细胞质雄性不育玉米增产的生理机制

摘要

雄性不育性在利用杂种优势中具有重要作用，可以节省养分，提高籽粒产量。为了探明细胞质雄性不育玉米增产的机理，本研究以生产中广泛应用的骨干自交系的不育系及其同型保持系为试验材料，比较研究了氮素亏缺下细胞质雄性不育系和其保持系的光合特性、矿质营养特性以及根系特性的差异，探讨了氮素亏缺对不育系的产量和品质的影响。主要研究结果如下： 1细胞质雄性不育玉米的产量形成 细胞质雄性不育玉米产量显著高于其可育系，平均高11.5％，其中在缺氮条件下和正常施氮条件下分别高13％和10％，千粒重和收获指数显著较高，而穗粒数差异不显著。籽粒的灌浆速率随生育进程推进而降低，缺N下可育系的灌浆速率降低，而不育植株显著升高。 花后不育系的干重高于其可育系，其中开花期不育系茎秆、叶鞘和根系中的干物质分配显著较高，而由于花粉败育使不育系的雄穗重显著低于其可育系；成熟期不育系茎秆、叶片的干重和可育系差异不显著，苞叶和穗轴的干重略高，雄穗重差异较小，而根系干重低于其可育系。 2细胞质雄性不育玉米的光合特性 开花后不育系的叶面积、叶绿素含量显著高于其可育系，且在生育后期优势明显，缺氮下可育系的穗位叶的光合速率降低，而不育系的光合速率反而有所提高，其蒸腾速率、气孔导度、细胞间隙C02浓度与其光合速率变化趋势一致。不育系的光合色素含量均高于其可育系，其中穗位叶的叶绿素a、叶绿素总量及类胡萝卜素含量均显著较高。 两类型玉米开花期的Fo、Fv/Fm、ΦPSⅡ和ETR均高于花后20d，不育系的Fo和PSⅡ低于其可育系，且在花后20d差异较大，而Fv/Fm和ETR均高于其可育系，且两类型玉米变化趋势一致。 3细胞质雄性不育玉米氮代谢生理特性 花后穗位叶的硝酸还原酶活性(NRase)在不同材料间存在较大差异，不育系的GS活性和GDH相比其可育系有所提高，分别提高2.5％和6.1％；氮亏缺条件下，不育系GS的降幅相对较小，可育系GDH活性显著降低，而不育系GDH活性却有所升高，说明不育系具有较高的蛋白质合成能力，而缺N可能不会降低不育系籽粒蛋白质含量。 不育植株果穗叶SOD、POD和MDA含量和其可育系差异不显著，CAT活性和可溶性蛋白含量显著较高；氮亏缺条件下，POD及MDA含量均有所升高，CAT活性和可溶性蛋白含量均显著降低，且不育系的降幅相对较小，说明缺N加剧了细胞的膜脂过氧化程度，但不育系受到伤害的程度小于其可育系。 4细胞质雄性不育系的氮素营养时空分布 开花后不育系各层叶片的全氮平均含量均低于其可育系，但在生育后期不育系的含量相对较高。不育系上部茎和中部茎全氮平均含量均高于其可育系，下部茎的含量相对较低。 不育系的苞叶、茎鞘和根系含氮量均低于其可育系，叶片、茎秆和籽粒含氮量二者差异较小。氮亏缺条件下，各器官含氮量均显著降低，其中不育系茎杆含氮量变异幅度最大，而叶片、苞叶和籽粒的降幅差异并不显著，根系中20-40cm土层含氮量显著高于0-20cm。 5细胞质雄性不育玉米的根系特性 两种类型玉米相比，花后0-30d不育系的根系总干重显著高于其可育系，但生育后期差异不大，且在正常氮素水平下具有明显优势。不同土层内根系重量占总根重的比例，0-20cm土层不育系相比其可育系的有所降低，20-40cm土层差异不明显，40-80cm土层不育系的根系所占比例相对较高。 开花后不育系根系最大体积显著高于其可育系，平均增幅为36％；0-20cm土层根系体积的变化，与根系总体积变化趋势相似，20-40cm在不同材料间存在差异，40-80cm不育系的根系体积所占比例相对较高。 两种类型玉米0-20cm土层根系活力先升高后降低，在籽粒灌浆初期达到最大值，缺N对不育系的20-40cm最大根系活力影响较大，40-80cm最大根系活力显著低于其可育系。 不育系根系SOD、POD、MDA和可溶性蛋白含量在开花后0-20cm显著低于其可育系，而在植株生育后期0-20cm土层根系SOD活性相对较高；N亏缺条件下，根系SOD、POD和可溶性蛋白含量均显著降低，而MDA含量有所升高，但增幅差异不大。 开花期根系活性的0-20cm和20-40cm土层均高于乳熟期，而40-80cm土层根系活性低于乳熟期，不育系的SOD活性20-40cm和40-80cm土层均高于其可育系，且在乳熟期的优势更为明显，而POD活性差异不大。不育系各土层根系MDA和可溶性蛋白含量均低于其可育系，且在两种材料间变化趋势一致。 6氮亏缺对细胞质雄性不育玉米的籽粒品质 不育系的粗脂肪、粗蛋白含量均低于其可育系，而淀粉含量、赖氨酸、支链淀粉和可溶性糖含量相对较高。缺N下，不育系的粗脂肪、赖氨酸含量和蛋白质总量及其各组分均显著降低，而可育系的蛋白质含量和淀粉的支/直比有所升高，不育系直链淀粉和支链淀粉含量均低于可育系 两种类型玉米上部叶含氮量与粗蛋白、总淀粉和支链淀粉含量显著正相关，下部叶与可溶性糖和直链淀粉含量呈极显著正相关，不育系中部叶含氮量与淀粉和赖氨酸含量显著正相关，而可育系与可溶性糖含量显著负相关。 不育系中部叶含氮量与球蛋白和谷蛋白含量显著正相关，下部叶与谷醇比呈显著负相关，而可育系上部叶含氮量与球蛋白极显著正相关，中部叶与清蛋白和谷蛋白显著正相关，下部叶与醇溶蛋白/蛋白总量显著正相关。

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摘要

引言

2材料与方法

3结果与分析

4讨论

5结论

参考文献

致谢

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