灌漿階段干旱對玉米強、弱勢位胚乳干物質(zhì)積累的影響

陳先敏 周亞寧 李斌彬 肖祖棟 申 思, 2 周順利,2*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,北京 100193;2.河北省低平原區(qū)農(nóng)業(yè)技術創(chuàng)新中心,河北 吳橋 061802)

玉米作為我國第一大糧食作物,其產(chǎn)量由單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重組成[1-2],其中粒重形成與灌漿期物質(zhì)積累速度和持續(xù)時長密切相關[3-5]。隨著全球氣候變化與極端天氣頻發(fā),每年干旱導致15%～20%的玉米產(chǎn)量損失[6]。目前針對苗期、開花期及籽粒建成期干旱對籽粒影響的研究較多[7-8]。此外,灌漿期遭受脅迫通常對同化物的供應、庫容等產(chǎn)生影響,從而降低產(chǎn)量[2,9-11]。然而在玉米籽粒中,胚乳作為同化物的主要貯藏場所,其重量約占籽粒的80%左右,表明胚乳物質(zhì)積累決定了籽粒的產(chǎn)量和品質(zhì)[12-13],因此,開展灌漿期不同階段干旱對玉米胚乳物質(zhì)積累影響的研究十分重要。

在玉米籽粒建成后(通常授粉后12～15 d),籽粒進入灌漿期,往往可以持續(xù)40 d以上[4,14]。在此階段胚乳要經(jīng)歷細胞的增殖和擴張、淀粉和蛋白質(zhì)的積累、脫水成熟等多個過程[4,14]。已有研究發(fā)現(xiàn),灌漿期遭受干旱脅迫時,葉片光合同化物減少[15-16]、蔗糖向籽粒的運輸受阻[17]、淀粉合成能力降低[18],導致灌漿期縮短、灌漿速率降低,最終粒重和淀粉含量減少[17-18]。干旱脅迫對胚乳物質(zhì)積累的影響程度不僅取決于干旱程度,還取決于干旱發(fā)生的時間[18],而目前關于對玉米灌漿不同階段干旱影響的研究較少。并且,在結(jié)構上籽粒包括了種皮、小穗柄、胚和胚乳等多個亞組織,以往大部分研究往往針對整個籽粒進行取樣,很少將胚乳單獨作為研究對象。此外,在大田環(huán)境下,玉米、小麥、水稻等禾谷類作物的穗部都存在強弱勢粒之分,它們的粒重因其在穗部的生長位置不同而存在顯著差異[19-20]。一般而言,玉米穗中部的強勢粒在代謝和庫強度等方面優(yōu)于生長在穗頂部的弱勢粒,導致弱勢粒比強勢粒對環(huán)境更敏感[10-12]。已有研究表明,玉米灌漿期遭受脅迫時,弱勢粒在灌漿速率、灌漿持續(xù)期、淀粉含量、粒重、淀粉合成相關酶活性和激素含量等方面受到的影響均大于強勢粒[11-12]。目前,關于不同位勢籽粒的胚乳受干旱影響的研究鮮見報道。本研究通過人工控水方式,在灌漿前期、中期和后期分別對玉米植株進行干旱脅迫處理,分析不同位勢籽粒的胚乳干物質(zhì)積累和灌漿特性變化特征,旨在明確灌漿不同階段干旱脅迫對玉米果穗不同位勢胚乳物質(zhì)積累的影響,以期為玉米抗旱高產(chǎn)栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及試驗設計

試驗于河北省滄州市中國農(nóng)業(yè)大學吳橋?qū)嶒炚?37°41′ N,116°36′ E)進行。試驗材料選擇在生產(chǎn)中大面積推廣應用多年的玉米雜交種‘鄭單958’。設置對照(CK,整個灌漿期正常澆水以保持土壤相對含水量在75%以上)以及灌漿早期(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個階段的干旱處理。干旱脅迫前,所有植株正常澆水。干旱前5 d注意控制澆水以保證在開始干旱階段土壤相對含水量在70%以下,干旱期間停止供水,持續(xù)10 d。土壤含水量由土壤濕度傳感器(ThetaProbe ML2x, Delta-T Device,英國)測量,干旱處理后5 d測得的表層10 cm土壤相對含水量分別為41%(ED,20 DAP(授粉后天數(shù)))、45%(MD,30 DAP)和38%(LD,40 DAP)。干旱處理結(jié)束后恢復供水,直至成熟。

2020年5月20日播種,9月15日收獲。共種植300盆,后期每個處理分別選擇長勢均勻一致的50株進行取樣。將3粒大小均勻且飽滿的玉米種子播種在盆栽桶(高30 cm,半徑17 cm)中,桶內(nèi)裝有10 kg沙壤土和5 L基質(zhì)營養(yǎng)土(有機質(zhì)含量≥40 g/100 g)。播種前加入充足水分和復合肥11 g(wN∶wP2O5∶wK2O=1∶1∶1)。3葉期定苗,每盆留1株長勢相同健壯的幼苗。在12葉期追施尿素5 g(N 46 g/100 g)。在吐絲前,對所有雌穗進行套袋以防止自然授粉。當所有花絲吐出后,于上午收集新鮮花粉進行人工統(tǒng)一授粉。干旱處理期間利用人工防雨棚阻止自然降雨。

1.2 樣品收集

每個處理選取長勢均勻的3個代表性果穗,從基部向上取第16—20環(huán)籽粒為強勢位籽粒和胚乳,從頂部向下取第3—5環(huán)為弱勢位籽粒和胚乳。籽粒和胚乳取下后,一部分用于測定干重,一部分存于-20 ℃用于測定淀粉、蛋白質(zhì)和可溶性糖含量。其中,胚乳的獲得需要將相應位勢的籽粒取下后立即放置于冰上,快速去掉種皮和胚后稱重或保存。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 籽粒和胚乳干重

分別在授粉后第20、第25、第30、第35、第40、第45和第60天取樣,每個處理選取3株不同植株,測籽粒和胚乳鮮重,105 ℃殺青30 min后于75 ℃烘干至恒重,測定干重。

1.3.2 胚乳灌漿特性

基于胚乳干重,通過Logistic方程:W=a/(1+be-ct) 模擬,計算方程參數(shù)a、b、c,其中W(胚乳干重)為因變量,g;t(授粉后時間,d)為自變量[21-22]。灌漿特征參數(shù)計算公式如下:

灌漿速率達到最大時所需時間Tmax=ln(b/c)

灌漿速率最大時的胚乳生長量Wmax=a/2

最大灌漿速率Gmax=(c×Wmax)/2

灌漿活躍期D=6/c

1.3.3 淀粉和糖含量測定

淀粉和可溶性糖的提取參考Hanft等[23]的方法,其中淀粉在提取過程中轉(zhuǎn)化為葡萄糖。提取液中的蔗糖、果糖和葡萄糖含量的測定參考文獻[24-25]的方法,葡萄糖含量的測定利用己糖激酶和葡萄糖6-磷酸脫氫酶將葡萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖酸鹽,同時將NAD還原為NADH,利用酶標儀(美國Thermo Fisher公司)在340 nm波長下測定OD值。果糖和蔗糖使用6-磷酸葡萄糖異構酶和轉(zhuǎn)化酶分別轉(zhuǎn)化為葡萄糖后按照以上方法測定含量。

1.3.4 蛋白質(zhì)含量測定

稱取收獲期的胚乳0.25 g,采用全自動凱氏定氮儀(海能K1100F,中國)測定全氮,全氮含量×6.25為蛋白質(zhì)含量[26-27]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析,用CurveExpert 1.3軟件中Logistic模型模擬胚乳灌漿過程[21-22],Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌漿階段干旱對收獲期粒重和胚乳干重的影響

由圖1可知,灌漿階段干旱脅迫顯著降低收獲期籽粒和胚乳的干重,其影響程度表現(xiàn)為ED(灌漿前期干旱)>MD(灌漿中期干旱)>LD(灌漿后期干旱),弱勢位籽粒和胚乳受干旱的影響程度大于強勢位。ED、MD和LD處理的果穗中部強勢位粒重分別比CK降低19.46%、13.49%和10.89%,果穗頂部弱勢位粒重分別比CK降低35.79%、28.59%和10.94%(圖1(a)和(b))。相似地,在ED和MD下,強勢位胚乳干重比CK降低12.82%和8.74%,弱勢位胚乳干重分別比CK降低22.95%和14.77%;在LD下,胚乳重略有降低,但未達到顯著水平(圖1(c)和(d))。果穗強勢籽粒的胚乳重量占比沒有受到干旱脅迫的影響, ED和MD分別提高果穗弱勢位籽粒的胚乳重量占比19.38%和18.79%(圖1(e)和(f))。

(a)、(c)和(e)分別為強勢位的粒重、胚乳重量和胚乳重量占比;(b)、(d)和(f)分別為弱勢位的粒重、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,對照;ED,灌漿早期干旱;MD,灌漿中期干旱;LD,灌漿后期干旱。不同字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著。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.圖1 灌漿階段干旱處理下玉米的粒重、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 灌漿階段干旱對胚乳灌漿特性的影響

2.2.1 灌漿階段干旱對胚乳含水量和干物質(zhì)積累過程的影響

由圖2可知,與CK相比,ED、MD和LD處理均顯著降低胚乳的干物質(zhì)積累,使得胚乳加速脫水,其中弱勢位胚乳受到干旱的影響早于強勢位。強勢位胚乳含水量受ED影響從干旱處理后第5天(20 DAP)開始表現(xiàn)出顯著低于CK,MD是從干旱處理后第20天(45 DAP)開始顯著低于CK,而LD在收獲期才表現(xiàn)出胚乳含水量顯著低于CK;弱勢位胚乳含水量受ED、MD和LD影響分別從干旱處理后第5天開始表現(xiàn)出顯著低于CK(圖2(a)和(b))。與含水量不同,強勢位胚乳干重受ED和MD影響均從40 DAP(ED處理后第25天;MD處理后第15天)開始表現(xiàn)出顯著低于CK,弱勢位胚乳受ED和MD影響均從35 DAP(ED處理后第20天;MD處理后第10天)開始顯著低于CK; 然而LD處理下強/弱勢位胚乳相較于CK都略有降低,但并不顯著(圖2(c)和(d))。

2.2.2 灌漿階段干旱對胚乳灌漿特性的影響

由表1可知,灌漿階段干旱脅迫對灌漿參數(shù)存在不同的影響,決定系數(shù)R2在0.981～0.998,說明方程模擬結(jié)果能較好的代表胚乳灌漿過程。干旱處理減少了胚乳達到最大灌漿速率需要的時間(Tmax)和灌漿速率最大時的胚乳生長量(Wmax),它們在強/弱勢位胚乳由高到低都表現(xiàn)為CK>LD>MD>ED。除LD對強勢位胚乳的影響以外,干旱處理降低了胚乳的最大灌漿速率(Gmax):ED、MD和LD的強勢位胚乳Gmax分別比CK降低3.13%、6.23%和增加1.99%,弱勢位胚乳Gmax分別降低13.38%、14.39%和3.63%。此外,干旱脅迫縮短了胚乳的灌漿有效期(D):ED、MD和LD的強勢位胚乳D分別降低14.58%、3.27%和5.89%;弱勢位胚乳D分別降低13.71%、1.17%和4.26%。表明干旱對灌漿參數(shù)除了灌漿有效期以外,干旱對弱勢位胚乳的Tmax、Wmax和Gmax影響均大于強勢位,其中MD降低Gmax程度最大,但ED對D縮短幅度最大。

(a)和(c)分別為強勢位胚乳含水量和干物質(zhì);(b)和(d)分別為弱勢位胚乳含水量和干物質(zhì)(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***分別表示在P<0.05,P<0.01和P<0.001水平上差異。下同。*, ** and *** indicates significant differences at P<0.05, P<0.01 and P<0.001 levels. The same below.圖2 灌漿階段干旱處理下玉米胚乳含水量和干物質(zhì)的變化Fig.2 Dynamics of water content and dry weight of endosperm under drought occurred in grain-filling phases

表1 灌漿階段干旱處理下玉米胚乳灌漿參數(shù)Table 1 The filling parameters in maize endosperm under drought occurred in grain-filling phases

2.3 灌漿階段干旱對胚乳可溶性糖和淀粉含量的影響

由圖3可知,在CK中,胚乳的葡萄糖、果糖和蔗糖含量從20 DAP到收獲期始終保持在0～6 mg/g。ED處理顯著提高了20 DAP胚乳的葡萄糖和果糖含量,其中強勢位胚乳比CK分別提高187.2%和550.7%,弱勢位胚乳分別提高232.0%和306.3%;但在20 DAP后,各處理胚乳葡萄糖和果糖含量迅速降低至CK相似水平。此外,ED顯著提高弱勢位胚乳20 DAP的蔗糖含量,提高約38.14%。MD處理顯著降低35 DAP強勢位胚乳的蔗糖含量,以及35 DAP和45 DAP弱勢位胚乳的蔗糖含量(圖3(b),(e)和(d))。LD處理顯著降低了40 DAP弱勢位胚乳的葡萄糖含量(圖3(b))。說明胚乳可溶性糖含量水平在灌漿早期受干旱脅迫影響較大,在灌漿中、后期受干旱影響較小。

(a)、(c)和(e)分別為強勢位胚乳可溶性糖含量;(b)、(d)和(f)分別為弱勢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圖3 灌漿階段干旱處理的玉米胚乳可溶性糖含量變化Fig.3 Dynamics of soluble sugar content of maize endosperm under drought occurred in grain-filling phases

與CK相比,灌漿不同階段干旱處理對不同位勢胚乳的淀粉含量存在不同程度的影響。以胚乳鮮重為基礎,ED在干旱剛開始(20 DAP)的強、弱勢位胚乳淀粉含量與CK相比分別降低59.86%和64.59%,但在收獲期(60 DAP)僅分別降低10.99%和17.12%。這表明ED處理不僅減少淀粉積累,還可能使淀粉合成進程滯后。MD在干旱開始后(30 DAP)的強、弱勢位胚乳的淀粉含量與CK相比分別下降18.40%和9.05%,在收獲期分別下降11.09%和13.42%。而LD處理下的強、弱勢位胚乳相較于CK略有降低,但不顯著(圖4)。

圖4 灌漿階段干旱處理的強勢(a)和弱勢(b)位籽粒胚乳淀粉積累動態(tài)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 灌漿階段干旱對收獲期胚乳淀粉和蛋白質(zhì)含量的影響

由圖5可知,在成熟期,灌漿階段干旱處理顯著降低胚乳的淀粉含量(以干重計),降低幅度為ED>MD>LD;但顯著升高蛋白質(zhì)含量(以干重計),升高幅度為LD>MD>ED,且對弱勢位籽粒胚乳的影響大于強勢位。其中,與CK相比,ED、MD和LD顯著降低果穗強、弱勢位胚乳淀粉含量,果穗強勢位胚乳分別降低16.13%、15.98%和13.94,弱勢位胚乳分別降低19.42%、17.00%和14.02%;同時,強勢位胚乳的蛋白質(zhì)含量分別增加6.56%、13.97%和14.71%,弱勢位胚乳分別增加18.35%、19.51%和38.01%。

3 討 論

3.1 玉米強、弱勢位籽粒胚乳干物質(zhì)積累及其對授粉方式和干旱脅迫的響應

大田生產(chǎn)條件下,禾谷類作物的強勢位在生長、代謝等多方面優(yōu)于弱勢位,最終體現(xiàn)在粒重、品質(zhì)等方面,這也是強、弱勢位概念提出的原因。玉米強、弱勢粒在籽粒灌漿各指標間的差異已多有報道[28-29]。但是,本研究中正常水分條件下強、弱勢位在收獲期的粒重、胚乳的重量、淀粉含量和蛋白質(zhì)含量上均無顯著差異(圖1和圖5)。已有研究結(jié)果表明,統(tǒng)一授粉的強、弱勢位在粒重上的差異比自然授粉更小[30-31],本研究采用了人工統(tǒng)一授粉而非自然授粉。自然授粉條件下由于果穗不同位置花絲吐出苞葉的時間不一致,會導致中部和頂部籽粒有一個授粉時間差,這種授粉時間是導致了中部和頂部籽粒建立優(yōu)劣勢,甚至是導致頂部籽粒敗育的一個重要原因[32-33]。因此,中部和頂部籽粒授粉的同步性可能成為育種者篩選品種和栽培調(diào)控的一個重要性狀。

(a)和(c)分別為強勢位胚乳淀粉含量;(b)和(d)分別為弱勢位胚乳蛋白質(zhì)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圖5 灌漿階段干旱處理的玉米胚乳淀粉和蛋白質(zhì)含量Fig.5 The starch and protein contents of maize endosperm under drought occurred in grain-filling phases

而從強、弱勢位對干旱的響應看,ED和MD處理下弱勢位胚乳的干重表現(xiàn)出顯著低于CK,且均是從35 DAP開始,而強勢位胚乳均是從40 DAP開始,說明弱勢位胚乳感受到干旱脅迫時間可能先于強勢位胚乳。此外,弱勢位的粒重、胚乳重、胚乳灌漿特征參數(shù)、胚乳淀粉含量降低幅度也大于強勢位(圖1、圖2、表1和圖5),說明弱勢位的籽粒胚乳比強勢位更容易受到脅迫影響。即使在統(tǒng)一授粉情況下,強、弱勢位籽粒在細胞生長相關的蛋白表達、激素含量、淀粉合成相關酶活性上均具有差異。同時,弱勢位籽粒中糖酵解途徑關鍵酶活性較低,活性氧穩(wěn)態(tài)和防御系統(tǒng)易受到干擾,這些差異是導致弱勢位相對于強勢位對各種環(huán)境脅迫的保護能力降低的重要原因[9,29,34]。張巽等[10]研究表明,玉米灌漿期遭受低溫脅迫時,弱勢粒在粒重、灌漿速率、灌漿持續(xù)期、淀粉合成相關酶活性、激素含量等受到的影響均大于強勢粒。同樣的玉米在灌漿期遭受高溫脅迫時,對弱勢粒的影響顯著高于強勢粒[9]。這些研究都證實了弱勢粒對外界環(huán)境更敏感。此外,本研究發(fā)現(xiàn)在不同干旱脅迫下,弱勢位胚乳的最大灌漿速率都小于強勢位,但灌漿活躍期均大于強勢位(表1),表明弱勢位胚乳物質(zhì)積累的限制可能來自于灌漿速率而不是灌漿活躍期的長短。通過栽培措施調(diào)節(jié)縮小強、弱勢粒胚乳的差別,比如優(yōu)化耕作方式[35]、施加鋅肥[36]等以提升庫容、灌漿速率等,有利于玉米產(chǎn)量進一步提升。

3.2 灌漿不同階段干旱對胚乳灌漿特性、產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的影響

在全球氣候變暖和糧食需求增加的背景下,干旱成為農(nóng)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)[37]。近年來,針對干旱影響籽粒灌漿的研究表明,灌漿期干旱脅迫顯著降低籽粒灌漿速率,縮短灌漿時長,降低淀粉合成相關酶活性,提高ABA含量,降低IAA、ZR和GA3含量[18,38-40]。在本研究中,灌漿前、中、后期干旱脅迫降低粒重,盡管胚乳的干重結(jié)果與粒重一致,但是后期干旱對胚乳重量的影響未達到顯著水平(圖1)。籽粒灌漿過程主要包括灌漿速率和灌漿持續(xù)時間,這兩個因素決定了粒重的形成。然而灌漿不同階段干旱對胚乳灌漿的影響是不一致的。在正常條件下,玉米胚乳在大約20 DAP結(jié)束細胞增殖與擴張,這決定了籽粒庫容的大小、灌漿速率和灌漿時長[4,14],而胚乳達到最大灌漿速率的時間是26～27 d。本研究中灌漿前期的干旱脅迫嚴重縮短灌漿時間,減小灌漿速率,最終導致胚乳重量降低幅度最嚴重;灌漿中期的干旱脅迫主要降低灌漿速率,對灌漿持續(xù)時間的影響最小(表1)。玉米進入灌漿后期,粒重潛力已經(jīng)形成,快速灌漿期已經(jīng)過去,籽粒的干物質(zhì)積累速度逐漸放慢且開始脫水成熟[4]。因此灌漿后期的干旱脅迫主要縮短胚乳灌漿有效期,對最大灌漿速率影響較小,強勢位胚乳的最大灌漿速率甚至大于CK(表1),結(jié)果導致胚乳干重受影響較小,在統(tǒng)計水平上甚至沒有達到顯著水平(圖1)。本研究結(jié)果表明,灌漿過程遭遇干旱時間越早玉米減產(chǎn)越嚴重,后期的復水也不能彌補前期引起的干物質(zhì)積累損失,因此在玉米栽培過程中,尤其要避免灌漿前期和中期的水分脅迫。在我國華北平原主要的種植模式是冬小麥-夏玉米輪作,夏玉米早收成為常態(tài),早收的玉米含水量較高甚至灌漿未結(jié)束,不利于機械化收獲甚至造成產(chǎn)量損失,而灌漿后期的水分脅迫可能在不影響產(chǎn)量的情況下有利于加速玉米成熟。

大量研究表明,干旱脅迫加速葉片衰老,一方面衰老葉片光合能力的下降會影響碳的固定,減少籽粒中碳水化合物的供應,影響同化物的積累;另一方面衰老葉片中蛋白質(zhì)降解的增加促進葉片中氮的循環(huán)再利用,有利于提高籽粒中蛋白質(zhì)含量。葉片衰老過程中碳、氮代謝的差異帶來了作物產(chǎn)量與質(zhì)量提升之間的矛盾[[41-43]。本研究結(jié)果表明,灌漿不同階段的干旱脅迫降低胚乳淀粉含量,提高蛋白質(zhì)含量,但不同階段干旱效應有差異,LD的干重和淀粉含量下降最少,蛋白質(zhì)含量增加最高(圖5)。說明灌漿后期干旱可能在保證粒重形成的前提下,加速后期葉片衰老利于N的再轉(zhuǎn)移,提高籽粒中蛋白質(zhì)含量。這可能為籽粒產(chǎn)量和質(zhì)量性狀的同步提高提供支撐,有待進一步研究。

4 結(jié) 論

灌漿期不同階段干旱脅迫影響胚乳灌漿過程,其中ED(灌漿早期干旱)可同時降低最大灌漿速率和縮短灌漿持續(xù)期,而MD(灌漿中期干旱)可主要降低最大灌漿速率,LD(灌漿后期干旱)可輕微縮短灌漿持續(xù)期。雖然干旱發(fā)生越早,對胚乳干重及粒重抑制越嚴重,但在物質(zhì)含量上,LD處理對胚乳的影響最大,強、弱勢位胚乳蛋白質(zhì)含量分別比對照升高14.7%和38.0%。此外,干旱對弱勢位胚乳干物質(zhì)積累的影響大于強勢位。