喬江方，李 萍，張美微，李 川，朱衛(wèi)紅，代書(shū)桃，黃 璐，宇 婷，郭國(guó)俊，牛 軍，劉京寶

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002)

政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)第40次全會(huì)指出，隨著地球表面平均溫度上升，大部分陸地地區(qū)逐日和季節(jié)時(shí)間尺度上發(fā)生高溫極端事件的頻率將增高；熱浪很可能會(huì)更頻繁發(fā)生，持續(xù)時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)[1]。玉米在黃淮海區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，近年來(lái)，玉米關(guān)鍵生育時(shí)期遭遇高溫?zé)岷︻l次增加，嚴(yán)重影響玉米生產(chǎn)，如2013年河南省平頂山市、信陽(yáng)市等夏播玉米散粉期高溫?zé)岷?yán)重[2]。因此，研究高溫災(zāi)害對(duì)玉米生產(chǎn)的影響，制定防御災(zāi)害的有效措施對(duì)該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

高溫加快玉米生育進(jìn)程，縮短灌漿時(shí)間，降低粒質(zhì)量[3-5]。WILHELM等[6]研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫縮短玉米灌漿時(shí)間，同時(shí)籽粒生長(zhǎng)速率降低，粒質(zhì)量降低。高溫降低了籽粒中淀粉代謝酶的活性，特別是焦磷酸化酶和淀粉合成酶的活性，阻礙糖分向淀粉的轉(zhuǎn)化，最終降低粒質(zhì)量和產(chǎn)量[7]。灌漿期高溫還會(huì)影響蛋白質(zhì)的積累和淀粉的代謝，籽粒灌漿期到臘熟期是淀粉形成的關(guān)鍵時(shí)期。李文陽(yáng)等[8]研究發(fā)現(xiàn)，開(kāi)花期和灌漿期高溫增加了玉米籽粒蛋白質(zhì)含量，降低了籽粒淀粉含量。楊歡等[9]在糯玉米上也有類(lèi)似的研究結(jié)果?？梢?jiàn)，關(guān)于高溫?zé)岷?duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究已有很多，但關(guān)于大田條件下耐高溫夏玉米品種的篩選以及不同耐高溫類(lèi)型夏玉米品種籽粒品質(zhì)的差異分析尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，通過(guò)大田試驗(yàn)，以黃淮海區(qū)域主栽玉米品種為材料，分析花期高溫脅迫對(duì)不同夏玉米品種籽粒品質(zhì)的影響，并篩選耐高溫品種，為黃淮海區(qū)域耐熱夏玉米品種的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年5—10月在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)示范基地(河南省原陽(yáng)縣)進(jìn)行。供試土壤為潮土，地勢(shì)平坦，肥力均一，排灌方便，前茬作物為冬小麥。0～30 cm土層土壤含有機(jī)質(zhì)17.25 g/kg、全氮0.96 g/kg、速效氮 79.35 mg/kg、速效磷10.22 mg/kg、速效鉀94.56 mg/kg。

供試材料為20個(gè)黃淮海區(qū)域主栽夏玉米雜交種(表1)。

表1 20個(gè)夏玉米品種編號(hào)和名稱(chēng) Tab.1 The number and name of 20 summer maize varieties

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用2因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)因素為溫度，副區(qū)因素為品種。溫度處理分別是常溫處理(對(duì)照，CK)和高溫處理(HT)。試驗(yàn)小區(qū)面積為5 m× 3.6 m，60 cm等行距種植，隨機(jī)排列，40個(gè)處理，2次重復(fù)，種植密度為7.5萬(wàn)株/hm2。高溫處理于夏玉米播種后44 d(吐絲前7 d)進(jìn)行，用長(zhǎng)、寬、高分別為5.0、3.6、3.3 m的鐵制框架固定于田間，四周用塑料膜圍住，用于升溫，透光率在95%以上，頂部密封80%，均勻留出20%的空隙，以利于氣體交換。吐絲后8 d結(jié)束處理，移走框架，后期管理與對(duì)照相同。每個(gè)小區(qū)施肥量相同，N、P2O5、K2O施用量分別為270、180、180 kg/hm2，均做基肥施用。夏玉米于6月12日播種，10月3日收獲，田間管理按一般高產(chǎn)田進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 籽粒淀粉組分含量 采集收獲期的夏玉米籽粒，80 ℃烘干研磨，參照何照范[10]的雙波長(zhǎng)法測(cè)定直鏈、支鏈淀粉含量。直鏈、支鏈淀粉的標(biāo)樣均購(gòu)自Solarbio公司。

1.3.2 籽粒蛋白質(zhì)組分含量 稱(chēng)取0.500 g夏玉米籽粒粉樣于離心管中，根據(jù) LUTHE[11]提出的方法按清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白的順序依次提取。清蛋白：用10 mmol/L Tris-HCl(pH值7.5)提?。磺虻鞍祝河? mmol/L NaCl、10 mmol/L Tris-HCl(pH值7.5)提??；醇溶蛋白：55%正丙醇、10 mmol/L Tris-HCl(pH值7.5)水浴50 ℃提?。还鹊鞍祝河?.24%CuSO4·5H2O、1.68% KOH、0.5%酒石酸鉀鈉、50%異丙醇水浴50 ℃提取。清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白含量均采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定，在595 nm波長(zhǎng)處比色，以牛血清蛋白為對(duì)照；谷蛋白含量采用雙縮脲法測(cè)定，在550 nm波長(zhǎng)處比色，以牛血清蛋白為對(duì)照。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 在夏玉米成熟期，每個(gè)小區(qū)選取有代表性的植株4株，收獲果穗，測(cè)量穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量等，并計(jì)算產(chǎn)量及耐熱系數(shù)。某一性狀耐熱系數(shù)=高溫處理性狀值/對(duì)照性狀值×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、作圖，利用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和聚類(lèi)分析，聚類(lèi)分析采用最遠(yuǎn)鄰元素法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 花期高溫對(duì)不同夏玉米品種產(chǎn)量的影響

由表2可知，高溫處理后，從20個(gè)夏玉米品種的產(chǎn)量性狀耐熱系數(shù)平均值來(lái)看，百粒質(zhì)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗等均較對(duì)照降低，行粒數(shù)降低最多，穗長(zhǎng)、禿尖長(zhǎng)較對(duì)照增加。高溫下的夏玉米百粒質(zhì)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)等產(chǎn)量性狀耐熱系數(shù)均低于100%，不同品種之間存在差異。對(duì)于20個(gè)夏玉米品種來(lái)說(shuō)，禿尖長(zhǎng)耐熱系數(shù)變異最大，百粒質(zhì)量耐熱系數(shù)變異最小，其次為穗粗，產(chǎn)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)耐熱系數(shù)的變異系數(shù)相近，均低于8%。其中，產(chǎn)量耐熱系數(shù)的變異系數(shù)為6.34%。鄭單958、隆平206、登海605、偉科702、鄭單1002、鄭單309、京科968、中科玉505的產(chǎn)量耐熱系數(shù)較高，高溫脅迫下它們的百粒質(zhì)量、穗行數(shù)變化不大，大部分行粒數(shù)和穗長(zhǎng)增加，這可能是產(chǎn)量耐熱系數(shù)較大的原因；而浚單29、先玉335、蠡玉16、農(nóng)華101、迪卡517、聯(lián)創(chuàng)808、鄭單343等品種的產(chǎn)量耐熱系數(shù)較低，它們的百粒質(zhì)量、穗行數(shù)和行粒數(shù)的耐熱系數(shù)都低于100%，說(shuō)明高溫脅迫下夏玉米產(chǎn)量的降低主要?dú)w因于百粒質(zhì)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)的降低。夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素耐熱系數(shù)變異系數(shù)較大的是禿尖長(zhǎng)，較小的是百粒質(zhì)量。

表2 不同夏玉米品種產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的耐熱系數(shù) Tab.2 Heat-tolerant coefficients of yield and its components of different summer maize varieties %

續(xù)表2 不同夏玉米品種產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的耐熱系數(shù) Tab.2(Continued) Heat-tolerant coefficient of yield and its components of different summer maize varieties %

2.2 花期高溫對(duì)不同夏玉米品種籽粒中蛋白質(zhì)、淀粉含量的影響

由表3可知，高溫處理夏玉米籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、總蛋白質(zhì)含量均較對(duì)照顯著升高(P<0.05)，分別增加13.33%、10.53%、12.12%、4.27%；谷蛋白含量與對(duì)照間的差異不顯著。其中，高溫處理迪卡517、秋樂(lè)218、新單68的清蛋白含量較對(duì)照增加較多，分別增加89.66%、34.15%、36.84%，而鄭單958、隆平206、登海605、偉科702、宇玉30、鄭單1002、裕豐303的清蛋白含量均較對(duì)照降低約10%；京科968的球蛋白含量是對(duì)照的2倍，鄭單309、新單68、迪卡517的球蛋白含量較對(duì)照分別增加了86.67%、76.47%、66.67%，而隆平206、登海605、偉科702較對(duì)照降低較多，分別降低了57.89%、40.74%、37.50%；新單68、中科玉505、裕豐303的醇溶蛋白含量分別是對(duì)照的1.92、1.83、1.66倍，而隆平206、鄭單1002、聯(lián)創(chuàng)808較對(duì)照降低較多，分別降低了22.14%、33.85%、23.73%；谷蛋白在總蛋白質(zhì)中所占比例最大，高溫處理偉科702、宇玉30、鄭單1002的谷蛋白含量較對(duì)照增加較多，分別增加了43.13%、33.78%、37.84%，而秋樂(lè)218、新單68、裕豐303較對(duì)照降低較多，分別降低了18.15%、20.13%、25.04%；偉科702、鄭單1002、鄭單309、先玉335的總蛋白質(zhì)含量較對(duì)照增加較多，分別增加了23.06%、19.77%、18.67%、18.58%，而浚單29、農(nóng)大372、裕豐303較對(duì)照降低較多，分別降低了9.68%、10.25%、11.36%。

由表4可知，高溫處理夏玉米籽粒支鏈淀粉、總淀粉含量及支鏈淀粉/直鏈淀粉均較對(duì)照顯著下降(P<0.05)。整體上，高溫處理總淀粉含量較對(duì)照顯著降低了2.11%(P<0.05)，其中，秋樂(lè)218、新單68、中科玉505、裕豐303的總淀粉含量較對(duì)照降低較多，分別降低了5.60%、6.47%、5.13%、5.49%，而浚單29、偉科702、鄭單1002分別較對(duì)照降低了0.28%、0.03%、0.34%。支鏈淀粉含量在總淀粉含量中所占的比例較高，占70%～80%，但高溫處理降低了支鏈淀粉含量在總淀粉含量中所占的比例。整體上，高溫處理的支鏈淀粉含量比對(duì)照降低了3.02%,新單68、中科玉505、裕豐303的支鏈淀粉含量較對(duì)照降低較多，分別降低了7.57%、6.75%、6.80%；而農(nóng)大372、偉科702、聯(lián)創(chuàng)808較對(duì)照降低較少，分別降低了0.73%、0.50%、0.67%。整體上，高溫處理后玉米籽粒中直鏈淀粉含量較對(duì)照提高了1.82%，其中，浚單29、蠡玉16、京科968較對(duì)照增加較多，分別增加了6.75%、7.40%、11.26%；而聯(lián)創(chuàng)808、迪卡517、新單68較對(duì)照降低較多，分別降低了4.59%、11.71%、2.56%。整體上，高溫處理支鏈/直鏈較對(duì)照顯著降低了4.14%，其中，宇玉30、聯(lián)創(chuàng)808、迪卡517的支鏈/直鏈較對(duì)照增加0.29%、4.13%、9.62%，其他品種的支鏈/直鏈較對(duì)照有不同程度的降低，京科968降低幅度最大，達(dá)15.24%。

表3 花期高溫脅迫下夏玉米品種蛋白質(zhì)各組分含量的變化Tab.3 The change of protein components of summer maize varieties under high temperature stress at flowering stage %

表4 花期高溫脅迫下夏玉米品種直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量和支鏈/直鏈的變化Tab.4 The change of amylose,amylopectin,total starch contents and amylose/amylopectin of summer maize varieties under high temperature stress at flowering stage

續(xù)表4 花期高溫脅迫下夏玉米品種直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量和支鏈/直鏈的變化Tab.4(Continued) The change of amylose,amylopectin,total starch contents and amylose/amylopectin of summer maize varieties under high temperature stress at flowering stage

2.3 不同夏玉米品種的耐熱性聚類(lèi)分析

對(duì)20個(gè)夏玉米品種產(chǎn)量耐熱系數(shù)進(jìn)行聚類(lèi)分析(圖1)發(fā)現(xiàn)，20個(gè)夏玉米品種可以分為3類(lèi)：第1類(lèi)為耐熱型，共6個(gè)品種，包括農(nóng)大372、登海605、鄭單1002、鄭單309、京科968、中科玉505；第2類(lèi)為中間型，共5個(gè)品種，包括鄭單958、隆平206、宇玉30、偉科702、新單68；第3類(lèi)為熱敏感型，包括浚單29、先玉335、蠡玉16、聯(lián)創(chuàng)808、農(nóng)華101、迪卡517、秋樂(lè)218、裕豐303、鄭單343共9個(gè)品種。

圖1 20個(gè)夏玉米品種產(chǎn)量耐熱系數(shù)的聚類(lèi)分析Fig.1 Cluster analysis of heat-tolerant coefficients of yield of 20 summer maize varieties

2.4 不同耐熱類(lèi)型夏玉米品種的蛋白質(zhì)、淀粉含量分析

由表5可知，正常處理?xiàng)l件下，熱敏感型夏玉米品種總蛋白質(zhì)含量最高，耐熱型夏玉米品種總蛋白質(zhì)含量最低。高溫處理增加了各種類(lèi)型夏玉米品種總蛋白質(zhì)含量，與對(duì)照相比，高溫處理耐熱型和中間型夏玉米品種總蛋白質(zhì)含量變化幅度較大，而熱敏感型夏玉米品種總蛋白質(zhì)含量變化幅度較小。高溫處理后，耐熱型和中間型夏玉米品種的谷蛋白含量均增加，熱敏感型品種降低，以耐熱型品種谷蛋白含量變化幅度最小，中間型品種變化幅度最大。高溫處理后，熱敏感型和耐熱型品種的清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量均增加，變化幅度以熱敏感型品種最大，耐熱型品種的變化幅度較?。恢虚g型品種的清蛋白和球蛋白含量均降低，變化幅度較小。

表5 不同耐熱類(lèi)型夏玉米品種的蛋白質(zhì)含量分析Tab.5 The analysis of protein content of different heat-tolerant summer maize varieties %

由表6可知，高溫處理?xiàng)l件下，不同類(lèi)型夏玉米品種總淀粉含量均較對(duì)照降低，其中，熱敏感型夏玉米品種降幅最大，而耐熱型品種降幅最小。不同類(lèi)型夏玉米品種高溫處理后直鏈淀粉含量均較對(duì)照增加，以中間型品種增加幅度最小，耐熱型品種增加幅度最大；支鏈淀粉含量及支鏈淀粉/直鏈淀粉均較對(duì)照下降，均以耐熱型品種降幅最大。

表6 不同耐熱型夏玉米品種的淀粉含量分析Tab.6 The analysis of starch content of different heat-tolerant summer maize varieties %

3 結(jié)論與討論

高溫降低玉米光合蛋白酶的活性，破壞葉綠體細(xì)胞，減弱光合作用，增加呼吸消耗，造成光合產(chǎn)物的輸出和分配紊亂，降低籽粒中光合產(chǎn)物的積累，進(jìn)而降低產(chǎn)量[12-15]。同時(shí)高溫加快了玉米籽粒的灌漿速率，但縮短了灌漿持續(xù)時(shí)間，抑制花粉活性[16]，降低籽粒粒數(shù)[5]。本研究結(jié)果表明，高溫脅迫總體上降低所有夏玉米品種的百粒質(zhì)量、穗行數(shù)和行粒數(shù)，進(jìn)而降低產(chǎn)量，不同基因型之間存在差異。于康珂等[17]認(rèn)為，玉米產(chǎn)量指標(biāo)如百粒質(zhì)量、穗長(zhǎng)、穗粗等可以作為評(píng)價(jià)玉米雜交種花期耐熱性的主要指標(biāo)。本研究利用產(chǎn)量指標(biāo)通過(guò)聚類(lèi)分析將夏玉米品種分為耐熱型、中間型和熱敏感型3類(lèi)，其中，先玉335、裕豐303為熱敏感型品種，這與前人[17-18]的研究結(jié)果一致。

高溫脅迫增加籽粒蛋白質(zhì)含量[19-20]。戴廷波等[21]指出，高溫顯著提高了小麥籽粒蛋白質(zhì)含量及清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白含量，但降低了谷蛋白含量。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫提高夏玉米籽粒總蛋白質(zhì)含量，但不同類(lèi)型夏玉米品種不同蛋白質(zhì)組分含量的增減情況及幅度不同，這可能與花前貯藏氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率以及蛋白質(zhì)關(guān)鍵合成酶活性有關(guān)[21-23]。而關(guān)于高溫脅迫提高蛋白質(zhì)含量同時(shí)影響蛋白質(zhì)組分的結(jié)果已在水稻、糯玉米中得到證實(shí)[4,24]。本研究還發(fā)現(xiàn)，高溫處理下夏玉米籽粒總淀粉、支鏈淀粉含量及支鏈淀粉/直鏈淀粉均下降。其中，支鏈淀粉較直鏈淀粉對(duì)高溫脅迫的反應(yīng)敏感，這與WANG等[25]在小麥上的研究結(jié)果一致，原因可能是由于可溶性淀粉合成酶、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉分支酶都對(duì)高溫非常敏感，而束縛態(tài)淀粉合成酶在高溫下表現(xiàn)出較高的活性，它對(duì)高溫的敏感性比前面3種酶低[26-27]。不同基因型的夏玉米品種在高溫處理下的蛋白質(zhì)組分、直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量及支鏈淀粉/直鏈淀粉的變化有差異，這主要與該品種在高溫逆境脅迫下的適應(yīng)能力有關(guān)[5]。對(duì)于不同耐熱型品種來(lái)說(shuō)，熱敏感型夏玉米品種的籽粒蛋白質(zhì)組分和淀粉含量的變幅最大，其中，清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白含量增加，但谷蛋白含量降低，這與戴廷波等[21]在小麥上的研究結(jié)果相似。