張巽，郝建平，王璞，張萍，陳璐潔

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灌漿期低溫對(duì)離體培養(yǎng)玉米強(qiáng)弱勢(shì)粒發(fā)育的影響

張巽1,2，郝建平1，王璞3，張萍3，陳璐潔3

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷 030801；2大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009；3中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193）

【目的】通過對(duì)玉米灌漿過程中籽粒干物質(zhì)、淀粉的積累，籽粒內(nèi)源激素含量及淀粉積累相關(guān)酶活性的研究，揭示低溫對(duì)灌漿過程中玉米強(qiáng)、弱勢(shì)籽粒灌漿生理過程的影響規(guī)律，為生產(chǎn)上抗御低溫冷害提供理論參考?！痉椒ā窟x用鄭單958為試驗(yàn)品種，采用玉米籽粒離體培養(yǎng)的方式，將大田人工授粉后3 d的玉米果穗按照弱勢(shì)粒和強(qiáng)勢(shì)粒進(jìn)行取樣，無(wú)菌環(huán)境接種到人工培養(yǎng)基培養(yǎng)，低溫處理和對(duì)照分別設(shè)置培養(yǎng)平均溫度為16℃及25℃。自授粉后每10 d取樣一次，分別測(cè)定灌漿過程中玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒干物質(zhì)積累量、內(nèi)源激素、籽粒淀粉含量及淀粉積累相關(guān)酶活性?！窘Y(jié)果】低溫脅迫下強(qiáng)、弱勢(shì)粒灌漿后期粒重分別比對(duì)照低47.58%、50.95%，強(qiáng)、弱勢(shì)粒灌漿高峰期的平均灌漿速率較對(duì)照分別顯著降低55.39%、54.72%。低溫脅迫下玉米籽粒灌漿速率前期提升和后期減小的速度明顯減緩，活躍灌漿時(shí)間延長(zhǎng)5—7 d。授粉后10 d低溫處理顯著降低玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒生長(zhǎng)素（IAA）、玉米素（ZR）和脫落酸（ABA）含量，顯著提高玉米籽粒赤霉素（GA3）的含量。授粉后30 d低溫處理顯著降低了弱勢(shì)粒的IAA、ZR含量，增加了強(qiáng)勢(shì)粒的ABA含量。低溫脅迫顯著減弱了灌漿前期和灌漿中期的可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶（SAI）、蔗糖合酶（SS）、淀粉合酶（SSS）及ADPG焦磷酸化酶（APGase）的活性，低溫下弱勢(shì)粒SAI活性降幅大于強(qiáng)勢(shì)粒，對(duì)SS、SSS及APGase活性的降低幅度表現(xiàn)為強(qiáng)勢(shì)粒大于弱勢(shì)粒，導(dǎo)致玉米籽粒淀粉含量降低?！窘Y(jié)論】受低溫脅迫影響，灌漿前期玉米籽粒的IAA、ZR、ABA含量減少，GA3含量增加，SAI活性降低，導(dǎo)致籽粒庫(kù)容量減少，庫(kù)活性不足。在灌漿中期，低溫降低SS活性，造成淀粉合成底物供應(yīng)不足，影響淀粉的合成，降低籽粒淀粉含量。低溫處理降低玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒的灌漿速率，導(dǎo)致籽粒干物質(zhì)積累減少。低溫對(duì)玉米強(qiáng)弱、勢(shì)粒的灌漿過程都造成較大的影響，且對(duì)弱勢(shì)粒的影響大于強(qiáng)勢(shì)粒。

玉米；低溫；離體培養(yǎng)；灌漿期；激素

0 引言

【研究意義】在氣候變暖成為全球性氣象問題的背景下，極端天氣事件的發(fā)生頻率仍呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[1-2]，局部地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害事件多發(fā)[3]，低溫冷害成為全國(guó)性農(nóng)業(yè)災(zāi)害，在玉米北方產(chǎn)區(qū)發(fā)生得尤為嚴(yán)重和頻繁[4]。玉米屬于喜溫作物，低溫對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育影響較大，我國(guó)北方玉米產(chǎn)區(qū)每3—4年就會(huì)發(fā)生一次低溫冷害[5]，導(dǎo)致減產(chǎn)20%—30%[6]，成為限制玉米產(chǎn)量提高的一個(gè)重要因素[7]。生育后期的低溫威脅導(dǎo)致玉米灌漿過程不能順利完成，進(jìn)而造成減產(chǎn)[8]，因此研究灌漿期低溫對(duì)玉米籽粒生長(zhǎng)發(fā)育過程的影響，能夠?yàn)樯a(chǎn)中抗御低溫冷害提供理論依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下玉米的光合性能受到限制，群體產(chǎn)量明顯降低[9-12]，這一過程是玉米在逆境脅迫下，各組織器官生長(zhǎng)發(fā)育變化的綜合結(jié)果。籽粒作為玉米最終形成產(chǎn)量的重要庫(kù)器官，對(duì)溫度脅迫較為敏感[13-14]，低溫對(duì)玉米籽粒發(fā)育及內(nèi)部的生理機(jī)制影響顯著[15]。前人研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫擾亂了作物內(nèi)源激素平衡[16-18]，降低了植株體內(nèi)淀粉和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的含量，增加了可溶性糖和游離氨基酸等小分子物質(zhì)含量[19]。淀粉是玉米籽粒主要成分，而籽粒發(fā)育過程中，與淀粉積累合成代謝密切相關(guān)的可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶（soluble acid invertase，SAI，EC 3.2.1.26），蔗糖合酶（sucrose synthase，SS，EC 2.4.1.13），可溶性淀粉合成酶（soluble starch synthase，SSS，EC 2.4.1.21）和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADP- glucose pyrophosphorylase，APGase，EC 2.7.7.21）的活性對(duì)外界環(huán)境條件的變化十分敏感[20]，籽粒灌漿期間環(huán)境條件的改變將直接影響籽粒中貯存物質(zhì)的合成[21-22]。玉米籽粒發(fā)育過程中，受內(nèi)源激素及淀粉積累相關(guān)酶影響，不同粒位的籽粒發(fā)育差異較大，逆境脅迫下弱勢(shì)粒易產(chǎn)生敗育[23-24]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在逆境脅迫下，玉米果穗不同粒位籽粒因庫(kù)活性的差異，強(qiáng)、弱勢(shì)粒生長(zhǎng)發(fā)育存在明顯差異，直接關(guān)系到玉米粒重和產(chǎn)量的高低。目前低溫脅迫對(duì)灌漿期玉米不同粒位籽粒生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究較少，進(jìn)一步揭示低溫脅迫下玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒的物質(zhì)積累和庫(kù)活性的變化有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文通過玉米籽粒離體培養(yǎng)的方式，利用人工氣候箱創(chuàng)建低溫環(huán)境，研究低溫對(duì)玉米灌漿過程中強(qiáng)、弱勢(shì)粒干物質(zhì)和淀粉的積累，以及內(nèi)源激素含量和淀粉積累相關(guān)酶活性變化的影響。揭示低溫脅迫下玉米籽粒灌漿過程中籽粒物質(zhì)積累及內(nèi)源激素、淀粉積累相關(guān)酶的變化規(guī)律，為生產(chǎn)上采取有效措施防控低溫冷害提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用鄭單958為試驗(yàn)材料，2015年6月15日播種于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)北京上莊實(shí)驗(yàn)站（40°08′ 25″N，116°10′ 39″E，海拔49 m）。試驗(yàn)地為粉砂質(zhì)潮土，土壤地力中等，基礎(chǔ)養(yǎng)分為有機(jī)質(zhì)1.47%，全氮含量0.86 g·kg-1，有效磷22.76 mg·kg-1，速效鉀63.06 mg·kg-1。試驗(yàn)田無(wú)前茬作物，玉米季外未種植其他作物，常規(guī)田間管理。于玉米開花吐絲前，選擇生長(zhǎng)均勻一致健壯的植株進(jìn)行雌穗套袋，開花后統(tǒng)一人工授粉。籽粒離體培養(yǎng)試驗(yàn)參考陳素省等[25]的方法，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)作制度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，于3 DAP（day after pollination，DAP）取雌穗回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行籽粒離體培養(yǎng)，離體籽粒取樣參考張鳳路等[14]的方法。離體籽粒在無(wú)菌條件下切穗取樣，弱勢(shì)粒取樣部位為雌穗頂部向下1—5 cm，強(qiáng)勢(shì)粒取樣部位為雌穗基部向上第18至20粒位區(qū)間，取樣后籽粒在無(wú)菌操作條件下接種到滅菌培養(yǎng)基。

接種后的籽粒在25℃恒溫下暗培養(yǎng)1 d，5 DAP開始溫度處理。設(shè)置4個(gè)處理，分別為L(zhǎng)TS（低溫處理強(qiáng)勢(shì)粒）、LTI（低溫處理弱勢(shì)粒），NTS（常溫處理強(qiáng)勢(shì)粒）、NTI（常溫處理弱勢(shì)粒），每個(gè)處理4次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)至少包含30顆籽粒；培養(yǎng)條件由人工氣候箱（BIC-300型，上海博訊）實(shí)現(xiàn)，低溫處理設(shè)置14℃至19℃的梯度溫度，平均溫度為16℃，對(duì)照處理設(shè)置22℃至27℃的梯度溫度，平均溫度為25℃；人工氣候箱不設(shè)光照，培養(yǎng)過程在黑暗條件下進(jìn)行，培養(yǎng)環(huán)境濕度為85%。

1.2 籽粒離體培養(yǎng)方法

參考Gengenbach[26]的試驗(yàn)方法，果穗接種塊按照籽粒與穗軸比例1﹕9取樣[27]，在無(wú)菌操作環(huán)境下接種到培養(yǎng)基。培養(yǎng)基制備參考Cully[28]和趙麗曉等[24]的方法，籽粒接種到培養(yǎng)基后，置于人工氣候箱進(jìn)行培養(yǎng)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 籽粒干重分別在10、20、30、40、50 DAP取樣，籽粒于105℃殺青30 min，80℃烘干后測(cè)定樣品干重。

1.3.2 灌漿速率玉米籽粒灌漿過程應(yīng)用Logistic曲線擬合，曲線方程為W=a/(1+be-ct)。式中，籽粒干重（W）為因變量，授粉后天數(shù)（t）為自變量，b、c為常數(shù)，a為理論籽粒最大干重。對(duì)擬合曲線方程進(jìn)行求導(dǎo)和積分后，得到籽粒灌漿速率V的方程： V=dWdt=abce-ct/(1+be-ct)2 [29]。

1.3.3 籽粒淀粉含量測(cè)定干重后的籽粒研磨成粉，采用酸水解-DNS法[30]測(cè)定玉米籽粒淀粉含量。

1.3.4 激素含量的測(cè)定取10、30 DAP籽粒鮮樣，利用酶聯(lián)免疫法[31-32]測(cè)定籽粒IAA、ZR、GA3和ABA含量，酶聯(lián)免疫試劑盒由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)提供，每個(gè)樣品分別重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。IAA、ZR、GA3和ABA的回收率分別為94.3%、89.2%、90.5%和91.8%。

1.3.5 淀粉積累相關(guān)酶活性在10、30 DAP取籽粒鮮樣，按照Nakamura[33]和Zinselmeier等[34]的試驗(yàn)方法進(jìn)行可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶（SAI）、蔗糖合酶（SS）、可溶性淀粉合成酶（SSS）和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（APGase）4種酶的提取及活性的測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics 21軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，采用Duncan’ s法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，文中圖表采用Microsoft Excel 2013制作。

2 結(jié)果

2.1 灌漿期低溫對(duì)籽粒干物質(zhì)積累的影響

2.1.1 籽粒干重變化規(guī)律 不同溫度處理下，玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒的干重積累變化規(guī)律相同，呈現(xiàn)“S”形曲線變化（圖1-A）。灌漿初期，低溫脅迫處理與對(duì)照處理差異不顯著，從20 DAP開始，低溫脅迫處理的強(qiáng)、弱勢(shì)粒干重都顯著低于對(duì)照處理，且籽粒干重增長(zhǎng)速度也慢于對(duì)照，50 DAP低溫處理強(qiáng)勢(shì)粒干重較對(duì)照低47.58%，弱勢(shì)粒干重較對(duì)照低50.95%，弱勢(shì)粒干重受低溫影響幅度大于強(qiáng)勢(shì)粒。

2.1.2 利用Logistic方程模擬籽粒灌漿 利用Logistics方程W=a/(1+be-ct)對(duì)籽粒物質(zhì)積累的動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行模擬，方程擬合后參數(shù)見表1。各處理擬合方程經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，方程決定系數(shù)都在0.98以上，均達(dá)到極顯著水平，方程擬合度較好。受低溫影響，玉米籽粒活躍灌漿期時(shí)間延長(zhǎng)，其中強(qiáng)勢(shì)粒延長(zhǎng)7.24 d，弱勢(shì)粒延長(zhǎng)5.77 d。低溫脅迫下，玉米籽粒最大灌漿速率和平均灌漿速率均減小，強(qiáng)勢(shì)粒籽粒最大灌漿速率減少58.30%，弱勢(shì)粒減少58.85%，強(qiáng)勢(shì)粒籽粒平均灌漿速率減少55.89%，弱勢(shì)粒減少57.57%。

2.1.3 籽粒灌漿速率的變化規(guī)律 由圖1-B可知，各處理強(qiáng)、弱勢(shì)粒的灌漿速率都隨著灌漿時(shí)間的增加而加快，峰值出現(xiàn)在30 DAP左右，隨即呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在50 DAP達(dá)最低值，強(qiáng)、弱勢(shì)粒有相似的變化規(guī)律。在10—40 DAP，低溫處理降低了籽粒灌漿速率，強(qiáng)、弱粒均表現(xiàn)為隨灌漿時(shí)間延續(xù)，灌漿速率呈先增加后減小的變化規(guī)律，但峰值出現(xiàn)時(shí)間要晚于對(duì)照處理。在30 DAP，低溫處理強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒灌漿速率均低于對(duì)照處理。在50 DAP，低溫處理強(qiáng)、弱勢(shì)粒灌漿速率均高于對(duì)照處理?？梢姡蚜＝?jīng)低溫處理后，灌漿前期的灌漿速率增加緩慢，而且后期灌漿速率降低也緩慢，表現(xiàn)為籽粒灌漿持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)。

NTS：強(qiáng)勢(shì)粒常溫處理；NTI：弱勢(shì)粒常溫處理；LTS：強(qiáng)勢(shì)粒低溫處理；LTI：弱勢(shì)粒低溫處理。下同

表1 玉米灌漿期低溫下籽粒灌漿模型與灌漿參數(shù)

D：籽粒活躍灌漿天數(shù)；Gmax：籽粒最大灌漿速率；Gmean：平均灌漿速率；*，**為相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.05和0.01顯著性水平

D: Duration of active grain-filling; Gmax: Maximum of grain-filling rate; Gmean: mean of grain-filling rate; *, ** mean significant difference at 0.05 and 0.01 levels

2.2 灌漿期低溫對(duì)籽粒內(nèi)源激素含量的影響

玉米籽粒內(nèi)源激素的含量受低溫脅迫后發(fā)生明顯改變（圖2）。在10DAP，低溫處理后，籽粒IAA含量顯著低于對(duì)照處理，且弱勢(shì)粒降低幅度大于強(qiáng)勢(shì)粒；GA3的含量均高于對(duì)照，其中強(qiáng)勢(shì)粒差異顯著，弱勢(shì)粒差異不顯著；ZR及ABA的含量均表現(xiàn)為強(qiáng)、弱勢(shì)粒顯著低于對(duì)照，且弱勢(shì)粒減低幅度大于強(qiáng)勢(shì)粒。在30 DAP，低溫處理下強(qiáng)勢(shì)粒IAA含量與對(duì)照差異不明顯，而弱勢(shì)粒的IAA含量顯著低于對(duì)照；GA3含量受低溫影響較小，強(qiáng)、弱勢(shì)粒均與對(duì)照差異不顯著；ZR含量表現(xiàn)為強(qiáng)勢(shì)、弱勢(shì)粒均低于對(duì)照，但強(qiáng)勢(shì)粒差異不顯著，而弱勢(shì)粒差異顯著；ABA含量受低溫影響，強(qiáng)、弱勢(shì)粒均高于對(duì)照處理，且處理間差異顯著，其中強(qiáng)勢(shì)粒增加幅度大于弱勢(shì)粒，隨著低溫脅迫時(shí)間的累加，低溫對(duì)玉米籽粒內(nèi)源激素含量的影響依然存在，且對(duì)弱勢(shì)粒的影響更加明顯?？梢?，低溫引起了籽粒內(nèi)源激素含量的紊亂，嚴(yán)重影響了受多種激素調(diào)控的籽粒灌漿過程。

2.3 灌漿期低溫對(duì)籽粒淀粉含量的影響

低溫脅迫下，玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒淀粉含量變化趨勢(shì)基本一致（圖3）。低溫處理強(qiáng)、弱勢(shì)粒淀粉含量均低于常溫處理，在整個(gè)灌漿過程中其變化趨勢(shì)與籽粒干重及灌漿速率表現(xiàn)保持一致。在10 DAP低溫處理下，強(qiáng)、弱勢(shì)粒淀粉含量與常溫處理差異不顯著，從20 DAP開始，低溫處理下強(qiáng)弱勢(shì)粒淀粉含量均顯著低于常溫處理，且20 DAP強(qiáng)、弱勢(shì)粒淀粉含量較常溫處理降低幅度最大，其中強(qiáng)勢(shì)粒降低65.97%，弱勢(shì)粒降低66.35%。隨灌漿時(shí)間推進(jìn)，從30 DAP開始，各處理間淀粉含量差距呈逐漸增大趨勢(shì)，在50 DAP達(dá)到最大，低溫脅迫下，強(qiáng)勢(shì)粒比常溫低53.27%，弱勢(shì)粒比常溫低56.32%，說(shuō)明低溫處理對(duì)籽粒最終淀粉含量的影響，弱勢(shì)粒大于強(qiáng)勢(shì)粒。

玉米標(biāo)注不同小寫字母柱值在0.05水平上差異顯著。下同

圖3 玉米灌漿期低溫脅迫下籽粒淀粉含量的變化

2.4 灌漿期低溫對(duì)籽粒積累相關(guān)酶活性的影響

從圖4可知，受低溫脅迫影響，玉米籽粒灌漿前期及灌漿中期的酸性蔗糖轉(zhuǎn)化酶（SAI）和蔗糖合酶（SS）的活性均低于對(duì)照，灌漿期玉米籽粒淀粉合成底物轉(zhuǎn)化效率因低溫脅迫而受到限制。在10 DAP，低溫處理強(qiáng)、弱勢(shì)粒的SAI、SS活性均顯著低于對(duì)照，強(qiáng)勢(shì)粒的兩種酶活性降低程度均大于弱勢(shì)粒。在30 DAP，低溫處理強(qiáng)勢(shì)粒的SAI及SS活性顯著低于對(duì)照，其中弱勢(shì)粒SAI活性的降低幅度大于強(qiáng)勢(shì)粒，而SS活性降低幅度小于的強(qiáng)勢(shì)粒。低溫脅迫下，玉米籽?？扇苄缘矸酆厦福⊿SS）和ADPG焦磷酸化酶（APGase）活性顯著低于對(duì)照處理（圖4），導(dǎo)致玉米籽粒淀粉的合成過程受限。在10 DAP，低溫處理強(qiáng)、弱勢(shì)粒的SSS、APGase活性與對(duì)照相比較均有大幅下降，表明在灌漿前期，低溫對(duì)強(qiáng)、弱勢(shì)粒的兩種酶的影響較大。在30 DAP，低溫處理強(qiáng)勢(shì)粒的SSS、APGase活性顯著低于對(duì)照處理，弱勢(shì)粒SSS活性顯著低于對(duì)照，而AGPase活性與對(duì)照差異不顯著。在灌漿中期，低溫對(duì)SSS、AGPase兩種酶活性的影響表現(xiàn)為強(qiáng)勢(shì)粒大于弱勢(shì)粒，且對(duì)SSS活性的影響大于對(duì)APGase活性的影響。

圖4 玉米灌漿期低溫脅迫下籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性的變化

2.5 灌漿期低溫處理下玉米籽粒灌漿速率、籽粒內(nèi)源激素含量及淀粉積累相關(guān)酶活性間的相關(guān)分析

通過灌漿速率（V）模擬方程計(jì)算10、30 DAP的強(qiáng)、弱勢(shì)粒灌漿速率，并與10 DAP和30 DAP強(qiáng)、弱勢(shì)粒內(nèi)源激素含量及淀粉積累相關(guān)酶活性進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表2。由表可知，低溫處理后，玉米籽粒灌漿速率與GA3含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與SSS、AGPase活性呈極著正相關(guān)。各激素含量之間，GA3與IAA及ZR呈顯著負(fù)相關(guān)，IAA與ZR呈顯著正相關(guān)。各淀粉積累相關(guān)酶活性之間，SSS與AGPase呈極顯著正相關(guān)。各激素含量與淀粉合成酶活性之間，SSS、AGPase與GA3呈極顯著負(fù)相關(guān)，與IAA及ZR呈顯著正相關(guān)?？梢?，低溫降低玉米的灌漿速率，可能與GA3含量的增加及SSS、AGPase活性的降低有關(guān)。

3 討論

灌漿過程是玉米產(chǎn)量形成的重要時(shí)期，也是籽粒發(fā)育和物質(zhì)積累的關(guān)鍵時(shí)期，該階段對(duì)環(huán)境溫度要求較高，最適宜的灌漿溫度為日均22℃—24℃[35]。灌漿過程對(duì)低溫比較敏感[36]，溫度低于18℃，就會(huì)受到限制[37]。低溫對(duì)灌漿前期影響最大[38]，該時(shí)期是玉米產(chǎn)量受溫度脅迫影響的敏感期[39]。研究表明，灌漿期低溫降低籽粒灌漿速率，進(jìn)而延緩了整個(gè)灌漿進(jìn)程[40]，最終導(dǎo)致籽粒物質(zhì)積累不足，溫度每降低1℃，玉米減產(chǎn)300 kg·hm-2[41]。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫能夠延長(zhǎng)玉米籽粒的活躍灌漿時(shí)間6—7 d，但同時(shí)也降低了灌漿速率，且灌漿時(shí)間的延長(zhǎng)無(wú)法補(bǔ)償灌漿速率的降低。遭遇低溫后，玉米灌漿前期的籽粒灌漿速率受影響較大，授粉后0—20 d，低溫處理強(qiáng)、弱勢(shì)粒均表現(xiàn)出灌漿速率增長(zhǎng)緩慢，峰值低于對(duì)照，且峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于對(duì)照的現(xiàn)象，從而降低了籽粒干物質(zhì)的積累效率，最終導(dǎo)致籽粒干重的顯著降低，這與筆者前期研究結(jié)果一致[42]。

表2 灌漿期低溫下玉米籽粒灌漿速率與籽粒內(nèi)源激素含量及淀粉積累相關(guān)酶活性變化的相關(guān)分析

*代表0.05差異顯著水平，**代表0.01差異顯著水平

* indicated significant at 0.05 level; ** indicated significant at 0.01 level

植物內(nèi)源激素對(duì)玉米籽粒的發(fā)育起著非常重要的調(diào)節(jié)作用[18]，其對(duì)逆境脅迫異常敏感，低溫?cái)_亂了籽粒中內(nèi)源激素平衡，干擾了籽粒正常的生長(zhǎng)發(fā)育過程[16, 43]。前人在對(duì)玉米籽粒的灌漿速率及胚乳細(xì)胞增殖速度的研究中發(fā)現(xiàn)，在籽粒灌漿前期，這兩項(xiàng)指標(biāo)與籽粒中ZR、IAA及ABA的含量呈顯著正相關(guān)，在活躍灌漿期與籽粒中GA3的含量呈顯著負(fù)相關(guān)[44]。在本研究中，同樣發(fā)現(xiàn)在灌漿前期，籽粒灌漿速率與GA3含量表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，籽粒GA3含量因低溫脅迫而顯著提高，其中強(qiáng)勢(shì)粒顯著提高24.7%，而弱勢(shì)粒提高不顯著。籽粒的IAA、ZR及ABA的含量因低溫脅迫而顯著降低，其中，強(qiáng)勢(shì)粒3種激素分別降低了44.1%、39.3%、5.9%，弱勢(shì)粒分別降低了56.6%、34.6%、12.1%，低溫脅迫引起內(nèi)源激素的變化，是導(dǎo)致灌漿初期籽粒灌漿速率低于對(duì)照的主要原因之一。研究表明，胚乳細(xì)胞的平均增殖速率和最大胚乳細(xì)胞數(shù)與ZR高含量呈顯著正相關(guān)，玉米籽粒胚乳細(xì)胞的分裂受ZR的調(diào)控[45]。在本研究中，灌漿初期受低溫影響，玉米籽粒GA3含量升高而ZR含量降低，且GA3含量與ZR含量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，這對(duì)玉米籽粒胚乳細(xì)胞的分裂不利，進(jìn)而影響玉米籽粒庫(kù)容的形成，降低了籽粒同化物積累的能力。在灌漿中期，籽粒GA3含量受低溫影響變化不大，ABA含量受低溫的影響要高于對(duì)照處理，但此時(shí)玉米灌漿速率低于對(duì)照，說(shuō)明在長(zhǎng)時(shí)間低溫脅迫下，籽粒ABA含量雖然升高，但不能增加籽粒灌漿速率，反而會(huì)抑制籽粒灌漿。在灌漿中期，低溫處理下玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒的IAA及ZR含量低于對(duì)照，其中強(qiáng)勢(shì)粒IAA含量比對(duì)照低6.7%，弱勢(shì)粒IAA含量比對(duì)照低38.4%，表明在灌漿中期，低溫脅迫對(duì)弱勢(shì)粒的影響尤為顯著，導(dǎo)致弱勢(shì)粒粒重及灌漿速率受低溫影響較強(qiáng)勢(shì)粒更大。

灌漿期低溫導(dǎo)致籽粒干物質(zhì)充實(shí)不良，這與籽粒保持最大灌漿速率時(shí)間縮短，最大灌漿速率、平均灌漿速率降低[46]，淀粉含量降低關(guān)系密切[47]。本研究中，低溫脅迫影響了玉米籽粒的淀粉積累，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)和危害的累積，在灌漿過程中，低溫處理強(qiáng)、弱勢(shì)粒淀粉含量顯著低于常溫處理，導(dǎo)致籽粒干物質(zhì)積累量明顯減少。在50 DAP，強(qiáng)勢(shì)粒重減少了47.6%，弱勢(shì)粒重減少了50.9%，表明在離體培養(yǎng)條件下，低溫對(duì)弱勢(shì)粒干物質(zhì)積累的影響程度略大于強(qiáng)勢(shì)粒。

研究表明，灌漿前期是籽粒庫(kù)容形成的關(guān)鍵時(shí)期，也是籽粒庫(kù)活力最活躍的時(shí)期[48]，此時(shí)玉米灌漿過程受籽粒庫(kù)活性影響較大[49]。在灌漿初期，酸性蔗糖轉(zhuǎn)化酶（SAI）是參與蔗糖降解的主要酶，其活性是衡量籽粒庫(kù)活力的主要指標(biāo)[50]。本研究中灌漿初期低溫處理顯著降低了玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒的SAI活性，減弱了籽粒蔗糖轉(zhuǎn)化能力，影響了籽粒蔗糖代謝，導(dǎo)致灌漿前期灌漿速率及籽粒干重增長(zhǎng)緩慢，表現(xiàn)為這兩項(xiàng)指標(biāo)都顯著低于對(duì)照。在灌漿期協(xié)助籽粒將同化物質(zhì)有效轉(zhuǎn)化為淀粉的是蔗糖合酶（SS）、淀粉合酶（SSS）和ADPG焦磷酸化酶（AGPase）等[22]，灌漿期低溫降低了以上淀粉積累合成關(guān)鍵酶的活性[51]。本研究發(fā)現(xiàn)，籽粒灌漿速率同SSS及AGPase的活性關(guān)系密切，呈顯著正相關(guān)。灌漿前期低溫顯著降低了SAI及SS的活性，降低了淀粉合成底物的生成及供應(yīng)能力，同時(shí)也顯著降低了SS、AGPase的活性，限制了同化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化積累。灌漿后期低溫脅迫對(duì)SAI、SS、SSS及AGPase活性的負(fù)面影響依然存在，降低了淀粉的合成底物的轉(zhuǎn)化和淀粉積累效率，制約了淀粉合成的直接供體ADPG的產(chǎn)生，限制了淀粉鏈的延長(zhǎng)，導(dǎo)致淀粉積累不足，在灌漿后期強(qiáng)勢(shì)粒SSS和AGPase活性降低程度要高于弱勢(shì)粒，這可能是導(dǎo)致最終強(qiáng)勢(shì)粒淀粉含量降低程度大于弱勢(shì)粒的主要原因之一。

4 結(jié)論

低溫處理導(dǎo)致玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒的灌漿速率的降低，是造成籽粒干物質(zhì)積累減少的重要原因。玉米籽粒受低溫影響，在灌漿前期，籽粒生長(zhǎng)素（IAA）、玉米素（ZR）、脫落酸（ABA）含量減少，可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶（SAI）活性降低，導(dǎo)致庫(kù)活性不足，庫(kù)容量減少。在灌漿中期，籽粒淀粉合成中底物的供應(yīng)及淀粉的合成過程受低溫限制，導(dǎo)致籽粒淀粉合成不足，含量降低。低溫對(duì)玉米強(qiáng)、弱勢(shì)粒的灌漿過程都造成較大的影響，且對(duì)弱勢(shì)粒的影響大于強(qiáng)勢(shì)粒。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Effects of Low Temperature on Maize Superior and Inferior Kernels Development during Grain Filling in vitro

ZHANG Xun1,2, HAO JianPing1, WANG Pu3, ZHANG Ping3, CHEN LuJie3

(1College of Agriculture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi;2School of Life Sciences, Datong University, Datong 037009, Shanxi;3College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193)

【Objective】In this study, the physiological mechanism of kernel weight reduction under low temperature had been uncovered through grain filling dynamic, carbon metabolism, and phytohormone balance, and reveal the effect of low temperature on maize superior and inferior kernels during grain filling, which could provide a theoretical guidance for crop production. 【Method】 Hybrid maize Zhengdan 958 was chosen for the experimental material, which was grown in the filed condition. Kernel was collected at 3 days after pollination, and was divided into superior and inferior kernel according to its position at the ear. Afterward, kernels were separately incubated with solid medium under normal (25°C) and low (16°C) temperature in artificial climate incubators. Superior and inferior kernels were sampled with 10-day interval since pollination for analyzing dry weight dynamic, hormone contend, starch accumulation and its related enzymes. 【Result】Compared with CK, Final kernel weight decreased by 47.58% for superior kernel and 50.95% for inferior kernels under low temperature, respectively. A longer active grain-filling period had been observed, caused by slower grain filling rate increase during lag period and slower decrease during maturation drying period. But, the grain-fill rate during active grain-filling period decreased 55.39% for superior kernel and 54.72% for inferior kernel, respectively. The increase of grain-filling rate in lag periods and the decrease of grain-filling rate in maturation drying periods of maize kernels were reduced significantly, and the time of active grain-filling periods was prolonged by 5-7 days under low temperature stress. The content of IAA, ZR and ABA decreased significantly in both superior and inferior kernels after 10 days low temperature incubation, while it was opposite for GA3. Moreover, decreased content of IAA and ZR in inferior kernels and increased ABA in superior kernels had been found after 30 days low temperature treatment. Low temperature decreased activity of soluble acid invertase (SAI), sucrose synthase (SS), soluble starch synthase (SSS) and ADP-glucose pyrophosphorylase (APGase) in both superior and inferior kernel during early grain filling periods, resulting in decreased starch accumulation in kernel. Furthermore, the decrease of SAI in inferior kernels was greater than that of superior kernels, while it was opposite for other enzymes.【Conclusion】The disturbed hormone balance during earlier grain filling period greatly weakened the sink capacity under low temperature stress, while the decreased activity of enzyme during mid-grain filling period limited the starch accumulation. The grain filling rate decreased in both superior and inferior kernels, resulting in kernel weight reduction. The grain filling process had been affected in both superior and inferior kernels under low temperature stress. Furthermore, the inferior kernels was more sensitive to low temperature than superior kernels.

maize; low temperature; vitro culture; grain filling stage; phytohormone

2017-09-15；

2018-05-02

國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-02-26）、山西省大同市基礎(chǔ)科技項(xiàng)目（2015105）

張巽，E-mail：sxdtuzx@163.com。

郝建平，E-mail：tghjp88@sina.com。通信作者王璞，E-mail：wangpu@cau.edu.cn