2個不同耐旱性棉花品種光合特性和干物質累積對干旱的響應

高宏云，李軍宏，王遠遠，夏 軍，時曉娟，郝先哲，田 雨，羅宏海

(石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態重點實驗室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】棉花是世界上主要的纖維作物[1]。中國是世界上最大的棉花生產和消費國之一[2]，中國新疆充沛的光能和獨有的干旱綠洲灌溉農業系統使新疆成為中國最大的優質棉生產基地[3]。新疆典型的大陸性干旱氣候成為新疆綠洲農業發展的主要限制因素[4]。在現有的棉花品種和生產水平條件下，通過創造高效用水環境，利用棉花自身的抗旱能力最大限度地發揮其生物節水潛能，對于研究棉花的干旱適應性和耐旱機理，以及促進新疆棉花的高產高效有著重要意義。【前人研究進展】光合作用是干物質和產量形成的基礎，受土壤水分的影響最為顯著[5]。干旱條件下葉片通過關閉氣孔，降低胞間二氧化碳濃度(Ci)等一系列活動適應水分脅迫，更嚴重的水分脅迫會導致葉綠素合成受阻及光合性能降低[6]。葉綠素熒光分析是一項檢測逆境條件下作物光合生理過程的重要技術[7]。嚴重的干旱條件還會引發葉片PSⅡ的光合活力下降，進而抑制電子傳遞速率和光合磷酸化[6]。不同品種在水分虧缺條件下的反應都不同[8]，且抗旱品種在水分脅迫條件下的長勢更好[9]。艾克拜爾等[10]發現，棉花功能葉的葉綠素含量(Chl)和凈光合速率(Pn)隨土壤水分脅迫程度的加劇而下降，且抗旱性較強的品種在嚴重脅迫下其光合能力才會受到顯著影響；羅俊等[11]對甘蔗的研究發現，水分脅迫下，葉片的最大光化學效率(Fv/Fm)、實際光化學效率[Y(II)]、光化學猝滅系數(qP)和非光化學淬滅系數(NPQ)下降，且抗逆性強的品種，下降幅度相對較小。不同基因型的作物對于水分虧缺的適應存在不同的機理[12]，致使其內在的某些生理生化過程對土壤水分的敏感性存在差異，而這些差異性就是選育抗旱性新品種的依據。【本研究切入點】選育抗旱性強的作物品種是實現干早區農業可持續發展最經濟有效的方法之一[13]。近年來，國內外諸多學者在玉米[14]、小麥[12，15]、高粱[16]等作物的抗旱機理研究中取得了重要進展，對不同抗旱型棉花品種表型分析以及其內在抗早機理的研究略顯不足。研究棉花抗旱性品種葉片光合生理特性及干物質累積與分配對干旱的響應機制。【擬解決的關鍵問題】以2個耐旱性不同的棉花品種為研究對象，設置不同程度的干旱脅迫，研究棉花產量形成期葉片的光合特性、葉綠素熒光參數、根冠比以及干物質累積對干旱脅迫的響應，為豐富棉花抗旱生理學和耐旱性棉花品種選育提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2017年4～10月在石河子大學農學院試驗站(86°03′E，45°19′N)進行。供試棉花品種為新陸早17號(耐旱性弱)和新陸早22號(耐旱性強)，由石河子農業科學研究院提供。試驗地土壤質地為中壤土，pH為7.5，全氮含量1.45 g/kg，堿解氮含量54.9 mg/kg(5級，低氮)，速效磷含量0.23 mg/kg(6級，低磷)，速效鉀含量149 mg/kg(2級，高鉀)，有機質含量12.5 g/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

在土柱栽培條件下，設3個水分處理[17]，每次灌水量分別為：常規灌溉(田間持水量的75%～85%，4 500 m3/hm2，CK)；輕度水分虧缺(對照灌水量的60%，2 700 m3/hm2，W1)；中度水分虧缺(對照灌水量的20%，900 m3/hm2，W2)。CK、W1、W2 每次灌水量為2 L/土柱、1 L/土柱、0.35 L/土柱，全生育期灌水17次。播前深挖2個深度為120 cm的土坑，平鋪一層厚度約為8 cm的石子后再鋪2層100目尼龍網。土坑中排放長度為120 cm，半徑為15 cm，壁厚為1 cm的硬質PVC，每個品種各18個土柱，每個處理重復6次。

于2017年4月21日播種，播種前將基肥(每個土柱4 g尿素，15 g磷酸二氫鉀)混入耕層(0～10 cm)土壤中，鋪膜后人工點播。每個土柱播4穴，每穴播3粒種子，播種深度為3 cm，同一土柱內株距為10 cm，不同土柱株距為20 cm。每個土柱澆出苗水500 mL，于棉花一葉一心時定苗，每穴留1株壯苗，水分處理開始于棉花三葉一心時期。參考新疆北疆實際生產中2 300 kg/hm2以上的皮棉產量的施肥標準，以尿素(N，46%)為氮源，0.20 g N/kg(干土)的含量施入，氮肥基追比為2∶8，全生育期每管總計施入尿素20 g，其中基施4 g，追施16 g；KH2PO4(含純P2O552%)為磷源，磷肥基追比是5∶5，按 0.15 g P2O5/kg(干土)的含量施入，每土柱總計施入KH2PO430 g，其中基施15 g，追施15 g。在棉花生長期間及時做好雜草和病蟲害防治。

1.2.2 測定指標

氣體交換參數：在晴朗無云的天氣下，于10:00～12:00，采用Li-6400便攜式光合系統(LI-COR Biosciences，Lincoln，USA)分別測定盛花期、盛蕾期、盛鈴期和吐絮期棉花功能葉的氣體交換參數(Pn、gs、Ci和Tr)。光強設置為1 800 μmol/(m2·s)，葉室溫度為30～32℃，；每個處理測定5～6個葉片，取平均值。

Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm.

葉綠素含量：測完葉綠素熒光參數之后，將葉片剪下，莖部用濕紗布包裹，帶回實驗室。用打孔器取葉片，重約為(0.1±0.02)g，放入25 mL具塞試管中，加入13 mL 80%丙酮溶液，置于暗處72 h，至各圓片呈白色，期間每隔24 h振蕩試管。以80%丙酮溶液為對照，用UV-2041型紫外分光光度計(日本，島津)，分別設置波長為663和645 nm，測定分光光度值，計算公式如下[19]：

Ca(mg/L)= 12.21A663-2.81A646.

Cb(mg/L)= 20.13A646-5.03A663.

C(mg/L)=Ca+Cb.

Chl(mg/dm2)=(Ca+Cb)VFW-1.

Ca和Cb分別代表葉綠素a和葉綠素b的濃度(mg/mL)；C代表總色素濃度(mg/mL)；Chl代表總光合色素含量(mg/g.FW)；Vt代表提取液總體積(13 mL)；FW代表葉片鮮重(mg)；D663和D645分別代表663和645 nm波長下測定的分光光度值。

葉面積、干物質累積與根冠比：分別在盛花期、盛鈴期和吐絮期，每個處理拔取4株棉花，將棉花分為根(子葉節以下)、莖稈、葉片、蕾花鈴。用Li-3000A便攜式葉面積儀(LI-COR Biosciences，Lincoln，USA)測定葉面積(cm2)，隨后分別將各器官裝入牛皮紙袋，設置烘箱溫度為105℃，殺青30 min后，設置溫度為80℃，烘干至恒重。

根冠比=根系干物質(g)/地上部總干物質(g)。

1.3 數據處理

數據處理用Microsoft Excel 2010 軟件進行，統計分析用SPSS19.0軟件進行，差異顯著性檢驗采用Duncan法進行(P<0.05)，繪圖用Sigmaplot12.5軟件，圖中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 干旱對不同棉花品種葉面積的影響

研究表明,主莖葉和總葉面積在品種間表現為新陸早17號<新陸早22號。在盛鈴期，與CK相比，W1和W2顯著降低了2個品種棉花葉片的總葉面積，主莖葉的葉面積下降低幅度不同。在盛花期至盛鈴期，與CK相比，新陸早17號的主莖葉的葉面積在W1和W2處理分別下降27.00%～37.82%和39.98%～45.88%，新陸早22號分別下降15.66%～20.73%和21.98%～42.64%。表1

2.2 干旱對不同棉花品種葉片葉綠素含量影響

研究表明,葉綠素含量在品種間表現為新陸早17號<新陸早22號，在盛蕾期至吐絮期，CK、W1、W2處理下的新陸早22號的總色素含量分別比新陸早17號高4.96%～21.95%、14.61%～26.23%、16.63%～26.87%。在盛蕾期，水分虧缺對新陸早22號的Chla、Chlb、Chla+b無顯著影響，而 W2處理卻顯著降低了新陸早17號的色素含量；在盛花期，2品種的Cha和Chlb受W1處理的影響較小，新陸早17號降低了2.35%和4.73%，新陸早22號降低了3.99%和3.29%；在盛鈴期，與CK相比，新陸早17號的Chlb、Chla+b在W1和W2處理下顯著降低，下降幅度分別為7.38%、5.24%、12.10%和20.69%，然而新陸早22號的Chla、Chlb、Chla+b在W1和W2 處理下分別降低了1.57%、2.67%、1.91%和9.16%、7.23%和8.56%，且W2與CK之間無顯著差異。圖1

表1 干旱下不同棉花品種葉面積變化

Table 1 Effects of drought on leaf area of different varieties

處理Treatment盛花期Fullfloweringstage盛鈴期Fullbollstage吐絮期Bollopeningstage品種varies水分water主莖葉面積Mainstemleafarea果枝葉面積Fruitbranchleafarea總葉面積Totalleafarea主莖葉面積Mainstemleafarea果枝葉面積Fruitbranchleafarea總葉面積Totalleafarea主莖葉面積Mainstemleafarea果枝葉面積Fruitbranchleafarea總葉面積Totalleafarea17CK305.33±17.84a73.82±6.01a422.00±34.26a380.754±26.61a171.66±6.65a643.57±79.07a257.34±41.42b197.99±12.97ab580.75±97.05a17W1222.91±11.40b35.41±7.36b275.17±9.35b236.75±17.94b77.66±8.77b323.92±27.42b336.25±29.51a227.49±5.28a577.53±20.10a17W2183.25±27.84c32.15±1.64b264.79±45.01b206.06±11.13c79.41±13.36b292.30±10.32c237.43±6.80b142.87±15.67bc385.87±34.13b22CK361.77±14.64a39.60±4.11b426.80±21.04a695.62±58.42a156.05±19.04a1053.19±49.60a804.10±42.59a267.04±8.32a1270.44±21.35a22W1305.13±25.23ab53.06±6.12a382.82±10.53b545.85±42.13ab117.98±8.26a719.92±97.88b596.87±43.45b123.54±17.81b724.50±42.61b22W2282.25±7.60bc36.69±10.41b364.51±58.15b365.01±23.65bc58.45±6.24b451.48±21.89c288.24±9.43c37.83±5.36c351.93±34.57c因子間顯著性Significanceoffactors品種Varies??ns????ns????????水分Water??????????????????品種×水Varies×waterns??ns??????????

注：根據uncan法檢驗，相同品種的不同處理中的不同字母表示差異顯著(P<0.05)，“*”和“**”表示在0.01和0.05水平上差異顯著；“ns”表示差異不顯著

Note:Different letters within different varieties are significantly different(P<0.05)according to the Duncan multiple range test.“*” and “**” indicate significant differences at the 0.01 and 0.05 levels; “ns” indicates the difference is not significant

注：FS: 盛蕾期；FF:盛花期；FB:盛鈴期；BO:吐絮期

Note:FS: full squaring stage；FF: full flowering stage；FB: full boll stage；BO: boll opening stage

圖1 不同水分處理下不同棉花品種葉綠素含量變化

Fig.1 Effects of drought on chlorophyll content of different varieties

2.3 干旱對不同棉花品種氣體交換參數的影響

研究表明,Pn、gs、Tr在品種間表現為新陸早17號<新陸早22號。在盛蕾期，與CK相比，W2顯著降低了新陸早17號的Pn和gs，分別為47.17%和28.77%；而新陸早22號的Pn與CK無顯著差異，且W1顯著提高了gs，為4.92%。在盛鈴期至吐絮期，與CK相比，W1和W2處理顯著降低了新陸早17號的Pn，分別下降了38.53%～46.48%和64.34%～67.93%；而新陸早22號分別下降了3.54%～10.11%和15.61%～23.64%。適當減少水分，新陸早22號的葉片Pn并不會受到顯著影響。在盛花期至盛鈴期，2個品種的gs、Ci、Tr在W1和W2處理下均有不同程度的降低，與CK相比，新陸早17號在W1和W2處理下分別降低了38.43%～42.60%、33.60%～36.12%、5.39%～11.59%和65.08%～76.80%、68.58%～78.74%、17.85%～34.62%；新陸早22號分別下降了14.31%～16.90%、10.05%～15.78%、3.16%～4.75%和15.37%～19.51%、12.47%～16.73%、9.02%～16.73%。圖2

圖2 不同水分處理下不同棉花品種氣體交換參數變化

Fig.2 Effects of drought on gas exchange parameters of different varieties

2.4 干旱對不同棉花品種葉綠素熒光參數的影響

研究表明,不同處理下2品種的Fv/Fm均呈現先上升后下降的趨勢。在盛花期至盛鈴期，與CK相比，W1并未顯著降低2個棉花品種的Fv/Fm，而W2處理下2個棉花品種的Fv/Fm分別顯著下降了2.37%～2.73%和 1.58%～2.12%。輕度水分虧缺對棉花的光能轉化效率影響不大，而在中度水分虧缺條件下，新陸早22號比新陸早17號能維持更高的光能轉化效率。在盛花期，新陸早17號的Y(II)在W1和W2處理下比CK降低了12.51%和22.51%，且差異達到顯著，在盛鈴期，W2顯著降低了新陸早17號的YII；而在盛花期至盛鈴期水分虧缺對新陸早22號的YII無顯著影響，水分虧缺不會顯著降低新陸早22號的PSII的實際光能轉化效率。在整個生育期，2品種葉片的NPQ在水分虧缺處理下均有上升的趨勢。在盛花期至盛蕾期，新陸早17號在W1和W2條件下分別比對照顯著高27.54%～46.30%和27.56%～59.34%；在盛花期，在W1和W2處理下，新陸早22號的NPQ無顯著變化，在盛鈴期分別比對照高16.93%～20.20%。2棉花品種的qP對水分虧缺的敏感性表現為新陸早17號>新陸早22號。除盛花期外，W1和W2處理顯著降低了新陸早17號的qP，除盛鈴期外，水分處理對新陸早22號的qP無顯著影響。在干旱條件下不利于新陸早17號的PSII中心的開放，不利于其光合作用的進行。圖3

圖3 不同水分處理下不同棉花品種葉綠素熒光參數變化

Fig.3 Effects of drought on chlorophyll fluorescence parameters of different varieties

2.5 水分虧缺對不同品種棉花干物質累積與分配的影響

研究表明,棉株的總生物量隨著水分的減少呈下降趨勢，隨著生育期的推進呈增加趨勢，處理之間表現為CK>W1>W2，品種之間表現為新陸早17號<新陸早22號。

在吐絮期，新陸早22號在CK、W1、W2處理下的營養器官(根、莖稈、葉)和生殖器官(蕾花鈴)干物質分別比新陸早17號高15.85%、30.96%、36.67%和44.31%、81.52%、48.59%。

無論在哪種水分處理下，新陸早22號都比新陸早17號有更高的生物量累積。在盛鈴期，與CK相比，新陸早17號的蕾花鈴干物質在W1和W2處理下分別下降了32.17%和38.87%，營養器官干物質分別下降了8.61%和39.87%；新陸早22號的蕾花鈴干物質在W1和W2處理下分別下降了15.59%和32.43%，營養器官干物質分別下降了8.42%和27.82%。新陸早17號在水分虧缺下，干物質累積的下降幅度大于新陸早22號，且盛鈴期的水分虧缺不利于2個品種干物質的累積。在吐絮期，與CK相比，新陸早17號的蕾花鈴干物質在W1和W2處理下分別下降了30.44%和52.22%，營養器官干物質分別下降了16.61%和42.20%；新陸早22號的蕾花鈴干物質在W1和W2處理下分別下降了12.50%和50.81%，營養器官干物質分別下降了5.74%和30.63%。在輕度水分虧缺下新陸早22號的生殖器官干物質累積并未大幅度降低。圖4

注：同一時期，從左到右依次是CK處理、W1處理、W2處理

Note: From left to right are CK，W1 and W2 treatment in the same period

圖4 不同處理下不同棉花品種干物質累積變化

Fig.4 Effects of drought on dry matter accumulation of different varieties

圖5 不同處理下不同棉花品種根冠比變化

Fig.5 Effects of drought on root/shoot ratio of different varieties

研究表明,2個品種的根冠比在同一生育期內處理間表現為CK

3 討 論

棉花在受到水分虧缺時表現出的抗旱性不僅與干旱脅迫程度以及脅迫時間有關，還與栽培品種、植株基因型及光合生理指標大小有關[20]，且植株的生物量合理的轉運和分配是提高棉花產量的關鍵[21]。研究表明，水分虧缺不利于2個棉花品種的干物質累積，然而在輕度水分虧缺下，新陸早22號的干物質累積下降幅度小于新陸早17號，且新陸早22號的生殖器官干物質較CK無顯著降低，這與羅宏海等[22]、劉朋程等[21]的研究結果相似。因為新陸早17號對干旱響應敏感，在連續受旱的條件下，降低了光合能力和干物質累積，使棉鈴發育弱小。根、冠關系受到遺傳學與環境因子的綜合影響。馬富舉等[12]以小麥為研究材料，發現耐旱型小麥在水分虧缺下通過維持較高的根系干物質保證較大的吸水能力，減輕干旱對地上部的抑制作用。研究中盛鈴期新陸早17號的根冠比受到抑制，而新陸早22號能保持相對較大的根冠比，尤其在水分虧缺條件下。在土壤水分虧缺的條件下，新陸早22號的同化物向根系分配的比例有所增加，保證了根系的完整性，有利于提高其吸水能力，以便更好的維持地上部的生長，抵御水分虧缺對棉花干物質累積帶來的損失[23]。

葉綠素直接參與光能的吸收、傳遞和轉化，常用于評價葉片的光合速率的大小。水分虧缺會引起葉面積、光合色素含量及氣體交換參數出現不同程度的下降[6，12]。研究中，隨灌溉水逐漸減少，2個品種的光合能力(葉面積大小、葉綠素含量、凈光合速率)都表現出下降趨勢。在輕度水分虧缺下，新陸早22號的光合能力較新陸早17號降幅小，并且能夠生產更多的光合有機物，這與孫豐磊等[20]的研究一致。這是因為新陸早17號對水分虧缺的適應能力較弱，葉綠體合成和葉片擴展受限，氣孔阻力增大，蒸騰速率大幅度下降，降低了CO2向葉綠體的供應，進而降低了光合能力和干物質累積[10]。

葉綠素熒光參數不僅與作物抗旱性的關系密切，還可直接反映水分脅迫對作物的傷害程度[15]。Fv/Fm反映PSII原初光能的轉換效率和潛在活性的重要指標；Y(II)反映了在任意光強下PSII的實際光合效率；NQP反映PSII的光保護能力；qP可用于表示光合活性的大小[5-6]。李平等[5]的研究表明，在輕度的水分虧缺下，棉花幼苗的NPQ升高，而Y(II)并未顯著下降；在中度水分虧缺下，PSⅡ系統受損，光合能力顯著下降。研究也表明，水分虧缺降低了2個棉花品種的葉綠素熒光參數。輕度水分虧缺對2個棉花品種的Fv/Fm無顯著影響，但是新陸早22號的Fv/Fm、Y(II)、qP的下降幅度較新陸早17號小，這也是新陸早22號有較強Pn的原因。盡管水分虧缺造成2個品種的光合能力下降，但相比于CK，NPQ顯著升高，尤其是新陸早17號表現更為明顯。水分虧缺限制了新陸早17號的光合作用原初反應的進行。由于棉花自身較強的抗旱性，在中度水分虧缺下，新陸早17號仍然具有耗散過剩光能為熱能的保護能力，減輕了水分虧缺對光合機構造成的不可逆的損傷，這與前人的研究結果相似[6，10]。

4 結 論

新陸早17號和新陸早22號的光合能力(葉面積、Chl、Pn)均隨干旱脅迫程度的增加顯著降低，以新陸早22號降幅較小。輕度干旱脅迫并未顯著降低2個棉花品種的Fv/Fm，但是新陸早17號的Y(II)和qP受到抑制，且輕度和中度干旱下盛鈴期的NPQ顯著增加。在輕度干旱脅迫下，新陸早17號和新陸早22號的生殖器官和營養器官干物質均下降，但新陸早17號降幅更大。新陸早22號在盛鈴期較新陸早17號有更高的根冠比。耐旱性較強的棉花品種新陸早22號通過保持更好的光合性能和較大的根冠比，保持生殖器官干物質的累積以適應干旱脅迫。