調節劑對低溫脅迫后恢復過程中棉花幼苗生長與生理特性的影響

周小云，阿達來提·阿布都熱依木，王立紅，李 進，張軍高,3，劉夢麗，雷 斌，薄 瑞

(1.新疆農業科學院核技術生物技術研究所/農業農村部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室/新疆作物化學調控工程技術研究中心，烏魯木齊 830091；2.新疆維吾爾自治區農藥檢定所，烏魯木齊 830049；3.新疆綠洲興源農業科技有限責任公司，烏魯木齊 830091，4.新疆維吾爾自治區植保站，烏魯木齊 830006)

0 引 言

【研究意義】新疆棉花在播種至幼苗生長期間，尤其早春“倒春寒”頻繁發生，經常遭遇寒潮等低溫氣象災害，地表溫度遠低于棉花幼苗最低生長溫度，甚至達0℃以下，棉花幼苗在生理和形態上受害，影響植株生長發育、產量形成和生產效益[1, 2]。棉花出苗期間植物生長調節劑應用對于農業生產中減輕低溫脅迫對棉花生長所產生的冷害作用具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M展】植物生長調節劑具有效緩解或修復植物低溫冷害的作用，不僅緩解植物的低溫傷害，顯著提高植物耐寒性，而且提高作物在低溫脅迫條件下的生存能力[3, 4]。6-芐基腺嘌呤可以通過促進低溫脅迫下茄子幼苗光合作用，提高光合電子傳遞效率，保護光合系統，降低低溫脅迫對植物的損傷[5]；脫落酸處理可以使得低溫下玉米內源脫落酸和生長素合成水平上升[6]；不同植物生長調節劑與水溶肥配合處理能夠提高番茄幼苗低溫抗冷能力[7]；植物生長調節劑對低溫脅迫下春石斜蘭花花期調控，促進其提前開花，提高開花品質[8]；低溫脅迫下水楊酸處理的水稻秧苗較高的α-淀粉酶活性和總可溶性糖含量，改善了種子發芽和幼苗生長[9]?！颈狙芯壳腥朦c】目前，在國內植物生長調節劑對低溫脅迫下棉花幼苗的修復作用研究報道較少。在棉花生產過程中，棉花在出苗期間內常常遭遇“倒春寒”，夜間溫度較低，白天溫度較高，提高棉花對這種環境的適應能力，促進其在低溫脅迫后快速恢復正常生長是當前棉花生產栽培亟待解決的問題之一。需研究噴施不同植物生長調節劑對低溫脅迫下棉花幼苗葉片生理生化特性的影響。【擬解決的關鍵問題】以低溫敏感棉花品種作為材料，采用外源噴施生長調節劑的處理方法，從農藝性狀和生理生化特征角度，研究低溫處理后恢復過程中植物生長調節劑對棉花幼苗的生理功能，為棉花生產實踐中減緩棉花幼苗低溫冷害提供可行途徑，并篩選外源生長調節劑修復棉花幼苗低溫脅迫造成冷害的最佳產品。

1 材料與方法

1.1 材 料

棉花品種：新陸早57號，2020年收獲，由新疆農業科學院經濟作物研究所提供。

植物生長調節劑：“碧護”(含植物內源激素、黃酮類、氨基酸等多種植物活性物質)、“阿泰靈”(蛋白質植物免疫誘抗劑)、胺鮮脂、復硝酚鈉、α-萘乙酸鈉、黃腐酸鉀Ⅱ型、腐殖酸共7種植物生長調節劑，均為市購產品。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗于2020年在新疆農業科學院核技術生物技術研究所化控室進行，采用隨機區組設計方法。選擇籽粒飽滿的種子經1%次氯酸鈉消毒10 min，滅菌清水沖洗干凈，于室溫下清水中浸泡24 h后播種。將草炭和蛭石按體積比1∶1混勻作為復合基質，于烘箱中120℃高溫滅菌24 h，復合基質與水的質量比例為2∶1，混勻裝于塑料營養缽(12 cm ×11 cm)中，復合基質高為5 cm，每盆約300 g。將浸種過露白一致的種子種入營養缽，每營養缽6粒，用復合基質覆蓋3 cm，保證復合基質緊實度適合種子發芽且一致，每處理各18個營養缽，置于光照培養室內，晝夜25℃恒溫，光周期為 14 h/10 h(光/暗)。參照子棉葉期的抗冷鑒定方法[10]，在子葉展平期，每個處理于4℃低溫脅迫24 h之后，以噴施清水作為對照，分別按說明使用“碧護”(0.5 g/L)、“阿泰靈”(1 g/L)、胺鮮脂(0.01 g/L)、復硝酚鈉(0.02 g/L)、α-萘乙酸鈉(0.01 g/L)、黃腐酸鉀Ⅱ型(0.5 g/L)、腐殖酸(0.5 g/L)葉面噴施處理，每天1次，連續噴施3 d，噴施標準為子葉正反兩面附著小液滴，依次記為CK、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7。生長調節劑噴施處理后置于光照培養室內，25℃條件下進行恢復3 d后取樣測定形態指標和生理相關指標。生長調節劑噴施處理后恢復生長 7 d后，對不同傷害程度的棉花幼苗葉片冷害癥狀進行調查。設置8處理，每處理3次重復。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 形態指標

恢復3 d后隨機選取不同處理的棉花幼苗10株，分別用刻度尺測定幼苗株高和根長；用游標卡尺測定幼苗莖粗；用分析天平測定全苗鮮重；將幼苗在105℃下殺青1 h后80℃烘干至恒重，用分析天平測定幼苗全苗干重。

1.2.2.2 生理指標

棉花幼苗生理指標參照高俊鳳等[11]《植物生理學實驗指導》相關指標測定：相對電導率(Relative conductivity，REC)采用DDS-307型電導率儀測定；丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定；游離脯氨酸(Proline，PRO)含量采用茚三酮法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性測定采用羥胺法，過氧化物酶(Peroxidase，POD)活性采用愈創木酚法；過氧化氫酶(Catalase，CAT)活性采用可見光法。

1.2.2.3 冷害指數

按照王俊娟等[12]方法，根據冷害級別，冷害指數(Chilling injury index，CI)。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2013進行數據分析，用GraphPad Prism v5.0進行作圖。以棉花幼苗的14個形態和生理指標等作為評價因子，利用SPSS 20.0軟件進行主成分分析，并得到相關矩陣的特征根及特征向量累積貢獻率≥85%，系統默認方差>1的為主成分，得到第一主成分、第二主成分和第三主成分，其綜合評值為F=3.4F1+1.6F2+1.2F3。根據第一主成分、第二主成分和第三主成分與客觀權重之積，得到不同生長調節劑對低溫脅迫下棉花幼苗的綜合影響評判結果。

2 結果與分析

2.1 低溫處理后恢復過程中生長調節劑對棉花幼苗生長和冷害指數的影響

研究表明，低溫處理后恢復過程中噴施7種植物生長調劑后的棉花幼苗的株高、莖粗、主根長、單株鮮重、干重和冷害指數均有不同程度的變化。與CK比較，低溫處理后恢復過程中噴施植物生長調劑后的株高增加了5.10%～9.87%，其中“阿泰靈”和復硝酚鈉處理的株高增加顯著，分別增加了9.87%和9.42%；莖粗增加了5.28%～8.71%，其中“阿泰靈”、胺鮮脂和α-萘乙酸鈉處理的莖粗增加顯著，分別增加了8.71%、8.45%和8.62%；主根長增加了5.24%～9.33%，其中“阿泰靈”、胺鮮脂和α-萘乙酸鈉處理的莖粗增加顯著，分別增加了9.33%、9.60%和9.03%；單株鮮重增加了2.26%～5.98%，其中黃腐酸鉀Ⅱ型處理的單株鮮重增加最小，僅增加了2.26%，其余處理的單株鮮重增加均顯著；干重增加了2.38%～8.61%，其中“阿泰靈”、胺鮮脂和α-萘乙酸鈉處理的干重增加顯著，分別增加了8.61%、8.32%和8.60%；冷害指數下降了1.79～5.29個百分點，其中“碧護”和“阿泰靈”處理的冷害指數下降顯著，分別下降了5.24和5.29個百分點。低溫處理后恢復過程中噴施外源生長調節劑，在一定程度上可以有效改善棉花幼苗的生長發育并降低棉花幼苗冷害指數，適應的植物生長調節劑處理能在一定程度上減輕棉花幼苗遭受低溫脅迫的傷害，其生長能力得到不同程度的恢復。圖1

注：短線表示標準差，小寫字母表示各處理在P≤0.05水平上的差異顯著性。CK指清水處理，T1～T7分別“碧護”，“阿泰靈”，胺鮮脂，復硝酚鈉，α-萘乙酸鈉，黃腐酸鉀Ⅱ型，腐殖酸處理，下同

2.2 低溫處理后恢復過程中生長調節劑對棉花幼苗細胞膜系統的影響

研究表明，低溫處理后恢復過程中噴施7種植物生長調劑后棉花幼苗的REC和MDA含量均有不同程度下降。與CK比較，低溫處理后恢復過程中噴施植物生長調劑后的MDA增加了2.69%～5.72%，其中復硝酚鈉、黃腐酸鉀Ⅱ型和腐殖酸處理的MDA增加顯著，分別增加了5.17%、5.72%和5.35%；REC減少了2.73～5.62個百分點，其中復硝酚鈉、黃腐酸鉀Ⅱ型和腐殖酸處理的REC 減少顯著，分別減少了5.62、5.44和5.51個百分點。低溫處理后恢復過程中噴施外源生長調節劑，在一定程度上可降低棉花幼苗相對電導率和MDA含量，植物生長調節劑能使棉花幼苗細胞膜透性減小，減輕膜脂過氧化程度，減輕低溫脅迫對棉花幼苗細胞膜系統的傷害。圖2

圖2 低溫脅迫后恢復過程中調節劑處理棉花幼苗細胞膜系統指標的比較Fig.2 Comparison of membrane systems indexes in cotton seedling during restoration after chilling stress

2.3 低溫處理后恢復過程中生長調節劑對棉花幼苗滲透調節系統的影響

研究表明，低溫處理后恢復過程中噴施7種植物生長調節劑后棉花幼苗的脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量均有不同程度增加。與CK比較，低溫處理后恢復過程中噴施植物生長調節劑后的脯氨酸增加了5.04%～5.58%，且差異顯著；可溶性蛋白含量增加了5.07%～5.67%，且差異顯著；可溶性糖含量增加了5.05%～5.87%，且差異顯著。低溫處理后恢復過程中噴施外源生長調節劑，在一定程度上可增加滲透調節物質含量，降低水勢，增加保水能力，對細胞有保護作用，減輕低溫脅迫對棉花幼苗的傷害。圖3

圖3 低溫脅迫后恢復過程中調節劑處理棉花幼苗滲透調節物質指標的比較Fig.3 Comparison of osmotic regulation substances indexes in cotton seedling during restoration after chilling stress

2.4 低溫處理后恢復過程中生長調節劑對棉花幼苗抗氧化酶系統的影響

研究表明，低溫處理后恢復過程中噴施7種植物生長調節劑后棉花幼苗的SOD、POD和CAT酶活性均有不同程度增加。與CK比較，低溫處理后恢復過程中噴施植物生長調節劑后的SOD酶活性增加了3.79%～5.56%，其中復硝酚鈉、黃腐酸鉀Ⅱ型和腐殖酸處理的SOD酶活性增加顯著，分別增加了5.11%、5.32%和5.56%；POD酶活性增加了2.18%～5.56%，其中“碧護”和黃腐酸鉀Ⅱ型處理的POD酶活性增加顯著，分別增加了5.56%和5.44%；CAT酶活性增加了2.21%～7.95%，其中“碧護”，“阿泰靈”和α-萘乙酸鈉處理的CAT酶活性增加顯著，分別增加了6.72%、7.95%和6.83%。低溫處理后恢復過程中噴施外源生長調節劑，棉花幼苗葉片SOD、POD和CAT酶活性增加，在低溫處理后恢復過程中生長調節劑，在一定程度上可以提高棉花幼苗葉抗氧化酶活性，以清除受到冷害后植物體內活性氧的積累，使活性氧維持在一個較低的水平，消除活性氧對細胞膜系統的傷害，對細胞起到修復作用，以調節植物對脅迫環境的適應，減輕低溫對棉花幼苗的傷害。圖4

圖4 低溫脅迫后恢復過程中調節劑處理棉花幼苗抗氧化酶活性指標的比較Fig.4 Comparison of antioxidant enzyme activities indexes in cotton seedling during restoration after chilling stress

2.5 低溫處理后恢復過程中生長調節劑對棉花幼苗相關指標的影響

研究表明，T1和T2處理對冷脅迫下棉花幼苗影響的綜合值評價分別排在1和2位值分別為4.25和1.78，且得分均大于1，評價值分別為4.25和1.78；T3和T5處理對冷脅迫下棉花幼苗影響的綜合評價分別排在3和4位，評價值僅為0.96和0.70，且得分均小于1；T4、T6、T7和CK處理對冷脅迫下棉花幼苗影響的綜合評價分別排在5、6、7和8位，評價值分別為-0.82、-1.55、-1.91和-2.74，且得分均為負值。低溫處理后恢復過程中噴施外源生長調節劑，“碧護”、“阿泰靈”、胺鮮脂和α-萘乙酸鈉處理的綜合評價相對較高，棉花幼苗表現受低溫脅迫抑制較小，表現出一定的耐低溫能力，其中“碧護”處理提高棉花耐低溫脅迫的能力最佳，“阿泰靈”處理次之，而復硝酚鈉、黃腐酸鉀Ⅱ型、腐殖酸和清水處理的綜合評價相對低，棉花幼苗表現耐低溫能力也相對較弱，適宜的植物生長調節劑處理能在一定程度上修復棉花幼苗遭受低溫脅迫的傷害。表1

表2 低溫脅迫后恢復過程中調節劑處理棉花幼苗耐低溫冷害能力的比較Table 2 Comparison of cold tolerance of cotton seedling during restoration after chilling stress

3 討 論

3.1 低溫脅迫后生長調節劑對恢復過程中棉花幼苗生長的影響

王佳等[13]認為，植物生長調節劑對低溫脅迫下油菜幼苗生長抑制有緩解作用；俞建妹等[14]用茉莉酸甲酯處理小麥后，低溫脅迫幼苗的株高與對照相比均有明顯增加；劉旋等[14]用海藻糖處理玉米幼苗后，低溫脅迫幼苗的根長與對照相比均有明顯增加。研究表明，低溫脅迫嚴重抑制了棉花幼苗生長，顯著降低了株高等農藝性狀指標，施用植物生長調節劑后緩解了低溫脅迫對棉花幼苗生長的抑制，促進了植株生長，修復了低溫脅迫造成的傷害，這與前人研究結果一致。研究還發現，棉花幼苗低溫脅迫傷害后恢復生長能力與不同植物生長調節劑有密切關系，“阿泰靈”和復硝酚鈉處理的株高增加顯著，“阿泰靈”、胺鮮脂和α-萘乙酸鈉處理的莖粗增加顯著，“阿泰靈”、胺鮮脂和α-萘乙酸鈉處理的莖粗增加顯著，“阿泰靈”、胺鮮脂和α-萘乙酸鈉處理的干重增加顯著；“碧護”和“阿泰靈”處理的冷害指數下降顯著。由此表明，低溫脅迫后噴施植物生長調節劑對棉苗遭遇低溫冷害具有修復作用，但不同植物生長調節劑對棉花幼苗冷害后恢復生長能力程度不同。

3.2 低溫脅迫后生長調節劑對恢復過程中棉花幼苗生長的生理生化特性的影響

在低溫脅迫下，油菜素內酯可減輕低溫對玉米幼苗和開花期質膜的損傷，增加葉綠素含量，提高開花期光合速率，提高單株產量的作用[15]；脫落酸和6-芐基腺嘌呤可以維持油菜幼苗細胞膜的穩定性，降低膜脂過氧化傷害程度，緩解低溫脅迫對油菜幼苗生長的抑制作用[13]；葉面噴施油菜素內酯，水楊酸和甜菜堿可明顯減輕低溫脅迫對酸橙幼苗葉片的傷害[16]；低溫脅迫下，多種生長調節物質均能促進西瓜植株伸蔓、增加葉片數和節數[17]。研究表明，對照經過低溫脅迫造成棉花抗氧化代謝調控失衡，抗氧化酶SOD、POD、CAT活性下降，膜脂過氧化程度加重，電解質滲漏率升高，MDA含量上升，干物質積累量下降，低溫脅迫對棉花幼苗造成了嚴重傷害，而經過葉面噴施植物生長調節劑后，修復了低溫冷害給棉花幼苗帶來的傷害，能夠維持較高的抗氧化酶活性和較低的MDA含量以抵御其傷害。植物生長調節劑通過調節棉苗生理代謝來修復低溫脅迫造成的傷害。

隨著低溫脅迫的加劇，長時間的低溫脅迫，超過低溫冷害閾值，棉花幼苗防御冷害的能力下降，迫使細胞中大量積累的H2O2和O2-，同時CAT等活性氧清除酶系統活性降低或受到抑制，活性氧代謝平衡失調，活性氧自由基大量積累，活性氧攻擊膜系統，啟動膜脂過氧化，導致細胞膜結構被破壞，同時可溶性糖、脯氨酸和可溶性蛋白等滲透調節物質失衡，防御冷害的能力下降，對細胞造成毒害，細胞組織完全崩潰，冷害脅迫造成了嚴重損傷，從而棉花幼苗發生不可逆冷害，即使噴施植物生長調節劑也很難修復棉花幼苗發生不可逆冷害。

3.3 低溫脅迫后生長調節劑對恢復過程中棉花幼苗生長的綜合影響

研究以棉花幼苗的生理相關指標與棉花幼苗冷害指數的相關性，并以14個形態和生理相關指標作為評價因子進行主成分分析，不同生長調節劑對低溫脅迫下棉花幼苗的綜合影響評判結果表明，不同植物生長調節劑修復低溫對棉苗的傷害均起到了積極的作用，但不同生長調節劑對棉花幼苗的低溫脅迫后恢復能力不同，具體表現為“碧護”>“阿泰靈”>胺鮮脂>α-萘乙酸鈉>復硝酚鈉>腐殖酸>黃腐酸鉀Ⅱ型>對照。低溫脅迫后恢復對植物的生長發育具有重要的作用，每種調節劑對提高棉花幼苗修復能力密切相關，同時提示不同植物生長調節劑在低溫脅迫后恢復過程中的調節機制也不同。

4 結 論

在一定強度低溫脅迫后，葉面噴施植物生長調節劑，植物生長調節劑能夠提高棉花幼苗SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，改善自身抗氧化系統，有效清除細胞產生的活性氧，降低膜脂過氧化作用，減少有害代謝物質MDA的積累，增加滲透調節物質含量，調節滲透壓，從而提高細胞質濃度和持水性，維持膜穩定性和細胞完整性，降低細胞膜的傷害，修復低溫脅迫對棉花幼苗造成的生理傷害，促進干物質的積累和棉花幼苗生長，因而棉花幼苗表現出較強的恢復能力，這是提高棉花抵御低溫能力較為便捷、實用的農藝措施，針對早春低溫冷害多發的新疆棉區，以植物生長調節劑處理提高棉花幼苗抗寒性的技術具有一定的應用前景。其中，調節劑對低溫脅迫后棉花幼苗恢復效果的綜合作用排序為：“阿泰靈”>α-萘乙酸鈉>胺鮮脂>“碧護”>復硝酚鈉>腐殖酸>黃腐酸鉀Ⅱ型>對照。