張 麗，趙 巖，張晉龍，陳 義，馮加加，渠云芳，黃晉玲

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 太谷 030801)

天然彩色棉是指棉纖維成熟后具有棕、綠、黃、粉紅、藍(lán)等顏色的棉花。研究表明，棉纖維細(xì)胞發(fā)育大致經(jīng)歷細(xì)胞的分化和突起、纖維伸長(zhǎng)、次生壁加厚和脫水成熟等4個(gè)階段[1]。彩色棉的形成是棉纖維發(fā)育過(guò)程中色素物質(zhì)在中腔細(xì)胞中積累所致。利用彩色棉，既能滿(mǎn)足人們對(duì)不同棉纖維顏色的需求，同時(shí)也降低了環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。但是，由于天然彩色棉產(chǎn)量較低、品質(zhì)較差，故市場(chǎng)上商業(yè)化種植的僅有棕色棉和綠色棉[2]。華水金等[3]對(duì)棕色棉和綠色棉的產(chǎn)量性狀與白色棉進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者的單株鈴數(shù)、單鈴重及衣分較白色棉低。

光合作用是植物生長(zhǎng)、發(fā)育的基礎(chǔ)，作為光合作用的功能器官，葉片產(chǎn)生的有機(jī)物是棉株各器官發(fā)育的基礎(chǔ)，同時(shí)也是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。棉花葉片和纖維中碳水化合物含量的下降會(huì)導(dǎo)致纖維品質(zhì)降低[4]。葉綠素是植物光合作用中一類(lèi)重要的色素，葉片葉綠素含量的高低與不同時(shí)期光合作用的強(qiáng)弱有關(guān)。天然彩色棉葉片的光合色素含量比白色棉低，造成彩色棉光合產(chǎn)量比白色棉低，纖維發(fā)育所需物質(zhì)基礎(chǔ)減少，進(jìn)而影響到產(chǎn)量和品質(zhì)[5,6]。

碳水化合物的代謝受相關(guān)酶類(lèi)活性的影響，是制約纖維發(fā)育的重要因素。蔗糖磷酸合成酶能夠調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物在淀粉和蔗糖之間的轉(zhuǎn)化，促使蔗糖合成。而蔗糖合成酶在調(diào)控纖維的發(fā)育中具有重要作用，其催化蔗糖產(chǎn)生的尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphosphoglucose，UDPG)是合成纖維的直接底物。因此，兩種酶活性的強(qiáng)弱直接影響到纖維素的合成。纖維素含量的高低又與棉花纖維的產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)[7]。本研究主要以纖維顏色不同的3個(gè)棉花近等基因系為材料，探究整個(gè)生育期葉片光合生理生化指標(biāo)的變化特點(diǎn)，旨在揭示其與產(chǎn)量的關(guān)系，為棉花高產(chǎn)品種的培育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選用從三元雜種[(亞洲棉×比克氏棉)×陸地棉]中培育的3個(gè)纖維顏色不同的棉花近等基因系為材料，即綠色棉、棕色棉和白色棉。所用材料均由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花育種實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)方法

參試材料于2018年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站種植。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，處理為3個(gè)材料，3次重復(fù)，兩行區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)5 m，行距0.7 m，每行15株。2018年4月25日播種，以常規(guī)大田管理方式管理。在棉花生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期，分別于5月30日(苗期)、6月24日(蕾期)、7月22日(花鈴期)、9月30日(吐絮期)取相同部位完全展開(kāi)的功能葉(打頂之前取倒四葉，打頂之后取倒二葉)測(cè)定其光合速率及光合相關(guān)生理指標(biāo)。每個(gè)材料隨機(jī)取9株，每3株為1次重復(fù)，重復(fù)3次。

利用CI光合測(cè)定系統(tǒng)(CI-340，USA)測(cè)定凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(transpiration rates，Tr)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)。測(cè)定時(shí)光合有效輻射(photosynthetically active radiation，PAR)范圍為1 000～1 800 nm，系統(tǒng)光強(qiáng)、CO2濃度以及葉室溫度分別設(shè)置為760 μmol/(m2·s)、0.000 37%及28 ℃；葉綠素含量采用丙酮直接浸提法[8]測(cè)定；可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮法[8]測(cè)定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法[8]測(cè)定，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，參照高俊鳳[8]的方法；酶液提取、蔗糖合成酶測(cè)定分別參考Dougla等[9]和Ou-Lee等[10]的方法；蔗糖磷酸合成酶活性測(cè)定參考於新建[11]和Wardlaw等[12]的方法。

取100粒籽棉，分別稱(chēng)其籽棉與棉籽的質(zhì)量，計(jì)算籽指、衣指和衣分，設(shè)置3次重復(fù)。吐絮期，每小區(qū)收獲第5～10果枝第一、二果節(jié)吐絮正常的50個(gè)棉鈴，曬干稱(chēng)重，計(jì)算單鈴重。對(duì)標(biāo)記的9株材料，計(jì)算單株鈴數(shù)和單株籽棉產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel等軟件進(jìn)行處理，用SPSS22.0進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)定指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合作用相關(guān)生理指標(biāo)動(dòng)態(tài)分析

植物通過(guò)光合作用產(chǎn)生干物質(zhì)和能量[13]來(lái)影響其生長(zhǎng)發(fā)育。光合速率是衡量葉片對(duì)CO2同化能力的重要指標(biāo)之一；氣孔導(dǎo)度則反應(yīng)外界環(huán)境中的CO2進(jìn)入到葉綠體羧化部位的限制程度，與凈光合速率的密切程度最高[14,15]；而蒸騰速率則對(duì)氣孔導(dǎo)度的變化具有一定的影響[16]。在棉花的生育期，對(duì)綠色棉、棕色棉和白色棉的葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度進(jìn)行測(cè)定(表1)。由表1可以看出，苗期，2種彩色棉主莖功能葉片的凈光合速率均低于白色棉，但差異不顯著；蒸騰速率均極顯著高于白色棉，棕色棉的氣孔導(dǎo)度略高于白色棉。蕾期至吐絮期，2種彩色棉主莖功能葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均低于白色棉，且彩色棉與白色棉之間凈光合速率差異達(dá)到極顯著水平。彩色棉主莖功能葉片較低的凈光合速率導(dǎo)致了其合成的光合產(chǎn)物較少，不利于其產(chǎn)量的提高。

2.2 葉綠素含量動(dòng)態(tài)分析

葉綠素是植物葉綠體中一類(lèi)重要的色素，在光吸收過(guò)程中發(fā)揮核心作用，是影響光合作用強(qiáng)弱的重要因素，也是衡量葉片衰老的重要指標(biāo)[17,18]，葉綠素含量能夠反映植物光合速率的強(qiáng)弱[19]。

表1 參試材料主莖功能葉片光合生理指標(biāo)分析Tab.1 Analysis of photosynthetic physiological indexes of functional leaves of main stem of the tested materials

注：小寫(xiě)字母表示5%差異顯著水平，大寫(xiě)字母表示1%差異極顯著水平。下同

Note:Small letters represent a significant difference of 5% and capital letters represent a extremly significant difference of 1%. The same below

表2 參試材料主莖功能葉片葉綠素含量分析Tab.2 Analysis of chlorophyll content of functional leaves of main stem of the tested materials

由表2可知，除吐絮期外，其他生育期2種彩色棉主莖功能葉片葉綠素a、葉綠素b以及總?cè)~綠素含量均低于白色棉，而葉綠素a/b值均高于白色棉。彩色棉與白色棉之間葉綠素b含量差異在苗期至花鈴期達(dá)到了極顯著水平，葉綠素a與總?cè)~綠素含量差異在苗期與花鈴期達(dá)到極顯著水平，而葉綠素a/b值差異僅在蕾期達(dá)到極顯著水平。在棉花生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期，彩色棉總?cè)~綠素含量較低，而葉綠素a/b值較高，說(shuō)明彩色棉主莖功能葉片的光合作用能力較弱，不利于較多光合產(chǎn)物的合成。

2.3 碳水化合物含量動(dòng)態(tài)分析

植物葉片通過(guò)光合作用產(chǎn)生的碳水化合物可以通過(guò)一系列途徑運(yùn)輸?shù)狡渌课?，供生長(zhǎng)發(fā)育所需，主要包括糖類(lèi)、淀粉等。在纖維發(fā)育過(guò)程中，大量的碳水化合物作為能量物質(zhì)用來(lái)維持各種代謝活動(dòng)需要[20]。

棉花整個(gè)生育期，3種參試材料主莖功能葉片的可溶性糖含量均表現(xiàn)為降低-升高趨勢(shì)(表3)。除花鈴期以外，2種彩色棉主莖功能葉片可溶性糖含量均低于白色棉，其差異分別在苗期與蕾期達(dá)到極顯著水平?；ㄢ徠冢厣拗髑o功能葉片中的可溶性糖含量略高于白色棉，但差異不顯著?；ㄢ徠跒槊藁óa(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，該時(shí)期棕色棉主莖功能葉片中可溶性糖含量較高，推測(cè)其向庫(kù)器官轉(zhuǎn)運(yùn)量較少，不利于棉鈴的發(fā)育，最終導(dǎo)致其產(chǎn)量的降低。

3種參試材料主莖功能葉片中淀粉含量變化與可溶性糖含量變化趨勢(shì)相同(表3)。苗期，棕色棉主莖功能葉片中淀粉含量最高，白色棉居中；其他生育期的2種彩色棉主莖功能葉片淀粉含量均低于白色棉。淀粉是光合碳同化的初級(jí)代謝產(chǎn)物，可以為植株的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)提供能量物質(zhì)。在棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)時(shí)期(蕾期與花鈴期)，彩色棉主莖功能葉片淀粉含量較低，說(shuō)明其最初合成的光合產(chǎn)物較少，不能為彩色棉植株的生長(zhǎng)與棉鈴的發(fā)育提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而影響了其產(chǎn)量的提高。

表3 參試材料主莖功能葉片碳水化合物含量分析Tab.3 Analysis of carbohydrate content of functional leaves of main stem of the tested materials

2.4 蔗糖合成相關(guān)酶活性動(dòng)態(tài)分析

蔗糖是光合作用的主要產(chǎn)物，是碳運(yùn)輸?shù)闹饕问絒21]。蔗糖合成酶(sucrose synthetase，SuSy)與蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)是植物蔗糖代謝過(guò)程中極其關(guān)鍵的兩個(gè)酶，其活性的高低調(diào)控著光合產(chǎn)物在蔗糖代謝中的分配比例[22]。

棉花整個(gè)生育期，兩種彩色棉與白色棉主莖功能葉片的SuSy與SPS酶活性均表現(xiàn)為降低趨勢(shì)(表4)。除吐絮期外，其他生育期兩種彩色棉主莖功能葉片SuSy與SPS酶活性均極顯著低于白色棉。在棉花產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，彩色棉主莖功能葉片中SuSy與SPS酶活性較低，不利于其體內(nèi)最易運(yùn)輸?shù)奶妓衔?蔗糖的合成，從而不能為棉鈴的發(fā)育提供足夠的養(yǎng)分，最終影響了產(chǎn)量的提高。

表4 參試材料主莖功能葉片兩種蔗糖合成相關(guān)酶活性分析Tab.4 Analysis of two sucrose synthetases activity of functional leaves of main stem of the tested materials

2.5 可溶性蛋白含量動(dòng)態(tài)分析

植物葉片的可溶性蛋白中，有很多酶與植物的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，其含量的多少可以反應(yīng)葉片中光合產(chǎn)物代謝的強(qiáng)弱[23]。棉花整個(gè)生育期，參試材料主莖功能葉片中可溶性蛋白含量均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)(表5)。整個(gè)生育期，兩種彩色棉主莖功能葉片中可溶性蛋白含量均低于白色棉，且在吐絮期達(dá)到顯著水平。

表5 參試材料主莖功能葉片可溶性蛋白含量分析Tab.5 Analysis of soluble protein content of functional leaves of main stem of the tested materials

2.6 3種參試材料考種數(shù)據(jù)分析

從表6中可以看出，2種彩色棉的單株鈴數(shù)、單鈴重、衣指、衣分及單株產(chǎn)量均低于白色棉，籽指均高于白色棉。單株鈴數(shù)、單鈴重、衣分是構(gòu)成棉花產(chǎn)量的主要因素，2種彩色棉的單株鈴數(shù)、單鈴重與衣分較低，導(dǎo)致了其單株產(chǎn)量也較低。

表6 參試材料考種數(shù)據(jù)分析Tab.6 Data analysis of tested materials

2.7 光合生理指標(biāo)和產(chǎn)量相關(guān)性分析

由于花鈴期棉花葉片光合作用最強(qiáng)[24]，因此，本研究中以棉株葉片花鈴期的光合指標(biāo)為代表分析了該時(shí)期的光合特性與產(chǎn)量的相關(guān)性(表7)。結(jié)果表明:凈光合速率與單株鈴數(shù)、單鈴重、衣指及單株產(chǎn)量顯著正相關(guān)，與籽指極顯著負(fù)相關(guān)；蒸騰速率與單株鈴數(shù)、衣分及單株產(chǎn)量顯著正相關(guān)，與籽指顯著負(fù)相關(guān)；葉綠素a含量與單株產(chǎn)量極顯著正相關(guān)；葉綠素b含量與單株鈴數(shù)、衣指及單株產(chǎn)量極顯著正相關(guān)；總?cè)~綠素含量與單鈴重、單株產(chǎn)量極顯著正相關(guān)；蔗糖磷酸合成酶與單鈴重極顯著正相關(guān)，與單株產(chǎn)量顯著正相關(guān)；可溶性蛋白與單株鈴數(shù)、衣分顯著正相關(guān)，與衣指極顯著正相關(guān)。由此推測(cè)，較高的葉片凈光合速率、葉綠素含量及蔗糖磷酸合成酶活性，有利于棉花產(chǎn)量的提高。

表7 各項(xiàng)指標(biāo)與產(chǎn)量相關(guān)性分析Tab.7 Correlation analysis of various indicators at flowering boll stage with yield indicators

注：*表示在5%水平上差異顯著;**表示1%水平上差異極顯著

Note:*Indicatesa significant difference at 5% level;** indicates extremely significant difference at 1% level

3 討論

作物產(chǎn)量與光合速率呈顯著正相關(guān)[25]，較大的凈光合速率有利于干物質(zhì)的積累和最終產(chǎn)量的形成[26]，是作物高產(chǎn)的重要生理基礎(chǔ)。單株鈴數(shù)和單鈴重是構(gòu)成棉花產(chǎn)量的主要因素，本研究結(jié)果表明，參試材料主莖功能葉片凈光合速率與單株鈴數(shù)、單鈴重及單株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。在棉花整個(gè)生育期，2種彩色棉主莖功能葉片凈光合速率均低于白色棉，導(dǎo)致光合作用合成的光合產(chǎn)物比較少，從而影響其單株結(jié)鈴數(shù)和鈴重，使得產(chǎn)量較低。由此可以推測(cè)，彩色棉主莖功能葉片中較低的凈光合速率是導(dǎo)致其產(chǎn)量較低的原因之一。

葉綠素是最重要的光合色素，它的含量直接影響光合作用強(qiáng)度。在本研究中，除吐絮期外，其他生育期2種彩色棉主莖功能葉片的葉綠素a、葉綠素b以及總?cè)~綠素含量均低于白色棉，而葉綠素a/b值均高于白色棉。這表明葉綠素含量大小與凈光合速率成正比，而葉綠素a/b值的變化與凈光合速率成反比。

棉纖維的形成和積累過(guò)程受多種酶的調(diào)控，纖維素是棉纖維的主要成分。植物纖維素合成的底物是UDPG，在蔗糖合成酶的作用下，以蔗糖和UDP(uridine diphosphate，UDP)作為原料合成UDPG。SuSy酶在對(duì)纖維素合成提供底物UDPG方面起重要的作用，并且有利于增強(qiáng)纖維素合成酶的作用[27]。蔗糖磷酸合成酶是蔗糖進(jìn)入各種代謝途徑的關(guān)鍵酶之一，其主要作用是在光合細(xì)胞中促使蔗糖的合成，調(diào)節(jié)葉片中光合產(chǎn)物在淀粉和蔗糖之間的轉(zhuǎn)化與分配。蔗糖磷酸合成酶活性越高，合成的蔗糖就越多[28]，植物中蔗糖磷酸合成酶活性的高低反映了合成蔗糖的能力[29]。Pillonel等[30]發(fā)現(xiàn)，UDPG是纖維細(xì)胞合成纖維素最好的底物，蔗糖則是棉纖維次生壁合成最好的底物。因此，蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性與棉纖維的合成與積累密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明:蔗糖磷酸合成酶活性與單鈴重呈極顯著正相關(guān)，與單株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，較高的蔗糖磷酸合成酶活性，能促進(jìn)纖維素等物質(zhì)的積累，從而促進(jìn)纖維的生長(zhǎng)；除吐絮期外，兩種彩色棉葉片中，蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶活性均低于白色棉，彩色棉單株鈴數(shù)與單鈴重均比白色棉低。由此推測(cè)，棉花生育關(guān)鍵期，彩色棉主莖功能葉片中低活性的蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶，阻礙了纖維的形成，是導(dǎo)致其產(chǎn)量較低的原因。