正常生長條件下推遲授粉對玉米籽粒生長的影響

1、正常生長條件下推遲授粉對玉米籽粒生長的影響林珊1，趙雪1，陳先敏1，吳鞏1，高震1，申思1，梁效貴1，周順利1，2*(1中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，北京 100193；2河北省低平原區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，吳橋061802)摘要：玉米籽粒敗育多發(fā)生于穗軸頂部。頂部籽粒除位勢上處于劣勢外，還常與分化及授粉時間較晚事件相關。近年來，越來越多的學者認為授粉晚是籽粒敗育的原因之一。而推遲授粉事件是否直接影響籽粒生長，目前還缺少較為明確的證據(jù)。本研究通過對先后吐出苞葉的花絲進行特定時間的授粉，研究了正常生長條件下推遲授粉對玉米籽粒生長的影響。結果表明，推遲授粉對先授粉籽粒的生長影響較小，先授粉籽粒粒重無顯著差異

2、；但顯著減低了后授粉籽粒的粒重，先玉335及登海605兩個品種表現(xiàn)一致。進一步研究發(fā)現(xiàn)，后授粉籽粒的生長動態(tài)，即干物質積累動態(tài)與正常授粉籽粒并不存在顯著差異，先玉335、登海605、鄭單958和大成168四個品種表現(xiàn)一致。說明無脅迫條件下，推遲授粉僅僅相對推遲了后授粉籽粒的生長發(fā)育時期，生長時間縮短，從而影響了籽粒粒重形成。因此，正常生長條件下推遲授粉事件并未影響籽粒生長，脅迫條件下的其他因素可能才是造成籽粒敗育的根本原因。關鍵詞：玉米；籽粒；推遲授粉；敗育；粒重中圖分類號：S513 文獻標志碼 A Effects of Delayed Pollination on Kernel Develo

3、pment in MaizeLIN Shan1, ZHAO Xue1, CHEN Xian-Min1, WU Gong1, GAO Zhen1, SHEN Si1, LIANG Xiao-Gui1, ZHOU Shun-Li1,2*(1 College of Agronomy & Biotechnology, China Agricultural University, Beijing, 100193, China2 Center of Agricultural Engineering and Technical Research for Lowland Plain of Hebei,

4、 Wuqiao 061802, China)Abstract: In maize, kernel abortion was always occurred in the apical region of the ear. The apical kernel was not only showed the disadvantages in position but related to the late events of differentiation and pollination. In recent, many researchers suggested that delayed pol

5、lination was the cause of kernel abortion. However, whether delayed pollination was causal link to kernel abortion is still unclear. Experiment was carried out by delayed pollination on late emergence silks under normal growth conditions. We found that delayed pollination had little effect on growth

6、 and development of the early pollinated kernel. However, delayed pollination significantly reduced the weight of late pollinated kernel, Xianyu335 and Denghai605 hybrids both showed the same trend. Our results also showed that there was no significantly difference in dry matter accumulation between

7、 late pollinated kernel and normal kernel with same time after pollination, Xianyu335, Denghai605, Zhengdan958 and Dacheng168 hybrids all showed the same trend. In general, delayed pollination only delayed and shortened the development of late pollination kernel development, thus affected kernel wei

8、ght under no stress conditions. It was mentioning that factors other than delayed pollination likely play key role in controlling kernel development under stress condition.Key words: Maize; Kernel; Delayed pollination; Kernel abortion; Kernel weight錄用日期：2019-基金項目：糧食豐產(chǎn)增效科技創(chuàng)新重點專項(2016YFD0300301)、國家玉米產(chǎn)

9、業(yè)技術體系(CARS-02-13)聯(lián)系方式：林珊(1989-)，博士研究生，主要從事玉米逆境生理研究，E-mail：1049214903 周順利為本文通訊作者。E-mail：zhoushl玉米籽粒發(fā)育早期是決定穗粒數(shù)的關鍵時期1, 2，此階段如遭遇非生物逆境脅迫，往往造成穗粒數(shù)減少，產(chǎn)量降低3, 4。而值得注意的是，影響籽粒生長的部位往往集中于穗軸頂部，相比較而言，穗軸中部與底部發(fā)生敗育的機率則較少2, 5。關于影響玉米籽粒的生長機制，國內外提出了籽粒位勢差6，源供應7-9，庫活性5, 10, 11等諸多學說。玉米頂部籽粒位于穗軸頂部，除了子房分化發(fā)育時間較中下部籽粒推遲外，分化較晚的花絲吐出

10、苞葉的時間也相對中下部籽粒晚3, 4, 12。研究表明，正常生長條件下頂部花絲吐出苞葉時間較最先吐出苞葉的花絲，推遲時間一般為4天左右，因品種不同而存在差異13-15。頂部籽粒花絲吐出苞葉的時間推遲，也決定了頂部籽粒授粉時間較中下部晚的事實。因此，越來越多的學者認為，授粉時間推遲本身也是影響籽粒生長的關鍵原因之一4, 16。然而，推遲授粉時間對籽粒生長的影響卻存在矛盾的觀點。Ca´rcova等于吐絲后第五天，通過同步授粉處理顯著提高了單株玉米的穗粒數(shù)達8%535%，說明縮短頂部與中下部籽粒的授粉時間可以彌補頂部籽粒分化發(fā)育上的劣勢12。該研究團隊進一步通過對穗軸頂部籽粒進行加溫處理，

11、明顯加速了頂部籽粒花絲吐出苞葉的時間，提高了穗粒數(shù)17。而值得注意的是，其研究同時發(fā)現(xiàn)花絲授粉時間差在2-4天之間不利于后授粉籽粒結實17。與此結果不同的是，Pagano等發(fā)現(xiàn)推遲授粉時間小于4天籽粒仍然可以正常結實18；Oury等發(fā)現(xiàn)花絲先后授粉時間差為6天時，后授粉籽粒發(fā)生敗育4。以上研究結果的不同可能與研究的環(huán)境條件以及植株的源供應能力不同有關。Boyer等通過一系列的莖部注射蔗糖試驗，也證明了脅迫條件下籽粒建成與當時的光合同化物的供應密切相關19-21。因此，有必要進一步厘清推遲授粉與籽粒生長的關系。另外，前人有關推遲授粉對籽粒生長的影響，往往在脅迫條件下進行16，因此不能排除其他因素

12、，如源供應不足7-9，庫活性低5, 10, 11等對籽粒生長的影響。本研究通過延長果穗頂部籽粒和底部籽粒的授粉時間差，觀測了正常生長條件下玉米先后授粉籽粒的生長動態(tài)，以期明確推遲授粉對玉米籽粒生長發(fā)育的影響以及先后授粉籽粒之間的關系。1 材料與方法1.1 試驗區(qū)基本情況試驗在河北省滄州市中國農(nóng)業(yè)大學吳橋實驗站進行。試驗區(qū)暖溫帶季風氣候，海拔1422m，土壤為沖擊型鹽化潮土。0-40 cm土壤包含有機質11.8 g.kg-1，全氮 0.92 g.kg-1, 速效磷36.5 mg.kg-1，速效鉀94.8 mg.kg-1。1.2 試驗設計本研究包括2個試驗。試驗一的品種選用先玉335和登海605，

13、設置推遲0、1、2、4、6、8天共6個推遲授粉處理；試驗二的品種選用先玉335、登海605、鄭單958、大成168，設置推遲0天和8天共2個推遲授粉處理。推遲授粉處理具體方法為：吐絲前選擇莖粗和株高一致的植株做標記，套袋。吐絲當天進行二次選擇，選擇同一天吐絲的植株，記錄吐絲時間。推遲授粉處理，即兩次授粉，于吐絲第12天后進行第一次授粉，然后分別于第一次授粉后的第2、3、5、7、9天進行第二次授粉，即推遲1、2、4、6、8天處理；推遲0天的處理即為同步授粉處理，于吐絲后的第五天進行。授粉完成后隨即套袋避免自然授粉。為保證獲得新鮮的花粉，于播種時間前5天增加一個播種期，播種后每隔5天增加兩個播種期

14、。試驗一和試驗二分別于2017年4月27日和6月8日播種，點播，每穴2粒，密度67500株 hm-2，五葉期定苗。肥料分種肥和追肥2次施用。種肥每公頃施純氮72kg、過磷酸鈣600 kg (P2O5 16%)、硫酸鉀300kg和硫酸鋅15 kg，追肥于大喇叭口期進行，每公頃108kg純氮。整個生育期內注意保證足夠水分，及時防治病蟲草害。1.3 調查項目與方法試驗一于第一次授粉后的第10天和第15天進行2次取樣，試驗二鄭單958和大成168于第一次授粉后的15天、25天和成熟期即第一次授粉后45天進行3次取樣，先玉335和登海605則于第一次授粉后的15天到成熟期，每隔5天進行取樣。取樣后立即測

15、定先后授粉籽粒的鮮重；于80烘至恒重后測定籽粒干重。每次取樣測定保證至少3個生物學重復。1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel 2007 和SPSS17.0 統(tǒng)計軟件分析試驗數(shù)據(jù), 用Origin Pro 8.0 作圖。2 結果與分析2.1 推遲授粉天數(shù)對先后授粉籽粒發(fā)育前期生長的影響如圖1所示，第一次授粉后的15天取樣發(fā)現(xiàn)，隨著推遲授粉天數(shù)的增加，后授粉籽粒形態(tài)上表現(xiàn)為發(fā)育時間的推遲。如推遲8天授粉處理的先后授粉籽粒形態(tài)差異顯著，前者已進入淀粉充實階段，而后者籽粒仍然處于水泡期，顏色較白。玉米推遲1天或2天處理的后授粉籽粒外觀上與第一次授粉籽粒十分接近。我們只能從位置上

16、區(qū)分先后，第一次授粉籽粒位置一般位于5-8環(huán)，后授粉籽粒位于中上部。從圖中可以看出，授粉時間顯著影響了籽粒的發(fā)育時間。注：行1：先玉335；行2：登海605。列1：同步授粉；列2：推遲1天授粉；列3：推遲2天授粉；列4：推遲4天授粉；列5：推遲6天授粉；列6：推遲8天授粉。紅色箭頭代表先授粉籽粒；藍色箭頭代表后授粉籽粒。Note: Row 1: Xianyu 335; Row 2: Denghai 605. Column 1: Synchronous pollination; Column 2, Column 3, Column 4, Column 5 and Column 6 denote

17、delayed pollination of 1, 2, 4, 6, 8 d between first pollination in one ear, respectively. Red arrow denotes early pollination kernel; Blue arrow denotes delayed pollination kernel. 圖1 第一次授粉后15天不同推遲授粉處理玉米穗籽粒長相Fig.1 Phenotype of maize kernel in delayed pollination treatments at 15 days after first po

18、llination我們同步測定了后授粉籽粒在第一次授粉后15天時的鮮重和干重，發(fā)現(xiàn)隨著推遲授粉時間的延長，后授粉籽粒的鮮重和干重表現(xiàn)為明顯的降低趨勢（圖2）。推遲授粉處理之間后授粉籽粒的鮮重和干重存在顯著差異（p<0.05）。先玉335與登海605表現(xiàn)一致。先玉335推遲2天和8天處理分別較推遲1天處理的后授粉籽粒鮮重分別降低了11.8%和68.3%，干重分別降低了19.5%和80.0%。登海605推遲2天和8天處理較推遲1天處理的后授粉籽粒鮮重分別降低了19.2%和65.2%，干重分別降低21.5%和75.3%。圖2 第一次授粉后15天時不同推遲授粉處理后授粉玉米籽粒粒重的變化Fig.

19、2 Changes in kernel weight of delayed pollination kernels on maize ear at 15 days after first pollination 對先授粉籽粒的生長動態(tài)的測定結果表明，推遲授粉處理之間先授粉籽粒不論于第一次授粉后的第10天或第15天，處理之間鮮重和干重均無顯著差異，品種之間變化趨勢一致（圖3）。同步授粉處理由于籽粒授粉時間較推遲授粉處理的先授粉籽粒晚，故其鮮重和干重均較其他處理低。注：DAFP: 第一次授粉后天數(shù)。Note: DAFP: days after first pollination.圖3 第一次授粉后

20、10天和15天時不同推遲授粉處理先授粉玉米籽粒粒重的變化Fig.3 Changes in kernel weight of early pollination kernels on at 10 and 15 days after first pollination2.2 推遲授粉天數(shù)對先后授粉籽粒發(fā)育后期生長的影響為探明推遲授粉對后授粉籽粒發(fā)育后期生長造成的影響，我們增加了一個播種期并利用4個品種（先玉335、登海605、鄭單958和大成168）進行了研究和驗證（圖4）。如圖4所示，第一次授粉后的15天取樣，所有品種推遲8天授粉后先后授粉籽粒外觀均明顯存在顯著差異，先授粉籽粒已經(jīng)進入灌漿中期，

21、后授粉籽粒仍然處于水泡期，研究結果與試驗一的結果一致。而于第一次授粉后的25天取樣時，先后授粉籽粒均正常灌漿，特別是后授粉籽粒由原來的水泡期進入灌漿中期，后授粉籽粒的鮮重和干重均顯著增加，籽粒生長表型正常。注：行1：第一次授粉后第15天（DAFP15）取樣；行2：第一次授粉后第25天（DAFP25）取樣。列1：先玉335；列2：登海605；列3：鄭單958；列4：大成168。紅色箭頭代表先授粉籽粒；藍色箭頭代表后授粉籽粒。Note: Row 1: 15 days after first pollination (DAFP); Row 2: 25 days after first pollina

22、tion (DAFP). Column 1: Xianyu 335; Column 2: Denghai 605; Column 3: Zhengdan958; Column 4: Dacheng 168. Red arrow denotes early pollination kernel; Blue arrow denotes delayed pollination kernel.圖4 推遲授粉8天處理下不同玉米品種果穗籽粒長相Fig.4 Phenotype of maize kernel for different hybrids in 8 d delayed pollination t

23、reatment我們同步測定了先玉335和登海605兩個品種同一個果穗不同授粉時間籽粒的干物質積累動態(tài)（圖5）。結果表明，所有取樣時間點的第一次授粉籽粒干重均顯著高于第二次授粉籽粒。說明同一個果穗上由于授粉時間的差異，先后授粉籽粒的生長存在差異。但值得注意的是隨著取樣時間的延長先后授粉籽粒的干重均呈現(xiàn)顯著增加趨勢，后授粉籽粒的生長動態(tài)并沒有受到影響。兩個品種變化趨勢一致。這個結果可能說明了正常生長條件下盡管推遲授粉8天，后授粉籽粒的生長并沒有受到影響。圖5 推遲授粉8天同一果穗先后授粉籽粒粒重變化Fig.5 Changes in kernel weight of early and late

24、pollination kernels in 8 d delayed pollination treatment2.3 先后授粉籽粒生長動態(tài)比較為了進一步明確后授粉籽粒的生長是否受到影響，即先后授粉籽粒在相同授粉時間生長動態(tài)的差異，我們對推遲授粉8天處理的后授粉籽粒與相同生長條件下同步授粉處理相同授粉時間的玉米籽粒干重進行了比較。結果表明，于第一次授粉后的15天、25天和45天（成熟期）取樣，推遲8天授粉的后授粉籽粒與授粉后生長時間相同的同步授粉處理的正常籽粒粒重均無顯著性差異（圖6）。四個品種結果表現(xiàn)一致。本研究結果表明了正常生長條件下推遲授粉事件對后授粉籽粒的生長動態(tài)影響較小（圖6）。注：

25、DASP: 第二次授粉天數(shù); DAP: 同步授粉天數(shù)Note: DASP: days after second pollination; DAP: days after synchronous pollination.圖6 推遲授粉與同步授粉相同授粉天數(shù)籽粒粒重的差異Fig.6 Kernel weight between delayed pollination treatment and synchronous pollination treatment at same pollination day3 討論玉米穗粒數(shù)是產(chǎn)量構成因素之一，與粒重相比對產(chǎn)量的影響更大27。脅迫條件下往往影響玉米果

26、穗頂部籽粒的生長，造成穗粒數(shù)降低，最終影響產(chǎn)量11, 22, 23。而從實際生產(chǎn)中自然授粉玉米同一果穗不同部位花絲存在的授粉早晚差異考慮，進一步明確推遲授粉對先后授粉籽粒生長發(fā)育特性的影響具有重要的理論與實踐意義，有關研究需要進一步加強。我們的研究結果表明，正常生長條件下推遲授粉推遲了后授粉籽粒的生育進程，但并未影響后授粉籽粒的生長。如上述結果所示，推遲授粉時間越長，籽粒生長發(fā)育的起始時間越遲。但盡管推遲授粉時間8天，后授粉籽粒于第一次授粉后的25天仍然能夠積累干物質，并且推遲授粉也不影響后授粉籽粒的正常生長。如圖6所示，推遲授粉處理的后授粉籽粒與正常生長籽粒授粉天數(shù)相同時粒重并未存在顯著性差

27、異。由此可知，在本研究條件下（密度67500株/公頃，無逆境脅迫存在）推遲授粉并未對籽粒的生長造成影響。這也可以解釋，生產(chǎn)中生長條件良好的玉米，雖然頂部籽粒授粉時間較中下部籽粒晚，但頂部籽粒仍然可以發(fā)育成為正常籽粒。本研究結果與前人研究結果也存在不同4, 17，可能與推遲授粉的實施方法以及分析方法有關。Ca´rcova等采用的推遲授粉方法，并非通過人工進行授粉，而是通過自然授粉手段達到，即第一次授粉控制方法為花絲吐出苞葉后第二天進行套袋，隨后達到特定推遲時間即2、4、6天后，再去掉授粉袋進行自然授粉17。該試驗方法的缺陷為去掉授粉袋期間仍然有花絲不斷吐出苞葉，可造成第二次授粉時間的不

28、確定。其次，Oury等將先后授粉籽粒于不同授粉時間進行生長比較，得出后授粉籽粒生長受到影響。而事實是，后授粉籽粒的生長是否受到影響，仍然需要與相同授粉時間的正常生長籽粒進行對比才可知。4 結論與脅迫條件下推遲授粉對籽粒生長的影響不同，正常生長條件下推遲授粉推遲了籽粒發(fā)育的起始時間，但對籽粒本身的生長并未造成影響，先后授粉籽粒在相同生長時間的粒重沒有顯著差異。參考文獻：1 Zinselmeier C, Jeong B R, Boyer J S. Starch and the control of kernel number in maize at low water potentialsJ. P

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