不同熟期夏玉米品種籽粒灌漿脫水特性和激素含量變化

萬澤花 任佰朝 趙 斌 劉 鵬 張吉旺

作物生物學國家重點實驗室 / 山東農業大學農學院,山東泰安 271018

目前,玉米收獲時籽粒含水率高是限制我國機械化粒收進程的主要因素之一,早熟、后期籽粒脫水快是現代玉米品種選育的發展方向[1-7],而縮短品種生育期往往會伴隨著產量的降低[8]。在玉米成熟過程中,籽粒灌漿特性與脫水特性直接決定收獲時的產量和含水率。黃淮海區主要為冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式,為不影響下茬小麥播種,玉米收獲時間偏早,選育籽粒灌漿速率、脫水速率均較高的品種可以緩解這一矛盾[9]。植物激素作為信號傳遞物質,對作物生長發育有重要調控作用[10]。前人研究表明,生長素(IAA)、細胞分裂素(CTK)和赤霉素(GA3)會影響葉片中光合產物向籽粒的運輸,同時也會影響籽粒灌漿速率[11-14],而脫落酸(ABA)對籽粒生長發育有促進作用,并可能與籽粒脫水過程有關,但當ABA 含量超過某一值時則表現出抑制作用,還與IAA、GA3和CTK 的一些生理效應相拮抗[15-17]。目前,對玉米發育過程中內源激素調控的研究多集中在籽粒灌漿過程,而較少關于籽粒脫水過程[18],關于黃淮海地區玉米品種的內源激素調控研究也鮮見報道。因此,本論文重點研究不同熟期夏玉米品種籽粒灌漿與脫水特性及其發育成熟過程中IAA、GA3、玉米素核苷(ZR)和ABA 含量的動態變化,探究籽粒灌漿速率和脫水速率與各激素及其比值的相關性,以期為黃淮海夏玉米高產高效生產和品種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

山東農業大學玉米科技創新園(36.09°N,117.09°E),為溫帶大陸性季風氣候,2016—2017年夏玉米生長期內(6月10日至 10月1日)有效積溫分別為 1826.5°C 和1860.5°C,降雨量分別為442.2 mm 和386.7 mm,土壤類型為棕壤土,播種前0～20 cm 土壤含有機質12.2 g kg-1、全氮1.1 g kg-1、堿解氮60.6 mg kg-1、速效磷41.7 mg kg-1和速效鉀68.1 mg kg-1。

1.2 試驗設計

選用早熟玉米品種登海518(DH518)、衡早8 號(HZ8)和晚熟玉米品種鄭單958(ZD958)、登海605(DH605)為試驗材料,2 個早熟品種生育期為105 d 左右,2 個晚熟品種生育期為115 d 左右。種植密度為75,000 株 hm-2,小區面積為長9 m×寬6 m,重復3 次,隨機排列。播種前精細整地,造墑。2016年6月11日和2017年6月10日播種,等行距種植,行距60 cm,肥料用量為N 210 kg hm-2、P2O552.5 kg hm-2和K2O 67.5 kg hm-2,氮肥為尿素(含氮 46%),磷肥為過磷酸鈣(含P2O517%),鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。氮肥分別于播種時施入40%,小喇叭口期施入60%,磷鉀肥全部基施,按高產田水平進行田間管理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生育進程調查 播種后及時觀察并記錄各處理吐絲期(R1)和生理成熟期(R6)的時間,并計算生育期。生理成熟期以果穗中下部籽粒黑層出現,乳線消失日期為準。

1.3.2 籽粒灌漿特性 吐絲期選長勢一致的植株,將同一天授粉的果穗掛牌,標記日期。自授粉后10 d 開始,取每處理3 個標記果穗,2016年每6 d 或7 d 取樣一次,而2017年每5 d 取一次,直至籽粒生理成熟,并在生理成熟期當天取樣一次。取每果穗中部籽粒100 粒,迅速測定其鮮重,105℃殺青30 min 后,80℃烘至恒重,稱重。籽粒灌漿速率(g d-1100 粒-1)=(后一次取樣籽粒干重-前一次取樣籽粒干重)/2 次取樣相隔天數。

1.3.3 籽粒脫水特性 每次取樣后立即脫粒,計算籽粒含水率。籽粒含水率(%)=(鮮重-干重)/鮮重×100。籽粒脫水速率(% d-1)=(前一次取樣含水率-后一次取樣含水率)/2 次取樣相隔天數。并計算每次取樣果穗中部100粒籽粒的絕對含水量,籽粒絕對含水量(g 100 粒-1)=(100 粒鮮重-100 粒干重)。

1.3.4 籽粒內源激素含量 2017年,在吐絲后10 d、20 d、30 d、40 d、50 d 取果穗中部發育正常的籽粒,液氮速凍后置-40℃冰箱中保存。用酶聯免疫法測定IAA、ZR、GA3和ABA 的含量,酶聯免疫試劑盒由中國農業大學提供,使用Bio-TEK Elx-800 全自動酶標儀測定激素含量。

樣品前處理：(1)先用液氮將玉米籽粒磨成粉末狀,再稱取0.2～1.0 g 籽粒粉末狀鮮樣,加2 mL 樣品提取液[80%甲醇,內含1 mmol L-1BHT(二叔丁基對甲苯酚,為抗氧化劑,先用甲醇溶解BHT,再配成80%的濃度)],在冰浴下研磨成勻漿,轉入10 mL 試管,再用2 mL 提取液分次將研缽沖洗干凈,一并轉入試管中,搖勻后放置在4℃冰箱中。(2)4℃下提取4 h,10,000 ×g離心8 min,取上清液。沉淀中加1 mL 提取液,攪勻,置4℃下再提取1 h,離心,合并上清液并記錄體積,棄去殘渣。(3)上清液過C-18 固相萃取柱。具體步驟是,80%甲醇(1 mL)平衡柱→上樣→收集樣品→移開樣品后用100%甲醇(5 mL)洗柱→100%乙醚(5 mL)洗柱→100%甲醇(5 mL)洗柱→循環。(4)將過柱后的樣品轉入10 mL 塑料離心管,真空濃縮干燥或用氮氣吹干,除去提取液中的甲醇,用樣品稀釋液[500 mL PBS中加0.5 mL Tween-20,0.5 g 明膠(稍加熱溶解)]定容。

1.3.5 測產與考種 每處理隨機重復3次,取每重復30個果穗,自然風干,用于室內考種。產量(kg hm-2)= 收獲穗數(ears hm-2)×穗粒數×千粒重(g)/106×(1-含水率%)/(1-14%)

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010進行數據計算,SPSS 17.0(LSD,Duncan's)軟件進行數據統計和分析,SigmaPlot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 產量與生育期

不同熟期夏玉米品種的生育進程不同。以2017年為例,ZD958 較DH518、HZ8 的生育期分別長9 d、10 d,DH605 較DH518、HZ8 分別長10 d、11 d。ZD958 和DH605吐絲后天數較DH518、HZ8 均分別長4 d、5 d(表1)。不同玉米品種隨生育期的延長,產量增加。ZD958 的產量較HZ8、DH518、DH605 高20.7%、9.7%和9.3%(圖1)。而在2016年,DH605 產量最高,ZD958 的產量高于DH518,但差異不顯著。2年試驗結果基本一致。

2.2 籽粒灌漿特性

不同熟期夏玉米品種籽粒形成過程中干重和鮮重的變化趨勢一致。籽粒干重在灌漿前期緩慢增加,灌漿中期直線增加,灌漿后期有所不同。以2017年為例,DH518、HZ8 的籽粒干重在吐絲后 50 d 之后基本趨于穩定,

圖1 不同熟期夏玉米品種的產量 Fig.1 Yield of summer maize hybrids differing in maturities

表1 不同熟期夏玉米品種的生育進程 Table1 Growth process of summer maize hybrids differing in maturities

ZD958、DH605 的在吐絲后50 d 之后籽粒干物質積累量繼續增加,ZD958 的生理成熟期百粒干重較DH518、HZ8 的分別高13.0%、19.8%,DH605 較DH518、HZ8 分別高19.0%、31.0%(圖2)。不同品種的籽粒鮮重在灌漿前中期均迅速增加,灌漿后期基本趨于穩定。ZD958 的生理成熟期百粒鮮重較DH518、HZ8 分別高14.3%、24.1%,DH605 較DH518、HZ8 分別高20.3%、30.7%(圖3)。

2.3 籽粒脫水特性

不同品種的籽粒含水率從吐絲后10 d 到生理成熟均一直下降,早熟品種DH518、HZ8 生理成熟時的籽粒含水率未必低于晚熟品種ZD958、DH605。以2017年為例,DH518、HZ8、ZD958、DH605 生理成熟時的含水率分別為28.3%、26.6%、27.7%、26.4%(圖4)。不同品種的籽粒絕對含水量均為先增加后降低。晚熟品種較早熟品種達到最大籽粒含水量的時間晚,籽粒最大含水量值大。以2017年為例,DH518、HZ8 的籽粒絕對含水量在吐絲后25 d 達到最大值,ZD958、DH605 的在吐絲后30 d 達到最大值,ZD958、DH605 的籽粒在發育過程中的絕對含水量較DH518、HZ8 的高,在籽粒絕對含水量達到最大時,ZD958較DH518、HZ8 分別高8.3%、12.2%,DH605 較DH518、HZ8 分別高12.0%、16.0%(圖5)。

2.4 籽粒形成過程中灌漿速率與脫水速率的變化

2.4.1 籽粒灌漿速率 不同熟期夏玉米品種灌漿速率變化不同。以2017年為例,不同品種的籽粒灌漿速率均先升高后降低,20～30 d 時灌漿速率達到最大,之后逐漸降低。吐絲后30 d 內,ZD958、DH605 灌漿速率高于DH518、HZ8,在30～40 d 時,DH518 的灌漿速率最大,ZD958 最小,HZ8、DH605 相差不大,在30～50 d,DH518、HZ8 迅速下降,而ZD958、DH605 下降幅度低于DH518、HZ8(圖6)。

2.4.2 籽粒脫水速率 不同熟期夏玉米品種的籽粒脫水速率變化不同。以2017年為例,不同品種的籽粒脫水速率均先快后慢,直至趨于平穩,在吐絲后20～30 d,ZD958、DH605 的脫水速率顯著低于DH518、HZ8,DH518 和HZ8的脫水速率均值較ZD958、DH605 高0.39 % d-1(圖6)。

圖2 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過程中百粒鮮重的變化 Fig.2 Hundred-kernel fresh weight changes of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

圖3 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過程中百粒干重的變化 Fig.3 Hundred-kernel dry weight changes of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

圖4 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過程中含水率的變化 Fig.4 Change of grains moisture content of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

圖5 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過程中百粒絕對含水量的變化 Fig.5 Change of hundred-kernel absolute water content of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

圖6 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過程中籽粒灌漿速率與脫水速率的變化(2017)Fig.6 Changes of kernel filling and dehydration rate of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage(2017)

2.5 籽粒激素含量

不同品種籽粒成熟過程中4 種內源激素含量變化趨勢一致(圖7)。IAA 含量先升高后下降,在吐絲后20 d 達到最大,隨后逐漸降低。DH518、HZ8 的IAA 含量在吐絲后10～20 d 含量較高,之后DH518 的IAA 最高,HZ8 的最低,ZD958、DH605 維持在中間水平。GA3含量先升高后下降,在30 d 達到最大值,后開始下降。DH518、HZ8 的GA3含量一直處于中間水平；吐絲后30 d,DH605 高于其他品種；ZD958 前期較低,吐絲后50 d 最高。ZR 含量先增加后降低,與IAA 變化趨勢相近,DH518、ZD958 在吐絲后10～40 d 含量較高,吐絲后50 d 含量較低,HZ8、DH605 在吐絲后50 d 含量較高。ABA 含量在籽粒形成過程中一直升高。HZ8、DH518 的ABA 含量從吐絲后20 d總體上一直高于ZD958、DH605。

2.6 籽粒灌漿速率、脫水速率與激素含量及其比值的相關性分析

在籽粒形成過程中,不同品種籽粒灌漿速率與激素有關,2 個早熟品種籽粒灌漿速率均值與其IAA 含量均值呈顯著正相關。不同品種籽粒脫水速率與激素有關,其中2 個早熟品種籽粒脫水速率均值與其ZR 含量均值呈極顯著正相關(表2)。

3 討論

3.1 不同熟期夏玉米品種的籽粒灌漿與脫水特性

籽粒灌漿特性是影響玉米產量的重要因素之一,延長有效灌漿時間和增大灌漿速率能夠提高玉米產量[19]。前人研究表明,不同熟期玉米品種籽粒灌漿特性不同,早熟品種較晚熟品種灌漿啟動快,灌漿速率大,灌漿高峰期持續時間長,但在正常條件下兩種熟期的品種均能獲得高產[20-22]。本研究表明,與晚熟品種相比,早熟品種灌漿期短,最大灌漿速率小,生育后期灌漿速率下降快,生理成熟期百粒重低,產量低。另外,2 個早熟品種的產量存在顯著差異,在生產上可選育一些產量高的早熟玉米品種。玉米籽粒脫水速率直接影響玉米籽粒生長發育過程中的含水量。Dwyer 等[23]研究表明,生育期對玉米收獲時籽粒含水率影響最大,晚熟玉米品種收獲時籽粒含水率較早熟品種高。Gamb?n 等[24]認為灌漿期長短不同的玉米品種籽粒開始脫水的時間相同,籽粒后期灌漿速率的增大有助于脫水速率的提高,二者呈顯著正相關。本研究表明,早熟品種總體上較晚熟品種脫水速率高,且這種差異主 要體現在籽粒開始脫水后,早熟玉米品種比晚熟玉米品種開始脫水的時間早,這與Gamb?n 等[24]研究結果不一致。此外,籽粒灌漿速率與脫水速率相關性較弱(圖4),這與李璐璐等[25]研究結果一致。

圖7 不同熟期夏玉米籽粒形成過程中激素含量變化(2017)Fig.7 Hormones content changes in kernel of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage(2017)

表2 不同熟期夏玉米品種籽粒灌漿速率、脫水速率與各激素含量及其比值的相關分析(2017)Table2 Correlation analysis on grain filling rate,dehydration rate and hormones ratio of summer maize hybrids differing in maturities(2017)

3.2 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過程中內源激素含量及其變化

玉米籽粒的生長發育受多種植物激素的調控。前人研究表明[26-28],在籽粒灌漿前期,IAA、ZR、GA3能夠提高籽粒灌漿速率、增加粒重和谷粒充實度。ZR 和IAA 可能通過調控胚乳細胞分裂和增加庫強對籽粒灌漿與粒重起調節作用,IAA 也可能是通過調節蔗糖轉化酶、ADPG-焦磷酸化酶、淀粉合成酶的活性來影響淀粉合成。前人對水稻、小麥等的研究表明[29-30,16],ABA 變化與籽粒增重在灌漿前期有相同趨勢,但在灌漿后期,高濃度的ABA 有抑制物質運輸、加速植株衰老的效應。本研究表明,不同熟期玉米品種籽粒IAA、ZR、GA3和ABA 含量變化趨勢大體一致。早熟品種DH518、HZ8 較晚熟品種ZD958、DH605灌漿前期籽粒IAA 水平高,在灌漿后期,晚熟品種籽粒IAA 的含量下降緩慢,但早熟品種DH518、HZ8 在灌漿前期的灌漿速率并不高于晚熟品種ZD958、DH605,可能是不同熟期玉米品種受IAA 調控的閾值不一樣或是受其他多種因素的影響。早熟品種DH518、HZ8 籽粒ABA 含量從吐絲后20 d 總體上高于ZD958、DH605,這與早熟品種與晚熟品種脫水速率出現最大差異的時間大體一致,說明籽粒ABA 的積累可能與調控籽粒開始脫水密切相關。DH518、HZ8 熟期相近,但產量差異顯著,這與內源激素含量及其變化密切相關。DH518 籽粒在發育進程中IAA、ZR、GA3含量總體上較HZ8 高,說明在黃淮海地區選育脫水速率、灌漿速率均高的早熟高產品種還存在可能性。不同熟期玉米品種的籽粒灌漿速率和脫水速率與IAA、ZR、GA3含量均呈正相關,與ABA 含量呈負相關,說明玉米籽粒干物質積累與籽粒含水率的下降存在一定關系。ABA 含量與籽粒灌漿速率呈負相關,可能是灌漿中后期籽粒ABA 的積累抑制了營養物質向籽粒中運輸[29-30,16]。玉米籽粒脫水速率和籽粒含水率從授粉到籽粒成熟均呈降低的趨勢,ABA 含量呈上升趨勢,可能是ABA 的積累有助于種子成熟過程中胚胎耐干燥性的增強,利于籽粒脫水,促進籽粒提早成熟[17]。早熟品種DH518、HZ8 的籽粒脫水速率與ZR 含量呈顯著正相關,其作用機制還需進一步研究。