散粉前后高温胁迫对不同玉米杂交组合农艺性状及产量的影响

张 秒，李鸿萍，齐红志，王 群，3，张学林，3，赵亚丽，3，刘天学，3，李潮海，3

(1.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450046； 2.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002；3.省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室，河南 郑州 450046)

随全球气候变暖，极端天气事件呈重发、频发的态势，严重威胁作物安全生产[1-3]。近些年，夏季极端高温严重影响玉米的生长发育，使灌浆能力减弱[4]，导致产量降低、品质变劣[5-7]。玉米为雌、雄异花同株，雌穗或雄穗发育异常将导致雌、雄发育不协调，影响花粉与花丝的相遇，进而影响籽粒结实[8-9]。黄淮海区域高温易发期常出现在每年7月下旬—8月上旬，此时正值玉米雌、雄穗分化发育时期[10-11]。玉米高温耐受性除受自身遗传因素影响外，还受栽培技术、种植管理、化学调控技术等影响[12-14]。玉米苗期耐热性鉴定不一定能完全反映穗分化发育期的耐热特性[15]。因此，通过模拟大田实际高温发生情况，对遗传特性存在差异的玉米杂交组合，于散粉前10 d—散粉后10 d进行高温处理，评价其营养器官和生殖器官受高温胁迫后产生的变异及杂交组合之间的响应差异，将为耐热品种的选育和鉴定提供理论依据和评价方法指导。目前，关于高温对玉米的影响研究主要集中在单一品种受高温胁迫的影响分析[14-16]，或多个品种在吐丝期遭受高温胁迫后的比较分析[8,17]，但雄穗散粉前后高温胁迫对不同玉米材料的影响研究鲜有报道，而散粉前后高温胁迫对玉米雄穗小花发育及花粉形成造成的伤害将严重影响玉米籽粒产量的形成。为此，研究散粉前后高温胁迫对遗传背景存在差异的25个玉米高级鉴定杂交组合农艺性状(尤其是雌、雄穗的吐丝、散粉性状)及产量的影响，以期解析散粉前后高温胁迫对不同玉米杂交组合产生的效应，进而为耐热玉米品种的鉴定指标和选育标准制定提供方法借鉴和理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2017年在河南省西平县二郎乡张尧村试验田(114°02′E、33°33′N)进行，该地区属北亚热带向南暖温带的过渡地带，气候环境复杂。土质为砂姜黑土，2016年小麦播前0～20 cm 土层含全氮1.2 g/kg、有效磷20.1 mg/kg、有机质12.4 g/kg，pH值为6.5。

供试玉米杂交组合为遗传背景存在差异的河南省品种审定试验中的25个高级鉴定杂交组合(表1)，能够代表近10 a的河南省主推玉米品种类型。

1.2 试验设计

试验设置高温胁迫(High temperature stress，HT)处理，于玉米散粉前10 d(8月7日)—散粉后10 d(8月26日)，通过全自动智能升温系统设置42 ℃温度胁迫，处理时间为每天9:00—16:00。对照试验(CK)为通过播期的调整，使大口期到吐丝这段时间错过高温易发期，全生育期无高温胁迫。其中，高温胁迫处理采用盆栽试验，各杂交组合设置8盆。对照为大田试验，每组合设置3个重复，小区为6 m长6行区，60 cm等行距种植。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 农艺性状 高温处理结束后，测定叶绿素相对含量(SPAD)、株高、穗位高、茎粗、地上部干质量、根干质量等指标。叶绿素相对含量：用便携式叶绿素测定仪SPAD计测定穗位叶相同部位的SPAD值；株高：雄穗最高点距地面的距离；穗位高：雌穗生长茎节距地面的距离；茎粗：用自动游标卡尺测量第3茎节中部扁圆一面的直径；地上部及根干质量：选取3株，将根系与地上部分开，冲根后将根系置烘箱中，地上部切成段后置烘箱中，105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量，称干质量，并计算根冠比。

1.3.2 吐丝、散粉持续时间 吐丝持续时间为第一株吐丝到最后一株吐丝之间的天数，散粉持续时间为第一株散粉到最后一株散粉之间的天数。

1.3.3 产量 成熟期，取5盆用于计产，晒干脱粒称质量，按水分含量14%计算单穗粒质量。

1.4 数据处理

采用统计软件SPSS 19.0进行差异显著性检验、主成分分析。

耐热系数：高温处理性状测定值/对照性状测定值×100%。

2 结果与分析

2.1 散粉前后高温胁迫对不同玉米杂交组合农艺性状的影响

由表2可知，高温处理期间前10 d，高温胁迫处理的平均气温较对照极显著提高5.1 ℃，高温处理期间后10 d，高温胁迫处理的平均气温较对照极显著提高4.1 ℃。高温胁迫处理的日最高气温极显著高于对照，高温胁迫处理的日最低气温与对照差异不显著。玉米花期最适气温为25～28 ℃，最高气温为30～38 ℃，温度处理可满足胁迫产生条件。需要注意的是，高温处理期间后10 d对照的日最高气温为此阶段某一天的最高气温，非该处理时间段的持续高温。

表2 高温胁迫处理期间温度Tab.2 The temperature during high temperature stress ℃

由表3可知，散粉前后高温胁迫极显著或显著影响叶片SPAD值、株高、地上部干质量、根干质量；不同杂交组合间株高、穗位高、茎粗、地上部干质量、根干质量差异显著；温度与杂交组合互作显著或者极显著影响SPAD值、株高、穗位高、茎粗、地上部干质量、根干质量。

由表4可知，高温胁迫处理后，所有玉米杂交组合叶片SPAD值均降低，降低幅度为4.1%～12.9%，其中，组合8、9、13、17、20、25不显著，2、4、7的减小幅度较大，达10%以上。高温胁迫处理后，玉米杂交组合株高普遍高于对照，25个杂交组合中有23个株高增加，增加幅度为1.1%～35.4%，21个达到显著或极显著水平。高温胁迫处理后，从总体上来说，穗位高的变化幅度没有株高大，表现为4个杂交组合的穗位高显著降低，2个杂交组合显著增加，大多数杂交组合穗位高对高温胁迫处理不敏感。高温胁迫处理后，总体来说茎粗变化不大，仅有3个杂交组合茎粗显著增加，其他没有显著差异。高温胁迫处理后，各玉米杂交组合地上部干质量均较对照降低(仅组合25不显著)，减少幅度均在10%以上，减少超20%的有12个玉米杂交组合。高温胁迫处理后，9个杂交组合的根干质量增加，增加幅度为0.3%～24.6%，6个达到显著或者极显著水平；16个杂交组合根干质量降低，降低幅度在5.4%～31.2%，8个达到显著或者极显著水平。

表3 高温胁迫处理对不同玉米杂交组合农艺性状影响的方差分析Tab.3 The ANOVA analysis of effect of high temperature stress on agronomic traits of different maize hybrid combinations

表4 高温胁迫处理对不同玉米杂交组合农艺性状的影响Tab.4 Effect of high temperature stress on agronomic traits of different maize hybrid combinations

2.2 散粉前后高温胁迫对不同玉米杂交组合吐丝、散粉特性的影响

散粉前后高温胁迫及杂交组合均极显著影响玉米杂交组合的吐丝持续时间、散粉持续时间及吐丝散粉间隔期，高温胁迫与各杂交组合互作也使吐丝持续时间、散粉持续时间及吐丝散粉间隔期受到显著或极显著影响(表5)。由表6可知，与对照相比，总体上高温胁迫处理延长了吐丝持续时间，其中，玉米杂交组合2、4、5、10、14吐丝持续时间受高温影响较大，为8～10 d；高温处理后组合3、8、9、11、12、17、20、21、23、24吐丝持续时间受影响较小，为3～4 d。高温胁迫处理后，各玉米杂交组合的散粉持续时间与对照相比总体均偏短，说明高温影响了雄穗散粉，使群体散粉时间相对集中。而散粉时间短可能会使吐丝不集中的雌穗授粉遇到困难。与对照相比，杂交组合吐丝散粉间隔期普遍延长，组合2、4、5、6、10、22吐丝散粉间隔期较长。

表5 高温胁迫处理对不同玉米杂交组合花期性状影响的方差分析Tab.5 The ANOVA analysis of effect of high temperature stress on florescence traits of different maize hybrid combinations

表6 高温胁迫处理对不同玉米杂交组合花期性状的影响Tab.6 Effect of high temperature stress on florescence traits of different maize hybrid combinations d

2.3 散粉前后高温胁迫对不同玉米杂交组合产量的影响

由表7可知，与对照相比，高温胁迫处理各杂交组合均表现为减产，17个达到显著或者极显著水平。杂交组合减产幅度达5%以上的有15个，其中组合2、3、4、7、14、18、24减产幅度较大，为6.3%～11.3%，较不耐热；组合9、13、25减产幅度较小，为1.8%～2.4%，表现相对较好。

表7 高温胁迫处理不同玉米杂交组合单穗粒质量Tab.7 The grain yield per ear of different maize hybrid combinations under high temperature stress

2.4 不同玉米杂交组合高温耐受性评价

表8为25个玉米杂交组合的12个性状的耐热系数。由表8可知，高温胁迫条件下，同一杂交组合不同性状的耐热系数差异较大，从平均值来看，大多数杂交组合株高、茎粗、吐丝持续期、吐丝散粉间隔期和根冠比5个性状较对照增加，耐热系数大于100%；其余性状则较对照降低，耐热系数小于100%。根据耐热系数变化幅度的大小，将不同指标对高温胁迫的敏感程度加以排序：吐丝散粉间隔期>吐丝持续时间>茎粗>单穗粒质量>SPAD>穗位高>根冠比>根干质量>株高>散粉持续时间>干物质总质量>地上部干质量。不同杂交组合同一性状的耐热系数间也存在较大变异。因此，单一性状的耐热系数难以体现25个玉米杂交组合对高温的耐性差异，其对高温胁迫响应的差异需用多个性状的耐热系数进行综合评价。

表8 不同玉米杂交组合农艺性状及产量的耐热系数Tab.8 Heat tolerance coefficients of agronomic traits and yields of different maize hybrid combinations %

表9 不同玉米杂交组合农艺性状及产量隶属函数值Tab.9 Subordinate function values of agronomic traits and yields of different maize hybrid combinations

为探索玉米耐热性筛选指标，对各杂交组合的11个单一性状进行主成分分析。由表10可知，第一主成分是花期相关的因子，贡献率为49.6%，其中特征向量值最大的是吐丝持续时间(0.51)，其次为吐丝散粉间隔期、散粉持续时间，最小的是穗位高(-0.21)；第二主成分是总干质量相关因子，贡献率为21.5%，其中特征向量值最大的是地上部干质量(0.47)，其次是根干质量、单穗粒质量，最小的是根冠比(-0.23)；第三主成分是根冠发育协调相关的因子，贡献率为14.7%，其中特征向量值最大的是根干质量(0.51)，其次是根冠比、茎粗、株高，最小的是SPAD(-0.19)和吐丝散粉间隔期(-0.19)。综上，花期的贡献率最大，总干质量的贡献率次之，根冠协调也具有较大的贡献率，三者的累计贡献率达85.8%。其中，花期中的吐丝持续时间、散粉持续时间和吐丝散粉间隔期，总干质量中的单穗粒质量、地上部干质量和根干质量以及根冠协调中的株高、茎粗和根冠比这9个性状可以作为杂交组合耐热筛选的指标。

表10 耐热主成分贡献率、累计贡献率及成分荷载矩阵系数Tab.10 Principal component contribution rate,cumulative contribution rate and component load matrix coefficients

3 结论与讨论

研究发现，苗期高温使玉米植株变小、变弱、叶片泛白且缺少光泽[18]；穗分化发育期高温使玉米果穗畸形、产量降低[16]。本研究发现，高温胁迫后大部分杂交组合结实率降低、产量减少，这与前人研究结果一致[8,19]。本研究分析产量形成过程发现，高温胁迫后，吐丝散粉间隔期、吐丝持续时间及散粉持续时间是对产量形成影响较大的农艺性状。这种花期改变导致的雌雄不协调将减少花丝接受花粉的机会[20-21]，高温胁迫处理延长了吐丝持续时间，说明高温影响花丝吐出的速度和一致性。高温胁迫处理后，各玉米杂交组合的散粉持续时间与对照相比总体均偏短，推测高温影响了雄穗散粉，使群体散粉时间相对集中。而散粉时间短可能会使吐丝不集中的雌穗授粉遇到困难[22]。综上，散粉前10 d—散粉后10 d的高温胁迫处理，直接导致产量降低的性状是雌穗和雄穗的异常发育导致的雌雄不协调，且相较于雄穗，雌穗受高温影响更大，推测这种雌雄穗在高温条件下的异常发育及雌雄不协调是导致产量降低的直接原因。与对照相比，高温处理总体上杂交组合吐丝散粉间隔期普遍延长，组合2、4、5、6、10、22吐丝散粉间隔期较长。但是各杂交组合的授粉，未采用人工授粉，自然授粉的情况下，有可能授的不是本株花粉。

高温处理后，雌穗和雄穗发育异常直接导致产量形成受到影响。而雌穗和雄穗的发育是植株进行营养生长之后的结果，植株的营养生长为雌穗和雄穗发育提供物质基础[23]。高温胁迫后植株地上部光合能力下降，生物量减少[17,24-25]，可能是雌穗和雄穗发育异常的原因之一。本研究中，高温胁迫处理使各杂交组合地上部干质量均降低，这可能是由于温度升高后酶活性降低，源器官光合作用下降，导致物质生产能力降低，进而导致干质量减少。但也有杂交组合地上部干质量增加，说明该杂交组合在此高温处理下促进了营养生长，使株高变高、物质积累增加，这有可能是该杂交组合适应高温胁迫，或者能够忍受一定时间的高温胁迫，若缩短该试验的高温处理持续时间，这种杂交组合有可能表现增产。

高温胁迫处理后，根系的变化规律品种间表现不一致，值得深入研究，从这种变化推测，根系发育可能与种质遗传特性有关。高温处理后仅4个杂交组合株高增幅不显著，说明这些杂交组合的株高对高温胁迫处理不敏感。高温胁迫处理使株高增加，这可能会使茎粗变细，而本试验未得出类似结果，这可能是因为高温胁迫处理时茎粗的形成已经完成或接近完成。因此，开展遗传特性不同玉米杂交组合的耐热性评价，对掌握不同玉米种质在高温处理下的生长发育规律，了解其高温耐受性，指导玉米生产和品种选育具有重要意义。