夏玉米粒位效應對增密的響應及其碳氮代謝特征

翟立超，張麗華，鄭孟靜，呂麗華，申海平，姚海坡，賈秀領

(河北省農林科學院 糧油作物研究所，河北省作物栽培生理與綠色生產重點實驗室，河北 石家莊 050035)

玉米是我國第一大糧食作物，作為糧、經、飼兼用的多用途作物，玉米生產對我國糧食安全與整個國民經濟發展具有重要的影響。河北夏玉米區位于黃淮海夏玉米區的最北端，該區玉米平均種植密度為6.27萬株/hm2[1]，較低的種植密度是限制當地玉米產量潛力發揮的主要因素。隨著玉米品種耐密性的增強，合理增加種植密度已成為當前提高玉米產量的重要途徑[2-4]。由于玉米籽粒發育普遍存在一定程度的粒位效應(即與玉米果穗中、下部強勢粒相比，上部弱勢粒灌漿速率慢，灌漿充實不充分，最終粒質量低)[5]，種植密度的增加往往會進一步加劇這種粒位效應，限制密植玉米產量潛力的發揮[6]。因此，深入分析增密對玉米粒位效應的影響，闡明增密影響玉米粒位效應的生理機制，對今后采取有效措施緩解密植玉米粒位效應、實現玉米密植高產挖潛具有重要的意義。

碳、氮代謝是作物植株體內最基本的兩大代謝過程，二者的協調對籽粒發育和產量形成至關重要[7-8]。前期研究表明，蔗糖-淀粉合成相關酶活性低是導致籽粒灌漿充實差的主要原因[5，9]。但也有研究顯示，籽粒中氮代謝關鍵酶活性也影響籽粒的發育與灌漿[10]。 種植密度對玉米籽粒灌漿影響已有不少報道[11-13]，但這些研究多數是圍繞玉米中部強勢粒為對象得出的結論，關于種植密度對玉米不同粒位籽粒灌漿的影響及其碳氮代謝生理特征的研究則鮮有報道，這限制了人們對增密影響玉米粒位效應生理機制的深入理解。

本研究擬通過大田試驗，設置不同的種植密度，重點探討夏玉米粒位效應對增密的響應及其碳氮代謝生理特征，以期為河北夏玉米密植高產挖潛的栽培調控途徑提供理論依據與技術指導。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020—2021年在河北省石家莊市藁城區的河北省農林科學院糧油作物研究所堤上試驗站進行(37°95′N，114°71′E)。該地區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫12.8 °C，年平均降雨約484 mm，其中約70%的降雨集中在6—9月，年均日照時數為2 711 h。試驗地土壤類型為沙質壤土，試驗前耕層土壤(0～20 cm)的有機質含量為20.04 g/kg，全氮0.81 g/kg，全磷0.60 g/kg，全鉀7.24 g/kg，堿解氮20.16 mg/kg，速效磷64.12 mg/kg，速效鉀178.38 mg/kg。

1.2 試驗設計

以玉米品種豫單9953為供試材料，設置3個不同的種植密度(PD1：6.0萬株/hm2；PD2：7.5萬株/hm2；PD3：9.0萬株/hm2)，每個處理設3次重復，共9個小區，小區面積76 m2，等行距種植，行距為60 cm，株距按照不同密度計算確定。肥料施用采用沃夫特緩控釋復合肥(N-P2O5-K2O，28-8-8，養分總含量≥44%)全部基施，施用量810 kg/hm2。基肥于小麥收獲滅茬后玉米種植前通過人工均勻撒施于每小區，然后旋耕入0～20 cm耕層土壤，采用人工點播方式進行。2020，2021年播期分別為6月14日和6月13日，播后澆蒙頭水。其他田間管理措施同常規高產田。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 籽粒灌漿動態及灌漿速率 吐絲前，每小區選取生長一致的單株掛牌并將雌穗套袋120株，散粉高峰期取下套袋輔以人工飽和授粉。授粉后至生理成熟期，每5 d取掛牌果穗6個，并分離果穗上部中間3～6環籽粒(弱勢粒)和果穗中部中間3～6環籽粒(強勢粒)，數取100粒經 105 ℃殺青30 min，80 ℃烘箱烘至恒質量后稱質量，測定籽粒增質量動態。

以授粉后天數為自變量，測算出的單粒粒質量為因變量，參照朱慶森等[14]的方法，用Richard方程擬合籽粒的增質量動態：

①

進一步求導數得出籽粒灌漿速率(G)：

②

其中，W為籽粒的實際質量，a為籽粒的終極生長量，t為授粉后的天數(d)；b、c、d為回歸方程所確定的相關灌漿參數。

1.3.2 植株干物質積累量測定 在開花期和生理成熟期測定干物質積累，每小區取生長均勻的植株3株，按莖、葉、鞘、苞葉、籽粒、穗軸6個部分進行分解，并采用烘干稱質量法測定。

花后物質積累量=生理成熟期的干物質積累量-開花期的干物質積累量

③

1.3.3 籽粒碳氮代謝相關酶活性的測定 在授粉后30 d取不同處理果穗的強、弱勢粒，置于液氮中冷凍5～10 min后放入-70 ℃超低溫冷凍箱保存，用于測定碳氮代謝相關酶活性。參照Yang等[15]的方法測定腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、蔗糖磷酸合成酶(SPSase)、蔗糖合成酶(SSase)、淀粉合成酶(SSSase)的活性；按照李太貴等[16]的方法測定(SBEase)的活性；參照鄒琦[17]的方法，測定硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶和NADH谷氨酸脫氫酶(NADH-GDH)的活性。

1.3.4 可溶性總糖、淀粉、游離氨基酸以及可溶性蛋白含量的測定 采用蒽酮比色法[18]測定籽粒的可溶性總糖和淀粉含量，采用茚三酮比色法[17]測定游離氨基酸含量，采用考馬斯亮藍G-250染色法測定蛋白質含量[17]。

1.4 數據統計與分析

用 Excel 2010 對數據進行整理，采用SPSS 20.0 軟件進行單因素方差分析，采用 Duncan 檢驗法進行多重比較及差異顯著性分析，利用SigmaPlot 14.0軟件繪制圖表，數據以平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 增密對夏玉米弱、強勢粒灌漿及灌漿速率的影響

如圖1 所示，2 a研究結果均表明，與強勢粒相比，種植密度對弱勢粒粒質量與灌漿速率影響較大。增密明顯降低了灌漿中后期弱勢粒的粒質量與灌漿速率，而對強勢粒沒有明顯影響。2020年自授粉后35 d開始，PD3的弱勢粒粒質量與PD1和PD2的弱勢粒粒質量之間的差異逐漸增加，在授粉后55 d，與

A.弱勢粒；B.強勢粒。A.Inferior kernel；B.Superior kernel.

PD1相比，PD2與PD3的弱勢粒粒質量分別降低3.3%和11.5%。弱勢粒的灌漿速率自花后25 d開始在不同密度處理間開始呈現差異，表現為PD1>PD2>PD3，與PD1相比，PD2和PD3的平均灌漿速率分別降低3.7%和11.9%。2021年自授粉后30 d開始，弱勢粒粒質量在不同密度處理間開始呈現差異，表現為PD1和PD2顯著大于PD3，且隨著灌漿進程的推進差異逐漸加劇；與PD1相比，PD2和PD3的弱勢粒粒質量分別降低3.4%和10.4%。不同密度處理的最大灌漿速率出現在授粉后20 d，最大灌漿速率表現為PD2>PD1>PD3，而平均灌漿速率表現為PD1>PD2>PD3。

2.2 增加種植密度對弱、強勢粒粒質量比的影響

弱、強勢粒粒質量比是反映玉米粒位效應的重要指標。由圖2可知，增密降低了玉米弱、強勢粒粒質量比，但在不同年度間存在差異。2020年，與PD1相比，PD2和PD3的弱、強勢粒粒質量比分別顯著降低了3.6%和9.7%。2021年，PD1與PD2之間不存在顯著差異，但是，與PD1相比，PD3的弱、強勢粒粒質量顯著降低7.2%。同一密度處理下，2021年的弱、強勢粒粒質量比普遍低于2020年。與PD1相比，2020，2021年PD3的弱、強勢粒質量比均明顯降低, 平均降幅為8.45%。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3—4同。Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 probability level.The same asFig.3—4.

2.3 增密對夏玉米植株干物質積累和收獲指數的影響

增密明顯影響玉米花前、花后、單株總干物質積累量與收獲指數(表1)。 隨著種植密度的增加，花前、花后及總干物質積累量均呈降低趨勢。與PD1相比，PD2和PD3分別降低花前干物質積累量7.3%和14.0%(2 a平均)、降低花后干物質積累量11.3%和25.3%(2 a平均)、降低總干物質積累量 8.9%和20.9%(2 a平均)。2020年，PD1和PD2之間收獲指數不存在顯著差異，但PD3的收獲指數顯著低于PD1和PD2；2021年，與PD1相比，PD2和PD3分別降低收獲指數4.6%和6.5%，且差異達到顯著水平。與2020年相比，2021年不同密度處理的玉米花前、花后及總干物質積累量普遍低于2020年，但2021年的收獲指數均高于2020年。

表1 增密對夏玉米單株干物質積累量與收獲指數的影響Tab.1 Effect of increasing plant density on plant dry matter accumulation and harvest index of summer maize

2.4 增密對夏玉米弱、強勢粒碳代謝酶活性的影響

玉米灌漿中期弱、強勢粒碳代謝相關酶活性對增密的響應存在差異(表2)。在相同密度處理下，強勢粒的SPSase活性(以鮮質量計)顯著高于弱勢粒，種植密度對相同粒位籽粒的SPSase活性影響不顯著。但與PD1相比， PD2與PD3處理的弱、強勢粒之間的差異分別增加了64.0%和67.5%。SSase活性(以鮮質量計)在同一密度不同粒位之間不存在顯著差異，除了PD2的弱勢粒顯著低于PD1和PD3之外，PD2的強勢粒顯著低于PD3，其余處理之間沒有顯著差異。同一密度處理下，強勢粒ADPGase活性(以鮮質量計)明顯高于弱勢粒；增密不僅降低了不同粒位籽粒的ADPGase的活性，也加劇了弱、強勢粒之間ADPGase的差異。SSSase(以鮮質量計)在同一密度不同粒位之間存在顯著差異，與PD1相比，PD3顯著降低了不同粒位的SSSase活性。弱、強勢粒之間的差異大小則表現為PD3>PD1>PD2。在同一密度處理下，弱勢粒的SBEase活性(以鮮質量計)顯著低于強勢粒，但增密對弱、強勢粒的SBEase活性沒有顯著影響。

表2 增密對夏玉米弱、強勢粒SPSase、SSase、ADGPase、SSSase與淀粉分支酶活性的影響Tab.2 Effect of increasing plant density on SPSase，SSase，ADPGase，SSSase，and SBEase activities of summer maize

2.5 增密對夏玉米弱、強勢粒氮代謝酶活性的影響

如表3所示，除了NiR之外，同一密度處理下弱勢粒的GS、NR和NADH-GDH的活性(以鮮質量計)均顯著低于強勢粒，增密對夏玉米弱、強勢粒不同氮代謝相關酶活性的影響則存在一定的差異。PD2處理的弱、強勢粒GS活性顯著高于PD1和PD3處理，NR活性隨著種植密度的增加則顯著降低，但種植密度對弱、強勢粒的NiR(以鮮質量計)和NADH-GDH的活性沒有顯著影響。此外，隨著種植密度的增加，玉米弱、強勢粒之間GS活性的差異逐漸增加。

表3 增密對夏玉米弱、強勢粒GS、NR、NiR、NADH-GDH活性的影響Tab.3 Effect of increasing plant density on GS，NR，NiR，and NADH-GDH activities of inferior and superior kernels of summer maize

2.6 增密對夏玉米弱、強勢粒可溶性糖和淀粉含量的影響

種植密度影響弱、強勢粒可溶性糖和淀粉含量(圖3)。 隨著種植密度的增加，弱勢粒的可溶性糖含量逐漸降低。與PD1相比，PD2和PD3降幅分別為10.4%和33.8%，且PD1和PD3之間的差異達到顯著水平。強勢粒中可溶性糖含量在不同種植密度處理下表現為PD2>PD1>PD3，且相互間差異均達到顯著水平。此外，增密加劇了弱、強勢粒之間的可溶性糖含量的差異。弱勢粒中淀粉含量在PD1和PD2處理之間沒有顯著差異，但與PD1和PD2相比，PD3顯著降低了弱勢粒的淀粉含量；強勢粒中淀粉含量在不同密度處理之間差異不顯著。隨著種植密度的增加，弱、強勢粒之間淀粉含量的差異也逐漸增加；與PD1相比，PD2與PD3處理的弱、強勢粒之間的差異分別增加18.0%和129.7%。

圖3 增密對夏玉米弱、強勢粒可溶性糖和淀粉含量的影響Fig.3 Effect of increasing plant density on soluble sugar and starch content of inferior and superior kernels of summer maize

2.7 增密對夏玉米弱、強勢粒氨基酸和蛋白質含量的影響

如圖 4 所示，種植密度對弱、強勢粒氨基酸和蛋白質含量以及粒位間的差異均有明顯影響。與PD1和PD2相比，PD3顯著降低了弱勢粒和強勢粒的氨基酸含量，但是PD1和PD2之間沒有顯著差異。 此外，與PD1和PD2相比，PD3明顯加劇弱、強勢粒之間氨基酸含量的差異。弱、強勢粒的蛋白質含量在不同密度處理之間表現為PD2>PD1>PD3，且不同處理之間的差異均達到顯著水平。但是，隨著種植密度的增加，弱、強勢粒之間蛋白質含量的差異呈逐漸增加的趨勢。

圖4 增密對夏玉米弱、強勢粒氨基酸和蛋白質含量的影響Fig.4 Effect of increasing plant density on amino acid and protein content of inferior and superior kernels of summer maize

3 結論與討論

3.1 玉米弱、強勢粒灌漿與粒位效應對增密的響應

在適宜的水肥等栽培管理條件下，合理增加種植密度是提高玉米產量的重要途徑和必然趨勢[19-21]。但是，過高的種植密度會加劇作物群體體內個體之間對光照、養分和水分的競爭，進而影響單株穗粒數和粒質量[22]。在較高的種植密度條件下，當穗粒數確定后，粒質量則成為決定產量的重要因子[11]。已有研究結果證實，增密影響籽粒的灌漿進程和粒質量[13]，這與密植誘發玉米花后植株早衰存在密切關系[23]，因為花后早衰不僅降低了同化物向籽粒中的分配，還縮短了籽粒的灌漿活躍期，最終影響籽粒的灌漿充實[24-25]。本研究結果顯示，增密同時降低了玉米弱、強勢粒平均灌漿速率和粒質量，但對弱勢粒的影響較為明顯，表明增密主要是影響夏玉米弱勢粒的灌漿充實，這與王曉燕等[6]研究結果相似。相關研究證實，玉米果穗上部弱勢粒相對于強勢粒更易受到非生物逆境脅迫的影響[26]。增密通過降低冠層光分布導致弱光脅迫可能是顯著影響弱勢粒灌漿充實的主要因素，因為前人通過遮光試驗也表明，弱光脅迫會明顯影響玉米弱勢粒發育甚至導致其敗育[8]。關于種植密度對弱勢粒灌漿影響的起始時間，前人研究認為，起始于灌漿前期，但是本研究發現，密植明顯影響弱勢粒粒質量的時間是自授粉后30～35 d開始，說明弱勢粒受密植影響主要是從灌漿中期開始。

玉米籽粒發育普遍存在著粒位效應[5，27]，而玉米弱、強勢粒粒質量比是反映玉米粒位效應的一個重要指標，其值越小，粒位效應越明顯。本研究結果顯示，增密可顯著降低弱、強勢粒的粒質量比，表明增密加劇了玉米的粒位效應，這主要與密植明顯降低弱勢粒灌漿速率和粒質量有關。此外，密植明顯降低了玉米植株花后干物質積累量，而較高的花后物質積累量是籽粒灌漿充實和高產的重要保證[28]，增密影響弱勢粒灌漿和粒質量可能與植株花后同化物積累顯著降低有關。前人研究證實，玉米灌漿期光合同化物在果穗籽粒中的分配具有明顯的粒位效應，頂部弱勢粒分配到的同化物低于果穗中下部強勢粒[5]，通過不當的栽培措施或受逆境脅迫減少同化物的供應時，均能加劇玉米強、弱勢粒之間的差異[9，26，29]。因此，種植密度的增加導致花后同化物供應受限時，光合同化物可能優先供應強勢粒，弱勢粒因得不到足夠的同化物供應導致粒質量明顯降低，進而加劇玉米的粒位效應。

3.2 玉米弱、強勢粒碳氮代謝特征對增密的響應

玉米籽粒灌漿充實的過程，主要是淀粉合成與積累的過程[5]。光合同化物以蔗糖的形式從源輸送到籽粒，再經一系列酶促反應形成淀粉[30]。在這一過程中，由源供應的碳水化合物和淀粉合成相關酶起著重要作用。本研究結果顯示，在密植條件下，弱勢粒中可溶性糖、淀粉含量及蔗糖-淀粉合成相關酶(SPSase、ADPGase、SSSase、SBEase)活性在多數情況下明顯低于強勢粒，這與徐云姬等[5]研究結果相似，均表明玉米弱勢粒較弱的碳代謝水平是其灌漿差、粒質量低的重要原因。此外，本研究結果表明，隨著種植密度的增加，玉米強、弱勢粒間淀粉含量、SPSase與ADPGase活性差異也逐漸增加。因此，增密加劇玉米粒位差異與其引起強、弱勢粒間SPSase與ADPGase活性進一步差異化相關，因為SPSase與ADPGase是作為淀粉合成途徑中的關鍵酶和限速酶，其活性大小對籽粒淀粉合成至關重要[31-32]。

籽粒中氮代謝在籽粒的發育與建成上同樣發揮著重要作用[10]，但目前關于種植密度對玉米不同粒位籽粒氮代謝生理的研究卻較少。本研究顯示，在相同的密度處理下弱勢粒中氮代謝相關酶(GS、NR和NADH-GDH)活性、游離氨基酸和蛋白質含量均低于強勢粒，表明弱勢粒的氮代謝水平同樣低于強勢粒。與中低密度相比，高密度不僅同時降低了弱、強勢籽粒的含氮化合物的含量，還加劇了強、弱勢粒間含氮化合物的差異，這可能與密植加劇玉米強、弱勢粒間GS活性的差異存在密切關系，因為GS是參與籽粒代謝的關鍵酶，其活性高低直接關系氨基酸供體的合成與轉化，進而影響籽粒中蛋白的合成[33]。 因此，增密加劇玉米粒位差異與其改變不同粒位間GS活性可能存在一定關系。

綜上所述，增密加劇了夏玉米的粒位效應，這與其明顯影響玉米弱勢粒灌漿充實有關。增密限制玉米弱勢粒灌漿充實主要體現在以下兩方面：一是增密降低了花后干物質積累量，不利于為弱勢粒灌漿提供充足的物質保證；二是增密明顯抑制弱勢粒中SPSase、ADPGase、GS活性，進而影響籽粒中淀粉和蛋白的合成與積累。