王斌功 许海涛 葛凤梅 冯晓曦 郭海斌 张军刚
(1.上蔡县农业农村局 河南上蔡 463800;2.驻马店市农业科学院/河南省玉米产业技术体系驻马店综合试验站 河南驻马店 463000)
玉米(Zea maysL.)属一年生禾本科大型草本植物,雌雄同株异花授粉,是利用杂种优势的典型作物,是我国重要的谷物农作物之一[1-2]。花粉为玉米自交系雄穗的配子体,决定亲本遗传信息的传递。花粉具有萌发、存活与发育的能力,是花丝能否正常授粉受精与结实的重要因子,受外界环境因素及自身遗传性能的影响[3]。花粉颗粒干燥、表面光滑、体轻细小,数量极多,易于吹飘到特定高度和一定距离,适宜依靠自然风媒进行传播。玉米自交系花粉飘落至花丝使其接受花粉并且完成受精过程,其本质也是遗传物质再重组的过程,同时通过有性生殖保存了玉米自交系的稀有资源并进一步创新利用[4]。研究表明,转基因玉米可通过花粉把其外源基因输送到非转基因玉米以及野生近缘种内,玉米自交系花粉活性与离体后存活能力的高低决定了其外源基因的漂移距离[5]。
多数研究者通常认为,温度和空气相对湿度显著影响花粉活性,温度高于32~35℃时,花粉活性急剧丧失,超过38℃抑制玉米花粉萌发,花粉粒变形皱缩,花药壁增厚,开裂困难,散粉量严重减少,活性显著降低[6-7]。田间平均气温20~26℃、相对湿度66%~86%时花粉6 h内可维持较强活性[8]。宋方威等[9]报道高温使自交系花粉生活力显著下降,35℃保存6 h、40℃保存4 h之后,其生活力完全丧失。降志兵等[10]通过温度、保存时间及其互作效应研究了玉米花粉活力的变化,影响达极显著水平,38℃保存1 h花粉生活力则显著下降。玉米自交系雄穗小花受精率与结实率随气温增加呈现降低趋势,极端高温对花粉活性危害极大。低温可延长玉米自交系离体花粉活性,但适宜贮存温度有特定的范围,不是温度越低活性越高。任转滩等[11]研究认为,0~5℃环境下持续10 h花粉仍具有授粉受精能力,超过24 h不能完成正常受精作用,田间结实为0,5~10℃环境下花粉生活力可持续5 d。张红梅等[4]研究表明,低温储存能够显著延长离体花粉生活力,4℃储存32 h、24℃储存8 h、-20℃储存56 h,离体花粉生活力可达90%以上。也有文献报道[12],温度-10℃、相对湿度80%条件下贮藏,花粉水分维持在6%~8%,150 d之后,离体花粉仍具有5%~8%的萌发率。
前人多围绕在中国大陆生态区域进行温度、相对湿度对玉米花粉活性的相关研究[2,5-6,11],有关海南热带生态区玉米自交系离体花粉活性方面的研究还未见报道。海南南繁加代已成为我国玉米育种过程中不可或缺的工作,在海南三亚、陵水、南滨、崖州、梅山、九所、山脚、利国、乐罗、黄流等地进行玉米自交系繁殖、自交系材料加代、杂交制种、资源保存与创新利用已成常年不变的任务,玉米自交系花粉活性的高低与玉米南繁任务的成败密切相关,但至今鲜有海南热带区南繁玉米自交系离体花粉活性方面的相关研究。本研究旨在探索不类型玉米自交系不同温度保存条件下,离体花粉活性的变化规律,明确离体花粉活性持续时间,研究不同类型玉米自交系间离体花粉活性的差异,以期为海南热带生态区玉米自交系离体花粉活性研究提供理论基础。
1.1.1 试材供试6个玉米自交系材料分别为ZM4321、驻136、驻54、ZM3358、H1269、ZM027,分别代表玉米自交系四大类群中的Reid类和Lancaster类,均为驻马店市农业科学院玉米研究所选育。其中ZM4321、驻136、ZM027属于Reid类群,遗传基础丰富,抗病抗倒,植株叶片紧凑,果穗长,穗粗,配合力高;驻54、ZM3358、H1269属于Lancaster类群,植株较高,抗病性强,籽粒深,适应性广,制种产量高。
1.1.2 供试肥料供试肥料为贵州诺威施生物工程有限公司生产的西洋复合肥(总养分含量≥48%,N:P2O5:K2O=16:16:16)、河北正元氢能科技有限公司生产的尿素(N,46%N)。
1.1.3 试验地概况2020年11月至2021年3月、2021年11月至2022年3月两年试验安排于海南省乐东黎族自治县九所镇南繁基地(北纬18°26′41″,东经108°57′ 38″),海拔高度为36 m。试验区地处海南岛西南地带,热带型季风性气候,冬春试验期间常年干旱而且降雨极少,热量资源丰富,光照充足,供试土壤的质地为砂壤,砂质含量为68.20%。
1.2.1 试验设计试验按照当地的种植习惯,采用垄作栽培方式,利于灌水且防风蚀,可增加耕作层。机械旋耕后用牛工作垄,用牛先犁开1沟,复合肥(375 kg/hm2)作为基肥集中撒施沟底,从沟两边同沟内各翻1犁堆成垄,钉耙平整垄平,垄间距60 cm,垄高20 cm,种子播种于垄面中间。2020年11月12日人工点播,随机区组排列,3次重复,行长6 m,行距60 cm,10行区,南北行向,小区面积为36 m2,周围均设保护行。11月14日喷灌水,12月1日定苗,小区密度7.5×104株/hm2。12月10日追施尿素125 kg/hm2,12月18日追施复合肥500 kg/hm2。生长发育期间以浇水为主,病虫草害防治管理与当地生产一致。2021年3月19日成熟收获。
2021年11月15日人工点播,11月16日喷灌水,11月28日定苗,小区密度7.5×104株/hm2。12月4日追施尿素125 kg/hm2,12月11日追施复合肥500 kg/hm2。生长发育期间以浇水为主,病虫草害防治管理与当地生产一致。2022年3月12日成熟收获。
1.2.2 离体花粉活性测定各处理吐丝前用羊皮纸袋全部套取雌穗,散粉旺盛期不同自交系于9:00—10:00用羊皮纸袋采集花粉。每袋花粉量确保3株雌穗花丝饱和授粉,每处理花粉各收集16袋,分别放置于室内自然气候(室内温度)、海尔BCD-206STPQ冰箱冷藏室(4℃)及软冷冻室(-7℃)储存,第1天储存每隔1 h各取1袋,对生育进程基本一致,吐丝3~4 d活力正值旺盛时期的雌穗进行田间饱和授粉,每袋花粉授粉3株,授粉后立即套取羊皮纸袋,防止田间花粉飘落花丝上,大头针固定防止纸袋脱落,吊牌标注授粉时间,直至12 h结束;第2天累计贮存24和30 h、第3天累计贮存48和54 h时各处理分别进行田间饱和授粉,操作同第1天,即采新鲜花粉作为对照花粉,采集花粉后立即田间饱和授粉3株作为对照雌穗。成熟收获后调查各处理穗粒数。通常用试验田间的结实率来反映离体花粉活性的高低[4]。
结实率=(平均穗粒数/对照平均穗粒数)×100%
采用王艳哲等[13]TTC染色法测定离体花粉粒活性,每处理取0.2 g花粉放于洁净干燥的载玻片表面,滴加0.5%TTC(氯化三苯基四氮唑)溶液2滴,置于放有吸水滤纸可保湿的种子萌发盒内,35℃恒温箱内培育15 min,每处理2张载玻片;每片选取视野5个,统计染色离体花粉数,计算染色率,具有活性的花粉粒染色后呈红色,淡红色活性较弱,失去活性的花粉粒染色后呈现无色,因此染色率可反映离体花粉的活性。
花粉生活力(TTC染色率)=染色花粉粒数/总花粉粒数×100%
1.2.3 数据处理与分析采用Sigmaplot 14对试验数据进行分析与作图。
由图1可知,不同基因型玉米自交系4℃贮存8 h内结实籽粒数较多,结实率10 h后明显下降,24 h后结实籽粒数、结实率显著降低。ZM4321、H1269离体花粉高活性持续期最长,24 h结实籽粒数维持在200粒左右,结实率50%以上,54 h结实率10%以上,离体花粉活性远大于驻136、驻54、ZM3358。驻136结实籽粒数主要集中在10 h内,10 h后结实籽粒数急剧降低,结实率基本5%以下,48~54 h结实籽粒趋为0,离体花粉活性丧失。驻54、ZM3358离体花粉活性基本相同,结实籽粒数主要集中在8 h内,驻54结实率在35%以上,ZM3358结实率最低,均在35%以下,24 h后二者结实籽粒数在10粒以下,结实率4%以下,离体花粉活性丧失殆尽。ZM027离体花粉活性维持时间略低于ZM4321、H1269,12 h内结实籽粒数保持在100粒以上,48 h仍有将近20%的结实率,54 h结实率仍在10%以上。表明不同Reid类和Lancaster类自交系间的离体花粉活性变化规律存在一定差异,但总体变化趋势基本一致,即在4℃贮存条件下结实籽粒数、结实率随贮存时间的延长呈下降趋势,说明离体花粉活力随着4℃贮存时间的延长而降低。
图1 玉米自交系离体花粉4℃贮存活性变化
由图2可知,ZM3358离体花粉对-7℃冷冻贮存条件极度敏感,花粉耐受性极低,离体花粉高活性维持时间最短,贮存1 h结实籽粒数超过240粒、结实率超过85%;2 h开始结实籽粒数、结实率急剧下降,籽粒数不超过5粒,几乎绝收,结实率在3%以下,离体花粉活性持续时间显著低于ZM4321、驻136、驻54、H1269、ZM027。-7℃贮存条件下,ZM4321、驻136、驻54、H1269、ZM027离体花粉活性变化总体趋势基本一致。ZM4321、H1269、ZM027离体花粉高活性维持时间最长,明显高于驻136、驻54。12 h内ZM4321、H1269、ZM027结实籽粒率在130粒以上,ZM4321、H1269结实率在55%以上,ZM027结实率在40%以上;24~30 h内结实籽粒数、结实率急剧降低,48~54 h内ZM4321、H1269、ZM027结实籽粒数下降到4粒以下,结实率不超2%。驻136、驻54离体花粉高活性维持时间分别为10 h、8 h,驻136在12~24 h结实籽粒数、结实率显著降低,30 h仍有6%左右结实率,48~54 h内结实籽粒数、结实率几乎为0。说明在-7℃贮存条件下,自交系的结实籽粒数、结实率随贮存时间的增加呈降低趋势,但Reid类和Lancaster类自交系间的籽粒结实时间差异达到极显著水平。
图2 玉米自交系离体花粉-7℃贮存活性变化
离体花粉室温贮存是玉米杂交制种因父本散粉早,母本吐丝晚造成花期不遇,需要采取人工辅助授粉时,提前收取花粉保存并延长离体花粉活性最直接有效的方法。由图3可知,室温贮存条件下,ZM4321、H1269的离体花粉高活性维持时间最长,为30 h,远大于驻136、驻54、ZM3358、ZM027,30 h内ZM4321、H1269结实籽粒数在100粒以上,结实率在30%以上,48 h后结实籽粒数急剧降至10粒以下,结实率降至3%以下。ZM3358、ZM027的离体花粉高活性维持时间为10~11 h,11 h后ZM027结实籽粒数、结实率下降幅度远大于ZM3358,48 h后二者结实籽粒数维持在10粒左右,54 h时ZM027完全丧失活性,结实率为0。驻54的离体花粉高活性维持时间最短为3 h,结实籽粒数超过100粒,而驻136则维持在8 h内,驻54于4 h后结实籽粒数、结实率急剧下降后平缓降至30 h,48~54 h接近完全丧失活性,而驻136于12 h后活性几乎丧失殆尽。说明室温贮存条件下,自交系离体花粉高活性随贮存时间的延长呈下降趋势,且Reid类和Lancaster类自交系间的离体花粉高活性维持时间存在一定差异。
由图4可知,2020年ZM4321离体花粉活性4℃贮存>室温贮存>-7℃贮存,4℃贮存24 h结实率为58.84%,30 h后结实率下降,至54 h结实率仍有20.47%-7℃、室温贮存12 h结实率分别为63.72%、56.89%,但48 h后二者急剧降低,54 h离体花粉活性接近于0。驻136离体花粉活性与ZM4321结果相反,其离体花粉活性-7℃贮存>室温贮存>4℃贮存,花粉高结实率集中时间较ZM4321大幅缩短,-7℃贮存30 h、室温贮存12 h、4℃贮存11 h之后其离体花粉活性几乎完全丧失,结实率趋近于0。驻54的离体花粉活性-7℃贮存>4℃贮存>室温贮存,花粉高结实率分别集中7、6、3 h内,30 h后活力基本消失。ZM3358在3种温度贮存条件下离体花粉活性达极显著水平,室温贮存>4℃贮存>-7℃贮存,-7℃贮存1 h结实率最高,2 h始结实率几乎断崖式下降,离体花粉失去活性,室温贮存结实率远大于4℃贮存。H1269、ZM027在3种温度贮存条件下离体花粉活性差异不大,H1269分别在-7℃、室温、4℃贮存12 h、ZM027分别在-7℃、室温、4℃贮存10 h结实率较高,离体花粉活性持续时间均表现出4℃贮存最长。
图4 2020年不同类型玉米自交系离体花粉活性变化
由图5可知,2021年ZM4321离体花粉活性4℃贮存>室温贮存>-7℃贮存,4℃贮存24 h结实率为57.91%,30 h后结实率下降,至54 h结实率仍有24.10%,-7℃、室温贮存12 h结实率分别为70.25%、64.37%,但48 h后二者急剧降低,54 h离体花粉活性接近于0。驻136离体花粉活性-7℃贮存>室温贮存>4℃贮存,花粉高结实率集中时间较ZM4321大幅缩短,-7℃贮存24 h、室温贮存11 h、4℃贮存10 h之后其离体花粉活性几乎完全丧失,结实率趋近于0。驻54的离体花粉活性-7℃贮存>4℃贮存>室温贮存,花粉高结实率分别集中8、9、3 h内,30 h后活力基本消失。ZM3358在3种温度贮存条件下离体花粉活性达极显著水平,室温贮存>4℃贮存>-7℃贮存,-7℃贮存1 h结实率最高,2 h始结实率几乎断崖式下降,离体花粉失去活性,室温贮存结实率远大于4℃贮存。H1269、ZM027在 3种温度贮存条件下离体花粉活性差异不大,H1269分别在室温、4℃贮存30 h、-7℃贮存24 h,ZM027分别在4℃贮存48 h、-7℃、室温贮存24 h结实率较高,离体花粉活性持续时间均表现出4℃贮存最长。
图5 2021年不同类型玉米自交系离体花粉活性变化
两年数据变化趋势一致,均表明3种温度贮存条件下Reid类和Lancaster类自交系离体花粉活性变化规律不同,但均随贮存时间增加呈下降趋势,而不同贮存时间之间存在显著差异(表1)。也就是说,离体花粉活性既受贮存温度高低影响,又受贮存时间长短影响。
表1 结实率主体间的效应检验
对6个玉米自交系离体花粉不同温度条件下贮存时间与其授粉后平均结实率模型拟合分析(图6),6个自交系4℃贮存条件下贮存时间与结实率拟合方程2020年y=0.010 1x2-1.538 3x+60.905 0,R2=0.983 8;2021年y=0.015 3x2-1.788 1x+60.984 4,决定系数R2=0.982 7,回归系数b均小于0,呈极显著负相关关系。-7℃贮存条件下贮存时间与结实率拟合方程为2020年y=0.023 3x2-2.386 7x+61.342 2,R2=0.955 7;2021年y= 0.024 6x2-2.403 7x+59.001 7,决定系数R2=0.949 2,回归系数b均小于0,呈极显著负相关关系。室温贮存条件下贮存时间与结实率拟合方程2020年y=0.021 2x2-2.365 6x+66.416 4,R2=0.955 7;2021年y=0.023 9x2-2.504 1x+6.536 8,决定系数R2=0.976 3,回归系数b均小于0,呈极显著负相关关系。两年试验数据变化趋势一致,结果表明,4、-7℃、室温贮存条件下,Reid类和Lancaster类自交系离体花粉活性与贮存时间呈二项式方程关系。
图6 玉米自交系离体花粉贮存温度和时间与结实率相关性分析
TTC染色率也可表示玉米自交系离体花粉的活性[10]。由图7可知,2020年ZM4321离体花粉4℃贮存、-7℃、室温贮存12 h内TTC染色率均超过60%,12 h后TTC染色率4℃>室温>-7℃贮存,贮存30 h时,4℃离体花粉TTC染色率仍有51.39%,室温贮存TTC染色率降至33.90%,-7℃贮存TTC染色率降至10.09%;54 h时,-7℃贮存、室温贮存TTC染色率不足2%。驻136离体花粉贮存3 h时,其离体花粉TTC染色率4℃贮存、-7℃贮存明显大于室温贮存,10 h后离体花粉TTC染色率均显著降低,TTC高染色率集中时间较ZM4321大幅缩短。驻54离体花粉TTC染色率-7℃贮存>4℃贮存>室温贮存,离体花粉TTC高染色率分别集中在7、8、3 h内,24 h后TTC染色率明显降低。ZM3358离体花粉对低温极其敏感,离体花粉TTC染色率室温贮存>4℃贮存>-7℃贮存,-7℃贮存1 h TTC染色率最高为89.66%,2 h始TTC染色率呈断崖式降低至5%以下,24 h即降为0;4℃贮存TTC染色率均低于40%,显著低于室温贮存,室温贮存11 h TTC染色率仍在50%以上。H1269、ZM027在3种温度贮存条件下离体花粉TTC染色率差异不大,H1269分别在-7℃、室温、4℃贮存12 h,ZM027分别在-7℃、室温、4℃贮存10 h TTC染色率较高,离体花粉活性持续时间均表现出4℃贮存最长。
图7 2020年不同类型玉米自交系离体花粉TTC染色率变化
由图8可知,2021年ZM4321离体花粉4℃贮存、-7℃、室温贮存12 h内TTC染色率均超过50%,12 h后离体花粉TTC染色率4℃贮存>室温贮存>-7℃贮存;30 h时,4℃贮存离体花粉TTC染色率仍有30.07%,室温贮存TTC染色率降至35.29%,-7℃贮存TTC染色率降至12.89%,54 h时,-7℃贮存、室温贮存TTC染色率不足3%。驻136离体花粉贮存3 h时,其离体花粉TTC染色率4℃贮存、-7℃贮存明显大于室温贮存,10 h后4℃贮存、-7℃贮存离体花粉TTC染色率显著降低,室温贮存5 h后TTC染色率明显下降,高染色率集中时间较ZM4321大幅缩短。驻54离体花粉TTC染色率-7℃贮存>4℃贮存>室温贮存,离体花粉TTC高染色率分别集中在8、9、3 h内,24 h后TTC染色率明显降低。ZM3358离体花粉对低温极其敏感,离体花粉TTC染色率室温贮存>4℃贮存>-7℃贮存,-7℃贮存1 hTTC染色率最高,为85.91%,2 h始TTC染色率呈断崖式降低至3%以下,24 h后即降为0,4℃贮存TTC染色率均低于40%,显著低于室温贮存。H1269、ZM027在3种温度贮存条件下离体花粉TTC染色率差异不大,H1269分别在-7℃、室温、4℃贮存12 h、ZM027分别在-7℃、室温、4℃贮存10 h TTC染色率较高,离体花粉活性持续时间均表现出4℃贮存最长。
图8 2021年不同类型玉米自交系离体花粉TTC染色率变化
两年数据变化趋势基本一致,均表明 3种温度贮存条件下Reid类和Lancaster类自交系离体花粉TTC染色率变化规律不同,但均随贮存时间增加呈下降趋势,而不同贮存时间之间存在显著差异(表2)。也就是说,离体花粉TTC染色率既受贮存温度高低的影响,又受贮存时间长短的影响。
表2 TTC染色率主体间的效应检验
前人发现,玉米雄穗耐热性与散粉特性不同基因型间存在差异[14],自交系间花粉活性差异明显。侯有良等[15]指出,常温短时保存的自交系花粉其活性差异未达显著水平,而保存4~6 h花粉授粉受精后自交系3259、W314结实率显著低于Q318,花粉活性衰退自交系间存在差异,这与本研究所用6个自交系因不同基因来源导致其受热性差异显著的结果一致。也有学者[4]认为,温度是离体花粉活性维持时间长短的决定因素。
张红梅等[4]报道离体花粉4℃(冰箱冷藏)其生活力可保持4 d;王霞等[2]研究表明,在4℃贮存5d结实率平均近30%,这与本研究结论不同。这可能是供试材料及所处环境不同所致。本试验4℃贮存8 h内结实籽粒数较多,结实率10 h后明显降低,24 h后结实籽粒数、结实率显著降低,不同自交系间差异显著;ZM4321、H1269离体花粉高活性持续期最长,24 h结实籽粒数维持200粒左右,结实率50%以上,55 h仍维持50粒以上,结实率15%以上;驻136结实籽粒数主要集中在10 h内,10 h后结实籽粒数急剧降低,48~54 h结实籽粒基本为0;驻54、ZM3358离体花粉活性基本相同,结实籽粒数主要集中在8 h内;ZM027 12 h内结实籽粒数保持100粒以上,48 h仍有20%左右结实率,54 h结实率在5%左右。
有研究[4]发现,低温显著延长玉米离体花粉的活性,-20℃贮存3 d的离体花粉可保持90%以上的生活力。也有相关文献[2]报道,-20℃贮存5 d的玉米离体花粉仍有40.71%结实率,-20℃贮存1 0d结实率还有7.92%。本研究结果表明,不同类型自交系间集中结实时间差异达极显著水平,ZM3358离体花粉对-7℃冷冻贮存条件极度敏感,花粉耐受性极低,离体花粉高活性维持时间最短,贮存1 h结实籽粒数超过240粒、结实率超过85%,2 h开始结实籽粒数、结实率急剧下降,籽粒数不超过5粒,几乎绝收;ZM4321、H1269、ZM027离体花粉高活性维持时间最长,12 h内ZM4321、H1269、ZM027结实籽粒率在130粒以上,24~30 h内结实籽粒数、结实率急剧降低,48~54 h内结实籽粒数下降到4粒以下,结实率几乎不到1%。驻136、驻54离体花粉高活性维持时间分别为10、8 h,驻136在12~24 h结实籽粒数、结实率显著降低,30 h仍有6%左右结实率,48~54 h内结实籽粒数、结实率几乎为0。这与幸亨泰[12]在-10℃贮存温度、80%相对湿度、6%~8%花粉水分条件下冷冻保存150 d离体花粉萌发能力仍达5%~8%的结果不尽一致。
本研究结果表明,ZM4321、H1269室温贮存条件下离体花粉高活性维持时间最长,为30 h;ZM3358、ZM027室温贮存条件下离体花粉高活性维持时间为10~11 h;驻54室温贮存条件下离体花粉高活性维持时间最短,为3 h;驻136则维持在8 h内;驻54于4 h后结实籽粒数、结实率急剧下降后平缓降至30 h,48~54 h接近完全丧失活性;而驻136于12 h后活性几乎丧失殆尽。自交系间由于对温度的敏感性不同离体花粉活性有所不同,这与前人研究结果类似。侯有良等[14]研究表明,花粉常温贮存26 h存活率为1.2%~3.4%;张红梅等[4]发现,室内常温贮存8 h玉米离体花粉活性没有出现显著衰退,24℃室温贮存活性可维持4 d;任转滩等[11]则认为,24℃常温环境下离体花粉活性只维持8 h,前人研究材料可能由于热受性存在差异,导致研究结果存在差异。
本研究结果也显示,4℃贮存更有利于ZM4321离体花粉活性的保持,-7℃贮存更有利于驻136、驻54离体花粉活性的维持,ZM3358只适应室温条件贮存,H1269、ZM027不同温度贮存条件下离体花粉活性差异不大。这与相关文献报道[2,4,15]存在一定差异,与试验所处生态环境,供试材料基因型差异所致。本文通过测定田间结实率评价不同温度贮存条件下离体花粉活性的变化,后续将进一步对离体花粉活性影响的内部机制进行研究。
本研究表明,不同类型玉米自交系离体花粉不同温度条件下随贮存时间的延长其TTC染色率的变化与田间结实率基本一致,均表明3种温度贮存条件下不同自交系离体花粉TTC染色率变化规律不同,但均随贮存时间的增加呈下降趋势,由于基因型差异其持续时间的长短有所不同。随着贮存时间的延长,不同温度处理之间离体花粉TTC染色率差异显著,TTC染色率降低,离体花粉活性下降,进而降低田间结实率。