乙烯對(duì)棉花適應(yīng)淹水脅迫的作用及其機(jī)制

劉光亞，張艷軍，孫學(xué)振，董合忠

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 山東 泰安271018;2.山東棉花研究中心, 濟(jì)南250100）

澇漬災(zāi)害是一種世界性的自然災(zāi)害，嚴(yán)重影響作物生產(chǎn)[1]。 全球氣候變化導(dǎo)致我國(guó)許多地區(qū)發(fā)生極端澇漬災(zāi)害的概率增加。 在黃河和長(zhǎng)江流域棉區(qū)，夏季季節(jié)性降雨引發(fā)的澇漬災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，此時(shí)正值棉花生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，澇漬災(zāi)害成為導(dǎo)致棉花產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降的重要?dú)庀笠蛩豙2]。 淹水脅迫導(dǎo)致植株根際環(huán)境處于水分飽和狀態(tài)，降低了氣體的交換速率[3-4]。 研究表明，當(dāng)棉株根際氧氣濃度低于10%時(shí)，根系生長(zhǎng)受抑制[5]，地上部表現(xiàn)為葉綠素含量減少，葉片失綠早衰進(jìn)而脫落，光合能力下降，最終導(dǎo)致減產(chǎn)[6]。 當(dāng)植物遭受淹水脅迫時(shí)， 根系首先感知土壤中的O2缺乏，乙烯前體1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid,ACC）在根系中迅速合成，并向上運(yùn)輸?shù)降厣喜浚诘厣喜哭D(zhuǎn)化成為乙烯[7]；同時(shí)，淹水脅迫導(dǎo)致乙烯的擴(kuò)散受阻，進(jìn)一步加劇了乙烯的積累[8]?？梢?jiàn)，當(dāng)植物遭受非生物脅迫時(shí)， 體內(nèi)乙烯合成相關(guān)基因被誘導(dǎo)表達(dá)，乙烯含量發(fā)生改變[9-10]。乙烯通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑進(jìn)行傳遞，通過(guò)調(diào)控下游基因使植物細(xì)胞在生理水平發(fā)生變化[11-12]，誘導(dǎo)植株產(chǎn)生一系列適應(yīng)淹水脅迫的變化， 提高根系纖維素酶活力，促進(jìn)部分細(xì)胞程序性死亡，形成根際通氣組織[3]；觸發(fā)下游乙烯響應(yīng)元件 （Ethylene response factors,ERFs）誘導(dǎo)不定根生成和莖部伸長(zhǎng)生長(zhǎng)[3,13]。

通過(guò)乙烯抑制劑如氨基乙氧基乙烯基甘氨酸 （Aminoethoxyvinylglycine, AVG）、 氨基乙酸（Aminoacetic acid, AOA）和1- 甲基環(huán)丙烯（1-Methylcyclopropene,1-MCP） 調(diào)節(jié)乙烯在植物體內(nèi)的積累[14-15]，進(jìn)而調(diào)控植物對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)能力是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。 其中，AVG 對(duì)緩解植物鹽脅迫[16]、干旱脅迫[17]和淹水脅迫[18]損傷有積極作用；1-MCP 對(duì)緩解干旱[19]和高溫[20]脅迫造成的棉花產(chǎn)量損失也有類似的效應(yīng)。 盡管已知乙烯抑制劑能夠增強(qiáng)作物適應(yīng)鹽堿、干旱、高溫等逆境的能力，也有報(bào)道表明，土壤澇漬誘導(dǎo)的乙烯積累會(huì)引發(fā)棉花葉片和幼鈴的脫落，加劇淹水脅迫造成的棉花減產(chǎn)程度[21]，但關(guān)于在淹水脅迫條件下通過(guò)使用乙烯抑制劑等化學(xué)物質(zhì)調(diào)控棉花體內(nèi)乙烯含量進(jìn)而影響棉花耐澇性的機(jī)制尚不清楚。 本文通過(guò)葉面噴施乙烯信號(hào)通路抑制劑1-MCP 和乙烯合成前體ACC 處理受淹棉株， 研究了乙烯含量對(duì)棉花淹水傷害的調(diào)控效應(yīng)和機(jī)理。

試驗(yàn)于2017—2018 年在山東棉花研究中心臨清試驗(yàn)站的田間電動(dòng)遮雨棚內(nèi)進(jìn)行。 以山東棉花研究中心育成的棉花品種K638 為試驗(yàn)材料，種植在遮雨棚內(nèi)無(wú)底隔土池（旱池）中。 每個(gè)旱池長(zhǎng)3.87 m、寬2.77 m，用寬度為0.15 m、高度為1.50 m（其中地下深度為1.20 m）的混凝土隔開(kāi)。2017 年于4 月21 日播種，2018 年于4 月22 日播種，每個(gè)旱池為一個(gè)小區(qū)，每小區(qū)種4 行，種植密度為6 株·m－2。 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置不淹水（NWL），為對(duì)照（CK）；淹水10 d（WL）；淹水10 d 葉面噴施60 μmol·L－1乙烯信號(hào)通路抑制劑1-MCP（WL＋MCP）并套袋熏蒸；淹水10 d葉面噴施100 μmol·L－1乙烯前體ACC 并套袋熏蒸 （WL＋ACC）4 個(gè)處理， 均設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。2017 年于6 月14 日、2018 年于6 月27 日開(kāi)始進(jìn)行淹水脅迫處理，所有淹水脅迫處理皆維持地表面水層深度淹沒(méi)子葉節(jié)， 淹水當(dāng)日補(bǔ)水3 次，以后每日早上補(bǔ)水1 次，以維持水層深度。 在淹水處理同時(shí)， 隔天噴施乙烯調(diào)節(jié)劑1 次， 共噴5次，且每次噴施之后，使用黑色聚乙烯塑料薄膜將棉株密閉熏蒸2 h。 在淹水結(jié)束當(dāng)日人工將積水排掉，自然恢復(fù)至正常水平。

釆用MS Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，釆用Data Processing System（DPS）軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，5%水平下檢驗(yàn)差異顯著性。 統(tǒng)計(jì)分析顯示，各處理與年份對(duì)產(chǎn)量、干物質(zhì)質(zhì)量以及主要生理指標(biāo)均沒(méi)有互作效應(yīng)， 因此采用2 年的平均值表示。

淹水脅迫抑制了棉花的生長(zhǎng)發(fā)育，淹水10 d棉花各器官及單株干物質(zhì)質(zhì)量均顯著低于未淹水對(duì)照（CK）（表1）。 與未淹水（NWL）相比，受淹棉株（WL）根、莖、葉、蕾花鈴及單株干物質(zhì)質(zhì)量分別減少24.6%、6.8%、20.8%、14.2%和15.1%。與淹水處理（WL）的棉株相比，淹水10 d 噴施1-MCP 處理（WL＋MCP）的棉株根、莖、葉、蕾花鈴及單株干物質(zhì)質(zhì)量分別增加了1.0%、3.6%、2.3%、4.9%和3.3%，同期噴施ACC（WL＋ACC）的棉株根、莖、葉、蕾花鈴及單株干物質(zhì)質(zhì)量則分別減少6.7%、4.6%、9.9%、10.3%和7.7%。

皮棉產(chǎn)量是棉花受害程度和耐澇能力強(qiáng)弱的綜合反映，淹水脅迫顯著降低了棉花的皮棉產(chǎn)量（表2）。 與NWL 相比，受淹棉株（WL）單株鈴數(shù)量減少24.8%，籽棉產(chǎn)量減少26.7%，皮棉產(chǎn)量減少27.7%。與WL 相比，WL＋MCP 處理的棉株結(jié)鈴數(shù)增加6.0%，籽棉產(chǎn)量增加4.6%，皮棉產(chǎn)量增加4.1%；WL＋ACC 處理的棉株結(jié)鈴數(shù)減少7.0%，籽棉產(chǎn)量減少8.0%，皮棉產(chǎn)量減少8.6%。

淹水脅迫后，棉花主莖功能葉凈光合速率顯

著降低（圖1）。 淹水10 d 處理（WL）棉花主莖功能凈光合速率較NWL 降低了13.8%。 與WL 相比，WL＋MCP 處理的受淹棉花主莖功能葉Pn增加了13.5%；WL＋ACC 處理的受淹棉株P(guān)n降低了6.0%。

表1 乙烯調(diào)節(jié)劑對(duì)淹水棉株各器官干物質(zhì)質(zhì)量的影響Table 1 Effects of ethylene regulators on dry weight of waterlogged cotton plants

表2 乙烯調(diào)節(jié)劑對(duì)淹水棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of ethylene regulators on yield and yield components of waterlogged cotton plants

圖1 乙烯調(diào)節(jié)劑受淹棉花主莖功能葉凈光合速率的影響Fig.1 Effects of ethylene regulators on net photosynthetic rate in the main-stem leaves of cotton

圖2 乙烯調(diào)節(jié)劑對(duì)受淹棉花主莖功能葉乙烯含量的影響Fig.2 Effects of ethylene regulators on ethylene content in the main-stem leaves of cotton

淹水脅迫增加棉花主莖功能葉中乙烯含量（圖2）。 與NWL 相比，淹水10 d 處理（WL）棉花主莖功能葉中乙烯含量增加8.2%。 與WL 相比，WL＋MCP 處理的受淹棉株，主莖功能葉中乙烯含量減少了5.3%；WL＋ACC 處理主莖功能葉乙烯含量增加了8.0%。

淹水脅迫導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過(guò)氧化加重，大量積累MDA（圖3）。 與NWL 相比，WL 處理棉花主莖功能葉中MDA 含量提高了86.1%。 淹水脅迫下噴施1-MCP， 棉花主莖功能葉中MDA 含量較WL 降低了39.2%。 而ACC 處理同期受淹棉花，MDA 含量較WL 增加了19.5%。

圖3 乙烯調(diào)節(jié)劑對(duì)受淹棉花主莖功能葉MDA含量的影響Fig.3 Effects of ethylene regulators on MDA content in the main-stem leaves of cotton

淹水顯著增強(qiáng)棉花主莖功能葉厭氧代謝酶活性（圖4～6）。與NWL 相比，WL 棉花主莖功能葉中ADH、PDC 和LDH 活性分別增加2.6 倍、65.5%和52.4%。淹水脅迫下噴施1-MCP，棉花主莖功能葉中ADH、PDC 和LDH 活性較WL 分別降低了37.8%、20.5%和8.2%， 而ACC 處理同期受淹棉花，ADH、PDC 和LDH 活性較WL 分別升高了17.5%、11.2%和8.0%。

圖4 乙烯調(diào)節(jié)劑對(duì)受淹棉花主莖功能葉ADH 活性的影響Fig.4 Effects of ethylene regulators on ADH activity in the main-stem leaves of cotton

圖6 乙烯調(diào)節(jié)劑對(duì)受淹棉花主莖功能葉LDH 活性的影響Fig.6 Effects of ethylene regulators on LDH activity in the main-stem leaves of cotton

圖5 乙烯調(diào)節(jié)劑對(duì)受淹棉花主莖功能葉PDC 活性的影響Fig.5 Effects of ethylene regulators on PDC activity in the main-stem leaves of cotton

淹水脅迫下土壤中O2濃度降低誘導(dǎo)包括棉花在內(nèi)的許多作物根系A(chǔ)CC 濃度升高[7,24]，進(jìn)而影響了硝酸鹽的同化和有機(jī)化合物的合成[25-26]，抑制了植物根系生長(zhǎng)發(fā)育；淹水脅迫造成葉片失綠并影響氮素吸收，進(jìn)而影響光合生產(chǎn)和干物質(zhì)積累[27-29]。 本研究結(jié)果顯示，淹水處理10 d，受淹棉株各器官及單株干物質(zhì)質(zhì)量不同程度減少，其中對(duì)根系生長(zhǎng)的抑制作用大于對(duì)地上部器官的抑制作用，對(duì)營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官影響相當(dāng)。 淹水條件下使用乙烯信號(hào)通路抑制劑1-MCP 處理受淹棉株后，棉花根、莖、葉、蕾花鈴及單株干物質(zhì)質(zhì)量的減少幅度得到不同程度緩解，且地上部器官恢復(fù)快于根系， 生殖器官恢復(fù)快于營(yíng)養(yǎng)器官。 而乙烯前體ACC 處理則進(jìn)一步抑制了淹水棉株干物質(zhì)的積累。 由此可見(jiàn)，降低乙烯含量可以有效緩解淹水脅迫對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育和干物質(zhì)生產(chǎn)的影響，有助于受淹棉花的澇后恢復(fù)。

花鈴期棉株由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)為主，是棉花產(chǎn)量品質(zhì)形成的關(guān)鍵時(shí)期。 此時(shí)遭受淹水脅迫，抑制棉花開(kāi)花結(jié)鈴，造成單株結(jié)鈴數(shù)減少， 從而影響棉花產(chǎn)量的形成。Najeeb 等[1]研究發(fā)現(xiàn)，受淹棉株乙烯積累增加，結(jié)鈴數(shù)較未淹水（對(duì)照）減少了3～4 倍，表明受淹棉株中乙烯的積累抑制了棉花結(jié)鈴并且加速蕾鈴脫落，Bange 等[6]也報(bào)道了相似的發(fā)現(xiàn)。 乙烯抑制劑可以增強(qiáng)植物對(duì)非生物脅迫的抗性，緩解產(chǎn)量損失[16]。 適宜濃度1-MCP 能促進(jìn)大豆[30]、水稻[31]等作物產(chǎn)量的提高。 Kawakami 等[19]和Brito 等[32]的研究均表明1-MCP 對(duì)干旱脅迫條件下棉花結(jié)鈴數(shù)和鈴重有積極影響， 可有效緩解產(chǎn)量損失。此外，1-MCP 對(duì)高溫脅迫下棉花的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量也有一定的促進(jìn)作用[20]。本研究中，受淹棉株體內(nèi)乙烯含量與結(jié)鈴數(shù)成明顯的負(fù)相關(guān)，1-MCP 通過(guò)抑制受淹棉株體內(nèi)乙烯作用路徑，減少了淹水脅迫導(dǎo)致的蕾鈴脫落，降低了減產(chǎn)幅度。 需要指出的是，產(chǎn)量提升幅度比較有限。

淹水脅迫顯著抑制植物的光合作用，Zhang等[33]研究表明，棉花花期淹水10 d、15 d 和20 d，主莖功能葉凈光合速率分別降低18.7%、31.5%和47.1%；玉米三葉期淹水6 d，功能葉凈光合速率降低21.24%～24.50%[34]；淹水脅迫抑制根系生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響?zhàn)B分吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[35]，養(yǎng)分供應(yīng)不足導(dǎo)致葉片失綠，凈光合速率降低[36-37]；同時(shí)根際缺氧促進(jìn)植物產(chǎn)生大量乙烯，乙烯誘導(dǎo)植物體內(nèi)ABA 合成增加，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，光合作用受阻[38]。1-MCP 作為乙烯的抑制劑，可緩解葉綠素降解，改善植物光合作用[39-41]。 Kawakami 等[42]在干旱脅迫下進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，1-MCP 處理的棉花葉片氣體交換能力增強(qiáng)，葉綠素含量提高，光合速率增強(qiáng)。 鄧嬌燕等[43]研究表明，1-MCP 可促進(jìn)高溫脅迫下辣椒功能葉光合作用的恢復(fù)。 可見(jiàn)，1-MCP 有效緩解了非生物脅迫對(duì)植物光合的抑制作用。 本試驗(yàn)結(jié)果表明，花期淹水10 d，棉花主莖功能葉凈光合速率降低，1-MCP 處理受淹棉株促進(jìn)其光合能力恢復(fù)，ACC 處理則進(jìn)一步減小了受淹棉株的光合速率。 由此可見(jiàn)，外源乙烯信號(hào)通路抑制劑通過(guò)降低受淹植株體內(nèi)乙烯含量，促進(jìn)了受淹植株光合能力的恢復(fù)，有利于提高植物耐澇性。

植物處于淹水脅迫下，最為明顯的特征就是乙烯的積累。 通過(guò)噴施乙烯信號(hào)通路抑制劑（1-MCP）、乙烯合成抑制劑（AVG）等調(diào)控乙烯的含量， 可改善植物在逆境脅迫條件下的生長(zhǎng)狀況。 Barnawal 等[44]報(bào)道，向羅勒植物接種含有ACC 氧化酶的植物促生長(zhǎng)根瘤菌（PGPR）能夠通過(guò)降低乙烯含量，增加葉片營(yíng)養(yǎng)的攝入，促進(jìn)淹水脅迫下植株根部和莖部的生長(zhǎng)， 提高產(chǎn)量，從而保護(hù)植株避免淹水脅迫造成的損傷。 Hussain等[45]研究表明，1-MCP 可以有效抑制鹽脅迫下水稻小穗中乙烯釋放，增加結(jié)實(shí)率和千粒重，減少產(chǎn)量損失。 Khan 等[46]研究表明，1-MCP 顯著降低了李子（Prunus salicina）乙烯生物合成酶ACS、ACO 和ACC 含量，抑制了乙烯的產(chǎn)生。 本研究表明，1-MCP 通過(guò)阻止乙烯在棉花葉片中的積累，從而改善了葉片的生長(zhǎng)狀況和光合參數(shù)。 同時(shí)，1-MCP 提高了淹水條件下棉花的生物量，從而緩解受淹棉花的產(chǎn)量損失， 而噴施ACC 的效果相反。可見(jiàn)，噴施乙烯信號(hào)通路抑制劑1-MCP，降低乙烯含量，可以減緩淹水脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)、生理和產(chǎn)量的不利影響。

正常環(huán)境條件下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除處于動(dòng)態(tài)平衡之中， 當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí)，這種平衡會(huì)遭到破壞。 研究表明，淹水脅迫破壞植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除系統(tǒng)的平衡，造成包括單線態(tài)氧（1O2）、超氧陰離子（O2－）、過(guò)氧化氫（H2O2）和羥自由基（－OH)等在內(nèi)的活性氧簇大量積累，導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過(guò)氧化[47]。 MDA 是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的重要產(chǎn)物，其積累量是判斷植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度的重要指標(biāo)。 Vladimir 等[48]研究表明，在干旱脅迫下，施用1-MCP 可以清除植物體內(nèi)的自由基，維持抗氧化酶系統(tǒng)穩(wěn)定。Ail 等[49]試驗(yàn)證明，1-MCP 可以減少木瓜中MDA 積累，緩解細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度。 本試驗(yàn)結(jié)果表明，淹水脅迫10 d， 棉花主莖功能葉MDA 含量大幅增加； 淹水條件下噴施乙烯信號(hào)通路抑制劑1-MCP，MDA 積累量減少，即有效減少了受淹棉花葉片內(nèi)活性氧的產(chǎn)生量，減輕了淹水脅迫造成的棉花葉片細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度； 而ACC 處理同期受淹棉株，MDA 積累增加，加重了細(xì)胞膜損傷，這與Sabban 等[50]的研究結(jié)果一致。由此可見(jiàn)，淹水造成棉花葉片產(chǎn)生大量的活性氧自由基，加重了細(xì)胞膜損傷， 破壞了細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，在淹水脅迫下噴施1-MCP 溶液降低受淹棉株乙烯含量， 棉花細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基產(chǎn)生量顯著減少，膜系統(tǒng)的損傷程度顯著減輕，顯著緩解了棉花的受害程度，加快了棉花的恢復(fù)生長(zhǎng)，促進(jìn)了膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性和代謝平衡的恢復(fù)。

淹水脅迫發(fā)生時(shí)土壤處于水分飽和狀態(tài)，植株根系及部分地上部器官與環(huán)境之間氣體交換受阻，造成植株缺氧，有氧呼吸被抑制，植株通過(guò)無(wú)氧呼吸為生長(zhǎng)發(fā)育提供必需的能量[51]，植物體內(nèi)ADH、PDC 和LDH 等厭氧代謝酶活性增強(qiáng)[52-55]。 在無(wú)氧呼吸過(guò)程中，糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸一方面可在LDH 作用下轉(zhuǎn)化成乳酸， 另一方面可在PDC 作用下轉(zhuǎn)化成乙醛，進(jìn)而在ADH 作用下轉(zhuǎn)化成乙醇[56]。乳酸、乙醛和乙醇等有毒代謝產(chǎn)物積累到一定程度很可能會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生傷害[57]。Peng 等[58]研究表明， 外源乙烯促進(jìn)擬南芥中ADH表達(dá)， 乙醇發(fā)酵途徑作為臨時(shí)產(chǎn)能途徑可以暫時(shí)維持細(xì)胞的生命活動(dòng)；然而無(wú)氧呼吸產(chǎn)生能量效率低，有機(jī)物損耗大，不能滿足植物正常生長(zhǎng)需求。 本試驗(yàn)結(jié)果表明， 淹水脅迫條件下，ADH、PDC 和LDH 活性增強(qiáng)，無(wú)氧呼吸產(chǎn)物大量積累，造成細(xì)胞酸化；淹水條件下乙烯信號(hào)通路抑制劑1-MCP 處理受淹棉株， 降低了受淹棉株厭氧代謝酶活性的增加程度；ACC 處理則加劇了淹水脅迫造成的低氧損傷。 因此，在淹水脅迫下1-MCP 處理受淹棉花，棉花葉片中厭氧代謝酶活性降低，乳酸、乙醛等無(wú)氧呼吸有害產(chǎn)物積累減少，緩解細(xì)胞酸化程度，減輕淹水脅迫造成的低氧損傷；ACC 則增加了有害物質(zhì)積累， 從而加深了淹水脅迫對(duì)棉株的傷害。

淹水脅迫顯著降低棉花產(chǎn)量。 通過(guò)噴施乙烯信號(hào)通路抑制劑1-MCP 抑制受淹棉株體內(nèi)乙烯合成，降低活性氧對(duì)細(xì)胞膜的損傷，維持受淹棉株的能量水平，抑制厭氧代謝酶活性，減輕淹水脅迫下棉花所受的低氧損傷，保持了受淹棉花的光合性能， 緩解受淹棉株生長(zhǎng)發(fā)育的受抑制程度，棉花蕾鈴脫落相應(yīng)減少，最終緩解淹水脅迫造成的減產(chǎn)，一定程度上提高棉花對(duì)淹水脅迫的耐受能力。 而噴施乙烯合成前體ACC 的作用正好相反，增加體內(nèi)乙烯含量，加劇了淹水脅迫造成的氧化損傷， 使受淹棉花膜脂過(guò)氧化程度加重，光合能力降低，進(jìn)一步抑制受淹棉株干物質(zhì)積累，加重產(chǎn)量損失。 需要指出的是，通過(guò)降低乙烯含量緩解受淹棉花產(chǎn)量損失仍是有限的，如能結(jié)合施肥、培土等農(nóng)藝措施，效果可能會(huì)更好，可作為今后研究的重點(diǎn)。