花期前后高温对玉米花粉发育及结实率的影响

侯昕芳 王媛媛 黄收兵* 董 昕 陶洪斌 王 璞

(1.中国农业大学 农学院，北京 100193；2.重庆农业科学院 玉米研究所，重庆 401329)

随着全球气候的变化，昼夜温度升高，极端高温发生频率增加[1]，这对全球粮食作物的生产和安全造成了不同程度的影响，且弊大于利[2]。玉米属于C4作物，生长季相对较高的温度能提高玉米的产量，但温度超过一定范围则会对产量造成不利影响[3]。研究表明，1980—2008年的气候变化导致全球玉米减产3.1%，其中，中国的玉米产量降低7.0%[4]。因此，探究玉米的耐高温机制将有助于减弱气候变化对玉米产量的影响。

高温胁迫对作物的影响因发生时期和持续时间不同而不同。在作物的生长发育过程中，生殖生长阶段比营养生长阶段更易受高温胁迫的影响[5]。对小麦、高粱和水稻等作物进行花期前后高温胁迫的研究表明，花前5～9 d处于作物花粉小孢子发育时期，易受到高温胁迫的影响，此外，开花当天是作物对温度最敏感的时期，此时高温会造成严重减产[6-8]。玉米开花的最适温度为30.5 ℃[9-10]，当温度≥38 ℃会抑制花粉萌发[10-11]，使受精结实率降低。

高温胁迫会使花粉和雌穗的形态发生变化。花粉粒在高温下皱缩变形，活力下降，高温还会使小麦和高粱等的花柱干枯，胚囊受损，抑制水稻花柱粘附花粉的能力，抑制花粉管的伸长等，从而影响授粉和受精。花粉粒外壁源于绒毡层细胞，外壁的变化可能是由于高温下绒毡层退化[12]。此外，高温胁迫还会使花粉和雌穗中的活性氧含量增加，活性氧清除酶活性降低，导致活性氧积累，对膜脂造成损伤，影响花粉和雌穗的正常功能[13]。对玉米和水稻的研究发现，花粉对高温的敏感性大于柱头[14-15]，因此，雄性生殖器官可能是热胁迫下影响结实率的主要因素[16-17]。高温胁迫还会使花药壁加厚，难开裂，导致散粉量少且花粉活力低；雌穗吐丝困难，使得抽雄吐丝间隔期延长，授粉时间缩短，这也是导致结实率降低的重要原因之一[18]。此外，高温会导致花粉中淀粉粒减少、细胞壁蔗糖转化酶受损，使得可利用蔗糖减少、不饱和磷脂含量增加；高温胁迫还会使雌配子发育和分裂减慢、卵细胞和助细胞分化受阻，影响花粉和雌穗的活性[13]。同时，高温下诱导花粉与柱头结合的诱导物质分泌减少，到达子房的花粉数目减少，导致受精结实率降低[19]。

目前，有关花期前后不同程度高温胁迫对玉米开花时间的影响及花粉活力降低的机制鲜有报道。因此，本试验以热敏感基因型玉米品种‘驻玉309’为试验材料，在花期前后对玉米进行不同程度高温(31、34和37℃)处理，分析不同温度下玉米的开花时间、花粉活力和受精结实等性状的变化，旨在明确花期不同梯度高温对玉米开花特性和花粉活力的影响，以期为培育耐高温新品种提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年在河北省沧州市吴桥县中国农业大学吴桥实验站(37°41′02″ N, 116°37′23″ E)进行。搭建16 m2(4 m×4 m)，高4 m的可控温室3间，内具备排风扇等温控设施。采用盆栽进行试验，选用附近农田0～20 cm土层土壤进行盆栽种植，土壤过筛后，加入蛭石(土壤∶蛭石体积比为3∶1)混匀后，每盆加入混合土20 L，并施用2 g尿素、2 g P2O5和3 g K2O，大口期追施尿素3 g。

选用热敏感基因型品种‘驻玉309’(‘ZY309’)，于花期前后进行高温(HT)、极高温(EHT)处理，以花期最适温度为对照(CK)，于玉米吐丝前后16 d每天进行10 h(8：00—18:00)高温和极高温处理。每个处理种植30盆，每盆种植3粒种子，在三叶期(V3)时留1株。

高温试验加热期间，HT日平均气温较CK高出3 ℃，EHT日平均气温较CK高出6 ℃；CK平均最高气温为35.58 ℃，HT平均最高气温为39.38 ℃，EHT平均最高气温可达42.32 ℃，具体温度实时记录见图1。

1.2 测定项目与方法

1.2.1作物生长发育动态

记录雄穗抽雄开花期(约60%玉米抽雄散粉)、吐丝期(约60%玉米花丝伸出苞叶2 cm以上)、盛花期(花粉量最大的时期)的时间，并利用开花和吐丝时间计算抽雄吐丝间隔期(ASI)。

图1 玉米高温处理期间的日最高温度(a)、日最低温度(b)和日平均温度(c)Fig.1 Daily maximum temperature (a), daily minimum temperature (b) and mean daily air temperature (c) during high temperature treatment on maize

1.2.2雄穗形态特征

每个处理选取3株长势均匀的植株，在吐丝期测量雄穗穗长(最后一个分支到顶端的距离)、穗粗(雄穗最后一个分支处穗的粗度)以及雄穗分支数。

1.2.3花粉活力

每个处理选取3株长势均匀的植株，在盛花期收集花粉并将其混匀，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)染色法测定花粉活力，在体视显微镜下观察并拍照。区分标准：外形圆、大且染色较深的花粉粒为高活性的花粉；外形圆、大但染色较浅的花粉粒为低活性的花粉；空瘪、皱缩和染色浅的花粉粒为无活性花粉。

1.2.4花粉粒形态

取部分混匀的花粉，经过固定、冲洗、脱水和干燥等处理，在日立S-3400 N扫描电镜下观察花粉粒形态。放大倍数：花粉粒为120倍；单个花粉粒为 1 200 倍。

1.2.5受精结实率

吐丝前选取各处理生长健壮、长势均匀一致的植株4株进行套袋，吐丝完全后统一授粉，在授粉 4～5 d 后，摘取果穗，用刀片沿苞叶顶部切取多余的花丝，轻轻剥开苞叶，抖动雌穗，统计各雌穗脱落的花丝数和虽未脱落但基部萎蔫的花丝数，两部分合计为受精小花数；未脱落的新鲜花丝数及未抽出的花丝数为未受精小花数。三部分合计为雌穗分化的总小花数。据此计算小花受精率和总结实率，计算公式为：小花受精率=(受精小花数/总小花数)×100%；总结实率=(穗粒数/总小花数)×100%。

1.3 数据处理

该试验使用EXCEL和SPSS 17.0软件统计、分析和处理数据，利用Duncan＇s检验处理间差异显著性(P=0.05)，用EXCEL软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 花期不同程度高温对玉米雄穗性状的影响

表1可知，不同程度高温处理对‘ZY309’雄穗形态特征无显著影响，穗长、穗粗和分支数无显著性差异。结果表明，花期前后高温没有显著影响玉米的雄穗性状。

2.2 花期不同程度高温对玉米抽雄吐丝期的影响

图2和图3所示，花期高温影响玉米的开花特性，主要表现为抽雄期提前、开花期和盛花期延后、抽雄吐丝间隔期(ASI)延长。具体表现为HT处理不影响‘ZY309’抽雄、开花及吐丝时间，因此，ASI无显著影响，但盛花时间提前；EHT处理对‘ZY309’则表现为抽雄期提前，开花期和盛花期延后，ASI增加至6 d，较CK延长3 d。结果表明，不同程度高温对开花特性的影响不同，当温度过高时会通过改变开花特性使ASI增加。

2.3 花期不同程度高温对玉米花粉活力的影响

图4和图5可知，花期不同程度高温对玉米花粉活力均产生显著影响。HT处理下，高活力花粉所占总花粉比例与CK相比下降43.39%，低活力和无活力花粉则较CK分别升高2.5和8.2倍；EHT处理与CK相比，高活力花粉比例降低61.12%，低活力和无活力花粉所占比例分别约为CK的2.3和17.1倍。结果表明，玉米花期受到高温胁迫，其花粉活力会显著降低，并且受胁迫温度越高，花粉活力降低的幅度越大。

表1 花期不同程度高温胁迫对玉米雄穗形态特征的影响Table 1 Effects of different high temperatures during flowering stage on male morphological characteristics of maize

图2 花期不同程度高温对玉米雌雄花的影响Fig.2 Response of male and female flower development to different high temperatures during flowering stage

图3 花期不同程度高温对玉米开花吐丝间隔期的影响Fig.3 Response of anthesis-silking interval (ASI) to different high temperatures during flowering stage

花期高温胁迫会使得玉米花粉粒形态发生变化。图5可知，与CK相比，高温下玉米花粉粒皱缩变形，且温度越高，皱缩的花粉粒所占的比例越大(图5(a)～(f))。

图4 花期不同程度高温对玉米花粉活力的影响Fig.4 Pollen fertility of maize under different temperatures during flowering stage

扫描电镜照片：(a)～(c)为花粉粒(放大倍数为120)；(d)～(f)为单个花粉粒(放大倍数为1 200)。Scanning electron micrographs of pollens (amplification=120；(a)-(c)) single pollen grain (amplification=1 200；(d)-(f)).图5 花期不同程度高温对玉米花粉粒结构的影响Fig.5 Response of the ultrastructure of maize pollen grains under different temperature stresses during flowering stage

2.4 花期不同程度高温对玉米受精结实的影响

图6可知，花期不同程度高温会显著影响玉米的小花受精率和籽粒结实率，且受胁迫温度越高，受精率和结实率降低的幅度越大。与CK相比，HT和EHT处理的小花受精率分别降低5.3%和70.2%，EHT处理的结实率降低50.0%，而HT处理的结实率提高5.5%。结果表明，花期高温能够显著降低玉米的小花受精率和结实率，且结实率低于受精率，说明花期高温主要通过影响玉米雄穗小花受精率和结实率来影响产量。

图6 花期不同程度高温对玉米受精结实的影响Fig.6 Spikelet fertility and seed-set of maize under different temperature stresses during flowering stage

3 讨 论

通过观察玉米花期前后不同温度梯度处理的花粉粒发现，高温胁迫会导致花粉活力受损，受精结实率下降，从而影响玉米产量。

玉米雌雄穗花期同步、足够的花粉量和较高的花粉活力是保证雌穗正常受精的关键因素。本研究发现，高温会影响玉米的开花特性及花粉活力。结果显示，与CK相比，EHT处理下玉米抽雄时间提前，开花期延迟，但吐丝时间不变，使得抽雄吐丝间隔期延长,造成雌雄不育，导致受精率、结实率降低，产量下降，这与Rattalino等[21]和王媛媛等[20]结果一致。此外，HT处理与CK相比，抽雄开花时间不变，但盛花期提前，这可能是中等程度高温会加快玉米的散粉速率，同时观察到结实率略有提高，可能是由于高温下花粉活力受到一定程度的影响，但在适宜的温度范围内较高的温度能加速花粉管在花丝中的生长，加快同化物的转运[22-23]。极端高温下抽雄时间提前，可能是高温加快植株生育进程，而开花期和盛花期延迟，则可能是温度过高抑制玉米花药的开裂，使得散粉困难[24]。高温对玉米的雄穗形态特征无显著影响，可能是由于雄穗小花分化从拔节期开始，高温处理时间为开花前后16 d，此时雄穗已发育完成，因此不受高温处理的影响。

本研究发现，玉米花粉比雌穗更易受到高温胁迫的伤害,因此，花粉活力的下降可能是导致受精率下降的直接原因。从微观结构可以发现高温胁迫会导致玉米花粉粒皱缩，且温度越高，花粉粒变形程度越大，花粉粒活性下降幅度也越大。Djanaguiraman等[13]研究表明，高粱花期受到高温胁迫时，会造成花粉粒变形皱缩，花粉活力降低，花粉粒可育性下降，受精结实率降低。高温下花粉活性的下降也与活性氧(ROS)的积累有关，作物受到高温胁迫时，花粉中的ROS增多，活性氧清除酶不能及时清除，从而破坏花粉粒膜脂质。此外，花粉活性还与其淀粉粒的含量有关[13]，正常成熟花粉含有大量淀粉粒和小液泡，且花粉细胞中的可溶性糖能维持较高的花粉活力，使得花粉粒正常萌发[25]。而受到高温胁迫时，花粉中淀粉粒大幅减少，使得花粉活力下降，影响作物正常受精[20]。花粉粒表面由绒毡层细胞发育而来，高温对花粉的损伤可能是由于花粉粒表面的绒毡层细胞损伤退化[12]，而绒毡层细胞的变化可能会影响部分营养物质从绒毡层向发育中花粉的正常输送，导致花粉粒发育受阻，花粉败育。本研究发现高温下萌发孔皱缩变形可能是导致花粉萌发率降低的直接原因[20]。因此，花期高温对花粉粒造成的损伤会直接影响玉米正常受精结实，从而影响产量。

4 结 论

花期前后高温胁迫对玉米的花粉粒发育有显著影响，使得玉米产量显著下降，且温度越高，受精率和结实率越低。花期高温会加速玉米散粉速率，使盛花期提前，极端高温会使抽雄期提前、开花期和盛花期延后，但对吐丝时间无显著影响，从而导致抽雄吐丝间隔期延长，花期不育，影响玉米的受精结实。此外，高温会降低玉米花粉活力，且温度越高，花粉活力降低幅度越大。