滴灌 5 次,每次滴灌

的灌水定额依据玉米不同生育时期需水量、降雨

情况及土壤墒情确定,各处理灌水定额及分配比

例见表 3。每次滴灌补水量最少应达到土壤相对

含水量的下限(表4)。

1. 3 测定项目与方法

采样时期及方法:各处理均在玉米拔节期、喇

叭口期、抽雄期、灌浆期、乳熟期、完熟期进行田间

观测和样品采集。每个小区选取有代表性的植株

3 株,并按叶片、茎秆、子粒各器官进行分类,

105 ℃杀青30 min 后,85 ℃烘干至恒重。

表3 各处理不同生育时期灌水定额及分配比例

Table 3 Irrigation quota and distribution ratio in differ⁃

ent growth periods

生育时期

苗期

拔节期

大口期

抽雄期

灌浆期

全生育期

分配比例/%

5

15

30

30

20

100

灌水定额/mm

7.5

22.5

45

45

30

150

表4 各生育时期土壤相对含水量下限

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

项目

土层深/cm

田间持水量/%

苗期

20

60

拔节期

40

70

大口期

60

75

抽雄期

60

80

灌浆期

60

80

玉米产量的测定:在玉米成熟期,每个试验小

区选取约10 m2

,选择玉米生长程度均匀的区域进

行测产,参考重量均值法,采集10穗鲜穗样本,根

据每个小区所采集的10穗子粒的风干重量(含水

量以14%计)计算得出。

植株全磷含量的测定:将植株样品烘干粉碎

后,经 H2SO4-H2O2消煮,采用钒钼黄比色法测定

全磷含量。

植株磷素积累量(kg/hm2

)=植株磷含量(%)×

植株生物量(kg/hm2

);磷素阶段积累量(kg/hm2

)=

2 个相邻生育时期磷素积累量之差;磷素阶段吸

收积累速率[kg/(hm2

∙d)]=磷素阶段积累量/2个

生育时期间隔天数;磷肥利用率=(施磷处理的植

株吸磷量-不施磷处理植株吸磷量)/P2O5施用量×

100%;磷肥偏生产力=施磷区子粒产量/施磷量;

磷肥农学效率=(施磷处理子粒产量-不施磷处理

子粒产量)/施磷量。

1. 4 数据处理与统计分析

采用 Microsoft Excel 2016 和 SPSS 统计分析

软件对数据进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2. 1 磷肥不同施用时期及分配比例对玉米植株

磷素吸收积累的影响

由图1可见,玉米植株磷素积累量,随着生育

时期的推进表现出逐渐增加的趋势,呈“S”型曲线

增长,拔节期(34 d)开始磷素积累加快,至乳熟期

(99 d)磷素积累增加趋于缓慢,在完熟期达到最

大。由图 1 可见,施磷处理不同生育时期磷素积

累量均高于不施磷处理P0,完熟期(131 d)各处理

的磷素积累量比 P0处理提高 9.3%~14.7%。在相

同施磷量条件下,从拔节期开始,磷肥分次施用处

理 P(2 磷肥 40% 拔节期追肥、40% 喇叭口期追肥、

20%抽雄期追肥)、P(3 磷肥40%基肥、35%拔节期

追肥、15% 喇叭口期追肥、10% 抽雄期追肥)、P4

(磷肥 40% 基肥、15% 拔节期追肥、35% 喇叭口期

追肥、10% 抽雄期追肥)、P(5 磷肥 40% 基肥、15%

拔节期追肥、20% 喇叭口期追肥、25% 抽雄期追

肥)处理磷素积累量均高于P(1 一次性基肥)处理,

其中 P4处理拔节期后的各生育时期磷素积累量

表2 氮、钾滴施时期及分配比例

Table 2 N and K dripping period and distribution ratio %

养分

N

K2

O

基肥

30

30

拔节期

20

40

大口期

25

25

抽雄期

15

5

灌浆期

10

0

207

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均处于最高水平,至完熟期达 81.9 kg/hm2

,比 P1

高7.3%,其次为P3处理,完熟期达80.6 kg/hm2

,比

P1高 5.6%。在拔节期之前,由于 P1处理磷肥全部

作基肥施用,其磷素积累量高于其他各处理。完

熟期磷素积累量大小顺序依次为 P4>P3>P5>P2>P1

>P0。可见,玉米对磷素吸收积累,随着玉米生育

时期的推进,呈增加的趋势,在乳熟期之后随着生

长发育的推进,磷素吸收积累量变化不明显。说

明膜下滴灌水肥一体化条件下,玉米在乳熟期前

对磷素营养的需求始终保持较高的水平。

图 2为不同生育时期玉米磷素阶段积累量,结

合表5可知,各处理在抽雄期-灌浆期磷素阶段积累

量和阶段积累速率最大,阶段积累量占总积累量

32.57%~34.42%,平均阶段积累量为27.29 kg/hm2

平均阶段积累速率为 1.30 kg/(hm2

∙d),其中 P4处

理磷素阶段积累量和阶段积累速率最高,分别为

29.17 kg/hm2

和 1.39 kg/(hm2

∙d),比 P1处理分别

提高 9.3% 和 9.3%;其次是拔节期-喇叭口期阶

段,各处理磷素阶段积累量占总积累量 19.42%~

22.12%,平均阶段积累量为 16.87 kg/hm2

,平均阶

段积累速率为 1.12 kg/(hm2

∙d),其中 P4 处理磷

素阶段积累量和阶段积累速率最高,分别为

18.23 kg/hm2

和 1.22 kg/(hm2

∙d),比 P1处理分别

提高 18.4% 和 18.4%。可见,在膜下滴灌水肥一

体化条件下,玉米在拔节期-喇叭口期、抽雄期灌浆期出现 2 个磷素积累高峰,可作为磷素营养

调控的2个重要生育阶段,并以抽雄期-灌浆期为

重,磷肥分次施用可提高这 2 个生育阶段的磷素

积累量和积累速率,其中 P4处理效果更为明显。

灌浆期之后对磷素吸收积累较为缓慢,乳熟期完熟期对磷素吸收积累趋于平缓,各处理磷素阶

段积累量占总积累量 3.00%~5.26%,积累速率为

0.08~0.13 kg/(hm2

∙d)。

图1 不同处理玉米植株磷素积累量

Fig. 1 Phosphorus accumulation in maize plants un⁃

der different treatments

图2 各处理不同生育时期磷素阶段积累量

Fig. 2 Phosphorus accumulation in different growth

stages of each treatment

表5 各处理不同生育时期磷素阶段积累速率

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

∙d)

处理

P0

P1

P2

P3

P4

P5

出苗-拔节

0.18

0.23

0.19

0.23

0.23

0.23

拔节-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-灌浆

1.11

1.27

1.31

1.37

1.39

1.34

灌浆-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

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第40页

戚昕元,等:滴灌磷肥分配比例对玉米磷素吸收利用的影响

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

2. 2 磷肥不同施用时期及分配比例对玉米磷肥

利用效率的影响

由表 6 可知,磷肥分次施用处理(P2,P3,P4,

P5

)的磷肥利用效率与P1处理相比,磷肥利用率提

高 28.1%~87.0%,磷肥偏生产力提高 2.0%~5.2%,

磷肥农学效率提高 22.4%~57.5%。P4处理磷肥利

用率、磷肥偏生产力及磷肥农学效率均高于其他

处理,其中磷肥利用率达34.6%。从整体上看,在

膜下滴灌水肥一体化条件下,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

促进玉米对磷素的吸收利用,以 P4 处理效果

最佳。

2. 3 磷肥不同施用时期及分配比例对玉米产量

和产量构成的影响

在灌水量为 150 mm,施 P2O5 80 kg/hm2

的条

件下,不同的磷肥施用时期及分配比例对玉米产

量的影响不同。由表 7 可知,磷肥分次追肥处理

(P2,P3,P4,P5

)产量均高于磷肥全部基施(P1

)处

理,其中 P4处理产量最高,达 12 370.0 kg/hm2

,比

P1处理增产 5.2%,两者产量差异显著。与 P1处理

相比,P2,P3,P5处理分别增产 2.0%,4.3%,2.9%。

P4 处理比 P0,P1,P2,P3,P5 处理分别增产 15.8%,

5.2%,3.1%,0.9%,2.2%。磷肥不同施用时期及分

配比例对玉米千粒重均有不同程度的影响,各处

理千粒重及穗粒数均高于不施磷处理,说明施磷

可以提高玉米千粒重和穗粒数。

3 讨 论

已有大量研究表明,施磷可以促进作物生长

发育及产量形成[9-12]

,适宜的水分和养分合理配

施有利于玉米对养分的吸收[13-14]

。王珍等[15]

究表明,磷肥的土壤吸附特征明显,磷肥随水施入

可以有效促进作物生长及产量形成,有效减少土

壤对磷的吸附,从而达到增产目的。本研究结果

表明,在施磷量为 80 kg/hm2

时,磷肥分次追肥处

理的产量均高于磷肥一次性基肥施用(P1

),其中

P(4 磷肥 40% 基肥,15% 拔节期追肥、35% 喇叭口

期追肥、10% 抽雄期追肥)处理产量最高,达

12 370.0 kg/hm2

,比 P1 处 理 增 产 5.2%。 侯 云 鹏

等[16]

研究表明,磷肥60%追肥可以显著提高玉米

产量及吐丝后期磷素吸收利用效率,其中以磷肥

40% 基肥,20% 拔节追肥,20% 大喇叭口追肥,

20%开花追肥施用方式效果最佳。本试验根据磷

素吸收规律,考虑磷存在后移现象,将抽雄期磷肥

分配比例部分前移于拔节期、喇叭口期施用,结果

表明,磷肥分次施用在拔节期以后植株磷素积累

量均高于磷肥一次性基肥施用。本试验结果表

表6 不同施磷处理磷肥利用效率

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

处理

P1

P2

P3

P4

P5

磷肥利用率%

18.5b

23.7ab

30.9a

34.6a

29.4ab

磷肥偏生产力

147.0b

150.0ab

153.3a

154.6a

151.3ab

磷肥农学效率

13.4b

16.4ab

19.7a

21.1a

17.7ab

注:同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下表同

表7 不同处理玉米产量及其构成因素

Table 7 Maize yield and its components under different treatments

处理

P0

P1

P2

P3

P4

P5

每公顷穗数

72 511a

73 910a

73 527a

73 754a

72 833a

73 775a

千粒重/g

322d

332c

339b

345a

349a

336bc

穗粒数

476b

493ab

495a

501a

502a

497a

产量/(kg·hm-2

)

10 684.1e

11 758.8d

11 999.0c

12 261.7ab

12 370.0a

12 100.5bc

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吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

明,玉米拔节期-喇叭口期、抽雄期-灌浆期出现

2 个磷素积累高峰阶段,可作为磷素营养调控的

2 个重要生育阶段,并以抽雄期-灌浆期为重,磷

肥分次施用可提高这2个生育阶段的磷素积累量

和积累速率,其中 P4处理效果更为明显,磷肥一

次性基肥施用可以满足作物前期对磷素吸收利

用,但随着生育时期递进,固体磷肥容易被固定,

而磷肥分次随水施用,可以显著提高玉米生育中

后期对磷素的吸收利用。

有研究表明,液体磷肥在石灰性土壤中可以

明显促进作物对磷的吸收[17-18]

,磷肥分次随水施

用可以改善玉米磷素营养,提高植株吸磷量和磷

肥利用率[19-22]

。本研究结果表明,磷肥分次施用

与磷肥一次性基肥施用相比,磷肥利用率提高

28.1%~87.0%,磷肥偏生产力提高 2.0%~5.2%,磷

肥农学效率提高 22.4%~57.5%,明显提高了玉米

磷素吸收利用效率,这与前人研究结论一致。在

本试验条件下,P4处理可以获得最高产量和磷素

吸收利用效率,即施磷量为 80 kg/hm2

时,磷肥

40% 基肥、15% 拔节期追肥、35% 喇叭口期追肥、

10%抽雄期追肥效果最佳。

参考文献:

[1] 吉林统计局 . 吉林统计年鉴[M]. 北京:中国统计出版社,

2018.

[2] 黄莹,赵牧秋,王永壮,等 . 长期不同施磷条件下玉米产

量、养分吸收及土壤养分平衡状况[J]. 生态学杂志,2014,

33(3):694-701.

[3] 李川,乔江方,朱卫红,等. 不同磷肥处理对夏玉米干物质

积累量及磷素吸收量的影响[J]. 江苏农业科学,2019,47

(12):107-114.

[4] 李延国,李建军,任慧,等. 吉林省水肥一体化技术应用现

状及发展前景探讨[J]. 农业与技术,2019,39(1):52-56.

[5] 褚贵新,李明发,危常州,等. 固体磷肥和液体磷肥对石灰

性土壤不同形态无机磷及磷肥肥效影响的研究[J]. 植物营

养与肥料学报,2009,15(2):358-365.

[6] 耿玉辉,曹国军,叶青,等. 磷肥不同施用方式对土壤速效

磷及春玉米磷素吸收和产量的影响[J]. 华南农业大学学

报,2013,34(4):470-474.

[7] 王聪宇. 吉林省西部超高产玉米养分吸收积累特性及磷肥

高效施用技术研究[D]. 长春:吉林农业大学,2014.

[8] 张国桥,王静,刘涛,等 . 水肥一体化施磷对滴灌玉米产

量、磷素营养及磷肥利用效率的影响[J]. 植物营养与肥料

学报,2014,20(5):1103-1109.

[9] 侯云鹏,杨建,孔丽丽,等. 施磷对苏打盐碱土区水稻养分

吸收、转运及分配的影响[J]. 吉林农业大学学报,2017,39

(1):60-66.

[10] 邹欣,曹国军,耿玉辉,等.水氮耦合效应对玉米产量、干

物质积累及氮素吸收分配的影响[J]. 吉林农业大学学报,

2023,45(2):143-154.

[11] 李前,侯云鹏,尹彩侠,等 . 吉林省半干旱区膜下滴灌施

磷管理对玉米生长与产量及土壤磷素平衡的影响[J]. 中

国农学通报,2019,35(34):1-8.

[12] 刘阳,李明轩,李文冰,等 . 磷钾肥对藜麦生长发育及产

量的影响[J]. 吉林农业大学学报,2019,41(6):653-659.

[13] 聂大杭,陈蕾蕾,高建民,等 . 膜下滴灌不同灌水量对玉

米产量及水分利用率的影响[J]. 作物研究,2018,32

(6):489-491.

[14] 徐泰森,孙扬,刘彦萱,等 . 膜下滴灌水肥耦合对半干旱

区玉米生长发育及产量的影响[J]. 玉米科学,2016,24

(5):118-122.

[15] 王珍,李久生,栗岩峰,等 . 磷肥施入方式对土壤速效磷

含量及玉米生长的影响[J]. 排灌机械工程学报,2018,36

(10):1023-1028.

[16] 侯云鹏,孔丽丽,刘志全,等 . 覆膜滴灌条件下磷肥后移

对玉米物质生产与磷素吸收利用的调控效应[J]. 玉米科

学,2019,27(6):138-144.

[17] Lombi E, McLaughlin M J, Johnston C, et al. Mobility, solu⁃

bility and lability of fluid and granular forms of P fertiliser in

calcareous and non-calcareous soils under laboratory condi⁃

tions[J]. Plant and Soil,2005,269(1):25-34.

[18] Bertrand I, McLaughlin M J, Holloway R E, et al. Changes

in P bioavailability induced by the application of liquid and

powder sources of P, N and Zn fertilizers in alkaline soils[J].

Nutrient Cycling in Agroecosystems,2006,74(1):27-40.

[19] 邢海峰,石晓华,杨海鹰,等 . 磷肥分次滴灌施用提高马

铃薯群体磷素吸收及磷利用率的作用[J]. 植物营养与肥

料学报,2015,21(4):987-992.

[20] 王静,叶壮,褚贵新. 水磷一体化对磷素有效性与磷肥利

用 率 的 影 响[J]. 中 国 生 态 农 业 学 报 ,2015,23(11):

1377-1383.

[21] 黄金鑫,曹国军,耿玉辉,等 .膜下滴灌水肥一体化玉米产

量及磷素吸收利用效应[J]. 吉林农业大学学报,2022,44

(4):414-420.

[22] 郝中明,李翠兰,刘杭,等 .施磷对春玉米磷肥利用及土壤

磷素转化的影响[J/OL]. 吉林农业大学学报:1-9[2023-

03-20]. https://doi.org/10.13327/j.jjlau.2020.5761.

(责任编辑:林海涛)

210

第42页

吉林农业大学学报 2024,46(2):211-218 http : // xuebao.jlau.edu.cn

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

吉林省水稻恶苗病菌对咯菌腈的敏感性及抗药

性风险评估*

刘禹含,邹佳营,何 博,刘丽萍**,高 洁**

吉林农业大学植物保护学院,长春130118

摘 要:为了解吉林省水稻恶苗病菌(Fusarium fujikuroi)对咯菌腈的敏感性,并评估其抗性风险。采用菌丝生

长速率法,分别测定了2016—2018年,自吉林省16个地区分离获得的水稻恶苗病菌F. fujikuroi 508株,从中选

取F. fujikuroi 136株测定其对咯菌腈的敏感性。通过药剂驯化方法获得F. fujikuroi抗咯菌腈突变体。结果表

明:F. fujikuroi 对咯菌腈的EC50值分布范围为2. 810×10-9

~0. 740 9 mg/L,对咯菌腈极其敏感,未发现抗药性群

体,所测菌株EC50平均值为(0. 024 9±0. 093 6)mg/L,表明吉林省水稻恶苗病菌对咯菌腈没有产生抗药性。药

剂驯化获得2株抗药突变体,抗性倍数分别为3 596. 48和9 539. 73,表现为高抗。通过生物学测定,抗性突变

体的适合度极高,易在田间成为优势菌。交互抗性试验结果表明,咯菌腈与福美双、甲基硫菌灵、精甲霜灵和

噁霉灵存在正交互抗性,与戊唑醇和咪鲜胺无交互抗性。水稻恶苗病菌在药剂选择压力下可形成抗咯菌腈突

变体,存在抗药性风险。研究结果为吉林省水稻恶苗病的防治及抗药性治理提供科学依据。

关键词:水稻恶苗病菌;咯菌腈;敏感性;抗药突变体;生物学性状;抗药性治理;吉林省

中图分类号:S435. 111. 44   文献标志码:A   文章编号:1000-5684(2024)02-0211-08

DOI:10.13327/j.jjlau.2020.5228

引用格式:刘禹含,邹佳营,何博,等.吉林省水稻恶苗病菌对咯菌腈的敏感性及抗药性风险评估[J].吉林农业

大学学报,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⁃

* 基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFD0300200),国家级大学生创新创业训练计划项目(201810193042)

作者简介:刘禹含,女,硕士研究生,主要从事植物病害的综合治理研究。

收稿日期:2019-05-15

** 通信作者:刘丽萍,E-mail:zhou_237@163.com;高洁,E-mail:jiegao115@126.com

第43页

吉林农业大学学报 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

水稻恶苗病是水稻重要的病害之一,可引起

水稻的徒长,主要由水稻恶苗病菌(Fusarium fuji⁃

kuroi)引起[1]

。此病是一种从苗期到抽穗期均可

发生的种传病害[2]

。该病害常发生在我国各个水

稻地区,一般会使产量减少 10%~20%,发病严重

时可达到 50% 以上[3]

。近年来,随着水稻栽培年

限的增加和抗药性问题的出现,该病害的发生日

趋严重,给产量和经济带来严重影响[4]

。在生产

上,前期的种子处理依旧是控制此病害发生和流

行的重要措施,了解该病菌对常用药剂的抗性状

况是科学合理用药的前提。目前,由于抗药性的

产生,水稻恶苗病的防治与过去已完全不同。有

机汞的农药禁用后,由多菌灵到恶苗灵,均是连续

使用几年后产生抗药性,效果降低。目前,生产上

防治该病害的主要药剂为咪鲜胺,然而,近年来由

于连年频繁使用该药剂,F. fujikuroi 在田间对咪

鲜胺的抗药性问题在我国江苏省、辽宁省以及韩

国等一些国家和地区已逐渐凸显[5-8]

。药剂防治

的效果降低,致使恶苗病发病率上升,给生产造成

较大损失。

咯菌腈(Fludioxonil)属于吡咯类杀真菌剂,具

有独特的杀菌作用机理,通过抑制病原真菌对氨

酸激酶的磷酸化作用,抑制菌丝生长,最终导致病

菌死亡[9]

。从 2009 年开始咯菌腈登记用于防治

水稻恶苗病,到目前为止已有 35 个产品登记(包

括其与精甲霜灵、咪鲜胺、氟唑环菌胺、苯醚甲环

唑复配产品),涉及28个厂家,在生产上应用较广

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

jhtml)。但是,未见关于咯菌腈用于防治该病害

是否产生抗药性的研究,仅有关于灰霉病菌等病

原菌对咯菌腈的抗药性报道[10-12]

。因此,开展水

稻恶苗病菌对咯菌腈的抗药性相关研究,了解

F. fujikuroi 对咯菌腈的敏感程度,并评估水稻恶

苗病菌对咯菌腈的抗药性风险,研究与其他杀菌剂

之间是否存在交互抗性,对水稻恶苗病的抗药性监

测及合理用药,延缓抗药性的产生具有重要意义。

1 材料与方法

1. 1 供试材料

供试菌株:2016—2018 年从吉林省长春市、

通化市、梅河口市、延边朝鲜族自治州、集安市、松

原市、白城市等不同市(县)共16个地区采集标本

539 份,利用组织分离法并经单孢分离获得有致

病性的菌株F. fujikuroi 508株,于4 ℃ PDA斜面试

管中保存待用。选取主要致病菌水稻恶苗病菌

F. fujikuroi 136 株用于敏感性测定。其中,长春

(CC)15 株、双阳(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、安图

(AT)14 株、敦化(DH)4 株、珲春(HC)8 株、汪清

(WQ)10株。

供试药剂:将表 1 中原药均配制成 100 mg/L

的母液,于4 ℃冰箱贮存,备用。

表1 供试药剂

Table 1 Test fungicides

药剂

咯菌腈

多菌灵

咪鲜胺

福美双

戊唑醇

克菌丹

甲基硫菌灵

噁霉灵

精甲霜灵

含量/%

96

98

97

95

98.3

97

95

99

90

厂家

浙江禾本科技有限公司

江苏蓝丰生物化工股份有限公司

山东潍坊润丰化工股份有限公司

江苏省南通宝叶化工有限公司

深圳诺普信农化股份有限公司

河北冠龙农化有限公司

山东潍坊润丰化工股份有限公司

延边绿洲化工有限公司

江苏宝灵化工股份有限公司

溶剂

乙腈

盐酸

丙酮

丙酮

丙酮

丙酮

丙酮

丙酮

丙酮

212

第44页

刘禹含,等:吉林省水稻恶苗病菌对咯菌腈的敏感性及抗药性风险评估

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

培养基为马铃薯葡萄糖琼脂培养基(Potato

dextrose agar,PDA):马铃薯 200 g,葡萄糖 20 g,琼

脂15 g,蒸馏水1 000 mL。

1. 2 方法

1. 2. 1 F. fujikuroi 对咯菌腈的敏感性测定 采

用菌丝生长速率法[13]

,将随机选取的136 株F. fu⁃

jikuroi 纯化于 PDA 平板培养基上,在 25 ℃恒温培

养箱中培养。制备含药培养基:用乙腈溶剂将

95% 咯菌腈原药溶解,再用无菌的 0.1% Tween80

溶液稀释成质量浓度为 100 mg/L 的母液 ,将

Tween80 溶液稀释成系列质量浓度,与冷却至约

55 ℃的 PDA 培养基,以 1 mL 药液加入 9 mL 培养

基的比例混合均匀,制成质量浓度为1,10-1

,10-2

10-3

,10-4

,10-5

mg/L 的 6 个质量浓度梯度的 PDA

含药平板。在培养 5 d 的菌落边缘处,用直径

8 mm的打孔器打取菌饼,接种于不同浓度药剂处

理的培养基平板中间,以不含药但含等量乙腈溶

剂的PDA培养基平板为对照,每处理重复3次,置

于 25 ℃下培养 7 d,采用十字交叉法量取并记录

各浓度处理下的菌落直径,计算平均值。

根据测定的在不同浓度含药培养基中水稻恶

苗病菌(F. fujikuroi)菌落直径(mm)和对照菌落直

径进行比较,计算药剂对菌落生长的抑制率。使

用 DPS3.01 软件和 SPSS20.0 数据处理系统,计算

药剂的有效抑制中浓度(EC50)、毒力回归方程和相

关系数(r),分析F. fujikuroi对咯菌腈的敏感性,比

较吉林省不同地区的敏感性差异,并根据F. fujikuroi

对咯菌腈的敏感性频率分布,建立敏感基线[14-15]

菌丝生长抑制率的计算方法:抑菌率(%)=(对

照菌落直径-处理菌落直径)(/ 对照菌落直径-菌

饼直径)×100。

1. 2. 2 F. fujikuroi 抗咯菌腈突变体的获得 通

过药剂驯化的方法[16]

,随机选取 8 株不同地区不

同敏感性的菌株,在 PDA 平板培养基上预培养

3 d后,在无菌操作台中,于菌落边缘用直径5 mm

的打孔器打取菌饼,用无菌接种针挑取菌饼转接

至质量浓度为0.1 μg/mL的咯菌腈PDA培养基和

空白 PDA 对照平板培养基上,在每皿中心接种

1 块菌饼,共接种 10 皿,置于 25 ℃恒温培养箱中

培养,3 d 后观察菌落的生长情况,挑选菌丝生长

最迅速的菌落,移至下一代含药培养基上进行培

养,并按此方式转接培养每一代,直至诱导菌株能

在 0.1 μg/mL 的咯菌腈 PDA 培养基上较好地生

长,代表药剂对菌丝抑制下降,疑似抗性突变体。

通过菌丝生长速率法检测突变体对咯菌腈的EC50

值,以各亲本菌株为对照,分别计算各抗性突变体

的抗性倍数:抗性倍数=抗性突变体 EC50值/亲本

菌株EC50值。

抗性水平分级标准[17]

:抗性倍数≤5 为敏感;

5<抗性倍数≤10 为低抗;10<抗性倍数≤100 为中

抗;抗性倍数>100为高抗。

1. 2. 3 抗药性突变体与其亲本菌株的主要生物

学性状比较 (1)菌丝生长速率测定。采用十字

交叉法测量抗性突变体和亲本菌株在 PDA 上生

长 1,3,5,7 d 的菌落直径,每个菌株设 5 次重

复,处理所得数据,计算 7 d 时菌落的生长速率

(mm/d),对比抗药突变体和其亲本菌株,分析差

异性。生长速率=(菌落平均直径-菌饼直径)/培

养天数。

(2)产孢能力测定。将抗药突变体和其亲本

菌株分别接种在 PDA 平板上,于 25 ℃培养 15 d,

向每个培养皿中加入 20 mL 无菌水,以三角涂布

器刮磨菌落,无菌纱布过滤,将洗下的分生孢子用

无菌水定容至 20 mL,配成孢子悬浮液,之后在显

微镜下用血球计数板统计每毫升分生孢子个数,

每个处理重复3次。

(3)菌丝干质量测定。分别将抗药突变体及

其亲本菌株转接到 100 mL 的 PD 液体培养基中,

每处理加入 3 个菌饼,以温度为 25 ℃、150 r/min

的速度振荡培养 7 d 后,置于布氏漏斗上进行抽

滤,再将抽干的菌丝放置在 80 ℃烘箱中烘干后,

称量菌丝干质量,各菌株重复3次。

(4)抗药突变体致病性的测定。利用孢子菌

悬液浸种法进行接种。用浓度为1×105

~1×106

个/mL

的孢子菌悬液浸泡,经过消毒和催芽的水稻种子

(“农大888”),于31 ℃下浸泡24 h后,在组培罐中

培养,观察致病性,每个处理重复3次。

1. 2. 4 抗咯菌腈突变体对其他不同杀菌剂的交

互抗性测定 采用菌丝生长速率法,分别测定各

抗性菌株对多菌灵、咪鲜胺、福美双、戊唑醇、克菌

丹、甲基硫菌灵、噁霉灵和精甲霜灵的敏感性。使

用 SPSS20.0 软件分析各菌株对咯菌腈的 EC50值

与对其他药剂 EC50值的关系,确定是否存在交互

抗性。

213

第45页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

2 结果与分析

2. 1 F. fujikuroi对咯菌腈敏感性的测定

经对 136 株来自不同地区的 F. fujikuroi 菌株

对咯菌腈的敏感性测定,结果发现,通化地区的

菌株平均 EC50值为 0.000 2 mg/L,相对其他地区

菌株更敏感,梅河口地区菌株的平均 EC50 值为

0.102 8 mg/L,最不敏感(表 2)。其中最敏感菌株

为采自吉林省延边州珲春市的 HC03-1 菌株,

EC50值为 2.810×10-9

mg/L,而最不敏感菌株为采

自吉林省延边州安图县的 AT117-4 菌株,EC50

值为 0.740 9 mg/L。吉林省各地区的 F. fujikuroi

群体对咯菌腈的敏感性无显著差异(表 2,图 1),

F. fujikuroi对咯菌腈敏感性集中在0~0.005 0 mg/L

(图2),表现出较高敏感性。

表2 吉林省不同地区水稻恶苗病菌菌株对咯菌腈EC50值的比较

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

采集地点

长春市南关区

长春市双阳区

梅河口市

吉林市经开区

松原市宁江区

白城市大安县

通化市辉南县

通化市柳河县

集安市

延边州安图县

延边州敦化市

延边州珲春市

延边州汪清县

菌株数

15

7

14

3

14

11

15

9

12

14

4

8

10

EC50值范围/(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

图1 136株水稻恶苗病菌对咯菌腈的敏感性分布

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

roi strains to fludioxonil

图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

214

第46页

刘禹含,等:吉林省水稻恶苗病菌对咯菌腈的敏感性及抗药性风险评估

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

2. 2 F. fujikuroi对咯菌腈敏感基线的建立

测得的 136 株水稻恶苗病菌(F. fujikuroi)对

咯菌腈的敏感性测定结果,经 SPSS 处理分析

(图3)显示:所测的136株F. fujikuroi对咯菌腈的敏

感性频率不是典型正态分布,是连续的单峰曲线,各

菌株 EC50 值的范围为 2.810×10-9

~0.740 9 mg/L,

EC50的平均值为(0.024 9±0.093 6) mg/L,从图中

可以看出,各菌株之间对该杀菌剂的敏感性差异

较小,EC50值分布主要集中在 0~0.005 0 mg/L,未

出现敏感性明显下降的群体,表明该杀菌剂对

F. fujikuroi 的菌落生长有显著的抑制活性。暂时

不能将这 136 株菌株对咯菌腈的 EC50 平均值

(0.024 9±0.093 6) mg/L作为 F. fujikuroi对咯菌腈

的敏感基线。

2. 3 F. fujikuroi 抗咯菌腈突变体的获得及抗性

倍数

对随机选取的8株敏感性不同的水稻恶苗病

菌菌株通过继代室内药剂驯化,获得 2 株抗药突

变体。在诱导到第 11 代时,由亲本菌株 LH10-2

和 DH34-5,分别诱导出与亲本菌株菌落生长速

率相似的近似突变体,各取得 1 株抗性突变菌株

为代表,命名为LH10-2-11和DH34-5-11。

采用菌丝生长速率法测定水稻恶苗病菌抗

药性突变体对咯菌腈的敏感性,试验结果表

明,抗药突变体对咯菌腈的敏感性下降,抗药

突变体 LH10-2-11 抗性倍数为 3 596.48,抗性突

变体 DH34-5-11 抗性倍数为 9 539.73,均为高

抗(表3)。

图3 136株水稻恶苗病菌对咯菌腈敏感性频率分布

Fig. 3 Sensitiveness frequency distribution of 136

rice F. fujikuroi strains to fludioxonil

2. 4 水稻恶苗病菌抗咯菌腈突变体的主要生物

学性状

2. 4. 1 菌丝生长速率 通过测量抗性突变体与

其亲本菌株培养 1,3,5,7 d 在 PDA 上的菌落直

径(图 4),亲本菌株 LH10-2 的菌丝生长速率为

7.90 mm/d,其突变菌株 LH10-2-11 的菌丝生长

速率为8.50 mm/d;亲本菌株DH34-5的菌丝生长

速率为 7.82 mm/d,其突变菌株 DH34-5-11 的菌

丝生长速率为 8.13 mm/d,对比分析可以发现,突

变菌株的菌丝生长速率均快于其亲本菌株。

表3 水稻恶苗病菌抗性突变菌株对咯菌腈的抗性倍数

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

菌株编号

LH10-2

LH10-2-11

DH34-5

DH34-5-11

独立回归方程

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

相关系数

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

抗性倍数

3 596.48

9 539.73

图4 水稻恶苗病菌对咯菌腈的抗性突变体与其亲本菌

株的菌丝生长速率

Fig. 4 Growth rate of mycelia of resistance mutants

and their parental strains of rice F. fujikuroi to

fludioxonil

215

第47页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

2. 4. 2 产孢能力和菌丝干质量 在25 ℃下黑暗

培养 15 d后,用血球计数板对各菌株的产孢量进

行统计,结果显示(表 4),各突变菌株产孢量均

明显低于其亲本菌株,存在显著性差异。抗性

突变体 LH10-2-11 和 DH34-5-11 的产孢量分别

为 3.74×107

/mL 和 1.31×107

/mL,分别为其亲本菌

株的 64.49% 和 85.06%,表明抗药突变体的繁殖

能力明显降低。

表4 水稻恶苗病菌抗咯菌腈突变体的生长情况

Table 4 Growth of resistant mutants of F. fujikuroi

against fludioxonil

菌株编号

LH10-2

LH10-2-11

DH34-5

DH34-5-11

产孢量/mL

5.83×107

3.76×107

1.54×107

1.31×107

每毫升菌丝干质量/

mg

4.96

5.67

2.42

2.38

抗性突变体 LH10-2-11 每毫升菌丝干质量

为5.67 mg,高于其亲本菌株LH10-2。DH34-5-11

每毫升菌丝干质量为 2.38 mg,近似其亲本菌株

DH34-5。表明抗性突变体的菌丝生长能力较强,

适合度相似或高于其亲本菌株。

2. 4. 3 致病力测定 致病力测定试验结果表

明,突变菌株对植株具有致病力,可引起水稻

徒长。

2. 5 抗咯菌腈突变体对其他杀菌剂的交互抗性

从突变体对各药剂的敏感性(表 5)可以看

出,戊唑醇和咪鲜胺对咯菌腈产生抗药性的菌株

抑制效果显著;多菌灵和克菌丹抑制效果较好,对

福美双和噁霉灵不敏感,甲基硫菌灵和精甲霜灵

对其几乎无抑制效果。

通过 SPSS 数据分析系统进行突变菌株对咯

菌腈的 EC50与其他杀菌剂的 EC50的相关性分析

(图 5),均在 P=0.01 上显著相关,咯菌腈与福美

双、甲基硫菌灵、精甲霜灵和噁霉灵存在正交互抗

性,与戊唑醇和咪鲜胺无交互抗性。咯菌腈可以

与戊唑醇和咪鲜胺交互使用,对水稻恶苗病会有

良好的防治效果,延缓抗药性的产生。

表5 水稻恶苗病菌抗咯菌腈突变菌株对不同杀菌剂的敏感性

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

菌株编号

LH10-2-11

DH34-5-11

药剂

多菌灵

福美双

戊唑醇

克菌丹

甲基硫菌灵

噁霉灵

精甲霜灵

咪鲜胺

多菌灵

福美双

戊唑醇

克菌丹

甲基硫菌灵

噁霉灵

精甲霜灵

咪鲜胺

毒力回归方程

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

相关系数

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页

刘禹含,等:吉林省水稻恶苗病菌对咯菌腈的敏感性及抗药性风险评估

吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University

3 讨 论

咯菌腈作为新型登记应用药剂,作用广谱,该

药近年来在我国已大面积推广和使用`,并有研究

表明,咯菌腈对水稻恶苗病在田间有较好的防

效[18-20]

。目前,尚未见关于水稻恶苗病菌对咯菌

腈抗药性的研究报道,仅有关于番茄灰霉病菌对

咯菌腈产生抗药性的报道,说明若在生产上单一、

图5 咯菌腈与不同作用机制杀菌剂的交互抗性

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

217

第49页

吉林农业大学学报 2024 年 4 月

Journal of Jilin Agricultural University 2024,April

不合理持续用药,此类杀菌剂可能具有抗药性风

险。在药剂防治病害大量推广施用前,了解其敏

感性并对其进行抗性风险评估,对监测病原菌的

敏感性变化和抗药性发生具有重要意义。

本研究是从 2016—2018 年自吉林省 16 个地

区采集到的水稻恶苗病标本中分离得到主要病原

菌水稻恶苗病菌(F. fujikuroi),从中选取了 136株

该病菌,通过菌丝生长速率法测定了其对咯菌腈

的敏感性。结果表明,虽然吉林省同一地区水稻

恶苗病菌不同菌株对咯菌腈的敏感性存在一定差

异,但对咯菌腈的敏感性较高,敏感性集中在 0~

0.005 0 mg/L,尚未产生抗药性群体。其EC50平均值

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

对咯菌腈较敏感。

本研究通过药剂驯化的方法在诱导到第 11

代时获得 2 株水稻恶苗病菌抗咯菌腈突变体

LH10-2-11 和 DH34-5-11,敏感性与其亲本对比

后抗性倍数高达3 596.48和9 539.73,均表现为高

抗。对突变菌株的生物学研究中发现,抗性突变

体的适合度极高,易在田间成为优势菌,推测咯菌

腈的持续使用可造成抗药性风险。此外,该 2 株

突变体对不同杀菌剂的敏感性不同,为进一步分

析 F. fujikuroi对咯菌腈的抗药性突变位点研究提

供材料。

在一种新型农药产生抗药性前,明确其与其

他药剂是否存在交互抗性,有助于田间科学用药。

试验通过菌丝生长速率法检测不同机制杀菌剂对

水稻恶苗病菌抗咯菌腈突变体的敏感性,分析发

现福美双、甲基硫菌灵、精甲霜灵和噁霉灵与咯菌

腈存在正交互抗性,戊唑醇和咪鲜胺与咯菌腈无

交互抗性,抗性突变菌株对戊唑醇和咪鲜胺仍极

其敏感,因此在田间的防治中,应对田间咯菌腈的

施用进行合理的指导推广,加强田间抗药性监测,

可将咯菌腈与戊唑醇和咪鲜胺轮换使用,避免抗

药性风险的产生。

参考文献:

[1] Ednar G Wulff, Jens L Swrensen,Lubeck Mette,et al. Fu⁃

sarium spp. associated with rice bakanae: Ecology,genetic,di⁃

versity,pathogenicity and toxigenicity [J]. Environmental Mi⁃

crobiology,2010,12(3):649-657.

[2] 钱月珍,张亚明 . 水稻恶苗病的发生因子及防治技术[J].

江苏农业科学,1997,25(4):46-47.

[3] 产祝龙,丁克坚,檀根甲. 水稻恶苗病的研究进展[J]. 安徽

农业科学,2002,30(6):880-883.

[4] 许海霞,王孝兵,赵德华,等.水稻恶苗病的发生与防治[J].

现代农业科技,2012(24):152.

[5] 郑睿,聂亚锋,于俊杰,等 . 江苏省水稻恶苗病菌对咪鲜

胺和氰烯菌酯的敏感性[J]. 农药学学报,2014,16(6):

693-698.

[6] 何富刚,颜范悦,辛万民,等. 水稻恶苗病菌抗药性的产生

及防除[J]. 辽宁农业科学,1994(3):12-14.

[7] Kim J M, Hong S K, Kim W G, et al. Fungicide resistance of

Gibberella fujikuroi isolates causing rice bakanae disease and

their progeny isolates[J]. The Korean Journal of Mycology,

2010,38(1):75-79.

[8] 产祝龙 . 水稻恶苗病的防治机理及其病原菌抗药性的研

究[D]. 合肥:安徽农业大学,2003.

[9] Daisuke Hagiwara,Yoshihiro Asano,Junichiro Marui,et al.

Transcriptional profiling for Aspergillus nidulans HogA MAPK

signaling pathway in response to fludioxonil and osmotic stress

[J].Fungal Genetics and Biology,2009,46(11):868-878.

[10] 纪明山,刘妍,朱赫,等 . 辽宁省番茄灰霉病菌对常用杀

菌剂的抗药性监测与交互抗药性[J]. 农药,2017,56

(9):676-678.

[11] 王智 . 辽宁省不同地区番茄灰霉病菌抗药性研究[D]. 沈

阳:沈阳农业大学,2016.

[12] 武东霞 . 灰葡萄孢菌(Botrytis cinerea)对苯噻菌酯和咯菌

腈的抗药性风险研究[D]. 南京:南京农业大学,2015.

[13] 叶滔,马志强,韩秀英,等 . 禾谷镰孢菌对杀菌剂戊唑醇

敏感基线的建立[J]. 农药,2011,50(11):848-850.

[14] 张兴,王兴林 . 植物化学保护实验指导[M]. 杨凌:西北农

林科技大学植物保护学院,2003.

[15] 王迪,王诗然,杨明佳,等 . 吉林省人参黑斑病菌对常用

药剂的抗药性监测及交互抗药性测定[J]. 农药,2018,57

(8):603-605.

[16] 阮宏椿,石妞妞,甘林,等 . 稻曲病菌对戊唑醇的敏感基

线及抗药突变体的生物学性状[J]. 西北农林科技大学学

报(自然科学版),2017,45(6):148-154.

[17] 陈夕军,卢国新,童蕴慧,等 . 水稻恶苗病菌对三种浸种

剂的抗性及抗药菌株的竞争力[J]. 植物保护学报,2007,

34(4):425-430.

[18] 丁绪宽,陆珍珍,渠明. 不同药剂对水稻恶苗病的防治效

果研究[J]. 现代农业科技,2017(19):94-95.

[19] 赵秀英,赵友邦. 50%咯菌腈可湿性粉剂防治水稻恶苗病

效果研究[J]. 现代农业科技,2015(18):128-133.

[20] 白庆荣,高洁,蔚荣海,等 .防治水稻立枯病的药剂——克

枯灵配方筛选及应用研究[J]. 吉林农业大学学报,2001,

23(2):31-34,67.

(责任编辑:王希)

218

第50页

吉林农业大学学报 2024,46(2):219-227 http : // xuebao.jlau.edu.cn

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

2个抗感烟草品种响应马铃薯 Y病毒早期胁迫

的转录组分析*

王 平1,3

,任雅萍1

,任昭辉2

,苏 亮2

,吴委林1

,杨超群1

,董环宇1

,朴世领1**

1. 延边大学农学院,延吉 133002;2. 吉林烟草工业有限责任公司,长春 130031;3. 呼伦贝尔

市农牧科学研究所,呼伦贝尔 021000

摘 要:为探明烟草不同抗性品种NC95和SY04-3对马铃薯Y病毒(PVY)胁迫的响应差异,对烟草幼苗接种

PVY,在 12 h 采集幼苗样本,进行转录组测序和生物信息学分析。结果表明:NC95 上调差异表达基因有

206个,下调111个;SY04-3上调差异表达基因有1 001个,下调423个。这些差异表达基因的功能归类于生物

过程、细胞组分及分子功能3大类54个GO条目,NC95和SY04-3上调差异表达基因显著富集在7条 KEGG 代

谢通路中,而 NC95和 SY04-3下调差异表达基因分别显著富集在 10条、14条 KEGG 代谢通路中;转录因子预

测 NC95有 13个家族的 20个转录因子发生显著变化,SY04-3有 20个家族的 38个转录因子发生了显著变化。

关键词:烟草;马铃薯Y病毒;转录组;差异表达基因

中图分类号:S572 文献标志码:A 文章编号:1000-5684(2024)02-0219-09

DOI:10.13327/j.jjlau.2021.1560

引用格式:王平,任雅萍,任昭辉,等.2个抗感烟草品种响应马铃薯Y病毒早期胁迫的转录组分析[J].吉林农

业大学学报,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

* 基金项目:国家自然科学基金项目(31760418)

作者简介:王平,女,在读硕士,研究方向:烟草抗逆遗传育种。

收稿日期:2021-12-23

** 通信作者:朴世领,E-mail:pslpjj@ybu.edu.cn

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