中国农业大学揭示花期干旱诱导玉米籽粒败育的生理机制

植物种子在发育过程中自发性地停止生长并提早走向衰亡的败育过程是植物界非常普遍的现象。在进化上，种子败育是植物在多变的生长环境中繁衍生息的生存策略。通过这种“优胜劣汰”的方式，植株牺牲掉部分子代（种子），将有限的营养资源集中供给生存几率更大的子代。然而，在农业生产中，玉米等禾谷类作物的种子败育造成的穗粒数减少成为产量的关键限制因素。尤其是在作物开花期这一敏感时期发生的干旱胁迫会加剧籽粒败育，导致巨大的产量损失。 因此，干旱诱导的籽粒败育机制研究一直是相关领域的研究热点。

近年来，针对干旱诱导籽粒败育的机制国内外学者发表了众多不同的观点。争论的焦点集中于几个问题：一是干旱胁迫诱导籽粒败育究竟是 “源”限制还是“库”限制； 二是败育籽粒中糖分匮缺究竟是败育过程的 “诱因”还是“结果”； 三是干旱胁迫下籽粒生长停滞是由于同化物供应不足还是细胞膨压不足造成的？

图1. 花期干旱会通过影响玉米多个生理过程导致籽粒损失

近日，中国农业大学农学院周顺利教授团队在 Plant Cell & Environment发表题为 “Intervening in Sibling Competition for Assimilates by Controlled Pollination Prevents Seed Abortion under Postpollination Drought in Maize”的研究论文。 该研究以玉米为材料，系统性地总结和阐述了花期干旱胁迫诱导籽粒败育问题的复杂性。开花期是植株从营养生长向生殖生长转换的关键时期，在这个关键时期，玉米需要经历抽雄、吐丝、散粉、授粉、受精以及受精后的籽粒建成等多个发育过程（图1）。所以，在这个特殊时期持续数天的干旱胁迫往往会同时影响多个与籽粒发育相关的生理过程，导致研究结论不一致甚至矛盾。

基于此，该团队围绕受精籽粒在建成初期发生败育的问题，设置了不同程度的授粉后干旱胁迫处理，以消除授粉受精前等因素的干扰。研究发现，当所有籽粒全部授粉时，干旱胁迫会诱导多至15%的果穗顶部籽粒败育；若只对果穗中上部籽粒授粉（果穗底部不授粉）时，干旱胁迫并不能诱导籽粒败育的发生， 说明干旱加剧了籽粒之间对同化物的竞争，并促使植株“牺牲”掉部分籽粒。通过进一步在蛋白及分子水平的分析， 发现果穗顶部籽粒在这场“生存竞争”中表现出更弱的糖分摄取能力。并且发现6-磷酸海藻糖和淀粉的代谢平衡以及多胺与乙烯的代谢平衡很可能左右了这场“生存竞争”的胜负。 基于这些发现，该研究提出了一个干旱诱导受精后籽粒败育机制的模型(图2)，研究结果为通过育种或栽培手段减少生产中籽粒损失提供了理论依据。

图2. 控制授粉下抑制干旱诱导的受精籽粒败育机制模型

该研究由 中国农业大学农学院完成， 周顺利教授为论文通讯作者， 申思博士为第一作者。 研究得到了国家自然科学基金、国家玉米产业体系、国家重点研发计划及中国博士后基金的资助。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pce.13704

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