花期高溫脅迫對不同耐熱型夏玉米生理特性及產量的影響

單晶，張慧，王竹，李宗新，薛艷芳，錢欣，王良，劉開昌，高英波

（1.青島農業大學農學院，山東 青島 266109；2.山東省農業科學院玉米研究所／小麥玉米國家工程實驗室／農業部黃淮海北部玉米生物學與遺傳育種重點實驗室，山東濟南 250100；3.山東省農業科學院作物研究所，山東 濟南 250100）

受全球氣候變化影響，極端高溫天氣頻發，嚴重影響糧食生產和安全［1］。玉米是我國第一大糧食作物，對保障國家糧食安全至關重要。玉米是喜溫作物，但日最高溫超過32℃時，產量會顯著降低［2］。冬小麥-夏玉米一年兩熟種植是黃淮海區主要的種植模式，該種植模式下夏玉米在花期前后極易遭受35℃高溫熱害［3］。因此，明確花期高溫脅迫對夏玉米物質積累、光合特性及產量形成的影響，對實現玉米高產穩產、保障糧食安全具有重要意義。玉米在抽雄吐絲期前后對高溫最敏感［4］，該階段遭遇高溫脅迫會導致光合物質積累減少，散粉受精過程受阻［5-7］，籽粒敗育率增加，果穗有效粒數減少，灌漿持續期縮短［8-10］，粒重降低，最終導致單位面積穗數、穗粒數及粒重三者失衡，產量損失嚴重［11-13］。作物干物質積累有90%以上來源于光合作用［14，15］，高溫脅迫會顯著降低玉米穗位葉凈光合速率，進而限制物質積累和產量形成［11，16］。丙二醛（MDA）含量的多少標志著膜脂過氧化程度，可溶性蛋白是重要的滲透調節物質和營養物質，二者常用作篩選抗性的指標［17］，逆境脅迫下植物體內MDA含量增加，可溶性蛋白含量下降［11，16］。近年來，諸多研究集中在高溫對玉米苗期生長發育及后期籽粒建成的影響等方面，關于花期高溫脅迫對不同耐熱型夏玉米品種光合物質生產特性和品種間差異性等研究相對較少。因此，系統研究花期高溫脅迫對不同耐熱型夏玉米品種光合特性、花后干物質積累、生理特性及產量形成的影響，明確不同耐熱型玉米品種耐高溫特性及品種間差異性，對實現夏玉米抗逆穩產具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年和2018年6—10月在山東省農業科學院龍山試驗基地（117°32′E，36°43′N）進行。該試驗點地處溫帶大陸性季風氣候區，年均降雨量693.4 mm，年均氣溫 13.6℃，年均日照時數2 558.3 h，無霜期209 d。土壤為棕壤，pH 7.4，有機質含量 16.4 g／kg，堿解氮 57.3 mg／kg，速效磷29.0 mg／kg，速效鉀 125.8 mg／kg。

1.2 試驗設計

試驗以耐熱型品種鄭單958（ZD958）、熱敏感型品種魯單1108（LD1108）為供試材料。種植密度為67 500株／hm2，行距60 cm，行長5 m。全生育期施用尿素折合純氮180 kg／hm2，按種肥（播種）和大喇叭口肥（12片展開葉期）4∶6施用；磷肥施用過磷酸鈣，折合P2O590 kg／hm2，鉀肥施用硫酸鉀，折合K2O 90 kg／hm2，均作為種肥一次施入。生長期間保持充足的水分供應。

設大田對照（CK）和高溫脅迫（HT）兩個處理。大田對照處理小區面積5.0 m×4.2 m＝21 m2，3次重復；高溫處理用鋼管搭建長×寬×高為16.0 m×11.0 m×3.5 m的溫室框架，固定于田間，周圍用透光率95%的樹脂薄膜圍住（溫室頂部及周圍樹脂薄膜均能卷起，以利于氣體交換），吐絲期至吐絲后10 d每天9∶00—17∶00進行塑料薄膜覆蓋形成高溫處理，處理結束后卷起頂部及周圍樹脂塑料薄膜，使玉米處于自然條件下生長。高溫處理期間采用杭州路格科技有限公司生產的L95-8型全自動溫濕度記錄儀對處理和對照的空氣溫度和相對濕度進行實時測定，2017年棚外溫度平均32.4℃，棚內溫度平均 35.6℃，2018年棚外溫度平均38.9℃，棚內溫度平均41.8℃，高溫處理時段棚內平均溫度比對照增加3.05℃，相對濕度增加10.19%（圖1）。

圖1 2017和2018年高溫處理期增溫棚內外溫度和相對濕度變化

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉面積 分別于吐絲期、吐絲后 10、20、30、40、50 d，每個處理選取3株具有代表性的植株，測量綠葉面積。單葉葉面積＝長×寬×0.75，LAI＝單株葉面積×單位土地面積株數／單位土地面積。葉面積衰老速率（cm2／d）＝相鄰兩個取樣時期單株葉面積之差（cm2）／間隔天數（d）。

1.3.2 干物質積累 分別于吐絲期、吐絲后10、20、30、40、50 d，每個處理選取 3株具有代表性的植株，測量葉面積后，于105℃殺青30 min，然后80℃烘干至恒重。干物質積累速率（g／d）＝相鄰兩個取樣時期單株干物質量之差（g）／間隔天數（d）。

1.3.3 葉片光合特征 高溫脅迫結束前，于晴天上午9∶00—11∶00，采用 LI-6400測定穗位葉凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）。

1.3.4 MDA、可溶性蛋白含量測定 分別于吐絲后10、20、30、40 d，每處理選擇3株具有代表性的植株，取其穗位葉放入液氮罐帶回實驗室，置于-80℃冰箱保存，采用酶聯免疫分析（ELISA）法測定穗位葉中MDA和可溶性蛋白含量。

1.3.5 測產及考種 籽粒成熟期進行測產取樣，主要考察果穗穗長、禿尖長、穗行數、行粒數及千粒重，同時測定籽粒含水率，計算實際產量（按14%含水率折算）。

1.4 數據分析

利用Microsoft Excel 2016進行數據處理，利用SAS 9.0進行數據統計分析，不同處理間用LSD法進行多重比較，利用SigmaPlot 12.5軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 產量、產量構成及穗部性狀

由表1可見，吐絲至吐絲后10 d高溫脅迫的LD1108和ZD958產量、穗粒數、行粒數顯著降低，禿尖長顯著增加，穗粒數的降低主要是由行粒數降低引起。高溫脅迫對LD1108（熱敏感型）產量、產量構成及禿尖長的影響重于ZD958（耐熱型）。與對照相比，高溫脅迫下LD1108和ZD958的產量（2年平均）分別顯著降低25.62%和23.34%，穗粒數分別顯著降低22.95%和17.76%，行粒數分別顯著降低20.46%和 14.94%，禿尖長顯著增加 84.26%和89.89%。高溫脅迫下，ZD958的產量、穗粒數和行粒數分別比 LD1108高11.94%、16.60%和19.28%，差異顯著（P＜0.05）。

表1 花期高溫脅迫對不同耐熱型夏玉米產量、產量構成及穗部性狀的影響

2.2 干物質積累速率

由圖2可見，從吐絲期到吐絲后50 d，不同處理玉米干物質積累速率均隨著生育進程的推進呈先增加后降低的趨勢，高溫脅迫下2個玉米品種干物質積累速率均低于對照。與對照相比，LD1108在吐絲期～吐絲后10 d、吐絲后10～20 d、吐絲后20～30 d、吐絲后30～40 d、吐絲后40～50 d期間的干物質積累速率（2年平均）分別降低45.18%、12.87%、12.28%、10.50%和42.19%，ZD958的干物質積累速率（2年平均）分別降低34.45%、6.16%、11.67%、14.89%和19.62%。高溫脅迫處理下耐熱型ZD958干物質積累速率降低幅度低于熱敏感型品種LD1108。

圖2 花期高溫脅迫對不同耐熱型夏玉米花后干物質積累速率的影響

2.3 葉片衰老速率

由圖3可見，從吐絲期到吐絲后50 d，不同處理玉米葉片衰老速率均隨著生育進程的推進呈指數曲線增加趨勢。吐絲期至吐絲后30 d，葉片衰老速率較低；吐絲后30～50 d，葉片衰老速率快速升高，高溫脅迫處理下2個玉米品種的葉片衰老速率顯著高于對照。與對照相比，LD1108在吐絲期～吐絲后10 d、吐絲后10～20 d、吐絲后20～30 d、吐絲后30～40 d、吐絲后40～50 d期間的葉面積衰老速率（2年平均）分別增加66.15%、42.70%、18.66%、23.44%和 32.23%，ZD958的葉片衰老速率（2年平均）分別增加53.57%、29.49%、21.31%、16.78%和 24.22%。總體來說，高溫脅迫處理下耐熱型ZD958葉片衰老速率降低幅度低于熱敏感型品種LD1108。

2.4 凈光合速率和蒸騰速率

由圖4可見，高溫脅迫下2個夏玉米穗位葉凈光合速率和蒸騰速率顯著降低，但下降幅度不同。與對照相比，熱敏感型品種LD1108的穗位葉凈光合速率和蒸騰速率分別下降了23.92%和16.75%，而耐熱型品種ZD958的穗位葉凈光合速率和蒸騰速率分別下降了19.92%和13.24%。耐熱型品種ZD958在高溫脅迫下穗位葉凈光合速率和蒸騰速率的下降幅度明顯小于熱敏感型LD1108。

圖3 花期高溫脅迫對不同耐熱型夏玉米花后葉片衰老速率的影響

圖4 花期高溫脅迫對夏玉米穗位葉凈光合速率和蒸騰速率的影響

2.5 丙二醛（MDA）和可溶性蛋白含量

由圖5可見，高溫脅迫下2個基因型夏玉米穗位葉MDA含量呈先降低后升高趨勢，對照處理則表現為一直升高趨勢，可溶性蛋白含量趨勢表現相反。與對照相比，熱敏感型品種LD1108在吐絲后10、20、30、40 d穗位葉 MDA含量分別增加 43.71%、6.24%、16.03%和 11.93%，可溶性蛋白含量分別降低 19.84%、12.29%、17.40%和12.37%；耐熱型品種ZD958在吐絲后10、20、30、40 d穗位葉 MDA含量分別降低22.44%、4.87%、13.16%和7.96%，可溶性蛋白含量分別降低 15.62%、8.86%、13.46%和 11.32%。耐熱型品種ZD958在高溫脅迫下穗位葉MDA含量增加幅度和可溶性蛋白含量降低幅度明顯小于熱敏感型LD1108。

圖5 花期高溫脅迫對夏玉米穗位葉丙二醛和可溶性蛋白含量的影響

3 討論與結論

玉米的產量是由單位面積穗數、穗粒數及粒重共同決定，三者失衡則會導致產量降低。前人研究表明，不同生育階段遭遇高溫脅迫均會導致玉米產量、粒重和穗粒數顯著降低［8，18，19］，高溫脅迫對玉米穗粒數的影響大于粒重［20］。本研究結果表明，吐絲至吐絲后10 d高溫脅迫顯著降低夏玉米籽粒產量和穗粒數，禿尖長顯著增加，行粒數減少是穗粒數下降的主要原因，這可能是由于高溫脅迫影響玉米的花粉花絲活力，籽粒敗育率［7，18］增加導致。同時，高溫脅迫會引起光合作用受阻［16］，MDA含量增加［20，21］，物質生產能力降低，從而使產量降低［16］。本研究通過吐絲至吐絲后10 d的高溫脅迫處理對夏玉米生理特性、干物質積累速率、葉片衰老速率和產量構成因素的分析發現，高溫脅迫降低了夏玉米穗位葉凈光合速率、蒸騰速率、干物質積累速率、穗位葉可溶性蛋白含量，增加了葉片衰老速率和穗位葉MDA含量，造成頂部籽粒敗育率增加，禿尖增長，穗粒數減少，進而導致產量降低。

前人研究表明，高溫條件下，不同玉米品種在幼 苗 生 長 發 育［22，23］、光 合 生 理［16］、受 精 結實［24，25］、籽粒建成［8］等方面均表現出顯著差異。花期前后高溫脅迫下耐熱型玉米品種比熱敏感型玉米品種具有較高光合能力，產量受高溫影響較小［16］，吐絲期和灌漿前期高溫脅迫對溫帶玉米種質資源影響大于熱帶種質資源［26］。耐熱型玉米品種在高溫脅迫條件下能夠維持較強的滲透調節能力和較少的 MDA積累［20，27］。本研究結果表明，與不耐熱型玉米品種LD1108相比，高溫脅迫下耐熱型玉米品種ZD958具有較好的光合能力、物質生產能力和滲透物質調節能力，葉片衰老速率低，產量及穗部性狀受高溫脅迫影響較小。且高溫脅迫下耐熱型品種ZD958的產量及產量構成、干物質積累速率、葉片衰老速率、穗位葉凈光合速率、MDA和可溶性蛋白含量變化幅度均小于熱敏感型品種LD1108。總體表明，在高溫脅迫下能夠保持較強的光合性能和物質生產能力、較好的滲透調節能力和葉片持綠能力是耐熱玉米品種的重要特征，在夏玉米花粒期易發生高溫熱害區域應選用該類品種。