干旱脅迫對玉米葉片光合特性和穗發(fā)育特征的影響

賈雙杰, 李紅偉, 江艷平, 趙國強, 王和洲, 楊慎驕, 楊青華, 郭家萌, 邵瑞鑫,*

1 河南農業(yè)大學農學院/省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室, 鄭州 450046 2 中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所/農業(yè)部作物需水與調控重點實驗室, 新鄉(xiāng) 453002

隨著氣候變暖和人口迅速增長,水資源短缺已成為全球面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。在長期的進化過程中,作物通過表型、生理變化和應激反應來響應環(huán)境的干旱脅迫。干旱脅迫下植株株高降低[1- 2],單葉葉面積和葉片數(shù)降低,總葉面積減小,并且葉片常常發(fā)生卷曲萎蔫[3]。葉片缺水后,會影響葉綠素的生物合成,并促進已有葉綠素的分解,從而導致葉片發(fā)黃,影響葉片的光合作用,進而降低產量[4- 7]。

玉米是世界上種植面積最廣泛的糧食作物之一,全生育期需水較多,是干旱敏感型作物,而干旱作為造成玉米減產的最主要的非生物脅迫因子之一,幾乎在玉米的整個生育時期均有發(fā)生[8-13]。玉米的一生可分為苗期、穗期和花粒期三個生育階段,干旱脅迫發(fā)生的階段和程度不同均會對產量造成不同程度的影響[14-16]：苗期土壤水分狀況對出苗及幼苗壯弱有重要作用,土壤墑情不足會導致出苗困難,基本苗數(shù)不足[17]；花粒期遭遇干旱易影響果穗結實率、籽粒敗育率及飽滿程度,最終限制產量的增加；而穗期(拔節(jié)至開花期)玉米植株處于營養(yǎng)生長與生殖生長并進的階段,生理代謝活動旺盛,耗水量加大,是玉米的需水臨界期,若水分不足會引起小花大量退化和花粉粒發(fā)育不健全,從而降低穗粒數(shù)[18]。玉米產量構成要素包括單位面積穗數(shù),穗粒數(shù)及粒重。玉米的生殖生長階段(穗期和花粒期)對水分虧缺最為敏感[19- 20],是決定玉米產量的重要階段,而功能葉的光合能力是作物干物質積累的重要來源和產量形成的基礎[21-22]。但光合作用對環(huán)境條件的變化非常敏感,當玉米遭遇干旱脅迫時,其葉片的凈光合能力下降,光合產物消耗增加,不利于干物質的積累[23-24],說明干旱對玉米產量的影響與葉片光合作用密切相關[25-26]。雖然關于干旱脅迫影響葉片的光合生理特性或穗發(fā)育進程的研究已有涉及,但穗位葉的光合活性和雌雄幼穗發(fā)育進程對穗期不同程度干旱脅迫的響應未系統(tǒng)報道。

因此,在前期試驗基礎上,本試驗通過設置玉米穗期田間持水量的80%±5%、60%±5%、45%±5%等3個不同程度的水分供應,探究干旱脅迫對玉米干旱敏感自交系PH6WC和抗旱自交系鄭58穗位葉光合特性及雌雄穗發(fā)育特征的影響,以揭示穗期干旱脅迫對玉米產量的影響機制,為完善旱作栽培技術體系和抗旱新品種的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年6月至10月在河南商丘農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(34°31′N,115°35′E,海拔高度為50.7 m)的移動式防雨棚中進行。小區(qū)面積為6.6 m2(2.0 m×3.3 m), 深度為1.8 m,下部設20 cm的砂石濾層,土層深度為1.5 m,前茬作物為冬小麥?？觾韧寥罏榉凵叭劳?田間持水量24%,測坑上方的遮雨棚在降雨之前關閉,雨后開啟,有效排除降雨對試驗的影響。1 m土層土壤平均容重1.38 g/cm3,有機質含量為9.76 g/kg,堿解氮為3.60 g/kg,有效磷3.24 g/kg,速效鉀83.08 mg/kg,土壤pH為7.71。

1.2 試驗材料與處理設置

圖1 干旱脅迫對不同玉米自交系干物質脅迫指數(shù)的影響 Fig.1 Effect of drought stress on stress index of dry matter about different maize inbred lines 6WC(PH6WC)；T7922(鐵7922)；S137(沈137)；DH351(登海351)；DH382(登海382)；Y52106(掖52106)；C72(昌7- 2)；Y8112(掖8112)；A9241(豫A9241)；HZ4(黃早4)；Z22(鄭22)；Z58(鄭58); 其中PH6WC、B73 及PHT77為美國玉米自交系。干物質脅迫指數(shù)=同一自交系干旱脅迫下植株地上部分干物質量/對照植株地上部分干物質量

前期試驗選用14個玉米自交系：沈137(S137)、掖52106(Y52106)、鐵7922(T7922)、掖8112(Y8112)、PH6WC(6WC)、B73、A9241、鄭58(Z58)、昌7- 2(C72)、登海382(DH382)、登海351(DH351)、鄭22(Z22)、黃早4(HZ4)、PHT77。于拔節(jié)至開花期(35天)設置2個水分供應處理：田間持水量的80%±5%(正常處理CK)、60%±5%(輕度干旱脅迫LD),干旱處理于開花期后恢復至CK水平。整個生育期每天早晚抄表調節(jié)土壤水分。當處理的土壤水分下降接近至其下限指標時,就進行適度滴灌至上限,灌水量用水表計量。在此試驗結果的基礎上(圖1),篩選出耐旱自交系Z58及干旱敏感自交系6WC進行下一步試驗。

本試驗玉米自交系于2018年6月8日播種,行距60 cm,株距45 cm,采用穴播方式,每穴播2—3粒,在三葉期每穴定苗1株。于拔節(jié)至開花期(35天)設置3個水分供應處理,即CK(同上)、LD(同上)、田間持水量的45%±5%(中度干旱脅迫MD),干旱處理于開花后恢復至CK水平。拔節(jié)期和抽雄期各施追肥一次,及時除草防蟲。其它的田間管理措施同大田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1形態(tài)指標的測定

抽雄期按地面到雄穗頂端的高度測定株高, 收獲后測定玉米植株莖、葉及穗的干物質積累量,105℃下殺青30分鐘后,75℃烘干至恒重即為干重。

1.3.2葉綠素含量和葉綠素熒光參數(shù)的測定

使用SPAD- 502便攜式葉綠素儀測定儀測定穗位葉葉綠素相對含量(Chlorophyll relative content, SPAD)。該儀器測定值為相對值,無單位,每個葉片測定3次取平均值。同時取相同部位的葉片參考王磊[27]等人的方法進行葉綠素a、b測定。

利用Handy PEA(Hansatech, UK)連續(xù)激發(fā)式熒光儀,先暗適應20 min后,避開葉脈, 測定玉米功能葉片熒光參數(shù)：光系統(tǒng)II(Photosystem II,PSII)最大光化學效率(Fv/Fm)、PSII潛在活性(Fv/Fo)、光合性能綜合指數(shù)(PIABS)。

1.3.3雌穗和雄穗形態(tài)指標及雌雄穗伸長速率的測定

在體視顯微鏡(冠普佳,SMZ-B2)下觀察并拍照抽雄期雌穗和雄穗小花的發(fā)育特征, 并測定雌穗的長度、穗粗和雄穗的分支、長度、生物量。另外,從雌穗伸出葉鞘2 cm開始測果穗長度(果穗所在莖節(jié)基部到果穗頂端的長度)散粉期結束測定；雄穗抽出心葉5 cm左右開始測定雄穗長度(心葉頂端到雄穗頂端的長度),直至雄穗長度伸長至穩(wěn)定數(shù)值時結束測量。

果穗伸長速率=(果穗長度散粉期-果穗長度雌穗抽出)/天數(shù)

雄穗伸長速率=(雄穗長度穩(wěn)定長度-雄穗長度雄穗抽出)/天數(shù)

1.3.4散粉和吐絲日期的統(tǒng)計

60%植株雄穗開始開花的日期為開花期；60%植株花絲露出苞葉2 cm的日期為吐絲期。同時計算開花吐絲間隔的日期(Anthesis-silking interval, ASI)。

1.3.5光合相關指標降低指數(shù)

輕度脅迫指數(shù)SI1(%)=[(XC-XL)/XC]×100

中度脅迫指數(shù)SI2(%)=[(XC-XM)/XC]×100

式中,XC：正常水分處理下的光合相關指標；XL：輕度干旱脅迫處理下的光合相關指標；XM：中度干旱脅迫處理下的光合相關指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Sigmaplot 12.8 軟件進行數(shù)據(jù)整理及圖表繪制,用 SPSS 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析, 用 Duncan′s進行處理間差異性檢驗(P=0.05)。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對玉米自交系株高和生物量的影響

兩個自交系受到干旱脅迫后株高整體均在下降,但下降程度不一。LD處理下,6WC相比對照顯著下降了13.5%(P<0.05),而Z58僅下降了2.8%；MD處理下,6WC、Z58分別顯著下降了29.7%、27.5%(P<0.05)(圖2)。

圖2 干旱脅迫對玉米自交系株高、地上部干物質分配比例及干物質總量的影響 Fig.2 Effect of drought stress on plant height, distribution percentage of dry matter mass and total dry matter in aboveground parts of maize inbred lines 不同字母表示同一品種不同處理在 P<0.05水平上差異顯著;CK: 正常水分Normal irrigation；LD: 輕度干旱 Mild drought；MD: 中度干旱 Moderate drought

隨著干旱程度的加重,兩個玉米自交系的各器官干物質量都在不斷下降,以致整株總干物質量降低。LD處理下,6WC、Z58整株總干物質量分別降低了15.9%、10.5%,而MD處理下,分別降低了50.8%、35.8%(圖2)。此外,干旱愈嚴重,營養(yǎng)器官如莖、葉的干物質分配占比愈大,而穗部占比卻逐漸減小。MD處理下,6WC、Z58的莖、葉干物質分配比率分別增大了11.7%、5.3%、20.2%、8.6%,穗部干物質占比分別減少了44.5%、16.7%(圖2)。

2.2 干旱脅迫對玉米自交系葉綠素和葉綠素熒光特性的影響

MD脅迫使6WC、Z58穗位葉的SPAD值分別顯著降低了13.2%、14.6% (P<0.05),而LD與CK差異不顯著。6WC的葉綠素a在3個處理間差異顯著(P<0.05),但是其LD與MD處理的葉綠素b以及Z58的LD與MD處理的葉綠素a、b間差異不顯著(表1)。

葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm、Fv/Fo、PIABS對土壤水分條件的變化比較敏感,是表征作物受脅迫程度的良好指標和探針。Z58的Fv/Fm在3個處理之間差異不顯著,而盡管LD與MD處理的Fv/Fo、PIABS相比對照顯著降低,但是二者間無顯著性差異。6WC的Fv/Fm、Fv/Fo在MD處理后分別降低了 1.9%、8.5%,LD對二者影響均不顯著；另外,6WC在LD與MD處理下的PIABS分別降低了22.4%、25.1%。

表1 干旱脅迫對玉米自交系穗位葉葉綠素含量和熒光特性的影響

同一列不同字母表示同一品種不同處理在P<0.05水平上差異顯著;SI1,輕度干旱脅迫指數(shù)Stress index of mild drought；SI2,中度干旱脅迫指數(shù)Stress index of moderate drought

2.3 干旱脅迫對玉米自交系雌穗和雄穗發(fā)育的影響

穗期的干旱脅迫不僅延遲了抽雄期雄穗的抽出,且抑制了雄穗的干物質積累,減少了雄穗的分枝數(shù)及分枝上的小花數(shù)；兩個自交系相比,6WC降低幅度更明顯,小花分化發(fā)育隨著干旱程度的增加,而導致生長受阻、發(fā)育不良；輕度與中度干旱脅迫下,雌穗的增長速率也明顯降低,抽雄期穗長與穗粗分別降低了46.3%、57.4%；57%、57.1%,導致了果穗干物質重降低了56.6%、81.6%(圖2,表2)。體視顯微鏡結果表明,穗期的干旱脅迫還影響了花絲的分化和發(fā)育(圖3i—l)。

LD和MD下,6WC雌穗伸長速率均與對照差異顯著(圖4),說明6WC雌穗伸長速率對LD和MD處理都比較敏感,干旱脅迫限制了雌穗的生長發(fā)育；而LD和MD間并無顯著差異,Z58的LD和MD處理與對照相比差異均不顯著,說明Z58雌穗生長對干旱脅迫敏感程度較低。

2.4 干旱脅迫對玉米自交系開花吐絲特性的影響

干旱脅迫導致兩玉米自交系開花及吐絲時期均有所延遲,由于程度不一,造成ASI延長。正常條件下,6WC、Z58的ASI分別為2天、0天,LD的ASI分別延長至5天、0天,而MD下ASI各延長至9天、3天(圖5)。

圖3 干旱脅迫對玉米自交系雌雄穗發(fā)育的影響Fig.3 Effect of drought stress on the development of ear and tassel of different inbred linesa—d, Z58抽雄期不同水分處理株高、雄穗、雄穗小花及雌穗；e—h, 6WC抽雄期不同水分處理株高、雄穗、雄穗小花及雌穗；i—k, 6WC抽雄期正常處理、輕度干旱、中度干旱處理的雌穗；l, Z58抽雄期中度干旱處理畸形穗

表2 干旱脅迫對玉米自交系雌雄穗生長特性的影響

同一列同一自交系中的不同字母表示同一品種不同處理在P<0.05水平上差異顯著

圖4 干旱脅迫對玉米自交系雌雄穗伸長速率的影響Fig.4 Effect of drought stress on the elongation rate of ear and tassel of maize inbred lines

圖5 干旱脅迫對玉米自交系開花吐絲間隔期的影響 Fig.5 Effect of drought stress on the anthesis-silking interval of maize inbred lines

3 討論

植物葉片中葉綠素含量是影響作物光合作用的重要因子,直接決定了葉片光合能力的強弱。本研究著重分析了穗期自交系的穗位葉在不同程度干旱脅迫下的葉綠素相對含量、葉綠素a、b含量及光合特性,結果表明,葉綠素相對含量、葉綠素a對干旱脅迫程度十分敏感,干旱脅迫越嚴重,葉片將光合作用的光能傳遞給化學反應系統(tǒng)的能力越弱。另外,干旱脅迫下,植物葉綠體PSII 的Fv/Fm、Fv/Fo值均會下降,說明干旱脅迫使得葉綠體PSII活性中心更易發(fā)生光抑制,受到損傷。此外,熒光參數(shù)PIABS是以光合吸收為基礎,綜合反映光合機構活性的參數(shù)[28],本試驗中干旱脅迫處理后兩自交系葉片PIABS值的變化也證實了土壤干旱導致葉片水分虧缺,干旱脅迫影響了葉片光能吸收的活性,降低了玉米自交系在光合作用過程中對光能的捕獲(圖6)。

圖6 干旱脅迫對玉米葉片光合特性和穗發(fā)育特征的影響機制[29]Fig.6 Influence mechanism of drought stress on photosynthetic characteristics and ear development characteristics of maize leaves① 生長錐未伸長期；② 生長錐伸長期；③ 小花分化期；④ 小穗分化期；⑤ 性器官形成期；V6,6葉期；V9,9葉期；V12,12葉期；ASI,開花吐絲間隔期 Anthesis-silking interval

玉米干物質產量的90%以上是由光合作用生產,干物質是作物光合作用產物的最高形式,而作物產量實質上也是通過光合作用直接或間接形成,并取決于光合產物的積累與分配[5,7,14]。但是由于干旱脅迫導致葉綠素合成受阻,進一步限制了光合速率,最終影響到生物量積累和分配[30-31]。本試驗中,穗期的干旱脅迫越嚴重,總干物質積累下降越明顯,且對穗的影響遠大于葉片和莖,表現(xiàn)為干物質向莖和葉片中的分配比例增加,向穗中的轉運積累減少,這與 Jiang的研究結果一致[24,32]。此外,與干旱敏感自交系6WC相比,抗旱性強的自交系Z58有較強的物質積累優(yōu)勢,這是由于抗旱自交系營養(yǎng)器官葉片和莖中貯藏物質向穗部轉運的能力較高[16,24]。

雖然營養(yǎng)器官的干物質積累量是影響源強度的主要因素之一,但是庫容量的大小則取決于穗部發(fā)育狀況。玉米穗期是決定穗數(shù)和穗大小的關鍵時期,包括生長錐未伸長期、生長錐伸長期、小花分化期、小穗分化期、性器官形成期等生育進程[29]。本試驗中,穗期干旱脅迫也影響到干旱敏感自交系6WC的雌雄穗的分化與發(fā)育,主要表現(xiàn)在：雄穗開花延后、分枝數(shù)減少、小花發(fā)育不全以及主軸變短；雌穗長與直徑減小、小花發(fā)育不完善,吐絲延遲明顯,雌雄穗發(fā)育的不協(xié)調使ASI延長5—9天,導致花期不遇(圖3,圖6)。然而,對于抗旱性較強的自交系Z58而言,雖然其雌雄穗分化也受到了干旱脅迫的影響,但是雌雄穗性器官形成期同步分化,對ASI影響并不大,因此并沒有顯著影響Z58的果穗直徑以及干物質的積累。以上結果表明：穗期的持續(xù)干旱對干旱敏感自交系雌雄穗的分化發(fā)育有著不可逆的傷害,例如引起穗發(fā)育異常等,這與他人研究結果一致[33-34]。因此,在水資源短缺的背景下,合理安排玉米穗期水分管理、施行節(jié)水灌溉措施是實現(xiàn)玉米高產穩(wěn)產的技術保障。