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。

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