不同耐熱型春玉米品種對(duì)高溫的光譜特征響應(yīng)

陶志強(qiáng)，陳源泉，鄒娟秀, 4，李 超，袁淑芬，閆 鵬，師江濤，隋 鵬*

1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 北京 100193 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站, 河北 滄州 061800 3. 北京泰華蘆村種植專業(yè)合作社，北京 102433

不同耐熱型春玉米品種對(duì)高溫的光譜特征響應(yīng)

陶志強(qiáng)1, 2，陳源泉1，鄒娟秀1, 4，李 超3，袁淑芬1，閆 鵬1，師江濤3，隋 鵬1*

1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 北京 100193 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站, 河北 滄州 061800 3. 北京泰華蘆村種植專業(yè)合作社，北京 102433

運(yùn)用兩種光譜儀(SPAD-502葉綠素儀與Sunscan植物冠層分析儀)分析了華北平原不同耐熱型春玉米品種的光合性能對(duì)灌漿期高溫的光譜學(xué)特征響應(yīng)。田間試驗(yàn)于2011年—2012年在河北省吳橋縣進(jìn)行。品種選用天玉198、興玉998與天潤(rùn)606，設(shè)置2個(gè)播種期(4月15日與4月25日)，于灌漿期測(cè)定3個(gè)光譜特征值，即葉綠素相對(duì)含量(SPAD)、葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)與光合有效輻射(photosynthetically active radiation, PAR)。結(jié)果表明，播種期4月15日與4月25日相比，春玉米灌漿期≥33 ℃日最高氣溫的天數(shù)與日均溫分別增加了3.5 d和0.8 ℃，而日照時(shí)數(shù)、降雨量、氣溫日較差及生育期長(zhǎng)短均相似； 天玉198與興玉998、天潤(rùn)606相比，耐熱指數(shù)(stress tolerance indices, STI)分別高2.9%，11.0%； 根據(jù)STI由大到小的順序，將天玉198、興玉998與天潤(rùn)606分別定為耐熱型、較耐熱型與不耐熱型品種； 播種期4月15日，天玉198比興玉998、天潤(rùn)606的產(chǎn)量分別高4.1%，13.7%，SPAD分別高12.5%，19.6%，LAI分別高5.3%，5.6%，PAR分別高4.0%，14.0%； 播種期4月25日，產(chǎn)量分別高1.3%，2.8%； SPAD分別高3.5%，6.0%，LAI分別高1.7%，4.1%，PAR分別高-4.4%，0.9%； 三個(gè)品種在高溫脅迫環(huán)境下產(chǎn)量差異顯著，耐熱型品種具有顯著的產(chǎn)量、SPAD與LAI優(yōu)勢(shì)(p<0.05)。播種期4月15日相對(duì)于4月25日，天玉198、興玉998、天潤(rùn)606的產(chǎn)量分別降低了3.2%，5.9%，12.6%； SPAD分別降低了8.6%，12.4%，15.7%； LAI分別降低了11.7%，17.6%，19.8%； PAR分別降低了3.4%，11.3%，14.5%； STI與SPAD的降幅(r=-0.883，p<0.05)、LAI的降幅(r=-0.853，p<0.05)均呈顯著負(fù)相關(guān)，與PAR的降幅(r=-0.923，p<0.01)呈極顯著負(fù)相關(guān)； SPAD的降幅與PAR的降幅(r=0.872，p<0.05)呈顯著正相關(guān)； LAI的降幅與PAR的降幅(r=0.943，p<0.05)呈極顯著正相關(guān)。綜上所述，耐熱型春玉米品種在灌漿期受高溫脅迫時(shí)，能夠在個(gè)體層面保持相對(duì)較高的葉綠素含量，在群體層面保持相對(duì)較高的葉面積，進(jìn)而保持了較高的光能截獲與利用，削弱了高溫對(duì)光合的抑制程度，縮小了產(chǎn)量降幅，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)； 品種的耐熱性可以通過(guò)其光譜特征(SPAD，LAI和PAR)對(duì)高溫的響應(yīng)作為鑒定與評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)之一，為利用光譜特征研究玉米耐熱性提供了依據(jù)。

光譜學(xué)； 華北； 春玉米； 灌漿期； 耐熱性； 冠層； 光合

引 言

玉米是我國(guó)的第一大糧食作物，對(duì)保障糧食安全具有重要作用?！度珖?guó)糧食新增500億公斤生產(chǎn)能力規(guī)劃(2009—2020)》指出，我國(guó)糧食需求將繼續(xù)呈剛性增長(zhǎng)，到2020年全國(guó)糧食生產(chǎn)能力需要達(dá)到5 500億kg以上才能滿足基本自給，玉米承擔(dān)53.1%的份額。在玉米種植面積難以擴(kuò)展的前提下，提高其單位面積產(chǎn)量，對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要意義。華北平原是我國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)之一，2010年生產(chǎn)的谷物產(chǎn)量占全國(guó)的37.2%。該地區(qū)又是水資源緊缺地區(qū)，糧食生產(chǎn)的主要種植制度是冬小麥—夏玉米一年兩熟制，由于冬小麥消耗70%以上的地下水資源[1]，導(dǎo)致該地區(qū)的糧食生產(chǎn)用水供需矛盾突出。因此，亟需探索新型的種植制度緩解這一矛盾。已有研究結(jié)果表明，華北平原春玉米的生長(zhǎng)期與降水的時(shí)間分布和空間分布高度耦合，且光溫水(降水+灌溉)生產(chǎn)潛力優(yōu)于夏玉米[2]，在北京西北郊春玉米比夏玉米平均增產(chǎn)1 600 kg hm-2[3]，在河北省吳橋縣，春玉米一熟能達(dá)到冬小麥—夏玉米一年兩熟產(chǎn)量的76.7%，灌溉水生產(chǎn)效率提高53.5%[4]?？梢?jiàn)，如果用春玉米一熟制替代部分面積的冬小麥—夏玉米一年兩熟制，即可以解決華北地區(qū)緊迫的農(nóng)業(yè)用水問(wèn)題又可以保障對(duì)糧食需求的供給能力。

目前，春玉米灌漿期易受高溫脅迫限制生產(chǎn)力是一熟制推廣應(yīng)用的主要障礙。根據(jù)在河北滄州進(jìn)行的研究和生產(chǎn)資料記載，目前春玉米的最高產(chǎn)量是12 800 kg·hm-2，但是能夠穩(wěn)定獲得的產(chǎn)量?jī)H為8 534～9 951 kg·hm-2[3]。造成現(xiàn)實(shí)產(chǎn)量與理論產(chǎn)量差的主要原因是灌漿期遭受高溫脅迫。在山東與河北地區(qū)的春玉米研究結(jié)果表明，籽粒灌漿期適宜的日均溫是24～26 ℃，灌漿期日均溫≥26 ℃與日最高溫≥33 ℃的持續(xù)高溫縮短了籽粒灌漿的線性增長(zhǎng)期并降低了灌漿速率，降低了粒重和產(chǎn)量[5-6]。而灌漿受高溫限制主要與光合作用受抑制導(dǎo)致光合產(chǎn)物向籽粒供應(yīng)不足密切相關(guān)[4, 7]。

作物產(chǎn)量直接來(lái)源于綠葉的光合作用，而光合作用與其他脅迫癥狀相比，對(duì)高溫最敏感，最容易受到抑制[8]。不同的玉米品種其光合作用的耐熱性也存在顯著差異[9]。據(jù)報(bào)道，玉米的凈光合速率受35 ℃以上的高溫脅迫顯著降低了50%～60%[10]。玉米光合作用的降低與葉綠素下降密切相關(guān)[10-11]。除此之外，不同的品種在其生育后期的群體光合特性也表現(xiàn)出顯著差異，例如冠層光截獲量和光合有效輻射(photosynthetically active radiation, PAR)[12-13]。目前，關(guān)于玉米耐熱性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)大多是通過(guò)計(jì)算產(chǎn)量獲取耐熱指數(shù)(stress tolerance indices, STI)[14]或SOD活性、細(xì)胞膜熱穩(wěn)定性[9, 15]作為評(píng)價(jià)依據(jù)。而將葉綠素含量和PAR作為不同玉米品種耐熱性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)鮮見(jiàn)報(bào)道，特別是運(yùn)用光譜儀來(lái)表征玉米在高溫脅迫條件下葉綠素含量與PAR的光譜學(xué)特征未見(jiàn)報(bào)道。

手持SPAD-502便攜式葉綠素儀是測(cè)定作物葉片葉綠素含量的主要工具之一，在玉米[16]、小麥[17]和水稻[18]等作物上得到了廣泛應(yīng)用。其原理是測(cè)量葉片對(duì)紅色區(qū)域和近紅外區(qū)域的2個(gè)光譜波段的吸收率，用數(shù)字評(píng)估當(dāng)前葉片中的葉綠素相對(duì)含量(SPAD)，實(shí)現(xiàn)在田間應(yīng)用光譜技術(shù)無(wú)損檢測(cè)植物葉片葉綠素含量的目的。Sunscan植物冠層分析儀是以一支1米長(zhǎng)，內(nèi)嵌64個(gè)光合有效輻射傳感器的探測(cè)器，通過(guò)感應(yīng)波長(zhǎng)為400～700 nm光譜波段的光，計(jì)算葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)與PAR。目前已經(jīng)在玉米[19]、小麥[20]和水稻[21]等作物上得到了廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前，篩選灌漿期耐熱性強(qiáng)的品種是提升華北平原春玉米生產(chǎn)力的有效途徑之一。而目前關(guān)于這部分的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以此為切入點(diǎn)，擬采用兩種光譜儀(即SPAD-502葉綠素儀與Sunscan植物冠層分析儀)對(duì)不同耐熱性春玉米品種進(jìn)行灌漿期光譜特征分析(SPAD、LAI與PAR)，探討光譜技術(shù)對(duì)品種耐熱性進(jìn)行無(wú)損傷檢測(cè)與評(píng)價(jià)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與材料

實(shí)驗(yàn)于2011年和2012年在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站進(jìn)行(37°41′02″N, 116°37′23″E)，該區(qū)屬華北平原黑龍港流域中部。試驗(yàn)地土壤是粉壤土[4]，0～20 cm土層的基礎(chǔ)養(yǎng)分情況為： 有機(jī)質(zhì)14.5 g·kg-1、全氮0.98 g·kg-1、堿解氮65.2 mg·kg-1、速效鉀124.9 mg·kg-1、有效磷(Olsen-P) 15.3 mg·kg-1。近10年的年均降雨量和年均氣溫分別是544 mm和13.1 ℃。

選用三個(gè)春玉米品種，天玉198(Tianyu 198, TY198)、興玉998 (Xingyu 998, XY998)、天潤(rùn)606 (Tianrun 606, TR606)。這3個(gè)品種的選擇依據(jù)是，本課題組于2011年在吳橋?qū)嶒?yàn)站進(jìn)行了56個(gè)品種與鄭單958的區(qū)試比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，這3個(gè)品種均屬于稀植高產(chǎn)品種，但是2012年的試驗(yàn)結(jié)果表明，這3個(gè)品種的產(chǎn)量降幅差異顯著，因此選定他們作為產(chǎn)量與本地區(qū)氣象生態(tài)因子分析的代表性品種，探討產(chǎn)量差異是否是因?yàn)槠贩N對(duì)主要?dú)庀笊鷳B(tài)因子反應(yīng)的敏感性不同而造成的。設(shè)置兩個(gè)播種期4月15日與4月25日。種植方式均采用寬窄行(80 cm+40 cm)種植，種植密度均為45 000 株·hm-2，小區(qū)面積20 m2； 施肥制度均為總施氮量300 kg·hm-2，分別于播前、拔節(jié)和大喇叭口期耬施，比例為2∶1∶2，播前一次性施入磷(P2O5)90 kg·hm-2，鉀(K2O)45 kg·hm-2，磷肥和鉀肥分別采用磷二銨和硫酸鉀。全田于播前和拔節(jié)后一周分別灌水75 mm，旋耕后播種，旋耕土層深15 cm。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

根據(jù)Fernandez的方法[22]計(jì)算耐熱指數(shù)(stress tolerance indices，STI)，見(jiàn)式(1)。

(1)

使用SPAD-502便攜式葉綠素儀(Soil-plant Analysis Development Section, Minolta Camera Co., Osaka, Japan)測(cè)定葉綠素相對(duì)含量值(SPAD)。分別于開(kāi)花后10，20，30，40和50 d上午9:00—12:00在每小區(qū)選取五株生長(zhǎng)一致的穗位葉中部進(jìn)行測(cè)定。

使用Sunscan植物冠層分析儀(SUNSCAN Canopy Analysis System，Delta，英國(guó))垂直于玉米行方向于植株基部測(cè)定LAI和PAR(μmol·m-2·s-1)。分別于開(kāi)花后10，20，30，40和50 d上午9:00—12:00在每小區(qū)垂直于種植行的植株基部進(jìn)行測(cè)定。

氣象數(shù)據(jù)從吳橋?qū)嶒?yàn)站的HL10型電子氣象站(中國(guó)臺(tái)灣Jauntering公司)獲得，包括各處理灌漿期的日溫均溫、≥33 ℃天數(shù)、氣溫日較差、降雨量、日照時(shí)數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007進(jìn)行初步整理與圖表分析，用SPSS 13.0(SPSS Inc., Chicago, IL)進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，各組均數(shù)的多重比較(Post Hoc Multiple Comparisons)選擇Duncan’s multiple range tests(p<0.05)； 相關(guān)分析的過(guò)程是“Analyze Correlate Bivariate”，選擇Pearson相關(guān)和雙尾檢驗(yàn)“Two-tailed”。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩個(gè)播種期的氣象生態(tài)因子分析

播種期4月15日與4月25日相比，春玉米灌漿期≥33 ℃日最高氣溫的天數(shù)與日均溫分別增加3.5 d和0.8 ℃，氣溫日較差增加0.1 ℃，降雨量增加21.9 mm，日照時(shí)數(shù)增加25.5 h，生育期長(zhǎng)縮短0.5 d(見(jiàn)表1)?？梢?jiàn)，兩個(gè)播種期相比較，生育期長(zhǎng)短相近，氣溫日較差、降雨量與日照時(shí)數(shù)差異不大，但是4月15日受高溫脅迫較嚴(yán)重。

2.2 不同耐熱型品種的產(chǎn)量對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)

對(duì)2011—2012年三個(gè)玉米品種的產(chǎn)量與灌漿期的氣象生態(tài)因子作通徑分析，找出對(duì)產(chǎn)量影響的直接氣象生態(tài)因子，結(jié)果表明，≥33 ℃天數(shù)對(duì)產(chǎn)量起直接負(fù)效應(yīng)，通徑系數(shù)為-0.777(Sig.=0.003)。說(shuō)明，玉米灌漿期高溫對(duì)產(chǎn)量起直接負(fù)效應(yīng)，產(chǎn)量降低的主要原因是灌漿期高溫脅迫。2011年—2012年的播種期4月15日與4月25日相比，高溫脅迫較嚴(yán)重(表1)，三個(gè)品種兩年的STI平均值相比，TY198分別比XY998與TR606顯著高2.9%與11.0%； 根據(jù)STI由大到小的順序，將TY198，XY998與TR606分別定為耐熱型、較耐熱型與不耐熱型品種。TY198與XY998，TR606相比，播種期4月15日，產(chǎn)量分別高4.1%，13.7%； 播種期4月25日，產(chǎn)量分別高1.3%和2.8%。播種期4月15日與4月25日相比，TY198，XY998，TR606兩年的平均產(chǎn)量分別顯著降低了3.2%，5.9%，12.6%。2012年與2011年相比，高溫脅迫較嚴(yán)重(表1)，TY198，XY998和TR606在兩個(gè)播種期的平均產(chǎn)量分別顯著降低了3.8%，6.3%和13.2%，見(jiàn)表2。

Table 1 Meteorological factors changes at different sowing time from flowering to maturity of spring maize

Note: DAP indicates days after pollination, 33D indicates ≥33 ℃ days, MD indicates mean day temperature, DT indicates diurnal temperature, R indicates rainfall, SH indicates sunshine hours

Table 2 Yield and stress tolerance indices of different spring maize varieties

Note： Within columns, small letters mean significant difference at 0.05 level

可見(jiàn)，灌漿期高溫脅迫越嚴(yán)重，產(chǎn)量降幅越大； 品種的STI越高，產(chǎn)量越高，并且降幅越小。前人研究結(jié)果也表明，高溫脅迫條件下，耐熱基因型玉米與熱敏感基因型玉米相比，能夠收獲更高的產(chǎn)量[23-25]。本研究結(jié)果還表明，三個(gè)品種在受到高溫脅迫后，耐熱基因型TY198與較耐熱基因型XY998、不耐熱基因型TR606的產(chǎn)量相比，產(chǎn)量降幅小，相對(duì)穩(wěn)定。可見(jiàn)，高溫脅迫環(huán)境下，耐熱基因型品種的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)并不僅僅表現(xiàn)在高產(chǎn)方面，還表現(xiàn)在穩(wěn)產(chǎn)方面。

2.3 不同耐熱型品種的穗位葉SPAD值對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)

由圖1可知，TY198與XY998，TR606相比，播種期4月15日，SPAD分別高12.5%，19.6%； 播種期4月25日，SPAD分別高3.5%，6.0%。播種期4月15日與4月25日相比，TY198，XY998，TR606兩年的平均SPAD分別顯著降低了8.6%，12.4%，15.7%(p<0.05)。2012年與2011年相比，TY198，XY998，TR606在兩個(gè)播種期的平均SPAD分別顯著降低了7.2%，7.4%，8.3%(p<0.05)。可見(jiàn)，灌漿期高溫脅迫越嚴(yán)重，SPAD降幅越大； 而耐熱性越強(qiáng)的品種，SPAD降幅越小(圖1)。前人研究結(jié)果也表明，耐熱基因型玉米與熱敏感基因型玉米相比，葉綠素含量降幅較小[26]。

Fig.1 Ear leaves SPAD changes in different treatments in grain filling period

2.4 不同耐熱型品種的LAI與PAR對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)

由圖2可知，TY198與XY998，TR606相比，播種期4月15日，LAI分別高5.3%，5.6%； 播種期4月25日，LAI分別高1.7%，4.1%。播種期4月15日與4月25日相比，TY198，XY998，TR606兩年的平均LAI分別顯著降低了11.7%，17.6%，19.8%(p<0.05)。2012年與2011年相比，TY198，XY998，TR606在兩個(gè)播種期的平均LAI分別顯著降低了15.9%，17.8%，26.2%(p<0.05)(圖2)。可見(jiàn)，灌漿期高溫脅迫越嚴(yán)重，LAI降幅越大； 而耐熱性越強(qiáng)的品種，LAI降幅越小。

TY198與XY998，TR606相比，播種期4月15日，PAR分別高4.0%，14.0%； 播種期4月25日，PAR分別高-4.4%，0.9%。播種期4月15日與4月25日相比，TY198，XY998，TR606兩年的平均PAR分別顯著降低了3.4%，11.3%，14.5%(p<0.05)。2012年與2011年相比，TY198，XY998，TR606在兩個(gè)播種期的平均PAR分別顯著降低了6.0%，6.9%，19.5%(p<0.05)(圖2)?？梢?jiàn)，灌漿期高溫脅迫越嚴(yán)重，PAR降幅越大； 而耐熱性越強(qiáng)的品種，PAR降幅越小。前人研究結(jié)果表明，當(dāng)品種的種植密度還未達(dá)到群體的產(chǎn)量隨種植密度升高而下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)以前，產(chǎn)量會(huì)隨葉面積增大而升高[13]，并且較高的玉米群體葉面積也有利于增加冠層對(duì)光的截獲量，提高PAR，進(jìn)而提高生產(chǎn)力[12]，可見(jiàn)，較高的LAI有利于獲得較高的PAR，進(jìn)而收獲較高的產(chǎn)量。但是，本研究中播種期4月25日，TY198與XY998相比，PAR較低，而產(chǎn)量與LAI較高，這可能與葉片厚度有關(guān)。因?yàn)镻AR與種植密度、葉面積大小、葉片厚度、葉片衰老程度、葉傾角密切相關(guān)[27]，而本研究選用的品種均為稀植大穗型品種，種植密度一致，田間觀察葉傾角與葉片衰老情況相似，雖然沒(méi)有獲取葉片厚度的數(shù)據(jù)，但可以推測(cè)可能與他有關(guān)。

2.5 春玉米灌漿期受高溫脅迫SPAD，LAI，PAR的降幅與STI的相關(guān)性

不同春玉米品種灌漿期受高溫脅迫SPAD，LAI，PAR的降幅與STI相關(guān)性分析結(jié)果表明，STI與SPAD(r=-0.883，p<0.05)，LAI(r=-0.853，p<0.05)達(dá)顯著負(fù)相關(guān)，與PAR(r=-0.923，p<0.01)達(dá)極顯著負(fù)相關(guān)； SPAD與PAR(r=0.872，p<0.05)達(dá)顯著正相關(guān)； LAI與PAR(r=0.943，p<0.05)達(dá)顯著正相關(guān)。可見(jiàn)，不同耐熱型春玉米品種葉片的光合能力對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)差異較大，耐熱指數(shù)越高，高溫脅迫時(shí)葉面積縮小的幅度越小，群體截獲的光能越多； 個(gè)體葉片的葉綠素含量降低幅度越小，光能的吸收和利用程度越高。

3 結(jié) 論

春玉米耐熱性強(qiáng)的品種與弱的品種相比，灌漿期在個(gè)體層面能夠保持相對(duì)較高的葉綠素含量，在群體層面能夠保持相對(duì)較高的葉面積，進(jìn)而保持了較高的光能截獲與利用，降低了高溫對(duì)產(chǎn)量的抑制程度，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。

STI與SPAD，LAI均達(dá)顯著負(fù)相關(guān)，與PAR達(dá)極顯著負(fù)相關(guān)； SPAD與PAR達(dá)顯著正相關(guān)； LAI與PAR達(dá)極顯著正相關(guān)。說(shuō)明，品種的耐熱性可以通過(guò)光譜儀(SPAD-502葉綠素儀與Sunscan植物冠層分析儀)測(cè)定的光譜特征(SPAD，LAI和PAR)對(duì)高溫的響應(yīng)作為衡量品種耐熱性鑒定與評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)之一。

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TAO Zhi-qiang and CHEN Yuan-quan: joint first authors

*Corresponding author

Spectral Characteristics of Spring Maize Varieties with Different Heat Tolerance to High Temperature

TAO Zhi-qiang1, 2, CHEN Yuan-quan1, ZOU Juan-xiu1, 4, LI Chao3, YUAN Shu-fen1, YAN Peng1, SHI Jiang-tao3,SUI Peng1*

1. College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China 2. Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China 3. Wuqiao Experimental Station, China Agricultural University, Cangzhou 061800, China 4. Beijing Taihua Lu Cun Planting Professional Cooperatives, Beijing 102433, China

This paper discussed the response of spectral characteristics on high temperature at grain filling stage of different spring maize varieties by adopting two spectrometer (SPAD-502 Chlorophyll Meter and Sunscan Plant Canopy Analyzer), and analyzed the impact of high temperature on the photosynthetic properties of spring maize in North China Plain. The test was conductedfrom the year 2011 to 2012 in Wuqiao County, Hebei Province. This test chose three different varieties, i.e. Tianyu 198 (TY198), Xingyu 998 (XY998) and Tianrun 606 (TR606), then two sowing date (April 15th and April 25th) was set. We analyzed chlorophyll relative content (SPAD), leaf area index (LAI) and photosynthetically active radiation (PAR) at grain filling stage. The results showed that the days of daily maximum temperature above 33 ℃ and the mean day temperature at grain filling stage in spring maize sowing on April 15th increased 3.5 d and 0.8 ℃, respectively, compared to that sowing on April 25th, moreover the sunshine hours, rainfall, diurnal temperature and length of growing period were similar. Compared with XY998 and TR606, TY198’s stress tolerance indices (STI) increased by 2.9% and 11.0%, respectively. According to STI from high to low order, TY198, XY998 and TR606 respectively as heat resistant type, moderate heat resistant type and thermolabile type variety. TY198, compared with XY998 and TR606 sowing on April 15th, yield increased by 4.1% and 13.7%, SPAD increased by 12.5% and 19.6%, LAI increased by 5.3% and 5.6%, PAR increased by 4.0% and 14.0%. Sowing on April 15th, yield increased by 1.3% and 2.8%, SPAD increased by 3.5% and 6.0%, LAI increased by 1.7% and 4.1%, PAR increased by -4.4% and 0.9%. Three varieties had significant yield differences in the environment of high temperature stress, heat resistant type have significant (p<0.05) advantage in the aspect of yield, SPAD and LAI. The production of TY198, XY998 and TR606 sowing on April 15th compared to that sowing on April 25th decreased by 3.2%, 5.9% and 12.6%, and SPAD decreased by 8.6 %, 12.4% and 15.7%, LAI decreased by 11.7%, 17.6% and 19.8%, PAR decreased by 3.4%, 11.3% and 14.5%; STI had a significant negatively correlated with SPAD fall range (r=-0.883,p<0.05) and LAI fall range (r=-0.853,p<0.05), and highly significantly negatively correlated with PAR fall range (r=-0.923,p<0.01); while SPAD fall range and PAR fall range showed a significant positive correlation (r=0.872,p<0.05); LAI fall range and PAR fall range were significantly positive correlation (r=0.943,p<0.05). In conclusion, heat tolerant type varieties of spring maize under high temperature stress at gain filling stage could maintain a relatively high content of chlorophyll at the individual level, a relatively high leaf area at the group level, and then keep a higher luminous energy interception and utilization, and weakened inhibition magnitude of high temperature on photosynthetic capacity, reduced the yield fall range, then achieved high and stable yield. The heat tolerance in varieties could be one of the main indicators for identification and evaluation the response to high temperature by spectral characteristics (SPAD, LAI and PAR). Thus it provides a basis by using spectral characteristics to study heat tolerance on maize.

Spectroscopy; North China; Spring maize; Grain filling stage; Heat tolerance; Canopy; Photosynthesis

Aug. 8, 2014; accepted Dec. 5, 2014)

2014-08-08，

2014-12-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(3157100586)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503121-11)資助

陶志強(qiáng)，1983年生，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所博士 e-mail: tao-zhiqiang@qq.com 陳源泉，1977年生，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院博士 e-mail: rardc@163.com 陶志強(qiáng)，陳源泉： 并列第一作者 *通訊聯(lián)系人 e-mail: suipeng@cau.edu.cn

S513

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0520-07