3個纖維顏色不同的棉花近等基因系主莖功能葉生理特性變化與產量因素的相關性分析

張 麗，趙 巖，張晉龍，陳 義，馮加加，渠云芳，黃晉玲

(山西農業大學農學院， 太谷 030801)

天然彩色棉是指棉纖維成熟后具有棕、綠、黃、粉紅、藍等顏色的棉花。研究表明，棉纖維細胞發育大致經歷細胞的分化和突起、纖維伸長、次生壁加厚和脫水成熟等4個階段[1]。彩色棉的形成是棉纖維發育過程中色素物質在中腔細胞中積累所致。利用彩色棉，既能滿足人們對不同棉纖維顏色的需求，同時也降低了環境污染的風險。但是，由于天然彩色棉產量較低、品質較差，故市場上商業化種植的僅有棕色棉和綠色棉[2]。華水金等[3]對棕色棉和綠色棉的產量性狀與白色棉進行了比較，結果發現，二者的單株鈴數、單鈴重及衣分較白色棉低。

光合作用是植物生長、發育的基礎，作為光合作用的功能器官，葉片產生的有機物是棉株各器官發育的基礎，同時也是產量形成的物質基礎。棉花葉片和纖維中碳水化合物含量的下降會導致纖維品質降低[4]。葉綠素是植物光合作用中一類重要的色素，葉片葉綠素含量的高低與不同時期光合作用的強弱有關。天然彩色棉葉片的光合色素含量比白色棉低，造成彩色棉光合產量比白色棉低，纖維發育所需物質基礎減少，進而影響到產量和品質[5,6]。

碳水化合物的代謝受相關酶類活性的影響，是制約纖維發育的重要因素。蔗糖磷酸合成酶能夠調節光合產物在淀粉和蔗糖之間的轉化，促使蔗糖合成。而蔗糖合成酶在調控纖維的發育中具有重要作用，其催化蔗糖產生的尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphosphoglucose，UDPG)是合成纖維的直接底物。因此，兩種酶活性的強弱直接影響到纖維素的合成。纖維素含量的高低又與棉花纖維的產量和品質密切相關[7]。本研究主要以纖維顏色不同的3個棉花近等基因系為材料，探究整個生育期葉片光合生理生化指標的變化特點，旨在揭示其與產量的關系，為棉花高產品種的培育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究選用從三元雜種[(亞洲棉×比克氏棉)×陸地棉]中培育的3個纖維顏色不同的棉花近等基因系為材料，即綠色棉、棕色棉和白色棉。所用材料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2018年在山西農業大學農作站種植。試驗采用隨機區組設計，處理為3個材料，3次重復，兩行區，小區長5 m，行距0.7 m，每行15株。2018年4月25日播種，以常規大田管理方式管理。在棉花生長發育時期，分別于5月30日(苗期)、6月24日(蕾期)、7月22日(花鈴期)、9月30日(吐絮期)取相同部位完全展開的功能葉(打頂之前取倒四葉，打頂之后取倒二葉)測定其光合速率及光合相關生理指標。每個材料隨機取9株，每3株為1次重復，重復3次。

利用CI光合測定系統(CI-340，USA)測定凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(transpiration rates，Tr)、氣孔導度(stomatal conductance，Gs)。測定時光合有效輻射(photosynthetically active radiation，PAR)范圍為1 000～1 800 nm，系統光強、CO2濃度以及葉室溫度分別設置為760 μmol/(m2·s)、0.000 37%及28 ℃；葉綠素含量采用丙酮直接浸提法[8]測定；可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮法[8]測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法[8]測定，以牛血清蛋白為標準品繪制標準曲線，參照高俊鳳[8]的方法；酶液提取、蔗糖合成酶測定分別參考Dougla等[9]和Ou-Lee等[10]的方法；蔗糖磷酸合成酶活性測定參考於新建[11]和Wardlaw等[12]的方法。

取100粒籽棉，分別稱其籽棉與棉籽的質量，計算籽指、衣指和衣分，設置3次重復。吐絮期，每小區收獲第5～10果枝第一、二果節吐絮正常的50個棉鈴，曬干稱重，計算單鈴重。對標記的9株材料，計算單株鈴數和單株籽棉產量。

1.3 數據統計與分析

試驗數據采用Excel等軟件進行處理，用SPSS22.0進行各項測定指標的統計分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 光合作用相關生理指標動態分析

植物通過光合作用產生干物質和能量[13]來影響其生長發育。光合速率是衡量葉片對CO2同化能力的重要指標之一；氣孔導度則反應外界環境中的CO2進入到葉綠體羧化部位的限制程度，與凈光合速率的密切程度最高[14,15]；而蒸騰速率則對氣孔導度的變化具有一定的影響[16]。在棉花的生育期，對綠色棉、棕色棉和白色棉的葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度進行測定(表1)。由表1可以看出，苗期，2種彩色棉主莖功能葉片的凈光合速率均低于白色棉，但差異不顯著；蒸騰速率均極顯著高于白色棉，棕色棉的氣孔導度略高于白色棉。蕾期至吐絮期，2種彩色棉主莖功能葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均低于白色棉，且彩色棉與白色棉之間凈光合速率差異達到極顯著水平。彩色棉主莖功能葉片較低的凈光合速率導致了其合成的光合產物較少，不利于其產量的提高。

2.2 葉綠素含量動態分析

葉綠素是植物葉綠體中一類重要的色素，在光吸收過程中發揮核心作用，是影響光合作用強弱的重要因素，也是衡量葉片衰老的重要指標[17,18]，葉綠素含量能夠反映植物光合速率的強弱[19]。

表1 參試材料主莖功能葉片光合生理指標分析Tab.1 Analysis of photosynthetic physiological indexes of functional leaves of main stem of the tested materials

注：小寫字母表示5%差異顯著水平，大寫字母表示1%差異極顯著水平。下同

Note:Small letters represent a significant difference of 5% and capital letters represent a extremly significant difference of 1%. The same below

表2 參試材料主莖功能葉片葉綠素含量分析Tab.2 Analysis of chlorophyll content of functional leaves of main stem of the tested materials

由表2可知，除吐絮期外，其他生育期2種彩色棉主莖功能葉片葉綠素a、葉綠素b以及總葉綠素含量均低于白色棉，而葉綠素a/b值均高于白色棉。彩色棉與白色棉之間葉綠素b含量差異在苗期至花鈴期達到了極顯著水平，葉綠素a與總葉綠素含量差異在苗期與花鈴期達到極顯著水平，而葉綠素a/b值差異僅在蕾期達到極顯著水平。在棉花生長關鍵時期，彩色棉總葉綠素含量較低，而葉綠素a/b值較高，說明彩色棉主莖功能葉片的光合作用能力較弱，不利于較多光合產物的合成。

2.3 碳水化合物含量動態分析

植物葉片通過光合作用產生的碳水化合物可以通過一系列途徑運輸到其他部位，供生長發育所需，主要包括糖類、淀粉等。在纖維發育過程中，大量的碳水化合物作為能量物質用來維持各種代謝活動需要[20]。

棉花整個生育期，3種參試材料主莖功能葉片的可溶性糖含量均表現為降低-升高趨勢(表3)。除花鈴期以外，2種彩色棉主莖功能葉片可溶性糖含量均低于白色棉，其差異分別在苗期與蕾期達到極顯著水平。花鈴期，棕色棉主莖功能葉片中的可溶性糖含量略高于白色棉，但差異不顯著?；ㄢ徠跒槊藁óa量形成的關鍵時期，該時期棕色棉主莖功能葉片中可溶性糖含量較高，推測其向庫器官轉運量較少，不利于棉鈴的發育，最終導致其產量的降低。

3種參試材料主莖功能葉片中淀粉含量變化與可溶性糖含量變化趨勢相同(表3)。苗期，棕色棉主莖功能葉片中淀粉含量最高，白色棉居中；其他生育期的2種彩色棉主莖功能葉片淀粉含量均低于白色棉。淀粉是光合碳同化的初級代謝產物，可以為植株的營養生長與生殖生長提供能量物質。在棉花營養生長與生殖生長并進時期(蕾期與花鈴期)，彩色棉主莖功能葉片淀粉含量較低，說明其最初合成的光合產物較少，不能為彩色棉植株的生長與棉鈴的發育提供更多的營養物質，從而影響了其產量的提高。

表3 參試材料主莖功能葉片碳水化合物含量分析Tab.3 Analysis of carbohydrate content of functional leaves of main stem of the tested materials

2.4 蔗糖合成相關酶活性動態分析

蔗糖是光合作用的主要產物，是碳運輸的主要形式[21]。蔗糖合成酶(sucrose synthetase，SuSy)與蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)是植物蔗糖代謝過程中極其關鍵的兩個酶，其活性的高低調控著光合產物在蔗糖代謝中的分配比例[22]。

棉花整個生育期，兩種彩色棉與白色棉主莖功能葉片的SuSy與SPS酶活性均表現為降低趨勢(表4)。除吐絮期外，其他生育期兩種彩色棉主莖功能葉片SuSy與SPS酶活性均極顯著低于白色棉。在棉花產量形成的關鍵時期，彩色棉主莖功能葉片中SuSy與SPS酶活性較低，不利于其體內最易運輸的碳水化合物-蔗糖的合成，從而不能為棉鈴的發育提供足夠的養分，最終影響了產量的提高。

表4 參試材料主莖功能葉片兩種蔗糖合成相關酶活性分析Tab.4 Analysis of two sucrose synthetases activity of functional leaves of main stem of the tested materials

2.5 可溶性蛋白含量動態分析

植物葉片的可溶性蛋白中，有很多酶與植物的生長發育密切相關，其含量的多少可以反應葉片中光合產物代謝的強弱[23]。棉花整個生育期，參試材料主莖功能葉片中可溶性蛋白含量均表現為下降趨勢(表5)。整個生育期，兩種彩色棉主莖功能葉片中可溶性蛋白含量均低于白色棉，且在吐絮期達到顯著水平。

表5 參試材料主莖功能葉片可溶性蛋白含量分析Tab.5 Analysis of soluble protein content of functional leaves of main stem of the tested materials

2.6 3種參試材料考種數據分析

從表6中可以看出，2種彩色棉的單株鈴數、單鈴重、衣指、衣分及單株產量均低于白色棉，籽指均高于白色棉。單株鈴數、單鈴重、衣分是構成棉花產量的主要因素，2種彩色棉的單株鈴數、單鈴重與衣分較低，導致了其單株產量也較低。

表6 參試材料考種數據分析Tab.6 Data analysis of tested materials

2.7 光合生理指標和產量相關性分析

由于花鈴期棉花葉片光合作用最強[24]，因此，本研究中以棉株葉片花鈴期的光合指標為代表分析了該時期的光合特性與產量的相關性(表7)。結果表明:凈光合速率與單株鈴數、單鈴重、衣指及單株產量顯著正相關，與籽指極顯著負相關；蒸騰速率與單株鈴數、衣分及單株產量顯著正相關，與籽指顯著負相關；葉綠素a含量與單株產量極顯著正相關；葉綠素b含量與單株鈴數、衣指及單株產量極顯著正相關；總葉綠素含量與單鈴重、單株產量極顯著正相關；蔗糖磷酸合成酶與單鈴重極顯著正相關，與單株產量顯著正相關；可溶性蛋白與單株鈴數、衣分顯著正相關，與衣指極顯著正相關。由此推測，較高的葉片凈光合速率、葉綠素含量及蔗糖磷酸合成酶活性，有利于棉花產量的提高。

表7 各項指標與產量相關性分析Tab.7 Correlation analysis of various indicators at flowering boll stage with yield indicators

注：*表示在5%水平上差異顯著;**表示1%水平上差異極顯著

Note:*Indicatesa significant difference at 5% level;** indicates extremely significant difference at 1% level

3 討論

作物產量與光合速率呈顯著正相關[25]，較大的凈光合速率有利于干物質的積累和最終產量的形成[26]，是作物高產的重要生理基礎。單株鈴數和單鈴重是構成棉花產量的主要因素，本研究結果表明，參試材料主莖功能葉片凈光合速率與單株鈴數、單鈴重及單株產量呈顯著正相關。在棉花整個生育期，2種彩色棉主莖功能葉片凈光合速率均低于白色棉，導致光合作用合成的光合產物比較少，從而影響其單株結鈴數和鈴重，使得產量較低。由此可以推測，彩色棉主莖功能葉片中較低的凈光合速率是導致其產量較低的原因之一。

葉綠素是最重要的光合色素，它的含量直接影響光合作用強度。在本研究中，除吐絮期外，其他生育期2種彩色棉主莖功能葉片的葉綠素a、葉綠素b以及總葉綠素含量均低于白色棉，而葉綠素a/b值均高于白色棉。這表明葉綠素含量大小與凈光合速率成正比，而葉綠素a/b值的變化與凈光合速率成反比。

棉纖維的形成和積累過程受多種酶的調控，纖維素是棉纖維的主要成分。植物纖維素合成的底物是UDPG，在蔗糖合成酶的作用下，以蔗糖和UDP(uridine diphosphate，UDP)作為原料合成UDPG。SuSy酶在對纖維素合成提供底物UDPG方面起重要的作用，并且有利于增強纖維素合成酶的作用[27]。蔗糖磷酸合成酶是蔗糖進入各種代謝途徑的關鍵酶之一，其主要作用是在光合細胞中促使蔗糖的合成，調節葉片中光合產物在淀粉和蔗糖之間的轉化與分配。蔗糖磷酸合成酶活性越高，合成的蔗糖就越多[28]，植物中蔗糖磷酸合成酶活性的高低反映了合成蔗糖的能力[29]。Pillonel等[30]發現，UDPG是纖維細胞合成纖維素最好的底物，蔗糖則是棉纖維次生壁合成最好的底物。因此，蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性與棉纖維的合成與積累密切相關。本研究結果表明:蔗糖磷酸合成酶活性與單鈴重呈極顯著正相關，與單株產量呈顯著正相關，較高的蔗糖磷酸合成酶活性，能促進纖維素等物質的積累，從而促進纖維的生長；除吐絮期外，兩種彩色棉葉片中，蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶活性均低于白色棉，彩色棉單株鈴數與單鈴重均比白色棉低。由此推測，棉花生育關鍵期，彩色棉主莖功能葉片中低活性的蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶，阻礙了纖維的形成，是導致其產量較低的原因。