花鈴期干旱對棉纖維素累積及纖維比強(qiáng)度的影響

楊長琴， 劉瑞顯， 張國偉， 帕爾哈提·買買提， 婁善偉

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所/農(nóng)業(yè)部長江下游棉花與油菜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014;2.國家棉花工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊 830000)

纖維比強(qiáng)度是棉纖維的重要品質(zhì)指標(biāo)，已有的研究結(jié)果表明纖維比強(qiáng)度的形成取決于纖維加厚發(fā)育期纖維素的累積特性，而纖維素平緩累積有利于纖維比強(qiáng)度的形成［1-2］。蔗糖是纖維素累積的初始底物，其含量和轉(zhuǎn)化率決定著纖維素合成直接底物尿苷二磷酸葡糖(UDPG)的生成速率［3-4］;非纖維素物質(zhì)β-1，3葡聚糖在纖維加厚發(fā)育初期合成而中后期降解(降解產(chǎn)物用于纖維素合成)，使得全鈴期內(nèi)纖維素累積趨于平緩［3］。因此，纖維中蔗糖和β-1，3-葡聚糖動(dòng)態(tài)影響纖維素的累積特性。此外，纖維素累積過程中蔗糖和β-1，3葡聚糖含量受相關(guān)酶活性調(diào)節(jié)。蔗糖合酶催化蔗糖降解生成UDPG，蔗糖磷酸合酶利用游離態(tài)的UDPG合成蔗糖，β-1，3-葡聚糖酶催化β-1，3-葡聚糖降解［4］，上述酶協(xié)同調(diào)節(jié)纖維素的累積。此外，由于纖維素累積過程極其復(fù)雜［4］，纖維素生物合成過程中受較多因素調(diào)控，纖維發(fā)育關(guān)鍵物質(zhì)含量和酶活性易受生態(tài)和栽培因子影響，進(jìn)而影響纖維素累積特性及纖維比強(qiáng)度［5-6］。

土壤水分是影響纖維發(fā)育的重要生態(tài)因子，楊長琴等［2，7］研究結(jié)果表明花鈴期漬水降低纖維中蔗糖和β-1，3-葡聚糖含量，且相關(guān)酶活性響應(yīng)漬水程度的變化;劉瑞顯等［8］研究結(jié)果表明，花鈴期短期干旱降低花后23 d纖維發(fā)育關(guān)鍵酶活性和最終纖維素含量。相關(guān)研究僅在盆栽條件下針對某個(gè)棉鈴期進(jìn)行，不足以揭示干旱影響纖維比強(qiáng)度的生理基礎(chǔ)。本研究在池栽條件下，研究花鈴期持續(xù)干旱對纖維發(fā)育關(guān)鍵物質(zhì)和酶活性的影響，為揭示干旱影響纖維比強(qiáng)度的生理代謝基礎(chǔ)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2007和2009年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所試驗(yàn)田進(jìn)行，采用池栽(帶防雨棚)方法。供試土壤為黃棕壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為14.8 g/kg，全氮0.9 g/kg，堿解氮60.0 mg/kg，速效磷25.8 mg/kg，速效鉀99.2 mg/kg。供試品種為美棉33B，2007、2009年分別于4月17日和4月25日播種及5月17日和5月22日移栽，種植密度分別為1 hm23.6×104株、3.90×104株，池栽面積14.9 m2，每處理重復(fù)4次。全生育期施純氮225 kg/hm2、過磷酸鈣750 kg/hm2、氯化鉀225 kg/hm2，基肥和初花肥各占50%。

試驗(yàn)設(shè)對照和干旱2個(gè)處理，對照全生育期土壤相對含水量保持在75%±5%，干旱土壤相對含水量由75%±5%自然減少至吐絮(處理期土壤水分變化見圖1)，于中部6～8果枝進(jìn)入開花期開始處理。開始處理時(shí)標(biāo)記第1、第2果節(jié)當(dāng)日花(花后0 d)和花后10 d棉鈴，自花后10 d起每7 d取發(fā)育一致的棉鈴 6～8個(gè)(于 9∶00—10∶00取樣)，將纖維與種子分離后，部分纖維液氮速凍并在-30℃下保存以供測定酶活性，另一部分纖維樣烘干測定纖維物質(zhì)含量。標(biāo)記棉鈴?fù)滦鯐r(shí)，收取大小一致的棉鈴約20個(gè)，風(fēng)干軋花后測定3.2 mm隔距纖維比強(qiáng)度。

圖1 花鈴期干旱條件下土壤相對含水量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 The dynamics of soil relative water content under drought stress at flowering and bolling stage

1.2 測定內(nèi)容與方法

用國產(chǎn)Y162A型束纖維強(qiáng)力機(jī)測定3.2 mm隔距比強(qiáng)度，并用中國纖維檢驗(yàn)局的標(biāo)準(zhǔn)棉樣品修正。用間苯二酚顯色法［9］測定蔗糖含量;用熒光分光光度計(jì)法［10］測定β-1，3-葡聚糖含量;參照Updegraff方法［11］測定纖維素含量。用蔗糖和UDP比色法［12］測定蔗糖合酶活性(降解方向)，果糖和UDPG比色法［9］測定蔗糖磷酸合酶活性;昆布多糖比色法［9］測定β-1，3-葡聚糖酶活性。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

用Microsoft Excel 2003和SPSS 16.0軟件分析數(shù)據(jù)。兩年結(jié)果動(dòng)態(tài)一致，本研究以2009年數(shù)據(jù)為例。

2 結(jié)果與分析

2.1 花鈴期干旱對棉纖維比強(qiáng)度的影響

圖2可見，干旱處理花后31 d棉纖維比強(qiáng)度高于對照，花后38 d后降低，表明干旱處理促進(jìn)了前期纖維比強(qiáng)度的形成?；ê? d和10 d干旱處理的纖維比強(qiáng)度在花后60 d分別比對照下降了5.17%、1.94%，可見，花后0 d干旱對纖維比強(qiáng)度的影響較大。

2.2 花鈴期干旱對棉纖維發(fā)育關(guān)鍵物質(zhì)含量的影響

2.2.1 蔗糖和β-1，3-葡聚糖 圖3和圖4可見，花后0 d干旱處理的棉纖維蔗糖含量均低于對照，而花后10 d干旱處理于花后17 d后顯著降低?；ê? d干旱處理的棉纖維β-1，3-葡聚糖含量于花后10～24 d顯著降低，花后10 d干旱處理于花后17～31d顯著降低。隨干旱起始時(shí)間的推遲，纖維中蔗糖、β-1，3-葡聚糖含量降低時(shí)間后延。

圖2 花鈴期干旱對棉纖維比強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of drought on fiber strength of cotton at flowering and bolling stage

圖3 花鈴期干旱對棉纖維蔗糖含量的影響Fig.3 Effects of drought on sucrose content of cotton at flowering and bolling stage

圖4 花鈴期干旱對棉纖維β-1，3-葡聚糖含量的影響Fig.4 Effects of drought on β-1，3-glucan content of cotton at flowering and bolling stage

2.2.2 纖維素含量 用Logistic模型對纖維素累積動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬，擬合方程均達(dá)極顯著水平。由表1可見，干旱處理的纖維素含量理論最大值均降低，且以花后0 d干旱處理降幅大于花后10 d干旱處理;纖維素含量快速增長期提前;花后0 d干旱處理快速增長持續(xù)期縮短，最大速率影響較小，而花后10 d干旱處理快速增長持續(xù)期延長，最大速率降低。

表1 花鈴期干旱對纖維素累積特征值的影響Table 1 Effect of drought on the characteristics of cellulose accumulation during flowering and bolling stage in cotton

2.3 花鈴期干旱對棉纖維糖代謝相關(guān)酶活性的影響

2.3.1 蔗糖合酶和蔗糖磷酸合酶 圖5可見，與對照相比，干旱處理下花后17 d后纖維蔗糖合酶活性增強(qiáng)?；ê? d干旱處理的花后10～24 d纖維蔗糖磷酸合酶活性與對照沒有差異，花后10 d干旱處理于花后10～24 d顯著增加，花后31 d后干旱處理的纖維蔗糖磷酸合酶活性均降低。

2.3.2 β-1，3-葡聚糖酶 圖5可見，干旱處理對纖維β-1，3-葡聚糖酶活性影響較大，花后0 d干旱處理的β-1，3-葡聚糖酶活性于花后10～31 d顯著降低，花后10 d干旱處理于花后24 d降低;干旱對β-1，3-葡聚糖酶活性影響以花后0 d干旱處理影響較大。

2.4 花鈴期干旱對蔗糖和β-1，3-葡聚糖轉(zhuǎn)化率的影響

表2可見，干旱處理纖維加厚發(fā)育期蔗糖和β-1，3-葡聚糖含量均值降低，且以對花后0 d干旱處理影響較大?；ê? d干旱處理的蔗糖轉(zhuǎn)化率增加，可能是其纖維素累積速率較高的原因。而β-1，3-葡聚糖轉(zhuǎn)化率降低，不利于纖維素的平緩累積，致使快速累積持續(xù)期短，纖維比強(qiáng)度降低?；ê?0 d干旱處理對蔗糖與β-1，3-葡聚糖轉(zhuǎn)化率影響小，因此，纖維發(fā)育相關(guān)物質(zhì)含量低是其纖維素累積量、纖維比強(qiáng)度降低的原因。

3 討論

3.1 花鈴期干旱對棉纖維素累積相關(guān)物質(zhì)的影響

蔗糖是棉纖維素累積的初始底物，但纖維中蔗糖水平易受生態(tài)因子的影響。Shu等［5］研究發(fā)現(xiàn)低溫下棉纖維中可利用的蔗糖含量升高而蔗糖轉(zhuǎn)化利用降低;楊長琴等［2］研究發(fā)現(xiàn)花鈴期漬水降低加厚發(fā)育期棉纖維蔗糖含量但轉(zhuǎn)化率增加。本試驗(yàn)中干旱降低棉纖維加厚發(fā)育期蔗糖含量。棉纖維發(fā)育的蔗糖主要由棉鈴對位葉的光合產(chǎn)物經(jīng)鈴殼-棉籽轉(zhuǎn)運(yùn)而來。持續(xù)干旱下葉片光合速率下降［13-15］及棉鈴對位葉生理功能下降［14］、葉片蔗糖代謝受抑且外運(yùn)受阻［15］，干旱還影響由棉籽向纖維轉(zhuǎn)運(yùn)蔗糖［16］。此外，棉纖維加厚發(fā)育期β-1，3-葡聚糖含量也降低。因此在物質(zhì)供給水平上不利于纖維素的平緩累積?；ê? d干旱處理的棉纖維素累積速率受影響小持續(xù)期短，而花后10 d干旱處理的棉纖維素累積速率降低持續(xù)期長。因此，棉纖維素平緩持續(xù)累積才利于纖維比強(qiáng)度形成。

圖5 花鈴期干旱對棉纖維素累積關(guān)鍵酶活性的影響Fig.5 Effects of drought on enzyme activities associated with cellulose accumulation during flowering and bolling stage in cotton

表2 棉纖維蔗糖和β-1，3-葡聚糖含量均值及轉(zhuǎn)化率Table 2 The contents and conversion rates of sucrose and β-1，3-glucan in cotton fiber

3.2 花鈴期干旱對棉纖維素累積關(guān)鍵酶活性影響

纖維素累積相關(guān)酶活性也易受生態(tài)因子的影響。楊長琴等［2］最近研究結(jié)果表明，受漬害較輕條件下蔗糖合酶和蔗糖磷酸合酶活性增加，較重條件下降低，而β-1，3-葡聚糖酶活性均降低。Shu等［5］研究發(fā)現(xiàn)低溫下棉纖維蔗糖合酶和蔗糖磷酸合酶活性降低，而β-1，3-葡聚糖酶活性升高。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱下棉纖維蔗糖合酶活性增強(qiáng)，蔗糖磷酸合酶活性先增加后降低，表明蔗糖利用受促進(jìn)，可能是花后前期干旱纖維比強(qiáng)度并未降低的原因。植物受傷害或逆境條件下，碳源分配用于滿足呼吸及與其他生長相關(guān)過程的需要［4］，條件適宜時(shí)代謝模式很快向合成纖維素方向轉(zhuǎn)變［4］，推測本試驗(yàn)中蔗糖合酶活性增強(qiáng)用于滿足生長相關(guān)過程能量需求，并未促進(jìn)纖維素的累積［2］。此外，花后31 d蔗糖磷酸合酶活性降低，表明利用游離態(tài)尿苷二磷酸葡糖合成蔗糖的能力降低?；ê?1 d β-1，3-葡聚糖酶活性降低，表明干旱影響β-1，3-葡聚糖的降解利用，必然影響纖維素的平緩累積。

干旱條件下，碳源持續(xù)供給能力降低，致使棉纖維加厚發(fā)育期蔗糖和β-1，3-葡聚糖含量降低，在物質(zhì)層面上不利于纖維加厚發(fā)育。干旱下蔗糖合酶活性升高，生成碳源用于滿足生長的能量需求。干旱降低蔗糖磷酸合酶活性，尤其β-1，3-葡聚糖酶活性大幅度降低，不利于纖維素的平緩累積。因此，纖維加厚發(fā)育期碳源供應(yīng)不足及酶活性變化影響纖維素平緩累積致使纖維比強(qiáng)度下降。

［1］ 束紅梅，王友華，陳兵林，等.棉花纖維素累積特性的基因型差異及與纖維比強(qiáng)度形成的關(guān)系［J］.作物學(xué)報(bào)，2007，33(6): 921-926.

［2］ 楊長琴，劉瑞顯，張國偉，等.花鈴期漬水對棉纖維糖代謝的影響及其與纖維比強(qiáng)度的關(guān)系［J］.作物學(xué)報(bào)，2014，40(9): 1612-1618.

［3］ 胡宏標(biāo)，張文靜，王友華，等.棉纖維加厚發(fā)育相關(guān)物質(zhì)對纖維比強(qiáng)度的影響［J］.西北植物學(xué)報(bào)，2007，27(4):726-733.

［4］ HAIGLER C H，MILKA I D，HOGAN P S，et al.Carbon partitioning to cellulose synthesis［J］.Plant Mol Biol，2001，47:29-51.

［5］ SHU H M，ZHOU Z G，XU N Y，et al.Sucrose metabolism in cotton(Gossypium hirsutum L.)fiber under low temperature during fiber development［J］.Eur J Agron，2009，31:61-68.

［6］ 馮 營，趙新華，王友華，等.棉纖維發(fā)育過程中糖代謝生理特征對氮素的響應(yīng)及其與纖維比強(qiáng)度形成的關(guān)系［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42(1):93-102.

［7］ 楊富強(qiáng)，楊長琴，劉瑞顯，等.不同生育期漬水對棉花恢復(fù)生長及產(chǎn)量的影響［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(12):108-110.

［8］ 劉瑞顯，郭文琦，陳兵林，等.氮素對花鈴期干旱再復(fù)水后棉花纖維比強(qiáng)度形成的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2009，15 (3):662-669.

［9］ 湯章城.現(xiàn)代植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指南［M］.北京:科學(xué)出版社，1999:126-128.

［10］K?HLE H，JEBLICK W，POTEN F，et al.Chitosan-elicited callose synthesis in soybean cells as a Ca2+-dependent process［J］.Plant Physiol，1985，77:544-551.

［11］UPDEGRAFF D M.Semimicro determination of cellulose in biologicalmaterials［J］.AnalyticalBiochemistry，1969，32: 420-424.

［12］KONISHI L，NAKAI T，SAKAI F，et al.Formation of callose from sucrose in cotton fiber microsomal membranes［J］.Jpn Wood Res Soc，2001，47:331-335.

［13］馬富裕，李蒙春，楊建榮，等.花鈴期不同時(shí)段水分虧缺對棉花群體光合速率及水分利用效率影響的研究［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，35(12):1467-1472.

［14］劉瑞顯，郭文琦，陳兵林，等.氮素對花鈴期干旱及復(fù)水后棉花葉片保護(hù)酶活性和內(nèi)源激素含量的影響［J］.作物學(xué)報(bào)，2008，34(9):1598-1607.

［15］楊長琴，劉瑞顯，楊富強(qiáng)，等.花鈴期干旱對不同部位棉鈴對位葉糖代謝及鈴重的影響［J］.棉花學(xué)報(bào)，2014，26(5): 452-458.

［16］楊長琴，劉敬然，劉瑞顯，等.花鈴期干旱和漬水對棉鈴碳水化合物含量的影響及其與棉鈴生物量累積的關(guān)系［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25(8):2251-2258.