氮素對高溫脅迫下玉米籽粒發(fā)育的調(diào)控效應(yīng)

蔡豐樂，馬 昕，王帥麗，盧良濤，邵瑞鑫，李鴻萍，趙亞麗，穆心愿，趙 霞，李樹巖，劉天學(xué)

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，省部共建小麥玉米作物學(xué)國家重點實驗室，作物生長發(fā)育調(diào)控教育部重點實驗室，河南 鄭州 450002；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002；3.河南省氣象科學(xué)研究所，河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，河南 鄭州 450003)

氣候變暖已成為影響全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的嚴重問題，IPCC第5次評估報告預(yù)測，21世紀末全球氣溫將升高1.5 ℃，這將進一步增加高溫熱害的頻率和強度[1]。玉米為全球廣泛種植的糧食作物，黃淮海夏玉米產(chǎn)區(qū)是我國最大的夏玉米集中產(chǎn)區(qū)，常年播種面積占全國40%以上[2]。但是，極端高溫天氣頻繁發(fā)生在夏玉米對高溫敏感的生殖器官發(fā)育時期[3]。前人研究表明，氣溫每增加1%，玉米產(chǎn)量將減少0.99%[4]。因此，高溫熱害已成為黃淮海夏玉米減產(chǎn)的主要因素之一[5-7]。

玉米籽粒建成期決定著籽粒庫容的大小，是胚乳細胞和淀粉粒形成的關(guān)鍵時期[8]，此時期遭遇35 ℃以上高溫，將造成籽粒敗育，產(chǎn)量下降[9]。籽粒能否成功發(fā)育與光合同化產(chǎn)物供應(yīng)和籽粒本身庫容量、庫活性有關(guān)[10]。庫容量指胚乳細胞的數(shù)目和大??；庫活性是指庫器官卸載向其輸入同化物質(zhì)的能力[11]，調(diào)控蔗糖分解的可溶性酸性蔗糖轉(zhuǎn)化酶(SAI)的活性可作為衡量庫活性的生理指標[10，12-13]。關(guān)于籽粒建成期高溫對玉米籽粒形成的生理影響已有諸多報道，學(xué)者們認為，高溫脅迫會加快玉米葉片各種生理生化反應(yīng)，加速葉片衰老，降低葉片光合能力[14-15]，減少花后干物質(zhì)積累[16]，減少胚乳細胞數(shù)目，減小胚乳細胞大小[17]，降低籽粒SAI活性[18]，增加籽粒敗育數(shù)，最終導(dǎo)致產(chǎn)量損失[19]。適量的氮素能提高植株葉片光合性能[20]，增加干物質(zhì)積累[21]，增強籽粒關(guān)鍵酶活性[22]，促進籽粒胚乳細胞分裂增殖和充實，提高籽粒質(zhì)量[23]。但是，有關(guān)籽粒建成期高溫脅迫處理后，氮素水平對夏玉米籽粒發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響尚無相關(guān)報道。

本試驗選用先玉335和鄭單958為材料，通過對籽粒建成期進行高溫脅迫處理，設(shè)置N90、N180和N270等不同氮素水平，研究在高溫條件下，不同氮素處理后夏玉米雌穗不同部位籽粒體積、干質(zhì)量、SAI活性的動態(tài)變化，及頂部籽粒激素水平和成熟期籽粒產(chǎn)量的構(gòu)成因素，探討氮素對籽粒建成期高溫脅迫下玉米籽粒發(fā)育及產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)，旨在為合理施氮、減少玉米高溫災(zāi)損提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料與試驗設(shè)計

選擇先玉335(XY335，熱敏感品種)和鄭單958(ZD958，耐熱型品種)[24]為試驗品種。試驗于2020年在河南省氣象科學(xué)研究所鄭州農(nóng)業(yè)氣象觀測綜合試驗站(34°43′ N，113°39′ E)進行，土壤基礎(chǔ)肥力為速效鉀183.67 mg/kg、有效磷36.38 mg/kg、堿解氮107.96 mg/kg、有機質(zhì)25.35 g/kg，pH值6.52。

試驗于授粉結(jié)束至籽粒形態(tài)基本建成(歷時12 d)時對棚內(nèi)玉米進行高溫處理(T)，處理時間為每天8：00—17：00，周圍用透光率95%的樹脂薄膜圍住，頂部密封80%，均勻留出20%的空隙，以利于氣體交換，以棚外玉米作為對照(CK)。棚內(nèi)外均種植2個供試品種，設(shè)3個氮素水平：N90(90 kg/hm2)、N180(180 kg/hm2)、N270(270 kg/hm2)，3次重復(fù)。棚內(nèi)外每個處理種植6行玉米，棚內(nèi)行長7.4 m，棚外行長5.0 m，均采用60 cm等行距人工點播種植，密度為67 500 株/hm2。磷(P2O5)、鉀(K2O)施用量均為150 kg/hm2，肥料均于拔節(jié)期一次性施入，其他管理同大田生產(chǎn)。試驗所用肥料為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、硫酸鉀(K2O 52%)。用溫濕度自動記錄儀記錄高溫處理期間高溫和對照處理的玉米冠層和穗位高度的氣溫及相對濕度。高溫處理期間，棚外冠層日均溫29.87 ℃，棚外穗位日均溫28.59 ℃，棚內(nèi)冠層日均溫34.92 ℃，棚內(nèi)穗位日均溫30.61 ℃，高溫處理時段高溫處理冠層和穗位層的平均溫度分別比對照增加5.04，2.02 ℃，相對濕度分別減少0.30，8.00百分點(圖1)。

圖1 高溫處理期間平均溫度和相對濕度的變化Fig.1 The changes of average temperatureand relative humidity during heat treatment

1.2 測定項目與方法

1.2.1 籽粒體積和干質(zhì)量 分別于高溫處理后3，8，12 d選取各處理3株有代表性植株的雌穗，按雌穗長度將籽粒等分為上、中、下3個部分，用排水法測定籽粒體積后[22]，于105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘干至恒質(zhì)量，進行測定。

1.2.2 籽粒SAI活性 分別于高溫處理后3，6，9，12 d選取各處理3株有代表性植株的雌穗，按雌穗長度將籽粒等分為上、中、下3個部分，用酶聯(lián)免疫法測定上、中、下部籽粒的SAI活性[25]。

1.2.3 籽粒激素含量 取高溫處理后6 d穗部上部籽粒，用酶聯(lián)免疫法測定籽粒中脫落酸(ABA)、赤霉素(GA3)、生長素(IAA)和玉米素核苷(ZR)含量[26]。

1.2.4 測產(chǎn)及考種 籽粒成熟期選取2 m雙行植株進行測產(chǎn)，測定果穗的穗長、禿尖長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量及敗育籽粒數(shù)，同時測定籽粒含水率，并按14%含水率折算百粒質(zhì)量和實際產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理與分析，用Microsoft Excel 2019作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素對高溫脅迫下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.1.1 氮素對高溫脅迫下玉米產(chǎn)量的影響 高溫脅迫降低了ZD958和 XY335的產(chǎn)量，且XY335的降幅明顯高于ZD958(圖2)。在常溫處理下，先玉335品種產(chǎn)量高于鄭單958，先玉335對氮素比較敏感，產(chǎn)量隨施氮量增加先升后降，N180處理下最高；在高溫處理下，2個品種的產(chǎn)量均表現(xiàn)為N90>N180>N270；與N90相比，ZD958的N180和N270的產(chǎn)量分別顯著降低44.29%，52.04%，XY335的產(chǎn)量分別顯著降低26.41%，39.94%。與常溫處理相比，高溫脅迫處理下，XY335在N90、N180、N270處理的產(chǎn)量分別降低14.08%，59.43%，55.15%，ZD958在3個氮肥處理下的產(chǎn)量分別降低8.57%，34.26%，37.99%。以上說明2個品種在高溫處理下，高氮處理明顯降低了玉米籽粒的產(chǎn)量。

不同小寫字母表示同一品種不同處理間在5%水平差異顯著(P<0.05)。圖5同。Different lowercase letters indicate significant differences(P<0.05)among different treatments in the same variety.The same as Fig.5.

2.1.2 氮素對高溫脅迫下玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素及穗部性狀的影響 由表1可知，常溫條件下，不同氮素處理相比，XY335禿尖長和敗育率在N180處理下最低，且N180的穗粒數(shù)、穗長、行粒數(shù)顯著高于N270(P<0.05)；ZD958的N90和N180的百粒質(zhì)量顯著高于N270(P<0.05)，3個氮素水平間的其余產(chǎn)量構(gòu)成因素和性狀差異不顯著。高溫處理下，隨施氮量增加，2個品種行粒數(shù)和穗粒數(shù)的變化與產(chǎn)量一致，表現(xiàn)為N90處理顯著高于N180和N270(P<0.05)，且ZD958的N180處理顯著高于N270(P<0.05)；敗育率的變化與行粒數(shù)和穗粒數(shù)相反；與N90相比，ZD958的N180和N270的穗粒數(shù)分別顯著降低42.89%，52.68%，敗育率分別顯著增加25.55，29.31百分點，XY335的N180和N270的穗粒數(shù)分別顯著降低20.95%，35.25%，敗育率分別顯著增加15.45，24.49百分點。與常溫處理相比，高溫脅迫處理下，XY335在N90、N180、N270處理的穗粒數(shù)分別增加2.46%、降低46.10%、降低48.69%，敗育率分別增加2.86，18.40，26.57百分點。相對于正常條件，高溫條件下2個品種在中高氮處理下的穗粒數(shù)降幅和敗育率增幅均顯著高于低氮處理。

表1 氮素對高溫脅迫下玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素及穗部性狀的影響Tab.1 Effects of nitrogen on yield components and ear characters of maize under heat stress

2.1.3 產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素及穗部性狀的相關(guān)性分析 從表2可以看出，2個品種的產(chǎn)量與穗粒數(shù)、行粒數(shù)、穗長呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與禿尖長、敗育率呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)；2個品種的穗粒數(shù)與行粒數(shù)、穗長呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與禿尖長、敗育率呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，且ZD958的穗粒數(shù)與穗行數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；2個品種的行粒數(shù)與穗長呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與禿尖長、敗育率呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)；XY335的穗長與禿尖長、敗育率呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，ZD958的穗長與禿尖長呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，與敗育率呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)；禿尖長與敗育率呈極顯著正相關(guān)。

表2 產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素及穗部性狀的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of yield，yield components and panicle characters

2.2 氮素對高溫脅迫下玉米籽粒體積的影響

在籽粒發(fā)育初期，高溫處理對籽粒體積影響不大；隨著籽粒發(fā)育進程的推進，高溫對籽粒體積增長的影響逐漸增大(圖3)。處理后12 d，在高溫處理下，XY335上中下部籽粒體積和ZD958中下部籽粒體積均表現(xiàn)為N90>N180>N270；ZD958上部籽粒體積表現(xiàn)為N180>N90>N270。與常溫處理相比，高溫脅迫處理下，XY335在N90、N180、N270處理的上部籽粒體積分別降低23.89%，27.08%，40.91%，中部籽粒體積分別降低22.73%，42.28%，53.85%，下部籽粒體積分別降低35.66%，60.37%，60.74%；ZD958在N90、N180、N270處理的上部籽粒體積分別降低29.41%，38.46%，48.53%，中部籽粒體積分別降低32.79%，39.50%，47.42%，下部籽粒體積分別降低37.40%，44.70%，34.62%。總之，2個品種在中高氮處理下的籽粒體積降幅總體上明顯高于低氮處理；且在中高氮處理下XY335中下部籽粒體積降幅明顯高于ZD958，上部籽粒體積降幅明顯低于ZD958。

圖3 氮素對高溫脅迫下鄭單958(A、C、E)和先玉335(B、D、F)籽粒體積的影響Fig.3 Effects of nitrogen on grains volume of ZD958(A，C，E)and XY335(B，D，F(xiàn))under heat stress

2.3 氮素對高溫脅迫下玉米籽粒干質(zhì)量的影響

高溫處理下不同施氮水平對籽粒干質(zhì)量的影響表現(xiàn)出與籽粒體積變化相一致的趨勢，但抑制效應(yīng)表現(xiàn)得更早(圖4)。在高溫處理下，處理后8 d，2個品種的上中下部籽粒干質(zhì)量均表現(xiàn)為N90>N180>N270；在處理后12 d，XY335上中下部籽粒干質(zhì)量和ZD958中下部籽粒干質(zhì)量均表現(xiàn)為N90>N180>N270，ZD958上部籽粒干質(zhì)量為N90>N270>N180。與常溫處理相比，高溫脅迫處理下，處理后8 d，XY335在N270處理下的上、中部籽粒干質(zhì)量分別顯著降低76.59%，30.32%(P<0.05)，在N180處理下的下部籽粒干質(zhì)量顯著降低34.00%(P<0.05)；ZD958在N270處理下的上、中、下部籽粒干質(zhì)量分別顯著降低76.44%，57.88%，55.27%(P<0.05)。在處理后12 d，與常溫處理相比，高溫脅迫下，XY335在N90、N180、N270處理的上部籽粒干質(zhì)量分別降低9.28%，44.25%，84.50%，中部籽粒干質(zhì)量分別降低30.22%，45.06%，57.31%，下部籽粒干質(zhì)量分別降低32.35%，67.24%，70.04%；ZD958在N90、N180、N270處理的上部籽粒干質(zhì)量分別降低41.27%，75.66%，75.31%，中部籽粒干質(zhì)量分別降低36.89%，47.67%，46.69%，下部籽粒干質(zhì)量分別降低24.25%，57.49%，54.29%。綜上所述，2個品種在中高氮處理下的籽粒干質(zhì)量降幅明顯高于低氮處理，且抑制作用出現(xiàn)得更早；XY335在中高氮處理下的上中下部籽粒干質(zhì)量降幅總體上明顯高于ZD958。

圖4 氮素對高溫脅迫下鄭單958(A、C、E)和先玉335(B、D、F)籽粒干質(zhì)量的影響Fig.4 Effects of nitrogen on grains dry weight of ZD958(A，C，E)and XY335(B，D，F(xiàn))under heat stress

2.4 氮素對高溫脅迫下玉米籽粒SAI活性的影響

隨著籽粒發(fā)育進程的推進，籽粒中SAI活性呈現(xiàn)漸增的趨勢，品種和處理間存在顯著差異(表3) (P<0.05)。常溫處理下，整體上，XY335上中下部籽粒SAI活性均表現(xiàn)為N270和N180高于N90；ZD958的上中部籽粒SAI活性在前中期以N90較高，中后期則以N270更高，下部籽粒SAI活性表現(xiàn)與上中部籽粒相反。高溫處理下，XY335的上部籽粒SAI活性在前中期表現(xiàn)為N90處理高于N180和N270，后期N270處理最高，中部籽粒SAI活性表現(xiàn)為N90顯著高于N270，下部籽粒SAI活性表現(xiàn)為N270>N180>N90；ZD958的上部籽粒SAI活性在前中期表現(xiàn)趨勢不明顯，在中后期表現(xiàn)為N270>N180>N90，中部籽粒SAI活性表現(xiàn)為N270>N180>N90，下部籽粒SAI活性在前中期表現(xiàn)為N270>N180>N90，在后期N180處理遠高于N90和N270。

表3 氮素對高溫脅迫下玉米籽粒SAI活性的影響Tab.3 Effects of nitrogen on SAI activity in grains of maize under heat stress U/g

與常溫處理相比，高溫脅迫后XY335上部籽粒SAI活性在N90處理下于6，9，12 d略有升高，在N180和N270處理下一直顯著降低；中部籽粒SAI活性于6 d顯著升高，12 d N180和N270處理分別顯著降低12.96%和22.81%；下部籽粒SAI活性在N90、N180和N270處理下一直降低。ZD958受到高溫脅迫后，上部籽粒的SAI活性在N90、N180和N270處理后3，12 d升高，于6，9 d降低，其中，N90和N180處理顯著降低(P<0.05)；中部籽粒SAI活性在N90處理下顯著降低，在N180處理下于3，6 d降低，于9，12 d升高，在N270處理下明顯升高；下部籽粒SAI活性在N90處理下于3，6，12 d升高，在N180和N270處理下一直升高。

2.5 氮素對高溫脅迫下玉米籽粒激素含量的影響

與常溫處理相比，高溫脅迫下中高氮處理(N180與N270)增加了上部籽粒GA3含量(以鮮質(zhì)量計)，降低了其ABA、IAA、ZR含量(以鮮質(zhì)量計)(圖5)。高溫處理下，除ZD958上部籽粒的IAA外，氮素水平間的籽粒激素含量差異顯著。在高溫處理下，增施氮素降低了2個品種上部籽粒的ABA含量，提高了GA3和ZR含量，提高了XY335上部籽粒的IAA含量，但對ZD958上部籽粒的IAA含量無顯著影響。

圖5 氮素對高溫脅迫下玉米上部籽粒ABA(A)、GA3(B)、IAA(C)和ZR(D)含量的影響Fig.5 Effects of nitrogen on ABA(A)，GA3 (B)，IAA(C)and ZR(D)contents in upper grains of maize under heat stress

3 結(jié)論與討論

玉米授粉后0～8 d是籽粒敗育的誘導(dǎo)啟動期，8～16 d是籽粒敗育的表觀衰敗期[27]。玉米籽粒建成的適宜溫度為22～24 ℃[28]。本研究中，授粉后0～6 d，高溫處理穗位溫度均達到31 ℃以上，授粉后8～12 d高溫處理的籽粒生長停滯，發(fā)生敗育；高溫下XY335穗粒數(shù)和產(chǎn)量相較于ZD958的降幅更大，禿尖長增加，與頂部籽粒發(fā)育對高溫更敏感有關(guān)[29]。前人研究結(jié)果表明，氮素能促進玉米頂部籽粒發(fā)育，提高頂部籽粒體積和干物質(zhì)量[22]。本研究中，常溫處理下，N180水平能促進籽粒發(fā)育。但是，在高溫下，N180和N270的敗育率增加、穗粒數(shù)降低。以上說明，玉米籽粒建成期，高溫脅迫影響了籽粒發(fā)育，增加施氮量不僅不能減緩高溫對籽粒發(fā)育的影響，反而可能降低胚乳細胞分裂速率和持續(xù)時間[17]或阻礙同化物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運[30]，從而加重了籽粒敗育。

玉米籽粒建成與籽粒庫容量和庫活性有關(guān)[31]。庫容量是胚乳細胞數(shù)目和胚乳細胞大小，與胚乳細胞分裂過程有關(guān)，是籽粒灌漿的物理限制因子；而庫活性則是庫器官卸載向其輸入的同化物質(zhì)的能力，是生理限制因子[11]。調(diào)控蔗糖分解的SAI活性可以作為衡量庫活力的生理指標[10，12-13]。本研究中，高溫導(dǎo)致XY335籽粒SAI活性降低，蔗糖卸載能力下降，無法積累同化物質(zhì)從而形成敗育籽粒[30]，且在較高氮素水平下更嚴重；高溫下，ZD958較高的SAI活性保證了其籽粒敗育率以及產(chǎn)量降幅比XY335更低，但隨氮素水平增加，ZD958籽粒SAI活性升高，籽粒發(fā)育表現(xiàn)并未隨SAI活性升高而改善，可能與高氮水平下葉綠體超微結(jié)構(gòu)受損嚴重、光合同化產(chǎn)物供應(yīng)減少有關(guān)[32]。

玉米籽粒的庫容量和庫活性又受籽粒激素代謝水平的影響[12，31，33]。ZR和IAA介導(dǎo)籽粒建成期的胚乳細胞分裂，調(diào)控籽粒庫容量大小[31]。較低的ABA/GA3會抑制SAI活性，導(dǎo)致籽粒的蔗糖卸載能力不足[12]。本研究為了揭示高溫條件下玉米禿尖的形成與激素之間的關(guān)系及氮素的調(diào)控效應(yīng)，測定了不同處理玉米頂部籽粒的激素含量，結(jié)果表明，高溫脅迫降低了頂部籽粒的ABA/GA3及IAA、ZR含量，從而導(dǎo)致其SAI活性下降，并抑制胚乳細胞分裂[34-35]；高溫下，隨著氮素水平的增加，頂部籽粒的IAA和ZR含量增加，ABA/GA3降低，即高溫下增加施氮量能促進頂部籽粒胚乳細胞分裂，但對籽粒庫活性的影響加重。說明高溫降低籽粒胚乳細胞分裂和蔗糖轉(zhuǎn)運能力導(dǎo)致頂部籽粒敗育[36]，而高溫高氮下籽粒發(fā)育不受庫容量限制，庫活性才是其限制因子[37]，禿尖的形成是由ABA/GA3降低引起的。

總之，玉米籽粒建成期31 ℃以上的高溫脅迫對玉米頂部籽粒的發(fā)育有顯著影響，使得高溫敏感品種XY335禿尖長增加，產(chǎn)量顯著下降。但是，合理的施氮水平(N90)能降低高溫下頂部籽粒的敗育率，減少產(chǎn)量損失。