增密對(duì)玉米花絲受精結(jié)實(shí)能力及衰老進(jìn)程的影響

林 珊，張 莉，吳 鞏，陳先敏，趙 雪，申 思，梁效貴，周順利，2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193；2.河北省低平原區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 吳橋 061802)

增密是未來(lái)實(shí)現(xiàn)我國(guó)玉米高產(chǎn)的重要技術(shù)手段[1]。而玉米密度與產(chǎn)量之間呈“拋物線”關(guān)系[2-3]，主要是由于玉米單株產(chǎn)量隨密度增加而呈下降趨勢(shì)，達(dá)到一定密度后，增密增產(chǎn)的效應(yīng)無(wú)法補(bǔ)償單株產(chǎn)量的下降，反而造成玉米總產(chǎn)量的降低[4]。因此，研究高密度條件下單株產(chǎn)量降低的機(jī)制對(duì)于玉米高密度栽培具有重要的理論與實(shí)踐意義。

玉米對(duì)密度的響應(yīng)因品種[5-6]、土壤氣候[7]、耕作管理水平[8-9]等不同而存在差異。前人研究表明增密造成玉米產(chǎn)量的降低與冠層透光率降低[10]、雌雄穗發(fā)育受到影響[11-12]有關(guān)，特別是對(duì)玉米開(kāi)花期雌雄穗分化進(jìn)程的影響，增密往往造成雌雄穗散粉吐絲間隔期(ASI)延長(zhǎng)，嚴(yán)重影響玉米受粉結(jié)實(shí)的能力[11-12]。盡管前人就不同密度條件下雌雄穗的分化進(jìn)程進(jìn)行過(guò)大量研究[13-16]，但對(duì)果穗花絲生長(zhǎng)與衰老特性及其與受精結(jié)實(shí)關(guān)系研究鮮有報(bào)道。本研究從花絲生長(zhǎng)發(fā)育的角度探討增密對(duì)玉米果穗不同部位花絲生長(zhǎng)與衰老動(dòng)態(tài)的影響，旨在探明高密度條件下花絲衰老進(jìn)程以及不同部位花絲生長(zhǎng)與受精特性，為實(shí)現(xiàn)玉米增密高產(chǎn)栽培提供理論與實(shí)踐參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地情況

本研究在河北省滄州市中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站(116°37′E，37°41′N(xiāo))進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤0～40 cm耕層含有機(jī)質(zhì)11.8 g/kg，全氮0.92 g/kg，有效磷36.5 mg/kg和速效鉀94.8 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主因素為密度，設(shè)置5株/m2(D5，52 500 株/hm2)和11株/m2(D11，112 500 株/hm2)2個(gè)密度處理；副因素為品種，選用登海605(DH605)和鄭單958(ZD958)，分別為大穗型和普通穗型品種。小區(qū)面積為114 m2(6 m×19 m)。

由于玉米生長(zhǎng)季氣象因素變化大，玉米生物學(xué)性狀易受環(huán)境的影響，為了進(jìn)一步比較驗(yàn)證環(huán)境效應(yīng)，本研究設(shè)置了2個(gè)播期。試驗(yàn)于2017年6月18日和2017年6月28日播種，等行距種植，行距為0.60 m。為了有足夠的花粉進(jìn)行授粉試驗(yàn)，分別于播種期的前4 d增加一個(gè)播種期，以及播種期后每隔4 d，增加3個(gè)播種期。肥料分種肥和追肥2次施用。種肥每公頃施純氮72 kg、過(guò)磷酸鈣600 kg(P2O516%)、硫酸鉀300 kg和硫酸鋅15 kg；追肥于大喇叭口期進(jìn)行，每公頃108 kg純氮。全生育期按照一般大田水平進(jìn)行管理，及時(shí)防治病蟲(chóng)草害，無(wú)明顯的水肥逆境出現(xiàn)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 試驗(yàn)植株選擇 于吐絲前選擇莖粗和株高一致的植株做標(biāo)記，套袋。并于吐絲當(dāng)天進(jìn)行二次選擇，選擇同一天吐絲的植株，記錄吐絲時(shí)間。

1.3.2 吐絲動(dòng)態(tài)測(cè)定方法 選擇標(biāo)記的未授粉套袋植株從吐絲第1天到吐絲第20天每天進(jìn)行取樣，剪取果穗頂端吐出苞葉的花絲，置于90%乙醇溶液，并于4 ℃冰箱保存，直到測(cè)定結(jié)束。3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3.3 花絲衰老動(dòng)態(tài)測(cè)定方法 按照Bassetti等[17]的方法將花絲基部2～3 mm的衰老過(guò)程分為4個(gè)階段(圖1)。本試驗(yàn)將進(jìn)入第Ⅳ階段的花絲視為衰老花絲。具體方法為，將測(cè)定完花絲數(shù)量的果穗，用刀片小心去掉苞葉，按照花絲衰老標(biāo)準(zhǔn)快速測(cè)定衰老花絲數(shù)目。

Ⅰ.花絲未衰老；Ⅱ.花絲基部開(kāi)始萎縮；Ⅲ.花絲基部萎縮程度加大；列Ⅳ.花絲基部完全萎縮。標(biāo)尺=0.5 mm。

Ⅰ. Silk was not senesced；Ⅱ.Silk basal tissue began to atrophy；Ⅲ.The atrophy in basal silk tissue was enlarged；Ⅳ.Silk was collapse completely. Bar=0.5 mm.

圖1 不同玉米品種花絲衰老過(guò)程

Fig.1 Process of silk senescence in different maize hybrids

1.3.4 可受精花絲動(dòng)態(tài)測(cè)定方法 可受精花絲即能夠接受花粉并正常完成受精過(guò)程的花絲。直接通過(guò)顯微鏡觀測(cè)花粉管是否到達(dá)子房以確定是否完成受精的方法較復(fù)雜，且對(duì)每根花絲都進(jìn)行測(cè)定的難度大，可操作性差。由于花絲正常受精也即表明了籽粒開(kāi)始生長(zhǎng)。因此，本研究通過(guò)測(cè)定授粉后30 d生長(zhǎng)的籽粒數(shù)從而間接得到可受精花絲數(shù)。具體方法為：從吐絲第1天開(kāi)始授粉，連續(xù)授粉20 d。每個(gè)處理植株僅授粉一次，授粉前后嚴(yán)格套袋，避免其他植株自然散落花粉對(duì)試驗(yàn)造成影響。取樣當(dāng)天按照?qǐng)D2標(biāo)準(zhǔn)，即可受精花絲數(shù)等于建成籽粒(生長(zhǎng)良好的籽粒)與敗育籽粒(中途停止灌漿的籽粒)之和。測(cè)定整個(gè)果穗及不同部位(以穗軸基部為起始，每隔10環(huán)為測(cè)定部位)的受精后生長(zhǎng)的籽粒數(shù)(包含癟粒)。6次生物學(xué)重復(fù)。

1.3.5 可受精花絲百分率測(cè)定方法 可受精花絲百分率=可受精花絲數(shù)量/吐出苞葉的花絲數(shù)量×100%。

標(biāo)尺=1 cm。Bar=1 cm.

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Microsoft Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 花絲的生長(zhǎng)與衰老特性

如圖3所示，密度對(duì)玉米花絲生長(zhǎng)有一定的影響。通過(guò)套袋處理發(fā)現(xiàn)，高密度延緩了花絲吐出苞葉的數(shù)量及時(shí)間。2個(gè)品種2個(gè)密度下花絲吐出量的差異均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。兩品種高密度下所有花絲吐出的時(shí)間均較低密度延長(zhǎng)。2個(gè)播種期，所有花絲吐出的時(shí)間DH605表現(xiàn)為高密度較低密度推遲了3 d，ZD958則推遲了1 d。可見(jiàn)，密度對(duì)大穗型品種DH605的影響較普通穗型品種ZD958更為突出。

圖3 種植密度對(duì)果穗吐絲動(dòng)態(tài)的影響

進(jìn)一步分析不同密度條件下花絲衰老特性，由圖4可見(jiàn)，密度對(duì)花絲衰老的時(shí)間影響很小，2個(gè)播期和2個(gè)品種均于吐絲后的第8天和第9天出現(xiàn)衰老花絲。說(shuō)明不同密度條件下花絲吐出苞葉后開(kāi)始衰老的時(shí)間比較穩(wěn)定。而值得注意的是，花絲衰老出現(xiàn)后，低密度與高密度的花絲衰老數(shù)量差異逐漸加大，表現(xiàn)為低密度的花絲衰老數(shù)量均高于高密度，并且所有花絲衰老結(jié)束的時(shí)間均較高密度提前。這可能與低密度下花絲更多更快吐出苞葉，同時(shí)花絲吐出苞葉后衰老時(shí)間較為穩(wěn)定有關(guān)。

2.2 花絲對(duì)花粉的可接受性

通過(guò)對(duì)吐出苞葉的花絲進(jìn)行人工同步授粉，并于吐絲后30 d取樣測(cè)定單個(gè)果穗受精后生長(zhǎng)的籽粒數(shù)，結(jié)果表明，隨著吐絲時(shí)間的延長(zhǎng)，單個(gè)果穗可受精花絲的數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少，最后完全消失的趨勢(shì)，兩品種表現(xiàn)一致(圖5)。而值得注意的是，高密度延長(zhǎng)了整個(gè)果穗可受精花絲的持續(xù)時(shí)間。不同品種不同播種期所延長(zhǎng)的時(shí)間也不盡相同。第1個(gè)播種期，整個(gè)果穗的可受精花絲持續(xù)時(shí)間DH605高密度比低密度延長(zhǎng)2 d，ZD958延長(zhǎng)2 d；而第2個(gè)播種期，DH605高密度比低密度延長(zhǎng)2 d，ZD958則延長(zhǎng)1 d(圖5)。

同步測(cè)定果穗不同部位的花絲受精特性，如圖6所示，不同部位的可受精花絲特性均表現(xiàn)為先增加后減少，最后完全消失。由此可知，高密度條件下頂部花絲仍然能夠進(jìn)行正常受粉獲得結(jié)實(shí)能力。

圖4 種植密度對(duì)果穗花絲衰老的影響

圖5 種植密度對(duì)果穗可受精花絲數(shù)及其持續(xù)時(shí)間的影響

同時(shí)，中下部花絲獲得可受精的時(shí)間均較頂部花絲時(shí)間早。2個(gè)品種和2個(gè)密度變化趨勢(shì)一致。而值得注意的是，增密對(duì)底部花絲(1～10環(huán))開(kāi)始獲得受精的時(shí)間影響較小(均于吐絲第1天獲得受精能力)，但是卻顯著延緩了頂部花絲(DH605大于40環(huán)，ZD958大于35環(huán))的受精時(shí)間。不同品種不同播種期對(duì)頂部花絲受精的延緩時(shí)間也不盡相同。第1個(gè)播種期，頂部花絲開(kāi)始獲得受精的時(shí)間DH605高密度比低密度推遲3 d，ZD958推遲1 d；而第2個(gè)播種期，DH605高密度比低密度推遲1 d，ZD958推遲0 d。

2.3 花絲受粉結(jié)實(shí)能力與花絲衰老的關(guān)系

為了明確吐出苞葉的花絲受粉結(jié)實(shí)能力與花絲衰老的關(guān)系，測(cè)定了可受精花絲百分率。結(jié)果(圖7)表明，可受精花絲百分率在吐絲后8～9 d一直處于較高水平。而此后可受精花絲百分率逐漸降低，最終變?yōu)?。說(shuō)明吐絲8～9 d以后吐出苞葉的花絲開(kāi)始不能正常受粉。2個(gè)品種的變化趨勢(shì)一致。值得注意的是，高密度延緩了可受精花絲百分率降低的幅度，使得整個(gè)果穗的花絲可受粉結(jié)實(shí)時(shí)間延長(zhǎng)。該變化趨勢(shì)與花絲衰老變化趨勢(shì)剛好相反。

圖6 種植密度對(duì)果穗不同部位花絲結(jié)實(shí)性的影響

進(jìn)一步的相關(guān)分析表明(圖8)，可受精花絲百分率與花絲衰老呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r2=0.964***)，說(shuō)明較長(zhǎng)時(shí)間推遲受粉造成的花絲授粉結(jié)實(shí)能力降低主要是由于花絲衰老造成的。

3 結(jié)論與討論

穗粒數(shù)是玉米產(chǎn)量構(gòu)成三要素之一，與產(chǎn)量形成關(guān)系密切。玉米穗粒數(shù)與花絲能否正常受精密切相關(guān)[18]。前人研究表明，玉米果穗上的花絲呈現(xiàn)向頂式生長(zhǎng)，中下部花絲最先分化，最先吐出苞葉，而頂部花絲則最晚分化，吐出苞葉時(shí)間較晚?；ńz吐出苞葉后，花粉落于花絲上萌發(fā)，花粉管在花絲內(nèi)部延伸，最終到達(dá)子房完成受精[17]。Bassetti等[19]研究發(fā)現(xiàn)，玉米花絲衰老與籽粒形成密切相關(guān)。玉米花絲衰老后，花絲基部2～3 mm出現(xiàn)萎縮，致使花粉管不能順利通過(guò)花絲到達(dá)子房，阻礙受精過(guò)程。因此，闡明增密對(duì)玉米花絲受精結(jié)實(shí)能力及衰老進(jìn)程的影響具有十分重要的意義。

圖7 種植密度對(duì)果穗可受精花絲百分率的影響

***.在0.001水平上相關(guān)性顯著。

本研究結(jié)果表明，玉米果穗花絲受粉結(jié)實(shí)能力整體表現(xiàn)為先增加后減少，最后完全消失，該研究結(jié)果與前人研究一致[18]。而隨著增密后花絲受粉時(shí)間的推遲，整個(gè)果穗的結(jié)實(shí)性降低。但值得注意的是，隨著密度的增加，整個(gè)果穗可受精花絲持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。這可能與高密度延長(zhǎng)了中上部花絲受粉結(jié)實(shí)持續(xù)時(shí)間有關(guān)。本研究結(jié)果表明，高密度并不影響果穗花絲吐出苞葉后衰老的時(shí)間，其均開(kāi)始于吐絲后的8～9 d。說(shuō)明密度脅迫對(duì)花絲吐出苞葉后衰老特性影響較小。這與干旱條件下水分對(duì)花絲衰老的影響不同[19]，前人研究結(jié)果表明干旱脅迫加速了花絲的衰老。同時(shí)，Turc等[20]發(fā)現(xiàn)，水勢(shì)與花絲生長(zhǎng)密切相關(guān)，說(shuō)明花絲生長(zhǎng)對(duì)水分的依賴性更強(qiáng)，而本研究沒(méi)有出現(xiàn)明顯的水分脅迫環(huán)境。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，增密延緩了整個(gè)果穗花絲的衰老時(shí)間。這可能與增密降低了花絲的生長(zhǎng)速率，使花絲整體吐出苞葉的時(shí)間延長(zhǎng)有關(guān)。為了進(jìn)一步研究吐出苞葉的花絲的受粉結(jié)實(shí)能力與花絲衰老的關(guān)系，分析了可受精花絲百分率與花絲衰老的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)花絲受粉結(jié)實(shí)能力與花絲衰老呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與前人的研究結(jié)果一致，表明先吐出苞葉的果穗基部花絲衰老后，花粉管不能順利到達(dá)子房造成受精失敗，花絲受粉結(jié)實(shí)率降低[21]?？偟膩?lái)說(shuō)，高密度對(duì)吐出苞葉后的花絲衰老時(shí)間沒(méi)有明顯影響，但顯著延長(zhǎng)整個(gè)果穗花絲衰老時(shí)間，最終造成果穗花絲的可受粉結(jié)實(shí)時(shí)間延長(zhǎng)。