李錦秀，郭勇智，崔 蓉，張欣宇，王呈玉，劉淑霞

(吉林農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院/吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室,吉林 長春 130118)

在全球氣候變暖以及人類活動的共同影響下，干旱已成為限制玉米生長以及產量的重要因素之一[1-2]。東北地區(qū)是我國玉米主要產區(qū)，但近些年來東北地區(qū)干旱愈發(fā)嚴重，對玉米產量造成了極大的威脅[3]。在我國玉米的整個生長周期中，抽雄期至吐絲期是玉米的需水臨界期，對干旱脅迫反應最為敏感，此期間的水分虧缺會在很大程度上影響玉米的產量。雄穗作為玉米的主要生殖器官，其發(fā)育程度與產量有著密切聯系[4-5]。

在干旱條件下，玉米雄穗將從外部形態(tài)結構以及內部生理狀態(tài)等一系列方面發(fā)生變化從而適應干旱逆境[6]；宋鳳斌等[7]認為干旱脅迫會導致玉米雄穗抽出緩慢甚至不能抽出，雄穗分枝數以及大小也均會受到影響。關于干旱脅迫對玉米生理特性方面的影響，前人做了大量研究，發(fā)現干旱脅迫會造成植株體內產生大量活性氧分子，破壞抗氧化系統與活性氧之間的平衡，同時會導致細胞膜蛋白質以及酶結構的損傷[8]。為了避免過度干旱而導致細胞內部環(huán)境紊亂，植株體內會產生一系列防御機制。楊娟等[9]模擬干旱脅迫對玉米葉片的研究發(fā)現抗氧化系統酶在消除細胞內過多氧自由基方面發(fā)揮了積極作用；Liu 等[10]、Zaher-Ara等[11]和楊曉龍[12]研究發(fā)現，干旱脅迫下滲透調節(jié)物質的存在能夠有效地維持植株細胞內外滲透壓平衡，提高作物抗逆性，對抵御逆境脅迫同樣起著關鍵作用。在干旱脅迫下，玉米雄穗抽出與雌穗吐絲的時間間隔將會增大，此間隔被稱為抽雄吐絲間隔[13]，郭江等[14]認為抽雄吐絲間隔與產量具有密切聯系。因此，探究干旱脅迫對玉米雄穗發(fā)育特征和產量的影響以及應對措施具有重要意義。

關于干旱脅迫對玉米生長及生理特性的影響，前人已做了許多研究，但大多數只探討了干旱脅迫對玉米植株生長形態(tài)以及對穗位葉生理特性的影響[15-16]，對玉米雄穗形態(tài)特征和生理特性影響的研究還相對較少。因此，本試驗共設置2種土壤處理以及4種水分梯度，通過測定不同處理的玉米抽雄吐絲間隔、雄穗形態(tài)結構、雄穗生理指標以及產量，來探究并明確干旱脅迫對玉米雄穗發(fā)育特征及產量的影響，確定施用土壤改良劑的效果，從而為中國東北地區(qū)玉米種植抗旱保產提供一定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地位于吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院田間試驗培養(yǎng)場 (43°47′42″N，123°20′45″E)，供試土壤為鹽堿土，0～20 cm 土壤理化性質如下：pH (水、土質量比 1∶2.5) 8.3，有機質 16.14 g/kg，堿解氮31.44 mg/kg，速效磷 7.23 mg/kg，速效鉀 88.76 mg/kg。

供試作物為玉米，品種為‘富民985’。試驗共設置2種土壤處理，分別是供試土壤施用無機肥料(原土處理)以及供試土壤施用無機肥料后添加土壤改良劑(添加土壤改良劑處理)，并于玉米大喇叭口期至吐絲期進行不同程度的干旱脅迫處理，干旱脅迫共持續(xù)20 d左右，土壤含水量梯度水平分別是正常供水(CK，保證土壤含水量大于田間持水量的80%)、輕度干旱脅迫(LD，保證土壤含水量維持在田間持水量的70%～80%)、中度干旱脅迫(MD，保證土壤含水量維持在田間持水量的60%～70%)以及重度干旱脅迫(SD，保證土壤含水量維持在田間持水量的50%～60%)。脅迫期間采用便攜式土壤水分測定儀定期檢測土壤含水量，根據含水量進行補水，保證脅迫期間土壤含水量在所設范圍內。2種土壤處理土壤水分基礎數據如表1所示。

表1 2種土壤處理土壤水分基礎數據Table 1 Basic data of soil moisture in two soil treatments

為消除單個試驗數據搜集可能產生的誤差，盆栽盆的位置隨機排列，并定期調換位置。每個處理設置3次重復，每次重復設置3盆。盆高35 cm，每盆裝土16 kg，肥料用量根據田間施用量計算為每盆施入尿素 5.9 g，磷酸二銨 3.4 g，硫酸鉀 4.0 g。

1.2 測定方法

1.2.1 玉米抽雄吐絲間隔測定 觀察記錄各玉米植株雄穗開花期以及雌穗吐絲期，計算抽雄吐絲間隔[13]。

1.2.2 玉米雄穗形態(tài)指標測定 雄穗大小=雄穗主軸長+平均分支長×分枝數，雄穗主軸長采用卷尺進行測量；主軸粗采用游標卡尺進行測量；干物質量采用烘干法測定。

1.2.3 玉米雄穗生理指標測定 抗氧化系統酶活性均采用ELISA檢測試劑盒進行檢測：取一定量的玉米雄穗加入PBS緩沖溶液充分研磨，4 000 r/min離心15 min后取上清液，根據ELISA檢測試劑盒的操作說明步驟進行提取，利用酶標儀測定玉米雄穗中的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)的活性。脯氨酸(Pro)含量采用磺基水楊酸法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[17]。

1.2.4 玉米產量指標測定 玉米成熟收獲后測定單株產量構成因子-穗長、禿尖長、穗粗、行數以及行粒數。

1.3 數據分析

數據均采用 Microsoft Excel 2016 軟件整理，采用SPSS 21.0軟件進行單因素方差統計分析，采用Origin 2018軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對玉米抽雄吐絲間隔的影響

如圖1所示，干旱脅迫對玉米抽雄吐絲間隔有顯著影響。在正常供水條件下，2種土壤處理的玉米雌、雄穗開花吐絲同步性較強，抽雄吐絲間隔較?。坏S著干旱程度加劇，玉米抽雄吐絲間隔也隨之延長，并在重度干旱脅迫時達到峰值。從抽雄吐絲間隔分析，重度干旱脅迫時，添加土壤改良劑處理的抽雄吐絲間隔同CK相比延長了4.67 d，而原土處理中則延長了6.33 d；因此，在干旱脅迫條件下施用土壤改良劑可以在一定程度上緩解玉米抽雄吐絲間隔的延長。

圖1 干旱脅迫對玉米抽雄吐絲間隔的影響Fig. 1 Effects of drought stress on maize tasseling-silking interval

2.2 干旱脅迫對玉米雄穗形態(tài)特征的影響

由表2可知，隨著干旱脅迫程度增加，2種土壤處理的雄穗大小、主軸長以及主軸粗均不同程度地降低。在CK中，原土處理與添加土壤改良劑處理中的雄穗形態(tài)特征并無明顯差異；但在重度干旱脅迫時，原土處理的雄穗大小、主軸長、主軸粗相對于CK分別縮小了50.76%、11.64%、52.52%，而添加土壤改良劑處理分別縮小了49.08%、11.32%、37.94%。

表2 干旱脅迫對玉米雄穗形態(tài)特征的影響1)Table 2 Effects of drought stress on morphological characteristics of maize tassels

隨著干旱脅迫程度增加，不同土壤處理的玉米雄穗干物質量均呈現先增加后降低的趨勢。輕度干旱脅迫可促進玉米雄穗積累干物質，原土處理的雄穗干物質較CK相比增加了5.18%，添加土壤改良劑處理的雄穗干物質則增加了14.87%；同CK及輕度干旱脅迫處理相比，中度及重度干旱脅迫的雄穗干物質量均有所下降，其中添加土壤改良劑處理的雄穗干物質積累量要稍優(yōu)于原土處理的。

2.3 干旱脅迫對玉米雄穗生理特性的影響

2.3.1 干旱脅迫對玉米雄穗抗氧化系統酶活性及MDA含量的影響 如圖2A所示，在正常供水條件下，2 種土壤處理的雄穗 SOD 活性均大于 1 000 U·g-1；雄穗的SOD活性在中度干旱脅迫時達到峰值，隨干旱脅迫程度變化顯著，原土處理和添加土壤改良劑處理的雄穗SOD活性同CK相比分別增加了35.32%和41.57%；在重度干旱脅迫時，2種土壤處理的雄穗SOD活性均下降至與CK處理中酶活性相當的水平，但土壤改良劑處理中的SOD活性依舊較高，酶活性達 1 199.83 U·g-1，同 CK 相比升高了14.26%。

圖2 干旱脅迫對玉米雄穗抗氧化系統酶活性及丙二醛含量的影響Fig. 2 Effects of drought stress on antioxidant system enzyme activities and MDA content in maize tassels

如圖2B、2C所示，玉米雄穗的CAT和POD活性受干旱影響顯著，二者均在中度干旱脅迫時達到峰值，在重度干旱脅迫時活性下降。在中度干旱脅迫時，原土處理和添加土壤改良劑處理的CAT活性分別比CK升高了66.61%以及69.39%；在重度干旱脅迫時，原土處理的雄穗CAT活性下降幅度較大，降至與CK的酶活性相當的水平，雖然添加土壤改良劑處理的雄穗酶活性也有所降低，但依舊處于較高水平，同CK相比增加了21.22%。雄穗POD活性的變化趨勢同CAT變化趨勢基本一致。在正常供水條件下，2種土壤處理雄穗的POD活性差異不明顯；在輕度干旱脅迫時，原土處理雄穗POD的分泌水平較低，同CK相比升高了36.67%，而添加土壤改良劑處理POD的分泌水平則較高，同CK相比升高了60.71%；在中度干旱脅迫時，原土處理中的POD活性達到峰值，酶活性達到1 845.17 U·g-1，雖然土壤改良劑處理酶活性依舊較高，但其分泌水平有所減緩；在重度干旱條件下，2種處理雄穗的酶活性均有所下降。

如圖2D所示，雄穗的MDA含量是隨著干旱脅迫程度增加而大幅度升高，并在重度干旱脅迫時達到峰值。在正常供水條件下，2種土壤處理雄穗的MDA含量無較大差異。隨著干旱脅迫程度的增加，原土處理的雄穗對干旱脅迫反應較為敏感，在重度干旱脅迫時，雄穗 MDA 含量達 111.27 μmol·g-1，同CK相比增加了62.92%；添加土壤改良劑處理的雄穗對輕度、中度干旱脅迫反應不敏感，對重度干旱脅迫反應較為敏感，在輕度以及中度干旱脅迫時，其雄穗MDA含量同CK相比分別提高了10.86%以及25.82%，在重度干旱脅迫時提高40.45%。

2.3.2 干旱脅迫對玉米雄穗滲透調節(jié)物質含量的影響 如圖3A所示，添加土壤改良劑處理雄穗Pro含量在輕度干旱脅迫時增長相對較快，同CK相比增加了25.42%，在中度干旱脅迫時增長率則稍有減緩，而原土處理的雄穗Pro含量變化則與之相反；在重度干旱脅迫時，2種土壤處理雄穗中的Pro含量都顯著提升，同CK相比分別增加了53.48%以及53.64%，但2種土壤處理間差異明顯。

圖3 干旱脅迫對玉米雄穗滲透調節(jié)物質含量的影響Fig. 3 Effects of drought stress on the content of osmotic adjustment substances in maize tassels

如圖3B所示，干旱脅迫顯著增加了玉米雄穗的可溶性蛋白含量。正常供水時，2種土壤處理雄穗的可溶性蛋白含量未有明顯差異；在輕度干旱脅迫下，2種處理雄穗的可溶性蛋白含量均有所上升，但添加土壤改良劑處理的雄穗可溶性蛋白分泌水平較高，原土處理中的可溶性蛋白分泌水平相對較弱；中度干旱脅迫時，原土處理與土壤改良劑處理中的雄穗可溶性蛋白含量同CK相比均有大幅度上升，增幅分別為45.38%以及39.79%；重度干旱脅迫時，2種土壤處理雄穗中的可溶性蛋白含量均達到峰值，其中添加土壤改良劑處理的雄穗可溶性蛋白變化相對顯著，同CK相比增加了59.17%。

如圖3C所示，雄穗的可溶性糖含量也隨干旱程度加重而增加。在輕度干旱脅迫時，添加土壤改良劑處理的雄穗可溶性糖含量變化較為明顯，同CK相比上升了20.77%，原土處理上升了17.27%；在中度干旱脅迫時，原土處理雄穗對干旱反應較為敏感，可溶性糖含量同CK相比增加了29.61%，添加土壤改良劑處理的雄穗可溶性糖分泌能力則相對較弱一點；在重度干旱脅迫時，2種土壤處理雄穗中的可溶性糖含量均有所提高，但二者間未有明顯差異。

2.4 干旱脅迫對玉米產量性狀的影響

由表3可知，在抽雄期進行干旱脅迫會導致玉米產量嚴重降低，干旱程度對玉米產量的影響具體表現為重度干旱脅迫＞中度干旱脅迫＞輕度干旱脅迫＞正常供水。輕度干旱脅迫對2種土壤處理的玉米穗長、行數、行粒數以及百粒質量影響較?。坏谥卸纫约爸囟雀珊得{迫時，玉米的穗長、行數以及行粒數均受干旱影響顯著，在重度干旱脅迫時，原土處理的玉米穗長、行數、行粒數以及百粒質量同CK相比分別降低了55.67%、50.00%、77.92%以及26.77%，土壤改良劑處理則降低了34.66%、37.93%、57.95%以及22.81%。玉米果穗的禿尖長受干旱影響顯著，具體表現為隨干旱程度加劇果穗禿尖變長，在重度干旱脅迫時，原土處理與添加土壤改良劑處理的果穗禿尖長度較CK相比分別增長了4.68倍以及7.82倍。玉米果穗穗長、穗粗、行數、行粒數以及百粒質量均隨著干旱脅迫程度加劇而降低，進而導致玉米產量嚴重下降。在各脅迫水平中，添加土壤改良劑處理的玉米產量以及果穗穗部性狀都明顯優(yōu)于原土處理的。

表3 干旱脅迫對玉米產量性狀的影響1)Table 3 Effects of drought stress on maize yield characteristics

2.5 玉米抽雄吐絲間隔與產量的關系

由表4可知，玉米抽雄吐絲間隔與果穗禿尖長呈顯著正相關，與玉米產量、百粒質量、行粒數以及行數呈極顯著負相關；果穗禿尖長與玉米產量、百粒質量、行粒數以及行數呈極顯著負相關；行數、行粒數以及百粒質量均和玉米產量呈極顯著正相關。這說明干旱脅迫延長玉米的抽雄吐絲間隔會導致雌雄穗抽雄吐絲不同步，對授粉造成嚴重影響，進而對玉米產量造成一定影響。因此，玉米抽雄吐絲間隔與產量有著密切聯系。

表4 玉米抽雄吐絲間隔與產量構成因素的相關分析1)Table 4 Correlation analysis between tasseling-silking interval and output composition of maize

3 討論與結論

穗期是玉米雄穗生長發(fā)育的重要時期，也是對水分需求最敏感的時期，若在此時水分虧缺則不利于雄穗正常生長以及維持內部正常生理特性[18]。本研究發(fā)現：干旱脅迫導致玉米雄穗主軸長度、粗度以及分枝數均不同程度地減少，且下降程度隨干旱脅迫程度加重而增大，這與賈波等[19]的研究結果基本一致；適當的干旱有利于雄穗干物質積累，可促進其發(fā)育；干旱脅迫同樣導致玉米抽雄吐絲間隔增大，引起雌雄穗抽雄吐絲不同步，對后續(xù)玉米授粉工作造成嚴重影響。通過對玉米抽雄吐絲間隔與產量的相關性分析發(fā)現：抽雄吐絲間隔與玉米產量呈極顯著負相關，這與王藝煊等[20]的研究結果相類似。本研究還發(fā)現施用土壤改良劑可以在一定程度上改善鹽堿土的保水能力，減小干旱脅迫對玉米雄穗的消極影響，同原土處理相比，其雄穗穗部性狀、抽雄吐絲間隔以及產量受干旱脅迫影響相對較小。

在干旱條件下，玉米細胞失水達到一定程度時會產生大量活性氧分子，這些氧自由基會造成細胞膜氧化損傷，誘導其脂質化，產生大量MDA，大量的活性氧和MDA會改變細胞膜的流動性和通透性，最終導致細胞的結構和功能發(fā)生改變。這種過度的損傷促使玉米雄穗內部分泌抗氧化系統酶(如SOD、POD和CAT)來消除這種副作用[21-22]。本研究發(fā)現：隨著干旱脅迫程度加劇，2種土壤處理雄穗內部的SOD、POD和CAT活性均呈現先升后降的趨勢，結合前期對干旱影響玉米生理調節(jié)機制的研究[23]分析，導致此變化趨勢的原因可能是重度干旱脅迫對雄穗細胞造成一定損傷，內部抗氧化系統酶無法過量分泌進而無法消除分解雄穗內產生的過多的活性氧以及MDA。在干旱脅迫前期，添加土壤改良劑處理雄穗內部抗氧化系統酶分泌速率較快，在中后期則有所減緩，出現此現象的原因可能是在脅迫前期土壤改良劑在土壤中會快速吸收水分，從而維持一定含水量，進而造成土壤中水分匱缺加劇，刺激玉米雄穗分泌抗氧化系統酶抵御干旱帶來的損害，這與周客等[24]和田麗等[25]對土壤改良劑的研究結果相符合；而在脅迫中后期，土壤改良劑中會釋放出一部分水分供應植株生長，此時玉米植株缺水情況有所緩解，使其雄穗內部抗氧化系統酶分泌速率減緩。在不同干旱程度脅迫下，SOD活性變化在2種土壤處理中均無明顯差異且其含量較高，這表明在干旱條件下SOD對玉米雄穗的重要性。本研究結果與前期的研究結果[26]相類似。

已有研究表明，干旱條件下玉米無法正常從土壤中吸取水分，細胞因失水導致細胞內外滲透壓不一致，從而造成細胞皺縮且活性下降。在這種逆境條件下，雄穗內部會大量分泌并積累滲透調節(jié)物質(如Pro、可溶性糖以及可溶性蛋白)，從而降低細胞水勢，維持細胞內外滲透壓一致，使雄穗能正常生長發(fā)育，完成后期授粉工作[27-28]。本研究發(fā)現，滲透調節(jié)物質含量變化受干旱脅迫影響顯著，2種土壤處理雄穗的滲透調節(jié)物質含量變化均是在重度脅迫時達到峰值，這表明玉米可以通過增加體內滲透調節(jié)物質含量來避免脅迫所帶來的損傷，滲透調節(jié)物質在調節(jié)細胞內外因干旱脅迫而產生的滲透壓時發(fā)揮著重要作用。本研究還發(fā)現滲透調節(jié)物質含量變化和抗氧化系統酶變化趨勢基本一致，說明滲透調節(jié)在干旱條件下可以保護有利于清除活性氧的酶活性，這與前人的研究結果[29-30]基本一致。

本研究發(fā)現，干旱脅迫嚴重影響玉米雄穗生長發(fā)育以及產量，施用土壤改良劑可以在一定程度上緩解干旱對植株產生的負作用，輕度干旱脅迫促進玉米雄穗發(fā)育，但重度干旱脅迫時，雄穗內部有害物質分泌過多，抗氧化系統酶以及滲透調節(jié)物質無法正常發(fā)揮作用，對雄穗造成不可逆?zhèn)?。干旱脅迫同樣會造成玉米抽雄吐絲間隔的延長，從而嚴重降低玉米產量。因此在玉米抽雄期至吐絲期做好保水工作是抗旱保產的首要任務。