陈先敏 周亚宁 李斌彬 肖祖栋 申 思, 2 周顺利,2*

(1.中国农业大学 农学院,北京 100193;2.河北省低平原区农业技术创新中心,河北 吴桥 061802)

玉米作为我国第一大粮食作物,其产量由单位面积穗数、穗粒数和粒重组成[1-2],其中粒重形成与灌浆期物质积累速度和持续时长密切相关[3-5]。随着全球气候变化与极端天气频发,每年干旱导致15%～20%的玉米产量损失[6]。目前针对苗期、开花期及籽粒建成期干旱对籽粒影响的研究较多[7-8]。此外,灌浆期遭受胁迫通常对同化物的供应、库容等产生影响,从而降低产量[2,9-11]。然而在玉米籽粒中,胚乳作为同化物的主要贮藏场所,其重量约占籽粒的80%左右,表明胚乳物质积累决定了籽粒的产量和品质[12-13],因此,开展灌浆期不同阶段干旱对玉米胚乳物质积累影响的研究十分重要。

在玉米籽粒建成后(通常授粉后12～15 d),籽粒进入灌浆期,往往可以持续40 d以上[4,14]。在此阶段胚乳要经历细胞的增殖和扩张、淀粉和蛋白质的积累、脱水成熟等多个过程[4,14]。已有研究发现,灌浆期遭受干旱胁迫时,叶片光合同化物减少[15-16]、蔗糖向籽粒的运输受阻[17]、淀粉合成能力降低[18],导致灌浆期缩短、灌浆速率降低,最终粒重和淀粉含量减少[17-18]。干旱胁迫对胚乳物质积累的影响程度不仅取决于干旱程度,还取决于干旱发生的时间[18],而目前关于对玉米灌浆不同阶段干旱影响的研究较少。并且,在结构上籽粒包括了种皮、小穗柄、胚和胚乳等多个亚组织,以往大部分研究往往针对整个籽粒进行取样,很少将胚乳单独作为研究对象。此外,在大田环境下,玉米、小麦、水稻等禾谷类作物的穗部都存在强弱势粒之分,它们的粒重因其在穗部的生长位置不同而存在显著差异[19-20]。一般而言,玉米穗中部的强势粒在代谢和库强度等方面优于生长在穗顶部的弱势粒,导致弱势粒比强势粒对环境更敏感[10-12]。已有研究表明,玉米灌浆期遭受胁迫时,弱势粒在灌浆速率、灌浆持续期、淀粉含量、粒重、淀粉合成相关酶活性和激素含量等方面受到的影响均大于强势粒[11-12]。目前,关于不同位势籽粒的胚乳受干旱影响的研究鲜见报道。本研究通过人工控水方式,在灌浆前期、中期和后期分别对玉米植株进行干旱胁迫处理,分析不同位势籽粒的胚乳干物质积累和灌浆特性变化特征,旨在明确灌浆不同阶段干旱胁迫对玉米果穗不同位势胚乳物质积累的影响,以期为玉米抗旱高产栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料及试验设计

试验于河北省沧州市中国农业大学吴桥实验站(37°41′ N,116°36′ E)进行。试验材料选择在生产中大面积推广应用多年的玉米杂交种‘郑单958’。设置对照(CK,整个灌浆期正常浇水以保持土壤相对含水量在75%以上)以及灌浆早期(ED、授粉后第16—25天)、中期(MD、授粉后第26—35天)和后期(LD、授粉后第36—45天)3个阶段的干旱处理。干旱胁迫前,所有植株正常浇水。干旱前5 d注意控制浇水以保证在开始干旱阶段土壤相对含水量在70%以下,干旱期间停止供水,持续10 d。土壤含水量由土壤湿度传感器(ThetaProbe ML2x, Delta-T Device,英国)测量,干旱处理后5 d测得的表层10 cm土壤相对含水量分别为41%(ED,20 DAP(授粉后天数))、45%(MD,30 DAP)和38%(LD,40 DAP)。干旱处理结束后恢复供水,直至成熟。

2020年5月20日播种,9月15日收获。共种植300盆,后期每个处理分别选择长势均匀一致的50株进行取样。将3粒大小均匀且饱满的玉米种子播种在盆栽桶(高30 cm,半径17 cm)中,桶内装有10 kg沙壤土和5 L基质营养土(有机质含量≥40 g/100 g)。播种前加入充足水分和复合肥11 g(wN∶wP2O5∶wK2O=1∶1∶1)。3叶期定苗,每盆留1株长势相同健壮的幼苗。在12叶期追施尿素5 g(N 46 g/100 g)。在吐丝前,对所有雌穗进行套袋以防止自然授粉。当所有花丝吐出后,于上午收集新鲜花粉进行人工统一授粉。干旱处理期间利用人工防雨棚阻止自然降雨。

1.2 样品收集

每个处理选取长势均匀的3个代表性果穗,从基部向上取第16—20环籽粒为强势位籽粒和胚乳,从顶部向下取第3—5环为弱势位籽粒和胚乳。籽粒和胚乳取下后,一部分用于测定干重,一部分存于-20 ℃用于测定淀粉、蛋白质和可溶性糖含量。其中,胚乳的获得需要将相应位势的籽粒取下后立即放置于冰上,快速去掉种皮和胚后称重或保存。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 籽粒和胚乳干重

分别在授粉后第20、第25、第30、第35、第40、第45和第60天取样,每个处理选取3株不同植株,测籽粒和胚乳鲜重,105 ℃杀青30 min后于75 ℃烘干至恒重,测定干重。

1.3.2 胚乳灌浆特性

基于胚乳干重,通过Logistic方程:W=a/(1+be-ct) 模拟,计算方程参数a、b、c,其中W(胚乳干重)为因变量,g;t(授粉后时间,d)为自变量[21-22]。灌浆特征参数计算公式如下:

灌浆速率达到最大时所需时间Tmax=ln(b/c)

灌浆速率最大时的胚乳生长量Wmax=a/2

最大灌浆速率Gmax=(c×Wmax)/2

灌浆活跃期D=6/c

1.3.3 淀粉和糖含量测定

淀粉和可溶性糖的提取参考Hanft等[23]的方法,其中淀粉在提取过程中转化为葡萄糖。提取液中的蔗糖、果糖和葡萄糖含量的测定参考文献[24-25]的方法,葡萄糖含量的测定利用己糖激酶和葡萄糖6-磷酸脱氢酶将葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖酸盐,同时将NAD还原为NADH,利用酶标仪(美国Thermo Fisher公司)在340 nm波长下测定OD值。果糖和蔗糖使用6-磷酸葡萄糖异构酶和转化酶分别转化为葡萄糖后按照以上方法测定含量。

1.3.4 蛋白质含量测定

称取收获期的胚乳0.25 g,采用全自动凯氏定氮仪(海能K1100F,中国)测定全氮,全氮含量×6.25为蛋白质含量[26-27]。

1.4 数据统计

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0软件对数据进行整理和统计分析,用CurveExpert 1.3软件中Logistic模型模拟胚乳灌浆过程[21-22],Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 灌浆阶段干旱对收获期粒重和胚乳干重的影响

由图1可知,灌浆阶段干旱胁迫显著降低收获期籽粒和胚乳的干重,其影响程度表现为ED(灌浆前期干旱)>MD(灌浆中期干旱)>LD(灌浆后期干旱),弱势位籽粒和胚乳受干旱的影响程度大于强势位。ED、MD和LD处理的果穗中部强势位粒重分别比CK降低19.46%、13.49%和10.89%,果穗顶部弱势位粒重分别比CK降低35.79%、28.59%和10.94%(图1(a)和(b))。相似地,在ED和MD下,强势位胚乳干重比CK降低12.82%和8.74%,弱势位胚乳干重分别比CK降低22.95%和14.77%;在LD下,胚乳重略有降低,但未达到显著水平(图1(c)和(d))。果穗强势籽粒的胚乳重量占比没有受到干旱胁迫的影响, ED和MD分别提高果穗弱势位籽粒的胚乳重量占比19.38%和18.79%(图1(e)和(f))。

(a)、(c)和(e)分别为强势位的粒重、胚乳重量和胚乳重量占比;(b)、(d)和(f)分别为弱势位的粒重、胚乳重量和胚乳重量占比(a), (c) and (e) are grain weight, endosperm weight and endosperm proportion of the superior position of ear, respectively; (b), (d) and (f) are grain weight, endosperm weight and endosperm proportion of the inferior position of ear, respectivelyCK,对照;ED,灌浆早期干旱;MD,灌浆中期干旱;LD,灌浆后期干旱。不同字母表示处理间在P<0.05水平上差异显著。下同。CK, control; ED, drought stress at early stage of grain filling; MD, drought stress at middle stage of grain filling; LD, drought stress at late stage of grain filling. Different letters in the figure indicate significant differences between treatments at the 0.05 level. The same below.图1 灌浆阶段干旱处理下玉米的粒重、胚乳重量和胚乳重量占比Fig.1 Grain weight, endosperm weight and endosperm proportion under drought occurred in grain-filling phases

2.2 灌浆阶段干旱对胚乳灌浆特性的影响

2.2.1 灌浆阶段干旱对胚乳含水量和干物质积累过程的影响

由图2可知,与CK相比,ED、MD和LD处理均显著降低胚乳的干物质积累,使得胚乳加速脱水,其中弱势位胚乳受到干旱的影响早于强势位。强势位胚乳含水量受ED影响从干旱处理后第5天(20 DAP)开始表现出显著低于CK,MD是从干旱处理后第20天(45 DAP)开始显著低于CK,而LD在收获期才表现出胚乳含水量显著低于CK;弱势位胚乳含水量受ED、MD和LD影响分别从干旱处理后第5天开始表现出显著低于CK(图2(a)和(b))。与含水量不同,强势位胚乳干重受ED和MD影响均从40 DAP(ED处理后第25天;MD处理后第15天)开始表现出显著低于CK,弱势位胚乳受ED和MD影响均从35 DAP(ED处理后第20天;MD处理后第10天)开始显著低于CK; 然而LD处理下强/弱势位胚乳相较于CK都略有降低,但并不显著(图2(c)和(d))。

2.2.2 灌浆阶段干旱对胚乳灌浆特性的影响

由表1可知,灌浆阶段干旱胁迫对灌浆参数存在不同的影响,决定系数R2在0.981～0.998,说明方程模拟结果能较好的代表胚乳灌浆过程。干旱处理减少了胚乳达到最大灌浆速率需要的时间(Tmax)和灌浆速率最大时的胚乳生长量(Wmax),它们在强/弱势位胚乳由高到低都表现为CK>LD>MD>ED。除LD对强势位胚乳的影响以外,干旱处理降低了胚乳的最大灌浆速率(Gmax):ED、MD和LD的强势位胚乳Gmax分别比CK降低3.13%、6.23%和增加1.99%,弱势位胚乳Gmax分别降低13.38%、14.39%和3.63%。此外,干旱胁迫缩短了胚乳的灌浆有效期(D):ED、MD和LD的强势位胚乳D分别降低14.58%、3.27%和5.89%;弱势位胚乳D分别降低13.71%、1.17%和4.26%。表明干旱对灌浆参数除了灌浆有效期以外,干旱对弱势位胚乳的Tmax、Wmax和Gmax影响均大于强势位,其中MD降低Gmax程度最大,但ED对D缩短幅度最大。

(a)和(c)分别为强势位胚乳含水量和干物质;(b)和(d)分别为弱势位胚乳含水量和干物质(a) and (c) are water content and dry weight of endosperms on superior position, respectively; (b) and (d) are water content and dry weight of endosperms on inferior position, respectively*、**和***分别表示在P<0.05,P<0.01和P<0.001水平上差异。下同。*, ** and *** indicates significant differences at P<0.05, P<0.01 and P<0.001 levels. The same below.图2 灌浆阶段干旱处理下玉米胚乳含水量和干物质的变化Fig.2 Dynamics of water content and dry weight of endosperm under drought occurred in grain-filling phases

表1 灌浆阶段干旱处理下玉米胚乳灌浆参数Table 1 The filling parameters in maize endosperm under drought occurred in grain-filling phases

2.3 灌浆阶段干旱对胚乳可溶性糖和淀粉含量的影响

由图3可知,在CK中,胚乳的葡萄糖、果糖和蔗糖含量从20 DAP到收获期始终保持在0～6 mg/g。ED处理显著提高了20 DAP胚乳的葡萄糖和果糖含量,其中强势位胚乳比CK分别提高187.2%和550.7%,弱势位胚乳分别提高232.0%和306.3%;但在20 DAP后,各处理胚乳葡萄糖和果糖含量迅速降低至CK相似水平。此外,ED显著提高弱势位胚乳20 DAP的蔗糖含量,提高约38.14%。MD处理显著降低35 DAP强势位胚乳的蔗糖含量,以及35 DAP和45 DAP弱势位胚乳的蔗糖含量(图3(b),(e)和(d))。LD处理显著降低了40 DAP弱势位胚乳的葡萄糖含量(图3(b))。说明胚乳可溶性糖含量水平在灌浆早期受干旱胁迫影响较大,在灌浆中、后期受干旱影响较小。

(a)、(c)和(e)分别为强势位胚乳可溶性糖含量;(b)、(d)和(f)分别为弱势位胚乳可溶性糖含量(a), (c) and (e) are soluble sugar content of endosperms on superior position, respectively; (b), (d) and (f) are soluble sugar content of endosperms on inferior position, respectively图3 灌浆阶段干旱处理的玉米胚乳可溶性糖含量变化Fig.3 Dynamics of soluble sugar content of maize endosperm under drought occurred in grain-filling phases

与CK相比,灌浆不同阶段干旱处理对不同位势胚乳的淀粉含量存在不同程度的影响。以胚乳鲜重为基础,ED在干旱刚开始(20 DAP)的强、弱势位胚乳淀粉含量与CK相比分别降低59.86%和64.59%,但在收获期(60 DAP)仅分别降低10.99%和17.12%。这表明ED处理不仅减少淀粉积累,还可能使淀粉合成进程滞后。MD在干旱开始后(30 DAP)的强、弱势位胚乳的淀粉含量与CK相比分别下降18.40%和9.05%,在收获期分别下降11.09%和13.42%。而LD处理下的强、弱势位胚乳相较于CK略有降低,但不显著(图4)。

图4 灌浆阶段干旱处理的强势(a)和弱势(b)位籽粒胚乳淀粉积累动态Fig.4 Dynamics of starch content of endosperm on superior position (a) and inferior position (b) under drought occurred in grain-filling phases

2.4 灌浆阶段干旱对收获期胚乳淀粉和蛋白质含量的影响

由图5可知,在成熟期,灌浆阶段干旱处理显著降低胚乳的淀粉含量(以干重计),降低幅度为ED>MD>LD;但显著升高蛋白质含量(以干重计),升高幅度为LD>MD>ED,且对弱势位籽粒胚乳的影响大于强势位。其中,与CK相比,ED、MD和LD显著降低果穗强、弱势位胚乳淀粉含量,果穗强势位胚乳分别降低16.13%、15.98%和13.94,弱势位胚乳分别降低19.42%、17.00%和14.02%;同时,强势位胚乳的蛋白质含量分别增加6.56%、13.97%和14.71%,弱势位胚乳分别增加18.35%、19.51%和38.01%。

3 讨 论

3.1 玉米强、弱势位籽粒胚乳干物质积累及其对授粉方式和干旱胁迫的响应

大田生产条件下,禾谷类作物的强势位在生长、代谢等多方面优于弱势位,最终体现在粒重、品质等方面,这也是强、弱势位概念提出的原因。玉米强、弱势粒在籽粒灌浆各指标间的差异已多有报道[28-29]。但是,本研究中正常水分条件下强、弱势位在收获期的粒重、胚乳的重量、淀粉含量和蛋白质含量上均无显著差异(图1和图5)。已有研究结果表明,统一授粉的强、弱势位在粒重上的差异比自然授粉更小[30-31],本研究采用了人工统一授粉而非自然授粉。自然授粉条件下由于果穗不同位置花丝吐出苞叶的时间不一致,会导致中部和顶部籽粒有一个授粉时间差,这种授粉时间是导致了中部和顶部籽粒建立优劣势,甚至是导致顶部籽粒败育的一个重要原因[32-33]。因此,中部和顶部籽粒授粉的同步性可能成为育种者筛选品种和栽培调控的一个重要性状。

(a)和(c)分别为强势位胚乳淀粉含量;(b)和(d)分别为弱势位胚乳蛋白质含量(a) and (c) are starch contents of endosperms on superior position, respectively; (b) and (d) are protein contents of endosperms on inferior position, respectively图5 灌浆阶段干旱处理的玉米胚乳淀粉和蛋白质含量Fig.5 The starch and protein contents of maize endosperm under drought occurred in grain-filling phases

而从强、弱势位对干旱的响应看,ED和MD处理下弱势位胚乳的干重表现出显著低于CK,且均是从35 DAP开始,而强势位胚乳均是从40 DAP开始,说明弱势位胚乳感受到干旱胁迫时间可能先于强势位胚乳。此外,弱势位的粒重、胚乳重、胚乳灌浆特征参数、胚乳淀粉含量降低幅度也大于强势位(图1、图2、表1和图5),说明弱势位的籽粒胚乳比强势位更容易受到胁迫影响。即使在统一授粉情况下,强、弱势位籽粒在细胞生长相关的蛋白表达、激素含量、淀粉合成相关酶活性上均具有差异。同时,弱势位籽粒中糖酵解途径关键酶活性较低,活性氧稳态和防御系统易受到干扰,这些差异是导致弱势位相对于强势位对各种环境胁迫的保护能力降低的重要原因[9,29,34]。张巽等[10]研究表明,玉米灌浆期遭受低温胁迫时,弱势粒在粒重、灌浆速率、灌浆持续期、淀粉合成相关酶活性、激素含量等受到的影响均大于强势粒。同样的玉米在灌浆期遭受高温胁迫时,对弱势粒的影响显著高于强势粒[9]。这些研究都证实了弱势粒对外界环境更敏感。此外,本研究发现在不同干旱胁迫下,弱势位胚乳的最大灌浆速率都小于强势位,但灌浆活跃期均大于强势位(表1),表明弱势位胚乳物质积累的限制可能来自于灌浆速率而不是灌浆活跃期的长短。通过栽培措施调节缩小强、弱势粒胚乳的差别,比如优化耕作方式[35]、施加锌肥[36]等以提升库容、灌浆速率等,有利于玉米产量进一步提升。

3.2 灌浆不同阶段干旱对胚乳灌浆特性、产量和品质性状的影响

在全球气候变暖和粮食需求增加的背景下,干旱成为农业面临的主要挑战[37]。近年来,针对干旱影响籽粒灌浆的研究表明,灌浆期干旱胁迫显著降低籽粒灌浆速率,缩短灌浆时长,降低淀粉合成相关酶活性,提高ABA含量,降低IAA、ZR和GA3含量[18,38-40]。在本研究中,灌浆前、中、后期干旱胁迫降低粒重,尽管胚乳的干重结果与粒重一致,但是后期干旱对胚乳重量的影响未达到显著水平(图1)。籽粒灌浆过程主要包括灌浆速率和灌浆持续时间,这两个因素决定了粒重的形成。然而灌浆不同阶段干旱对胚乳灌浆的影响是不一致的。在正常条件下,玉米胚乳在大约20 DAP结束细胞增殖与扩张,这决定了籽粒库容的大小、灌浆速率和灌浆时长[4,14],而胚乳达到最大灌浆速率的时间是26～27 d。本研究中灌浆前期的干旱胁迫严重缩短灌浆时间,减小灌浆速率,最终导致胚乳重量降低幅度最严重;灌浆中期的干旱胁迫主要降低灌浆速率,对灌浆持续时间的影响最小(表1)。玉米进入灌浆后期,粒重潜力已经形成,快速灌浆期已经过去,籽粒的干物质积累速度逐渐放慢且开始脱水成熟[4]。因此灌浆后期的干旱胁迫主要缩短胚乳灌浆有效期,对最大灌浆速率影响较小,强势位胚乳的最大灌浆速率甚至大于CK(表1),结果导致胚乳干重受影响较小,在统计水平上甚至没有达到显著水平(图1)。本研究结果表明,灌浆过程遭遇干旱时间越早玉米减产越严重,后期的复水也不能弥补前期引起的干物质积累损失,因此在玉米栽培过程中,尤其要避免灌浆前期和中期的水分胁迫。在我国华北平原主要的种植模式是冬小麦-夏玉米轮作,夏玉米早收成为常态,早收的玉米含水量较高甚至灌浆未结束,不利于机械化收获甚至造成产量损失,而灌浆后期的水分胁迫可能在不影响产量的情况下有利于加速玉米成熟。

大量研究表明,干旱胁迫加速叶片衰老,一方面衰老叶片光合能力的下降会影响碳的固定,减少籽粒中碳水化合物的供应,影响同化物的积累;另一方面衰老叶片中蛋白质降解的增加促进叶片中氮的循环再利用,有利于提高籽粒中蛋白质含量。叶片衰老过程中碳、氮代谢的差异带来了作物产量与质量提升之间的矛盾[[41-43]。本研究结果表明,灌浆不同阶段的干旱胁迫降低胚乳淀粉含量,提高蛋白质含量,但不同阶段干旱效应有差异,LD的干重和淀粉含量下降最少,蛋白质含量增加最高(图5)。说明灌浆后期干旱可能在保证粒重形成的前提下,加速后期叶片衰老利于N的再转移,提高籽粒中蛋白质含量。这可能为籽粒产量和质量性状的同步提高提供支撑,有待进一步研究。

4 结 论

灌浆期不同阶段干旱胁迫影响胚乳灌浆过程,其中ED(灌浆早期干旱)可同时降低最大灌浆速率和缩短灌浆持续期,而MD(灌浆中期干旱)可主要降低最大灌浆速率,LD(灌浆后期干旱)可轻微缩短灌浆持续期。虽然干旱发生越早,对胚乳干重及粒重抑制越严重,但在物质含量上,LD处理对胚乳的影响最大,强、弱势位胚乳蛋白质含量分别比对照升高14.7%和38.0%。此外,干旱对弱势位胚乳干物质积累的影响大于强势位。