花期前后高溫對(duì)玉米花粉發(fā)育及結(jié)實(shí)率的影響

侯昕芳 王媛媛 黃收兵* 董 昕 陶洪斌 王 璞

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193；2.重慶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 玉米研究所，重慶 401329)

隨著全球氣候的變化，晝夜溫度升高，極端高溫發(fā)生頻率增加[1]，這對(duì)全球糧食作物的生產(chǎn)和安全造成了不同程度的影響，且弊大于利[2]。玉米屬于C4作物，生長(zhǎng)季相對(duì)較高的溫度能提高玉米的產(chǎn)量，但溫度超過(guò)一定范圍則會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成不利影響[3]。研究表明，1980—2008年的氣候變化導(dǎo)致全球玉米減產(chǎn)3.1%，其中，中國(guó)的玉米產(chǎn)量降低7.0%[4]。因此，探究玉米的耐高溫機(jī)制將有助于減弱氣候變化對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。

高溫脅迫對(duì)作物的影響因發(fā)生時(shí)期和持續(xù)時(shí)間不同而不同。在作物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，生殖生長(zhǎng)階段比營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段更易受高溫脅迫的影響[5]。對(duì)小麥、高粱和水稻等作物進(jìn)行花期前后高溫脅迫的研究表明，花前5～9 d處于作物花粉小孢子發(fā)育時(shí)期，易受到高溫脅迫的影響，此外，開花當(dāng)天是作物對(duì)溫度最敏感的時(shí)期，此時(shí)高溫會(huì)造成嚴(yán)重減產(chǎn)[6-8]。玉米開花的最適溫度為30.5 ℃[9-10]，當(dāng)溫度≥38 ℃會(huì)抑制花粉萌發(fā)[10-11]，使受精結(jié)實(shí)率降低。

高溫脅迫會(huì)使花粉和雌穗的形態(tài)發(fā)生變化?；ǚ哿Ｔ诟邷叵掳櫩s變形，活力下降，高溫還會(huì)使小麥和高粱等的花柱干枯，胚囊受損，抑制水稻花柱粘附花粉的能力，抑制花粉管的伸長(zhǎng)等，從而影響授粉和受精?；ǚ哿Ｍ獗谠从诮q氈層細(xì)胞，外壁的變化可能是由于高溫下絨氈層退化[12]。此外，高溫脅迫還會(huì)使花粉和雌穗中的活性氧含量增加，活性氧清除酶活性降低，導(dǎo)致活性氧積累，對(duì)膜脂造成損傷，影響花粉和雌穗的正常功能[13]。對(duì)玉米和水稻的研究發(fā)現(xiàn)，花粉對(duì)高溫的敏感性大于柱頭[14-15]，因此，雄性生殖器官可能是熱脅迫下影響結(jié)實(shí)率的主要因素[16-17]。高溫脅迫還會(huì)使花藥壁加厚，難開裂，導(dǎo)致散粉量少且花粉活力低；雌穗吐絲困難，使得抽雄吐絲間隔期延長(zhǎng)，授粉時(shí)間縮短，這也是導(dǎo)致結(jié)實(shí)率降低的重要原因之一[18]。此外，高溫會(huì)導(dǎo)致花粉中淀粉粒減少、細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶受損，使得可利用蔗糖減少、不飽和磷脂含量增加；高溫脅迫還會(huì)使雌配子發(fā)育和分裂減慢、卵細(xì)胞和助細(xì)胞分化受阻，影響花粉和雌穗的活性[13]。同時(shí)，高溫下誘導(dǎo)花粉與柱頭結(jié)合的誘導(dǎo)物質(zhì)分泌減少，到達(dá)子房的花粉數(shù)目減少，導(dǎo)致受精結(jié)實(shí)率降低[19]。

目前，有關(guān)花期前后不同程度高溫脅迫對(duì)玉米開花時(shí)間的影響及花粉活力降低的機(jī)制鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以熱敏感基因型玉米品種‘駐玉309’為試驗(yàn)材料，在花期前后對(duì)玉米進(jìn)行不同程度高溫(31、34和37℃)處理，分析不同溫度下玉米的開花時(shí)間、花粉活力和受精結(jié)實(shí)等性狀的變化，旨在明確花期不同梯度高溫對(duì)玉米開花特性和花粉活力的影響，以期為培育耐高溫新品種提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年在河北省滄州市吳橋縣中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站(37°41′02″ N, 116°37′23″ E)進(jìn)行。搭建16 m2(4 m×4 m)，高4 m的可控溫室3間，內(nèi)具備排風(fēng)扇等溫控設(shè)施。采用盆栽進(jìn)行試驗(yàn)，選用附近農(nóng)田0～20 cm土層土壤進(jìn)行盆栽種植，土壤過(guò)篩后，加入蛭石(土壤∶蛭石體積比為3∶1)混勻后，每盆加入混合土20 L，并施用2 g尿素、2 g P2O5和3 g K2O，大口期追施尿素3 g。

選用熱敏感基因型品種‘駐玉309’(‘ZY309’)，于花期前后進(jìn)行高溫(HT)、極高溫(EHT)處理，以花期最適溫度為對(duì)照(CK)，于玉米吐絲前后16 d每天進(jìn)行10 h(8：00—18:00)高溫和極高溫處理。每個(gè)處理種植30盆，每盆種植3粒種子，在三葉期(V3)時(shí)留1株。

高溫試驗(yàn)加熱期間，HT日平均氣溫較CK高出3 ℃，EHT日平均氣溫較CK高出6 ℃；CK平均最高氣溫為35.58 ℃，HT平均最高氣溫為39.38 ℃，EHT平均最高氣溫可達(dá)42.32 ℃，具體溫度實(shí)時(shí)記錄見圖1。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1作物生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)

記錄雄穗抽雄開花期(約60%玉米抽雄散粉)、吐絲期(約60%玉米花絲伸出苞葉2 cm以上)、盛花期(花粉量最大的時(shí)期)的時(shí)間，并利用開花和吐絲時(shí)間計(jì)算抽雄吐絲間隔期(ASI)。

圖1 玉米高溫處理期間的日最高溫度(a)、日最低溫度(b)和日平均溫度(c)Fig.1 Daily maximum temperature (a), daily minimum temperature (b) and mean daily air temperature (c) during high temperature treatment on maize

1.2.2雄穗形態(tài)特征

每個(gè)處理選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，在吐絲期測(cè)量雄穗穗長(zhǎng)(最后一個(gè)分支到頂端的距離)、穗粗(雄穗最后一個(gè)分支處穗的粗度)以及雄穗分支數(shù)。

1.2.3花粉活力

每個(gè)處理選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，在盛花期收集花粉并將其混勻，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)染色法測(cè)定花粉活力，在體視顯微鏡下觀察并拍照。區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)：外形圓、大且染色較深的花粉粒為高活性的花粉；外形圓、大但染色較淺的花粉粒為低活性的花粉；空癟、皺縮和染色淺的花粉粒為無(wú)活性花粉。

1.2.4花粉粒形態(tài)

取部分混勻的花粉，經(jīng)過(guò)固定、沖洗、脫水和干燥等處理，在日立S-3400 N掃描電鏡下觀察花粉粒形態(tài)。放大倍數(shù)：花粉粒為120倍；單個(gè)花粉粒為 1 200 倍。

1.2.5受精結(jié)實(shí)率

吐絲前選取各處理生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株4株進(jìn)行套袋，吐絲完全后統(tǒng)一授粉，在授粉 4～5 d 后，摘取果穗，用刀片沿苞葉頂部切取多余的花絲，輕輕剝開苞葉，抖動(dòng)雌穗，統(tǒng)計(jì)各雌穗脫落的花絲數(shù)和雖未脫落但基部萎蔫的花絲數(shù)，兩部分合計(jì)為受精小花數(shù)；未脫落的新鮮花絲數(shù)及未抽出的花絲數(shù)為未受精小花數(shù)。三部分合計(jì)為雌穗分化的總小花數(shù)。據(jù)此計(jì)算小花受精率和總結(jié)實(shí)率，計(jì)算公式為：小花受精率=(受精小花數(shù)/總小花數(shù))×100%；總結(jié)實(shí)率=(穗粒數(shù)/總小花數(shù))×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

該試驗(yàn)使用EXCEL和SPSS 17.0軟件統(tǒng)計(jì)、分析和處理數(shù)據(jù)，利用Duncan＇s檢驗(yàn)處理間差異顯著性(P=0.05)，用EXCEL軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 花期不同程度高溫對(duì)玉米雄穗性狀的影響

表1可知，不同程度高溫處理對(duì)‘ZY309’雄穗形態(tài)特征無(wú)顯著影響，穗長(zhǎng)、穗粗和分支數(shù)無(wú)顯著性差異。結(jié)果表明，花期前后高溫沒(méi)有顯著影響玉米的雄穗性狀。

2.2 花期不同程度高溫對(duì)玉米抽雄吐絲期的影響

圖2和圖3所示，花期高溫影響玉米的開花特性，主要表現(xiàn)為抽雄期提前、開花期和盛花期延后、抽雄吐絲間隔期(ASI)延長(zhǎng)。具體表現(xiàn)為HT處理不影響‘ZY309’抽雄、開花及吐絲時(shí)間，因此，ASI無(wú)顯著影響，但盛花時(shí)間提前；EHT處理對(duì)‘ZY309’則表現(xiàn)為抽雄期提前，開花期和盛花期延后，ASI增加至6 d，較CK延長(zhǎng)3 d。結(jié)果表明，不同程度高溫對(duì)開花特性的影響不同，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)通過(guò)改變開花特性使ASI增加。

2.3 花期不同程度高溫對(duì)玉米花粉活力的影響

圖4和圖5可知，花期不同程度高溫對(duì)玉米花粉活力均產(chǎn)生顯著影響。HT處理下，高活力花粉所占總花粉比例與CK相比下降43.39%，低活力和無(wú)活力花粉則較CK分別升高2.5和8.2倍；EHT處理與CK相比，高活力花粉比例降低61.12%，低活力和無(wú)活力花粉所占比例分別約為CK的2.3和17.1倍。結(jié)果表明，玉米花期受到高溫脅迫，其花粉活力會(huì)顯著降低，并且受脅迫溫度越高，花粉活力降低的幅度越大。

表1 花期不同程度高溫脅迫對(duì)玉米雄穗形態(tài)特征的影響Table 1 Effects of different high temperatures during flowering stage on male morphological characteristics of maize

圖2 花期不同程度高溫對(duì)玉米雌雄花的影響Fig.2 Response of male and female flower development to different high temperatures during flowering stage

圖3 花期不同程度高溫對(duì)玉米開花吐絲間隔期的影響Fig.3 Response of anthesis-silking interval (ASI) to different high temperatures during flowering stage

花期高溫脅迫會(huì)使得玉米花粉粒形態(tài)發(fā)生變化。圖5可知，與CK相比，高溫下玉米花粉粒皺縮變形，且溫度越高，皺縮的花粉粒所占的比例越大(圖5(a)～(f))。

圖4 花期不同程度高溫對(duì)玉米花粉活力的影響Fig.4 Pollen fertility of maize under different temperatures during flowering stage

掃描電鏡照片：(a)～(c)為花粉粒(放大倍數(shù)為120)；(d)～(f)為單個(gè)花粉粒(放大倍數(shù)為1 200)。Scanning electron micrographs of pollens (amplification=120；(a)-(c)) single pollen grain (amplification=1 200；(d)-(f)).圖5 花期不同程度高溫對(duì)玉米花粉粒結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Response of the ultrastructure of maize pollen grains under different temperature stresses during flowering stage

2.4 花期不同程度高溫對(duì)玉米受精結(jié)實(shí)的影響

圖6可知，花期不同程度高溫會(huì)顯著影響玉米的小花受精率和籽粒結(jié)實(shí)率，且受脅迫溫度越高，受精率和結(jié)實(shí)率降低的幅度越大。與CK相比，HT和EHT處理的小花受精率分別降低5.3%和70.2%，EHT處理的結(jié)實(shí)率降低50.0%，而HT處理的結(jié)實(shí)率提高5.5%。結(jié)果表明，花期高溫能夠顯著降低玉米的小花受精率和結(jié)實(shí)率，且結(jié)實(shí)率低于受精率，說(shuō)明花期高溫主要通過(guò)影響玉米雄穗小花受精率和結(jié)實(shí)率來(lái)影響產(chǎn)量。

圖6 花期不同程度高溫對(duì)玉米受精結(jié)實(shí)的影響Fig.6 Spikelet fertility and seed-set of maize under different temperature stresses during flowering stage

3 討 論

通過(guò)觀察玉米花期前后不同溫度梯度處理的花粉粒發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致花粉活力受損，受精結(jié)實(shí)率下降，從而影響玉米產(chǎn)量。

玉米雌雄穗花期同步、足夠的花粉量和較高的花粉活力是保證雌穗正常受精的關(guān)鍵因素。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫會(huì)影響玉米的開花特性及花粉活力。結(jié)果顯示，與CK相比，EHT處理下玉米抽雄時(shí)間提前，開花期延遲，但吐絲時(shí)間不變，使得抽雄吐絲間隔期延長(zhǎng),造成雌雄不育，導(dǎo)致受精率、結(jié)實(shí)率降低，產(chǎn)量下降，這與Rattalino等[21]和王媛媛等[20]結(jié)果一致。此外，HT處理與CK相比，抽雄開花時(shí)間不變，但盛花期提前，這可能是中等程度高溫會(huì)加快玉米的散粉速率，同時(shí)觀察到結(jié)實(shí)率略有提高，可能是由于高溫下花粉活力受到一定程度的影響，但在適宜的溫度范圍內(nèi)較高的溫度能加速花粉管在花絲中的生長(zhǎng)，加快同化物的轉(zhuǎn)運(yùn)[22-23]。極端高溫下抽雄時(shí)間提前，可能是高溫加快植株生育進(jìn)程，而開花期和盛花期延遲，則可能是溫度過(guò)高抑制玉米花藥的開裂，使得散粉困難[24]。高溫對(duì)玉米的雄穗形態(tài)特征無(wú)顯著影響，可能是由于雄穗小花分化從拔節(jié)期開始，高溫處理時(shí)間為開花前后16 d，此時(shí)雄穗已發(fā)育完成，因此不受高溫處理的影響。

本研究發(fā)現(xiàn)，玉米花粉比雌穗更易受到高溫脅迫的傷害,因此，花粉活力的下降可能是導(dǎo)致受精率下降的直接原因。從微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致玉米花粉粒皺縮，且溫度越高，花粉粒變形程度越大，花粉?；钚韵陆捣纫苍酱?。Djanaguiraman等[13]研究表明，高粱花期受到高溫脅迫時(shí)，會(huì)造成花粉粒變形皺縮，花粉活力降低，花粉?？捎韵陆担芫Y(jié)實(shí)率降低。高溫下花粉活性的下降也與活性氧(ROS)的積累有關(guān)，作物受到高溫脅迫時(shí)，花粉中的ROS增多，活性氧清除酶不能及時(shí)清除，從而破壞花粉粒膜脂質(zhì)。此外，花粉活性還與其淀粉粒的含量有關(guān)[13]，正常成熟花粉含有大量淀粉粒和小液泡，且花粉細(xì)胞中的可溶性糖能維持較高的花粉活力，使得花粉粒正常萌發(fā)[25]。而受到高溫脅迫時(shí)，花粉中淀粉粒大幅減少，使得花粉活力下降，影響作物正常受精[20]?；ǚ哿１砻嬗山q氈層細(xì)胞發(fā)育而來(lái)，高溫對(duì)花粉的損傷可能是由于花粉粒表面的絨氈層細(xì)胞損傷退化[12]，而絨氈層細(xì)胞的變化可能會(huì)影響部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從絨氈層向發(fā)育中花粉的正常輸送，導(dǎo)致花粉粒發(fā)育受阻，花粉敗育。本研究發(fā)現(xiàn)高溫下萌發(fā)孔皺縮變形可能是導(dǎo)致花粉萌發(fā)率降低的直接原因[20]。因此，花期高溫對(duì)花粉粒造成的損傷會(huì)直接影響玉米正常受精結(jié)實(shí)，從而影響產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

花期前后高溫脅迫對(duì)玉米的花粉粒發(fā)育有顯著影響，使得玉米產(chǎn)量顯著下降，且溫度越高，受精率和結(jié)實(shí)率越低?；ㄆ诟邷貢?huì)加速玉米散粉速率，使盛花期提前，極端高溫會(huì)使抽雄期提前、開花期和盛花期延后，但對(duì)吐絲時(shí)間無(wú)顯著影響，從而導(dǎo)致抽雄吐絲間隔期延長(zhǎng)，花期不育，影響玉米的受精結(jié)實(shí)。此外，高溫會(huì)降低玉米花粉活力，且溫度越高，花粉活力降低幅度越大。