河南农业大学科研团队在 J Integr Agr (Q1/IF=4.4) 发文,揭示旱热复合胁迫损伤玉米花丝活力的分子机制

全球气候变暖背景下，高温与干旱复合胁迫已成为黄淮海地区夏玉米花期生产的主要威胁。相较于单一高温、干旱胁迫，旱热复合对玉米雌穗花丝功能的协同破坏机制长期未被清晰解析。河南农业大学科研团队通过两年田间温控试验，结合生理指标与转录组分析，系统阐明了旱热复合胁迫通过扰乱蔗糖代谢与木质素合成，降低玉米花丝活力、加剧小花败育的核心通路，为玉米抗逆育种提供了关键理论支撑。

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通讯作者及单位与邮箱

Correspondence

Ruixin Shao

E-mail: shao_rui_xin@126.com

Qinghua Yang

E-mail: yangqh2000@163.com

1 State Key Laboratory of High-Efficiency Production of Wheat-Maize Double Cropping/College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450046, China

核心内容

结果 1：旱热复合胁迫显著提升小花败育率，导致玉米产量大幅下降。旱热复合胁迫下，玉米结实率较对照平均降低 56.7%，较单一高温、干旱分别降低 52.4%、34.1%；小花败育率较对照提升 26.8 倍，是造成产量损失的主要原因，且果穗顶部小花败育最为严重。

结果 2：旱热复合胁迫通过增加未抽出花丝与未受精抽出花丝比例加剧小花败育。干旱、旱热复合胁迫会延迟玉米抽丝与散粉，显著降低花丝鲜重，大幅增加未抽出花丝数量；同时，旱热复合胁迫下，未受精抽出花丝引发的小花败育率较对照提升 402.2%，协同导致授粉受精失败。

结果 3：旱热复合胁迫显著降低抽出花丝活力，破坏细胞结构完整性。旱热复合胁迫下，花丝活性染色显著减弱，超氧阴离子、过氧化氢、丙二醛大量积累，引发氧化损伤；花丝细胞超微结构严重畸变，细胞壁变形、核膜凹陷、细胞器受损，直接丧失生理功能。

结果 4：转录组分析显示旱热复合胁迫显著改变花丝基因表达与代谢通路。与单一胁迫相比，旱热复合胁迫下花丝差异表达基因数量最多，上调基因主要富集在苯丙烷生物合成、谷胱甘肽代谢通路，下调基因集中在淀粉与蔗糖代谢、过氧化物酶体通路。

结果 5：旱热复合胁迫扰乱蔗糖代谢，抑制木质素合成。旱热复合胁迫导致花丝蔗糖异常积累，葡萄糖、果糖、淀粉含量显著下降，能量供应与渗透调节失衡；尽管苯丙氨酸解氨酶、肉桂醇脱氢酶活性上调，但过氧化物酶活性大幅降低，木质素单体聚合受阻，最终木质素含量显著减少。

图解

图 1 旱热复合胁迫对玉米籽粒形成与产量的影响。展示成熟玉米果穗表型与籽粒分类，明确旱热复合胁迫下单株产量、结实率显著降低，小花败育是生殖失败的主要因素，且果穗顶部败育最严重。

图 2 旱热复合胁迫对玉米抽丝的影响。呈现花丝鲜重日增长、抽出与未抽出花丝比例、不同败育类型花丝占比，直观显示旱热复合胁迫抑制花丝伸长，增加未抽出与未受精抽出花丝比例。

图 3 旱热复合胁迫对玉米抽出花丝活力的影响。通过花丝活性染色、活性氧与丙二醛含量测定、细胞超微结构观察，证明旱热复合胁迫加剧氧化损伤，破坏花丝细胞结构，降低花丝活力。

图 4 花丝差异表达基因 KEGG 通路富集分析。展示不同胁迫下上调与下调差异基因的前 20 条富集通路，明确旱热复合胁迫对淀粉蔗糖代谢、苯丙烷生物合成通路的显著调控作用。

图 5 旱热复合胁迫对抽出花丝糖分含量的影响。直观呈现蔗糖、葡萄糖、果糖、淀粉含量变化，揭示旱热复合胁迫导致蔗糖积累、单糖与淀粉减少的代谢紊乱特征。

图 6 木质素生物合成相关酶活性与基因表达模式。展示木质素合成关键基因表达、酶活性及木质素含量变化，阐明旱热复合胁迫通过抑制过氧化物酶活性降低木质素含量的机制。

图 7 旱热复合胁迫对玉米花丝的作用机制模式图。以图示清晰呈现旱热复合胁迫通过影响花丝抽出、蔗糖代谢、木质素合成、活性氧积累，最终降低花丝活力、加剧小花败育的完整通路。

展望

本研究系统解析了旱热复合胁迫对玉米花丝功能的协同损伤机制，明确了蔗糖代谢与木质素合成是调控花丝抗逆性的关键靶点。未来可基于本研究挖掘的关键基因与代谢通路，通过分子育种培育花丝抗逆性强的玉米品种，同时研发针对性的田间抗逆栽培技术，有效缓解黄淮海地区旱热复合胁迫造成的玉米产量损失，保障粮食生产安全。