氮素对高温胁迫下玉米籽粒发育的调控效应

蔡丰乐，马 昕，王帅丽，卢良涛，邵瑞鑫，李鸿萍，赵亚丽，穆心愿，赵 霞，李树岩，刘天学

(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，作物生长发育调控教育部重点实验室，河南 郑州 450002；2.河南省农业科学院 粮食作物研究所，河南 郑州 450002；3.河南省气象科学研究所，河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，河南 郑州 450003)

气候变暖已成为影响全球农业生产的严重问题，IPCC第5次评估报告预测，21世纪末全球气温将升高1.5 ℃，这将进一步增加高温热害的频率和强度[1]。玉米为全球广泛种植的粮食作物，黄淮海夏玉米产区是我国最大的夏玉米集中产区，常年播种面积占全国40%以上[2]。但是，极端高温天气频繁发生在夏玉米对高温敏感的生殖器官发育时期[3]。前人研究表明，气温每增加1%，玉米产量将减少0.99%[4]。因此，高温热害已成为黄淮海夏玉米减产的主要因素之一[5-7]。

玉米籽粒建成期决定着籽粒库容的大小，是胚乳细胞和淀粉粒形成的关键时期[8]，此时期遭遇35 ℃以上高温，将造成籽粒败育，产量下降[9]。籽粒能否成功发育与光合同化产物供应和籽粒本身库容量、库活性有关[10]。库容量指胚乳细胞的数目和大小；库活性是指库器官卸载向其输入同化物质的能力[11]，调控蔗糖分解的可溶性酸性蔗糖转化酶(SAI)的活性可作为衡量库活性的生理指标[10，12-13]。关于籽粒建成期高温对玉米籽粒形成的生理影响已有诸多报道，学者们认为，高温胁迫会加快玉米叶片各种生理生化反应，加速叶片衰老，降低叶片光合能力[14-15]，减少花后干物质积累[16]，减少胚乳细胞数目，减小胚乳细胞大小[17]，降低籽粒SAI活性[18]，增加籽粒败育数，最终导致产量损失[19]。适量的氮素能提高植株叶片光合性能[20]，增加干物质积累[21]，增强籽粒关键酶活性[22]，促进籽粒胚乳细胞分裂增殖和充实，提高籽粒质量[23]。但是，有关籽粒建成期高温胁迫处理后，氮素水平对夏玉米籽粒发育和产量形成的影响尚无相关报道。

本试验选用先玉335和郑单958为材料，通过对籽粒建成期进行高温胁迫处理，设置N90、N180和N270等不同氮素水平，研究在高温条件下，不同氮素处理后夏玉米雌穗不同部位籽粒体积、干质量、SAI活性的动态变化，及顶部籽粒激素水平和成熟期籽粒产量的构成因素，探讨氮素对籽粒建成期高温胁迫下玉米籽粒发育及产量的调控效应，旨在为合理施氮、减少玉米高温灾损提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料与试验设计

选择先玉335(XY335，热敏感品种)和郑单958(ZD958，耐热型品种)[24]为试验品种。试验于2020年在河南省气象科学研究所郑州农业气象观测综合试验站(34°43′ N，113°39′ E)进行，土壤基础肥力为速效钾183.67 mg/kg、有效磷36.38 mg/kg、碱解氮107.96 mg/kg、有机质25.35 g/kg，pH值6.52。

试验于授粉结束至籽粒形态基本建成(历时12 d)时对棚内玉米进行高温处理(T)，处理时间为每天8：00—17：00，周围用透光率95%的树脂薄膜围住，顶部密封80%，均匀留出20%的空隙，以利于气体交换，以棚外玉米作为对照(CK)。棚内外均种植2个供试品种，设3个氮素水平：N90(90 kg/hm2)、N180(180 kg/hm2)、N270(270 kg/hm2)，3次重复。棚内外每个处理种植6行玉米，棚内行长7.4 m，棚外行长5.0 m，均采用60 cm等行距人工点播种植，密度为67 500 株/hm2。磷(P2O5)、钾(K2O)施用量均为150 kg/hm2，肥料均于拔节期一次性施入，其他管理同大田生产。试验所用肥料为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)、硫酸钾(K2O 52%)。用温湿度自动记录仪记录高温处理期间高温和对照处理的玉米冠层和穗位高度的气温及相对湿度。高温处理期间，棚外冠层日均温29.87 ℃，棚外穗位日均温28.59 ℃，棚内冠层日均温34.92 ℃，棚内穗位日均温30.61 ℃，高温处理时段高温处理冠层和穗位层的平均温度分别比对照增加5.04，2.02 ℃，相对湿度分别减少0.30，8.00百分点(图1)。

图1 高温处理期间平均温度和相对湿度的变化Fig.1 The changes of average temperatureand relative humidity during heat treatment

1.2 测定项目与方法

1.2.1 籽粒体积和干质量 分别于高温处理后3，8，12 d选取各处理3株有代表性植株的雌穗，按雌穗长度将籽粒等分为上、中、下3个部分，用排水法测定籽粒体积后[22]，于105 ℃杀青30 min，然后80 ℃烘干至恒质量，进行测定。

1.2.2 籽粒SAI活性 分别于高温处理后3，6，9，12 d选取各处理3株有代表性植株的雌穗，按雌穗长度将籽粒等分为上、中、下3个部分，用酶联免疫法测定上、中、下部籽粒的SAI活性[25]。

1.2.3 籽粒激素含量 取高温处理后6 d穗部上部籽粒，用酶联免疫法测定籽粒中脱落酸(ABA)、赤霉素(GA3)、生长素(IAA)和玉米素核苷(ZR)含量[26]。

1.2.4 测产及考种 籽粒成熟期选取2 m双行植株进行测产，测定果穗的穗长、秃尖长、穗行数、行粒数、百粒质量及败育籽粒数，同时测定籽粒含水率，并按14%含水率折算百粒质量和实际产量。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0统计软件对试验数据进行整理与分析，用Microsoft Excel 2019作图。

2 结果与分析

2.1 氮素对高温胁迫下玉米产量及产量构成因素的影响

2.1.1 氮素对高温胁迫下玉米产量的影响 高温胁迫降低了ZD958和 XY335的产量，且XY335的降幅明显高于ZD958(图2)。在常温处理下，先玉335品种产量高于郑单958，先玉335对氮素比较敏感，产量随施氮量增加先升后降，N180处理下最高；在高温处理下，2个品种的产量均表现为N90>N180>N270；与N90相比，ZD958的N180和N270的产量分别显著降低44.29%，52.04%，XY335的产量分别显著降低26.41%，39.94%。与常温处理相比，高温胁迫处理下，XY335在N90、N180、N270处理的产量分别降低14.08%，59.43%，55.15%，ZD958在3个氮肥处理下的产量分别降低8.57%，34.26%，37.99%。以上说明2个品种在高温处理下，高氮处理明显降低了玉米籽粒的产量。

不同小写字母表示同一品种不同处理间在5%水平差异显著(P<0.05)。图5同。Different lowercase letters indicate significant differences(P<0.05)among different treatments in the same variety.The same as Fig.5.

2.1.2 氮素对高温胁迫下玉米产量构成因素及穗部性状的影响 由表1可知，常温条件下，不同氮素处理相比，XY335秃尖长和败育率在N180处理下最低，且N180的穗粒数、穗长、行粒数显著高于N270(P<0.05)；ZD958的N90和N180的百粒质量显著高于N270(P<0.05)，3个氮素水平间的其余产量构成因素和性状差异不显著。高温处理下，随施氮量增加，2个品种行粒数和穗粒数的变化与产量一致，表现为N90处理显著高于N180和N270(P<0.05)，且ZD958的N180处理显著高于N270(P<0.05)；败育率的变化与行粒数和穗粒数相反；与N90相比，ZD958的N180和N270的穗粒数分别显著降低42.89%，52.68%，败育率分别显著增加25.55，29.31百分点，XY335的N180和N270的穗粒数分别显著降低20.95%，35.25%，败育率分别显著增加15.45，24.49百分点。与常温处理相比，高温胁迫处理下，XY335在N90、N180、N270处理的穗粒数分别增加2.46%、降低46.10%、降低48.69%，败育率分别增加2.86，18.40，26.57百分点。相对于正常条件，高温条件下2个品种在中高氮处理下的穗粒数降幅和败育率增幅均显著高于低氮处理。

表1 氮素对高温胁迫下玉米产量构成因素及穗部性状的影响Tab.1 Effects of nitrogen on yield components and ear characters of maize under heat stress

2.1.3 产量、产量构成因素及穗部性状的相关性分析 从表2可以看出，2个品种的产量与穗粒数、行粒数、穗长呈极显著正相关(P<0.01)，与秃尖长、败育率呈极显著负相关(P<0.01)；2个品种的穗粒数与行粒数、穗长呈极显著正相关(P<0.01)，与秃尖长、败育率呈极显著负相关(P<0.01)，且ZD958的穗粒数与穗行数呈显著正相关(P<0.05)；2个品种的行粒数与穗长呈极显著正相关(P<0.01)，与秃尖长、败育率呈极显著负相关(P<0.01)；XY335的穗长与秃尖长、败育率呈极显著负相关(P<0.01)，ZD958的穗长与秃尖长呈显著负相关(P<0.05)，与败育率呈极显著负相关(P<0.01)；秃尖长与败育率呈极显著正相关。

表2 产量、产量构成因素及穗部性状的相关性分析Tab.2 Correlation analysis of yield，yield components and panicle characters

2.2 氮素对高温胁迫下玉米籽粒体积的影响

在籽粒发育初期，高温处理对籽粒体积影响不大；随着籽粒发育进程的推进，高温对籽粒体积增长的影响逐渐增大(图3)。处理后12 d，在高温处理下，XY335上中下部籽粒体积和ZD958中下部籽粒体积均表现为N90>N180>N270；ZD958上部籽粒体积表现为N180>N90>N270。与常温处理相比，高温胁迫处理下，XY335在N90、N180、N270处理的上部籽粒体积分别降低23.89%，27.08%，40.91%，中部籽粒体积分别降低22.73%，42.28%，53.85%，下部籽粒体积分别降低35.66%，60.37%，60.74%；ZD958在N90、N180、N270处理的上部籽粒体积分别降低29.41%，38.46%，48.53%，中部籽粒体积分别降低32.79%，39.50%，47.42%，下部籽粒体积分别降低37.40%，44.70%，34.62%。总之，2个品种在中高氮处理下的籽粒体积降幅总体上明显高于低氮处理；且在中高氮处理下XY335中下部籽粒体积降幅明显高于ZD958，上部籽粒体积降幅明显低于ZD958。

图3 氮素对高温胁迫下郑单958(A、C、E)和先玉335(B、D、F)籽粒体积的影响Fig.3 Effects of nitrogen on grains volume of ZD958(A，C，E)and XY335(B，D，F)under heat stress

2.3 氮素对高温胁迫下玉米籽粒干质量的影响

高温处理下不同施氮水平对籽粒干质量的影响表现出与籽粒体积变化相一致的趋势，但抑制效应表现得更早(图4)。在高温处理下，处理后8 d，2个品种的上中下部籽粒干质量均表现为N90>N180>N270；在处理后12 d，XY335上中下部籽粒干质量和ZD958中下部籽粒干质量均表现为N90>N180>N270，ZD958上部籽粒干质量为N90>N270>N180。与常温处理相比，高温胁迫处理下，处理后8 d，XY335在N270处理下的上、中部籽粒干质量分别显著降低76.59%，30.32%(P<0.05)，在N180处理下的下部籽粒干质量显著降低34.00%(P<0.05)；ZD958在N270处理下的上、中、下部籽粒干质量分别显著降低76.44%，57.88%，55.27%(P<0.05)。在处理后12 d，与常温处理相比，高温胁迫下，XY335在N90、N180、N270处理的上部籽粒干质量分别降低9.28%，44.25%，84.50%，中部籽粒干质量分别降低30.22%，45.06%，57.31%，下部籽粒干质量分别降低32.35%，67.24%，70.04%；ZD958在N90、N180、N270处理的上部籽粒干质量分别降低41.27%，75.66%，75.31%，中部籽粒干质量分别降低36.89%，47.67%，46.69%，下部籽粒干质量分别降低24.25%，57.49%，54.29%。综上所述，2个品种在中高氮处理下的籽粒干质量降幅明显高于低氮处理，且抑制作用出现得更早；XY335在中高氮处理下的上中下部籽粒干质量降幅总体上明显高于ZD958。

图4 氮素对高温胁迫下郑单958(A、C、E)和先玉335(B、D、F)籽粒干质量的影响Fig.4 Effects of nitrogen on grains dry weight of ZD958(A，C，E)and XY335(B，D，F)under heat stress

2.4 氮素对高温胁迫下玉米籽粒SAI活性的影响

随着籽粒发育进程的推进，籽粒中SAI活性呈现渐增的趋势，品种和处理间存在显著差异(表3) (P<0.05)。常温处理下，整体上，XY335上中下部籽粒SAI活性均表现为N270和N180高于N90；ZD958的上中部籽粒SAI活性在前中期以N90较高，中后期则以N270更高，下部籽粒SAI活性表现与上中部籽粒相反。高温处理下，XY335的上部籽粒SAI活性在前中期表现为N90处理高于N180和N270，后期N270处理最高，中部籽粒SAI活性表现为N90显著高于N270，下部籽粒SAI活性表现为N270>N180>N90；ZD958的上部籽粒SAI活性在前中期表现趋势不明显，在中后期表现为N270>N180>N90，中部籽粒SAI活性表现为N270>N180>N90，下部籽粒SAI活性在前中期表现为N270>N180>N90，在后期N180处理远高于N90和N270。

表3 氮素对高温胁迫下玉米籽粒SAI活性的影响Tab.3 Effects of nitrogen on SAI activity in grains of maize under heat stress U/g

与常温处理相比，高温胁迫后XY335上部籽粒SAI活性在N90处理下于6，9，12 d略有升高，在N180和N270处理下一直显著降低；中部籽粒SAI活性于6 d显著升高，12 d N180和N270处理分别显著降低12.96%和22.81%；下部籽粒SAI活性在N90、N180和N270处理下一直降低。ZD958受到高温胁迫后，上部籽粒的SAI活性在N90、N180和N270处理后3，12 d升高，于6，9 d降低，其中，N90和N180处理显著降低(P<0.05)；中部籽粒SAI活性在N90处理下显著降低，在N180处理下于3，6 d降低，于9，12 d升高，在N270处理下明显升高；下部籽粒SAI活性在N90处理下于3，6，12 d升高，在N180和N270处理下一直升高。

2.5 氮素对高温胁迫下玉米籽粒激素含量的影响

与常温处理相比，高温胁迫下中高氮处理(N180与N270)增加了上部籽粒GA3含量(以鲜质量计)，降低了其ABA、IAA、ZR含量(以鲜质量计)(图5)。高温处理下，除ZD958上部籽粒的IAA外，氮素水平间的籽粒激素含量差异显著。在高温处理下，增施氮素降低了2个品种上部籽粒的ABA含量，提高了GA3和ZR含量，提高了XY335上部籽粒的IAA含量，但对ZD958上部籽粒的IAA含量无显著影响。

图5 氮素对高温胁迫下玉米上部籽粒ABA(A)、GA3(B)、IAA(C)和ZR(D)含量的影响Fig.5 Effects of nitrogen on ABA(A)，GA3 (B)，IAA(C)and ZR(D)contents in upper grains of maize under heat stress

3 结论与讨论

玉米授粉后0～8 d是籽粒败育的诱导启动期，8～16 d是籽粒败育的表观衰败期[27]。玉米籽粒建成的适宜温度为22～24 ℃[28]。本研究中，授粉后0～6 d，高温处理穗位温度均达到31 ℃以上，授粉后8～12 d高温处理的籽粒生长停滞，发生败育；高温下XY335穗粒数和产量相较于ZD958的降幅更大，秃尖长增加，与顶部籽粒发育对高温更敏感有关[29]。前人研究结果表明，氮素能促进玉米顶部籽粒发育，提高顶部籽粒体积和干物质量[22]。本研究中，常温处理下，N180水平能促进籽粒发育。但是，在高温下，N180和N270的败育率增加、穗粒数降低。以上说明，玉米籽粒建成期，高温胁迫影响了籽粒发育，增加施氮量不仅不能减缓高温对籽粒发育的影响，反而可能降低胚乳细胞分裂速率和持续时间[17]或阻碍同化物质向籽粒转运[30]，从而加重了籽粒败育。

玉米籽粒建成与籽粒库容量和库活性有关[31]。库容量是胚乳细胞数目和胚乳细胞大小，与胚乳细胞分裂过程有关，是籽粒灌浆的物理限制因子；而库活性则是库器官卸载向其输入的同化物质的能力，是生理限制因子[11]。调控蔗糖分解的SAI活性可以作为衡量库活力的生理指标[10，12-13]。本研究中，高温导致XY335籽粒SAI活性降低，蔗糖卸载能力下降，无法积累同化物质从而形成败育籽粒[30]，且在较高氮素水平下更严重；高温下，ZD958较高的SAI活性保证了其籽粒败育率以及产量降幅比XY335更低，但随氮素水平增加，ZD958籽粒SAI活性升高，籽粒发育表现并未随SAI活性升高而改善，可能与高氮水平下叶绿体超微结构受损严重、光合同化产物供应减少有关[32]。

玉米籽粒的库容量和库活性又受籽粒激素代谢水平的影响[12，31，33]。ZR和IAA介导籽粒建成期的胚乳细胞分裂，调控籽粒库容量大小[31]。较低的ABA/GA3会抑制SAI活性，导致籽粒的蔗糖卸载能力不足[12]。本研究为了揭示高温条件下玉米秃尖的形成与激素之间的关系及氮素的调控效应，测定了不同处理玉米顶部籽粒的激素含量，结果表明，高温胁迫降低了顶部籽粒的ABA/GA3及IAA、ZR含量，从而导致其SAI活性下降，并抑制胚乳细胞分裂[34-35]；高温下，随着氮素水平的增加，顶部籽粒的IAA和ZR含量增加，ABA/GA3降低，即高温下增加施氮量能促进顶部籽粒胚乳细胞分裂，但对籽粒库活性的影响加重。说明高温降低籽粒胚乳细胞分裂和蔗糖转运能力导致顶部籽粒败育[36]，而高温高氮下籽粒发育不受库容量限制，库活性才是其限制因子[37]，秃尖的形成是由ABA/GA3降低引起的。

总之，玉米籽粒建成期31 ℃以上的高温胁迫对玉米顶部籽粒的发育有显著影响，使得高温敏感品种XY335秃尖长增加，产量显著下降。但是，合理的施氮水平(N90)能降低高温下顶部籽粒的败育率，减少产量损失。