高溫脅迫對(duì)棉花葉綠素的影響

楊悅 羅新寧

(塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

前言

棉花是影響新疆農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收入水平的重要作物，且新疆棉花產(chǎn)量占全國(guó)89.5%。其產(chǎn)值占我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物的50%以上，新疆棉花產(chǎn)量在我國(guó)棉花經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著重要地位。新疆有著適宜棉花生長(zhǎng)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(zhǎng)發(fā)育，這些條件使新疆的棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展穩(wěn)定，新疆也成為我國(guó)主要的棉花供應(yīng)地。隨著全球氣溫升高，高溫逆境已對(duì)作物產(chǎn)量造成相當(dāng)巨大的影響。有關(guān)研究表明,全球平均氣溫已經(jīng)升高近1℃,短期的極端高溫天氣出現(xiàn)頻繁，給農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育帶來(lái)極大隱患。在我國(guó)棉花種植區(qū)域在7月極端高溫時(shí)段頻繁發(fā)生，此時(shí)正值棉花開花和結(jié)鈴盛期，高溫天氣導(dǎo)致落花落果，因而降低了成鈴率和皮棉產(chǎn)量。因此，為適應(yīng)當(dāng)前和將來(lái)變暖的氣候趨勢(shì)，穩(wěn)定并提高棉花產(chǎn)量，了解棉花對(duì)高溫逆境的耐性機(jī)制，篩選耐高溫棉花種質(zhì)資源并且選育耐高溫棉花品種已是當(dāng)務(wù)之急[1]。本文對(duì)4個(gè)不同耐高溫棉花品系開花期前后高溫脅迫葉綠素的響應(yīng)進(jìn)行了比較分析，對(duì)探討棉花的高溫逆境的耐性機(jī)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(jià)值[2]。通過(guò)測(cè)定棉花開花期前后葉片的色素含量的變化，選育高溫環(huán)境下耐高溫品種，為高溫逆境棉花育種及棉花高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試品種

在新疆第一師十團(tuán)中國(guó)棉花研究所實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行大田試驗(yàn)，以生產(chǎn)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(wàn)株·667m-2，按照常規(guī)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(huán)境，并保證非處理期間處理組與對(duì)照組種植條件無(wú)差別，參照小麥進(jìn)行高溫脅迫處理類似的方法[3]，于棉花盛花期直接在試驗(yàn)田中設(shè)計(jì)增溫棚對(duì)處理組棉花進(jìn)行高溫脅迫處理。增溫棚用0.1mm厚無(wú)色透明聚乙烯塑料薄膜制成，長(zhǎng)2m，寬0.8m，高1m，并在里面放入溫度計(jì)測(cè)量溫度。在6月27日后連續(xù)30d，每天12∶00—14∶00用增溫棚遮蓋進(jìn)行高溫處理，其他時(shí)間揭開薄膜并及時(shí)透風(fēng)。

1.3 植株樣采集測(cè)定

高溫處理后，每7d摘取棉花葉片進(jìn)行葉綠素測(cè)定。對(duì)實(shí)驗(yàn)組隨機(jī)取10株進(jìn)行采樣，每一株從倒4葉開取，取上3片測(cè)量。

1.4 葉綠素含量的測(cè)定

葉綠素含量測(cè)定方法采用分光光度計(jì)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(shù)次，混合均勻直到葉片完全變?yōu)榘咨珪r(shí)，即得到葉綠素的提取液。用721-100型分光光度計(jì)分別測(cè)定在470nm、649nm和665nm下的吸光度，根據(jù)公式求出棉花的葉綠素a、葉綠素b含量。每個(gè)樣品3次重復(fù)記下每次測(cè)得的數(shù)據(jù)，結(jié)果取3次重復(fù)的平均值[5]。根據(jù)公式計(jì)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(shù)，W為葉片鮮質(zhì)量[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫處理時(shí)段溫度變化

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

圖1 處理時(shí)段溫度變化

2.2 葉綠素a含量的變化

葉綠素a是作物進(jìn)行光合作用的主要組分，可以反映作物對(duì)長(zhǎng)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(guī)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(shì)表現(xiàn)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(dá)到最大值時(shí)下降到開花后期(7月21日)最低點(diǎn)；“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(xiàn)下降趨勢(shì)，開花期到盛花期雖有上升趨勢(shì)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(diǎn)；4個(gè)時(shí)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(guī)律，2種材料葉綠素a含量均在盛花期達(dá)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(gè)時(shí)期葉綠素a含量一直下降；“新海45”葉綠素a趨勢(shì)呈現(xiàn)先下降再上升最后再下降的趨勢(shì)?？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(duì)陸地棉變化趨勢(shì)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(diǎn)。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(duì)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(bǔ)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(yáng)光的能力，是達(dá)到高產(chǎn)的前提。從圖4中2種陸地棉葉綠素b含量總體變化趨勢(shì)，陸地棉“中棉60”、“中棉92”葉片葉綠素b含量變化趨勢(shì)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(shì)大于“中棉92”，而且都處于最低值，隨后下降到盛花期趨勢(shì)相同，然后上升到最高點(diǎn)開花后期達(dá)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(zhǎng)趨勢(shì)大于“中棉60”。2種材料葉綠素b均在開花后期達(dá)到最大值，全部4個(gè)時(shí)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(duì)照組從開花前期逐漸上升，到盛花期達(dá)到最大值，然后下降到最低點(diǎn)。處理組則從開花前期到開花后期一直上升。開花前期對(duì)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(fù)相關(guān)關(guān)系，葉綠素a/b比值可以反映作物對(duì)不飽和散射弱光的吸收情況，在一定范圍內(nèi)比值越低，吸收率越高[10-12]。在一定范圍內(nèi)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(lái)進(jìn)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(duì)照組，逐漸下降到開花期，此時(shí)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(shí)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(diǎn)，此時(shí)“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(duì)照組，處理組“中棉92”在開花后期時(shí)與對(duì)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(diǎn)。處理組葉綠素含量比值大多高于對(duì)照組，在開花后期時(shí)“新海45”對(duì)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(lái)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(qiáng)度[13]，較高的葉綠素總量利于作物吸收光能，積累干物質(zhì)產(chǎn)量葉綠素是植物吸收光能進(jìn)行光合作用的色素，在一定范圍內(nèi)，光合強(qiáng)度隨其a+b含量增加而加強(qiáng),因此其是反映植物豐產(chǎn)性能的生理指標(biāo)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(zhǎng)趨勢(shì)，“中棉92”幾乎持平，盛花期時(shí)2個(gè)品種差異又縮小到不顯著，到開花后期均降到最低點(diǎn)，此時(shí)“中棉92”超過(guò)“中棉60”的葉綠素a+b含量。對(duì)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(duì)照組“新海45”先下降達(dá)到4組中最低值，然后再上升，對(duì)照組、處理組都在盛花期達(dá)到最大值，然后下降到最低點(diǎn)，對(duì)照組“新海45”達(dá)到4組最低，說(shuō)明其在開花后期葉綠素a+b含量最少。從整體來(lái)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(zhǎng)發(fā)育上最重要的化學(xué)反應(yīng),通過(guò)將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物以固定太陽(yáng)光能,滿足自身發(fā)育，被認(rèn)為是植物對(duì)各種內(nèi)外因子最敏感的生理指標(biāo)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(guò)程中承擔(dān)著光能吸收與轉(zhuǎn)化的作用，并且在環(huán)境的變化過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)葉綠體色素之間的比例關(guān)系，恰當(dāng)?shù)胤峙浜秃纳⒐饽埽ＷC光合系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[15]。隨著“溫室效應(yīng)”現(xiàn)象日益加劇,全球氣溫變暖已是科學(xué)事實(shí)，頻繁發(fā)生的高溫天氣己經(jīng)嚴(yán)重影響主要農(nóng)作物小麥和棉花等生長(zhǎng)、發(fā)育及產(chǎn)量形成。在正常條件下，葉綠體色素與蛋白質(zhì)有效結(jié)合在一起，但由于光照、低溫、高溫等環(huán)境條件的改變可使葉綠體色素變得不穩(wěn)定。因而對(duì)其含量及組成比例與逆境脅迫的關(guān)系有不少研究，多數(shù)人認(rèn)為其呈正相關(guān)關(guān)系，且光合強(qiáng)度與葉綠素含量的比值a/b有密切關(guān)系。同時(shí)葉綠素的代謝是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，高溫脅迫會(huì)打破這種平衡，造成葉綠素含量變化。通過(guò)研究不同材料葉綠素的動(dòng)態(tài)變化，試驗(yàn)結(jié)果顯示不同棉花品種之間葉綠素變化有規(guī)律可循，可以通過(guò)葉綠素含量及比值的表現(xiàn)找到育種新材料。根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，陸地棉“中棉60”更適應(yīng)高溫環(huán)境生長(zhǎng)。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(huán)境。