外源赤霉素GA3 调控弱光胁迫下不同光敏感型玉米自交系生殖器官发育的机制研究

为解决弱光胁迫导致玉米生殖器官发育受阻、产量下降的问题，研究人员以光敏感型自交系SN98A和光不敏感型SN98B为材料，探究外源赤霉素GA3 （20-60 mg L–1 ）对弱光（38%遮荫）下玉米雌雄穗发育的调控机制。研究发现GA3 通过提升内源GA3 含量、优化穗位节维管束结构、增强花粉/花丝活性及抗氧化酶（SOD/POD）活性，显著降低SN98A空秆率（从80.9%降至11.1%），其中60 mg L–1 处理效果最佳。该研究为弱光逆境下玉米稳产提供了理论依据和技术支撑。

　　

在全球气候变化导致光照强度持续下降的背景下，玉米作为C₄
作物对弱光胁迫极为敏感，尤其在生殖生长期遭遇阴雨天气时，雄穗花粉活力下降、雌穗花丝发育受阻，导致严重的"空秆"现象，产量损失可达70%。这一问题的核心在于弱光干扰了植物激素信号通路，而赤霉素（Gibberellic acid, GA）作为关键调控因子，其与光信号互作的机制尚未在玉米中明确解析。

针对这一科学问题，沈阳农业大学的研究团队通过多年选育获得一对近等基因系——光敏感型SN98A（弱光下空秆率>98%）和光不敏感型SN98B（空秆率<10%），在38%遮荫条件下系统研究了外源GA₃
（20/40/60 mg L^–1
）对玉米生殖器官发育的调控效应。研究发现，GA₃
通过多重机制显著改善SN98A的生殖成功率：提升内源GA₃
含量38.52 ng g^–1
（60 mg L^–1
处理）、优化穗位节维管束排列、增加雄穗分枝数（13.6 vs 10.4）和小花数（208 vs 157）、提高单株散粉量（61.19%）、改善花粉表面超微结构，同时增强花丝活性及抗氧化酶（超氧化物歧化酶SOD和过氧化物酶POD）活性，最终使空秆率从80.9%降至11.1%。这项发表于《Plant Stress》的研究，首次揭示了GA₃
通过整合形态建成与抗氧化防御系统缓解玉米弱光胁迫的分子生理机制。

研究采用的关键技术包括：1）近等基因系比较分析法；2）高效液相色谱-电喷雾串联质谱（UPLC-ESI-MS/MS）测定内源激素；3）TTC染色法评估花粉/花丝活力；4）显微超微结构观察；5）抗氧化酶活性检测体系。

【3.1 内源GA₃
含量变化】
UPLC-ESI-MS/MS分析显示，外源GA₃
处理显著提升两自交系内源GA₃
水平，其中SN98A在60 mg L^–1
处理下增幅最大（P<0.05），证实外源激素可有效激活内源合成途径。

【3.2 空秆率与产量参数】
GA₃
使光敏感型SN98A的空秆率从80.9%（对照）阶梯式降至11.1%（60 mg L^–1
），穗粒数增加416%（129 vs 25），但百粒重无显著变化，说明增产主要源于生殖成功率提升。

【3.4 雄穗小花发育】
弱光胁迫下，60 mg L^–1
GA₃
使SN98A雄穗主枝小花数增加23.3%，分支小花数增加22.6%，表明GA₃
能特异性促进生殖分生组织活性。

【3.5 花粉特性】
扫描电镜揭示：对照SN98A花粉表面褶皱不规则，而GA₃
处理后形态趋近SN98B的规则光滑表型，60 mg L^–1
处理效果最优，暗示GA₃
可修复弱光导致的细胞壁发育缺陷。

【3.7 花丝特性】
TTC染色显示，60 mg L^–1
GA₃
使SN98A花丝着色深度增加2.1倍，但花丝长度无变化，说明GA₃
主要通过增强代谢活力而非伸长生长来改善受精效率。

【3.8-3.9 抗氧化系统】
GA₃
处理使SN98A花丝SOD活性提升1.8倍，MDA（丙二醛）含量降低34.7%，证实其通过激活抗氧化防御缓解氧化损伤。

【3.10 维管束结构】
显微观察发现，SN98A对照组的维管束鞘细胞排列紊乱，而60 mg L^–1
GA₃
处理后结构规整度接近SN98B，为同化物运输提供解剖学基础。

该研究创新性揭示：外源GA₃
通过"激素水平调控-解剖结构优化-抗氧化防御激活"三位一体机制，有效缓解弱光对玉米生殖发育的抑制。60 mg L^–1
GA₃
可使光敏感型材料的田间产量潜力恢复至正常水平的34.2%，为阴雨寡照地区玉米抗逆栽培提供了可操作性解决方案。未来研究可进一步解析GA信号通路与光受体（如phytochrome）的交叉调控网络，为分子设计育种提供新靶点。