不同熟期夏玉米品種籽粒灌漿脫水特性和激素含量變化

萬(wàn)澤花 任佰朝 趙 斌 劉 鵬 張吉旺

作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山東泰安 271018

目前,玉米收獲時(shí)籽粒含水率高是限制我國(guó)機(jī)械化粒收進(jìn)程的主要因素之一,早熟、后期籽粒脫水快是現(xiàn)代玉米品種選育的發(fā)展方向[1-7],而縮短品種生育期往往會(huì)伴隨著產(chǎn)量的降低[8]。在玉米成熟過(guò)程中,籽粒灌漿特性與脫水特性直接決定收獲時(shí)的產(chǎn)量和含水率。黃淮海區(qū)主要為冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式,為不影響下茬小麥播種,玉米收獲時(shí)間偏早,選育籽粒灌漿速率、脫水速率均較高的品種可以緩解這一矛盾[9]。植物激素作為信號(hào)傳遞物質(zhì),對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有重要調(diào)控作用[10]。前人研究表明,生長(zhǎng)素(IAA)、細(xì)胞分裂素(CTK)和赤霉素(GA3)會(huì)影響葉片中光合產(chǎn)物向籽粒的運(yùn)輸,同時(shí)也會(huì)影響籽粒灌漿速率[11-14],而脫落酸(ABA)對(duì)籽粒生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用,并可能與籽粒脫水過(guò)程有關(guān),但當(dāng)ABA 含量超過(guò)某一值時(shí)則表現(xiàn)出抑制作用,還與IAA、GA3和CTK 的一些生理效應(yīng)相拮抗[15-17]。目前,對(duì)玉米發(fā)育過(guò)程中內(nèi)源激素調(diào)控的研究多集中在籽粒灌漿過(guò)程,而較少關(guān)于籽粒脫水過(guò)程[18],關(guān)于黃淮海地區(qū)玉米品種的內(nèi)源激素調(diào)控研究也鮮見(jiàn)報(bào)道。因此,本論文重點(diǎn)研究不同熟期夏玉米品種籽粒灌漿與脫水特性及其發(fā)育成熟過(guò)程中IAA、GA3、玉米素核苷(ZR)和ABA 含量的動(dòng)態(tài)變化,探究籽粒灌漿速率和脫水速率與各激素及其比值的相關(guān)性,以期為黃淮海夏玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)和品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米科技創(chuàng)新園(36.09°N,117.09°E),為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,2016—2017年夏玉米生長(zhǎng)期內(nèi)(6月10日至 10月1日)有效積溫分別為 1826.5°C 和1860.5°C,降雨量分別為442.2 mm 和386.7 mm,土壤類型為棕壤土,播種前0～20 cm 土壤含有機(jī)質(zhì)12.2 g kg-1、全氮1.1 g kg-1、堿解氮60.6 mg kg-1、速效磷41.7 mg kg-1和速效鉀68.1 mg kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用早熟玉米品種登海518(DH518)、衡早8 號(hào)(HZ8)和晚熟玉米品種鄭單958(ZD958)、登海605(DH605)為試驗(yàn)材料,2 個(gè)早熟品種生育期為105 d 左右,2 個(gè)晚熟品種生育期為115 d 左右。種植密度為75,000 株 hm-2,小區(qū)面積為長(zhǎng)9 m×寬6 m,重復(fù)3 次,隨機(jī)排列。播種前精細(xì)整地,造墑。2016年6月11日和2017年6月10日播種,等行距種植,行距60 cm,肥料用量為N 210 kg hm-2、P2O552.5 kg hm-2和K2O 67.5 kg hm-2,氮肥為尿素(含氮 46%),磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O517%),鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。氮肥分別于播種時(shí)施入40%,小喇叭口期施入60%,磷鉀肥全部基施,按高產(chǎn)田水平進(jìn)行田間管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生育進(jìn)程調(diào)查 播種后及時(shí)觀察并記錄各處理吐絲期(R1)和生理成熟期(R6)的時(shí)間,并計(jì)算生育期。生理成熟期以果穗中下部籽粒黑層出現(xiàn),乳線消失日期為準(zhǔn)。

1.3.2 籽粒灌漿特性 吐絲期選長(zhǎng)勢(shì)一致的植株,將同一天授粉的果穗掛牌,標(biāo)記日期。自授粉后10 d 開(kāi)始,取每處理3 個(gè)標(biāo)記果穗,2016年每6 d 或7 d 取樣一次,而2017年每5 d 取一次,直至籽粒生理成熟,并在生理成熟期當(dāng)天取樣一次。取每果穗中部籽粒100 粒,迅速測(cè)定其鮮重,105℃殺青30 min 后,80℃烘至恒重,稱重。籽粒灌漿速率(g d-1100 粒-1)=(后一次取樣籽粒干重-前一次取樣籽粒干重)/2 次取樣相隔天數(shù)。

1.3.3 籽粒脫水特性 每次取樣后立即脫粒,計(jì)算籽粒含水率。籽粒含水率(%)=(鮮重-干重)/鮮重×100。籽粒脫水速率(% d-1)=(前一次取樣含水率-后一次取樣含水率)/2 次取樣相隔天數(shù)。并計(jì)算每次取樣果穗中部100粒籽粒的絕對(duì)含水量,籽粒絕對(duì)含水量(g 100 粒-1)=(100 粒鮮重-100 粒干重)。

1.3.4 籽粒內(nèi)源激素含量 2017年,在吐絲后10 d、20 d、30 d、40 d、50 d 取果穗中部發(fā)育正常的籽粒,液氮速凍后置-40℃冰箱中保存。用酶聯(lián)免疫法測(cè)定IAA、ZR、GA3和ABA 的含量,酶聯(lián)免疫試劑盒由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)提供,使用Bio-TEK Elx-800 全自動(dòng)酶標(biāo)儀測(cè)定激素含量。

樣品前處理：(1)先用液氮將玉米籽粒磨成粉末狀,再稱取0.2～1.0 g 籽粒粉末狀鮮樣,加2 mL 樣品提取液[80%甲醇,內(nèi)含1 mmol L-1BHT(二叔丁基對(duì)甲苯酚,為抗氧化劑,先用甲醇溶解BHT,再配成80%的濃度)],在冰浴下研磨成勻漿,轉(zhuǎn)入10 mL 試管,再用2 mL 提取液分次將研缽沖洗干凈,一并轉(zhuǎn)入試管中,搖勻后放置在4℃冰箱中。(2)4℃下提取4 h,10,000 ×g離心8 min,取上清液。沉淀中加1 mL 提取液,攪勻,置4℃下再提取1 h,離心,合并上清液并記錄體積,棄去殘?jiān)?3)上清液過(guò)C-18 固相萃取柱。具體步驟是,80%甲醇(1 mL)平衡柱→上樣→收集樣品→移開(kāi)樣品后用100%甲醇(5 mL)洗柱→100%乙醚(5 mL)洗柱→100%甲醇(5 mL)洗柱→循環(huán)。(4)將過(guò)柱后的樣品轉(zhuǎn)入10 mL 塑料離心管,真空濃縮干燥或用氮?dú)獯蹈?除去提取液中的甲醇,用樣品稀釋液[500 mL PBS中加0.5 mL Tween-20,0.5 g 明膠(稍加熱溶解)]定容。

1.3.5 測(cè)產(chǎn)與考種 每處理隨機(jī)重復(fù)3次,取每重復(fù)30個(gè)果穗,自然風(fēng)干,用于室內(nèi)考種。產(chǎn)量(kg hm-2)= 收獲穗數(shù)(ears hm-2)×穗粒數(shù)×千粒重(g)/106×(1-含水率%)/(1-14%)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,SPSS 17.0(LSD,Duncan's)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,SigmaPlot 10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量與生育期

不同熟期夏玉米品種的生育進(jìn)程不同。以2017年為例,ZD958 較DH518、HZ8 的生育期分別長(zhǎng)9 d、10 d,DH605 較DH518、HZ8 分別長(zhǎng)10 d、11 d。ZD958 和DH605吐絲后天數(shù)較DH518、HZ8 均分別長(zhǎng)4 d、5 d(表1)。不同玉米品種隨生育期的延長(zhǎng),產(chǎn)量增加。ZD958 的產(chǎn)量較HZ8、DH518、DH605 高20.7%、9.7%和9.3%(圖1)。而在2016年,DH605 產(chǎn)量最高,ZD958 的產(chǎn)量高于DH518,但差異不顯著。2年試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.2 籽粒灌漿特性

不同熟期夏玉米品種籽粒形成過(guò)程中干重和鮮重的變化趨勢(shì)一致。籽粒干重在灌漿前期緩慢增加,灌漿中期直線增加,灌漿后期有所不同。以2017年為例,DH518、HZ8 的籽粒干重在吐絲后 50 d 之后基本趨于穩(wěn)定,

圖1 不同熟期夏玉米品種的產(chǎn)量 Fig.1 Yield of summer maize hybrids differing in maturities

表1 不同熟期夏玉米品種的生育進(jìn)程 Table1 Growth process of summer maize hybrids differing in maturities

ZD958、DH605 的在吐絲后50 d 之后籽粒干物質(zhì)積累量繼續(xù)增加,ZD958 的生理成熟期百粒干重較DH518、HZ8 的分別高13.0%、19.8%,DH605 較DH518、HZ8 分別高19.0%、31.0%(圖2)。不同品種的籽粒鮮重在灌漿前中期均迅速增加,灌漿后期基本趨于穩(wěn)定。ZD958 的生理成熟期百粒鮮重較DH518、HZ8 分別高14.3%、24.1%,DH605 較DH518、HZ8 分別高20.3%、30.7%(圖3)。

2.3 籽粒脫水特性

不同品種的籽粒含水率從吐絲后10 d 到生理成熟均一直下降,早熟品種DH518、HZ8 生理成熟時(shí)的籽粒含水率未必低于晚熟品種ZD958、DH605。以2017年為例,DH518、HZ8、ZD958、DH605 生理成熟時(shí)的含水率分別為28.3%、26.6%、27.7%、26.4%(圖4)。不同品種的籽粒絕對(duì)含水量均為先增加后降低。晚熟品種較早熟品種達(dá)到最大籽粒含水量的時(shí)間晚,籽粒最大含水量值大。以2017年為例,DH518、HZ8 的籽粒絕對(duì)含水量在吐絲后25 d 達(dá)到最大值,ZD958、DH605 的在吐絲后30 d 達(dá)到最大值,ZD958、DH605 的籽粒在發(fā)育過(guò)程中的絕對(duì)含水量較DH518、HZ8 的高,在籽粒絕對(duì)含水量達(dá)到最大時(shí),ZD958較DH518、HZ8 分別高8.3%、12.2%,DH605 較DH518、HZ8 分別高12.0%、16.0%(圖5)。

2.4 籽粒形成過(guò)程中灌漿速率與脫水速率的變化

2.4.1 籽粒灌漿速率 不同熟期夏玉米品種灌漿速率變化不同。以2017年為例,不同品種的籽粒灌漿速率均先升高后降低,20～30 d 時(shí)灌漿速率達(dá)到最大,之后逐漸降低。吐絲后30 d 內(nèi),ZD958、DH605 灌漿速率高于DH518、HZ8,在30～40 d 時(shí),DH518 的灌漿速率最大,ZD958 最小,HZ8、DH605 相差不大,在30～50 d,DH518、HZ8 迅速下降,而ZD958、DH605 下降幅度低于DH518、HZ8(圖6)。

2.4.2 籽粒脫水速率 不同熟期夏玉米品種的籽粒脫水速率變化不同。以2017年為例,不同品種的籽粒脫水速率均先快后慢,直至趨于平穩(wěn),在吐絲后20～30 d,ZD958、DH605 的脫水速率顯著低于DH518、HZ8,DH518 和HZ8的脫水速率均值較ZD958、DH605 高0.39 % d-1(圖6)。

圖2 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過(guò)程中百粒鮮重的變化 Fig.2 Hundred-kernel fresh weight changes of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

圖3 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過(guò)程中百粒干重的變化 Fig.3 Hundred-kernel dry weight changes of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

圖4 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過(guò)程中含水率的變化 Fig.4 Change of grains moisture content of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

圖5 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過(guò)程中百粒絕對(duì)含水量的變化 Fig.5 Change of hundred-kernel absolute water content of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage

圖6 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過(guò)程中籽粒灌漿速率與脫水速率的變化(2017)Fig.6 Changes of kernel filling and dehydration rate of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage(2017)

2.5 籽粒激素含量

不同品種籽粒成熟過(guò)程中4 種內(nèi)源激素含量變化趨勢(shì)一致(圖7)。IAA 含量先升高后下降,在吐絲后20 d 達(dá)到最大,隨后逐漸降低。DH518、HZ8 的IAA 含量在吐絲后10～20 d 含量較高,之后DH518 的IAA 最高,HZ8 的最低,ZD958、DH605 維持在中間水平。GA3含量先升高后下降,在30 d 達(dá)到最大值,后開(kāi)始下降。DH518、HZ8 的GA3含量一直處于中間水平；吐絲后30 d,DH605 高于其他品種；ZD958 前期較低,吐絲后50 d 最高。ZR 含量先增加后降低,與IAA 變化趨勢(shì)相近,DH518、ZD958 在吐絲后10～40 d 含量較高,吐絲后50 d 含量較低,HZ8、DH605 在吐絲后50 d 含量較高。ABA 含量在籽粒形成過(guò)程中一直升高。HZ8、DH518 的ABA 含量從吐絲后20 d總體上一直高于ZD958、DH605。

2.6 籽粒灌漿速率、脫水速率與激素含量及其比值的相關(guān)性分析

在籽粒形成過(guò)程中,不同品種籽粒灌漿速率與激素有關(guān),2 個(gè)早熟品種籽粒灌漿速率均值與其IAA 含量均值呈顯著正相關(guān)。不同品種籽粒脫水速率與激素有關(guān),其中2 個(gè)早熟品種籽粒脫水速率均值與其ZR 含量均值呈極顯著正相關(guān)(表2)。

3 討論

3.1 不同熟期夏玉米品種的籽粒灌漿與脫水特性

籽粒灌漿特性是影響玉米產(chǎn)量的重要因素之一,延長(zhǎng)有效灌漿時(shí)間和增大灌漿速率能夠提高玉米產(chǎn)量[19]。前人研究表明,不同熟期玉米品種籽粒灌漿特性不同,早熟品種較晚熟品種灌漿啟動(dòng)快,灌漿速率大,灌漿高峰期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),但在正常條件下兩種熟期的品種均能獲得高產(chǎn)[20-22]。本研究表明,與晚熟品種相比,早熟品種灌漿期短,最大灌漿速率小,生育后期灌漿速率下降快,生理成熟期百粒重低,產(chǎn)量低。另外,2 個(gè)早熟品種的產(chǎn)量存在顯著差異,在生產(chǎn)上可選育一些產(chǎn)量高的早熟玉米品種。玉米籽粒脫水速率直接影響玉米籽粒生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的含水量。Dwyer 等[23]研究表明,生育期對(duì)玉米收獲時(shí)籽粒含水率影響最大,晚熟玉米品種收獲時(shí)籽粒含水率較早熟品種高。Gamb?n 等[24]認(rèn)為灌漿期長(zhǎng)短不同的玉米品種籽粒開(kāi)始脫水的時(shí)間相同,籽粒后期灌漿速率的增大有助于脫水速率的提高,二者呈顯著正相關(guān)。本研究表明,早熟品種總體上較晚熟品種脫水速率高,且這種差異主 要體現(xiàn)在籽粒開(kāi)始脫水后,早熟玉米品種比晚熟玉米品種開(kāi)始脫水的時(shí)間早,這與Gamb?n 等[24]研究結(jié)果不一致。此外,籽粒灌漿速率與脫水速率相關(guān)性較弱(圖4),這與李璐璐等[25]研究結(jié)果一致。

圖7 不同熟期夏玉米籽粒形成過(guò)程中激素含量變化(2017)Fig.7 Hormones content changes in kernel of summer maize hybrids differing in maturities after silking stage(2017)

表2 不同熟期夏玉米品種籽粒灌漿速率、脫水速率與各激素含量及其比值的相關(guān)分析(2017)Table2 Correlation analysis on grain filling rate,dehydration rate and hormones ratio of summer maize hybrids differing in maturities(2017)

3.2 不同熟期夏玉米品種籽粒形成過(guò)程中內(nèi)源激素含量及其變化

玉米籽粒的生長(zhǎng)發(fā)育受多種植物激素的調(diào)控。前人研究表明[26-28],在籽粒灌漿前期,IAA、ZR、GA3能夠提高籽粒灌漿速率、增加粒重和谷粒充實(shí)度。ZR 和IAA 可能通過(guò)調(diào)控胚乳細(xì)胞分裂和增加庫(kù)強(qiáng)對(duì)籽粒灌漿與粒重起調(diào)節(jié)作用,IAA 也可能是通過(guò)調(diào)節(jié)蔗糖轉(zhuǎn)化酶、ADPG-焦磷酸化酶、淀粉合成酶的活性來(lái)影響淀粉合成。前人對(duì)水稻、小麥等的研究表明[29-30,16],ABA 變化與籽粒增重在灌漿前期有相同趨勢(shì),但在灌漿后期,高濃度的ABA 有抑制物質(zhì)運(yùn)輸、加速植株衰老的效應(yīng)。本研究表明,不同熟期玉米品種籽粒IAA、ZR、GA3和ABA 含量變化趨勢(shì)大體一致。早熟品種DH518、HZ8 較晚熟品種ZD958、DH605灌漿前期籽粒IAA 水平高,在灌漿后期,晚熟品種籽粒IAA 的含量下降緩慢,但早熟品種DH518、HZ8 在灌漿前期的灌漿速率并不高于晚熟品種ZD958、DH605,可能是不同熟期玉米品種受IAA 調(diào)控的閾值不一樣或是受其他多種因素的影響。早熟品種DH518、HZ8 籽粒ABA 含量從吐絲后20 d 總體上高于ZD958、DH605,這與早熟品種與晚熟品種脫水速率出現(xiàn)最大差異的時(shí)間大體一致,說(shuō)明籽粒ABA 的積累可能與調(diào)控籽粒開(kāi)始脫水密切相關(guān)。DH518、HZ8 熟期相近,但產(chǎn)量差異顯著,這與內(nèi)源激素含量及其變化密切相關(guān)。DH518 籽粒在發(fā)育進(jìn)程中IAA、ZR、GA3含量總體上較HZ8 高,說(shuō)明在黃淮海地區(qū)選育脫水速率、灌漿速率均高的早熟高產(chǎn)品種還存在可能性。不同熟期玉米品種的籽粒灌漿速率和脫水速率與IAA、ZR、GA3含量均呈正相關(guān),與ABA 含量呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明玉米籽粒干物質(zhì)積累與籽粒含水率的下降存在一定關(guān)系。ABA 含量與籽粒灌漿速率呈負(fù)相關(guān),可能是灌漿中后期籽粒ABA 的積累抑制了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒中運(yùn)輸[29-30,16]。玉米籽粒脫水速率和籽粒含水率從授粉到籽粒成熟均呈降低的趨勢(shì),ABA 含量呈上升趨勢(shì),可能是ABA 的積累有助于種子成熟過(guò)程中胚胎耐干燥性的增強(qiáng),利于籽粒脫水,促進(jìn)籽粒提早成熟[17]。早熟品種DH518、HZ8 的籽粒脫水速率與ZR 含量呈顯著正相關(guān),其作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。