玉米籽粒灌浆特性及其与茎秆糖分的关系

华鹤良，赵 青，李国生，曹振奇，王 杰，卞云龙

(1.扬州大学粮食作物现代产业技术协同创新中心/教育部植物功能基因组学重点实验室，江苏 扬州 225009；2.扬州大学实验农牧场，江苏 扬州 225009；3.扬州市扬大康源乳业有限公司，江苏 扬州 225004)

玉米是中国种植面积大、总产量高的粮饲作物。玉米产量主要取决于单位面积籽粒数量和粒质量[1]，粒质量因其在穗上着生位置的不同而有较大差异。一般来说，着生在果穗下部和中部的籽粒充实好，粒质量高，称之为强势粒；着生在果穗上部的籽粒充实差，粒质量低，称之为弱势粒[2-3]；果穗上部籽粒还会退化[4], 形成秃顶。关于弱势粒灌浆差的原因，水稻上已有大量研究，也存在多种解释, 包括源限制[5-6]、库容限制[7-8]、库活性低[9-10]和同化物运输不畅[11-12]等，其机理仍不完全清楚。玉米籽粒灌浆的粒位效应前人多从籽粒生长发育[3,13]、氮肥运筹[14-16]、籽粒物理性状[17]、激素[2,18]、密度[19-20]及基因型[21-22]等方面进行研究。蔗糖是重要的光合产物，是植物体内运输的主要物质，也是茎秆糖分的主要成分[23-24]。光合产物需要不断通过茎秆向玉米籽粒运输，才能完成籽粒灌浆、干物质积累等过程。目前，关于玉米茎秆糖分含量与籽粒灌浆关系鲜有报道。本试验以先玉335和郑单958及其亲本为材料，研究玉米不同粒位籽粒灌浆特性，并探讨灌浆速率与茎秆糖分的关系，旨在进一步解析玉米籽粒灌浆机理，为提高玉米产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以先玉335和郑单958杂交种及其亲本为试验材料， 2015-2016年供试品种的主要生育时期见表1。

1.2 种植方法

于2015年7月、2016年7月将先玉335和郑单958 杂交种及其亲本共6份试验材料播于扬州大学实验农牧场的玉米试验田中，采用随机区组设计，2次重复，每份材料每个重复种植6行，每行10株，行距0.60 m，株距0.25 m，试验田前茬为空茬，沙壤土，地力中等，施纯氮241.5 kg/hm2，苗期防治地老虎，大喇叭口期防治玉米螟，其他田间管理措施同一般大田。

1.3 取样方法

选取长势相对整齐一致的单株40株(行首和行尾的植株除外)，挂牌并记载相关生育期(抽雄期、散粉期、吐丝期)，吐丝前统一套硫酸纸袋隔离；全部采用人工自交授粉，每个材料在同一天进行饱和授粉，确保各果穗结实粒数基本一致，对不同材料授粉日期进行记录，以便记录取样时间。

表1主要生育时期

Table1Thegrowthstagesofthetestedvarieties

年份材料播种期(月-日)抽雄期(月-日)散粉期(月-日)吐丝期(月-日)2015郑单95807-1309-0309-0509-04郑5807-1309-0609-1009-09昌7-207-1309-0809-1109-12先玉33507-1309-0509-0509-04PH6WC07-1309-0709-1109-12CPH4CV07-1309-0809-1009-102016郑单95807-1108-3109-0209-02郑5807-1109-0409-0709-08昌7-207-1109-0509-1009-12先玉33507-1109-0209-0909-08PH6WC07-1109-0409-0809-08CPH4CV07-1109-0709-1009-11

1.4 灌浆速率与脱水速率测定

在每个供试材料各自授粉后的第10 d、20 d、30 d、40 d和50 d分别取样，每次选取8个长势一致的果穗。早上7∶00-8∶00 取样，迅速脱粒。

按籽粒粒位分别取上部3～10环籽粒(从果穗最顶端数起)，中部 13～22 环(从果穗最下部数起)和下部 8～12 环籽粒(从果穗最下部数起)分别为上部样粒、中部样粒、下部样粒。各部位样粒混匀后随机选出50(自交系)或100 (杂交种)粒称鲜质量。迅速将鲜质量材料转入105 ℃烘箱30 min，然后80 ℃烘干至恒质量，测干质量。

1.5 茎秆糖分含量测定

当日用于测定籽粒灌浆速率与脱水速率的植株去掉叶片、叶鞘及雄穗等， 用榨汁机(恒联 TYZ-8.0)分别榨出每个植株的全茎秆汁液于培养皿中，充分混合后，微量移液器吸取100 μl，用手持测糖仪(PAL-1，日本生产)测定糖分含量。为了降低测糖仪的测定误差，每次每个植株茎秆汁液重复测定3次，取其平均值作为该植株的茎秆汁液糖分含量。

1.6 计算公式：

籽粒灌浆速率=(后1次取样百粒干质量-前1次取样百粒干质量)/取样间隔。

籽粒含水率=(百粒鲜质量-百粒干质量)/百粒鲜质量×100%。

籽粒含水量是指每100粒玉米中水分的质量。

茎秆糖分消耗量=前后10 d茎秆含糖量之差的绝对值。

1.7 数据处理

采用 Microsoft Excel 2007 进行数据处理、作图， 用 SPSS16.0 版软件进行数据统计与分析。两年数据趋势一致，数据分析以 2015 年为主，部分数据为2015 年和2016 年平均值。

2 结果与分析

2.1 茎秆糖分含量变化

2个杂交种及其亲本授粉后10 d至50 d茎秆含糖量整体都呈下降趋势，亲本自交系茎秆含糖量普遍高于其杂交种；先玉335(图1)和郑单985(图2)2个杂交种茎秆含糖量下降趋势基本相似，但先玉335从授粉20 d至30 d茎秆含糖量下降幅度较郑单958大，这可能与先玉335灌浆特性有关。 2个杂交种亲本的茎秆含糖量下降速率有较大差异，先玉335的2个亲本PH6WC和CPH4CV下降缓慢，相比而言郑单958的2个亲本郑58和昌7-2下降较快。

图1 先玉335及其亲本不同测定时期茎秆含糖量变化Fig.1 Stalk sugar content of Xianyu 335 and the parent in different measurement stage

图2 郑单958及其亲本不同测定时期茎秆含糖量变化Fig.2 Stalk sugar content of Zhengdan 958 and the parent in different measurement stage

2.2 不同粒位籽粒灌浆动态

不同粒位(上、中、下)籽粒灌浆速率在灌浆初期差异很小，随着灌浆期的延长差异渐大，但中部、下部粒位籽粒灌浆速率差异仍然较小，在灌浆速率达到峰值时，上部与中部、下部籽粒灌浆速率差异达最大(图3)。从图3可以看出，授粉后30 d杂交种灌浆速率达到高峰期，亲本自交系(PH4CV除外)灌浆速率高峰期早于杂交种。高峰期前后果穗不同粒位籽粒灌浆速率表现不同，高峰期及之前杂交种和亲本自交系灌浆速率基本表现为下部籽粒>中部籽粒>上部籽粒；高峰期结束后，中部籽粒灌浆速率较下部高，上部籽粒灌浆速率仍然最低。供试材料先玉335、PH4CV及郑58果穗上部籽粒灌浆速率在灌浆后期仍然呈现上升趋势。据此，作者认为如果栽培措施得当，生育后期进一步增加果穗上部籽粒粒质量是可能的。

灌浆速率存在粒位效应，同时也存在基因型差异。自交系PH4CV不同粒位籽粒灌浆速率从授粉后 10～40 d均呈现上升趋势，而其他供试材料籽粒灌浆速率基本都表现低-高-低的变化趋势。自交系PH4CV的籽粒灌浆特性对其杂交种先玉335果穗上部籽粒灌浆速率持续上升应该是有作用的。尽管郑单958母本郑58果穗顶部(上部)灌浆速率趋势与先玉335父本PH4CV相似，但其中部、下部籽粒灌浆速率在达峰值后呈现快速下降，上部虽有上升但不足以抵消整体下降趋势，可能与郑单958果穗上部籽粒灌浆速率也表现慢-快-慢有关。要保持杂交种上部籽粒在后期仍有高的灌浆速率，至少一个亲本整体籽粒灌浆速率在后期要有此特性。

图3 不同粒位籽粒灌浆速率Fig.3 Grain filling rate at different grain positions of maize ear

2.3 不同粒位籽粒水分动态

授粉后10～50 d，6个供试材料果穗不同粒位籽粒含水量都表现为下部>中部>上部，但中、下部差异较小(图4)；中、下部籽粒含水量在授粉后20 d达峰值，上部籽粒含水量峰值出现时间供试材料间有差异，2个杂交种上部籽粒含水量在授粉后30 d达峰值，自交系PH6WC和昌7-2上部籽粒含水量达峰值时间与杂交种相同，另外2个自交系(PH4CV、郑58)上部籽粒含水量则是在授粉后10 d最高。随着籽粒灌浆期的延长，籽粒含水量在达峰值后，均呈现下降趋势(图4)。

图4 不同粒位籽粒含水量Fig.4 Grain moisture content at different grain positions of maize ear

从图5可以看出，无论是杂交种还是自交系果穗不同粒位籽粒含水率从授粉后10～50 d变化趋势一致，第一次取样(授粉后10 d)籽粒含水率最高，然后逐渐下降。相对来说，授粉后10 d中、下部籽粒含水率比上部高，随着籽粒干物质的不断积累，3个粒位籽粒含水率相近。先玉335在授粉30 d后籽粒含水率下降速度快于郑单958。

籽粒含水量是籽粒水分的绝对量，籽粒含水率是籽粒水分的相对量，2者变化趋势不同，籽粒含水量在授粉后20 d出现峰值。玉米授粉后 15～20 d为籽粒形成期，籽粒体积增加很快，干物质积累较少，含水量迅速上升。因此，研究结果符合玉米籽粒的形成与充实特性。

图5 不同粒位籽粒含水率Fig.5 Grain moisture content percentage at different grain positions of maize ear

2.4 茎秆糖分含量与籽粒灌浆速率关系

蔗糖是重要的光合产物，是植物体内运输的主要物质，也是茎秆糖分的主要成分[23]。玉米茎秆是叶片光合产物向籽粒运输的主要通道，茎秆糖分含量与籽粒灌浆速率的关系值得关注。授粉后10 d是玉米籽粒形成期，干物质积累较少，茎秆糖分含量处于高水平阶段。随着籽粒灌浆速率提高，茎秆糖分含量呈下降趋势(图1、图2、图3)。在茎秆糖分消耗量与灌浆速率关系方面，2个杂交种先玉335和郑单958表现一致(图6)，授粉后30 d籽粒灌浆速率最高，茎秆糖分消耗量也最大。与郑单958相比，先玉335授粉后 30～50 d茎秆糖分含量没有下降且相对稳定(图1)，对先玉335在后期(30～50 d)仍有较高的灌浆速率是有利的。4个自交系茎秆糖分与灌浆速率关系表现不一致(图6)，除了PH4CV，其他3个自交系茎秆糖分消耗量最大时，灌浆速率基本上也达最高值。相比而言，先玉335的2个亲本(PH6WC，PH4CV)后期茎秆糖分消耗量较高，可能与籽粒灌浆速率下降缓慢有关。

郑单958父母本的茎秆糖分消耗量在20 d、30 d达到最大，郑单958的茎秆糖分消耗量在20 d、30 d也达到最大(图6，表2)，说明杂交种的茎秆糖分消耗量与父母本存在一定联系。

3 讨 论

玉米是中国第一大粮饲作物, 玉米高产是一个永恒的话题。Johnson等[25]和 Engledow 等[26]把产量分解为几个构成因素：产量=穗数×穗粒数×粒质量。在农业生产中, 这 3 个产量构成因素中的穗数和穗粒数是相对容易调整的[27]，增密增产的理念已经得到广泛应用。在黄淮海地区，夏玉米灌浆时间短，灌浆期阴雨寡照天气多，另外农民还有早收的习惯，粒质量不稳成为黄淮海地区夏玉米产量出现年际间大幅度波动的主要原因[28]。因此应把提高粒质量作为玉米超高产研究的主攻方向。

玉米粒质量因其在穗上着生位置的不同而有较大差异。一般来说,着生在果穗下部和中部的籽粒充实好、粒质量高，称之为强势粒；着生在果穗上部的籽粒充实差、粒质量低，称之为弱势粒[2]。玉米不同粒位籽粒灌浆速率存在粒位效应[14,29-30]；本研究结果表明，灌浆速率的粒位效应在灌浆速率峰值前后有差异，峰值期及之前2个杂交种(先玉335、郑单958)和亲本自交系灌浆速率基本表现为下部籽粒>中部籽粒>上部籽粒；高峰期结束后，中部籽粒灌浆速率较下部高，上部籽粒灌浆速率仍然最低。顶部小花分化发育晚，花丝抽出迟,在自然传粉情况下授粉受精晚，中下部小花的早受精子房对顶部小花有库位抑制作用[31-32]。本研究采用人工同步授粉的方法，排除授粉受精早晚对顶部小花发育的影响，但上部籽粒灌浆速率仍然处于劣势状态。上部籽粒的糖分(光合产物)供应不足，导致上部籽粒物质积累较低[29]，同化物的供应不均衡可能是导致顶部与中下部籽粒发育差异的一个重要原因[14]。本研究发现，不同材料后期籽粒灌浆速率下降趋势不同，作者认为后期仍有较高的灌浆速率或灌浆速率下降缓慢(如PH4CV)对提高上部籽粒粒质量是有利的。玉米果穗一般呈圆筒型或圆锥型，上部直径总是小于中下部，玉米果穗籽粒分布几何空间也影响了上部籽粒库容(籽粒体积)；Tollenaar等[4]研究也认为库容是导致上部籽粒干物质积累慢的主要原因，选育圆筒型果穗玉米品种有利于提高果穗上部籽粒粒质量。粒质量是玉米产量的重要组成部分, 籽粒充实的优劣直接关系到粒质量和产量的高低，加强玉米弱势粒(上部籽粒)灌浆特征及机理研究非常重要。

图6 茎秆糖分消耗量与籽粒灌浆速率的关系Fig.6 The relations between grain filling rate and stalk sugar consumption

表2不同籽粒灌浆时期茎秆糖分消耗量

Table2Stalksugarconsumptionofdifferentmaizevarietiesatgrainfillingstage

供试材料性 状 授粉后天数(d)1020304050先玉335灌浆速率(g/d, 100粒)0.140.240.830.820.67糖分消耗量 (%)0.343.460.290.14PH6WC灌浆速率(g/d, 100粒)0.260.740.760.69糖分消耗量 (%)1.211.166.46PH4CV灌浆速率(g/d, 100粒)0.210.400.640.96糖分消耗量 (%)0.081.320.73郑单958灌浆速率(g/d, 100粒)0.110.200.840.640.42糖分消耗量 (%)1.042.540.530.29郑58灌浆速率(g/d, 100粒)0.180.750.550.55糖分消耗量 (%)2.271.600.03昌7-2灌浆速率(g/d, 100粒)0.170.470.570.53糖分消耗量 (%)1.690.990.43

玉米粒质量与淀粉的积累密切相关。可溶性糖总含量(蔗糖和还原糖)的高低对于淀粉的积累具有决定性的意义。申丽霞等[14]研究结果表明顶部籽粒蔗糖、总糖含量均明显低于中下部籽粒，且总糖含量与灌浆速率的下降相一致，说明同化物的供应不均衡是导致顶部与中下部籽粒发育差异的一个重要原因。华鹤良等[33]研究认为玉米茎秆糖分含量不同生育时期的变化趋势与籽粒灌浆速率、光合产物合成量及植株自身消耗量等因素相关。玉米茎秆糖分是籽粒灌浆的重要物质来源，本研究中茎秆糖分消耗量最大时，籽粒灌浆速率基本上处于峰值，2个杂交种表现尤为明显。当然玉米抽雄开花后茎秆糖分除了供给果穗籽粒灌浆，还要参与植株自身的代谢活动，生育后期的植株早衰、贪青晚熟等现象都与茎秆糖分的积累、消耗有关。玉米茎秆糖分是玉米整个生长过程中光合产物积累的结果，本研究中自交系PH4CV茎秆糖分消耗处于峰值时，籽粒灌浆速率只有每百粒籽粒每天0.64 g，相对较低，可能其茎秆糖分消耗用于其他器官的生长发育。

郑单958和先玉335是目前中国种植面积较大的玉米品种，且生育期相近，但收获时籽粒含水率差别显著且籽粒脱水速率存在较大差异[34]。在本研究中，先玉335授粉后30 d、40 d和50 d的籽粒含水率分别为33.0%、22.1%和15.6%；郑单958授粉后30 d、40 d和50 d的籽粒含水率分别为31.1%、25.0%和15.5%。依据田间实际成熟情况，2个杂交种在授粉后40 d处于生理成熟期，说明先玉335生理成熟时籽粒含水率明显低于郑单958。早期较大的生理脱水速率使先玉335生理成熟时的籽粒含水率显著低于郑单958。宋朝玉等[35]比较先玉 335和郑单 958的脱水过程，先玉335比郑单958籽粒脱水快的优势在于其前期脱水快，并认为选育快速脱水品种应注重前期脱水强度的选择。