增密对玉米花丝受精结实能力及衰老进程的影响

林 珊，张 莉，吴 巩，陈先敏，赵 雪，申 思，梁效贵，周顺利，2

(1.中国农业大学 农学院，北京 100193；2.河北省低平原区农业技术创新中心，河北 吴桥 061802)

增密是未来实现我国玉米高产的重要技术手段[1]。而玉米密度与产量之间呈“抛物线”关系[2-3]，主要是由于玉米单株产量随密度增加而呈下降趋势，达到一定密度后，增密增产的效应无法补偿单株产量的下降，反而造成玉米总产量的降低[4]。因此，研究高密度条件下单株产量降低的机制对于玉米高密度栽培具有重要的理论与实践意义。

玉米对密度的响应因品种[5-6]、土壤气候[7]、耕作管理水平[8-9]等不同而存在差异。前人研究表明增密造成玉米产量的降低与冠层透光率降低[10]、雌雄穗发育受到影响[11-12]有关，特别是对玉米开花期雌雄穗分化进程的影响，增密往往造成雌雄穗散粉吐丝间隔期(ASI)延长，严重影响玉米受粉结实的能力[11-12]。尽管前人就不同密度条件下雌雄穗的分化进程进行过大量研究[13-16]，但对果穗花丝生长与衰老特性及其与受精结实关系研究鲜有报道。本研究从花丝生长发育的角度探讨增密对玉米果穗不同部位花丝生长与衰老动态的影响，旨在探明高密度条件下花丝衰老进程以及不同部位花丝生长与受精特性，为实现玉米增密高产栽培提供理论与实践参考。

1 材料和方法

1.1 试验地情况

本研究在河北省沧州市中国农业大学吴桥实验站(116°37′E，37°41′N)进行。试验地土壤0～40 cm耕层含有机质11.8 g/kg，全氮0.92 g/kg，有效磷36.5 mg/kg和速效钾94.8 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用二因素裂区设计，主因素为密度，设置5株/m2(D5，52 500 株/hm2)和11株/m2(D11，112 500 株/hm2)2个密度处理；副因素为品种，选用登海605(DH605)和郑单958(ZD958)，分别为大穗型和普通穗型品种。小区面积为114 m2(6 m×19 m)。

由于玉米生长季气象因素变化大，玉米生物学性状易受环境的影响，为了进一步比较验证环境效应，本研究设置了2个播期。试验于2017年6月18日和2017年6月28日播种，等行距种植，行距为0.60 m。为了有足够的花粉进行授粉试验，分别于播种期的前4 d增加一个播种期，以及播种期后每隔4 d，增加3个播种期。肥料分种肥和追肥2次施用。种肥每公顷施纯氮72 kg、过磷酸钙600 kg(P2O516%)、硫酸钾300 kg和硫酸锌15 kg；追肥于大喇叭口期进行，每公顷108 kg纯氮。全生育期按照一般大田水平进行管理，及时防治病虫草害，无明显的水肥逆境出现。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 试验植株选择 于吐丝前选择茎粗和株高一致的植株做标记，套袋。并于吐丝当天进行二次选择，选择同一天吐丝的植株，记录吐丝时间。

1.3.2 吐丝动态测定方法 选择标记的未授粉套袋植株从吐丝第1天到吐丝第20天每天进行取样，剪取果穗顶端吐出苞叶的花丝，置于90%乙醇溶液，并于4 ℃冰箱保存，直到测定结束。3次生物学重复。

1.3.3 花丝衰老动态测定方法 按照Bassetti等[17]的方法将花丝基部2～3 mm的衰老过程分为4个阶段(图1)。本试验将进入第Ⅳ阶段的花丝视为衰老花丝。具体方法为，将测定完花丝数量的果穗，用刀片小心去掉苞叶，按照花丝衰老标准快速测定衰老花丝数目。

Ⅰ.花丝未衰老；Ⅱ.花丝基部开始萎缩；Ⅲ.花丝基部萎缩程度加大；列Ⅳ.花丝基部完全萎缩。标尺=0.5 mm。

Ⅰ. Silk was not senesced；Ⅱ.Silk basal tissue began to atrophy；Ⅲ.The atrophy in basal silk tissue was enlarged；Ⅳ.Silk was collapse completely. Bar=0.5 mm.

图1 不同玉米品种花丝衰老过程

Fig.1 Process of silk senescence in different maize hybrids

1.3.4 可受精花丝动态测定方法 可受精花丝即能够接受花粉并正常完成受精过程的花丝。直接通过显微镜观测花粉管是否到达子房以确定是否完成受精的方法较复杂，且对每根花丝都进行测定的难度大，可操作性差。由于花丝正常受精也即表明了籽粒开始生长。因此，本研究通过测定授粉后30 d生长的籽粒数从而间接得到可受精花丝数。具体方法为：从吐丝第1天开始授粉，连续授粉20 d。每个处理植株仅授粉一次，授粉前后严格套袋，避免其他植株自然散落花粉对试验造成影响。取样当天按照图2标准，即可受精花丝数等于建成籽粒(生长良好的籽粒)与败育籽粒(中途停止灌浆的籽粒)之和。测定整个果穗及不同部位(以穗轴基部为起始，每隔10环为测定部位)的受精后生长的籽粒数(包含瘪粒)。6次生物学重复。

1.3.5 可受精花丝百分率测定方法 可受精花丝百分率=可受精花丝数量/吐出苞叶的花丝数量×100%。

标尺=1 cm。Bar=1 cm.

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17.0统计软件分析试验数据，用Microsoft Excel 2013作图。

2 结果与分析

2.1 花丝的生长与衰老特性

如图3所示，密度对玉米花丝生长有一定的影响。通过套袋处理发现，高密度延缓了花丝吐出苞叶的数量及时间。2个品种2个密度下花丝吐出量的差异均呈现先增加后减小的趋势。两品种高密度下所有花丝吐出的时间均较低密度延长。2个播种期，所有花丝吐出的时间DH605表现为高密度较低密度推迟了3 d，ZD958则推迟了1 d。可见，密度对大穗型品种DH605的影响较普通穗型品种ZD958更为突出。

图3 种植密度对果穗吐丝动态的影响

进一步分析不同密度条件下花丝衰老特性，由图4可见，密度对花丝衰老的时间影响很小，2个播期和2个品种均于吐丝后的第8天和第9天出现衰老花丝。说明不同密度条件下花丝吐出苞叶后开始衰老的时间比较稳定。而值得注意的是，花丝衰老出现后，低密度与高密度的花丝衰老数量差异逐渐加大，表现为低密度的花丝衰老数量均高于高密度，并且所有花丝衰老结束的时间均较高密度提前。这可能与低密度下花丝更多更快吐出苞叶，同时花丝吐出苞叶后衰老时间较为稳定有关。

2.2 花丝对花粉的可接受性

通过对吐出苞叶的花丝进行人工同步授粉，并于吐丝后30 d取样测定单个果穗受精后生长的籽粒数，结果表明，随着吐丝时间的延长，单个果穗可受精花丝的数量呈现先增加后减少，最后完全消失的趋势，两品种表现一致(图5)。而值得注意的是，高密度延长了整个果穗可受精花丝的持续时间。不同品种不同播种期所延长的时间也不尽相同。第1个播种期，整个果穗的可受精花丝持续时间DH605高密度比低密度延长2 d，ZD958延长2 d；而第2个播种期，DH605高密度比低密度延长2 d，ZD958则延长1 d(图5)。

同步测定果穗不同部位的花丝受精特性，如图6所示，不同部位的可受精花丝特性均表现为先增加后减少，最后完全消失。由此可知，高密度条件下顶部花丝仍然能够进行正常受粉获得结实能力。

图4 种植密度对果穗花丝衰老的影响

图5 种植密度对果穗可受精花丝数及其持续时间的影响

同时，中下部花丝获得可受精的时间均较顶部花丝时间早。2个品种和2个密度变化趋势一致。而值得注意的是，增密对底部花丝(1～10环)开始获得受精的时间影响较小(均于吐丝第1天获得受精能力)，但是却显著延缓了顶部花丝(DH605大于40环，ZD958大于35环)的受精时间。不同品种不同播种期对顶部花丝受精的延缓时间也不尽相同。第1个播种期，顶部花丝开始获得受精的时间DH605高密度比低密度推迟3 d，ZD958推迟1 d；而第2个播种期，DH605高密度比低密度推迟1 d，ZD958推迟0 d。

2.3 花丝受粉结实能力与花丝衰老的关系

为了明确吐出苞叶的花丝受粉结实能力与花丝衰老的关系，测定了可受精花丝百分率。结果(图7)表明，可受精花丝百分率在吐丝后8～9 d一直处于较高水平。而此后可受精花丝百分率逐渐降低，最终变为0。说明吐丝8～9 d以后吐出苞叶的花丝开始不能正常受粉。2个品种的变化趋势一致。值得注意的是，高密度延缓了可受精花丝百分率降低的幅度，使得整个果穗的花丝可受粉结实时间延长。该变化趋势与花丝衰老变化趋势刚好相反。

图6 种植密度对果穗不同部位花丝结实性的影响

进一步的相关分析表明(图8)，可受精花丝百分率与花丝衰老呈极显著的负相关关系(r2=0.964***)，说明较长时间推迟受粉造成的花丝授粉结实能力降低主要是由于花丝衰老造成的。

3 结论与讨论

穗粒数是玉米产量构成三要素之一，与产量形成关系密切。玉米穗粒数与花丝能否正常受精密切相关[18]。前人研究表明，玉米果穗上的花丝呈现向顶式生长，中下部花丝最先分化，最先吐出苞叶，而顶部花丝则最晚分化，吐出苞叶时间较晚。花丝吐出苞叶后，花粉落于花丝上萌发，花粉管在花丝内部延伸，最终到达子房完成受精[17]。Bassetti等[19]研究发现，玉米花丝衰老与籽粒形成密切相关。玉米花丝衰老后，花丝基部2～3 mm出现萎缩，致使花粉管不能顺利通过花丝到达子房，阻碍受精过程。因此，阐明增密对玉米花丝受精结实能力及衰老进程的影响具有十分重要的意义。

图7 种植密度对果穗可受精花丝百分率的影响

***.在0.001水平上相关性显著。

本研究结果表明，玉米果穗花丝受粉结实能力整体表现为先增加后减少，最后完全消失，该研究结果与前人研究一致[18]。而随着增密后花丝受粉时间的推迟，整个果穗的结实性降低。但值得注意的是，随着密度的增加，整个果穗可受精花丝持续时间延长。这可能与高密度延长了中上部花丝受粉结实持续时间有关。本研究结果表明，高密度并不影响果穗花丝吐出苞叶后衰老的时间，其均开始于吐丝后的8～9 d。说明密度胁迫对花丝吐出苞叶后衰老特性影响较小。这与干旱条件下水分对花丝衰老的影响不同[19]，前人研究结果表明干旱胁迫加速了花丝的衰老。同时，Turc等[20]发现，水势与花丝生长密切相关，说明花丝生长对水分的依赖性更强，而本研究没有出现明显的水分胁迫环境。同时，本研究发现，增密延缓了整个果穗花丝的衰老时间。这可能与增密降低了花丝的生长速率，使花丝整体吐出苞叶的时间延长有关。为了进一步研究吐出苞叶的花丝的受粉结实能力与花丝衰老的关系，分析了可受精花丝百分率与花丝衰老的相关性，发现花丝受粉结实能力与花丝衰老呈极显著的负相关关系。这与前人的研究结果一致，表明先吐出苞叶的果穗基部花丝衰老后，花粉管不能顺利到达子房造成受精失败，花丝受粉结实率降低[21]。总的来说，高密度对吐出苞叶后的花丝衰老时间没有明显影响，但显著延长整个果穗花丝衰老时间，最终造成果穗花丝的可受粉结实时间延长。