增密對玉米花絲受精結實能力及衰老進程的影響

林 珊，張 莉，吳 鞏，陳先敏，趙 雪，申 思，梁效貴，周順利，2

(1.中國農業大學 農學院，北京 100193；2.河北省低平原區農業技術創新中心，河北 吳橋 061802)

增密是未來實現我國玉米高產的重要技術手段[1]。而玉米密度與產量之間呈“拋物線”關系[2-3]，主要是由于玉米單株產量隨密度增加而呈下降趨勢，達到一定密度后，增密增產的效應無法補償單株產量的下降，反而造成玉米總產量的降低[4]。因此，研究高密度條件下單株產量降低的機制對于玉米高密度栽培具有重要的理論與實踐意義。

玉米對密度的響應因品種[5-6]、土壤氣候[7]、耕作管理水平[8-9]等不同而存在差異。前人研究表明增密造成玉米產量的降低與冠層透光率降低[10]、雌雄穗發育受到影響[11-12]有關，特別是對玉米開花期雌雄穗分化進程的影響，增密往往造成雌雄穗散粉吐絲間隔期(ASI)延長，嚴重影響玉米受粉結實的能力[11-12]。盡管前人就不同密度條件下雌雄穗的分化進程進行過大量研究[13-16]，但對果穗花絲生長與衰老特性及其與受精結實關系研究鮮有報道。本研究從花絲生長發育的角度探討增密對玉米果穗不同部位花絲生長與衰老動態的影響，旨在探明高密度條件下花絲衰老進程以及不同部位花絲生長與受精特性，為實現玉米增密高產栽培提供理論與實踐參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地情況

本研究在河北省滄州市中國農業大學吳橋實驗站(116°37′E，37°41′N)進行。試驗地土壤0～40 cm耕層含有機質11.8 g/kg，全氮0.92 g/kg，有效磷36.5 mg/kg和速效鉀94.8 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用二因素裂區設計，主因素為密度，設置5株/m2(D5，52 500 株/hm2)和11株/m2(D11，112 500 株/hm2)2個密度處理；副因素為品種，選用登海605(DH605)和鄭單958(ZD958)，分別為大穗型和普通穗型品種。小區面積為114 m2(6 m×19 m)。

由于玉米生長季氣象因素變化大，玉米生物學性狀易受環境的影響，為了進一步比較驗證環境效應，本研究設置了2個播期。試驗于2017年6月18日和2017年6月28日播種，等行距種植，行距為0.60 m。為了有足夠的花粉進行授粉試驗，分別于播種期的前4 d增加一個播種期，以及播種期后每隔4 d，增加3個播種期。肥料分種肥和追肥2次施用。種肥每公頃施純氮72 kg、過磷酸鈣600 kg(P2O516%)、硫酸鉀300 kg和硫酸鋅15 kg；追肥于大喇叭口期進行，每公頃108 kg純氮。全生育期按照一般大田水平進行管理，及時防治病蟲草害，無明顯的水肥逆境出現。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 試驗植株選擇 于吐絲前選擇莖粗和株高一致的植株做標記，套袋。并于吐絲當天進行二次選擇，選擇同一天吐絲的植株，記錄吐絲時間。

1.3.2 吐絲動態測定方法 選擇標記的未授粉套袋植株從吐絲第1天到吐絲第20天每天進行取樣，剪取果穗頂端吐出苞葉的花絲，置于90%乙醇溶液，并于4 ℃冰箱保存，直到測定結束。3次生物學重復。

1.3.3 花絲衰老動態測定方法 按照Bassetti等[17]的方法將花絲基部2～3 mm的衰老過程分為4個階段(圖1)。本試驗將進入第Ⅳ階段的花絲視為衰老花絲。具體方法為，將測定完花絲數量的果穗，用刀片小心去掉苞葉，按照花絲衰老標準快速測定衰老花絲數目。

Ⅰ.花絲未衰老；Ⅱ.花絲基部開始萎縮；Ⅲ.花絲基部萎縮程度加大；列Ⅳ.花絲基部完全萎縮。標尺=0.5 mm。

Ⅰ. Silk was not senesced；Ⅱ.Silk basal tissue began to atrophy；Ⅲ.The atrophy in basal silk tissue was enlarged；Ⅳ.Silk was collapse completely. Bar=0.5 mm.

圖1 不同玉米品種花絲衰老過程

Fig.1 Process of silk senescence in different maize hybrids

1.3.4 可受精花絲動態測定方法 可受精花絲即能夠接受花粉并正常完成受精過程的花絲。直接通過顯微鏡觀測花粉管是否到達子房以確定是否完成受精的方法較復雜，且對每根花絲都進行測定的難度大，可操作性差。由于花絲正常受精也即表明了籽粒開始生長。因此，本研究通過測定授粉后30 d生長的籽粒數從而間接得到可受精花絲數。具體方法為：從吐絲第1天開始授粉，連續授粉20 d。每個處理植株僅授粉一次，授粉前后嚴格套袋，避免其他植株自然散落花粉對試驗造成影響。取樣當天按照圖2標準，即可受精花絲數等于建成籽粒(生長良好的籽粒)與敗育籽粒(中途停止灌漿的籽粒)之和。測定整個果穗及不同部位(以穗軸基部為起始，每隔10環為測定部位)的受精后生長的籽粒數(包含癟粒)。6次生物學重復。

1.3.5 可受精花絲百分率測定方法 可受精花絲百分率=可受精花絲數量/吐出苞葉的花絲數量×100%。

標尺=1 cm。Bar=1 cm.

1.4 數據處理與統計分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17.0統計軟件分析試驗數據，用Microsoft Excel 2013作圖。

2 結果與分析

2.1 花絲的生長與衰老特性

如圖3所示，密度對玉米花絲生長有一定的影響。通過套袋處理發現，高密度延緩了花絲吐出苞葉的數量及時間。2個品種2個密度下花絲吐出量的差異均呈現先增加后減小的趨勢。兩品種高密度下所有花絲吐出的時間均較低密度延長。2個播種期，所有花絲吐出的時間DH605表現為高密度較低密度推遲了3 d，ZD958則推遲了1 d?？梢?，密度對大穗型品種DH605的影響較普通穗型品種ZD958更為突出。

圖3 種植密度對果穗吐絲動態的影響

進一步分析不同密度條件下花絲衰老特性，由圖4可見，密度對花絲衰老的時間影響很小，2個播期和2個品種均于吐絲后的第8天和第9天出現衰老花絲。說明不同密度條件下花絲吐出苞葉后開始衰老的時間比較穩定。而值得注意的是，花絲衰老出現后，低密度與高密度的花絲衰老數量差異逐漸加大，表現為低密度的花絲衰老數量均高于高密度，并且所有花絲衰老結束的時間均較高密度提前。這可能與低密度下花絲更多更快吐出苞葉，同時花絲吐出苞葉后衰老時間較為穩定有關。

2.2 花絲對花粉的可接受性

通過對吐出苞葉的花絲進行人工同步授粉，并于吐絲后30 d取樣測定單個果穗受精后生長的籽粒數，結果表明，隨著吐絲時間的延長，單個果穗可受精花絲的數量呈現先增加后減少，最后完全消失的趨勢，兩品種表現一致(圖5)。而值得注意的是，高密度延長了整個果穗可受精花絲的持續時間。不同品種不同播種期所延長的時間也不盡相同。第1個播種期，整個果穗的可受精花絲持續時間DH605高密度比低密度延長2 d，ZD958延長2 d；而第2個播種期，DH605高密度比低密度延長2 d，ZD958則延長1 d(圖5)。

同步測定果穗不同部位的花絲受精特性，如圖6所示，不同部位的可受精花絲特性均表現為先增加后減少，最后完全消失。由此可知，高密度條件下頂部花絲仍然能夠進行正常受粉獲得結實能力。

圖4 種植密度對果穗花絲衰老的影響

圖5 種植密度對果穗可受精花絲數及其持續時間的影響

同時，中下部花絲獲得可受精的時間均較頂部花絲時間早。2個品種和2個密度變化趨勢一致。而值得注意的是，增密對底部花絲(1～10環)開始獲得受精的時間影響較小(均于吐絲第1天獲得受精能力)，但是卻顯著延緩了頂部花絲(DH605大于40環，ZD958大于35環)的受精時間。不同品種不同播種期對頂部花絲受精的延緩時間也不盡相同。第1個播種期，頂部花絲開始獲得受精的時間DH605高密度比低密度推遲3 d，ZD958推遲1 d；而第2個播種期，DH605高密度比低密度推遲1 d，ZD958推遲0 d。

2.3 花絲受粉結實能力與花絲衰老的關系

為了明確吐出苞葉的花絲受粉結實能力與花絲衰老的關系，測定了可受精花絲百分率。結果(圖7)表明，可受精花絲百分率在吐絲后8～9 d一直處于較高水平。而此后可受精花絲百分率逐漸降低，最終變為0。說明吐絲8～9 d以后吐出苞葉的花絲開始不能正常受粉。2個品種的變化趨勢一致。值得注意的是，高密度延緩了可受精花絲百分率降低的幅度，使得整個果穗的花絲可受粉結實時間延長。該變化趨勢與花絲衰老變化趨勢剛好相反。

圖6 種植密度對果穗不同部位花絲結實性的影響

進一步的相關分析表明(圖8)，可受精花絲百分率與花絲衰老呈極顯著的負相關關系(r2=0.964***)，說明較長時間推遲受粉造成的花絲授粉結實能力降低主要是由于花絲衰老造成的。

3 結論與討論

穗粒數是玉米產量構成三要素之一，與產量形成關系密切。玉米穗粒數與花絲能否正常受精密切相關[18]。前人研究表明，玉米果穗上的花絲呈現向頂式生長，中下部花絲最先分化，最先吐出苞葉，而頂部花絲則最晚分化，吐出苞葉時間較晚?；ńz吐出苞葉后，花粉落于花絲上萌發，花粉管在花絲內部延伸，最終到達子房完成受精[17]。Bassetti等[19]研究發現，玉米花絲衰老與籽粒形成密切相關。玉米花絲衰老后，花絲基部2～3 mm出現萎縮，致使花粉管不能順利通過花絲到達子房，阻礙受精過程。因此，闡明增密對玉米花絲受精結實能力及衰老進程的影響具有十分重要的意義。

圖7 種植密度對果穗可受精花絲百分率的影響

***.在0.001水平上相關性顯著。

本研究結果表明，玉米果穗花絲受粉結實能力整體表現為先增加后減少，最后完全消失，該研究結果與前人研究一致[18]。而隨著增密后花絲受粉時間的推遲，整個果穗的結實性降低。但值得注意的是，隨著密度的增加，整個果穗可受精花絲持續時間延長。這可能與高密度延長了中上部花絲受粉結實持續時間有關。本研究結果表明，高密度并不影響果穗花絲吐出苞葉后衰老的時間，其均開始于吐絲后的8～9 d。說明密度脅迫對花絲吐出苞葉后衰老特性影響較小。這與干旱條件下水分對花絲衰老的影響不同[19]，前人研究結果表明干旱脅迫加速了花絲的衰老。同時，Turc等[20]發現，水勢與花絲生長密切相關，說明花絲生長對水分的依賴性更強，而本研究沒有出現明顯的水分脅迫環境。同時，本研究發現，增密延緩了整個果穗花絲的衰老時間。這可能與增密降低了花絲的生長速率，使花絲整體吐出苞葉的時間延長有關。為了進一步研究吐出苞葉的花絲的受粉結實能力與花絲衰老的關系，分析了可受精花絲百分率與花絲衰老的相關性，發現花絲受粉結實能力與花絲衰老呈極顯著的負相關關系。這與前人的研究結果一致，表明先吐出苞葉的果穗基部花絲衰老后，花粉管不能順利到達子房造成受精失敗，花絲受粉結實率降低[21]?？偟膩碚f，高密度對吐出苞葉后的花絲衰老時間沒有明顯影響，但顯著延長整個果穗花絲衰老時間，最終造成果穗花絲的可受粉結實時間延長。