2013年在中国农业大学上庄试验站种植郑单958, 田间管理同常规田。在玉米吐丝前, 选取生长健壮、长势均匀一致的植株套袋, 人工辅助统一授粉。授粉后3 d取穗进行玉米籽粒体外培养, 试验分中部和顶部籽粒进行取样, 从顶部向下1 cm为弱势粒取样位, 从基部第20位籽粒为强势粒取样位。

籽粒授粉后第4天在昼夜25℃/25℃下暗培养1 d, 第5天开始温度处理。高温处理为昼夜35℃/25℃ (12 h/12 h), 对照为25℃/25℃。高温处理时间为5~15 DAP (days after pollination), 随后转入25℃/25℃培养至成熟。Q-35、Q-25分别指高温处理、对照的强势粒, R-35、R-25分别指高温处理、对照处理的弱势粒。共4个处理, 每个处理3次重复, 每个重复至少含12颗籽粒。

参考Gengenbach和Jones^{[ 8]}方法, 按籽粒穗轴比为1∶9切取样穗^{[ 9]}, 经75%酒精灭菌后放入超净台进行操作。

参见Cully和Gengenbach^{[ 10]}方法, 稍作改动, 培养基中氨基酸组分和浓度(mg L^-1)为谷氨酸627.5、蛋氨酸42.5、丙氨酸170、酪氨酸92.5、组氨酸57.5、苏氨酸70、脯氨酸222.5、精氨酸52.5、色氨酸72.5、丝氨酸122.5、甘氨酸60、缬氨酸117.5、亮氨酸360、赖氨酸32.5、谷氨酰胺105、苯丙氨酸137.5、异亮氨酸85、半胱氨酸57.5、天冬氨酸177.5、天冬酰胺107.5。将籽粒转入培养基后, 放入人工气候培养箱中恒温培养前, 使用内置紫外线灯灭菌20 min。

1.3.1 籽粒干、鲜重 在授粉后10、20、30、40和50 DAP取样, 测定籽粒的鲜重, 105℃杀青30 min, 80℃烘干, 测定干重。

1.3.2 籽粒淀粉含量 将烘干后的籽粒研磨, 参照何照范^{[ 11]}方法测定淀粉含量。

1.3.3 淀粉合成相关酶活性 在15、20、25、30、40 DAP取鲜籽粒液氮冷冻后置-40℃冰柜中, 用于淀粉合成相关酶活性的测定, 酶的提取和测定参照Nakamura和Zinselmeier^{[ 12, 13]}的方法, 稍作改动。

1.3.4 激素含量 在5 DAP和15 DAP取鲜籽粒液氮冷冻后置超低温冰箱中, 用于激素含量测定, 参照宋松泉^{[ 14]}的酶联免疫法, 酶联免疫试剂盒由中国农业大学提供。

采用Microsoft Excel 2007和SAS 8.0 GLM (General linear model) 程序统计分析数据。

花后高温对强、弱势粒干重的影响呈现相同的变化趋势(图1)。在灌浆前期, 高温处理籽粒的干重均高于对照, 但随着培养时间的增加, 干重逐渐小于对照。高温加快了籽粒灌浆前期的干重积累, 在10 DAP, Q-35、R-35的干重分别比对照高23.4%和22.3%, 但降低了成熟期的籽粒干重, Q-35的干重在50 DAP比对照低5.8%, R-35低17.4%, 弱势粒干重受高温影响程度大于强势粒。此外, 由图1可见, 离体培养的强、弱势籽粒, 在充足的营养供应下有相似的干重积累趋势。

图1

Fig. 1

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	图1 花后高温处理下籽粒干重的变化Q-25: 强势粒常温; Q-35: 强势粒高温胁迫; R-25: 弱势粒常温; R-35: 弱势粒高温胁迫。Fig. 1 Changes of kernel dry weight under high temperature after floweringQ-25: superior kernels under normal temperature; Q-35: superior kernels under high temperature stress; R-25: inferior kernels under normal temperature; R-35: inferior kernels under high temperature stress.

由图2可以看出, 常温处理下, 强、弱势粒的灌浆速率有相似的变化规律, 即随着培养时间的增加而加快, 在30 DAP时达到最大, 随后呈下降趋势, 在50 DAP降到最低。高温处理加快了强、弱势粒10~20 DAP灌浆速率, 与籽粒干重变化同步(图1), 但降低了籽粒灌浆中后期的速率。Q-35的灌浆速率在30 DAP达到最大, 比对照的最大灌浆速率降低14.9%。高温处理弱势粒的最大灌浆速率比对照低12.9%, 在20 DAP达到灌浆峰值, 比对照提前10 d, 可见, 高温不但降低了弱势粒灌浆中后期的速率, 而且缩短了灌浆持续时间, 可能是导致干重下降较严重的原因。

图2

Fig. 2

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	图2 花后高温处理下籽粒灌浆速率的变化Q-25: 强势粒常温; Q-35: 强势粒高温胁迫; R-25: 弱势粒常温; R-35: 弱势粒高温胁迫。Fig. 2 Changes of grain-filling rate per kernel under high temperature after floweringQ-25: superior kernels under normal temperature; Q-35: superior kernels under high temperature stress; R-25: inferior kernels under normal temperature; R-35: inferior kernels under high temperature stress.

由图3可知, 强弱势籽粒在高温下淀粉含量变化趋势相似。在10 DAP, Q-35和R-35的淀粉含量均高于对照, 与高温处理籽粒的干重变化一致, 但R-35的淀粉含量与对照差异显著。在20 DAP后, 高温处理的淀粉含量均低于对照, 差异均不显著。在40 DAP, 高温处理的弱势粒淀粉含量比对照减少6.3%, 强势粒少3.1%, 弱势粒淀粉含量降低程度大。

图3

Fig. 3

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图3 花后高温处理下籽粒淀粉含量的变化Q-25: 强势粒常温; Q-35: 强势粒高温胁迫; R-25: 弱势粒常温; R-35: 弱势粒高温胁迫; 标以不同小写字母柱值在0.05水平上差异显著。Fig. 3 Changes of starch content under high temperature after floweringQ-25: superior kernels under normal temperature; Q-35: superior kernels under high temperature; R-25: inferior kernels under normal temperature; R-35: inferior kernels under high temperature; Bars superscripted by different lowercases are significant difference at 0.05 probability level.

酸性蔗糖转化酶活性与同化物卸出及蔗糖水解密切相关, 而蔗糖合酶能催化降解细胞质中的蔗糖产生果糖和UDPG, 为淀粉合成提供底物, 因此二者与淀粉的合成密不可分。两种酶活性通常在籽粒灌浆早期相对较高, 在灌浆后期下降。从图4可以看出, 高温显著降低了籽粒灌浆前期的酸性蔗糖转化酶和蔗糖成酶的活性, 表明高温影响了籽粒灌浆前期淀粉合成过程中底物的供应。在10 DAP, Q-35的蔗糖转化酶、蔗糖合酶活性分别比对照降低19.1%、25.9%, 而R-35分别比对照降低27.1%、30.4%, 弱势粒的两种酶活性降低幅度均高于强势粒。在灌浆前期, 常温处理的弱、势籽粒的蔗糖转化酶和蔗糖合酶活性差异较小, 但在40 DAP, 强势粒处理的蔗糖转化酶活性显著高于弱势粒, 蔗糖合酶活性没有显著差异。

图4

Fig. 4

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图4 花后高温处理下籽粒淀粉合成相关酶活性的变化Q-25: 强势粒常温; Q-35: 强势粒高温胁迫; R-25: 弱势粒常温; R-35: 弱势粒高温胁迫; 标以不同小写字母柱值在0.05水平上差异显著。Fig. 4 Changes of activities of enzymes related to starch synthesis in kernel under high temperature after floweringQ-25: superior kernels under normal temperature; Q-35: superior kernels under high temperature; R-25: inferior kernels under normal temperature; R-35: inferior kernels under high temperature; Bars superscripted by different lowercases are significant difference at 0.05 probability level.

淀粉合酶(SSS)和ADPG焦磷酸化酶(APGase)直接影响淀粉的合成, 在籽粒的灌浆前期活性较低, 灌浆后期活性较高。由图4可见, 在灌浆前期, 高温对强、弱势粒的SSS和APGase活性影响较小, 但灌浆后期两种酶的活性显著降低, 这可能是导致高温处理籽粒灌浆后期淀粉含量降低的原因。在40 DAP, Q-35和R-35的APGase活性分别比对照降低17.5%、47.7%, SSS活性分别降低20.8%、47.4%, 弱势粒的酶活性降低幅度大于强势粒, 且在10 DAP, 弱势粒处理的SSS活性显著小于强势粒。

如图5所示, 高温处理前, 籽粒中的激素含量处于同一水平, 高温处理在15 DAP结束。在5 DAP, 强势粒中的ZR含量显著高于弱势粒, 可能是强势粒较弱势粒发育提前引起的。在15 DAP高温显著降低了籽粒的ZR、IAA含量, 强、弱势粒中的ZR含量分别降低了16.3%、26.2%, IAA含量分别降低了12.4%、22.1%, 弱势粒的降低幅度大, 且弱势粒处理的两种激素含量均显著低于强势粒。由此可见, 弱势粒中的部分激素含量不但低于强势粒, 而且高温敏感性较强。强、弱势粒的GA₃含量变化不同, 高温对强势粒中的GA₃含量影响较小, 没有显著差异, 却显著提高了弱势粒中GA₃的含量, 这表明, 高温对弱势粒影响严重可能与GA₃含量变化有关。

图5

Fig. 5

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图5 花后高温处理下籽粒中激素含量的变化Q-25: 强势粒常温; Q-35: 强势粒高温胁迫; R-25: 弱势粒常温; R-35: 弱势粒高温胁迫; 标以不同小写字母柱值在0.05水平上差异显著。Fig. 5 Changes of kernel hormone content under high temperature after floweringQ-25: superior kernels under normal temperature; Q-35: superior kernels under high temperature; R-25: inferior kernels under normal temperature; R-35: inferior kernels under high temperature; Bars superscripted by different lowercases are significant difference at 0.05 probability level.