玉米花期耐热性评价指标及防御技术研究

文廷刚,杜小凤,刘京宝,杨文飞,顾大路,罗玉明,王伟中

(1.江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所,江苏 淮安 223001;2.河南省农业科学院粮食作物研究所,河南 郑州 450002;3.淮阴师范学院,江苏 淮安 223001;4.江苏省植物生长调节剂工程技术研究中心,江苏 淮安 223001)

玉米属喜温作物,对温度有较好的适应性,但极端高温会对玉米幼苗生长、穗发育、籽粒产量和品质形成造成不良影响[1]。近年来,随着全球气温不断上升以及耕地复种指数的提高,通过调整茬口来避开高温的可能性变小,高温胁迫逐渐成为影响农业生产的主要难题之一[2]。花期是玉米对高温胁迫最敏感的时期,主要影响穗的发育[3]。花期高温会造成玉米花粉及花丝生活力降低、授粉受精过程受阻,从而导致籽粒败育率增加、有效粒数减少和粒重降低[4-5]。

不同玉米品种的耐热能力不同。在高温胁迫下,耐热型玉米品种‘郑单958’较热敏型玉米品种‘先玉335’的雄穗和雌穗均能维持较高的抗氧化酶活性、较少的MDA积累量、较强的渗透调节能力和较高的花丝水势和pH值[6-7]。因此,在高温多发区种植耐热性较强的玉米品种是一种减少高温热害损失的有效途径。

尽管目前已有较多关于高温胁迫对玉米影响的报道,但主要集中在高温胁迫对玉米植株的生长发育、生理功能以及酶活性等方面[8-9]。而评价不同基因型玉米对高温胁迫的响应差异,鉴定玉米花期耐热能力大小,预防与应对高温胁迫对玉米花期的影响等报道还较少。江苏淮北地区处于我国黄淮海夏玉米区南缘,紧邻我国地理南北分界线,具有独特的生态环境。据江苏省气象服务中心统计,近年来江苏高温热害呈现覆盖范围扩大、强度增强、频次增多的特征,且夏季高温发生时段常与作物开花期相遇,造成作物产量和品质显著降低[10]。因此,筛选出适合本地种植的耐高温玉米品种以及预防高温胁迫的技术是当前玉米生产中亟待解决的问题。

本研究选择在苏北地区常年种植的普通型玉米、糯玉米和甜玉米共10个品种,研究不同类型玉米对花期高温胁迫的响应,筛选出与耐热性相关的综合评价指标,并对品种类型进行耐热性分类,同时研究抗高温调理剂对不同类型玉米品种在高温胁迫下的调控效果,为苏北地区耐热玉米品种鉴定及抗逆栽培提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为近年来通过审定且适宜在本地区种植的10个玉米品种,其中普通型玉米品种为‘郑单309’‘苏玉29’‘苏玉30’‘蠡玉88’‘登海605’‘先玉335’,糯玉米品种为‘苏玉糯5号’和‘苏玉糯11号’,甜玉米品种为‘粤甜710’和‘粤甜27’。种子来自育种单位或购自种子公司。抗高温调理剂热害清新产品由江苏省植物生长调节剂工程技术研究中心提供。

1.2 试验设计

1.2.1 田间小区试验试验于2019年在江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所现代农业高新科技园区内进行。试验采用2因素裂区设计,以玉米花期温度为主处理,以玉米品种为副处理。高温胁迫处理在玉米小区上搭建长×宽×高为15 m×10 m×3.5 m的钢管塑料大棚,通过塑料薄膜覆盖升温,大棚两侧各留出20%高度不覆膜,用于气体交换。高温处理(HT)于吐丝前约5 d开始进行,吐丝15 d后处理结束,拆除薄膜。以田间自然状态为对照(CK),处理结束后对各项指标进行测定。处理期间用全自动温度记录仪测定高温处理和对照的玉米群体冠层温度(地面以上2/3植株处),作为试验田的环境温度(图1)。试验前茬为小麦,土壤为砂壤土,肥力中等。各玉米品种于2019年6月13日人工穴播,玉米小区设置在大棚中心区域内,长×宽分别为10 m×6 m,小区与大棚边缘各留2 m作保护行。玉米采用宽窄行播种方式,宽行距 80 cm、窄行距60 cm,株距均为22 cm,每品种3次重复。试验中为防止串粉,于吐丝期对所有植株进行套袋授粉。其他田间管理均按高产栽培要求进行。

图1 玉米花期高温处理期间的日最高温度Fig.1 Daily maximum temperature under high temperature stress during flowering period in maize HT:高温处理High temperature stress;CK:对照Control;SS:吐丝期Silking stage. 下同。The same as follows.

1.2.2 田间抗高温调理剂试验在HT处理下进行抗高温调理剂热害清喷药处理(HT-S)和不喷药处理(HT-N),HT-N与HT为同一处理,高温胁迫处理及药剂处理时期见图2。成熟期时,取样用于计算抗高温调理剂处理后的性状耐热系数。药剂喷施时间在高温处理前5 d(吐丝前约10 d),药剂使用量参照文献[11],即以50 mL水剂+12 g粉剂兑水15 kg进行叶面喷施。其他田间管理同1.2.1节。

图2 玉米花期高温胁迫及药剂处理Fig.2 High temperature stress and heat resistant regulators spraying during flowering period in maize HT-N:高温不喷药High temperature stress and non-spraying;HT-S:高温喷药High temperature stress and heat resistant regulators spraying. 下同。The same as follows.

1.3 指标测定

1.3.1 玉米植株性状测定玉米成熟时,每小区连续收取30株位于小区中部的玉米植株,考察株高、穗位高、气生根数、植株地上部近地面第3节间扁平向茎粗以及穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、百粒重、结实率、籽粒产量和穗上节长占株高比。穗上节长占株高比=(株高-穗位高)/株高×100%。

1.3.2 叶片抗氧化酶活性和丙二醛(MDA)含量测定高温处理结束后1 d,每处理取3株穗位叶用于测定抗氧化酶活性和丙二醛含量。超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑(NBT)法[12],过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法[13],过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法[14],MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法[15]。

1.3.3 花粉活力测定高温胁迫后5 d(即吐丝期),于每天上午09:00采集套袋的花粉,并采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[16]测定花粉活力。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016进行数据整理,SPSS 18.0统计软件和R软件进行相关性分析、主成分分析、逐步回归及聚类分析。玉米品种耐热系数计算参考于康珂等[6]的方法。

性状耐热系数(HTC)=处理测定值/对照测定值×100%

(1)

主成分隶属函数值:U(xi)=(xi-xmin)/(xmax-xmin)(i=1,2,…,n)

(2)

(3)

(4)

式(2)中:xi表示第i个指标值;xmin表示第i个指标的最小值;xmax表示第i个指标的最大值。式(3)中:Wi值表示第i个主成分贡献率占总贡献率的权重;Pi为第i个主成分的贡献率。

2 结果与分析

2.1 玉米各品种耐热系数及其相关性分析

从表1可知:不同品种间各性状的耐热系数存在差异,在高温条件下,各品种秃尖长、气生根数和穗上节长占株高比的耐热系数均呈增加趋势;而产量、百粒重、行粒数、穗长和结实率的耐热系数均呈下降趋势。其中秃尖长、气生根数和茎粗的变异系数较大,分别为14.98%、13.23%和10.84%;穗粗和百粒重的变异系数较小,分别为1.74%和2.98%。可见,不同性状的耐热系数在品种间存在差异,不能通过单一性状的耐热系数来评价玉米品种在花期高温胁迫下的耐热性能。

表1 高温胁迫下玉米各性状的耐热系数Table 1 Heat tolerance coefficients of each character in maize under high temperature stress %

耐热系数的相关分析表明,各性状间均存在一定相关性。产量与百粒重、行粒数、穗长、穗粗、结实率、气生根数和穗上节长占株高比的耐热系数间呈显著和极显著正相关;与秃尖长的耐热系数呈显著负相关;与穗行数和茎粗的耐热系数相关性较低(表2)。由此可见,各性状耐热系数间相关性存在重叠性,其对高温胁迫响应的异质性需要进一步采用多元分析法。

2.2 玉米各性状的主成分分析

通过对各玉米性状的耐热系数进行主成分分析,并以特征根大于1作为主成分选择标准,得到3个独立的主成分。由表3可知:第1主成分的贡献率为58.476%,各性状特征向量值中系数载荷较高的前3位分别是穗上节长占株高比、气生根数和秃尖长,这些指标特征与植株形态相关,因此第1主成分可被认为是植株形态因子。第2主成分的贡献率为14.592%,对应各性状特征向量值中系数载荷较高的前2位分别是百粒重和产量,这些指标特征均反映的是籽粒重性状,因此第2主成分可被认为是籽粒重因子。第3主成分的贡献率为10.873%,其各性状特征向量值中系数载荷较高的前2位分别是穗行数和行粒数,其主要反映了籽粒数特征,因此第3主成分可被认为是籽粒数因子。3个主成分的累积贡献率达83.941%。由此,可将原来11个单一性状转换为3个相互独立的主成分,并代表了原始性状所传达的大部分信息对玉米花期耐热性进行评价和比较,从而能够可靠地鉴定出各玉米品种的耐热性强弱。

表3 玉米各性状的主成分因子系数及贡献率Table 3 Contribution rate and coefficients of comprehensive indexes in maize

2.3 玉米各品种耐热性综合评价

2.3.1 隶属函数和权重计算根据各主成分因子的系数及各性状的标准化值可分别求出不同类型玉米 3个主成分因子的综合得分;由于这3个主成分因子在评价玉米耐热性时所起作用不同,因而需进一步利用隶属函数法对供试玉米的耐热性进行综合评价。通过表3的各主成分因子系数,计算出各品种3个主成分因子的综合得分值(CI)。根据公式(2)求得各品种3个主成分因子的隶属函数值(U)。

由表4可知:在高温胁迫下‘粤甜710’的U(1)值最大(1.000),这说明‘粤甜710’在植株形态因子上的耐热性最强;‘先玉335’的U(1)值最小(0.000),这说明‘先玉335’在植株形态因子上的耐热性最差。同理,在高温胁迫下‘苏玉29’的U(2)值最大(1.000),说明‘苏玉29’在籽粒重因子上的耐热性最强;‘登海605’的U(2)值最小(0.000),说明‘登海605’在籽粒重因子上的耐热性最差。在高温胁迫下‘郑单309’的U(3)值最大(1.000),说明‘郑单309’在籽粒数因子上的耐热性最强;‘粤甜710’的U(3)值最小(0.000),说明‘粤甜710’在籽粒数因子上的耐热性最差。这表明‘粤甜710’在植株形态耐热性增强的同时却降低了籽粒数,从而严重影响了产量提升;而‘苏玉29’和‘郑单309’在植株形态耐热性增强的同时,分别在籽粒重和籽粒数上均有极大提升,从而有效保证了籽粒产量的稳定。

根据各主成分因子的贡献率大小,利用公式(3)求出各主成分因子贡献率的权重(W),分别为0.697、0.174和0.129。

2.3.2 耐热性的综合评价根据公式(4)求出各品种耐热性的综合评价值(D值)。D值越大表明该品种的耐热性越强,反之越差。从表4可见:‘苏玉糯11’的D值最大(0.842),耐热性排序第1,表明‘苏玉糯11’的耐热性最强;‘先玉335’的D值最小(0.103),耐热性排序第10,表明‘先玉335’的耐热性最差。

表4 不同玉米品种的综合评价及耐热性排序Table 4 The comprehensive evaluation and heat tolerance order in maize

2.4 玉米各品种耐热性聚类分析

根据表4中各玉米品种的D值,采用欧氏距离中的离差平方和法对10个玉米品种的耐热性进行聚类分析。由图3可知:10个玉米品种可分为高度耐热型(Ⅰ)、中度耐热型(Ⅱ)和热敏感型(Ⅲ)3类。

图3 10个玉米品种耐热性的聚类分析Fig.3 Cluster analysis of heat tolerance in 10 maize varieties

2.5 回归模型的建立与玉米耐热性指标筛选

以表4中的耐热性综合评价值(D值)作因变量,以玉米的11个性状的耐热系数作为自变量,采用逐步回归法建立最优回归模型,得到模型方程为:D=-1.936+0.478X2+0.012X7+0.205X10+0.174X11,式中:X2、X7、X10和X11分别代表百粒重、结实率、气生根数和穗上节长占株高比的耐热系数。方程决定系数R2=0.970,显著水平P=4.769×10-6(P<0.01),达极显著水平。由此可见,这 5个性状对玉米花期耐热能力有显著影响,可作为玉米花期耐热性鉴定指标。

2.6 不同耐热型玉米品种主要耐热指标比较

根据聚类分析及逐步回归结果,比较玉米不同耐热品种间各主要鉴定指标的特征。从图4可以看出:高度耐热型、中度耐热型和热敏感型品种玉米百粒重、结实率、气生根数和穗上节长占株高比的耐热系数均值呈现逐渐降低趋势。这表明高度耐热型和中度耐热型品种的百粒重、结实率、气生根数和穗上节长占株高比等指标较热敏感型品种有更好的耐热表现。

图4 不同耐热型玉米品种主要耐热指标的耐热系数Fig.4 Heat tolerance coefficient of main heat tolerance indexes in different heat tolerance maize varieties 1)HHTT:High heat tolerance type;MHTT:Moderate heat tolerance type;HST:Heat sensitive type.2)不同字母表示同一性状的耐热系数在不同耐热类型玉米间差异显著(P<0.05)。Different letters indicate significant difference for the heat resistance coefficient of the same trait among different heat tolerance types of maize at 0.05 level. 下同。The same as follows.

2.7 抗高温调理剂对不同耐热型玉米品种耐热性状和生理特征的影响

从图5可见:在高温胁迫下抗高温调理剂处理后,玉米产量、结实率和气生根数的耐热系数显著增加,秃尖长显著降低。表明抗高温调理剂处理能降低高温胁迫对玉米产量、结实率、气生根数和秃尖长的影响,从而保障玉米的正常生长和产量形成。

图5 玉米花期高温胁迫下抗高温调理剂处理对各性状耐热系数的影响Fig.5 Effect of heat resistant regulators on the heat tolerance coefficients of morphological characters of maize under high temperature stress during flowering period

由图6可知:高温胁迫下,高度耐热型玉米的SOD和POD活性比对照分别显著增加38.4%和30.5%,而抗高温调理剂处理后SOD、POD和CAT活性比对照分别显著提高46.3%、39.8%和37.2%。高温胁迫增加了高度耐热型玉米的MDA含量,抗高温调理剂则将高温胁迫增加的MDA含量降低,但与对照相比两者均未达到显著水平。高温胁迫下,中度耐热型玉米SOD活性较对照显著增加27.5%,POD、CAT活性和MDA含量与对照比均无显著差异,但抗高温调理剂处理后则能显著提高SOD、POD和CAT活性,分别较对照增加40.8%、25.4%和24.1%,MDA含量下降但差异不显著。热敏感型玉米在高温胁迫下,CAT活性显著下降15.1%,而MDA含量则显著增加5.7%;抗高温调理剂处理后SOD、POD和CAT活性较对照增加10.4%、17.1%和14.2%,MDA含量下降但仍未达显著水平。

图6 抗高温调理剂处理对不同耐热型玉米SOD(A)、POD(B)、CAT(C)和MDA含量(D)的影响Fig.6 Effects of heat resistant regulators on the activities of SOD(A),POD(B),CAT(C)and MDA content(D)in different heat tolerance maize under high temperature stress

2.8 抗高温调理剂对不同耐热型品种花粉活力和结实率的影响

由图7可知:与对照相比,高温胁迫处理的高度耐热型、中度耐热型、热敏感型的玉米花粉活力分别显著降低9.0%、13.0%、29.9%,结实率分别显著降低5.2%、9.0%、33.3%。抗高温调理剂处理后,与高温胁迫相比,高度耐热型、中度耐热型和热敏感型的花粉活力分别提高5.3%、8.7%和26.7%,结实率分别提高2.0%、6.4%和34.1%。可见,抗高温调理剂能提高不同耐热型玉米的花粉活力和结实率,其中热敏感型玉米的花粉活力和结实率增幅最高。

图7 抗高温调理剂处理对不同耐热型玉米花粉 活力和结实率的影响Fig.7 Effects of heat resistant regulators on the pollen viability and seed-setting rate in different heat tolerance maize under high temperature stress

3 讨论

前人研究表明,玉米花期对高温非常敏感,一般花期温度超过36 ℃以上就会使玉米的受精率急剧下降[17]。研究还表明,花后高温胁迫能使玉米籽粒灌浆速率加快、灌浆持续期缩短,而灌浆速率加快对产量提高的正效应不能弥补灌浆持续期缩短对产量的负效应,从而导致产量降低[18-19]。因此,从理论上讲以产量作为玉米品种的耐热性鉴定指标是最理想的[20]。但是,由于不同热敏感类型玉米对高温的耐受程度不同,加上产量变化受多种因素的影响,所以需要筛选出更好的评价玉米耐热性的综合指标,才能对不同类型品种的耐热性进行综合评价。本试验中所测的11个性状指标对花期高温胁迫的响应均存在着差异,其中,产量、结实率、秃尖长和气生根数显然较其他性状更偏离耐热系数100%,表明这些性状更易受到高温胁迫影响,而其他性状在高温胁迫下相对较稳定。本研究还发现,高度和中度耐热型玉米在主成分1(植株形态因子)上的隶属值较高,而在主成分2(籽粒重因子)和主成分3(籽粒数因子)上的隶属值较低。这表明高温胁迫下,高度和中度耐热型品种首要以改变植株形态来响应高温胁迫,从而降低高温造成的伤害为主要目标;其次以协调光合产物在体内分配,达到抵抗高温所需能耗与籽粒灌浆需求间的平衡,从而维持玉米的正常生长,并完成开花结实;但其中也有一些品种因无法有效协调光合产物的分配,而消耗了一定籽粒产量来抵御高温胁迫(如‘粤甜710’)。热敏感型品种对高温胁迫的响应则相反。这也为玉米的耐热性育种提供了一种参考,即在确保玉米较高耐热性前提下如何保证其产量的提升将会是以后育种的方向。

赵龙飞等[21]研究发现,花前和花后高温胁迫能使耐热型玉米叶片中的SOD、POD和CAT活性显著升高,而热敏感型玉米的CAT活性下降。这与本研究结果基本一致。此外,本试验中,抗高温调理剂处理对高度耐热型、中度耐热型和热敏感型玉米的SOD、POD和CAT活性均有提高,而MDA含量则下降。这表明抗高温调理剂能激活不同类型玉米叶片中抗氧化酶活系统,提高抗氧化酶活性,降低高温胁迫对玉米叶片伤害,维持细胞的正常生理。本研究还表明,在高温胁迫下喷施抗高温调理剂热害清能够促进不同耐热型玉米花粉活力的恢复,从而促进结实率增加。这点在抗高温调理剂处理对各性状耐热系数的影响中也得到体现,抗高温调理剂热害清处理降低了高温胁迫对玉米产量、结实率、气生根数和秃尖长的影响,保障了玉米的正常生长和产量形成。

综上所述,10个不同类型玉米品种可划分为高度耐热型、中度耐热型和热敏感型3种类型,并筛选出百粒重、结实率、气生根数和穗上节长占株高比这4个显著影响玉米花期耐热能力的单项指标,用于玉米花期耐热性评价。高温调理剂对不同类型玉米品种主要耐热指标的耐热系数、叶片抗氧化酶活系统以及花粉活力均有显著的增强作用,有利于提高各类型玉米品种的抗高温能力,减少高温胁迫对玉米生长和产量造成的伤害和损失。