文廷剛,杜小鳳,劉京寶,楊文飛,顧大路,羅玉明,王偉中

(1.江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學研究所,江蘇 淮安 223001;2.河南省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所,河南 鄭州 450002;3.淮陰師范學院,江蘇 淮安 223001;4.江蘇省植物生長調(diào)節(jié)劑工程技術研究中心,江蘇 淮安 223001)

玉米屬喜溫作物,對溫度有較好的適應性,但極端高溫會對玉米幼苗生長、穗發(fā)育、籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)形成造成不良影響[1]。近年來,隨著全球氣溫不斷上升以及耕地復種指數(shù)的提高,通過調(diào)整茬口來避開高溫的可能性變小,高溫脅迫逐漸成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要難題之一[2]?；ㄆ谑怯衩讓Ω邷孛{迫最敏感的時期,主要影響穗的發(fā)育[3]?；ㄆ诟邷貢斐捎衩谆ǚ奂盎ńz生活力降低、授粉受精過程受阻,從而導致籽粒敗育率增加、有效粒數(shù)減少和粒重降低[4-5]。

不同玉米品種的耐熱能力不同。在高溫脅迫下,耐熱型玉米品種‘鄭單958’較熱敏型玉米品種‘先玉335’的雄穗和雌穗均能維持較高的抗氧化酶活性、較少的MDA積累量、較強的滲透調(diào)節(jié)能力和較高的花絲水勢和pH值[6-7]。因此,在高溫多發(fā)區(qū)種植耐熱性較強的玉米品種是一種減少高溫熱害損失的有效途徑。

盡管目前已有較多關于高溫脅迫對玉米影響的報道,但主要集中在高溫脅迫對玉米植株的生長發(fā)育、生理功能以及酶活性等方面[8-9]。而評價不同基因型玉米對高溫脅迫的響應差異,鑒定玉米花期耐熱能力大小,預防與應對高溫脅迫對玉米花期的影響等報道還較少。江蘇淮北地區(qū)處于我國黃淮海夏玉米區(qū)南緣,緊鄰我國地理南北分界線,具有獨特的生態(tài)環(huán)境。據(jù)江蘇省氣象服務中心統(tǒng)計,近年來江蘇高溫熱害呈現(xiàn)覆蓋范圍擴大、強度增強、頻次增多的特征,且夏季高溫發(fā)生時段常與作物開花期相遇,造成作物產(chǎn)量和品質(zhì)顯著降低[10]。因此,篩選出適合本地種植的耐高溫玉米品種以及預防高溫脅迫的技術是當前玉米生產(chǎn)中亟待解決的問題。

本研究選擇在蘇北地區(qū)常年種植的普通型玉米、糯玉米和甜玉米共10個品種,研究不同類型玉米對花期高溫脅迫的響應,篩選出與耐熱性相關的綜合評價指標,并對品種類型進行耐熱性分類,同時研究抗高溫調(diào)理劑對不同類型玉米品種在高溫脅迫下的調(diào)控效果,為蘇北地區(qū)耐熱玉米品種鑒定及抗逆栽培提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為近年來通過審定且適宜在本地區(qū)種植的10個玉米品種,其中普通型玉米品種為‘鄭單309’‘蘇玉29’‘蘇玉30’‘蠡玉88’‘登海605’‘先玉335’,糯玉米品種為‘蘇玉糯5號’和‘蘇玉糯11號’,甜玉米品種為‘粵甜710’和‘粵甜27’。種子來自育種單位或購自種子公司?？垢邷卣{(diào)理劑熱害清新產(chǎn)品由江蘇省植物生長調(diào)節(jié)劑工程技術研究中心提供。

1.2 試驗設計

1.2.1 田間小區(qū)試驗試驗于2019年在江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學研究所現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高新科技園區(qū)內(nèi)進行。試驗采用2因素裂區(qū)設計,以玉米花期溫度為主處理,以玉米品種為副處理。高溫脅迫處理在玉米小區(qū)上搭建長×寬×高為15 m×10 m×3.5 m的鋼管塑料大棚,通過塑料薄膜覆蓋升溫,大棚兩側(cè)各留出20%高度不覆膜,用于氣體交換。高溫處理(HT)于吐絲前約5 d開始進行,吐絲15 d后處理結(jié)束,拆除薄膜。以田間自然狀態(tài)為對照(CK),處理結(jié)束后對各項指標進行測定。處理期間用全自動溫度記錄儀測定高溫處理和對照的玉米群體冠層溫度(地面以上2/3植株處),作為試驗田的環(huán)境溫度(圖1)。試驗前茬為小麥,土壤為砂壤土,肥力中等。各玉米品種于2019年6月13日人工穴播,玉米小區(qū)設置在大棚中心區(qū)域內(nèi),長×寬分別為10 m×6 m,小區(qū)與大棚邊緣各留2 m作保護行。玉米采用寬窄行播種方式,寬行距 80 cm、窄行距60 cm,株距均為22 cm,每品種3次重復。試驗中為防止串粉,于吐絲期對所有植株進行套袋授粉。其他田間管理均按高產(chǎn)栽培要求進行。

圖1 玉米花期高溫處理期間的日最高溫度Fig.1 Daily maximum temperature under high temperature stress during flowering period in maize HT:高溫處理High temperature stress;CK:對照Control;SS:吐絲期Silking stage. 下同。The same as follows.

1.2.2 田間抗高溫調(diào)理劑試驗在HT處理下進行抗高溫調(diào)理劑熱害清噴藥處理(HT-S)和不噴藥處理(HT-N),HT-N與HT為同一處理,高溫脅迫處理及藥劑處理時期見圖2。成熟期時,取樣用于計算抗高溫調(diào)理劑處理后的性狀耐熱系數(shù)。藥劑噴施時間在高溫處理前5 d(吐絲前約10 d),藥劑使用量參照文獻[11],即以50 mL水劑+12 g粉劑兌水15 kg進行葉面噴施。其他田間管理同1.2.1節(jié)。

圖2 玉米花期高溫脅迫及藥劑處理Fig.2 High temperature stress and heat resistant regulators spraying during flowering period in maize HT-N:高溫不噴藥High temperature stress and non-spraying;HT-S:高溫噴藥High temperature stress and heat resistant regulators spraying. 下同。The same as follows.

1.3 指標測定

1.3.1 玉米植株性狀測定玉米成熟時,每小區(qū)連續(xù)收取30株位于小區(qū)中部的玉米植株,考察株高、穗位高、氣生根數(shù)、植株地上部近地面第3節(jié)間扁平向莖粗以及穗長、穗粗、禿尖長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重、結(jié)實率、籽粒產(chǎn)量和穗上節(jié)長占株高比。穗上節(jié)長占株高比=(株高-穗位高)/株高×100%。

1.3.2 葉片抗氧化酶活性和丙二醛(MDA)含量測定高溫處理結(jié)束后1 d,每處理取3株穗位葉用于測定抗氧化酶活性和丙二醛含量。超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑(NBT)法[12],過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[13],過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收法[14],MDA含量測定采用硫代巴比妥酸法[15]。

1.3.3 花粉活力測定高溫脅迫后5 d(即吐絲期),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]測定花粉活力。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理,SPSS 18.0統(tǒng)計軟件和R軟件進行相關性分析、主成分分析、逐步回歸及聚類分析。玉米品種耐熱系數(shù)計算參考于康珂等[6]的方法。

性狀耐熱系數(shù)(HTC)=處理測定值/對照測定值×100%

(1)

主成分隸屬函數(shù)值:U(xi)=(xi-xmin)/(xmax-xmin)(i=1,2,…,n)

(2)

(3)

(4)

式(2)中:xi表示第i個指標值;xmin表示第i個指標的最小值;xmax表示第i個指標的最大值。式(3)中:Wi值表示第i個主成分貢獻率占總貢獻率的權(quán)重;Pi為第i個主成分的貢獻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米各品種耐熱系數(shù)及其相關性分析

從表1可知:不同品種間各性狀的耐熱系數(shù)存在差異,在高溫條件下,各品種禿尖長、氣生根數(shù)和穗上節(jié)長占株高比的耐熱系數(shù)均呈增加趨勢;而產(chǎn)量、百粒重、行粒數(shù)、穗長和結(jié)實率的耐熱系數(shù)均呈下降趨勢。其中禿尖長、氣生根數(shù)和莖粗的變異系數(shù)較大,分別為14.98%、13.23%和10.84%;穗粗和百粒重的變異系數(shù)較小,分別為1.74%和2.98%?？梢?不同性狀的耐熱系數(shù)在品種間存在差異,不能通過單一性狀的耐熱系數(shù)來評價玉米品種在花期高溫脅迫下的耐熱性能。

表1 高溫脅迫下玉米各性狀的耐熱系數(shù)Table 1 Heat tolerance coefficients of each character in maize under high temperature stress %

耐熱系數(shù)的相關分析表明,各性狀間均存在一定相關性。產(chǎn)量與百粒重、行粒數(shù)、穗長、穗粗、結(jié)實率、氣生根數(shù)和穗上節(jié)長占株高比的耐熱系數(shù)間呈顯著和極顯著正相關;與禿尖長的耐熱系數(shù)呈顯著負相關;與穗行數(shù)和莖粗的耐熱系數(shù)相關性較低(表2)。由此可見,各性狀耐熱系數(shù)間相關性存在重疊性,其對高溫脅迫響應的異質(zhì)性需要進一步采用多元分析法。

2.2 玉米各性狀的主成分分析

通過對各玉米性狀的耐熱系數(shù)進行主成分分析,并以特征根大于1作為主成分選擇標準,得到3個獨立的主成分。由表3可知:第1主成分的貢獻率為58.476%,各性狀特征向量值中系數(shù)載荷較高的前3位分別是穗上節(jié)長占株高比、氣生根數(shù)和禿尖長,這些指標特征與植株形態(tài)相關,因此第1主成分可被認為是植株形態(tài)因子。第2主成分的貢獻率為14.592%,對應各性狀特征向量值中系數(shù)載荷較高的前2位分別是百粒重和產(chǎn)量,這些指標特征均反映的是籽粒重性狀,因此第2主成分可被認為是籽粒重因子。第3主成分的貢獻率為10.873%,其各性狀特征向量值中系數(shù)載荷較高的前2位分別是穗行數(shù)和行粒數(shù),其主要反映了籽粒數(shù)特征,因此第3主成分可被認為是籽粒數(shù)因子。3個主成分的累積貢獻率達83.941%。由此,可將原來11個單一性狀轉(zhuǎn)換為3個相互獨立的主成分,并代表了原始性狀所傳達的大部分信息對玉米花期耐熱性進行評價和比較,從而能夠可靠地鑒定出各玉米品種的耐熱性強弱。

表3 玉米各性狀的主成分因子系數(shù)及貢獻率Table 3 Contribution rate and coefficients of comprehensive indexes in maize

2.3 玉米各品種耐熱性綜合評價

2.3.1 隸屬函數(shù)和權(quán)重計算根據(jù)各主成分因子的系數(shù)及各性狀的標準化值可分別求出不同類型玉米 3個主成分因子的綜合得分;由于這3個主成分因子在評價玉米耐熱性時所起作用不同,因而需進一步利用隸屬函數(shù)法對供試玉米的耐熱性進行綜合評價。通過表3的各主成分因子系數(shù),計算出各品種3個主成分因子的綜合得分值(CI)。根據(jù)公式(2)求得各品種3個主成分因子的隸屬函數(shù)值(U)。

由表4可知:在高溫脅迫下‘粵甜710’的U(1)值最大(1.000),這說明‘粵甜710’在植株形態(tài)因子上的耐熱性最強;‘先玉335’的U(1)值最小(0.000),這說明‘先玉335’在植株形態(tài)因子上的耐熱性最差。同理,在高溫脅迫下‘蘇玉29’的U(2)值最大(1.000),說明‘蘇玉29’在籽粒重因子上的耐熱性最強;‘登海605’的U(2)值最小(0.000),說明‘登海605’在籽粒重因子上的耐熱性最差。在高溫脅迫下‘鄭單309’的U(3)值最大(1.000),說明‘鄭單309’在籽粒數(shù)因子上的耐熱性最強;‘粵甜710’的U(3)值最小(0.000),說明‘粵甜710’在籽粒數(shù)因子上的耐熱性最差。這表明‘粵甜710’在植株形態(tài)耐熱性增強的同時卻降低了籽粒數(shù),從而嚴重影響了產(chǎn)量提升;而‘蘇玉29’和‘鄭單309’在植株形態(tài)耐熱性增強的同時,分別在籽粒重和籽粒數(shù)上均有極大提升,從而有效保證了籽粒產(chǎn)量的穩(wěn)定。

根據(jù)各主成分因子的貢獻率大小,利用公式(3)求出各主成分因子貢獻率的權(quán)重(W),分別為0.697、0.174和0.129。

2.3.2 耐熱性的綜合評價根據(jù)公式(4)求出各品種耐熱性的綜合評價值(D值)。D值越大表明該品種的耐熱性越強,反之越差。從表4可見:‘蘇玉糯11’的D值最大(0.842),耐熱性排序第1,表明‘蘇玉糯11’的耐熱性最強;‘先玉335’的D值最小(0.103),耐熱性排序第10,表明‘先玉335’的耐熱性最差。

表4 不同玉米品種的綜合評價及耐熱性排序Table 4 The comprehensive evaluation and heat tolerance order in maize

2.4 玉米各品種耐熱性聚類分析

根據(jù)表4中各玉米品種的D值,采用歐氏距離中的離差平方和法對10個玉米品種的耐熱性進行聚類分析。由圖3可知:10個玉米品種可分為高度耐熱型(Ⅰ)、中度耐熱型(Ⅱ)和熱敏感型(Ⅲ)3類。

圖3 10個玉米品種耐熱性的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of heat tolerance in 10 maize varieties

2.5 回歸模型的建立與玉米耐熱性指標篩選

以表4中的耐熱性綜合評價值(D值)作因變量,以玉米的11個性狀的耐熱系數(shù)作為自變量,采用逐步回歸法建立最優(yōu)回歸模型,得到模型方程為:D=-1.936+0.478X2+0.012X7+0.205X10+0.174X11,式中:X2、X7、X10和X11分別代表百粒重、結(jié)實率、氣生根數(shù)和穗上節(jié)長占株高比的耐熱系數(shù)。方程決定系數(shù)R2=0.970,顯著水平P=4.769×10-6(P<0.01),達極顯著水平。由此可見,這 5個性狀對玉米花期耐熱能力有顯著影響,可作為玉米花期耐熱性鑒定指標。

2.6 不同耐熱型玉米品種主要耐熱指標比較

根據(jù)聚類分析及逐步回歸結(jié)果,比較玉米不同耐熱品種間各主要鑒定指標的特征。從圖4可以看出:高度耐熱型、中度耐熱型和熱敏感型品種玉米百粒重、結(jié)實率、氣生根數(shù)和穗上節(jié)長占株高比的耐熱系數(shù)均值呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。這表明高度耐熱型和中度耐熱型品種的百粒重、結(jié)實率、氣生根數(shù)和穗上節(jié)長占株高比等指標較熱敏感型品種有更好的耐熱表現(xiàn)。

圖4 不同耐熱型玉米品種主要耐熱指標的耐熱系數(shù)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狀的耐熱系數(shù)在不同耐熱類型玉米間差異顯著(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 抗高溫調(diào)理劑對不同耐熱型玉米品種耐熱性狀和生理特征的影響

從圖5可見:在高溫脅迫下抗高溫調(diào)理劑處理后,玉米產(chǎn)量、結(jié)實率和氣生根數(shù)的耐熱系數(shù)顯著增加,禿尖長顯著降低。表明抗高溫調(diào)理劑處理能降低高溫脅迫對玉米產(chǎn)量、結(jié)實率、氣生根數(shù)和禿尖長的影響,從而保障玉米的正常生長和產(chǎn)量形成。

圖5 玉米花期高溫脅迫下抗高溫調(diào)理劑處理對各性狀耐熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of heat resistant regulators on the heat tolerance coefficients of morphological characters of maize under high temperature stress during flowering period

由圖6可知:高溫脅迫下,高度耐熱型玉米的SOD和POD活性比對照分別顯著增加38.4%和30.5%,而抗高溫調(diào)理劑處理后SOD、POD和CAT活性比對照分別顯著提高46.3%、39.8%和37.2%。高溫脅迫增加了高度耐熱型玉米的MDA含量,抗高溫調(diào)理劑則將高溫脅迫增加的MDA含量降低,但與對照相比兩者均未達到顯著水平。高溫脅迫下,中度耐熱型玉米SOD活性較對照顯著增加27.5%,POD、CAT活性和MDA含量與對照比均無顯著差異,但抗高溫調(diào)理劑處理后則能顯著提高SOD、POD和CAT活性,分別較對照增加40.8%、25.4%和24.1%,MDA含量下降但差異不顯著。熱敏感型玉米在高溫脅迫下,CAT活性顯著下降15.1%,而MDA含量則顯著增加5.7%;抗高溫調(diào)理劑處理后SOD、POD和CAT活性較對照增加10.4%、17.1%和14.2%,MDA含量下降但仍未達顯著水平。

圖6 抗高溫調(diào)理劑處理對不同耐熱型玉米SOD(A)、POD(B)、CAT(C)和MDA含量(D)的影響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 抗高溫調(diào)理劑對不同耐熱型品種花粉活力和結(jié)實率的影響

由圖7可知:與對照相比,高溫脅迫處理的高度耐熱型、中度耐熱型、熱敏感型的玉米花粉活力分別顯著降低9.0%、13.0%、29.9%,結(jié)實率分別顯著降低5.2%、9.0%、33.3%?？垢邷卣{(diào)理劑處理后,與高溫脅迫相比,高度耐熱型、中度耐熱型和熱敏感型的花粉活力分別提高5.3%、8.7%和26.7%,結(jié)實率分別提高2.0%、6.4%和34.1%?？梢?抗高溫調(diào)理劑能提高不同耐熱型玉米的花粉活力和結(jié)實率,其中熱敏感型玉米的花粉活力和結(jié)實率增幅最高。

圖7 抗高溫調(diào)理劑處理對不同耐熱型玉米花粉 活力和結(jié)實率的影響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 討論

前人研究表明,玉米花期對高溫非常敏感,一般花期溫度超過36 ℃以上就會使玉米的受精率急劇下降[17]。研究還表明,花后高溫脅迫能使玉米籽粒灌漿速率加快、灌漿持續(xù)期縮短,而灌漿速率加快對產(chǎn)量提高的正效應不能彌補灌漿持續(xù)期縮短對產(chǎn)量的負效應,從而導致產(chǎn)量降低[18-19]。因此,從理論上講以產(chǎn)量作為玉米品種的耐熱性鑒定指標是最理想的[20]。但是,由于不同熱敏感類型玉米對高溫的耐受程度不同,加上產(chǎn)量變化受多種因素的影響,所以需要篩選出更好的評價玉米耐熱性的綜合指標,才能對不同類型品種的耐熱性進行綜合評價。本試驗中所測的11個性狀指標對花期高溫脅迫的響應均存在著差異,其中,產(chǎn)量、結(jié)實率、禿尖長和氣生根數(shù)顯然較其他性狀更偏離耐熱系數(shù)100%,表明這些性狀更易受到高溫脅迫影響,而其他性狀在高溫脅迫下相對較穩(wěn)定。本研究還發(fā)現(xiàn),高度和中度耐熱型玉米在主成分1(植株形態(tài)因子)上的隸屬值較高,而在主成分2(籽粒重因子)和主成分3(籽粒數(shù)因子)上的隸屬值較低。這表明高溫脅迫下,高度和中度耐熱型品種首要以改變植株形態(tài)來響應高溫脅迫,從而降低高溫造成的傷害為主要目標;其次以協(xié)調(diào)光合產(chǎn)物在體內(nèi)分配,達到抵抗高溫所需能耗與籽粒灌漿需求間的平衡,從而維持玉米的正常生長,并完成開花結(jié)實;但其中也有一些品種因無法有效協(xié)調(diào)光合產(chǎn)物的分配,而消耗了一定籽粒產(chǎn)量來抵御高溫脅迫(如‘粵甜710’)。熱敏感型品種對高溫脅迫的響應則相反。這也為玉米的耐熱性育種提供了一種參考,即在確保玉米較高耐熱性前提下如何保證其產(chǎn)量的提升將會是以后育種的方向。

趙龍飛等[21]研究發(fā)現(xiàn),花前和花后高溫脅迫能使耐熱型玉米葉片中的SOD、POD和CAT活性顯著升高,而熱敏感型玉米的CAT活性下降。這與本研究結(jié)果基本一致。此外,本試驗中,抗高溫調(diào)理劑處理對高度耐熱型、中度耐熱型和熱敏感型玉米的SOD、POD和CAT活性均有提高,而MDA含量則下降。這表明抗高溫調(diào)理劑能激活不同類型玉米葉片中抗氧化酶活系統(tǒng),提高抗氧化酶活性,降低高溫脅迫對玉米葉片傷害,維持細胞的正常生理。本研究還表明,在高溫脅迫下噴施抗高溫調(diào)理劑熱害清能夠促進不同耐熱型玉米花粉活力的恢復,從而促進結(jié)實率增加。這點在抗高溫調(diào)理劑處理對各性狀耐熱系數(shù)的影響中也得到體現(xiàn),抗高溫調(diào)理劑熱害清處理降低了高溫脅迫對玉米產(chǎn)量、結(jié)實率、氣生根數(shù)和禿尖長的影響,保障了玉米的正常生長和產(chǎn)量形成。

綜上所述,10個不同類型玉米品種可劃分為高度耐熱型、中度耐熱型和熱敏感型3種類型,并篩選出百粒重、結(jié)實率、氣生根數(shù)和穗上節(jié)長占株高比這4個顯著影響玉米花期耐熱能力的單項指標,用于玉米花期耐熱性評價。高溫調(diào)理劑對不同類型玉米品種主要耐熱指標的耐熱系數(shù)、葉片抗氧化酶活系統(tǒng)以及花粉活力均有顯著的增強作用,有利于提高各類型玉米品種的抗高溫能力,減少高溫脅迫對玉米生長和產(chǎn)量造成的傷害和損失。