棉花濕害研究進展

贠平，楊婷，張文英 （長江大學作物抗逆技術研究中心，湖北 荊州434025）

在全球自然災害頻發的現狀下，澇漬災害是影響最嚴重的自然災害之一。據聯合國糧農組織和國際土壤學會估算，水分過多的土壤約占全球土壤的12%［1］。我國是澇漬災害多發的國家，2010年以來我國28個省 （區、市）遭受洪澇災害，農作物受災面積達760萬hm［2］。建國以來，我國棉花生產取得了突飛猛進的發展，棉花單產從1949年的160.0kg／hm2增加到2007年的1286.4kg／hm2，但濕害等自然災害成為進一步提高棉花單產的障礙。因此，圍繞棉花耐濕性開展相關研究與遺傳改良的意義重大。

1 濕害對棉花的影響

1.1 對形態、產量的影響

濕害對棉花的直接影響是導致根系缺氧，根系在低氧條件產生的還原性產物導致根系不發達、根毛減少、植株易倒伏［2］，從而間接影響地上部分，表現為葉色萎蔫轉黃，喪失熒光活性和光合作用能力［3］，最后隨著干物質積累減少，植株死亡［4］。淹水后單株成鈴減少是濕害導致棉花減產的主要原因［5］。苗期遭遇濕害會對棉花地上部的生長 （株高、葉面積、完全展開葉片數）、棉苗葉片光合速率等抑制作用顯著［6］；蕾期遭遇濕害會造成植株葉片脫落、出葉速度減慢，蕾及幼鈴脫落，主莖紅綠比隨濕害程度的加重呈增加趨勢［7］；花鈴期遭遇濕害則會對產量造成影響。淹水使棉鈴和纖維發育遲緩，鈴重和衣分降低［8］。當受澇時間相同時，地下水位回落越慢，產量越低；當地下水位下降速度相同時，產量隨受澇時間增加而顯著減少［9］。

1.2 對生理生化的影響

1.2.1 水分代謝

淹水條件下，土壤含水量升高造成植物根系缺氧［10～11］而影響呼吸代謝。在氧化磷酸化途徑中，由于缺乏適當的電子受體——氧氣，導致氧化還原鏈飽和，NAD （P）H累積，而ATP的產生下降［12～14］，能量代謝受阻造成植株吸收轉運水分和營養物質的能力下降。

1.2.2 光合作用

植株遭受澇漬脅迫后，葉片的葉綠素含量、凈光合速率、可溶性糖、淀粉和總糖含量下降，從而導致減產［15］。

澇漬脅迫后植物光合速率降低的原因有不同解釋：遭遇濕害后短期內水稻光合作用下降主要是由于CO2擴散慢，但長時間澇漬脅迫后葉綠體固定CO2的能力下降則成為光合速率降低的主要原因。吳月燕［16］的研究表明，大氣濕度偏高可能導致葉片部分氣孔關閉使氣體交換受阻，二氧化碳濃度和氣孔導度下降，最終導致光合速率下降。

1.2.3 激素及生長調控

環境條件改變會引起植物內源激素的變化從而影響植物生命活動，如植株遭受澇漬脅迫后體內乙烯含量升高，從而誘發大量不定根［17］。劉凱文等［3］的研究表明，棉花內源激素對澇漬環境反應敏感。郭文琦等［18］對花鈴期棉花淹水處理后發現其根系吸收能力下降，根系中可溶性蛋白質含量顯著降低。

1.2.4 細胞膜

在澇漬脅迫下，自由基增加并襲擊膜系統，使生物膜中的脂質過氧化或膜脂化，干擾生物膜上鑲嵌的多種酶的空間構型，造成膜的空隙變化，通透性增加，離子大量外滲，細胞氧化變質、衰老直至死亡，嚴重影響細胞正常的生理活動［19～21］。

在澇漬脅迫條件下植株本身的抗氧化系統會清除多余的自由基，清除能力越強則基因型耐澇性越強［22～23］，但在長時間澇漬脅迫條件下，自由基的氧化作用會使膜脂過氧化，導致酶保護系統受到破壞［24］。

2 耐濕機理

2.1 形態適應性

濕害首先造成植物根系傷害，因此植物對濕害的一種主要適應方式是使細胞排列疏松，莖基變粗并在地表形成不定根，有的甚至形成紡錘狀莖基［25］。筆者在棉花苗期澇漬試驗中觀察到棉苗莖基部 （水面附近）組織疏松出現膨大，這些適應性可能與改善氧的運輸有關［15］。此外，地上部的伸長也是一種減輕氧氣缺乏的有效方式［26，27］，即植物被水淹后，其莖、枝和葉柄等地上部分會迅速生長。還有一種方式是增加新生葉片與地平面的夾角，縮短植物葉片與水面的距離，從而改善氧氣和二氧化碳供應，使其恢復一定的氣體交換和光合能力［2］。

此外，有些物種還會形成通氣組織，這是因為根系及其附近微生物在低氧環境中促進乙烯生成，導致纖維素酶等的活性增強，在酶的作用下，根尖皮層組織中細胞分裂或部分皮層細胞崩潰，形成根際通氣組織。這也是植物對澇漬脅迫的一種重要適應方式［2］。研究表明，棉花澇漬處理后未發現通氣組織形成［28］，但參試材料較少且并未過多涉及我國材料，筆者認為棉花在澇漬脅迫后是否會形成通氣組織有待進一步研究。

2.2 代謝適應性

濕害造成土壤通氣性嚴重下降形成低氧脅迫，短期淹水脅迫下植物根系的主要呼吸方式和產能途徑變為無氧呼吸［29～30］。由于植物在無氧呼吸時會產生有毒物質，因此適應缺氧的途徑之一是消除這些有毒物質或對有毒物質具備耐受力，避免酸中毒等［31，32］。

3 棉花耐濕性的鑒定方法

棉花耐濕性鑒定目前并沒有統一的方法，但可從其他作物的相關研究中提供一些參考。Xu等［33］、Toojinda等［34］、Nandi等［35］的研究發現，存活率、澇脅迫植株伸長量、葉片衰老3個性狀指標可用于確定植株的耐濕性強弱，因此可以考慮在棉花品種耐濕性鑒定中使用。齊曉花［36］對黃瓜品種進行苗期淹水處理，發現黃瓜植株死亡率與葉綠素損失率顯著正相關。張永吉［37］在研究不結球白菜的耐濕性鑒定方法時將葉片失綠面積和失綠程度作為濕害分級指標，用來調查濕害指數。

雖然品種的耐濕性鑒定沒有統一的方法和標準，但筆者認為從不同時期、不同方面 （形態學、生理生化、分子標記等）綜合裁定也可以在一定程度上反映出品種的耐濕性強弱。綜合前人對其他作物耐澇性的評價，在棉花上可采用的直觀形態指標有葉片綠色穩定性、不定根的發育程度、存活率、恢復力、生長量、根數等，間接的指標主要有解剖結構 （單位面積莖的氣隙百分率、橫切面發育特征）、生理生化代謝（根系泌氧力、K＋和NO－3含量、保護酶系和厭氧呼吸酶系的活性、質膜透性、脅迫期間光合與呼吸強度、碳氮水平等）。但由于棉花耐澇機制復雜，單個形態、生理指標有局限性，因此必須綜合分析形態、生長或生理代謝等方面的變化，并最終從基因水平上加以確認，才能科學評價棉花的耐澇性［2，38］。

4 耐濕性遺傳改良

利用基因工程導入或增強一個控制多種抗逆性的轉錄因子，可以改良品種的多種抗性。因此，在棉花耐濕性遺傳改良可嘗試該方法［39］。目前在一些作物上已經實現了耐澇性基因的導入和表達［40］：①導入活性氧清除酶類等綜合抗逆基因。將來自煙草的Mn－SODcDNA基因導入苜蓿中，轉基因植株葉片受到的傷害減輕2～3倍，產量和存活率明顯提高。②導入編碼氧結合蛋白的專一耐澇基因。將一種細菌的血紅蛋白基因VHb導入煙草，在缺氧和低氧的條件下轉基因植株比對照發芽時間減少一半，生長35d后干重增加1倍［41］。③導入編碼厭氧誘導蛋白基因Adh1和Adh2（二者不連鎖）。據研究，缺氧誘導的ADH是由基因Adh1和Adh2編碼的，目前已經弄清其基因序列結構，并在棉花等作物中得到cDNA植株。

5 討論與展望

在澇漬情況下，天氣的變化及溫濕度的變化對棉花的影響比濕害造成的影響更大，如濕害后高溫天氣的影響明顯大于作物受漬的影響［42］，筆者在棉花苗期的澇漬試驗中也發現不同溫度下棉花對澇漬的反應速度也不同。因此，在棉花耐濕性的鑒定過程中如何做到鑒定條件穩定且不引入其他脅迫是值得探究的問題。

目前關于棉花濕害的研究并未涉及基因組層面，棉花澇漬相關的基因尚不明確，利用基因組、轉錄組、蛋白組分析將有助于深入剖析相關分子機理。通過反向遺傳學、酵母雙雜交、正向遺傳學等技術對基因功能、基因及基因產物間相互關系的研究可以全面地了解植物響應澇漬脅迫的機制和相互作用以及相應的信號轉導途徑，從而為利用基因工程改良植物澇漬脅迫耐受性奠定基礎［43］。此外，多樣性陣列技術 （diversity array technology，DArT）被認為是目前進行基因組分析最有效的手段之一，基于這種技術的DArT標記已用于禾本科的耐澇基因及QTLs性狀分析［44］，在未來的研究中它有可能會用于做棉花基因和基因組序列的比較。

在小麥耐澇漬育種中極大似然法 （Restricted Maximum Likelihood，REML）被證明是行之有效的，此方法也可在棉花耐澇漬育種中使用。每個組合的總收獲量提前采取措施確認是否可能形成新的品種［45］。使用不同的評價方法、群體或組合可能會讓研究者更詳細地了解品種的耐澇性。開展更深層次的研究應該將已經發現的QTLs導入到目前的主流品種中通過分子標記輔助選擇來進行［46］。

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