高溫脅迫對棉花葉綠素的影響

楊悅 羅新寧

(塔里木大學農學院，新疆 阿拉爾 843300)

前言

棉花是影響新疆農戶經濟收入水平的重要作物，且新疆棉花產量占全國89.5%。其產值占我國經濟作物的50%以上，新疆棉花產量在我國棉花經濟發展中有著重要地位。新疆有著適宜棉花生長的光熱資源條件，尤其在南疆氣候干旱少雨，更加適宜棉花的生長發育，這些條件使新疆的棉花產業發展穩定，新疆也成為我國主要的棉花供應地。隨著全球氣溫升高，高溫逆境已對作物產量造成相當巨大的影響。有關研究表明,全球平均氣溫已經升高近1℃,短期的極端高溫天氣出現頻繁，給農作物生長發育帶來極大隱患。在我國棉花種植區域在7月極端高溫時段頻繁發生，此時正值棉花開花和結鈴盛期，高溫天氣導致落花落果，因而降低了成鈴率和皮棉產量。因此，為適應當前和將來變暖的氣候趨勢，穩定并提高棉花產量，了解棉花對高溫逆境的耐性機制，篩選耐高溫棉花種質資源并且選育耐高溫棉花品種已是當務之急[1]。本文對4個不同耐高溫棉花品系開花期前后高溫脅迫葉綠素的響應進行了比較分析，對探討棉花的高溫逆境的耐性機制及耐高溫棉花的篩選、鑒定及品種選育具有重要的參考價值[2]。通過測定棉花開花期前后葉片的色素含量的變化，選育高溫環境下耐高溫品種，為高溫逆境棉花育種及棉花高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試品種

在新疆第一師十團中國棉花研究所實驗站進行大田試驗，以生產上用的棉花材料“中棉92”、“中棉60”、“新海54”、“新海45”。于4月21日播種，種植密度1.5萬株·667m-2，按照常規栽培方法管理。

1.2 高溫處理

模擬大田種植的自然高溫脅迫環境，并保證非處理期間處理組與對照組種植條件無差別，參照小麥進行高溫脅迫處理類似的方法[3]，于棉花盛花期直接在試驗田中設計增溫棚對處理組棉花進行高溫脅迫處理。增溫棚用0.1mm厚無色透明聚乙烯塑料薄膜制成，長2m，寬0.8m，高1m，并在里面放入溫度計測量溫度。在6月27日后連續30d，每天12∶00—14∶00用增溫棚遮蓋進行高溫處理，其他時間揭開薄膜并及時透風。

1.3 植株樣采集測定

高溫處理后，每7d摘取棉花葉片進行葉綠素測定。對實驗組隨機取10株進行采樣，每一株從倒4葉開取，取上3片測量。

1.4 葉綠素含量的測定

葉綠素含量測定方法采用分光光度計法[4]。稱取剪碎新鮮棉花葉片共3份，每份0.2g左右，放入試管中，向試管中加入10mL浸提液(按丙酮∶乙醇∶水=4.5∶4.5∶1.0配制)，放入暗處提取24h，期間搖晃數次，混合均勻直到葉片完全變為白色時，即得到葉綠素的提取液。用721-100型分光光度計分別測定在470nm、649nm和665nm下的吸光度，根據公式求出棉花的葉綠素a、葉綠素b含量。每個樣品3次重復記下每次測得的數據，結果取3次重復的平均值[5]。根據公式計算：

Ca=13.95A665-6.88A649Cb=24.96A649-7.32A665

葉綠體色素的含量為(C×V×N)/(W×1000)。C為色素濃度，V為提取液體積，N為稀釋倍數，W為葉片鮮質量[6]。

2 結果與分析

2.1 高溫處理時段溫度變化

根據人工模擬高溫大棚試驗，從6月29日12∶00開始記錄各個指標溫度，每隔0.5h記錄1次溫度直到14∶00點(總共5次)，7月21日結束。棚內溫度隨著外界溫度變化而變化，且變化幅度更大，最高棚內溫度達到59.14℃，最高棚外溫達到38.49℃，棚內外溫度平均差值到達12.07℃，土壤溫度保持在23℃左右。部分棉花葉片有輕微灼燒，嚴重影響棉花生長，根據研究表明，植物生長的平均溫度每超過適宜生長溫度1℃，作物產量就可減少達17%[7]。根據30d平均溫度作圖，具體見圖1。

圖1 處理時段溫度變化

2.2 葉綠素a含量的變化

葉綠素a是作物進行光合作用的主要組分，可以反映作物對長波光的吸收程度[8]。圖2顯示了2種陸地棉“中棉92”、“中棉60”棉花功能葉葉綠素a含量的變化規律?？傮w上看，“中棉92”、“中棉60”棉花葉片葉綠素a含量在開花期前后變化趨勢表現基本相同，呈折疊式變化，其中，“中棉60”葉綠素a含量從開花期前(7月1日)下降到開花期(7月8日)，再次上升到盛花期(7月15日)達到最大值時下降到開花后期(7月21日)最低點；“中棉92”在開花前期葉綠素a含量最高，從開花期前到開花期呈現下降趨勢，開花期到盛花期雖有上升趨勢但上升幅度不顯著，盛花期到開花后期葉綠素a含量下降到最低點；4個時期中除盛花期“中棉92”品種葉綠素a含量高于“中棉60”，開花前期、開花期、開花后期都是“中棉60”葉綠素a含量高于“中棉92”品種。圖3顯示了2種海島棉“新海54”、“新海45”棉花葉綠素a含量變化規律，2種材料葉綠素a含量均在盛花期達到最大值，其中，“新海54”開花前期與開花期葉綠素a含量差異不顯著，其后2個時期葉綠素a含量一直下降；“新海45”葉綠素a趨勢呈現先下降再上升最后再下降的趨勢?？傮w上看，2種海島棉開花期前后葉綠素a含量與陸地棉變化基本相同，相對陸地棉變化趨勢較小，從開花前期緩慢下降到開花期，再逐漸上升到盛花期，然后迅速下降到最低點。陸地棉與海島棉葉綠素a含量基本相同，后者略低于前者，且處理組均低于對照組葉綠素a含量。

圖2 2種陸地棉開花期前后葉綠素a含量變化

圖3 2種海島棉開花期前后葉綠素a含量變化

2.3 葉綠素b含量的變化

葉綠素b有利于吸收短波光，可以參與傳遞光能，是作物補光色素蛋白體的重要組成部分[9]。植物中含有較高的葉綠b意味著植株具有很高吸收、傳遞太陽光的能力，是達到高產的前提。從圖4中2種陸地棉葉綠素b含量總體變化趨勢，陸地棉“中棉60”、“中棉92”葉片葉綠素b含量變化趨勢相同，都是由開花前期上升到開花期，但其中“中棉60”上升趨勢大于“中棉92”，而且都處于最低值，隨后下降到盛花期趨勢相同，然后上升到最高點開花后期達到最大值，相比較下從盛花期到開花期“中棉92”葉綠素b含量增長趨勢大于“中棉60”。2種材料葉綠素b均在開花后期達到最大值，全部4個時期“中棉92”葉綠素b含量略高于“中棉60”。從圖5可以看出，2種海島棉“新海54”、“新海45”對照組從開花前期逐漸上升，到盛花期達到最大值，然后下降到最低點。處理組則從開花前期到開花后期一直上升。開花前期對照組高于處理組，到開花后期處理組葉綠素b高于處理組。

圖4 2種陸地棉開花期前后葉綠素b含量變化

圖5 2種海島棉開花期前后葉綠素b含量變化

2.4 葉綠素a/b含量的變化

大量研究表明，葉綠素a/b與作物抗旱性呈顯著的負相關關系，葉綠素a/b比值可以反映作物對不飽和散射弱光的吸收情況，在一定范圍內比值越低，吸收率越高[10-12]。在一定范圍內較低的葉綠素a/b值有利于植物充分利用不飽和的散射弱光來進行光合作用。從圖6可以看出，2種陸地棉“中棉92”、“中棉60”開花前期葉綠素a/b含量最高值甚至高于對照組，逐漸下降到開花期，此時期2種棉花品種葉綠素a/b含量差異不顯著，再上升到盛花期，此時期2種棉花品種葉綠素a/b含量差異極顯著，然后下降到開花后期最低點，此時“中棉92”葉綠素a/b含量小于“中棉60”。處理組葉綠素含量比值高于對照組，處理組“中棉92”在開花后期時與對照組差異不顯著。從圖7可以看出，2種海島棉“新海45”、“新海54”葉綠素a/b從開花前期到開花后期逐漸下降，在開花后期降到最低點。處理組葉綠素含量比值大多高于對照組，在開花后期時“新海45”對照組比值大于處理組差異顯著，“新海54”低于“新海45”葉綠素含量。從整體來看，陸地棉葉綠素a/b含量高于海島棉。

圖6 2種陸地棉開花期前后葉綠素a/b含量變化

圖7 2種海島棉開花期前后葉綠素a/b含變化

2.5 早熟棉花新材料葉綠素a+b含量的變化

葉綠素總量在一定程度上可以代表作物光合作用的強度[13]，較高的葉綠素總量利于作物吸收光能，積累干物質產量葉綠素是植物吸收光能進行光合作用的色素，在一定范圍內，光合強度隨其a+b含量增加而加強,因此其是反映植物豐產性能的生理指標之一。從圖8可以看出，2種陸地棉“中棉92”、“中棉60”從開花前期到盛花期葉綠素a+b含量差異較小不顯著，后“中棉60”呈略微增長趨勢，“中棉92”幾乎持平，盛花期時2個品種差異又縮小到不顯著，到開花后期均降到最低點，此時“中棉92”超過“中棉60”的葉綠素a+b含量。對照組葉綠素含量高于處理組。從圖9可以看出，2種海島棉“新海54”、“新海45”處理組從開花前期逐漸上升，處理組“新海45”開花前期和開花期葉綠素a+b含量差異不顯著，對照組“新海45”先下降達到4組中最低值，然后再上升，對照組、處理組都在盛花期達到最大值，然后下降到最低點，對照組“新海45”達到4組最低，說明其在開花后期葉綠素a+b含量最少。從整體來看，海島棉葉綠素a+b含量高于陸地棉。

圖8 2種陸地棉開花期前后葉綠素a+b含量變化

圖9 2種海島棉開花期前后葉緣素a+b含量變化

3 討論

光合作用是植物生長發育上最重要的化學反應,通過將無機物轉化為有機物以固定太陽光能,滿足自身發育，被認為是植物對各種內外因子最敏感的生理指標之一[14]。光合作用主要由葉綠體參與，葉綠體中色素包括葉綠a、葉綠素b和類胡蘿卜素，葉綠體色素在光合作用過程中承擔著光能吸收與轉化的作用，并且在環境的變化過程中通過調節葉綠體色素之間的比例關系，恰當地分配和耗散光能，保證光合系統的正常運轉[15]。隨著“溫室效應”現象日益加劇,全球氣溫變暖已是科學事實，頻繁發生的高溫天氣己經嚴重影響主要農作物小麥和棉花等生長、發育及產量形成。在正常條件下，葉綠體色素與蛋白質有效結合在一起，但由于光照、低溫、高溫等環境條件的改變可使葉綠體色素變得不穩定。因而對其含量及組成比例與逆境脅迫的關系有不少研究，多數人認為其呈正相關關系，且光合強度與葉綠素含量的比值a/b有密切關系。同時葉綠素的代謝是一個動態平衡過程，高溫脅迫會打破這種平衡，造成葉綠素含量變化。通過研究不同材料葉綠素的動態變化，試驗結果顯示不同棉花品種之間葉綠素變化有規律可循，可以通過葉綠素含量及比值的表現找到育種新材料。根據不同棉花材料的葉綠素a、葉綠素b含量、葉綠素a+b含量和葉綠素a/b值的分析，“中棉92”在開花前期葉綠素a含量較高，葉綠素b含量高于“中棉60”，葉綠素a/b高于“中棉60”，葉綠素a+b與“中棉60”基本相同。綜合分析選擇葉綠素a含量高和葉綠素a/b值較低作為材料選擇標準，陸地棉“中棉60”更適應高溫環境生長。海島棉“新海54”葉綠素a含量略高于“新海45”，葉綠素b低于“新海45”，葉綠素a/b含量低于“新海45”，葉綠素a+b含量高于“新海45”。綜合分析海島棉“新海54”更適合高溫環境。