玉米籽粒灌漿特性及其與莖稈糖分的關系

華鶴良，趙 青，李國生，曹振奇，王 杰，卞云龍

(1.揚州大學糧食作物現代產業技術協同創新中心/教育部植物功能基因組學重點實驗室，江蘇 揚州 225009；2.揚州大學實驗農牧場，江蘇 揚州 225009；3.揚州市揚大康源乳業有限公司，江蘇 揚州 225004)

玉米是中國種植面積大、總產量高的糧飼作物。玉米產量主要取決于單位面積籽粒數量和粒質量[1]，粒質量因其在穗上著生位置的不同而有較大差異。一般來說，著生在果穗下部和中部的籽粒充實好，粒質量高，稱之為強勢粒；著生在果穗上部的籽粒充實差，粒質量低，稱之為弱勢粒[2-3]；果穗上部籽粒還會退化[4], 形成禿頂。關于弱勢粒灌漿差的原因，水稻上已有大量研究，也存在多種解釋, 包括源限制[5-6]、庫容限制[7-8]、庫活性低[9-10]和同化物運輸不暢[11-12]等，其機理仍不完全清楚。玉米籽粒灌漿的粒位效應前人多從籽粒生長發育[3,13]、氮肥運籌[14-16]、籽粒物理性狀[17]、激素[2,18]、密度[19-20]及基因型[21-22]等方面進行研究。蔗糖是重要的光合產物，是植物體內運輸的主要物質，也是莖稈糖分的主要成分[23-24]。光合產物需要不斷通過莖稈向玉米籽粒運輸，才能完成籽粒灌漿、干物質積累等過程。目前，關于玉米莖稈糖分含量與籽粒灌漿關系鮮有報道。本試驗以先玉335和鄭單958及其親本為材料，研究玉米不同粒位籽粒灌漿特性，并探討灌漿速率與莖稈糖分的關系，旨在進一步解析玉米籽粒灌漿機理，為提高玉米產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以先玉335和鄭單958雜交種及其親本為試驗材料， 2015-2016年供試品種的主要生育時期見表1。

1.2 種植方法

于2015年7月、2016年7月將先玉335和鄭單958 雜交種及其親本共6份試驗材料播于揚州大學實驗農牧場的玉米試驗田中，采用隨機區組設計，2次重復，每份材料每個重復種植6行，每行10株，行距0.60 m，株距0.25 m，試驗田前茬為空茬，沙壤土，地力中等，施純氮241.5 kg/hm2，苗期防治地老虎，大喇叭口期防治玉米螟，其他田間管理措施同一般大田。

1.3 取樣方法

選取長勢相對整齊一致的單株40株(行首和行尾的植株除外)，掛牌并記載相關生育期(抽雄期、散粉期、吐絲期)，吐絲前統一套硫酸紙袋隔離；全部采用人工自交授粉，每個材料在同一天進行飽和授粉，確保各果穗結實粒數基本一致，對不同材料授粉日期進行記錄，以便記錄取樣時間。

表1主要生育時期

Table1Thegrowthstagesofthetestedvarieties

年份材料播種期(月-日)抽雄期(月-日)散粉期(月-日)吐絲期(月-日)2015鄭單95807-1309-0309-0509-04鄭5807-1309-0609-1009-09昌7-207-1309-0809-1109-12先玉33507-1309-0509-0509-04PH6WC07-1309-0709-1109-12CPH4CV07-1309-0809-1009-102016鄭單95807-1108-3109-0209-02鄭5807-1109-0409-0709-08昌7-207-1109-0509-1009-12先玉33507-1109-0209-0909-08PH6WC07-1109-0409-0809-08CPH4CV07-1109-0709-1009-11

1.4 灌漿速率與脫水速率測定

在每個供試材料各自授粉后的第10 d、20 d、30 d、40 d和50 d分別取樣，每次選取8個長勢一致的果穗。早上7∶00-8∶00 取樣，迅速脫粒。

按籽粒粒位分別取上部3～10環籽粒(從果穗最頂端數起)，中部 13～22 環(從果穗最下部數起)和下部 8～12 環籽粒(從果穗最下部數起)分別為上部樣粒、中部樣粒、下部樣粒。各部位樣粒混勻后隨機選出50(自交系)或100 (雜交種)粒稱鮮質量。迅速將鮮質量材料轉入105 ℃烘箱30 min，然后80 ℃烘干至恒質量，測干質量。

1.5 莖稈糖分含量測定

當日用于測定籽粒灌漿速率與脫水速率的植株去掉葉片、葉鞘及雄穗等， 用榨汁機(恒聯 TYZ-8.0)分別榨出每個植株的全莖稈汁液于培養皿中，充分混合后，微量移液器吸取100 μl，用手持測糖儀(PAL-1，日本生產)測定糖分含量。為了降低測糖儀的測定誤差，每次每個植株莖稈汁液重復測定3次，取其平均值作為該植株的莖稈汁液糖分含量。

1.6 計算公式：

籽粒灌漿速率=(后1次取樣百粒干質量-前1次取樣百粒干質量)/取樣間隔。

籽粒含水率=(百粒鮮質量-百粒干質量)/百粒鮮質量×100%。

籽粒含水量是指每100粒玉米中水分的質量。

莖稈糖分消耗量=前后10 d莖稈含糖量之差的絕對值。

1.7 數據處理

采用 Microsoft Excel 2007 進行數據處理、作圖， 用 SPSS16.0 版軟件進行數據統計與分析。兩年數據趨勢一致，數據分析以 2015 年為主，部分數據為2015 年和2016 年平均值。

2 結果與分析

2.1 莖稈糖分含量變化

2個雜交種及其親本授粉后10 d至50 d莖稈含糖量整體都呈下降趨勢，親本自交系莖稈含糖量普遍高于其雜交種；先玉335(圖1)和鄭單985(圖2)2個雜交種莖稈含糖量下降趨勢基本相似，但先玉335從授粉20 d至30 d莖稈含糖量下降幅度較鄭單958大，這可能與先玉335灌漿特性有關。 2個雜交種親本的莖稈含糖量下降速率有較大差異，先玉335的2個親本PH6WC和CPH4CV下降緩慢，相比而言鄭單958的2個親本鄭58和昌7-2下降較快。

圖1 先玉335及其親本不同測定時期莖稈含糖量變化Fig.1 Stalk sugar content of Xianyu 335 and the parent in different measurement stage

圖2 鄭單958及其親本不同測定時期莖稈含糖量變化Fig.2 Stalk sugar content of Zhengdan 958 and the parent in different measurement stage

2.2 不同粒位籽粒灌漿動態

不同粒位(上、中、下)籽粒灌漿速率在灌漿初期差異很小，隨著灌漿期的延長差異漸大，但中部、下部粒位籽粒灌漿速率差異仍然較小，在灌漿速率達到峰值時，上部與中部、下部籽粒灌漿速率差異達最大(圖3)。從圖3可以看出，授粉后30 d雜交種灌漿速率達到高峰期，親本自交系(PH4CV除外)灌漿速率高峰期早于雜交種。高峰期前后果穗不同粒位籽粒灌漿速率表現不同，高峰期及之前雜交種和親本自交系灌漿速率基本表現為下部籽粒>中部籽粒>上部籽粒；高峰期結束后，中部籽粒灌漿速率較下部高，上部籽粒灌漿速率仍然最低。供試材料先玉335、PH4CV及鄭58果穗上部籽粒灌漿速率在灌漿后期仍然呈現上升趨勢。據此，作者認為如果栽培措施得當，生育后期進一步增加果穗上部籽粒粒質量是可能的。

灌漿速率存在粒位效應，同時也存在基因型差異。自交系PH4CV不同粒位籽粒灌漿速率從授粉后 10～40 d均呈現上升趨勢，而其他供試材料籽粒灌漿速率基本都表現低-高-低的變化趨勢。自交系PH4CV的籽粒灌漿特性對其雜交種先玉335果穗上部籽粒灌漿速率持續上升應該是有作用的。盡管鄭單958母本鄭58果穗頂部(上部)灌漿速率趨勢與先玉335父本PH4CV相似，但其中部、下部籽粒灌漿速率在達峰值后呈現快速下降，上部雖有上升但不足以抵消整體下降趨勢，可能與鄭單958果穗上部籽粒灌漿速率也表現慢-快-慢有關。要保持雜交種上部籽粒在后期仍有高的灌漿速率，至少一個親本整體籽粒灌漿速率在后期要有此特性。

圖3 不同粒位籽粒灌漿速率Fig.3 Grain filling rate at different grain positions of maize ear

2.3 不同粒位籽粒水分動態

授粉后10～50 d，6個供試材料果穗不同粒位籽粒含水量都表現為下部>中部>上部，但中、下部差異較小(圖4)；中、下部籽粒含水量在授粉后20 d達峰值，上部籽粒含水量峰值出現時間供試材料間有差異，2個雜交種上部籽粒含水量在授粉后30 d達峰值，自交系PH6WC和昌7-2上部籽粒含水量達峰值時間與雜交種相同，另外2個自交系(PH4CV、鄭58)上部籽粒含水量則是在授粉后10 d最高。隨著籽粒灌漿期的延長，籽粒含水量在達峰值后，均呈現下降趨勢(圖4)。

圖4 不同粒位籽粒含水量Fig.4 Grain moisture content at different grain positions of maize ear

從圖5可以看出，無論是雜交種還是自交系果穗不同粒位籽粒含水率從授粉后10～50 d變化趨勢一致，第一次取樣(授粉后10 d)籽粒含水率最高，然后逐漸下降。相對來說，授粉后10 d中、下部籽粒含水率比上部高，隨著籽粒干物質的不斷積累，3個粒位籽粒含水率相近。先玉335在授粉30 d后籽粒含水率下降速度快于鄭單958。

籽粒含水量是籽粒水分的絕對量，籽粒含水率是籽粒水分的相對量，2者變化趨勢不同，籽粒含水量在授粉后20 d出現峰值。玉米授粉后 15～20 d為籽粒形成期，籽粒體積增加很快，干物質積累較少，含水量迅速上升。因此，研究結果符合玉米籽粒的形成與充實特性。

圖5 不同粒位籽粒含水率Fig.5 Grain moisture content percentage at different grain positions of maize ear

2.4 莖稈糖分含量與籽粒灌漿速率關系

蔗糖是重要的光合產物，是植物體內運輸的主要物質，也是莖稈糖分的主要成分[23]。玉米莖稈是葉片光合產物向籽粒運輸的主要通道，莖稈糖分含量與籽粒灌漿速率的關系值得關注。授粉后10 d是玉米籽粒形成期，干物質積累較少，莖稈糖分含量處于高水平階段。隨著籽粒灌漿速率提高，莖稈糖分含量呈下降趨勢(圖1、圖2、圖3)。在莖稈糖分消耗量與灌漿速率關系方面，2個雜交種先玉335和鄭單958表現一致(圖6)，授粉后30 d籽粒灌漿速率最高，莖稈糖分消耗量也最大。與鄭單958相比，先玉335授粉后 30～50 d莖稈糖分含量沒有下降且相對穩定(圖1)，對先玉335在后期(30～50 d)仍有較高的灌漿速率是有利的。4個自交系莖稈糖分與灌漿速率關系表現不一致(圖6)，除了PH4CV，其他3個自交系莖稈糖分消耗量最大時，灌漿速率基本上也達最高值。相比而言，先玉335的2個親本(PH6WC，PH4CV)后期莖稈糖分消耗量較高，可能與籽粒灌漿速率下降緩慢有關。

鄭單958父母本的莖稈糖分消耗量在20 d、30 d達到最大，鄭單958的莖稈糖分消耗量在20 d、30 d也達到最大(圖6，表2)，說明雜交種的莖稈糖分消耗量與父母本存在一定聯系。

3 討 論

玉米是中國第一大糧飼作物, 玉米高產是一個永恒的話題。Johnson等[25]和 Engledow 等[26]把產量分解為幾個構成因素：產量=穗數×穗粒數×粒質量。在農業生產中, 這 3 個產量構成因素中的穗數和穗粒數是相對容易調整的[27]，增密增產的理念已經得到廣泛應用。在黃淮海地區，夏玉米灌漿時間短，灌漿期陰雨寡照天氣多，另外農民還有早收的習慣，粒質量不穩成為黃淮海地區夏玉米產量出現年際間大幅度波動的主要原因[28]。因此應把提高粒質量作為玉米超高產研究的主攻方向。

玉米粒質量因其在穗上著生位置的不同而有較大差異。一般來說,著生在果穗下部和中部的籽粒充實好、粒質量高，稱之為強勢粒；著生在果穗上部的籽粒充實差、粒質量低，稱之為弱勢粒[2]。玉米不同粒位籽粒灌漿速率存在粒位效應[14,29-30]；本研究結果表明，灌漿速率的粒位效應在灌漿速率峰值前后有差異，峰值期及之前2個雜交種(先玉335、鄭單958)和親本自交系灌漿速率基本表現為下部籽粒>中部籽粒>上部籽粒；高峰期結束后，中部籽粒灌漿速率較下部高，上部籽粒灌漿速率仍然最低。頂部小花分化發育晚，花絲抽出遲,在自然傳粉情況下授粉受精晚，中下部小花的早受精子房對頂部小花有庫位抑制作用[31-32]。本研究采用人工同步授粉的方法，排除授粉受精早晚對頂部小花發育的影響，但上部籽粒灌漿速率仍然處于劣勢狀態。上部籽粒的糖分(光合產物)供應不足，導致上部籽粒物質積累較低[29]，同化物的供應不均衡可能是導致頂部與中下部籽粒發育差異的一個重要原因[14]。本研究發現，不同材料后期籽粒灌漿速率下降趨勢不同，作者認為后期仍有較高的灌漿速率或灌漿速率下降緩慢(如PH4CV)對提高上部籽粒粒質量是有利的。玉米果穗一般呈圓筒型或圓錐型，上部直徑總是小于中下部，玉米果穗籽粒分布幾何空間也影響了上部籽粒庫容(籽粒體積)；Tollenaar等[4]研究也認為庫容是導致上部籽粒干物質積累慢的主要原因，選育圓筒型果穗玉米品種有利于提高果穗上部籽粒粒質量。粒質量是玉米產量的重要組成部分, 籽粒充實的優劣直接關系到粒質量和產量的高低，加強玉米弱勢粒(上部籽粒)灌漿特征及機理研究非常重要。

圖6 莖稈糖分消耗量與籽粒灌漿速率的關系Fig.6 The relations between grain filling rate and stalk sugar consumption

表2不同籽粒灌漿時期莖稈糖分消耗量

Table2Stalksugarconsumptionofdifferentmaizevarietiesatgrainfillingstage

供試材料性 狀 授粉后天數(d)1020304050先玉335灌漿速率(g/d, 100粒)0.140.240.830.820.67糖分消耗量 (%)0.343.460.290.14PH6WC灌漿速率(g/d, 100粒)0.260.740.760.69糖分消耗量 (%)1.211.166.46PH4CV灌漿速率(g/d, 100粒)0.210.400.640.96糖分消耗量 (%)0.081.320.73鄭單958灌漿速率(g/d, 100粒)0.110.200.840.640.42糖分消耗量 (%)1.042.540.530.29鄭58灌漿速率(g/d, 100粒)0.180.750.550.55糖分消耗量 (%)2.271.600.03昌7-2灌漿速率(g/d, 100粒)0.170.470.570.53糖分消耗量 (%)1.690.990.43

玉米粒質量與淀粉的積累密切相關。可溶性糖總含量(蔗糖和還原糖)的高低對于淀粉的積累具有決定性的意義。申麗霞等[14]研究結果表明頂部籽粒蔗糖、總糖含量均明顯低于中下部籽粒，且總糖含量與灌漿速率的下降相一致，說明同化物的供應不均衡是導致頂部與中下部籽粒發育差異的一個重要原因。華鶴良等[33]研究認為玉米莖稈糖分含量不同生育時期的變化趨勢與籽粒灌漿速率、光合產物合成量及植株自身消耗量等因素相關。玉米莖稈糖分是籽粒灌漿的重要物質來源，本研究中莖稈糖分消耗量最大時，籽粒灌漿速率基本上處于峰值，2個雜交種表現尤為明顯。當然玉米抽雄開花后莖稈糖分除了供給果穗籽粒灌漿，還要參與植株自身的代謝活動，生育后期的植株早衰、貪青晚熟等現象都與莖稈糖分的積累、消耗有關。玉米莖稈糖分是玉米整個生長過程中光合產物積累的結果，本研究中自交系PH4CV莖稈糖分消耗處于峰值時，籽粒灌漿速率只有每百粒籽粒每天0.64 g，相對較低，可能其莖稈糖分消耗用于其他器官的生長發育。

鄭單958和先玉335是目前中國種植面積較大的玉米品種，且生育期相近，但收獲時籽粒含水率差別顯著且籽粒脫水速率存在較大差異[34]。在本研究中，先玉335授粉后30 d、40 d和50 d的籽粒含水率分別為33.0%、22.1%和15.6%；鄭單958授粉后30 d、40 d和50 d的籽粒含水率分別為31.1%、25.0%和15.5%。依據田間實際成熟情況，2個雜交種在授粉后40 d處于生理成熟期，說明先玉335生理成熟時籽粒含水率明顯低于鄭單958。早期較大的生理脫水速率使先玉335生理成熟時的籽粒含水率顯著低于鄭單958。宋朝玉等[35]比較先玉 335和鄭單 958的脫水過程，先玉335比鄭單958籽粒脫水快的優勢在于其前期脫水快，并認為選育快速脫水品種應注重前期脫水強度的選擇。