穆心愿,馬智艷,張?zhí)m薰,付 景,劉天學(xué),丁 勇,夏來(lái)坤,張鳳啟,張 君,齊建雙,趙 霞**,唐保軍**

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所/河南省玉米綠色精準(zhǔn)生產(chǎn)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 鄭州 450002; 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院鄭州 450002)

玉米()起源于以墨西哥為中心的中南美洲熱帶和亞熱帶地區(qū),全生育期都需要較高的溫度,但溫度過(guò)高(≥35 ℃)則不利于其生長(zhǎng),甚至造成傷害。黃淮海平原是我國(guó)重要的夏玉米主產(chǎn)區(qū)之一,該區(qū)夏玉米的花期剛好與7月中下旬至8月上旬的高溫天氣階段重合,易產(chǎn)生比較嚴(yán)重的熱害,造成穗、粒發(fā)育異常而減產(chǎn)。近年來(lái),黃淮海地區(qū)夏玉米花期高溫?zé)岷Τ暑l發(fā)重發(fā)態(tài)勢(shì),已成為限制該地區(qū)玉米豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要因素。玉米生殖生長(zhǎng)期受到高溫脅迫造成的產(chǎn)量損失要遠(yuǎn)高于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期,其中又以開(kāi)花期受到高溫的影響最大,花后籽粒灌漿期次之。因此,進(jìn)一步明確花期高溫脅迫對(duì)玉米葉片光合熒光特性、雌雄穗發(fā)育及產(chǎn)量構(gòu)成的影響,對(duì)夏玉米耐高溫定向育種及抗逆高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)栽培管理具有重要指導(dǎo)意義。玉米雖是喜溫作物,但生育期內(nèi)如果遇到連續(xù)3 d及以上日最高氣溫≥35 ℃

的持續(xù)高溫天氣,則會(huì)給植株生長(zhǎng)和發(fā)育造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷,形成高溫?zé)岷?。?dāng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中遭遇高溫脅迫后,其各器官的形態(tài)、生理生化以及分子過(guò)程等均會(huì)產(chǎn)生一系列的響應(yīng),最終導(dǎo)致各器官功能部分或完全喪失,影響作物產(chǎn)量。前人研究表明,高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致玉米葉片光合系統(tǒng)受損、光合物質(zhì)生產(chǎn)能力下降,雄穗變短、分枝數(shù)量和小花數(shù)減少,花粉數(shù)量減少、形態(tài)改變以及活力降低,散粉持續(xù)時(shí)間縮短,果穗畸形、開(kāi)花吐絲期間隔拉長(zhǎng)、受精率和結(jié)實(shí)率下降,穗粒數(shù)和粒重降低,進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。玉米不同生育階段對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)不同,吐絲開(kāi)花期高溫脅迫主要通過(guò)影響穗粒數(shù)影響產(chǎn)量,而籽粒建成期高溫脅迫則使穗粒數(shù)和粒重均顯著降低。前人通過(guò)在幼苗期、花粒期和籽粒建成期對(duì)不同基因型玉米進(jìn)行高溫脅迫處理,發(fā)現(xiàn)不同基因型玉米的耐高溫能力存在顯著差異?；ㄆ谑怯衩状菩鬯敕只l(fā)育、授粉結(jié)實(shí)以及產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期,亦是對(duì)高溫脅迫最為敏感的時(shí)期。目前相關(guān)研究大多集中在花期高溫脅迫對(duì)玉米葉片光合特性、物質(zhì)生產(chǎn)、雌雄穗發(fā)育、受精結(jié)實(shí)及籽粒建成與發(fā)育等方面的影響,而不同基因型玉米的葉片光合熒光特性、授粉結(jié)實(shí)能力及物質(zhì)生產(chǎn)與分配特性對(duì)花期高溫脅迫及恢復(fù)的響應(yīng)機(jī)制尚不清楚,值得進(jìn)一步研究。在前期研究基礎(chǔ)上,選用耐熱性差異較大的兩類(lèi)玉米品種為試驗(yàn)材料,采用人工模擬增溫的方法,以玉米葉片光合熒光特性和雌雄穗性狀對(duì)花期前后高溫脅迫及恢復(fù)響應(yīng)的基因型差異為切入點(diǎn),研究花期高溫脅迫對(duì)玉米葉片光合熒光特性、雌雄穗發(fā)育特性、物質(zhì)生產(chǎn)與分配及產(chǎn)量形成的影響,旨在探明花期高溫脅迫對(duì)不同耐熱性玉米品種葉片光合熒光特性、授粉結(jié)實(shí)及物質(zhì)生產(chǎn)與分配的影響及其機(jī)制,為耐高溫玉米品種選育及耐高溫高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及材料

試驗(yàn)于2019年6—10月在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)示范基地作物抗逆中心(河南原陽(yáng),35°01′N(xiāo)、113°42′E,海拔63.4 m)進(jìn)行。采用池栽,各試驗(yàn)池規(guī)格為3.25 m (長(zhǎng))×2.40 m (寬)×2.00 m (深),池面與地面平,以保證池面以上的小氣候與大田相同。供試土壤類(lèi)型為潮土,0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量7.69 g·kg、全氮含量0.86 g·kg、堿解氮含量65.50 mg·kg、速效磷含量76.58 mg·kg、速效鉀含量181.10 mg·kg。

供試材料為本課題組前期篩選出的耐熱性差異較大的兩類(lèi)玉米品種,分別是耐熱型品種‘浚單20’(XD20)和‘鄭單958’(ZD958),熱敏感型品種‘先玉335’(XY335)和‘農(nóng)華101’(NH101)。4個(gè)供試玉米品種生育期基本一致,花期相近,‘先玉335’和‘農(nóng)華101’的株高較高,試驗(yàn)期間株高范圍在280～305 cm,‘浚單20’和‘鄭單958’的株高較低,試驗(yàn)期間株高范圍在250～280 cm。試驗(yàn)在池栽池內(nèi)進(jìn)行,每個(gè)試驗(yàn)池是1個(gè)小區(qū),種植密度為67 500株·hm,每個(gè)小區(qū)種植4行,行距60 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)因素,裂區(qū)設(shè)計(jì),溫度處理為主因素,品種為副因素。溫度處理設(shè)置常溫(對(duì)照,CK)和高溫(HT)2個(gè)處理。常溫對(duì)照處理與大田環(huán)境保持一致; 花期高溫處理于玉米12葉展時(shí)(吐絲前約7 d)開(kāi)始至吐絲后7 d結(jié)束,共處理15 d。于6月10日播種,7月28日進(jìn)行高溫處理,8月11日高溫處理結(jié)束,9月28日收獲。高溫處理方法: 用鋼管制成長(zhǎng)×寬×高為3.4 m×2.5 m×4.0 m的高溫處理生長(zhǎng)棚框架,固定于小區(qū)池子上,于高溫處理開(kāi)始時(shí)通過(guò)在生長(zhǎng)棚框架四周覆蓋塑料薄膜(透光率95%以上)進(jìn)行升溫,大棚兩側(cè)上部各均勻留出20 cm高空隙,用于氣體交換,吐絲后7 d拆除薄膜,結(jié)束高溫處理,后期管理及田間小氣候與對(duì)照一致。對(duì)照和高溫處理均放置有溫度自動(dòng)記錄儀,記錄每天的溫度,記錄間隔10 min。每個(gè)處理重復(fù)3次,共計(jì)24個(gè)小區(qū)。每小區(qū)按N 240 kg·hm、PO90 kg·hm和KO 90 kg·hm比例施肥,全部肥料播種時(shí)一次性作基肥施入。

由圖1可知,每天的氣溫大致從6:00左右開(kāi)始上升,至14:00左右達(dá)最高點(diǎn),然后開(kāi)始下降。圖1A表明,HT處理夜間氣溫與CK無(wú)明顯差異,但日間氣溫高于CK,在最高溫度處差異達(dá)到最大,HT處理日平均最高溫度比CK高出2.2 ℃; HT處理大致在9:30溫度升至35 ℃,至17:00溫度降到35 ℃以下,一天中≥35 ℃時(shí)間大概為8 h左右,而CK處理大致在10:30溫度升到35 ℃,至16:00溫度降至35 ℃以下,一天中≥35 ℃時(shí)間大概為5 h左右。由圖1B可知,在高溫處理期間,HT處理日平均氣溫和日最高氣溫均高于CK處理,而日最低氣溫與CK處理差異較小。HT處理日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫分別為31.5～35.5 ℃、38.1～43.9 ℃和24.8～27.4 ℃,CK處理日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫分別為30.2～34.4 ℃、35.4～41.3 ℃和24.8～27.6 ℃,HT處理比CK處理分別高0.6～1.5 ℃、1.6～3.1 ℃和—0.5～0.3 ℃。另外,HT處理棚內(nèi)的光照強(qiáng)度、CO濃度和相對(duì)濕度與CK基本一致。

圖1 玉米花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）的1 d內(nèi)平均溫度變化（A）和15 d試驗(yàn)期的溫度變化（B）Fig.1 Temperature changes in one day (A) and during the 15 days experiment period (B) at maize flowering stage under normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉面積的測(cè)定

于吐絲后7 d (高溫處理結(jié)束當(dāng)天)、20 d、30 d和50 d每小區(qū)選擇3株,量取單株所有綠葉長(zhǎng)度和寬度,計(jì)算全株綠葉面積。單葉葉面積(cm)=綠葉長(zhǎng)度(cm)×綠葉寬度(cm)×0.75,單株所有單葉葉面積累加計(jì)為全株葉面積。

1.3.2 葉片光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

于吐絲后7 d (高溫處理結(jié)束當(dāng)天)和吐絲后20 d左右,選擇晴朗無(wú)云、溫度適宜的天氣,每小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的3株植株,利用SPAD-502便攜式葉綠素儀測(cè)定穗位葉葉綠素相對(duì)含量(chlorophyll relative content,SPAD); 利用LI-6400XT型(LI-COR Inc.,美國(guó))便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定穗位葉凈光合速率()、氣孔導(dǎo)度()和胞間二氧化碳濃度();利用Handy PEA (Hansatech,UK)植物效率分析儀,先暗適應(yīng)20 min后,用3500 μmol·m·s的飽和光強(qiáng)測(cè)定穗位葉熒光參數(shù): 光系統(tǒng)Ⅱ (PSⅡ)最大光化學(xué)效率(/)、PSⅡ潛在活性(/)、光合性能指數(shù)(PI)、用于電子傳遞的量子產(chǎn)額()和用于還原PSⅠ受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額()。

1.3.3 玉米雌雄穗發(fā)育特征觀(guān)察

抽雄后第4 d,每重復(fù)選取3棵長(zhǎng)勢(shì)一致的植株,數(shù)取雄穗總小花數(shù),統(tǒng)計(jì)雄穗分枝數(shù)。于吐絲后7 d摘取果穗,輕輕剝開(kāi)苞葉,數(shù)取花絲數(shù)計(jì)為雌穗總小花數(shù),并結(jié)合成熟期調(diào)查的穗粒數(shù)計(jì)算結(jié)實(shí)率。結(jié)實(shí)率=穗粒數(shù)/雌穗總小花數(shù)×100%。

1.3.4 散粉和吐絲日期的記錄

各品種每處理選取具有代表性的植株10棵,記錄下抽雄時(shí)間、吐絲時(shí)間、散粉開(kāi)始時(shí)間和散粉結(jié)束時(shí)間,然后計(jì)算雄穗散粉開(kāi)始時(shí)間到吐絲時(shí)間的間隔天數(shù),即開(kāi)花吐絲間隔期(anthesis-silking interval,ASI); 雄穗散粉開(kāi)始到散粉結(jié)束時(shí)間的持續(xù)天數(shù),即散粉持續(xù)期(pollen shedding duration,PSD); 雌穗吐絲期間有雄穗散粉的天數(shù),即授粉持續(xù)期(pollination duration,PD)。

1.3.5 干物質(zhì)積累、測(cè)產(chǎn)

分別于吐絲后7 d (高溫處理結(jié)束當(dāng)天)和成熟期,每小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株3棵,割取地上部分,并將植株分為莖鞘、葉片、穗軸+苞葉和籽粒(成熟期)等部位,放入烘箱中105 ℃殺青30 min,然后調(diào)至75 ℃烘干至恒重后稱(chēng)重,以單株計(jì)算各處理各部位干物質(zhì)量和分配比例。

于玉米成熟期,每小區(qū)收獲中間2行,調(diào)查空稈率,測(cè)量穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重和小區(qū)產(chǎn)量。

1.3.6 耐熱系數(shù)

為消除品種間各性狀固有差異的影響,分別計(jì)算每一品種各性狀的耐熱系數(shù)。某一性狀耐熱系數(shù)=高溫脅迫處理性狀值/對(duì)照性狀值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2019整理數(shù)據(jù)和制作表格,用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,用Duncan’s進(jìn)行處理間差異性檢驗(yàn)(=0.05),用Sigmaplot 14.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 花期高溫對(duì)夏玉米葉面積的影響

由表1可知,經(jīng)花期高溫脅迫后,在吐絲后7 d和20 d,NH101的單株葉面積顯著低于CK處理(＜0.05),而XD20、ZD958和XY335的單株葉面積雖均有不同程度下降,但與CK處理差異不顯著,耐熱型品種的單株葉面積降低幅度小于熱敏感型品種?；ㄆ诟邷孛{迫改變了4個(gè)供試玉米品種生育后期葉片衰老進(jìn)程。吐絲后30 d,HT處理下,XD20和ZD958的單株葉面積比CK處理分別高6.59%和9.18%,而XY335和NH101則分別低6.06%和7.70%,其中ZD958差異達(dá)顯著水平(＜0.05)。吐絲后50 d,4個(gè)玉米品種在HT處理下的單株葉面積均高于CK處理,分別高11.01% (XD20)、6.74% (ZD958)、17.77% (XY335)和20.23% (NH101),其中ZD958和NH101差異達(dá)顯著水平(＜0.05)。

表1 花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）對(duì)不同夏玉米品種不同生育時(shí)期單株葉面積的影響Table 1 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments during flowering stage on leaf area per plant of different summer maize cultivars

2.2 花期高溫對(duì)夏玉米葉片光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.2.1 穗位葉葉綠素相對(duì)含量（SPAD）

由圖2可知,花期高溫脅迫降低了4個(gè)供試品種玉米葉片的葉綠素相對(duì)含量(SPAD)。吐絲后7 d,XD20、XY335和NH101在HT處理下的葉片SPAD值均顯著低于CK處理(＜0.05)。高溫處理結(jié)束后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的恢復(fù)(吐絲后20 d),4個(gè)玉米品種的葉片SPAD值雖略低于CK處理,但均與CK處理無(wú)顯著差異。

圖2 花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）對(duì)不同夏玉米穗位葉葉綠素相對(duì)含量（SPAD）的影響Fig.2 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on SPAD values in the ear-leaf of different summer maize cultivars

2.2.2 穗位葉光合參數(shù)

表2可知,花期高溫脅迫下玉米葉片凈光合速率()和氣孔導(dǎo)度()顯著降低,胞間CO()濃度顯著增加。吐絲后7 d，與CK處理相比,HT處理下XD20、ZD958、XY335和NH101的分別降低22.76%、16.94%、24.77%和38.49%,分別降低21.21%、23.53%、30.48%和36.00%,分別提高110.46%、111.82%、177.72%和168.56%,差異均達(dá)顯著水平(＜0.05)。耐熱型品種的和下降幅度以及增加幅度均小于熱敏感型品種。高溫處理結(jié)束后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的恢復(fù),至吐絲后20 d,4個(gè)玉米品種在HT處理下的、和已基本恢復(fù)至CK處理水平,與CK處理相比無(wú)顯著差異。

表2 花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）對(duì)不同夏玉米品種穗位葉光合參數(shù)的影響Table 2 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on photosynthetic parameters in the ear-leaf of different summer maize cultivars

2.2.3 穗位葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)

由表3可以看出,吐絲后7 d,花期高溫脅迫處理的4個(gè)玉米品種PSⅡ最大光化學(xué)效率(/)、PSⅡ潛在活性(/)、光合性能指數(shù)(PI)、用于電子傳遞的量子產(chǎn)額()和用于還原PSⅠ受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額()均有不同程度的降低,且多數(shù)指標(biāo)降低幅度并未達(dá)顯著水平,但降低的幅度因品種而異。HT處理下XD20、ZD958、XY335和NH101的/分別比CK處理降低0.87%、0.75%、1.49%和1.36%,/分別降低1.90%、2.21%、6.13%和4.20%,PI分別降低1.28%、2.76%、5.41%和3.38%,分別降低0.54%、1.22%、1.43%和2.11%,分別降低0.46%、2.55%、3.88%和8.19%。熱敏感型品種玉米穗位葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)高溫脅迫比耐熱型品種更為敏感。

表3 花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）對(duì)不同夏玉米品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 3 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on fluorescence parameters in the ear-leaf of different summer maize cultivars

高溫處理結(jié)束后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的恢復(fù),至吐絲后20 d,4個(gè)玉米品種HT處理的/、/和PI均高于CK處理,其中XD20分別高5.43%、25.62%和88.24%,ZD958分別高7.33%、27.74%和25.95%,XY335分別高2.17%、9.86%和4.27%,NH101分別高1.90%、9.52%和1.80%; XD20和ZD958在HT處理的分別較CK處理高13.20%和4.91%,而XY335和NH101分別較CK處理低0.97%和5.22%; 但4個(gè)品種HT處理的與CK處理相比,分別低7.69% (XD20)、9.05% (ZD958)、11.31% (XY335)和13.46% (NH101)。結(jié)果說(shuō)明,花期高溫脅迫造成玉米穗位葉光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)受損,/、/、PI、和等熒光參數(shù)降低; 而高溫脅迫結(jié)束后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的恢復(fù),部分熒光參數(shù)有不同程度的恢復(fù),甚至超過(guò)CK處理水平,如/、/和PI; 但也有部分熒光參數(shù)HT處理一直低于CK處理,如; 且葉片熒光參數(shù)對(duì)花期高溫脅迫及恢復(fù)的響應(yīng)存在明顯的基因型差異,耐熱型品種玉米穗位葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)花期高溫脅迫的耐受性及恢復(fù)能力較熱敏感型品種強(qiáng)。

2.3 花期高溫對(duì)夏玉米授粉結(jié)實(shí)能力的影響

2.3.1 雄穗分枝數(shù)和雄穗總小花數(shù)

圖3顯示,不同玉米品種的雄穗分枝數(shù)和雄穗總小花數(shù)存在顯著差異,總體表現(xiàn)為XD20和ZD958高于XY335和NH101。與CK相比,HT處理下XD20、ZD958、XY335和NH101的雄穗分枝數(shù)均有不同程度降低,但下降幅度均未達(dá)到顯著水平?；ㄆ诟邷孛{迫顯著降低了XD20和XY335的雄穗總小花,而對(duì)ZD958和NH101的雄穗總小花數(shù)無(wú)顯著影響。

圖3 花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）對(duì)不同夏玉米品種雄穗分枝數(shù)和雄穗總小花數(shù)的影響Fig.3 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on tassel branch number and tassel floret number of different summer maize cultivars

2.3.2 散粉持續(xù)期、開(kāi)花吐絲間隔期和授粉持續(xù)期

圖4表明,同一處理下,不同玉米品種的散粉持續(xù)期(PSD)、開(kāi)花吐絲間隔期(ASI)和授粉持續(xù)期(PD)有顯著差異,PSD和PD總體表現(xiàn)為XD20和ZD958高于XY335和NH101,ASI總體表現(xiàn)為XD20和ZD958低于XY335和NH101。花期高溫脅迫使得4個(gè)玉米品種的PSD縮短,ASI延長(zhǎng),進(jìn)而PD減少,但不同品種的增減幅度有較大差異。與CK處理相比,HT處理下XD20、ZD958、XY335和NH101的PSD分別降低10.00%、11.63%、23.33%和30.56%,其中NH101差異達(dá)顯著水平(＜0.05);ASI分別增加42.86%、75.00%、82.50%和87.50%,其中ZD958、XY335和NH101差異均達(dá)顯著水平(＜0.05); 而PD分別降低15.31%、20.51%、61.82%和56.08%,其中XY335和NH101差異達(dá)顯著水平(＜0.05)。耐熱型品種的PSD和PD降低幅度以及ASI增加幅度小于熱敏感型品種。

圖4 花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）對(duì)不同夏玉米品種散粉持續(xù)期、開(kāi)花吐絲間隔期和授粉持續(xù)期的影響Fig.4 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on pollen shedding duration,anthesis-silking interval and pollination duration of different summer maize cultivars

2.3.3 雌穗總小花數(shù)和結(jié)實(shí)率

圖5可知,花期高溫脅迫下,4個(gè)玉米品種的雌穗總小花數(shù)和結(jié)實(shí)率均有不同程度的降低,且結(jié)實(shí)率總體降低幅度大于雌穗總小花數(shù),熱敏感型品種XY335和NH101結(jié)實(shí)率的降低幅度顯著高于耐熱型品種XD20和ZD958。與CK處理相比,XD20、ZD958、XY335和NH101在HT處理下的雌穗總小花數(shù)分別降低6.48%、5.73%、9.06%和5.29%,其中ZD958和XY335差異達(dá)顯著水平(＜0.05); 結(jié)實(shí)率分別顯著降低10.29%、19.26%、64.06%和62.15%(＜0.05)。

圖5 花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）對(duì)不同夏玉米品種雌穗總小花數(shù)和結(jié)實(shí)率的影響Fig.5 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on ear filament number and kernel setting rate of different summer maize cultivars

2.4 花期高溫對(duì)夏玉米干物質(zhì)積累與分配的影響

2.4.1 吐絲后7 d （高溫處理結(jié)束當(dāng)天）干物質(zhì)積累與分配

圖6顯示,花期高溫脅迫導(dǎo)致玉米地上部各器官干物質(zhì)量均不同程度顯著下降(＜0.05,＜0.01),且雌穗干物質(zhì)量下降幅度最大,以致整株總干物質(zhì)量顯著降低。HT處理下,XD20、ZD958、XY335和NH101莖鞘干物質(zhì)量分別較CK處理降低9.63%、3.75%、11.89%和10.45%,葉片干物質(zhì)量分別降低4.29%、1.62%、2.16%和12.54%,雌穗干物質(zhì)量分別降低56.36%、55.99%、69.89%和58.67%,整株總干物質(zhì)量分別顯著降低16.83%、10.57%、15.91%和19.24%?；ㄆ诟邷孛{迫對(duì)熱敏感型品種雌穗干物質(zhì)量和整株總干物質(zhì)量的影響程度要高于耐熱型品種?；ㄆ诟邷孛{迫下,4個(gè)玉米品種營(yíng)養(yǎng)器官如莖、葉的干物質(zhì)分配比例增大,而雌穗占比卻大幅減小。HT處理下,XD20、ZD958、XY335和NH101的營(yíng)養(yǎng)器官(莖鞘+葉片)干物質(zhì)分配比率分別增大了11.12%、8.49%、8.50%和9.96%,雌穗干物質(zhì)占比分別減少了47.53%、50.79%、64.19%和48.83%。

圖6 花期高溫處理結(jié)束當(dāng)天高溫處理（HT）和常溫處理（CK）不同夏玉米品種地上部干物質(zhì)量及分配比例Fig.6 Dry matter mass and distribution in different organs of different summer maize cultivars under the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage at the end of high temperature treatment

2.4.2 吐絲后50 d （成熟期）干物質(zhì)積累與分配

花期高溫脅迫下,4個(gè)玉米品種成熟期地上部各器官干物質(zhì)量均不同程度下降,整株總干物質(zhì)量極顯著下降(＜0.01,圖7)。HT處理下,XD20、ZD958、XY335和NH101莖鞘干物質(zhì)量分別降低5.05%、7.88%、0.38%和3.08%,葉片干物質(zhì)量分別降低8.17%、8.82%、4.21%和2.96%,苞軸干物質(zhì)量分別降低26.13%、20.17%、5.96%和13.08%,籽粒干物質(zhì)量分別降低23.38%、21.25%、52.76%和67.63%,整株總干物質(zhì)量分別降低16.96%、15.85%、21.69%和29.76%。花期高溫脅迫下,耐熱型品種XD20和ZD958莖鞘和葉片的干物質(zhì)分配比例增大,而苞軸和籽粒占比卻減小; 熱敏感型品種XY335和NH101莖鞘、葉片和苞軸的干物質(zhì)分配比例均增大,而籽粒占比卻大幅減小。HT處理下,XD20和ZD958的莖葉(莖鞘+葉片)干物質(zhì)分配比率分別增大13.16%和9.07%,苞軸干物質(zhì)分配比率分別減少11.04%和5.13%,籽粒干物質(zhì)分配比率分別降低7.73%和6.42%; XY335和NH101的莖葉(莖鞘+葉片)干物質(zhì)分配比率分別增大25.67%和38.03%,苞軸干物質(zhì)分配比率分別增加20.09%和23.76%,籽粒干物質(zhì)分配比率分別降低39.68%和53.92%。花期高溫脅迫下,耐熱型品種玉米籽粒干物質(zhì)量及其分配比例的降低幅度低于熱敏感型品種。

圖7 花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）下不同夏玉米品種成熟期地上部干物質(zhì)量及分配比例Fig.7 Dry matter mass and distribution in different organs of different summer maize cultivars at the maturity stage under the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stages

2.5 花期高溫對(duì)夏玉米產(chǎn)量性狀的影響

圖8A顯示,花期高溫脅迫下,熱敏感型品種XY335和NH101的穗部缺粒表型較耐熱型品種XD20和ZD958明顯,雌穗授粉受精不良,籽粒零星分布,穗行不明顯,穗粒數(shù)顯著下降?；ㄆ诟邷孛{迫降低了4個(gè)玉米品種穗長(zhǎng)(圖8B)、穗粗(圖8C)、穗粒數(shù)(圖8D)、百粒重(圖8E)和籽粒產(chǎn)量(圖8G),增加了空稈率(圖8F),但不同耐熱型品種各產(chǎn)量性狀指標(biāo)的增減幅度有較大差異。總體來(lái)說(shuō),花期高溫顯著降低了耐熱型品種XD20和ZD958的穗長(zhǎng)(＜0.05),而對(duì)熱敏感型品種XY335和NH101的穗長(zhǎng)無(wú)顯著影響; 顯著降低XY335和NH101的穗粗(＜0.05),而對(duì)XD20和ZD958的穗粗無(wú)顯著影響;對(duì)4個(gè)玉米品種的百粒重?zé)o顯著影響,但4個(gè)品種空稈率顯著提高(＜0.05),且顯著降低了4個(gè)玉米品種的穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量(＜0.05),其中耐熱型品種空稈率的增加幅度以及穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量的降低幅度均小于熱敏感型品種。與CK處理相比,HT處理下,XD20、ZD958、XY335和NH101穗長(zhǎng)分別降低13.50%、14.09%、0.51%和4.69%,穗粗分別降低5.27%、7.01%、14.04%和19.95%,穗粒數(shù)分別降低18.93%、25.56%、68.38%和65.98%,百粒重分別降低1.58%、2.49%、5.24%和4.76%,籽粒產(chǎn)量分別降低27.98%、35.70%、63.69%和70.98%,空稈率分別增 加164.55%、248.19%、245.10%和320.90%。

圖8 花期高溫處理（HT）和常溫處理（CK）對(duì)不同夏玉米品種產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響Fig.8 Effect of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on grain yield and its components of different summer maize cultivars

2.6 夏玉米各性狀指標(biāo)耐熱系數(shù)分析

由圖9可知,夏玉米各性狀指標(biāo)間的耐熱系數(shù)有較大差異,且有些指標(biāo)不同品種間也存在明顯差異。圖9A顯示吐絲后7 d玉米葉片光合熒光性狀指標(biāo)的耐熱系數(shù)分析,結(jié)果表明耐熱系數(shù)平均值范圍為0.72～2.42,其中耐熱系數(shù)平均值＜0.90或＞1.10的指標(biāo)有、和,耐熱系數(shù)平均值分別為0.72、0.74和2.41; 各指標(biāo)品種間變異系數(shù)范圍為0.41%～14.85%,其中變異系數(shù)＞10%的指標(biāo)是和,分別為14.85%和12.30%。圖9B顯示吐絲后20 d玉米葉片光合熒光性狀指標(biāo)的耐熱系數(shù)分析,結(jié)果表明耐熱系數(shù)平均值范圍為0.90～1.30,其中耐熱系數(shù)平均值＜0.90或＞1.10的指標(biāo)有/和PI,耐熱系數(shù)平均值分別為1.18和1.30; 各指標(biāo)品種間變異系數(shù)范圍為2.02%～30.94%,其中變異系數(shù)＞10%的指標(biāo)是PI,為30.94%。圖9C顯示玉米雌雄穗性狀指標(biāo)的耐熱系數(shù)分析,結(jié)果表明耐熱系數(shù)平均值范圍為0.61～1.72,其中耐熱系數(shù)平均值＜0.90或＞1.10的指標(biāo)有雌穗結(jié)實(shí)率(KSR)、授粉持續(xù)期(PD)、散粉持續(xù)期(PSD)和開(kāi)花吐絲間隔期(ASI),耐熱系數(shù)平均值分別為0.61、0.62、0.81和1.72; 各指標(biāo)品種間變異系數(shù)范圍為1.80%～46.10%,其中變異系數(shù)＞10%的指標(biāo)是雌穗結(jié)實(shí)率(KSR)、授粉持續(xù)期(PD)、散粉持續(xù)期(PSD)和開(kāi)花吐絲間隔期(ASI),分別為46.11%、38.82%、12.07%和11.67%。圖9D顯示玉米干物質(zhì)積累分配及產(chǎn)量性狀指標(biāo)的耐熱系數(shù)分析,結(jié)果表明耐熱系數(shù)平均值范圍為0.47～0.96,其中耐熱系數(shù)平均值＜0.90或＞1.10的指標(biāo)有吐絲后7 d穗干物質(zhì)分配比例(Ear/DM7)、籽粒產(chǎn)量(GY)、穗粒數(shù)(KPE)、成熟期籽粒干物質(zhì)分配比例(Grain/DM50)、成熟期總干物質(zhì)量(DM50)、吐絲后7 d總干物質(zhì)量(DM7)和穗粗(ED),耐熱系數(shù)平均值分別為0.47、0.50、0.55、0.73、0.79、0.84和0.88; 各指標(biāo)品種間變異系數(shù)范圍為1.83%～47.21%,其中變異系數(shù)＞10%的指標(biāo)是穗粒數(shù)(KPE)、籽粒產(chǎn)量(GY)、成熟期籽粒干物質(zhì)分配比例(Grain/DM50)和吐絲后7 d穗干物質(zhì)分配比例(Ear/DM7),分別為47.21%、41.55%、32.14%和16.30%。

圖9 不同夏玉米品種各指標(biāo)耐熱系數(shù)分析Fig.9 Analysis of heat resistance coefficients of each index of four summer maize cultivars

綜上可知,耐熱系數(shù)品種間變異系數(shù)較大的指標(biāo)分別是穗粒數(shù)(KPE)、雌穗結(jié)實(shí)率(KSR)、籽粒產(chǎn)量(GY)、授粉持續(xù)期(PD)、成熟期籽粒干物質(zhì)分配比例(Grain/DM50)和PI(20 d),變異系數(shù)均達(dá)30%以上,耐熱型品種(XD20和ZD958)各指標(biāo)耐熱系數(shù)與CK的差異小于熱敏感型品種(XY335和NH101)。

3 討論

3.1 花期高溫脅迫對(duì)玉米葉片光合熒光特性的影響

高溫脅迫會(huì)對(duì)玉米的很多生理生化過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響,引起玉米植株生長(zhǎng)發(fā)育和器官建成的變化。前人研究表明,小喇叭口期至抽雄吐絲期是玉米形態(tài)建成的關(guān)鍵時(shí)期,高溫脅迫使玉米葉片變薄、比葉重下降,葉面積指數(shù)和干物質(zhì)量降低,且高溫脅迫對(duì)熱敏感型品種的影響程度重于耐熱型品種。本研究結(jié)果顯示,花期高溫脅迫下,4個(gè)夏玉米品種的有效綠葉面積降低,熱敏感型品種的葉面積降低幅度高于耐熱型品種。此外,高溫脅迫延緩了玉米葉片生育后期的衰老進(jìn)程,這可能是由于高溫脅迫下穗粒數(shù)和粒重降低(圖8)導(dǎo)致庫(kù)容縮小,阻礙了葉“源”物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)移,延緩了玉米葉片衰老。

光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),當(dāng)作物植株處于逆境中時(shí),葉片光合系統(tǒng)會(huì)做出相應(yīng)的改變以適應(yīng)在逆境中生長(zhǎng)。前人研究表明,短期或輕度高溫脅迫通過(guò)氣孔因素限制CO供應(yīng)量來(lái)影響植物光合作用,而長(zhǎng)期或嚴(yán)重的高溫脅迫則通過(guò)抑制葉肉細(xì)胞的光合活性等非氣孔因素來(lái)影響光合作用。本研究結(jié)果表明,花期高溫脅迫下,4個(gè)玉米品種的葉綠素含量降低,與顯著低于對(duì)照,顯著高于對(duì)照。這表明在本試驗(yàn)條件下,高溫脅迫導(dǎo)致玉米下降可能主要來(lái)源于光化學(xué)反應(yīng)的變化,不是氣孔因素導(dǎo)致的,而是非氣孔因素導(dǎo)致的。此外,耐熱性不同的品種間存在明顯的差異,耐熱型玉米品種的下降幅度小于熱敏感型,這與趙龍飛等和Li等的研究結(jié)果類(lèi)似。本試驗(yàn)條件下,高溫脅迫結(jié)束后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間恢復(fù),4個(gè)玉米品種葉片葉綠素含量、、和等指標(biāo)均恢復(fù)至對(duì)照水平,葉片光合作用恢復(fù)正常。盛得昌等研究也證明了花期持續(xù)16 d的高溫和極高溫脅迫顯著降低了玉米穗位葉,但對(duì)葉綠素含量無(wú)顯著影響,至灌漿中期高溫處理的恢復(fù)至對(duì)照水平,說(shuō)明花期高溫對(duì)玉米葉片光合能力造成的負(fù)面影響是可恢復(fù)的,可保障后期正常的灌漿。

植物光合機(jī)構(gòu)的PSⅡ?qū)囟茸兓蠲舾?高溫脅迫下葉片的下降與PSⅡ的改變有很大關(guān)系。高溫脅迫下,植物PSⅡ反應(yīng)中心會(huì)暫時(shí)失去活性,熱耗散和葉綠素?zé)晒庑问降暮纳⒃黾?以提高熱耗散來(lái)降低吸收光能的轉(zhuǎn)換效率,阻止過(guò)多光能向PSⅡ的傳遞,緩解對(duì)反應(yīng)中心的傷害,這是存在于諸多高等植物中的重要保護(hù)機(jī)制; 在一定溫度范圍內(nèi),這種改變是可逆的,但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),就會(huì)對(duì)PSⅡ造成不可逆?zhèn)?。本研究結(jié)果表明,花期高溫脅迫造成4個(gè)玉米品種的PSⅡ受損,/、/、PI、和等熒光參數(shù)降低,且耐熱型品種的下降幅度小于熱敏感型,這與前人研究結(jié)果類(lèi)似。不過(guò),當(dāng)4個(gè)玉米品種恢復(fù)13 d后,部分熒光參數(shù)有不同程度的恢復(fù),甚至超過(guò)對(duì)照水平,如/、/和PI,但也有部分熒光參數(shù)一直低于對(duì)照水平,如。此外,耐熱型玉米品種的高于對(duì)照水平,而熱敏感型品種依然低于對(duì)照水平。這說(shuō)明各熒光指標(biāo)的恢復(fù)程度存在顯著的基因型差異,耐熱型玉米品種的恢復(fù)程度高于熱敏感型品種。孫憲芝等研究發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下菊花(×)通過(guò)降低光能的捕獲與通過(guò)PSⅡ的電子傳遞效率來(lái)保護(hù)反應(yīng)中心免受傷害,但極端高溫處理可能造成供體端放氧復(fù)合體的失活,天線(xiàn)轉(zhuǎn)化效率和熱耗散系數(shù)很難恢復(fù)至對(duì)照水平。不同耐熱性玉米品種葉片葉綠素?zé)晒馓匦詫?duì)高溫脅迫及恢復(fù)的響應(yīng)以及這種響應(yīng)與品種耐熱性之間的關(guān)系還有待于進(jìn)一步深入研究。

3.2 花期高溫脅迫對(duì)雌雄穗發(fā)育和授粉結(jié)實(shí)能力的影響

玉米是雌雄同株異花授粉作物,雌雄穗?yún)f(xié)調(diào)發(fā)育是保證雌穗正常受精結(jié)實(shí)及產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素?；ㄆ诟邷孛{迫會(huì)導(dǎo)致玉米雌雄穗分化發(fā)育受阻,雄穗分枝數(shù)減少、雄穗總小花數(shù)及花粉量驟減、花藥花粉發(fā)育異常、花粉活力下降; 雌穗吐絲困難、雌穗總小花數(shù)降低、花絲上絨毛數(shù)量減少、花絲活力下降; 雌雄協(xié)調(diào)發(fā)育異常,開(kāi)花吐絲間隔期延長(zhǎng)。本試驗(yàn)條件下,高溫脅迫處理的4個(gè)品種玉米雄穗分枝數(shù)、雌穗總小花數(shù)、雄穗總小花數(shù)、散粉持續(xù)期、授粉持續(xù)期和結(jié)實(shí)率均有不同程度的降低,開(kāi)花吐絲間隔期顯著增加,其中結(jié)實(shí)率變化幅度最大,其次是開(kāi)花吐絲間隔期和授粉持續(xù)期?；ㄆ诟邷孛{迫對(duì)玉米的雄穗分枝數(shù)、雌穗總小花數(shù)和雄穗總小花數(shù)影響較小,這與侯昕芳等研究結(jié)果類(lèi)似,可能與高溫處理時(shí)期并沒(méi)有完全包括雌雄穗分化發(fā)育的整個(gè)時(shí)期有關(guān)。本試驗(yàn)條件下,高溫脅迫使得開(kāi)花吐絲間隔期增加以及授粉持續(xù)期縮短,造成雌雄不遇,授粉持續(xù)期顯著降低,導(dǎo)致結(jié)實(shí)率顯著下降。不同耐熱型玉米品種間存在明顯差異,耐熱型品種玉米結(jié)實(shí)率的下降幅度要顯著小于熱敏感型品種。這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)中選用的2類(lèi)玉米品種的雄穗大小差異較大,XD20和ZD958的雄穗分枝多、花粉量大,能夠彌補(bǔ)花期高溫逆境產(chǎn)生的不利影響。前人研究中篩選或采用的耐熱型品種往往表現(xiàn)出雄穗分枝較多的特點(diǎn),而熱敏感型品種雄穗往往較小。但關(guān)于玉米雄穗性狀(特別是分枝數(shù)、花粉量等)與品種耐熱性之間的關(guān)系仍不明晰,還有待進(jìn)一步探討。

3.3 花期高溫脅迫對(duì)干物質(zhì)積累分配與籽粒產(chǎn)量性狀的影響

干物質(zhì)是作物光合作用產(chǎn)物的最高形式,而光合產(chǎn)物的積累與分配是玉米籽粒產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ),增加干物質(zhì)積累量、并使之盡可能多地分配到籽粒當(dāng)中是獲得高產(chǎn)的基本途徑。前人研究表明,花期高溫脅迫造成玉米葉片功能受阻,物質(zhì)生產(chǎn)能力下降,并使干物質(zhì)分配到雌穗的比例降低,導(dǎo)致玉米穗長(zhǎng)變短,穗粗減小,禿尖長(zhǎng)度增加,穗粒數(shù)、百粒重降低,最終導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量顯著下降。也有研究認(rèn)為,花期不同程度高溫對(duì)玉米產(chǎn)量及源庫(kù)流關(guān)系的影響不同,輕度高溫會(huì)降低穗干物質(zhì)占比,但結(jié)束后通過(guò)加速物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)從而維持產(chǎn)量平衡,重度高溫則通過(guò)減小籽粒庫(kù)容影響玉米的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。本試驗(yàn)中,花期高溫脅迫導(dǎo)致4個(gè)玉米品種總干物質(zhì)積累量顯著下降,且對(duì)穗(特別是籽粒)的影響遠(yuǎn)大于莖鞘和葉片,表現(xiàn)為干物質(zhì)向莖鞘和葉片中的分配比例增加,向穗(特別是籽粒)中的轉(zhuǎn)運(yùn)積累減少,這可能是由于高溫脅迫下結(jié)實(shí)率的顯著減少導(dǎo)致穗部庫(kù)容縮小,影響了光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)。此外,與熱敏感型品種相比,耐熱型品種有較強(qiáng)的物質(zhì)積累與向籽粒分配的優(yōu)勢(shì),這是由于耐熱型品種籽粒庫(kù)容受高溫脅迫的影響較小,營(yíng)養(yǎng)器官莖鞘和葉片中貯藏物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的能力較高。單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重是玉米籽粒產(chǎn)量形成的三要素,三者之間的相互協(xié)調(diào)是獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)。本研究結(jié)果表明,花期高溫脅迫下4個(gè)玉米品種的穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重和籽粒產(chǎn)量降低,空稈率增加,籽粒產(chǎn)量降低主要是由穗粒數(shù)減少所致,這與前人研究結(jié)果保持一致。此外,花期高溫脅迫對(duì)耐熱型品種穗長(zhǎng)的影響重于熱敏感型,而對(duì)穗粗、穗粒數(shù)、百粒重、空稈率和籽粒產(chǎn)量的影響輕于熱敏感型。

通過(guò)分析各指標(biāo)耐熱系數(shù),發(fā)現(xiàn)不同指標(biāo)的耐熱系數(shù)差異較大,且有些指標(biāo)不同品種間差異也較大。耐熱系數(shù)品種間變異系數(shù)較大的指標(biāo)分別是穗粒數(shù)、雌穗結(jié)實(shí)率、籽粒產(chǎn)量、授粉持續(xù)期、成熟期籽粒干物質(zhì)分配比例、PI(花后20 d),變異系數(shù)均達(dá)到30%以上,各指標(biāo)耐熱系數(shù)均表現(xiàn)為耐熱型品種(XD20和ZD958)顯著高于熱敏感型品種(XY335和NH101)。因此,花期高溫脅迫對(duì)玉米授粉結(jié)實(shí)相關(guān)性狀的影響是導(dǎo)致產(chǎn)量降低的主要因素,且耐熱性不同的品種間差異明顯,可以用這些指標(biāo)作為花期前后篩選玉米耐熱品種的指標(biāo)。

4 結(jié)論

花期高溫脅迫對(duì)玉米的光合系統(tǒng)和雌雄穗?yún)f(xié)調(diào)發(fā)育有顯著影響,使得結(jié)實(shí)率顯著下降,導(dǎo)致玉米籽粒產(chǎn)量顯著降低,且高溫脅迫對(duì)熱敏感型品種葉片光合熒光特性、雌雄穗發(fā)育及產(chǎn)量的影響均顯著高于耐熱型品種。高溫脅迫使得夏玉米葉片光合性能降低、穗粒數(shù)顯著下降和空稈率增加,進(jìn)而導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量降低。高溫脅迫下雌雄穗?yún)f(xié)調(diào)發(fā)育出現(xiàn)異常,散粉持續(xù)期縮短和開(kāi)花吐絲間隔期拉長(zhǎng)引起的授粉持續(xù)期變短是導(dǎo)致結(jié)實(shí)率下降和穗粒數(shù)降低的主要因素。高溫脅迫下,與熱敏感型品種相比,耐熱型品種具有較強(qiáng)的PSⅡ光能利用和授粉結(jié)實(shí)能力,不僅保持了較高的物質(zhì)生產(chǎn)能力,且保持了向籽粒較大的分配比例,這些都是耐熱型玉米品種高產(chǎn)的重要生理特征。