干旱胁迫对玉米叶片光合特性和穗发育特征的影响

贾双杰, 李红伟, 江艳平, 赵国强, 王和洲, 杨慎骄, 杨青华, 郭家萌, 邵瑞鑫,*

1 河南农业大学农学院/省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室, 郑州 450046 2 中国农业科学院农田灌溉研究所/农业部作物需水与调控重点实验室, 新乡 453002

随着气候变暖和人口迅速增长,水资源短缺已成为全球面临的严峻挑战。在长期的进化过程中,作物通过表型、生理变化和应激反应来响应环境的干旱胁迫。干旱胁迫下植株株高降低[1- 2],单叶叶面积和叶片数降低,总叶面积减小,并且叶片常常发生卷曲萎蔫[3]。叶片缺水后,会影响叶绿素的生物合成,并促进已有叶绿素的分解,从而导致叶片发黄,影响叶片的光合作用,进而降低产量[4- 7]。

玉米是世界上种植面积最广泛的粮食作物之一,全生育期需水较多,是干旱敏感型作物,而干旱作为造成玉米减产的最主要的非生物胁迫因子之一,几乎在玉米的整个生育时期均有发生[8-13]。玉米的一生可分为苗期、穗期和花粒期三个生育阶段,干旱胁迫发生的阶段和程度不同均会对产量造成不同程度的影响[14-16]：苗期土壤水分状况对出苗及幼苗壮弱有重要作用,土壤墒情不足会导致出苗困难,基本苗数不足[17]；花粒期遭遇干旱易影响果穗结实率、籽粒败育率及饱满程度,最终限制产量的增加；而穗期(拔节至开花期)玉米植株处于营养生长与生殖生长并进的阶段,生理代谢活动旺盛,耗水量加大,是玉米的需水临界期,若水分不足会引起小花大量退化和花粉粒发育不健全,从而降低穗粒数[18]。玉米产量构成要素包括单位面积穗数,穗粒数及粒重。玉米的生殖生长阶段(穗期和花粒期)对水分亏缺最为敏感[19- 20],是决定玉米产量的重要阶段,而功能叶的光合能力是作物干物质积累的重要来源和产量形成的基础[21-22]。但光合作用对环境条件的变化非常敏感,当玉米遭遇干旱胁迫时,其叶片的净光合能力下降,光合产物消耗增加,不利于干物质的积累[23-24],说明干旱对玉米产量的影响与叶片光合作用密切相关[25-26]。虽然关于干旱胁迫影响叶片的光合生理特性或穗发育进程的研究已有涉及,但穗位叶的光合活性和雌雄幼穗发育进程对穗期不同程度干旱胁迫的响应未系统报道。

因此,在前期试验基础上,本试验通过设置玉米穗期田间持水量的80%±5%、60%±5%、45%±5%等3个不同程度的水分供应,探究干旱胁迫对玉米干旱敏感自交系PH6WC和抗旱自交系郑58穗位叶光合特性及雌雄穗发育特征的影响,以揭示穗期干旱胁迫对玉米产量的影响机制,为完善旱作栽培技术体系和抗旱新品种的选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年6月至10月在河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站(34°31′N,115°35′E,海拔高度为50.7 m)的移动式防雨棚中进行。小区面积为6.6 m2(2.0 m×3.3 m), 深度为1.8 m,下部设20 cm的砂石滤层,土层深度为1.5 m,前茬作物为冬小麦。坑内土壤为粉砂壤土,田间持水量24%,测坑上方的遮雨棚在降雨之前关闭,雨后开启,有效排除降雨对试验的影响。1 m土层土壤平均容重1.38 g/cm3,有机质含量为9.76 g/kg,碱解氮为3.60 g/kg,有效磷3.24 g/kg,速效钾83.08 mg/kg,土壤pH为7.71。

1.2 试验材料与处理设置

图1 干旱胁迫对不同玉米自交系干物质胁迫指数的影响 Fig.1 Effect of drought stress on stress index of dry matter about different maize inbred lines 6WC(PH6WC)；T7922(铁7922)；S137(沈137)；DH351(登海351)；DH382(登海382)；Y52106(掖52106)；C72(昌7- 2)；Y8112(掖8112)；A9241(豫A9241)；HZ4(黄早4)；Z22(郑22)；Z58(郑58); 其中PH6WC、B73 及PHT77为美国玉米自交系。干物质胁迫指数=同一自交系干旱胁迫下植株地上部分干物质量/对照植株地上部分干物质量

前期试验选用14个玉米自交系：沈137(S137)、掖52106(Y52106)、铁7922(T7922)、掖8112(Y8112)、PH6WC(6WC)、B73、A9241、郑58(Z58)、昌7- 2(C72)、登海382(DH382)、登海351(DH351)、郑22(Z22)、黄早4(HZ4)、PHT77。于拔节至开花期(35天)设置2个水分供应处理：田间持水量的80%±5%(正常处理CK)、60%±5%(轻度干旱胁迫LD),干旱处理于开花期后恢复至CK水平。整个生育期每天早晚抄表调节土壤水分。当处理的土壤水分下降接近至其下限指标时,就进行适度滴灌至上限,灌水量用水表计量。在此试验结果的基础上(图1),筛选出耐旱自交系Z58及干旱敏感自交系6WC进行下一步试验。

本试验玉米自交系于2018年6月8日播种,行距60 cm,株距45 cm,采用穴播方式,每穴播2—3粒,在三叶期每穴定苗1株。于拔节至开花期(35天)设置3个水分供应处理,即CK(同上)、LD(同上)、田间持水量的45%±5%(中度干旱胁迫MD),干旱处理于开花后恢复至CK水平。拔节期和抽雄期各施追肥一次,及时除草防虫。其它的田间管理措施同大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1形态指标的测定

抽雄期按地面到雄穗顶端的高度测定株高, 收获后测定玉米植株茎、叶及穗的干物质积累量,105℃下杀青30分钟后,75℃烘干至恒重即为干重。

1.3.2叶绿素含量和叶绿素荧光参数的测定

使用SPAD- 502便携式叶绿素仪测定仪测定穗位叶叶绿素相对含量(Chlorophyll relative content, SPAD)。该仪器测定值为相对值,无单位,每个叶片测定3次取平均值。同时取相同部位的叶片参考王磊[27]等人的方法进行叶绿素a、b测定。

利用Handy PEA(Hansatech, UK)连续激发式荧光仪,先暗适应20 min后,避开叶脉, 测定玉米功能叶片荧光参数：光系统II(Photosystem II,PSII)最大光化学效率(Fv/Fm)、PSII潜在活性(Fv/Fo)、光合性能综合指数(PIABS)。

1.3.3雌穗和雄穗形态指标及雌雄穗伸长速率的测定

在体视显微镜(冠普佳,SMZ-B2)下观察并拍照抽雄期雌穗和雄穗小花的发育特征, 并测定雌穗的长度、穗粗和雄穗的分支、长度、生物量。另外,从雌穗伸出叶鞘2 cm开始测果穗长度(果穗所在茎节基部到果穗顶端的长度)散粉期结束测定；雄穗抽出心叶5 cm左右开始测定雄穗长度(心叶顶端到雄穗顶端的长度),直至雄穗长度伸长至稳定数值时结束测量。

果穗伸长速率=(果穗长度散粉期-果穗长度雌穗抽出)/天数

雄穗伸长速率=(雄穗长度稳定长度-雄穗长度雄穗抽出)/天数

1.3.4散粉和吐丝日期的统计

60%植株雄穗开始开花的日期为开花期；60%植株花丝露出苞叶2 cm的日期为吐丝期。同时计算开花吐丝间隔的日期(Anthesis-silking interval, ASI)。

1.3.5光合相关指标降低指数

轻度胁迫指数SI1(%)=[(XC-XL)/XC]×100

中度胁迫指数SI2(%)=[(XC-XM)/XC]×100

式中,XC：正常水分处理下的光合相关指标；XL：轻度干旱胁迫处理下的光合相关指标；XM：中度干旱胁迫处理下的光合相关指标。

1.4 数据处理

采用Sigmaplot 12.8 软件进行数据整理及图表绘制,用 SPSS 软件进行数据统计分析, 用 Duncan′s进行处理间差异性检验(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对玉米自交系株高和生物量的影响

两个自交系受到干旱胁迫后株高整体均在下降,但下降程度不一。LD处理下,6WC相比对照显著下降了13.5%(P<0.05),而Z58仅下降了2.8%；MD处理下,6WC、Z58分别显著下降了29.7%、27.5%(P<0.05)(图2)。

图2 干旱胁迫对玉米自交系株高、地上部干物质分配比例及干物质总量的影响 Fig.2 Effect of drought stress on plant height, distribution percentage of dry matter mass and total dry matter in aboveground parts of maize inbred lines 不同字母表示同一品种不同处理在 P<0.05水平上差异显著;CK: 正常水分Normal irrigation；LD: 轻度干旱 Mild drought；MD: 中度干旱 Moderate drought

随着干旱程度的加重,两个玉米自交系的各器官干物质量都在不断下降,以致整株总干物质量降低。LD处理下,6WC、Z58整株总干物质量分别降低了15.9%、10.5%,而MD处理下,分别降低了50.8%、35.8%(图2)。此外,干旱愈严重,营养器官如茎、叶的干物质分配占比愈大,而穗部占比却逐渐减小。MD处理下,6WC、Z58的茎、叶干物质分配比率分别增大了11.7%、5.3%、20.2%、8.6%,穗部干物质占比分别减少了44.5%、16.7%(图2)。

2.2 干旱胁迫对玉米自交系叶绿素和叶绿素荧光特性的影响

MD胁迫使6WC、Z58穗位叶的SPAD值分别显著降低了13.2%、14.6% (P<0.05),而LD与CK差异不显著。6WC的叶绿素a在3个处理间差异显著(P<0.05),但是其LD与MD处理的叶绿素b以及Z58的LD与MD处理的叶绿素a、b间差异不显著(表1)。

叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fv/Fo、PIABS对土壤水分条件的变化比较敏感,是表征作物受胁迫程度的良好指标和探针。Z58的Fv/Fm在3个处理之间差异不显著,而尽管LD与MD处理的Fv/Fo、PIABS相比对照显著降低,但是二者间无显著性差异。6WC的Fv/Fm、Fv/Fo在MD处理后分别降低了 1.9%、8.5%,LD对二者影响均不显著；另外,6WC在LD与MD处理下的PIABS分别降低了22.4%、25.1%。

表1 干旱胁迫对玉米自交系穗位叶叶绿素含量和荧光特性的影响

同一列不同字母表示同一品种不同处理在P<0.05水平上差异显著;SI1,轻度干旱胁迫指数Stress index of mild drought；SI2,中度干旱胁迫指数Stress index of moderate drought

2.3 干旱胁迫对玉米自交系雌穗和雄穗发育的影响

穗期的干旱胁迫不仅延迟了抽雄期雄穗的抽出,且抑制了雄穗的干物质积累,减少了雄穗的分枝数及分枝上的小花数；两个自交系相比,6WC降低幅度更明显,小花分化发育随着干旱程度的增加,而导致生长受阻、发育不良；轻度与中度干旱胁迫下,雌穗的增长速率也明显降低,抽雄期穗长与穗粗分别降低了46.3%、57.4%；57%、57.1%,导致了果穗干物质重降低了56.6%、81.6%(图2,表2)。体视显微镜结果表明,穗期的干旱胁迫还影响了花丝的分化和发育(图3i—l)。

LD和MD下,6WC雌穗伸长速率均与对照差异显著(图4),说明6WC雌穗伸长速率对LD和MD处理都比较敏感,干旱胁迫限制了雌穗的生长发育；而LD和MD间并无显著差异,Z58的LD和MD处理与对照相比差异均不显著,说明Z58雌穗生长对干旱胁迫敏感程度较低。

2.4 干旱胁迫对玉米自交系开花吐丝特性的影响

干旱胁迫导致两玉米自交系开花及吐丝时期均有所延迟,由于程度不一,造成ASI延长。正常条件下,6WC、Z58的ASI分别为2天、0天,LD的ASI分别延长至5天、0天,而MD下ASI各延长至9天、3天(图5)。

图3 干旱胁迫对玉米自交系雌雄穗发育的影响Fig.3 Effect of drought stress on the development of ear and tassel of different inbred linesa—d, Z58抽雄期不同水分处理株高、雄穗、雄穗小花及雌穗；e—h, 6WC抽雄期不同水分处理株高、雄穗、雄穗小花及雌穗；i—k, 6WC抽雄期正常处理、轻度干旱、中度干旱处理的雌穗；l, Z58抽雄期中度干旱处理畸形穗

表2 干旱胁迫对玉米自交系雌雄穗生长特性的影响

同一列同一自交系中的不同字母表示同一品种不同处理在P<0.05水平上差异显著

图4 干旱胁迫对玉米自交系雌雄穗伸长速率的影响Fig.4 Effect of drought stress on the elongation rate of ear and tassel of maize inbred lines

图5 干旱胁迫对玉米自交系开花吐丝间隔期的影响 Fig.5 Effect of drought stress on the anthesis-silking interval of maize inbred lines

3 讨论

植物叶片中叶绿素含量是影响作物光合作用的重要因子,直接决定了叶片光合能力的强弱。本研究着重分析了穗期自交系的穗位叶在不同程度干旱胁迫下的叶绿素相对含量、叶绿素a、b含量及光合特性,结果表明,叶绿素相对含量、叶绿素a对干旱胁迫程度十分敏感,干旱胁迫越严重,叶片将光合作用的光能传递给化学反应系统的能力越弱。另外,干旱胁迫下,植物叶绿体PSII 的Fv/Fm、Fv/Fo值均会下降,说明干旱胁迫使得叶绿体PSII活性中心更易发生光抑制,受到损伤。此外,荧光参数PIABS是以光合吸收为基础,综合反映光合机构活性的参数[28],本试验中干旱胁迫处理后两自交系叶片PIABS值的变化也证实了土壤干旱导致叶片水分亏缺,干旱胁迫影响了叶片光能吸收的活性,降低了玉米自交系在光合作用过程中对光能的捕获(图6)。

图6 干旱胁迫对玉米叶片光合特性和穗发育特征的影响机制[29]Fig.6 Influence mechanism of drought stress on photosynthetic characteristics and ear development characteristics of maize leaves① 生长锥未伸长期；② 生长锥伸长期；③ 小花分化期；④ 小穗分化期；⑤ 性器官形成期；V6,6叶期；V9,9叶期；V12,12叶期；ASI,开花吐丝间隔期 Anthesis-silking interval

玉米干物质产量的90%以上是由光合作用生产,干物质是作物光合作用产物的最高形式,而作物产量实质上也是通过光合作用直接或间接形成,并取决于光合产物的积累与分配[5,7,14]。但是由于干旱胁迫导致叶绿素合成受阻,进一步限制了光合速率,最终影响到生物量积累和分配[30-31]。本试验中,穗期的干旱胁迫越严重,总干物质积累下降越明显,且对穗的影响远大于叶片和茎,表现为干物质向茎和叶片中的分配比例增加,向穗中的转运积累减少,这与 Jiang的研究结果一致[24,32]。此外,与干旱敏感自交系6WC相比,抗旱性强的自交系Z58有较强的物质积累优势,这是由于抗旱自交系营养器官叶片和茎中贮藏物质向穗部转运的能力较高[16,24]。

虽然营养器官的干物质积累量是影响源强度的主要因素之一,但是库容量的大小则取决于穗部发育状况。玉米穗期是决定穗数和穗大小的关键时期,包括生长锥未伸长期、生长锥伸长期、小花分化期、小穗分化期、性器官形成期等生育进程[29]。本试验中,穗期干旱胁迫也影响到干旱敏感自交系6WC的雌雄穗的分化与发育,主要表现在：雄穗开花延后、分枝数减少、小花发育不全以及主轴变短；雌穗长与直径减小、小花发育不完善,吐丝延迟明显,雌雄穗发育的不协调使ASI延长5—9天,导致花期不遇(图3,图6)。然而,对于抗旱性较强的自交系Z58而言,虽然其雌雄穗分化也受到了干旱胁迫的影响,但是雌雄穗性器官形成期同步分化,对ASI影响并不大,因此并没有显著影响Z58的果穗直径以及干物质的积累。以上结果表明：穗期的持续干旱对干旱敏感自交系雌雄穗的分化发育有着不可逆的伤害,例如引起穗发育异常等,这与他人研究结果一致[33-34]。因此,在水资源短缺的背景下,合理安排玉米穗期水分管理、施行节水灌溉措施是实现玉米高产稳产的技术保障。