弱光影响夏玉米穗分化特性的生理机制及调控研究

As C4 plant summer maize is a strictly light adapted species, grain yield of maize is significantly decreased in low light conditions. Continuous rain occurrs frequently during the maize-growing season, resulting in insufficient solar radiation and yield reduction of summer maize in Huanghuaihai region, the growth and yield of summer maize have been affected seriously. In this study, shading and increasing light treatments are to be designed in the field. The objectives of this study are to elucidate the physiological mechanism of spike differentiation of summer maize in low light, to study the uptake and distribution characteristics of nitrogen and carbon in summer maize plants by the isotope tracers of both 15N and 13C, and to explore the effects of shading on endogenous hormones content of summer maize, and to study the regulation of different exogenous hormones on the spike differentiation of summer maize. The expected results will be helpful for the breeding and agronomic management practices improvement of summer maize with high yield and high efficiency.

作为C4植物，玉米是一种喜光作物，光照不足将严重影响其产量。近年来，黄淮海夏玉米生长期内连续阴雨、光照不足的天气时常发生，严重影响其生长发育和产量形成。本研究在大田条件下设置不同遮阴和增光处理，旨在实现弱光和增光正反两个效应，通过显微结构观察明确弱光对夏玉米穗分化和发育特性的影响；在此基础上，利用13C和15N同位素标记技术，探讨弱光条件下夏玉米碳素和氮素的同化、运转与分配特性；研究弱光对夏玉米内源激素含量与平衡和籽粒胚乳细胞增值特性的影响；探讨外源物质对弱光条件下夏玉米穗分化的调控及其生理机制；明确弱光影响夏玉米穗分化的生理机制。以期为高产高效夏玉米生产的育种和栽培提供科学依据。

在大田条件下设置5个试验处理，即花粒期遮阴（开花-收获，S1）、穗期遮阴（拔节-开花，S2）、全生育期遮阴（出苗-收获，S3）、花粒期增光（开花-收获，L）和对照（大田自然光照，CK），旨在研究不同光照条件对夏玉米穗分化特性、内源激素含量与平衡、胚乳细胞增值特征、碳氮积累与分配特性和叶片蛋白组的影响及植酶Q9调控机理。主要研究结果如下： .遮阴导致夏玉米籽粒中13C同化物的分配量降低，且不同处理籽粒中13C光合同化产物转移量表现为CK>S2>S1>S3。开花后，茎、叶等营养器官13C同化物所占比例随生育进程不断下降，籽粒13C同化物所占比例不断上升，即遮阴显著降低了光合产物的积累和分配，减少了籽粒中的同化产物的分配量，降低了产量。通过15N同位素标记表明，遮阴降低了植株氮素吸收量，且成熟期籽粒中氮素分配量降低，郑单958的S3、S2、S1处理籽粒中积累的15N含量较对照分别降低60.0%、28.2%和50.5%，登海605的分别降低70.0%、32.3%和51.4%，籽粒中15N积累量表现为CK>S2>S1>S3，即遮阴导致夏玉米氮素积累量减少，改变了不同器官中氮素的分配，降低了籽粒中氮素含量，最终导致产量降低。60%的遮荫诱导了光合电子传递链和胁迫/防御/解毒的蛋白质的表达。然而，与卡尔文循环、CO2固定、淀粉和蔗糖代谢、糖酵解、TCA循环、核糖体和蛋白质合成有关的蛋白质显著降低。这可能有助于蛋白质功能分析和阐明玉米在遮阴胁迫下的蛋白质组学和生理响应机制。喷施植酶Q9后，S3和S2的生育进程较其对照提前1-2d，雌雄间隔缩短1d，LAI、SPAD值、穗位高、株高显著增加；干物质积累及其向籽粒的分配比例增加，倒伏率和空秆率降低；S3穗部性状得到改善。喷施植酶Q9增加了夏玉米公顷穗数、穗粒数、千粒重，进而显著提高产量，S3、S2、S1喷施植酶Q9后分别平均增产21%、9%、14%。因此，喷施植酶Q9可以有效缓解夏玉米弱光胁迫导致的危害。