不同熟期夏玉米品种籽粒灌浆脱水特性和激素含量变化

万泽花 任佰朝 赵 斌 刘 鹏 张吉旺

作物生物学国家重点实验室 / 山东农业大学农学院,山东泰安 271018

目前,玉米收获时籽粒含水率高是限制我国机械化粒收进程的主要因素之一,早熟、后期籽粒脱水快是现代玉米品种选育的发展方向[1-7],而缩短品种生育期往往会伴随着产量的降低[8]。在玉米成熟过程中,籽粒灌浆特性与脱水特性直接决定收获时的产量和含水率。黄淮海区主要为冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式,为不影响下茬小麦播种,玉米收获时间偏早,选育籽粒灌浆速率、脱水速率均较高的品种可以缓解这一矛盾[9]。植物激素作为信号传递物质,对作物生长发育有重要调控作用[10]。前人研究表明,生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)和赤霉素(GA3)会影响叶片中光合产物向籽粒的运输,同时也会影响籽粒灌浆速率[11-14],而脱落酸(ABA)对籽粒生长发育有促进作用,并可能与籽粒脱水过程有关,但当ABA 含量超过某一值时则表现出抑制作用,还与IAA、GA3和CTK 的一些生理效应相拮抗[15-17]。目前,对玉米发育过程中内源激素调控的研究多集中在籽粒灌浆过程,而较少关于籽粒脱水过程[18],关于黄淮海地区玉米品种的内源激素调控研究也鲜见报道。因此,本论文重点研究不同熟期夏玉米品种籽粒灌浆与脱水特性及其发育成熟过程中IAA、GA3、玉米素核苷(ZR)和ABA 含量的动态变化,探究籽粒灌浆速率和脱水速率与各激素及其比值的相关性,以期为黄淮海夏玉米高产高效生产和品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

山东农业大学玉米科技创新园(36.09°N,117.09°E),为温带大陆性季风气候,2016—2017年夏玉米生长期内(6月10日至 10月1日)有效积温分别为 1826.5°C 和1860.5°C,降雨量分别为442.2 mm 和386.7 mm,土壤类型为棕壤土,播种前0～20 cm 土壤含有机质12.2 g kg-1、全氮1.1 g kg-1、碱解氮60.6 mg kg-1、速效磷41.7 mg kg-1和速效钾68.1 mg kg-1。

1.2 试验设计

选用早熟玉米品种登海518(DH518)、衡早8 号(HZ8)和晚熟玉米品种郑单958(ZD958)、登海605(DH605)为试验材料,2 个早熟品种生育期为105 d 左右,2 个晚熟品种生育期为115 d 左右。种植密度为75,000 株 hm-2,小区面积为长9 m×宽6 m,重复3 次,随机排列。播种前精细整地,造墒。2016年6月11日和2017年6月10日播种,等行距种植,行距60 cm,肥料用量为N 210 kg hm-2、P2O552.5 kg hm-2和K2O 67.5 kg hm-2,氮肥为尿素(含氮 46%),磷肥为过磷酸钙(含P2O517%),钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。氮肥分别于播种时施入40%,小喇叭口期施入60%,磷钾肥全部基施,按高产田水平进行田间管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生育进程调查 播种后及时观察并记录各处理吐丝期(R1)和生理成熟期(R6)的时间,并计算生育期。生理成熟期以果穗中下部籽粒黑层出现,乳线消失日期为准。

1.3.2 籽粒灌浆特性 吐丝期选长势一致的植株,将同一天授粉的果穗挂牌,标记日期。自授粉后10 d 开始,取每处理3 个标记果穗,2016年每6 d 或7 d 取样一次,而2017年每5 d 取一次,直至籽粒生理成熟,并在生理成熟期当天取样一次。取每果穗中部籽粒100 粒,迅速测定其鲜重,105℃杀青30 min 后,80℃烘至恒重,称重。籽粒灌浆速率(g d-1100 粒-1)=(后一次取样籽粒干重-前一次取样籽粒干重)/2 次取样相隔天数。

1.3.3 籽粒脱水特性 每次取样后立即脱粒,计算籽粒含水率。籽粒含水率(%)=(鲜重-干重)/鲜重×100。籽粒脱水速率(% d-1)=(前一次取样含水率-后一次取样含水率)/2 次取样相隔天数。并计算每次取样果穗中部100粒籽粒的绝对含水量,籽粒绝对含水量(g 100 粒-1)=(100 粒鲜重-100 粒干重)。

1.3.4 籽粒内源激素含量 2017年,在吐丝后10 d、20 d、30 d、40 d、50 d 取果穗中部发育正常的籽粒,液氮速冻后置-40℃冰箱中保存。用酶联免疫法测定IAA、ZR、GA3和ABA 的含量,酶联免疫试剂盒由中国农业大学提供,使用Bio-TEK Elx-800 全自动酶标仪测定激素含量。

样品前处理：(1)先用液氮将玉米籽粒磨成粉末状,再称取0.2～1.0 g 籽粒粉末状鲜样,加2 mL 样品提取液[80%甲醇,内含1 mmol L-1BHT(二叔丁基对甲苯酚,为抗氧化剂,先用甲醇溶解BHT,再配成80%的浓度)],在冰浴下研磨成匀浆,转入10 mL 试管,再用2 mL 提取液分次将研钵冲洗干净,一并转入试管中,摇匀后放置在4℃冰箱中。(2)4℃下提取4 h,10,000 ×g离心8 min,取上清液。沉淀中加1 mL 提取液,搅匀,置4℃下再提取1 h,离心,合并上清液并记录体积,弃去残渣。(3)上清液过C-18 固相萃取柱。具体步骤是,80%甲醇(1 mL)平衡柱→上样→收集样品→移开样品后用100%甲醇(5 mL)洗柱→100%乙醚(5 mL)洗柱→100%甲醇(5 mL)洗柱→循环。(4)将过柱后的样品转入10 mL 塑料离心管,真空浓缩干燥或用氮气吹干,除去提取液中的甲醇,用样品稀释液[500 mL PBS中加0.5 mL Tween-20,0.5 g 明胶(稍加热溶解)]定容。

1.3.5 测产与考种 每处理随机重复3次,取每重复30个果穗,自然风干,用于室内考种。产量(kg hm-2)= 收获穗数(ears hm-2)×穗粒数×千粒重(g)/106×(1-含水率%)/(1-14%)

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据计算,SPSS 17.0(LSD,Duncan's)软件进行数据统计和分析,SigmaPlot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 产量与生育期

不同熟期夏玉米品种的生育进程不同。以2017年为例,ZD958 较DH518、HZ8 的生育期分别长9 d、10 d,DH605 较DH518、HZ8 分别长10 d、11 d。ZD958 和DH605吐丝后天数较DH518、HZ8 均分别长4 d、5 d(表1)。不同玉米品种随生育期的延长,产量增加。ZD958 的产量较HZ8、DH518、DH605 高20.7%、9.7%和9.3%(图1)。而在2016年,DH605 产量最高,ZD958 的产量高于DH518,但差异不显著。2年试验结果基本一致。

2.2 籽粒灌浆特性

不同熟期夏玉米品种籽粒形成过程中干重和鲜重的变化趋势一致。籽粒干重在灌浆前期缓慢增加,灌浆中期直线增加,灌浆后期有所不同。以2017年为例,DH518、HZ8 的籽粒干重在吐丝后 50 d 之后基本趋于稳定,

图1 不同熟期夏玉米品种的产量 Fig.1 Yield of summer maize hybrids differing in maturities

表1 不同熟期夏玉米品种的生育进程 Table1 Growth process of summer maize hybrids differing in maturities

ZD958、DH605 的在吐丝后50 d 之后籽粒干物质积累量继续增加,ZD958 的生理成熟期百粒干重较DH518、HZ8 的分别高13.0%、19.8%,DH605 较DH518、HZ8 分别高19.0%、31.0%(图2)。不同品种的籽粒鲜重在灌浆前中期均迅速增加,灌浆后期基本趋于稳定。ZD958 的生理成熟期百粒鲜重较DH518、HZ8 分别高14.3%、24.1%,DH605 较DH518、HZ8 分别高20.3%、30.7%(图3)。

2.3 籽粒脱水特性

不同品种的籽粒含水率从吐丝后10 d 到生理成熟均一直下降,早熟品种DH518、HZ8 生理成熟时的籽粒含水率未必低于晚熟品种ZD958、DH605。以2017年为例,DH518、HZ8、ZD958、DH605 生理成熟时的含水率分别为28.3%、26.6%、27.7%、26.4%(图4)。不同品种的籽粒绝对含水量均为先增加后降低。晚熟品种较早熟品种达到最大籽粒含水量的时间晚,籽粒最大含水量值大。以2017年为例,DH518、HZ8 的籽粒绝对含水量在吐丝后25 d 达到最大值,ZD958、DH605 的在吐丝后30 d 达到最大值,ZD958、DH605 的籽粒在发育过程中的绝对含水量较DH518、HZ8 的高,在籽粒绝对含水量达到最大时,ZD958较DH518、HZ8 分别高8.3%、12.2%,DH605 较DH518、HZ8 分别高12.0%、16.0%(图5)。

2.4 籽粒形成过程中灌浆速率与脱水速率的变化

2.4.1 籽粒灌浆速率 不同熟期夏玉米品种灌浆速率变化不同。以2017年为例,不同品种的籽粒灌浆速率均先升高后降低,20～30 d 时灌浆速率达到最大,之后逐渐降低。吐丝后30 d 内,ZD958、DH605 灌浆速率高于DH518、HZ8,在30～40 d 时,DH518 的灌浆速率最大,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(图6)。

2.4.2 籽粒脱水速率 不同熟期夏玉米品种的籽粒脱水速率变化不同。以2017年为例,不同品种的籽粒脱水速率均先快后慢,直至趋于平稳,在吐丝后20～30 d,ZD958、DH605 的脱水速率显著低于DH518、HZ8,DH518 和HZ8的脱水速率均值较ZD958、DH605 高0.39 % d-1(图6)。

图2 不同熟期夏玉米品种籽粒形成过程中百粒鲜重的变化 Fig.2 Hundred-kernel fresh weight changes of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

图3 不同熟期夏玉米品种籽粒形成过程中百粒干重的变化 Fig.3 Hundred-kernel dry weight changes of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

图4 不同熟期夏玉米品种籽粒形成过程中含水率的变化 Fig.4 Change of grains moisture content of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

图5 不同熟期夏玉米品种籽粒形成过程中百粒绝对含水量的变化 Fig.5 Change of hundred-kernel absolute water content of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

图6 不同熟期夏玉米品种籽粒形成过程中籽粒灌浆速率与脱水速率的变化(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

不同品种籽粒成熟过程中4 种内源激素含量变化趋势一致(图7)。IAA 含量先升高后下降,在吐丝后20 d 达到最大,随后逐渐降低。DH518、HZ8 的IAA 含量在吐丝后10～20 d 含量较高,之后DH518 的IAA 最高,HZ8 的最低,ZD958、DH605 维持在中间水平。GA3含量先升高后下降,在30 d 达到最大值,后开始下降。DH518、HZ8 的GA3含量一直处于中间水平；吐丝后30 d,DH605 高于其他品种；ZD958 前期较低,吐丝后50 d 最高。ZR 含量先增加后降低,与IAA 变化趋势相近,DH518、ZD958 在吐丝后10～40 d 含量较高,吐丝后50 d 含量较低,HZ8、DH605 在吐丝后50 d 含量较高。ABA 含量在籽粒形成过程中一直升高。HZ8、DH518 的ABA 含量从吐丝后20 d总体上一直高于ZD958、DH605。

2.6 籽粒灌浆速率、脱水速率与激素含量及其比值的相关性分析

在籽粒形成过程中,不同品种籽粒灌浆速率与激素有关,2 个早熟品种籽粒灌浆速率均值与其IAA 含量均值呈显著正相关。不同品种籽粒脱水速率与激素有关,其中2 个早熟品种籽粒脱水速率均值与其ZR 含量均值呈极显著正相关(表2)。

3 讨论

3.1 不同熟期夏玉米品种的籽粒灌浆与脱水特性

籽粒灌浆特性是影响玉米产量的重要因素之一,延长有效灌浆时间和增大灌浆速率能够提高玉米产量[19]。前人研究表明,不同熟期玉米品种籽粒灌浆特性不同,早熟品种较晚熟品种灌浆启动快,灌浆速率大,灌浆高峰期持续时间长,但在正常条件下两种熟期的品种均能获得高产[20-22]。本研究表明,与晚熟品种相比,早熟品种灌浆期短,最大灌浆速率小,生育后期灌浆速率下降快,生理成熟期百粒重低,产量低。另外,2 个早熟品种的产量存在显著差异,在生产上可选育一些产量高的早熟玉米品种。玉米籽粒脱水速率直接影响玉米籽粒生长发育过程中的含水量。Dwyer 等[23]研究表明,生育期对玉米收获时籽粒含水率影响最大,晚熟玉米品种收获时籽粒含水率较早熟品种高。Gambίn 等[24]认为灌浆期长短不同的玉米品种籽粒开始脱水的时间相同,籽粒后期灌浆速率的增大有助于脱水速率的提高,二者呈显著正相关。本研究表明,早熟品种总体上较晚熟品种脱水速率高,且这种差异主 要体现在籽粒开始脱水后,早熟玉米品种比晚熟玉米品种开始脱水的时间早,这与Gambίn 等[24]研究结果不一致。此外,籽粒灌浆速率与脱水速率相关性较弱(图4),这与李璐璐等[25]研究结果一致。

图7 不同熟期夏玉米籽粒形成过程中激素含量变化(2017)Fig.7 Hormones content changes in kernel of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage(2017)

表2 不同熟期夏玉米品种籽粒灌浆速率、脱水速率与各激素含量及其比值的相关分析(2017)Table2 Correlation analysis on grain filling rate,dehydration rate and hormones ratio of summer maize hybrids differing in maturities(2017)

3.2 不同熟期夏玉米品种籽粒形成过程中内源激素含量及其变化

玉米籽粒的生长发育受多种植物激素的调控。前人研究表明[26-28],在籽粒灌浆前期,IAA、ZR、GA3能够提高籽粒灌浆速率、增加粒重和谷粒充实度。ZR 和IAA 可能通过调控胚乳细胞分裂和增加库强对籽粒灌浆与粒重起调节作用,IAA 也可能是通过调节蔗糖转化酶、ADPG-焦磷酸化酶、淀粉合成酶的活性来影响淀粉合成。前人对水稻、小麦等的研究表明[29-30,16],ABA 变化与籽粒增重在灌浆前期有相同趋势,但在灌浆后期,高浓度的ABA 有抑制物质运输、加速植株衰老的效应。本研究表明,不同熟期玉米品种籽粒IAA、ZR、GA3和ABA 含量变化趋势大体一致。早熟品种DH518、HZ8 较晚熟品种ZD958、DH605灌浆前期籽粒IAA 水平高,在灌浆后期,晚熟品种籽粒IAA 的含量下降缓慢,但早熟品种DH518、HZ8 在灌浆前期的灌浆速率并不高于晚熟品种ZD958、DH605,可能是不同熟期玉米品种受IAA 调控的阈值不一样或是受其他多种因素的影响。早熟品种DH518、HZ8 籽粒ABA 含量从吐丝后20 d 总体上高于ZD958、DH605,这与早熟品种与晚熟品种脱水速率出现最大差异的时间大体一致,说明籽粒ABA 的积累可能与调控籽粒开始脱水密切相关。DH518、HZ8 熟期相近,但产量差异显著,这与内源激素含量及其变化密切相关。DH518 籽粒在发育进程中IAA、ZR、GA3含量总体上较HZ8 高,说明在黄淮海地区选育脱水速率、灌浆速率均高的早熟高产品种还存在可能性。不同熟期玉米品种的籽粒灌浆速率和脱水速率与IAA、ZR、GA3含量均呈正相关,与ABA 含量呈负相关,说明玉米籽粒干物质积累与籽粒含水率的下降存在一定关系。ABA 含量与籽粒灌浆速率呈负相关,可能是灌浆中后期籽粒ABA 的积累抑制了营养物质向籽粒中运输[29-30,16]。玉米籽粒脱水速率和籽粒含水率从授粉到籽粒成熟均呈降低的趋势,ABA 含量呈上升趋势,可能是ABA 的积累有助于种子成熟过程中胚胎耐干燥性的增强,利于籽粒脱水,促进籽粒提早成熟[17]。早熟品种DH518、HZ8 的籽粒脱水速率与ZR 含量呈显著正相关,其作用机制还需进一步研究。