不同耐/感玉米品种的叶片光合荧光特性、授粉结实和产量构成因素对花期高温的反应*

穆心愿,马智艳,张兰薰,付 景,刘天学,丁 勇,夏来坤,张凤启,张 君,齐建双,赵 霞**,唐保军**

(1.河南省农业科学院粮食作物研究所/河南省玉米绿色精准生产国际联合实验室 郑州 450002; 2.河南农业大学农学院郑州 450002)

玉米()起源于以墨西哥为中心的中南美洲热带和亚热带地区,全生育期都需要较高的温度,但温度过高(≥35 ℃)则不利于其生长,甚至造成伤害。黄淮海平原是我国重要的夏玉米主产区之一,该区夏玉米的花期刚好与7月中下旬至8月上旬的高温天气阶段重合,易产生比较严重的热害,造成穗、粒发育异常而减产。近年来,黄淮海地区夏玉米花期高温热害呈频发重发态势,已成为限制该地区玉米丰产稳产的重要因素。玉米生殖生长期受到高温胁迫造成的产量损失要远高于营养生长期,其中又以开花期受到高温的影响最大,花后籽粒灌浆期次之。因此,进一步明确花期高温胁迫对玉米叶片光合荧光特性、雌雄穗发育及产量构成的影响,对夏玉米耐高温定向育种及抗逆高产稳产栽培管理具有重要指导意义。玉米虽是喜温作物,但生育期内如果遇到连续3 d及以上日最高气温≥35 ℃

的持续高温天气,则会给植株生长和发育造成不可逆转的损伤,形成高温热害。当作物生长发育过程中遭遇高温胁迫后,其各器官的形态、生理生化以及分子过程等均会产生一系列的响应,最终导致各器官功能部分或完全丧失,影响作物产量。前人研究表明,高温胁迫会导致玉米叶片光合系统受损、光合物质生产能力下降,雄穗变短、分枝数量和小花数减少,花粉数量减少、形态改变以及活力降低,散粉持续时间缩短,果穗畸形、开花吐丝期间隔拉长、受精率和结实率下降,穗粒数和粒重降低,进而导致产量降低。玉米不同生育阶段对高温胁迫的响应不同,吐丝开花期高温胁迫主要通过影响穗粒数影响产量,而籽粒建成期高温胁迫则使穗粒数和粒重均显著降低。前人通过在幼苗期、花粒期和籽粒建成期对不同基因型玉米进行高温胁迫处理,发现不同基因型玉米的耐高温能力存在显著差异。花期是玉米雌雄穗分化发育、授粉结实以及产量形成的关键时期,亦是对高温胁迫最为敏感的时期。目前相关研究大多集中在花期高温胁迫对玉米叶片光合特性、物质生产、雌雄穗发育、受精结实及籽粒建成与发育等方面的影响,而不同基因型玉米的叶片光合荧光特性、授粉结实能力及物质生产与分配特性对花期高温胁迫及恢复的响应机制尚不清楚,值得进一步研究。在前期研究基础上,选用耐热性差异较大的两类玉米品种为试验材料,采用人工模拟增温的方法,以玉米叶片光合荧光特性和雌雄穗性状对花期前后高温胁迫及恢复响应的基因型差异为切入点,研究花期高温胁迫对玉米叶片光合荧光特性、雌雄穗发育特性、物质生产与分配及产量形成的影响,旨在探明花期高温胁迫对不同耐热性玉米品种叶片光合荧光特性、授粉结实及物质生产与分配的影响及其机制,为耐高温玉米品种选育及耐高温高产稳产栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

试验于2019年6—10月在河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地作物抗逆中心(河南原阳,35°01′N、113°42′E,海拔63.4 m)进行。采用池栽,各试验池规格为3.25 m (长)×2.40 m (宽)×2.00 m (深),池面与地面平,以保证池面以上的小气候与大田相同。供试土壤类型为潮土,0～20 cm土层土壤有机质含量7.69 g·kg、全氮含量0.86 g·kg、碱解氮含量65.50 mg·kg、速效磷含量76.58 mg·kg、速效钾含量181.10 mg·kg。

供试材料为本课题组前期筛选出的耐热性差异较大的两类玉米品种,分别是耐热型品种‘浚单20’(XD20)和‘郑单958’(ZD958),热敏感型品种‘先玉335’(XY335)和‘农华101’(NH101)。4个供试玉米品种生育期基本一致,花期相近,‘先玉335’和‘农华101’的株高较高,试验期间株高范围在280～305 cm,‘浚单20’和‘郑单958’的株高较低,试验期间株高范围在250～280 cm。试验在池栽池内进行,每个试验池是1个小区,种植密度为67 500株·hm,每个小区种植4行,行距60 cm。

1.2 试验设计

试验设置2个因素,裂区设计,温度处理为主因素,品种为副因素。温度处理设置常温(对照,CK)和高温(HT)2个处理。常温对照处理与大田环境保持一致; 花期高温处理于玉米12叶展时(吐丝前约7 d)开始至吐丝后7 d结束,共处理15 d。于6月10日播种,7月28日进行高温处理,8月11日高温处理结束,9月28日收获。高温处理方法: 用钢管制成长×宽×高为3.4 m×2.5 m×4.0 m的高温处理生长棚框架,固定于小区池子上,于高温处理开始时通过在生长棚框架四周覆盖塑料薄膜(透光率95%以上)进行升温,大棚两侧上部各均匀留出20 cm高空隙,用于气体交换,吐丝后7 d拆除薄膜,结束高温处理,后期管理及田间小气候与对照一致。对照和高温处理均放置有温度自动记录仪,记录每天的温度,记录间隔10 min。每个处理重复3次,共计24个小区。每小区按N 240 kg·hm、PO90 kg·hm和KO 90 kg·hm比例施肥,全部肥料播种时一次性作基肥施入。

由图1可知,每天的气温大致从6:00左右开始上升,至14:00左右达最高点,然后开始下降。图1A表明,HT处理夜间气温与CK无明显差异,但日间气温高于CK,在最高温度处差异达到最大,HT处理日平均最高温度比CK高出2.2 ℃; HT处理大致在9:30温度升至35 ℃,至17:00温度降到35 ℃以下,一天中≥35 ℃时间大概为8 h左右,而CK处理大致在10:30温度升到35 ℃,至16:00温度降至35 ℃以下,一天中≥35 ℃时间大概为5 h左右。由图1B可知,在高温处理期间,HT处理日平均气温和日最高气温均高于CK处理,而日最低气温与CK处理差异较小。HT处理日平均气温、日最高气温和日最低气温分别为31.5～35.5 ℃、38.1～43.9 ℃和24.8～27.4 ℃,CK处理日平均气温、日最高气温和日最低气温分别为30.2～34.4 ℃、35.4～41.3 ℃和24.8～27.6 ℃,HT处理比CK处理分别高0.6～1.5 ℃、1.6～3.1 ℃和—0.5～0.3 ℃。另外,HT处理棚内的光照强度、CO浓度和相对湿度与CK基本一致。

图1 玉米花期高温处理（HT）和常温处理（CK）的1 d内平均温度变化（A）和15 d试验期的温度变化（B）Fig.1 Temperature changes in one day (A) and during the 15 days experiment period (B) at maize flowering stage under normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积的测定

于吐丝后7 d (高温处理结束当天)、20 d、30 d和50 d每小区选择3株,量取单株所有绿叶长度和宽度,计算全株绿叶面积。单叶叶面积(cm)=绿叶长度(cm)×绿叶宽度(cm)×0.75,单株所有单叶叶面积累加计为全株叶面积。

1.3.2 叶片光合参数和叶绿素荧光参数的测定

于吐丝后7 d (高温处理结束当天)和吐丝后20 d左右,选择晴朗无云、温度适宜的天气,每小区选择长势均匀一致的3株植株,利用SPAD-502便携式叶绿素仪测定穗位叶叶绿素相对含量(chlorophyll relative content,SPAD); 利用LI-6400XT型(LI-COR Inc.,美国)便携式光合作用测定系统测定穗位叶净光合速率()、气孔导度()和胞间二氧化碳浓度();利用Handy PEA (Hansatech,UK)植物效率分析仪,先暗适应20 min后,用3500 μmol·m·s的饱和光强测定穗位叶荧光参数: 光系统Ⅱ (PSⅡ)最大光化学效率(/)、PSⅡ潜在活性(/)、光合性能指数(PI)、用于电子传递的量子产额()和用于还原PSⅠ受体侧末端电子受体的量子产额()。

1.3.3 玉米雌雄穗发育特征观察

抽雄后第4 d,每重复选取3棵长势一致的植株,数取雄穗总小花数,统计雄穗分枝数。于吐丝后7 d摘取果穗,轻轻剥开苞叶,数取花丝数计为雌穗总小花数,并结合成熟期调查的穗粒数计算结实率。结实率=穗粒数/雌穗总小花数×100%。

1.3.4 散粉和吐丝日期的记录

各品种每处理选取具有代表性的植株10棵,记录下抽雄时间、吐丝时间、散粉开始时间和散粉结束时间,然后计算雄穗散粉开始时间到吐丝时间的间隔天数,即开花吐丝间隔期(anthesis-silking interval,ASI); 雄穗散粉开始到散粉结束时间的持续天数,即散粉持续期(pollen shedding duration,PSD); 雌穗吐丝期间有雄穗散粉的天数,即授粉持续期(pollination duration,PD)。

1.3.5 干物质积累、测产

分别于吐丝后7 d (高温处理结束当天)和成熟期,每小区选择长势一致的植株3棵,割取地上部分,并将植株分为茎鞘、叶片、穗轴+苞叶和籽粒(成熟期)等部位,放入烘箱中105 ℃杀青30 min,然后调至75 ℃烘干至恒重后称重,以单株计算各处理各部位干物质量和分配比例。

于玉米成熟期,每小区收获中间2行,调查空秆率,测量穗长、穗粗、穗粒数、百粒重和小区产量。

1.3.6 耐热系数

为消除品种间各性状固有差异的影响,分别计算每一品种各性状的耐热系数。某一性状耐热系数=高温胁迫处理性状值/对照性状值。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2019整理数据和制作表格,用SPSS 23.0 软件进行数据统计分析,用Duncan’s进行处理间差异性检验(=0.05),用Sigmaplot 14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 花期高温对夏玉米叶面积的影响

由表1可知,经花期高温胁迫后,在吐丝后7 d和20 d,NH101的单株叶面积显著低于CK处理(＜0.05),而XD20、ZD958和XY335的单株叶面积虽均有不同程度下降,但与CK处理差异不显著,耐热型品种的单株叶面积降低幅度小于热敏感型品种。花期高温胁迫改变了4个供试玉米品种生育后期叶片衰老进程。吐丝后30 d,HT处理下,XD20和ZD958的单株叶面积比CK处理分别高6.59%和9.18%,而XY335和NH101则分别低6.06%和7.70%,其中ZD958差异达显著水平(＜0.05)。吐丝后50 d,4个玉米品种在HT处理下的单株叶面积均高于CK处理,分别高11.01% (XD20)、6.74% (ZD958)、17.77% (XY335)和20.23% (NH101),其中ZD958和NH101差异达显著水平(＜0.05)。

表1 花期高温处理（HT）和常温处理（CK）对不同夏玉米品种不同生育时期单株叶面积的影响Table 1 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments during flowering stage on leaf area per plant of different summer maize cultivars

2.2 花期高温对夏玉米叶片光合参数和叶绿素荧光参数的影响

2.2.1 穗位叶叶绿素相对含量（SPAD）

由图2可知,花期高温胁迫降低了4个供试品种玉米叶片的叶绿素相对含量(SPAD)。吐丝后7 d,XD20、XY335和NH101在HT处理下的叶片SPAD值均显著低于CK处理(＜0.05)。高温处理结束后经过一段时间的恢复(吐丝后20 d),4个玉米品种的叶片SPAD值虽略低于CK处理,但均与CK处理无显著差异。

图2 花期高温处理（HT）和常温处理（CK）对不同夏玉米穗位叶叶绿素相对含量（SPAD）的影响Fig.2 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on SPAD values in the ear-leaf of different summer maize cultivars

2.2.2 穗位叶光合参数

表2可知,花期高温胁迫下玉米叶片净光合速率()和气孔导度()显著降低,胞间CO()浓度显著增加。吐丝后7 d，与CK处理相比,HT处理下XD20、ZD958、XY335和NH101的分别降低22.76%、16.94%、24.77%和38.49%,分别降低21.21%、23.53%、30.48%和36.00%,分别提高110.46%、111.82%、177.72%和168.56%,差异均达显著水平(＜0.05)。耐热型品种的和下降幅度以及增加幅度均小于热敏感型品种。高温处理结束后经过一段时间的恢复,至吐丝后20 d,4个玉米品种在HT处理下的、和已基本恢复至CK处理水平,与CK处理相比无显著差异。

表2 花期高温处理（HT）和常温处理（CK）对不同夏玉米品种穗位叶光合参数的影响Table 2 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on photosynthetic parameters in the ear-leaf of different summer maize cultivars

2.2.3 穗位叶叶绿素荧光参数

由表3可以看出,吐丝后7 d,花期高温胁迫处理的4个玉米品种PSⅡ最大光化学效率(/)、PSⅡ潜在活性(/)、光合性能指数(PI)、用于电子传递的量子产额()和用于还原PSⅠ受体侧末端电子受体的量子产额()均有不同程度的降低,且多数指标降低幅度并未达显著水平,但降低的幅度因品种而异。HT处理下XD20、ZD958、XY335和NH101的/分别比CK处理降低0.87%、0.75%、1.49%和1.36%,/分别降低1.90%、2.21%、6.13%和4.20%,PI分别降低1.28%、2.76%、5.41%和3.38%,分别降低0.54%、1.22%、1.43%和2.11%,分别降低0.46%、2.55%、3.88%和8.19%。热敏感型品种玉米穗位叶的叶绿素荧光参数对高温胁迫比耐热型品种更为敏感。

表3 花期高温处理（HT）和常温处理（CK）对不同夏玉米品种叶绿素荧光参数的影响Table 3 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on fluorescence parameters in the ear-leaf of different summer maize cultivars

高温处理结束后经过一段时间的恢复,至吐丝后20 d,4个玉米品种HT处理的/、/和PI均高于CK处理,其中XD20分别高5.43%、25.62%和88.24%,ZD958分别高7.33%、27.74%和25.95%,XY335分别高2.17%、9.86%和4.27%,NH101分别高1.90%、9.52%和1.80%; XD20和ZD958在HT处理的分别较CK处理高13.20%和4.91%,而XY335和NH101分别较CK处理低0.97%和5.22%; 但4个品种HT处理的与CK处理相比,分别低7.69% (XD20)、9.05% (ZD958)、11.31% (XY335)和13.46% (NH101)。结果说明,花期高温胁迫造成玉米穗位叶光合系统Ⅱ(PSⅡ)受损,/、/、PI、和等荧光参数降低; 而高温胁迫结束后经过一段时间的恢复,部分荧光参数有不同程度的恢复,甚至超过CK处理水平,如/、/和PI; 但也有部分荧光参数HT处理一直低于CK处理,如; 且叶片荧光参数对花期高温胁迫及恢复的响应存在明显的基因型差异,耐热型品种玉米穗位叶的叶绿素荧光参数对花期高温胁迫的耐受性及恢复能力较热敏感型品种强。

2.3 花期高温对夏玉米授粉结实能力的影响

2.3.1 雄穗分枝数和雄穗总小花数

图3显示,不同玉米品种的雄穗分枝数和雄穗总小花数存在显著差异,总体表现为XD20和ZD958高于XY335和NH101。与CK相比,HT处理下XD20、ZD958、XY335和NH101的雄穗分枝数均有不同程度降低,但下降幅度均未达到显著水平。花期高温胁迫显著降低了XD20和XY335的雄穗总小花,而对ZD958和NH101的雄穗总小花数无显著影响。

图3 花期高温处理（HT）和常温处理（CK）对不同夏玉米品种雄穗分枝数和雄穗总小花数的影响Fig.3 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on tassel branch number and tassel floret number of different summer maize cultivars

2.3.2 散粉持续期、开花吐丝间隔期和授粉持续期

图4表明,同一处理下,不同玉米品种的散粉持续期(PSD)、开花吐丝间隔期(ASI)和授粉持续期(PD)有显著差异,PSD和PD总体表现为XD20和ZD958高于XY335和NH101,ASI总体表现为XD20和ZD958低于XY335和NH101。花期高温胁迫使得4个玉米品种的PSD缩短,ASI延长,进而PD减少,但不同品种的增减幅度有较大差异。与CK处理相比,HT处理下XD20、ZD958、XY335和NH101的PSD分别降低10.00%、11.63%、23.33%和30.56%,其中NH101差异达显著水平(＜0.05);ASI分别增加42.86%、75.00%、82.50%和87.50%,其中ZD958、XY335和NH101差异均达显著水平(＜0.05); 而PD分别降低15.31%、20.51%、61.82%和56.08%,其中XY335和NH101差异达显著水平(＜0.05)。耐热型品种的PSD和PD降低幅度以及ASI增加幅度小于热敏感型品种。

图4 花期高温处理（HT）和常温处理（CK）对不同夏玉米品种散粉持续期、开花吐丝间隔期和授粉持续期的影响Fig.4 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on pollen shedding duration,anthesis-silking interval and pollination duration of different summer maize cultivars

2.3.3 雌穗总小花数和结实率

图5可知,花期高温胁迫下,4个玉米品种的雌穗总小花数和结实率均有不同程度的降低,且结实率总体降低幅度大于雌穗总小花数,热敏感型品种XY335和NH101结实率的降低幅度显著高于耐热型品种XD20和ZD958。与CK处理相比,XD20、ZD958、XY335和NH101在HT处理下的雌穗总小花数分别降低6.48%、5.73%、9.06%和5.29%,其中ZD958和XY335差异达显著水平(＜0.05); 结实率分别显著降低10.29%、19.26%、64.06%和62.15%(＜0.05)。

图5 花期高温处理（HT）和常温处理（CK）对不同夏玉米品种雌穗总小花数和结实率的影响Fig.5 Effects of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on ear filament number and kernel setting rate of different summer maize cultivars

2.4 花期高温对夏玉米干物质积累与分配的影响

2.4.1 吐丝后7 d （高温处理结束当天）干物质积累与分配

图6显示,花期高温胁迫导致玉米地上部各器官干物质量均不同程度显著下降(＜0.05,＜0.01),且雌穗干物质量下降幅度最大,以致整株总干物质量显著降低。HT处理下,XD20、ZD958、XY335和NH101茎鞘干物质量分别较CK处理降低9.63%、3.75%、11.89%和10.45%,叶片干物质量分别降低4.29%、1.62%、2.16%和12.54%,雌穗干物质量分别降低56.36%、55.99%、69.89%和58.67%,整株总干物质量分别显著降低16.83%、10.57%、15.91%和19.24%。花期高温胁迫对热敏感型品种雌穗干物质量和整株总干物质量的影响程度要高于耐热型品种。花期高温胁迫下,4个玉米品种营养器官如茎、叶的干物质分配比例增大,而雌穗占比却大幅减小。HT处理下,XD20、ZD958、XY335和NH101的营养器官(茎鞘+叶片)干物质分配比率分别增大了11.12%、8.49%、8.50%和9.96%,雌穗干物质占比分别减少了47.53%、50.79%、64.19%和48.83%。

图6 花期高温处理结束当天高温处理（HT）和常温处理（CK）不同夏玉米品种地上部干物质量及分配比例Fig.6 Dry matter mass and distribution in different organs of different summer maize cultivars under the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage at the end of high temperature treatment

2.4.2 吐丝后50 d （成熟期）干物质积累与分配

花期高温胁迫下,4个玉米品种成熟期地上部各器官干物质量均不同程度下降,整株总干物质量极显著下降(＜0.01,图7)。HT处理下,XD20、ZD958、XY335和NH101茎鞘干物质量分别降低5.05%、7.88%、0.38%和3.08%,叶片干物质量分别降低8.17%、8.82%、4.21%和2.96%,苞轴干物质量分别降低26.13%、20.17%、5.96%和13.08%,籽粒干物质量分别降低23.38%、21.25%、52.76%和67.63%,整株总干物质量分别降低16.96%、15.85%、21.69%和29.76%。花期高温胁迫下,耐热型品种XD20和ZD958茎鞘和叶片的干物质分配比例增大,而苞轴和籽粒占比却减小; 热敏感型品种XY335和NH101茎鞘、叶片和苞轴的干物质分配比例均增大,而籽粒占比却大幅减小。HT处理下,XD20和ZD958的茎叶(茎鞘+叶片)干物质分配比率分别增大13.16%和9.07%,苞轴干物质分配比率分别减少11.04%和5.13%,籽粒干物质分配比率分别降低7.73%和6.42%; XY335和NH101的茎叶(茎鞘+叶片)干物质分配比率分别增大25.67%和38.03%,苞轴干物质分配比率分别增加20.09%和23.76%,籽粒干物质分配比率分别降低39.68%和53.92%。花期高温胁迫下,耐热型品种玉米籽粒干物质量及其分配比例的降低幅度低于热敏感型品种。

图7 花期高温处理（HT）和常温处理（CK）下不同夏玉米品种成熟期地上部干物质量及分配比例Fig.7 Dry matter mass and distribution in different organs of different summer maize cultivars at the maturity stage under the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stages

2.5 花期高温对夏玉米产量性状的影响

图8A显示,花期高温胁迫下,热敏感型品种XY335和NH101的穗部缺粒表型较耐热型品种XD20和ZD958明显,雌穗授粉受精不良,籽粒零星分布,穗行不明显,穗粒数显著下降。花期高温胁迫降低了4个玉米品种穗长(图8B)、穗粗(图8C)、穗粒数(图8D)、百粒重(图8E)和籽粒产量(图8G),增加了空秆率(图8F),但不同耐热型品种各产量性状指标的增减幅度有较大差异。总体来说,花期高温显著降低了耐热型品种XD20和ZD958的穗长(＜0.05),而对热敏感型品种XY335和NH101的穗长无显著影响; 显著降低XY335和NH101的穗粗(＜0.05),而对XD20和ZD958的穗粗无显著影响;对4个玉米品种的百粒重无显著影响,但4个品种空秆率显著提高(＜0.05),且显著降低了4个玉米品种的穗粒数和籽粒产量(＜0.05),其中耐热型品种空秆率的增加幅度以及穗粒数和籽粒产量的降低幅度均小于热敏感型品种。与CK处理相比,HT处理下,XD20、ZD958、XY335和NH101穗长分别降低13.50%、14.09%、0.51%和4.69%,穗粗分别降低5.27%、7.01%、14.04%和19.95%,穗粒数分别降低18.93%、25.56%、68.38%和65.98%,百粒重分别降低1.58%、2.49%、5.24%和4.76%,籽粒产量分别降低27.98%、35.70%、63.69%和70.98%,空秆率分别增 加164.55%、248.19%、245.10%和320.90%。

图8 花期高温处理（HT）和常温处理（CK）对不同夏玉米品种产量及其构成要素的影响Fig.8 Effect of the normal temperature (CK) and high temperature (HT) treatments at flowering stage on grain yield and its components of different summer maize cultivars

2.6 夏玉米各性状指标耐热系数分析

由图9可知,夏玉米各性状指标间的耐热系数有较大差异,且有些指标不同品种间也存在明显差异。图9A显示吐丝后7 d玉米叶片光合荧光性状指标的耐热系数分析,结果表明耐热系数平均值范围为0.72～2.42,其中耐热系数平均值＜0.90或＞1.10的指标有、和,耐热系数平均值分别为0.72、0.74和2.41; 各指标品种间变异系数范围为0.41%～14.85%,其中变异系数＞10%的指标是和,分别为14.85%和12.30%。图9B显示吐丝后20 d玉米叶片光合荧光性状指标的耐热系数分析,结果表明耐热系数平均值范围为0.90～1.30,其中耐热系数平均值＜0.90或＞1.10的指标有/和PI,耐热系数平均值分别为1.18和1.30; 各指标品种间变异系数范围为2.02%～30.94%,其中变异系数＞10%的指标是PI,为30.94%。图9C显示玉米雌雄穗性状指标的耐热系数分析,结果表明耐热系数平均值范围为0.61～1.72,其中耐热系数平均值＜0.90或＞1.10的指标有雌穗结实率(KSR)、授粉持续期(PD)、散粉持续期(PSD)和开花吐丝间隔期(ASI),耐热系数平均值分别为0.61、0.62、0.81和1.72; 各指标品种间变异系数范围为1.80%～46.10%,其中变异系数＞10%的指标是雌穗结实率(KSR)、授粉持续期(PD)、散粉持续期(PSD)和开花吐丝间隔期(ASI),分别为46.11%、38.82%、12.07%和11.67%。图9D显示玉米干物质积累分配及产量性状指标的耐热系数分析,结果表明耐热系数平均值范围为0.47～0.96,其中耐热系数平均值＜0.90或＞1.10的指标有吐丝后7 d穗干物质分配比例(Ear/DM7)、籽粒产量(GY)、穗粒数(KPE)、成熟期籽粒干物质分配比例(Grain/DM50)、成熟期总干物质量(DM50)、吐丝后7 d总干物质量(DM7)和穗粗(ED),耐热系数平均值分别为0.47、0.50、0.55、0.73、0.79、0.84和0.88; 各指标品种间变异系数范围为1.83%～47.21%,其中变异系数＞10%的指标是穗粒数(KPE)、籽粒产量(GY)、成熟期籽粒干物质分配比例(Grain/DM50)和吐丝后7 d穗干物质分配比例(Ear/DM7),分别为47.21%、41.55%、32.14%和16.30%。

图9 不同夏玉米品种各指标耐热系数分析Fig.9 Analysis of heat resistance coefficients of each index of four summer maize cultivars

综上可知,耐热系数品种间变异系数较大的指标分别是穗粒数(KPE)、雌穗结实率(KSR)、籽粒产量(GY)、授粉持续期(PD)、成熟期籽粒干物质分配比例(Grain/DM50)和PI(20 d),变异系数均达30%以上,耐热型品种(XD20和ZD958)各指标耐热系数与CK的差异小于热敏感型品种(XY335和NH101)。

3 讨论

3.1 花期高温胁迫对玉米叶片光合荧光特性的影响

高温胁迫会对玉米的很多生理生化过程产生负面影响,引起玉米植株生长发育和器官建成的变化。前人研究表明,小喇叭口期至抽雄吐丝期是玉米形态建成的关键时期,高温胁迫使玉米叶片变薄、比叶重下降,叶面积指数和干物质量降低,且高温胁迫对热敏感型品种的影响程度重于耐热型品种。本研究结果显示,花期高温胁迫下,4个夏玉米品种的有效绿叶面积降低,热敏感型品种的叶面积降低幅度高于耐热型品种。此外,高温胁迫延缓了玉米叶片生育后期的衰老进程,这可能是由于高温胁迫下穗粒数和粒重降低(图8)导致库容缩小,阻碍了叶“源”物质向穗部转移,延缓了玉米叶片衰老。

光合作用是作物产量形成的基础,当作物植株处于逆境中时,叶片光合系统会做出相应的改变以适应在逆境中生长。前人研究表明,短期或轻度高温胁迫通过气孔因素限制CO供应量来影响植物光合作用,而长期或严重的高温胁迫则通过抑制叶肉细胞的光合活性等非气孔因素来影响光合作用。本研究结果表明,花期高温胁迫下,4个玉米品种的叶绿素含量降低,与显著低于对照,显著高于对照。这表明在本试验条件下,高温胁迫导致玉米下降可能主要来源于光化学反应的变化,不是气孔因素导致的,而是非气孔因素导致的。此外,耐热性不同的品种间存在明显的差异,耐热型玉米品种的下降幅度小于热敏感型,这与赵龙飞等和Li等的研究结果类似。本试验条件下,高温胁迫结束后经过一段时间恢复,4个玉米品种叶片叶绿素含量、、和等指标均恢复至对照水平,叶片光合作用恢复正常。盛得昌等研究也证明了花期持续16 d的高温和极高温胁迫显著降低了玉米穗位叶,但对叶绿素含量无显著影响,至灌浆中期高温处理的恢复至对照水平,说明花期高温对玉米叶片光合能力造成的负面影响是可恢复的,可保障后期正常的灌浆。

植物光合机构的PSⅡ对温度变化最敏感,高温胁迫下叶片的下降与PSⅡ的改变有很大关系。高温胁迫下,植物PSⅡ反应中心会暂时失去活性,热耗散和叶绿素荧光形式的耗散增加,以提高热耗散来降低吸收光能的转换效率,阻止过多光能向PSⅡ的传递,缓解对反应中心的伤害,这是存在于诸多高等植物中的重要保护机制; 在一定温度范围内,这种改变是可逆的,但当温度过高时,就会对PSⅡ造成不可逆伤害。本研究结果表明,花期高温胁迫造成4个玉米品种的PSⅡ受损,/、/、PI、和等荧光参数降低,且耐热型品种的下降幅度小于热敏感型,这与前人研究结果类似。不过,当4个玉米品种恢复13 d后,部分荧光参数有不同程度的恢复,甚至超过对照水平,如/、/和PI,但也有部分荧光参数一直低于对照水平,如。此外,耐热型玉米品种的高于对照水平,而热敏感型品种依然低于对照水平。这说明各荧光指标的恢复程度存在显著的基因型差异,耐热型玉米品种的恢复程度高于热敏感型品种。孙宪芝等研究发现高温胁迫下菊花(×)通过降低光能的捕获与通过PSⅡ的电子传递效率来保护反应中心免受伤害,但极端高温处理可能造成供体端放氧复合体的失活,天线转化效率和热耗散系数很难恢复至对照水平。不同耐热性玉米品种叶片叶绿素荧光特性对高温胁迫及恢复的响应以及这种响应与品种耐热性之间的关系还有待于进一步深入研究。

3.2 花期高温胁迫对雌雄穗发育和授粉结实能力的影响

玉米是雌雄同株异花授粉作物,雌雄穗协调发育是保证雌穗正常受精结实及产量形成的关键因素。花期高温胁迫会导致玉米雌雄穗分化发育受阻,雄穗分枝数减少、雄穗总小花数及花粉量骤减、花药花粉发育异常、花粉活力下降; 雌穗吐丝困难、雌穗总小花数降低、花丝上绒毛数量减少、花丝活力下降; 雌雄协调发育异常,开花吐丝间隔期延长。本试验条件下,高温胁迫处理的4个品种玉米雄穗分枝数、雌穗总小花数、雄穗总小花数、散粉持续期、授粉持续期和结实率均有不同程度的降低,开花吐丝间隔期显著增加,其中结实率变化幅度最大,其次是开花吐丝间隔期和授粉持续期。花期高温胁迫对玉米的雄穗分枝数、雌穗总小花数和雄穗总小花数影响较小,这与侯昕芳等研究结果类似,可能与高温处理时期并没有完全包括雌雄穗分化发育的整个时期有关。本试验条件下,高温胁迫使得开花吐丝间隔期增加以及授粉持续期缩短,造成雌雄不遇,授粉持续期显著降低,导致结实率显著下降。不同耐热型玉米品种间存在明显差异,耐热型品种玉米结实率的下降幅度要显著小于热敏感型品种。这可能是因为本试验中选用的2类玉米品种的雄穗大小差异较大,XD20和ZD958的雄穗分枝多、花粉量大,能够弥补花期高温逆境产生的不利影响。前人研究中筛选或采用的耐热型品种往往表现出雄穗分枝较多的特点,而热敏感型品种雄穗往往较小。但关于玉米雄穗性状(特别是分枝数、花粉量等)与品种耐热性之间的关系仍不明晰,还有待进一步探讨。

3.3 花期高温胁迫对干物质积累分配与籽粒产量性状的影响

干物质是作物光合作用产物的最高形式,而光合产物的积累与分配是玉米籽粒产量形成的物质基础,增加干物质积累量、并使之尽可能多地分配到籽粒当中是获得高产的基本途径。前人研究表明,花期高温胁迫造成玉米叶片功能受阻,物质生产能力下降,并使干物质分配到雌穗的比例降低,导致玉米穗长变短,穗粗减小,秃尖长度增加,穗粒数、百粒重降低,最终导致籽粒产量显著下降。也有研究认为,花期不同程度高温对玉米产量及源库流关系的影响不同,轻度高温会降低穗干物质占比,但结束后通过加速物质的转运从而维持产量平衡,重度高温则通过减小籽粒库容影响玉米的物质转运。本试验中,花期高温胁迫导致4个玉米品种总干物质积累量显著下降,且对穗(特别是籽粒)的影响远大于茎鞘和叶片,表现为干物质向茎鞘和叶片中的分配比例增加,向穗(特别是籽粒)中的转运积累减少,这可能是由于高温胁迫下结实率的显著减少导致穗部库容缩小,影响了光合产物的转运。此外,与热敏感型品种相比,耐热型品种有较强的物质积累与向籽粒分配的优势,这是由于耐热型品种籽粒库容受高温胁迫的影响较小,营养器官茎鞘和叶片中贮藏物质向籽粒转运的能力较高。单位面积有效穗数、穗粒数和粒重是玉米籽粒产量形成的三要素,三者之间的相互协调是获得高产的基础。本研究结果表明,花期高温胁迫下4个玉米品种的穗长、穗粗、穗粒数、百粒重和籽粒产量降低,空秆率增加,籽粒产量降低主要是由穗粒数减少所致,这与前人研究结果保持一致。此外,花期高温胁迫对耐热型品种穗长的影响重于热敏感型,而对穗粗、穗粒数、百粒重、空秆率和籽粒产量的影响轻于热敏感型。

通过分析各指标耐热系数,发现不同指标的耐热系数差异较大,且有些指标不同品种间差异也较大。耐热系数品种间变异系数较大的指标分别是穗粒数、雌穗结实率、籽粒产量、授粉持续期、成熟期籽粒干物质分配比例、PI(花后20 d),变异系数均达到30%以上,各指标耐热系数均表现为耐热型品种(XD20和ZD958)显著高于热敏感型品种(XY335和NH101)。因此,花期高温胁迫对玉米授粉结实相关性状的影响是导致产量降低的主要因素,且耐热性不同的品种间差异明显,可以用这些指标作为花期前后筛选玉米耐热品种的指标。

4 结论

花期高温胁迫对玉米的光合系统和雌雄穗协调发育有显著影响,使得结实率显著下降,导致玉米籽粒产量显著降低,且高温胁迫对热敏感型品种叶片光合荧光特性、雌雄穗发育及产量的影响均显著高于耐热型品种。高温胁迫使得夏玉米叶片光合性能降低、穗粒数显著下降和空秆率增加,进而导致籽粒产量降低。高温胁迫下雌雄穗协调发育出现异常,散粉持续期缩短和开花吐丝间隔期拉长引起的授粉持续期变短是导致结实率下降和穗粒数降低的主要因素。高温胁迫下,与热敏感型品种相比,耐热型品种具有较强的PSⅡ光能利用和授粉结实能力,不仅保持了较高的物质生产能力,且保持了向籽粒较大的分配比例,这些都是耐热型玉米品种高产的重要生理特征。