彩色棉抗氧化酶活性與棉纖維發育相關性研究

康娜娜，杜海燁，成 莎，渠云芳，黃晉玲

（山西農業大學農學院，山西太谷 030801）

彩色棉是一種棉纖維本身具有天然色素的生態棉，它的制品無需進行染色，經濟環保，且質地柔軟舒適，既可滿足人們的需求又有利于人體健康，有“植物羊絨”之稱。但相比于白色棉，彩色棉存在纖維品質較差、產量低、色澤不穩定等缺點，嚴重阻礙了彩色棉纖維的開發和利用[1]。前人研究表明，彩色棉與白色棉發育過程大體一致，同樣經歷細胞的分化和突起、纖維伸長、次生壁加厚、脫水成熟4個階段。但彩色棉除合成纖維素外，還增加了色素的合成與沉積過程，導致競爭性地消耗纖維中的碳水化合物，進而影響纖維素的合成[2]。

植物正常的生長發育，都需要利用氧氣進行呼吸作用和光合作用，為自身的生命活動提供能量。已有研究表明，植物正常代謝中會產生有毒的中間副產物活性氧自由基（ROS），包括超氧陰離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）、氫氧根離子（OH-）等，活性氧性質活潑，很容易與細胞大分子反應或者直接損傷細胞成分，引起細胞膜損傷[3]。植物體內由超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等組成的抗氧化酶系統，不僅是細胞內活性氧清除劑和抵御逆境的重要防御系統[4]，還可以通過影響激素類信號物質濃度、細胞膜結構等調控棉纖維的發育[5]。

宋世佳等[5]研究發現，彩色棉纖維品質受纖維素積累和抗氧化酶雙重影響。蘇翔等[6-7]研究表明，彩色棉中的色素是一種酚類物質，而抗氧化酶在酚類物質被氧化的過程中起到一定的保護抑制作用，通過抑制色素類物質的氧化而影響激素類物質的合成，進而調控纖維的發育。ROESLER[8]研究表明，抗氧化酶能激活乙酰輔酶A羧化酶，使中間產物流向色素合成途徑的可能減少，導致色素合成受到抑制；還可以通過改變質膜結構，影響非纖維素糖類物質在纖維初生壁的積累。

目前，對于棉纖維發育機理的研究多以棉纖維為研究對象，其實棉纖維作為一種特化的種皮，棉籽是其發育的前提和著生點，鈴殼是其發育的環境，棉鈴為其發育提供營養，所以，棉纖維的發育必然受到鈴殼、棉籽生理狀態的影響[9]。

本研究以纖維顏色不同的棉花種質為研究材料，以棉纖維發育過程中棉鈴各器官為研究對象，探究其在棉纖維發育過程中的生理活性變化，旨在揭示棉纖維發育與抗氧化酶的關系，為彩色棉纖維的品質改良提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選用1對纖維顏色不同的棉花近等基因系為材料，即綠葉、多毛、白絮、棕籽（簡稱白色棉）；綠葉、多毛、綠絮、綠籽（簡稱綠色棉），均由山西農業大學棉花育種實驗室提供。

1.2 試驗方法

參試材料于2016年4月在山西農業大學農作站棉花試驗田種植，采用正常的栽培管理措施進行管理。在棉花生長發育過程中，分別于花鈴期和吐絮期取2種材料相同節位上大小相近的棉鈴，分成鈴殼、棉籽、棉纖維3個部分，液氮速凍后存-80℃，用于生理生化指標的測定。

1.2.1 生理生化指標測定 SOD酶活性采用NBT光還原法測定[10]；POD酶活性采用愈創木酚法測定[11]；MDA含量測定采用硫代巴比妥法[10]；CAT酶活性采用高錳酸鉀滴定法進行測定[10]；可溶性蛋白含量參照READ等[12]的考馬斯亮藍法測定，以牛血清蛋白為標準品繪制標準曲線。每個指標重復測定3次。

1.2.2 棉纖維品質與產量各項指標測定 采用分梳法，隨機取每種材料10粒籽棉，將纖維梳直測定棉纖維長度；取100粒籽棉，分別稱其纖維與種子質量，計算衣指、籽指和衣分，設置3次重復。

1.3 數據統計與分析

試驗數據采用Excel等軟件進行統計和作圖，并進行方差分析；使用SPASS進行各項測定指標與纖維發育的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 超氧化物歧化酶（SOD）活性動態變化

SOD是植物體內清除活性氧的第1道防線，可以將有毒的O2-及時轉換為H2O2，從而降低對植物的損傷，增加膜的穩定性[13-14]。由圖1可知，2種材料不同發育時期SOD酶活性變化顯著，與花鈴期相比，吐絮期2種參試材料棉鈴各器官中的SOD酶活性基本呈上升趨勢，且在白色棉的棉籽和纖維、綠色棉的鈴殼和棉籽中顯著上升。

棉纖維發育的同一時期2種材料棉鈴不同器官具有不同的SOD酶活性。花鈴期，綠色棉鈴殼和棉籽中的SOD酶活性均低于白色棉，且棉籽中的SOD酶活性差異顯著；而棉纖維中的SOD酶活性顯著高于白色棉。吐絮期，綠色棉鈴殼和棉籽中的SOD酶活性高于白色棉，而棉纖維中的SOD酶活性顯著低于白色棉（圖2）。花鈴期，綠色棉纖維中較高的SOD酶活性會抑制色素的氧化，而色素類物質能夠抑制吲哚乙酸氧化酶（IAAO）的活性，使得吲哚乙酸（IAA）濃度增加，從而促進纖維細胞的生長分化。

2.2 過氧化物酶（POD）活性動態變化

過氧化物酶（POD）是植物體內清除H2O2、降低活性氧傷害的主要酶類之一。棉纖維發育過程中，從花鈴期到吐絮期，2種參試材料鈴殼中的POD酶活性顯著下降，而棉籽中顯著上升；白色棉纖維中的POD酶活性顯著上升，而綠色棉中則顯著下降（圖3）。吐絮期，白色棉纖維中POD活性升高，可能與棉纖維發育進入次生壁加厚期有關。次生壁加厚期發生氧化躍遷，產生較多的H2O2，需要更多的POD酶進行清除，使H2O2維持在相對較低的水平，利于次生壁纖維素的積累，促進高強纖維的形成。

花鈴期，2種參試材料棉鈴各器官POD酶活性基本相同；吐絮期，白色棉鈴殼和棉纖維中的POD酶活性顯著高于綠色棉，而棉籽中酶活性基本相同（圖4）。吐絮期綠色棉纖維較低的POD酶活性，可能是造成彩色棉纖維品質較差的原因之一。

2.3 過氧化氫酶（CAT）活性動態變化

CAT在細胞內主要存在于過氧化物酶體中，其主要功能是清除過氧物酶體中的H2O2。棉纖維發育的不同階段，與花鈴期相比，吐絮期2種參試材料棉籽中的CAT酶活性均呈顯著上升趨勢；鈴殼和棉纖維中的CAT酶活性基本呈下降趨勢，且在白色棉纖維中顯著下降，而綠色棉纖維中略有上升（圖5）。

棉纖維發育的同一時期2種材料棉鈴不同器官CAT酶活性差異較大。花鈴期，白色棉棉籽中CAT酶活性顯著低于綠色棉；鈴殼和棉纖維中CAT酶活性均高于綠色棉，且在棉籽和棉纖維中差異達到顯著水平；吐絮期，白色棉除棉籽中的CAT酶活性顯著低于綠色棉外，鈴殼和棉纖維中CAT酶活性基本相同（圖6）。CAT可能影響纖維的伸長以及色素的形成[14]。花鈴期，綠色棉纖維中的CAT酶活性低于白色棉，對纖維伸長的抑制作用減弱，這可能是造成2種參試材料棉纖維長度差異的原因之一。

2.4 丙二醛（MDA）含量動態變化

2種參試材料在棉纖維發育的不同時期，MDA含量變化較大。與花鈴期相比，吐絮期白色棉棉鈴各器官MDA含量在鈴殼和棉籽中均呈下降趨勢，且在棉籽中顯著下降，棉纖維中的MDA含量則顯著上升；綠色棉棉鈴各器官MDA含量均表現為極顯著下降（圖7）。

棉纖維發育的同一時期2種材料棉鈴不同器官MDA含量不同。花鈴期，白色棉棉鈴各器官中的MDA含量均顯著低于綠色棉；吐絮期，白色棉棉纖維中MDA含量顯著高于綠色棉，而鈴殼和棉籽中的MDA含量基本相同（圖8）。MDA含量可以直接反映膜脂過氧化程度，由此推測，在棉纖維發育過程中，綠色棉中的抗氧化酶不足以清除過量的活性氧，使得綠色棉膜系統損傷嚴重，這可能是造成綠色棉與白色棉纖維品質有差異的原因之一。

2.5 可溶性蛋白含量動態變化

可溶性蛋白含量是衡量植物體代謝過程中蛋白質變化的重要指標，其可以反映細胞內蛋白質合成、變性及降解等多方面的代謝信息[15]。2種參試材料在棉纖維發育的不同時期可溶性蛋白含量變化不大。與花鈴期相比，吐絮期2種參試材料棉鈴各器官中的可溶性蛋白含量除在棉纖維中表現不同以外，在鈴殼和棉籽中變化趨勢基本相同，在鈴殼中呈上升趨勢，在棉籽中表現為下降，但差異均未達到顯著水平（圖9）。

2種參試材料相比，同一發育時期可溶性蛋白含量也無顯著差異。花鈴期，白色棉棉鈴各器官中可溶性蛋白含量均低于綠色棉；而吐絮期，白色棉棉鈴各器官中的可溶性蛋白含量除鈴殼中低于綠色棉外，棉籽和棉纖維中均高于綠色棉，但差異均不顯著（圖10）。吐絮期白色棉纖維中較高的可溶性蛋白含量，有利于次生壁的發育。

2.6 2種參試材料考種數據分析

從表1可以看出，參試的2種材料，除纖維長度外，白色棉品種的百粒棉質量、百粒籽質量、衣指、衣分均高于綠色棉，表明白色棉纖維產量及纖維品質優于綠色棉。

表1 參試材料考種數據分析

2.7 棉鈴各器官各項測定指標與纖維發育的相關性分析

由表2可知，棉纖維發育過程中，棉鈴不同器官酶活性與纖維各項指標之間的相關性不同。吐絮期纖維POD酶活性、花鈴期纖維CAT酶活性與衣分呈顯著正相關，其相關系數分別達到0.834和0.861；花鈴期纖維MDA含量與衣分呈極顯著負相關，其相關系數達到0.925。花鈴期棉籽SOD酶活性、纖維CAT酶活性、吐絮期鈴殼POD酶活性與衣指呈顯著正相關，其相關系數分別達到0.843，0.940和0.988；而花鈴期棉鈴各器官MDA含量與衣指呈顯著負相關，相關系數分別達到0.924，0.934和0.981。花鈴期和吐絮期棉籽CAT酶活性、吐絮期棉籽POD酶活性以及花鈴期棉籽MDA含量均與纖維長度呈顯著正相關；花鈴期和吐絮期纖維CAT酶活性與纖維長度呈負相關關系。

表2 各項測定指標與纖維發育相關性分析

3 討論

3.1 抗氧化酶活性對棉纖維發育的影響

相關研究表明，彩色棉纖維中的色素是一種酚類物質，而抗氧化酶在酚類物質氧化過程中起到一定的保護作用。杜雄明等[17]研究認為，酚類物質有抑制吲哚乙酸氧化酶（IAAO）活性的作用，相應地提高了吲哚乙酸（IAA）的水平，因此，較高活性的抗氧化酶有利于激素類物質的形成，從而促進棉纖維的伸長發育。隨著棉纖維發育的進程，棉纖維進入次生壁加厚階段，發生氧化躍遷，產生大量的H2O2[18]，白色棉纖維中SOD活性和POD活性顯著上升，一方面有利于活性氧的清除；另一方面在纖維發育后期高活性的POD可以加速棉纖維細胞木質化，利于纖維次生壁加厚，且纖維細胞高活性的POD酶活性有利于高強纖維的形成[19-21]。

本研究發現，在花鈴期，綠色棉纖維中的SOD酶活性和POD酶活性均高于白色棉，推測由于綠色棉纖維中較高的抗氧化酶活性，抑制了色素類物質的氧化，加劇了酚類物質對吲哚乙酸氧化酶（I-AAO）的抑制作用，使得綠色棉纖維中的吲哚乙酸濃度增加，促進棉纖維伸長。從花鈴期到吐絮期，綠色棉纖維中POD酶活性極顯著低于白色棉，不利于纖維素在次生壁平穩沉積，造成彩色棉纖維產量及強度低于白色棉，考種數據也證實了這一點。

3.2 CAT酶對纖維品質的影響

CAT是抗氧化酶系統的一種，可以清除光呼吸產生的H2O2，提高光合效率，增加碳水化合物的積累，從而提高棉纖維的品質[22]。相關研究表明，CAT可能影響纖維的伸長以及色素的形成。李玉青等[15]以百棉1號、中棉所41為試材，對其棉纖維發育過程中的CAT活性變化進行了研究，結果表明，CAT對于棉纖維的伸長具有抑制作用。蘇翔[6]以棕色棉和白色棉為試材，對其纖維發育過程中種皮與纖維中抗氧化酶活性變化進行研究，結果表明，花后35 d，種皮CAT酶活性和棕色棉種皮中的棕色素呈極顯著負相關。本研究相關性分析結果表明，花鈴期和吐絮期棉纖維中的CAT活性與纖維長度呈負相關關系，高活性的CAT對棉纖維長度存在抑制作用。從花鈴期到吐絮期，白色棉纖維中CAT活性高于綠色棉，且在花鈴期差異達到極顯著水平，這可能是白色棉纖維長度較綠色棉短的原因之一。

3.3 MDA含量對棉纖維品質的影響

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的終端產物，其含量的多少可以反映生物膜的損傷程度和細胞中的活性氧狀況[23]。在棉纖維發育過程中，抗氧化酶通過影響質膜結構而影響非纖維素的糖類物質（如色素等）在初生壁的形成，最終造成棉纖維品質的差異[5]。詹少華等[24]研究認為，在棉纖維發育的整個時期，綠色棉MDA含量高于棕色棉與白色棉，由此推測，MDA含量高是導致綠色棉纖維品質差的原因之一。本研究發現，花鈴期棉鈴各器官中的MDA含量與衣分、衣指呈負相關關系，在棉纖維中呈極顯著負相關。棉纖維發育過程中，綠色棉鈴殼和棉籽中的MDA含量均高于白色棉，且在花鈴期差異達到顯著水平。表明在纖維發育進程中綠色棉中活性氧積累較多，膜系統損傷較大。此外，棉纖維發育后期，由于色素類物質在纖維次生壁上積累，競爭性地消耗纖維素合成所需要的底物，也是導致纖維含量降低和纖維品質較差的原因[25]。

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