散粉前后高溫脅迫對不同玉米雜交組合農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

張 秒，李鴻萍，齊紅志，王 群，3，張學林，3，趙亞麗，3，劉天學，3，李潮海，3

(1.河南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，河南 鄭州 450046； 2.河南省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，河南 鄭州 450002；3.省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南 鄭州 450046)

隨全球氣候變暖，極端天氣事件呈重發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢，嚴重威脅作物安全生產(chǎn)[1-3]。近些年，夏季極端高溫嚴重影響玉米的生長發(fā)育，使灌漿能力減弱[4]，導致產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣[5-7]。玉米為雌、雄異花同株，雌穗或雄穗發(fā)育異常將導致雌、雄發(fā)育不協(xié)調(diào)，影響花粉與花絲的相遇，進而影響籽粒結(jié)實[8-9]。黃淮海區(qū)域高溫易發(fā)期常出現(xiàn)在每年7月下旬—8月上旬，此時正值玉米雌、雄穗分化發(fā)育時期[10-11]。玉米高溫耐受性除受自身遺傳因素影響外，還受栽培技術(shù)、種植管理、化學調(diào)控技術(shù)等影響[12-14]。玉米苗期耐熱性鑒定不一定能完全反映穗分化發(fā)育期的耐熱特性[15]。因此，通過模擬大田實際高溫發(fā)生情況，對遺傳特性存在差異的玉米雜交組合，于散粉前10 d—散粉后10 d進行高溫處理，評價其營養(yǎng)器官和生殖器官受高溫脅迫后產(chǎn)生的變異及雜交組合之間的響應差異，將為耐熱品種的選育和鑒定提供理論依據(jù)和評價方法指導。目前，關(guān)于高溫對玉米的影響研究主要集中在單一品種受高溫脅迫的影響分析[14-16]，或多個品種在吐絲期遭受高溫脅迫后的比較分析[8,17]，但雄穗散粉前后高溫脅迫對不同玉米材料的影響研究鮮有報道，而散粉前后高溫脅迫對玉米雄穗小花發(fā)育及花粉形成造成的傷害將嚴重影響玉米籽粒產(chǎn)量的形成。為此，研究散粉前后高溫脅迫對遺傳背景存在差異的25個玉米高級鑒定雜交組合農(nóng)藝性狀(尤其是雌、雄穗的吐絲、散粉性狀)及產(chǎn)量的影響，以期解析散粉前后高溫脅迫對不同玉米雜交組合產(chǎn)生的效應，進而為耐熱玉米品種的鑒定指標和選育標準制定提供方法借鑒和理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2017年在河南省西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村試驗田(114°02′E、33°33′N)進行，該地區(qū)屬北亞熱帶向南暖溫帶的過渡地帶，氣候環(huán)境復雜。土質(zhì)為砂姜黑土，2016年小麥播前0～20 cm 土層含全氮1.2 g/kg、有效磷20.1 mg/kg、有機質(zhì)12.4 g/kg，pH值為6.5。

供試玉米雜交組合為遺傳背景存在差異的河南省品種審定試驗中的25個高級鑒定雜交組合(表1)，能夠代表近10 a的河南省主推玉米品種類型。

1.2 試驗設計

試驗設置高溫脅迫(High temperature stress，HT)處理，于玉米散粉前10 d(8月7日)—散粉后10 d(8月26日)，通過全自動智能升溫系統(tǒng)設置42 ℃溫度脅迫，處理時間為每天9:00—16:00。對照試驗(CK)為通過播期的調(diào)整，使大口期到吐絲這段時間錯過高溫易發(fā)期，全生育期無高溫脅迫。其中，高溫脅迫處理采用盆栽試驗，各雜交組合設置8盆。對照為大田試驗，每組合設置3個重復，小區(qū)為6 m長6行區(qū)，60 cm等行距種植。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀 高溫處理結(jié)束后，測定葉綠素相對含量(SPAD)、株高、穗位高、莖粗、地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量等指標。葉綠素相對含量：用便攜式葉綠素測定儀SPAD計測定穗位葉相同部位的SPAD值；株高：雄穗最高點距地面的距離；穗位高：雌穗生長莖節(jié)距地面的距離；莖粗：用自動游標卡尺測量第3莖節(jié)中部扁圓一面的直徑；地上部及根干質(zhì)量：選取3株，將根系與地上部分開，沖根后將根系置烘箱中，地上部切成段后置烘箱中，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量，并計算根冠比。

1.3.2 吐絲、散粉持續(xù)時間 吐絲持續(xù)時間為第一株吐絲到最后一株吐絲之間的天數(shù)，散粉持續(xù)時間為第一株散粉到最后一株散粉之間的天數(shù)。

1.3.3 產(chǎn)量 成熟期，取5盆用于計產(chǎn)，曬干脫粒稱質(zhì)量，按水分含量14%計算單穗粒質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計軟件SPSS 19.0進行差異顯著性檢驗、主成分分析。

耐熱系數(shù)：高溫處理性狀測定值/對照性狀測定值×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 散粉前后高溫脅迫對不同玉米雜交組合農(nóng)藝性狀的影響

由表2可知，高溫處理期間前10 d，高溫脅迫處理的平均氣溫較對照極顯著提高5.1 ℃，高溫處理期間后10 d，高溫脅迫處理的平均氣溫較對照極顯著提高4.1 ℃。高溫脅迫處理的日最高氣溫極顯著高于對照，高溫脅迫處理的日最低氣溫與對照差異不顯著。玉米花期最適氣溫為25～28 ℃，最高氣溫為30～38 ℃，溫度處理可滿足脅迫產(chǎn)生條件。需要注意的是，高溫處理期間后10 d對照的日最高氣溫為此階段某一天的最高氣溫，非該處理時間段的持續(xù)高溫。

表2 高溫脅迫處理期間溫度Tab.2 The temperature during high temperature stress ℃

由表3可知，散粉前后高溫脅迫極顯著或顯著影響葉片SPAD值、株高、地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量；不同雜交組合間株高、穗位高、莖粗、地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量差異顯著；溫度與雜交組合互作顯著或者極顯著影響SPAD值、株高、穗位高、莖粗、地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量。

由表4可知，高溫脅迫處理后，所有玉米雜交組合葉片SPAD值均降低，降低幅度為4.1%～12.9%，其中，組合8、9、13、17、20、25不顯著，2、4、7的減小幅度較大，達10%以上。高溫脅迫處理后，玉米雜交組合株高普遍高于對照，25個雜交組合中有23個株高增加，增加幅度為1.1%～35.4%，21個達到顯著或極顯著水平。高溫脅迫處理后，從總體上來說，穗位高的變化幅度沒有株高大，表現(xiàn)為4個雜交組合的穗位高顯著降低，2個雜交組合顯著增加，大多數(shù)雜交組合穗位高對高溫脅迫處理不敏感。高溫脅迫處理后，總體來說莖粗變化不大，僅有3個雜交組合莖粗顯著增加，其他沒有顯著差異。高溫脅迫處理后，各玉米雜交組合地上部干質(zhì)量均較對照降低(僅組合25不顯著)，減少幅度均在10%以上，減少超20%的有12個玉米雜交組合。高溫脅迫處理后，9個雜交組合的根干質(zhì)量增加，增加幅度為0.3%～24.6%，6個達到顯著或者極顯著水平；16個雜交組合根干質(zhì)量降低，降低幅度在5.4%～31.2%，8個達到顯著或者極顯著水平。

表3 高溫脅迫處理對不同玉米雜交組合農(nóng)藝性狀影響的方差分析Tab.3 The ANOVA analysis of effect of high temperature stress on agronomic traits of different maize hybrid combinations

表4 高溫脅迫處理對不同玉米雜交組合農(nóng)藝性狀的影響Tab.4 Effect of high temperature stress on agronomic traits of different maize hybrid combinations

2.2 散粉前后高溫脅迫對不同玉米雜交組合吐絲、散粉特性的影響

散粉前后高溫脅迫及雜交組合均極顯著影響玉米雜交組合的吐絲持續(xù)時間、散粉持續(xù)時間及吐絲散粉間隔期，高溫脅迫與各雜交組合互作也使吐絲持續(xù)時間、散粉持續(xù)時間及吐絲散粉間隔期受到顯著或極顯著影響(表5)。由表6可知，與對照相比，總體上高溫脅迫處理延長了吐絲持續(xù)時間，其中，玉米雜交組合2、4、5、10、14吐絲持續(xù)時間受高溫影響較大，為8～10 d；高溫處理后組合3、8、9、11、12、17、20、21、23、24吐絲持續(xù)時間受影響較小，為3～4 d。高溫脅迫處理后，各玉米雜交組合的散粉持續(xù)時間與對照相比總體均偏短，說明高溫影響了雄穗散粉，使群體散粉時間相對集中。而散粉時間短可能會使吐絲不集中的雌穗授粉遇到困難。與對照相比，雜交組合吐絲散粉間隔期普遍延長，組合2、4、5、6、10、22吐絲散粉間隔期較長。

表5 高溫脅迫處理對不同玉米雜交組合花期性狀影響的方差分析Tab.5 The ANOVA analysis of effect of high temperature stress on florescence traits of different maize hybrid combinations

表6 高溫脅迫處理對不同玉米雜交組合花期性狀的影響Tab.6 Effect of high temperature stress on florescence traits of different maize hybrid combinations d

2.3 散粉前后高溫脅迫對不同玉米雜交組合產(chǎn)量的影響

由表7可知，與對照相比，高溫脅迫處理各雜交組合均表現(xiàn)為減產(chǎn)，17個達到顯著或者極顯著水平。雜交組合減產(chǎn)幅度達5%以上的有15個，其中組合2、3、4、7、14、18、24減產(chǎn)幅度較大，為6.3%～11.3%，較不耐熱；組合9、13、25減產(chǎn)幅度較小，為1.8%～2.4%，表現(xiàn)相對較好。

表7 高溫脅迫處理不同玉米雜交組合單穗粒質(zhì)量Tab.7 The grain yield per ear of different maize hybrid combinations under high temperature stress

2.4 不同玉米雜交組合高溫耐受性評價

表8為25個玉米雜交組合的12個性狀的耐熱系數(shù)。由表8可知，高溫脅迫條件下，同一雜交組合不同性狀的耐熱系數(shù)差異較大，從平均值來看，大多數(shù)雜交組合株高、莖粗、吐絲持續(xù)期、吐絲散粉間隔期和根冠比5個性狀較對照增加，耐熱系數(shù)大于100%；其余性狀則較對照降低，耐熱系數(shù)小于100%。根據(jù)耐熱系數(shù)變化幅度的大小，將不同指標對高溫脅迫的敏感程度加以排序：吐絲散粉間隔期>吐絲持續(xù)時間>莖粗>單穗粒質(zhì)量>SPAD>穗位高>根冠比>根干質(zhì)量>株高>散粉持續(xù)時間>干物質(zhì)總質(zhì)量>地上部干質(zhì)量。不同雜交組合同一性狀的耐熱系數(shù)間也存在較大變異。因此，單一性狀的耐熱系數(shù)難以體現(xiàn)25個玉米雜交組合對高溫的耐性差異，其對高溫脅迫響應的差異需用多個性狀的耐熱系數(shù)進行綜合評價。

表8 不同玉米雜交組合農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的耐熱系數(shù)Tab.8 Heat tolerance coefficients of agronomic traits and yields of different maize hybrid combinations %

表9 不同玉米雜交組合農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量隸屬函數(shù)值Tab.9 Subordinate function values of agronomic traits and yields of different maize hybrid combinations

為探索玉米耐熱性篩選指標，對各雜交組合的11個單一性狀進行主成分分析。由表10可知，第一主成分是花期相關(guān)的因子，貢獻率為49.6%，其中特征向量值最大的是吐絲持續(xù)時間(0.51)，其次為吐絲散粉間隔期、散粉持續(xù)時間，最小的是穗位高(-0.21)；第二主成分是總干質(zhì)量相關(guān)因子，貢獻率為21.5%，其中特征向量值最大的是地上部干質(zhì)量(0.47)，其次是根干質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量，最小的是根冠比(-0.23)；第三主成分是根冠發(fā)育協(xié)調(diào)相關(guān)的因子，貢獻率為14.7%，其中特征向量值最大的是根干質(zhì)量(0.51)，其次是根冠比、莖粗、株高，最小的是SPAD(-0.19)和吐絲散粉間隔期(-0.19)。綜上，花期的貢獻率最大，總干質(zhì)量的貢獻率次之，根冠協(xié)調(diào)也具有較大的貢獻率，三者的累計貢獻率達85.8%。其中，花期中的吐絲持續(xù)時間、散粉持續(xù)時間和吐絲散粉間隔期，總干質(zhì)量中的單穗粒質(zhì)量、地上部干質(zhì)量和根干質(zhì)量以及根冠協(xié)調(diào)中的株高、莖粗和根冠比這9個性狀可以作為雜交組合耐熱篩選的指標。

表10 耐熱主成分貢獻率、累計貢獻率及成分荷載矩陣系數(shù)Tab.10 Principal component contribution rate,cumulative contribution rate and component load matrix coefficients

3 結(jié)論與討論

研究發(fā)現(xiàn)，苗期高溫使玉米植株變小、變?nèi)?、葉片泛白且缺少光澤[18]；穗分化發(fā)育期高溫使玉米果穗畸形、產(chǎn)量降低[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫后大部分雜交組合結(jié)實率降低、產(chǎn)量減少，這與前人研究結(jié)果一致[8,19]。本研究分析產(chǎn)量形成過程發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫后，吐絲散粉間隔期、吐絲持續(xù)時間及散粉持續(xù)時間是對產(chǎn)量形成影響較大的農(nóng)藝性狀。這種花期改變導致的雌雄不協(xié)調(diào)將減少花絲接受花粉的機會[20-21]，高溫脅迫處理延長了吐絲持續(xù)時間，說明高溫影響花絲吐出的速度和一致性。高溫脅迫處理后，各玉米雜交組合的散粉持續(xù)時間與對照相比總體均偏短，推測高溫影響了雄穗散粉，使群體散粉時間相對集中。而散粉時間短可能會使吐絲不集中的雌穗授粉遇到困難[22]。綜上，散粉前10 d—散粉后10 d的高溫脅迫處理，直接導致產(chǎn)量降低的性狀是雌穗和雄穗的異常發(fā)育導致的雌雄不協(xié)調(diào)，且相較于雄穗，雌穗受高溫影響更大，推測這種雌雄穗在高溫條件下的異常發(fā)育及雌雄不協(xié)調(diào)是導致產(chǎn)量降低的直接原因。與對照相比，高溫處理總體上雜交組合吐絲散粉間隔期普遍延長，組合2、4、5、6、10、22吐絲散粉間隔期較長。但是各雜交組合的授粉，未采用人工授粉，自然授粉的情況下，有可能授的不是本株花粉。

高溫處理后，雌穗和雄穗發(fā)育異常直接導致產(chǎn)量形成受到影響。而雌穗和雄穗的發(fā)育是植株進行營養(yǎng)生長之后的結(jié)果，植株的營養(yǎng)生長為雌穗和雄穗發(fā)育提供物質(zhì)基礎[23]。高溫脅迫后植株地上部光合能力下降，生物量減少[17,24-25]，可能是雌穗和雄穗發(fā)育異常的原因之一。本研究中，高溫脅迫處理使各雜交組合地上部干質(zhì)量均降低，這可能是由于溫度升高后酶活性降低，源器官光合作用下降，導致物質(zhì)生產(chǎn)能力降低，進而導致干質(zhì)量減少。但也有雜交組合地上部干質(zhì)量增加，說明該雜交組合在此高溫處理下促進了營養(yǎng)生長，使株高變高、物質(zhì)積累增加，這有可能是該雜交組合適應高溫脅迫，或者能夠忍受一定時間的高溫脅迫，若縮短該試驗的高溫處理持續(xù)時間，這種雜交組合有可能表現(xiàn)增產(chǎn)。

高溫脅迫處理后，根系的變化規(guī)律品種間表現(xiàn)不一致，值得深入研究，從這種變化推測，根系發(fā)育可能與種質(zhì)遺傳特性有關(guān)。高溫處理后僅4個雜交組合株高增幅不顯著，說明這些雜交組合的株高對高溫脅迫處理不敏感。高溫脅迫處理使株高增加，這可能會使莖粗變細，而本試驗未得出類似結(jié)果，這可能是因為高溫脅迫處理時莖粗的形成已經(jīng)完成或接近完成。因此，開展遺傳特性不同玉米雜交組合的耐熱性評價，對掌握不同玉米種質(zhì)在高溫處理下的生長發(fā)育規(guī)律，了解其高溫耐受性，指導玉米生產(chǎn)和品種選育具有重要意義。