自然与社会的离散动力学

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自然与社会的离散动力学/2021/文章
特殊的问题

2020年经济、社会和金融复杂系统与实验计算

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体积 2021 |文章的ID 6693759 | https://doi.org/10.1155/2021/6693759

周庆平,李玲丽,王龙 复杂系统分析Blumeria茎f.sp。tritici河北省中部的分离株”,自然与社会的离散动力学 卷。2021 文章的ID6693759 8 页面 2021 https://doi.org/10.1155/2021/6693759

复杂系统分析Blumeria茎f.sp。tritici河北省中部的分离株

学术编辑器:Junhai马
收到了 2020年11月24日
修改后的 2021年3月29日
接受 2021年4月1日
发表 2021年4月12日

摘要

小麦白粉病(WPM),由Blumeria茎f.sp。tritici小麦枯萎病是全世界小麦的一种重大病害,已造成小麦生产的大量产量和经济损失。因此,了解其种群分布和遗传抗性尤为重要b .茎f.sp。tritici.2019年,中国小麦白粉病累计发病率近870万hm2严重影响了中国小麦的安全生产。但抗病小麦品种在实际生产中所占比例较低,缺乏有效的抗病基因。河北省是中国小麦主产区之一,了解河北省的白粉病抗性对小麦正常生产具有重要意义。本研究利用离体培养小麦苗木,对冀中地区小麦白粉病生理小种进行了鉴定,并对其群体毒性频率进行了分析。结果表明:(1)纯化菌株36株,鉴定生理小种20个。其中优势种为015,分布频率为16.7%。种族077是第二个优势种族。(2)毒力基因V时代, V8, V1, V3 c,和V3 f群体毒力频率分析均在70%以上,毒力基因V2、中期, V20., V21, V4 b,和V4小于16.7%,46%的白粉病毒力基因高于40%。结果表明,河北省白粉病毒力基因频率较高,含Pm的品种较多2 + mid下午,20.下午,21下午,1 b下午,1等抗病基因具有一定的近交育种价值。

1.简介

粮食安全问题对一国经济社会稳定发展至关重要。在中国,粮食生产的稳定增长是粮食安全的基础。小麦是中国三大粮食品种之一,约占中国粮食总产量的5% [必威249012].同时,小麦是中国北方居民的主要食物来源,在其饮食结构中占有重要地位,因此小麦产量的波动对国家粮食安全影响很大[3.- - - - - -5].自20世纪90年代以来,中国小麦产量波动很大。1992年和2004年小麦产量呈现“过山车”的特征,即前6年由低到高,后6年由高到低,从1992年的9.95亿吨到2004年的12.29亿吨[67].产量波动最大差异为2.734亿吨,波动幅度为28.5%,但2003年小麦产量为8.649亿吨。这是自20世纪90年代以来的最低水平,比1997年下降了29.8%。小麦产量自2003年开始逐步恢复,年均增长2.83%,2018年产量为131.44亿吨[89].缺乏对小麦产量波动规律的认识和研究,会导致宏观管理的被动、盲目甚至错误。因此,科学分析中国小麦产量波动的特征和影响因素,并据此进行预测,对于稳定小麦生产发展,实现粮食安全目标具有重要的现实意义[1011].

小麦产量波动:采用变化率(波动指数)来衡量小麦产量波动率。变化率(Variation rate, RV)是衡量经济变量周期性的常用指标,通常用于表示经济变量的短期波动强度,即实际观测与其长期趋势的偏差。计算公式为 在哪里yt小麦的实际产量在吗t期间, 小麦产量的趋势值在吗t期, 是剔除长期趋势后的经济变量。绝对波动率表示的是实际观测值的绝对偏差t从长期趋势来看。RV的绝对值表示变量的稳定性。绝对值越大,稳定性越差,说明该变量离长期趋势越远。绝对值越小,稳定性越好,说明变量更接近长期趋势[12].

波动指数的确定:采用灰色系统模型拟合小麦总产量的长期趋势。

模型预测精度:

该模型模拟了数据的变化特征,剔除长期趋势后,可计算出小麦总产量历年波动指数(图)1- - - - - -3.).

从2009年到2016年,中国小麦种植总面积从2444.24万公顷增加到2469.4万公顷,增长1.03%,之后连续两年下降。2018年,2427万公顷的种植面积为十年来最低,与2017年相比减少了24万公顷(图1).

2019 - 2025年中国小麦种植业市场全景调查及投资前景预测报告数据显示,2009 - 2017年,中国小麦单产连续8年增长,2018年年均产量5.48 t/ha, 2018年年均产量5.42 t/ha。小麦产量年际增长变化较大,小麦单产年增长比例由高速生长阶段转为低速生长阶段(图2).

2009年至2017年,中国小麦总产量连续8年增长,2018年首次出现下降。全年小麦总产量13144.05万吨,比2017年下降2.15%。除2018年小麦总产量出现负增长外,小麦产量年际增速波动较大。其他年份均为正增长,2014年增长率最高(图3.).

小麦白粉病(WPM),由Blumeria茎f.sp。tritici是全世界小麦的重大病害,已导致小麦产量大幅下降和经济损失[13- - - - - -15].流行b .茎f.sp。tritici从20世纪80年代开始,危害程度和外延日益扩大[16- - - - - -19].中国主要小麦产区白粉病年平均发病面积在600万hm以上2.2019年,中国小麦白粉病累计发生面积接近870万hm2,个别地区平均病叶率甚至高达100% [20.- - - - - -22].近年来,小麦白粉病危害持续扩大,呈现由南至北逐渐加重的趋势,对中国小麦的安全生产构成严重威胁,但抗性小麦品种比例较低,且缺乏有效抗性基因[23- - - - - -26].2000年以来,河北省小麦品种抗白粉病的系统调查报道较少。因此,在河北省审定品种和高产系中鉴定已知有效抗性基因,对于合理搭配品种、合理利用抗性源,预防和减少小麦白粉病的危害具有重要意义。同时,不断挖掘新的抗性源和新基因也尤为重要。

2.材料与方法

2.1.实验材料

试验中已知26个抗白粉病基因材料,以品种(系)名称和所携带的抗白粉病基因表示。他们是Afu(易感控制),Ulka/8Cc (Pm2),时代,高加索(下午8), CI12632(Pm2,6), MarisHuntsman(下午2, 6日?), Kenguia 1(下午4)、白面3号(下午4)、董小白(下午XBD),校长,阿克斯敏斯特/8Cc(下午1), Asosan/8Cc(下午3), Chul/8Cc(下午3 b),索诺拉/8Cc(下午3 c),密歇根州琥珀/8Cc(晚3 f), Khapli/8Cc(下午4),无敌舰队(下午4 b),希望/8Cc(下午5),蒂姆格伦(下午6), CI14189(Pm7), Amigo(下午17),(点19)(点20.)、扬麦5号/Sub。6 v(点21), Maris Dove(下午2、中期)和诺曼底(下午1、2、9).以上资料由河北省农业科学院提供。

2.2.实验方法
2.2.1.菌种的收集和保存

从2019年6月初小麦生长季开始,在河北省中部石家庄市、邢台市、衡水市、邯郸市、保定市等地采集了48份新鲜小麦白粉病标准样品。将其放入干净的塑料袋中,带回实验室,接种在实验室已经种植的无菌小麦幼苗上。发病后,用细刷挑出单个菌落或剪断单个细菌重新接种。在塑料花盆的顶部盖上4 ~ 6层纱布或一层滤纸。恒温培养箱(温度14 - 20℃,光照14 h/d),准备接种细菌。为防止细菌污染,所有工作都在超洁净工作台上进行。

2.2.2.细菌鉴定及种群毒性测定

26个小麦品种的幼苗第一片叶片完全展开后,按Wolfe法接种幼苗离体叶片[27- - - - - -29].将苯并咪唑水溶液60 mg/kg滴在稻草上,避免杂菌感染,保存10天左右。必威2490记录各菌种(系)的反应水平,试验重复2次。

根据感染类型,将各品种(系)对白粉病菌株的反应等级分为0、0;、1、2、3、4等6个等级,其中0 ~ 2为无毒(耐药,R型),3 ~ 4为毒力(易感,S型)。

0型,免疫植物无病斑;0型;,坏死反应叶带枯斑;1型,抗性高,病斑小(通常直径小于1毫米),菌丝体层薄,叶面绿色,偶有大病斑,但仍呈透明绿色,产孢量极少;2型,中等抗性,病斑直径小于1毫米,但菌丝体层厚,不透绿,可产生一定数量的孢子;3型,中间感,叶损直径一般在1毫米以上,菌丝体层厚,产孢量大,但病斑不连;4型,易感性高,叶片病斑直径一般在1毫米以上,菌丝体层厚,产孢量大,病斑连续。

2.2.3.数据分析

生理种的分析方法是,在重复电泳运行中,有规律地出现在相同位置的条带为1分,没有为0分[30.31].利用SPSS 19.0版本的聚类分析程序[将这些数据制表成矩阵,用算术均值无加权对组法(UPGMA)构建表型图。3233].

遗传距离由欧几里得距离公式计算:

二维平面欧氏距离:

三维空间的欧氏距离:

多维空间的欧氏距离:

标准化欧氏距离: 在哪里年代是标准差。

在UPGMA中,新分类与其他分类之间的平均距离根据每个分类单元的树进行加权。除了x而且y形成新的分类为(xy),表示新分类与其他类别之间的距离U根据公式(5). 在哪里nxny,nx+ny元素是类型吗xy,和(xy)。

3.结果与分析

3.1.生理种鉴定结果

采用体外接种和活玻璃罩接种纯化了36份白粉病标准样品,鉴定出20个生理种,见表1说明河北省小麦白粉病生理小种结构复杂。其中,出现频率最高(即优势种)的是015,分布频率为16.7%,其次是077,出现频率为11.1%,是第二优势种。此外,高毒种族比例较大,如种族4、6、9的毒力频率超过22%,高于优势种族015的16.7%,415-717等高毒种族占22.4%。同时也高于优势品系015的分布频率,说明河北省小麦白粉病品系的致病性较强。


生理竞赛 9 8 7 6 5 4 3. 2 1 种族数量 比赛的频率 类频率
Xiaobai董 Baimian 3 Kenguia 马里斯亨茨曼 CI12632 高加索地区 时代 UIka / Cc8 Afu

001 年代 2 5.6 1
005 年代 年代 2 5.6 3.
011 年代 年代 2 5.6 4 22.3
015 年代 年代 年代 6 16.7
035 年代 年代 年代 年代 2 5.6 5 5.6
055 年代 年代 年代 年代 1 2.8
057 年代 年代 年代 年代 年代 1 2.8 6 22.3
067 年代 年代 年代 年代 年代 2 5.6
077 年代 年代 年代 年代 年代 年代 4 11.1
101 年代 年代 2 5.6
111 年代 年代 年代 1 2.8 7 11.2
115 年代 年代 年代 年代 1 2.8
217 年代 年代 年代 年代 年代 1 2.8 8 5.6
315 年代 年代 年代 年代 年代 1 2.8
415 年代 年代 年代 年代 2 5.6
435 年代 年代 年代 年代 年代 1 2.8 9 22.4
437 年代 年代 年代 年代 年代 年代 2 5.6
457 年代 年代 年代 年代 年代 年代 1 2.8
477 年代 年代 年代 年代 年代 年代 年代 1 2.8
717 年代 年代 年代 年代 年代 年代 年代 1 2.8

采用八进制法,种数越大,泊松谱越宽,毒力越强。按照低毒力(0-7)、中毒力(10-77)和高毒力(100-77)的分类,本实验中三种类型小群体的发生频率分别为11.2%、50.2%和39.2%,而此前中国报道的三种类型小群体的发生频率分别为1.2%、51.1%和33.7%。本实验中高毒种的发生频率略高于全国平均水平。与贵州省三种类型小群体的报告发生频率(25.7%、13.9%和60.4%)相比,中毒力小群体的发生频率明显较高,说明河北省小麦白粉病的毒力相对较高,在生产中病情相对严重。另一个特点是小麦白粉病的发生具有明显的地域性特征。作为小麦白粉病防治的重要参数,应加强小麦白粉病生理品系的监测和交流。

3.2.病原体群体毒力基因频率

表中给出了26个已知抗性基因变种(系)的36株白粉病毒株的毒力基因频率2,其中毒力基因频率V .时代, V8, V1, V3 c,和V3 f是70%以上。V的频率17, V7, V6, V5,和V4为47.2% ~ 66.7%,V2, V2,6, V2, 6日?, VXBD, V3, V3 b,和V1、2、9分别在20%到36.1%之间。只有毒力基因的频率2、中期, V20., V21, V4 b,和V4含量较低,说明含Pm2、中期下午,20.下午,21下午,4 b下午,4以及其他抗病基因,特别是Amigo、Yangmai 5/Sub可得到广泛应用。6v,无敌白棉3号仍可用于小麦抗病育种。然而,携带这些抗性基因的品种在生产中出现了毒力菌株。在实际应用中,应密切跟踪这些品种的毒力变化,及时组合使用新的抗性基因。培育具有持久抗性的品种是抗病育种的基本思路。


应变 耐药基因 毒株数量 毒性基因 毒性基因的频率

Afu - - - - - - 36 - - - - - - 100.0
Ulka / 8 cc 2 13 V2 36.1
时代 时代 29 V时代 80.6
高加索地区 8 28 V8 77.8
CI12632 2,6 12 V2,6 33.3
马里斯亨茨曼 2, 6日? 10 V2, 6日? 27.8
Kenguia 1 4 6 V4 16.7
Baimian 3 4 3. V4 8.3
Xiaobai董 XBD 8 VXBD 22.2
总理 0 31 0 86.1
阿/ 8 cc 1 26 V1 72.2
阿苏火山/ 8 cc 3 13 V3 36.1
Chul / 8 cc 3 b 10 V3 b 27.8
索诺拉/ 8 cc 3 c 30. V3 c 83.3
密歇根琥珀/ 8 cc 3 f 31 V3 f 86.1
Khapli / 8 cc 4 17 V4 47.2
无敌舰队 4 b 3. V4 b 8.3
希望 5 19 V5 52.8
Timgalen 6 24 V6 66.7
CI14189 7 17 V7 47.2
朋友 17 20. V17 55.6
19 12 V19 33.3
20. 1 V20. 2.8
Yangmai5 / Sub.6v 21 2 V21 5.6
马里斯多芬 2、中期 4 V2、中期 11.1
Normadie 1、2、9 8 V1、2、9 22.2

4.结论

中国的粮食产量在短期内仍处于上升趋势。由于小麦生产本身是一个复杂的经济和自然过程,受制度、经济和自然因素的影响,其中一些因素是人为无法控制的,因此实际产量可能与预测值不一致。现有化石燃料和石油基燃料储量的持续下降、不良的环境影响以及相关的价格,使得有必要用清洁、可持续和可再生的能源发电取代化石燃料发电[34- - - - - -37].利用丰富且易于获取的资源如木质纤维素生物质(农业残余物、森林残余物和作物残余物)生产生物燃料是应对这一挑战的一种具有成本效益和可持续的解决方案[38- - - - - -41].小麦是世界上主要种植的谷类作物。根据联合国粮食及农业组织(FAO) 2014年的数据,玉米、小麦和水稻是世界上主要的种植作物。小麦产量超过7亿吨(MT),欧盟、中国、印度、美国和俄罗斯联邦是主要生产国[42- - - - - -45].

本研究表明,冀中地区小麦白粉病生理小种结构复杂,毒性强。本研究中优势种的频率和遗传毒性与过去报道的一致[46- - - - - -49],说明虽然河北省小麦白粉病高毒小种发生频率较高,但1998年以来河北省小麦白粉病优势种相对稳定。但本实验中鉴定出的生理小种相对较少,这与小麦白粉病总标准样品数量较少有关。

本研究标准样品大多采自河北中南部高海拔地区,该地区的地理气候和生态环境有利于小麦白粉病的发生和繁殖,为细菌的年循环创造条件。此外,在高海拔地区病原菌发生较晚,可作为其他冬麦区和早春小麦区白粉病的主要侵染源[50- - - - - -54].因此,在今后的工作中,应进一步研究这些地区小麦白粉病中间寄主的分布情况和小麦白粉病的防治现状,为控制小麦白粉病的初次感染和制定总体防治策略提供理论依据。

结果还表明,不同地区小麦白粉病种群的毒力结构和毒力频率存在一定差异,保定地区相对毒力频率较低,与其他地区差异显著。这为抗病基因在宏观上的分布提供了一种可能,并具有重要的指导作用。国内小麦白粉病专家已经认识到,中国小麦白粉病具有区域性流行特征,毒力结构的差异有时可以有效地用于抗病育种,使其成为一种生物资源。例如,在贵州被认为抗小麦白粉病的品种(系)的选育和鉴定,在河北其他地区的种植往往表现出较好的抗性一段时间,甚至在贵州失效的基因。另外两个小麦产区仍然有效。

综上所述,小麦白粉病分布复杂,对河北省小麦生产构成了很大的威胁。抗性材料的不稳定性和抗性组合在生产和应用中的变异和复杂性值得育种家和植物病害工作者关注。在创造优质抗病资源、引进大量抗病资源的同时,要充分合理利用现有的抗病材料,而不仅仅是防止短时间内出现新种。在一定程度上延缓了推广品种的抗性丧失。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从通讯作者处获得。

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突。

作者的贡献

周庆平进行实验调查,数据分析,并撰写原创稿件。凌力力提供了部分资源和物资。王龙构思设计实验,贡献试剂/材料/分析工具,撰写文章。所有作者都审阅了这篇文章。

致谢

本研究得到河北省高等学校科技研究计划项目(ZD2020403)、唐山师范大学科研计划项目(2020A13)、唐山市农业科技计划项目(19150203E)的资助。

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