大田淹水影响夏玉米穗分化和籽粒发育的生理机制及其调控

Flooding is one of major abiotic stresses in crop production. In the Huanghuaihai Plain, most rainfall occurs during the growing season of summer maize, and the growth and yield of summer maize are significantly affected by excessive rainfall and/or flooding. Waterlogging damages on maize varies among cultivars, growth stages, environmental conditions, and waterlogging duration. In our study, waterlogging treatments (waterlogging stage and duration) and spraying exogenous hormone 6-Benzyladenine (6-BA) after waterlogging are to be designed in the field. Our objectives are to elucidate the physiological mechanism of spike differentiation and grain development of waterlogged summer maize, to study the uptake and distribution characteristics of nitrogen and carbon in summer maize plants by the isotope tracers of both 15N and 13C, to explore the effects of waterlogging on endogenous hormones and endosperm cell proliferation of summer maize, and to explore the molecular basis that waterlogging damages on yield formation by using TMT marker quantitative proteomics technology, and to study the regulation mechanism of spraying 6-BA after waterlogging on yield formation and 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.

涝害是世界上主要的非生物逆境胁迫之一。黄淮海区域降水多集中在夏玉米生长季节，常造成农田积水，导致玉米涝害，尤其近些年玉米芽涝和花粒期渍涝现象时有发生。涝害对玉米的影响因品种、淹水时期、环境条件及淹水持续时间不同而异。本研究在大田条件下设置不同淹水时期和淹水持续时间，结合淹水后喷施外源激素6-苄氨基嘌呤（6-BA），通过显微结构观察明确大田淹水对夏玉米穗分化和籽粒发育的影响；在此基础上，利用13C和15N同位素标记技术，研究淹水后夏玉米碳素和氮素的同化、运转与分配特性；探讨淹水后夏玉米内源激素含量与平衡以及籽粒胚乳细胞增值特性；TMT标记定量蛋白质组学技术进行差异蛋白分析，探讨大田淹水影响夏玉米穗分化和籽粒发育的生理与分子机制；初步明确外源6-BA调控淹水后夏玉米穗分化和籽粒生长发育的生理机制，以期为高产高效夏玉米生产的育种和栽培提供科学依据。

涝害是世界上主要的非生物逆境胁迫之一。研究不同淹水时期和淹水持续时间对夏玉米穗分化和产量形成的影响及其调控机理具有重要的理论和实践意义。在大田条件下设置不同淹水时期（V3、V6、VT+10 d）和淹水持续时间（3 d和6 d），结合淹水后喷施外源激素6-苄氨基嘌呤（6-BA），旨在研究不同淹水时期和淹水持续时间对夏玉米穗分化和籽粒发育、内源激素含量与平衡、碳素的同化、运转与分配特性和蛋白质组的影响以及外源6-BA的调控机理。主要研究结果如下：. 淹水后夏玉米产量显著下降。三叶期淹水对夏玉米的产量影响最大，拔节期淹水次之，开花后10天淹水对其影响最小，且其影响随淹水持续时间的延长而加剧。三叶期淹水6d后产量下降幅度最大，DH605和ZD958的产量较CK分别下降32%和35%。淹水后穗粒数和千粒重显著降低，且淹水后空秆率有所上升。淹水胁迫通过提高CURT1、VIPP1、LHCP TRANSLOCATION DEFECT Protein、PSI、PSII等蛋白的2-羟基异丁酰化修饰水平，调节夏玉米叶片类囊体结构和动态变化及其膜上相关蛋白的活性及功能，从而调节淹水后夏玉米叶片的光合作用；淹水胁迫显著降低夏玉米光合碳同化能力并阻碍碳同化物向雌穗的转运，导致雌、雄穗发育不良，总小花数、受精小花数显著降低。此外，淹水胁迫后夏玉米雌穗对同化物的竞争能力较雄穗弱，导致雌雄间隔增加，进一步影响雌穗的受精结实和产量。. 喷施6-BA通过调节乙烯和茉莉酸甲酯（JA）通路上关键蛋白的磷酸化水平，提高其信号转导过程，促进淹水夏玉米对乙烯、JA等介导的胁迫应答过程，提高植株对环境胁迫的适应能力；喷施6-BA能有效地缓解淹水对参与叶绿体运动、光反应和碳固定等过程关键蛋白的磷酸化水平影响，进而改善淹水夏玉米叶片光合结构和功能，提高植株光合性能。此外，喷施6-BA通过提高淹水后夏玉米叶片、穗位节以及雌穗细胞分裂素含量，并调控其他激素如ABA、JA、SA的含量，改善穗位节结构，提高碳同化物向雌穗转运，促进雌穗小花小穗发育同步，改善花丝生长发育，从而提高受精小花数、穗粒数以及产量。