陸地棉種子和纖維中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的基因型差異及與衣分形成的關(guān)系

向春玲，陳 功，羅海華，彭金劍，高 欣，袁長凱，湯飛宇

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045）

【研究意義】衣分是指子棉產(chǎn)量中纖維產(chǎn)量所占的百分比，是評價棉花品種優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，研究影響衣分形成的生理生態(tài)因素具有重要的意義。子棉纖維主要的成分是纖維素，比例約占90%或更高[1]。纖維素是一種結(jié)構(gòu)性碳水化合物，最初的合成底物是蔗糖[1]。種皮的主要成分是淀粉，種胚則以脂肪和蛋白為主[2]。脂肪和蛋白的合成均以碳代謝為基礎(chǔ)，依靠碳代謝的中間產(chǎn)物提供碳骨架和能量[3]。因此，棉鈴（纖維、種胚和種皮）的發(fā)育受到碳代謝的嚴(yán)格控制。衣分的高低主要取決于碳同化物在棉花種子及其著生纖維之間的分配[4-5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】棉鈴內(nèi)的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物主要包括葡萄糖、果糖、蔗糖及淀粉等，對棉鈴的生長發(fā)育具有重要的作用。其作用機(jī)制體現(xiàn)在以下4個方面：（1）作為底物用于細(xì)胞結(jié)構(gòu)或貯藏物質(zhì)的合成。如纖維細(xì)胞纖維素合成的最初底物是蔗糖，直接前體是尿苷二磷酸-D-葡萄糖（UDPG）[6-9]；（2）維持細(xì)胞生理生化活動所需能量的來源，如己糖通過糖酵解產(chǎn)生ATP實(shí)現(xiàn)棉花胚珠轉(zhuǎn)移細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸功能[10]；（3）作為重要的滲透調(diào)節(jié)活性物質(zhì)，調(diào)控細(xì)胞的滲透勢和膨壓，影響細(xì)胞的伸長和擴(kuò)展，如提高纖維內(nèi)的己糖濃度促進(jìn)了纖維的伸長[11]；（4）作為信號分子調(diào)節(jié)相關(guān)基因或轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，影響細(xì)胞的生長發(fā)育。如葡萄糖能夠上調(diào)細(xì)胞周期基因的表達(dá)，刺激早期幼胚的細(xì)胞分裂[12]。蔗糖上調(diào)與貯藏相關(guān)基因的表達(dá)，啟動細(xì)胞的分化與成熟[13]。棉纖維的發(fā)育和品質(zhì)形成與非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的動態(tài)變化息息相關(guān)[14-15]。蔗糖和可溶性糖轉(zhuǎn)化率高的棉纖維，纖維素的累積速率較高，快速累積的持續(xù)時間長，對棉纖維干物質(zhì)量的增加有利[14]?？扇苄蕴?、蔗糖和β-1，3 葡聚糖含量的動態(tài)變化與棉纖維素累積特性相關(guān)，進(jìn)而影響到棉纖維強(qiáng)度的形成[15]。可溶性糖作為棉纖維內(nèi)一類主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，是驅(qū)動棉纖維伸長的重要動力[1,16]。較長纖維的海島棉比陸地棉在棉鈴開花后10 d 具有更高的葡萄糖、果糖及蔗糖濃度[11]。在干旱條件下，干旱鈍感基因型比敏感基因型在纖維伸長階段具有更高的己糖和蔗糖水平，可能是其最終纖維長度下降幅度較輕的重要原因[16]。棉花種胚的發(fā)育受到可溶性糖的種類、數(shù)量及相互比例等的影響。如在胚珠發(fā)育早期（棉鈴開花后5 d），在種皮細(xì)胞內(nèi)檢測到細(xì)胞壁酸性轉(zhuǎn)化酶基因（GhCWIN1）轉(zhuǎn)錄活躍，該酶催化蔗糖分解產(chǎn)生的葡萄糖有利于細(xì)胞核分裂，增加種胚細(xì)胞數(shù)量[17]。在棉花種胚發(fā)育過程中，己糖濃度一直呈下降趨勢，在中后期種胚維持較高的蔗糖濃度，成為主要的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物[18]，為種胚貯藏物質(zhì)棉子糖和水蘇糖的合成提供底物[19]。高濃度的蔗糖可激活細(xì)胞分化和物質(zhì)貯藏功能[13]。在蠶豆中發(fā)現(xiàn)，蔗糖水平上升時，也正是己糖水平明顯下降，細(xì)胞分裂中止，細(xì)胞啟動分化及貯藏活性[20]。在種胚發(fā)育初期活躍的細(xì)胞分裂階段往往表現(xiàn)出高的己糖/蔗糖濃度比，而物質(zhì)貯藏階段則表現(xiàn)高的蔗糖/己糖濃度比[21]。因此葡萄糖和蔗糖除了作為營養(yǎng)物質(zhì)外，還分別代表了誘導(dǎo)種胚細(xì)胞分裂和分化、貯藏相關(guān)的信號[13,21]。適度晚播的棉花種胚花后5 d 表現(xiàn)出更強(qiáng)的酸性轉(zhuǎn)化酶活性，產(chǎn)生更高的己糖濃度，促進(jìn)了種胚細(xì)胞分裂，因而導(dǎo)致了更大的棉子[22]。【本研究切入點(diǎn)】源葉光合生產(chǎn)的蔗糖在棉鈴胚珠種皮內(nèi)的維管束卸載后，一部分向外以共質(zhì)體運(yùn)輸?shù)姆绞捷斎肜w維，另一部分以質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)姆绞捷斎敕N胚[1]。其中分布于內(nèi)種皮最內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)移細(xì)胞在促進(jìn)碳同化物向種胚的轉(zhuǎn)移發(fā)揮了關(guān)鍵作用[10]。由此可見，纖維和種胚對碳同化物的競爭可能影響兩者干物質(zhì)量的積累，進(jìn)而影響衣分的形成。關(guān)于纖維和胚珠（種胚和種皮）內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的變化狀況與衣分形成的關(guān)系尚未見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究以2個衣分和棉子大小具有明顯差異的陸地棉品系為試驗(yàn)材料，觀察其棉鈴發(fā)育過程中纖維、種胚和種皮非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（己糖、蔗糖和淀粉）含量的變化，比較不同基因型的差異，證明非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在纖維和種胚分配的差異可能是導(dǎo)致衣分差異形成的一個重要原因。旨在為培育高衣分棉花品種提供參考依據(jù)和技術(shù)思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為江西農(nóng)業(yè)大學(xué)自育陸地棉品系：低衣分大子品系A(chǔ)201 和高衣分小子品系A(chǔ)705。于2016 年種植于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園，供試土壤為紅壤旱地，前茬空閑，肥力中上等。田間試驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組排列，4 行區(qū)，行長7.7 m，行距1.0 m，株距0.3 m，小區(qū)面積30.8 m2，3 次重復(fù)。2016 年5 月6 日播種。全生育期施純N：276 kg/hm2、P2O5：105 kg/hm2、K2O：247.5 kg/hm2。磷肥和鉀肥作基肥和花鈴肥分2 次施用，比例為1∶1；氮肥作基肥、花鈴肥和蓋頂肥分3 次施用，比例為1∶2∶1。按常規(guī)高產(chǎn)栽培技術(shù)要求管理，及時灌溉、防治病蟲害和雜草。

1.2 取樣

于盛花期掛牌標(biāo)記中部果枝（7—9）內(nèi)圍果節(jié)當(dāng)天白花，開花后5，10，17，24，31，38，45 d 共7 個時期取發(fā)育整齊一致的棉鈴帶回實(shí)驗(yàn)室，在室內(nèi)將種子、種胚和種皮分離開來。種胚與種皮的分離始于開花后24 d，由于此前的種胚尚小，難以分離。樣品經(jīng)105 ℃殺青30 min 后于60 ℃下烘干至恒重，烘干后用微型植物粉碎機(jī)磨碎并過32目篩網(wǎng)，用于己糖（葡萄糖、果糖）、蔗糖和淀粉濃度的測定。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉的提取方法參照陳功等[23]論文中所述。葡萄糖和果糖濃度的測定采用酶比色法[24]，己糖濃度定義為葡萄糖和果糖濃度的總和，蔗糖濃度的測定采用間苯二酚法[25]；淀粉濃度的測定采用蒽酮法[25]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用獨(dú)立樣本T測驗(yàn)，檢驗(yàn)A705和A201棉鈴產(chǎn)量性狀、各取樣點(diǎn)己糖、蔗糖及淀粉濃度的差異顯著性。使用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉鈴產(chǎn)量性狀的基因型差異

由表1 可知，相對于A201，A705 具有顯著更大的單鈴纖維質(zhì)量、衣指和衣分，顯著更小的鈴質(zhì)量、單鈴種子質(zhì)量、子指。表明A201 具有更強(qiáng)的種子干物質(zhì)積累能力，A705 則具有更高的纖維干物質(zhì)積累能力。

表1 A705和A201棉鈴產(chǎn)量性狀的表現(xiàn)Tab.1 Performance of cotton boll yield traits in A705 and A201

2.2 A705和A201纖維非結(jié)構(gòu)性碳水化合物濃度的動態(tài)變化與差異

由圖1A 可知，A705 和A201 棉鈴開花后，纖維蔗糖濃度的變化一致，皆呈逐漸下降的趨勢。除鈴齡45 d外，其余時期A705的蔗糖濃度都顯著或極顯著高于A201，前者比A201平均高134.3%。纖維己糖濃度基本呈下降趨勢（圖1B）。A705 纖維己糖濃度比A201 平均高21.3%，且在鈴齡38 d 顯著高于A201。綜上所述，高衣分小子品系A(chǔ)705比低衣分大子品系A(chǔ)201纖維具有較高的蔗糖、己糖水平。

圖1 棉纖維蔗糖濃度（A）和己糖濃度（B）的變化趨勢Fig.1 Dynamics of sucrose（A）and hexose concentrations in cotton fibers

2.3 A705和A201胚珠/種胚非結(jié)構(gòu)性碳水化合物濃度的動態(tài)變化與差異

由于鈴齡17 d前（含17 d）的種胚還比較細(xì)嫩，尚不能從胚珠中分離開來，因此，圖2中鈴齡5～17 d代表的是胚珠的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物狀況，24～45 d 代表的是種胚的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物狀況。由圖2A可知，A705與A201的種胚中蔗糖濃度的變化趨勢一致，自開花后5～17 d呈上升趨勢，24 d略有下降，31 d達(dá)到峰值，此后呈下降趨勢。A201 種胚蔗糖濃度整體高于A705，平均高27.11%，且在鈴齡5 d，31～45 d顯著高于后者。2 個品系種胚的己糖濃度均呈下降趨勢（圖2B）。A201 平均水平比A705 高29.17%，且在鈴齡5，10，24，38 d 顯著或極顯著高于后者。2 個品系種胚的淀粉濃度均呈單峰曲線，自鈴齡5 d 起持續(xù)上升，至24 d達(dá)到峰值，此后下降（圖2C）。A201平均水平比A705低18.56%，且在鈴齡10 d，45 d顯著低于后者。綜上所述，低衣分大子品系A(chǔ)201比高衣分小子品系A(chǔ)705種胚具有較高的蔗糖和己糖水平，較低的淀粉水平。

圖2 棉花胚珠/種胚蔗糖（A）、己糖（B）、淀粉（C）濃度變化趨勢Fig.2 Dynamics of sucrose（A），hexose（B）and starch（C）concentrations in cotton ovules/embryos

2.4 A705和A201種皮非結(jié)構(gòu)性碳水化合物濃度的動態(tài)變化與差異

圖3 表明，2 個品系種皮的蔗糖、己糖和淀粉濃度均隨棉鈴發(fā)育均呈下降趨勢。A201 種皮蔗糖的平均濃度比A705 高24.24%，且在鈴齡31 d、38 d 均顯著高于A705（圖3A）。A201 種皮己糖的平均濃度比A705 高26.52%，且在鈴齡24 d、31 d 均極顯著高于A705（圖3B）。與蔗糖和己糖的表現(xiàn)相反，A201 種皮淀粉的平均濃度比A705 低18.56%，且在鈴齡31 d 極顯著低于A705。綜上所述，低衣分大子品系A(chǔ)201比高衣分小子品系A(chǔ)705種皮具有較高的蔗糖和己糖水平，較低的淀粉水平。

圖3 棉花種皮蔗糖（A）、己糖（B）、淀粉（C）濃度變化趨勢Fig.3 Dynamics of sucrose（A），hexose（B）and starch（C）concentrations in cotton seed coats

3 結(jié)論與討論

3.1 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物與棉花纖維素合成的關(guān)系

纖維中的主要成分是纖維素，約占90%或更高[1]。蔗糖是纖維素合成的最初底物。蔗糖和可溶性糖轉(zhuǎn)化率高的棉纖維，纖維素的累積速率較高，快速累積的持續(xù)時間長，對棉纖維干物質(zhì)量的增加有利[14]。高強(qiáng)棉纖維相對于中、低強(qiáng)纖維次生壁加厚發(fā)育期（鈴期24～31 d）蔗糖累積量高[15]。研究發(fā)現(xiàn)高衣分小子基因型A705 纖維發(fā)育期間比低衣分大子基因型A201 具有更高的蔗糖濃度，因而為纖維素合成提供了更豐富的原料，可能是A705比A201具有更高單鈴纖維質(zhì)量、衣指和衣分的重要原因。己糖可以通過多種生化途徑轉(zhuǎn)化為纖維素合成的直接前體UDPG，用于纖維素的合成。因此A705 纖維內(nèi)較高的可溶性糖水平對其纖維素合成有利。

3.2 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物與棉花種子發(fā)育的關(guān)系

棉花胚珠發(fā)育初期包含相當(dāng)多的己糖，而蔗糖較少[19]，這與本研究的結(jié)果一致。在本研究中，由于鈴齡5 d 的胚珠比較幼嫩，胚乳呈乳汁狀，細(xì)胞壁尚未形成，種胚處于球形胚階段，肉眼尚不能觀察到，還不能從胚珠中分離出來。在多個物種如擬南芥、蠶豆和棉花，發(fā)現(xiàn)葡萄糖濃度和細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶表達(dá)與早期胚（心形胚之前）有絲分裂活性存在顯著的相關(guān)性，表明葡萄糖可作為一個信號刺激胚胎發(fā)育過程中的細(xì)胞分裂[21]。有報道稱庫器官如玉米子粒和豆類種子中的己糖可刺激細(xì)胞分裂，可能是通過調(diào)控細(xì)胞周期基因如CDC2，Cyclin delta2 和3 實(shí)現(xiàn)[26]。在本研究中，低衣分大子基因型A201 胚珠在開

花后5～10 d比高衣分小子基因型A705具有顯著更高的己糖濃度，高濃度的己糖可能促進(jìn)了種胚的細(xì)胞分裂，增加了種胚細(xì)胞的數(shù)量。蠶豆幼嫩種胚的己糖濃度由種皮的酸性轉(zhuǎn)化酶控制，大子基因型種皮中酸性轉(zhuǎn)化酶高活性持續(xù)時間長，分解產(chǎn)生的大量己糖通過質(zhì)外體途徑釋放到胚乳中，促進(jìn)種胚較長時間的分裂，因而產(chǎn)生比小子基因型具有更多的細(xì)胞數(shù)目[20]。筆者在另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，適度晚播的棉花種胚花后5 d表現(xiàn)出更強(qiáng)的酸性轉(zhuǎn)化酶活性，產(chǎn)生更高的己糖濃度，促進(jìn)了種胚細(xì)胞分裂，因而導(dǎo)致了更大的棉子[22]。

種胚蔗糖含量從花后一周直至20 d，快速升高，然后在種子成熟階段，保持基本穩(wěn)定[19]。這與本研究略有不同，棉鈴開花至花后31 d，胚珠/種胚蔗糖一直呈上升，但此后下降，表明蔗糖有較好的轉(zhuǎn)化利用率，對種胚合成脂肪、蛋白質(zhì)、棉子糖和水蘇糖等有利。高濃度的蔗糖作為信號促進(jìn)種胚從細(xì)胞增殖階段轉(zhuǎn)向物質(zhì)積累階段[12-13]，另一方面為種胚貯藏物質(zhì)的合成提供碳骨架。低衣分大子基因型A201 比高衣分小子基因型A705 胚珠/種胚發(fā)育階段具有較高的蔗糖水平可能是導(dǎo)致其單鈴種子質(zhì)量和子指更大的又一原因，這與Luo等[5]的研究結(jié)果一致。棉花種胚在花后20 d開始積累淀粉而同期種皮中的淀粉濃度下降[27]，而本研究發(fā)現(xiàn)種胚和種皮的淀粉濃度均在花后24 d達(dá)到峰值，此后下降。在花后45 d，種胚中的淀粉基本消失，取而代之的是等量的半乳糖苷類物質(zhì)，如棉子糖和水蘇糖[27]。A201 比A705 種皮具有較高的蔗糖和己糖水平。種皮中的蔗糖和己糖既可以通過共質(zhì)體途徑向纖維輸送，也可以通過質(zhì)外體途徑向種胚運(yùn)輸，其中精準(zhǔn)的控制機(jī)制還不清楚[1]。現(xiàn)有證據(jù)表明內(nèi)種皮最內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)移細(xì)胞促進(jìn)了質(zhì)外體途徑的運(yùn)輸[10]，因此種皮內(nèi)較高水平的蔗糖和己糖對于種胚的發(fā)育可能是有利的。

蔗糖合酶是反映棉花種子和纖維庫強(qiáng)度一個重要的生化標(biāo)記，酶活性高意味著庫器官貯藏物質(zhì)合成活性強(qiáng)[2,28]。本研究進(jìn)一步認(rèn)為作為蔗糖合酶催化作用的底物蔗糖同樣可以反映種子和纖維物質(zhì)合成能力的一個標(biāo)記。纖維干物質(zhì)積累能力強(qiáng)的A705纖維具有較高的蔗糖濃度，而種子干物質(zhì)合成能力強(qiáng)的A201 種子具有較高的蔗糖濃度。A705 纖維具有較高的蔗糖濃度而種子（種胚和種皮）具有較低的蔗糖濃度，可能是其衣分較高的重要原因。綜上所述，在棉鈴發(fā)育過程中，高衣分小子基因型A705纖維具有較高的蔗糖和己糖水平，而種子中較低；反之低衣分小子基因型A201 種子（種胚和種皮）具有較高的蔗糖和己糖水平，而纖維中較低。纖維中較高而同時種子中較低的蔗糖和己糖水平可能是導(dǎo)致A705較高衣分的重要原因。