蕾期低溫脅迫對棉花生長發(fā)育的影響

鐘信念，梁其干，徐建偉，徐蒙可，唐鎧秀，李志博

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】低溫是影響植物生長和分布的自然災(zāi)害的因素之一[1]。棉花屬錦葵科棉屬植物，原產(chǎn)于亞熱帶，喜溫好光，但也容易受到低溫冷害的影響[2]。低溫冷害不僅常發(fā)生在棉花播種期和收獲期，也會發(fā)生在棉花開花結(jié)蕾期[2]。低溫脅迫對植物生理活動會產(chǎn)生不利影響[3]。一些棉花品種在日平均生長溫度低于15℃時就會對棉花生長發(fā)育造成一定影響，因此，研究棉花抗低溫冷害具有重要意義[4]，也對保持棉花可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】棉花在經(jīng)過低溫冷害后缺苗導(dǎo)致斷壟，生育期大大縮短，籽棉產(chǎn)量大幅下降，原棉品質(zhì)變差，導(dǎo)致棉花光合作用發(fā)生變化，體內(nèi)相關(guān)酶活性受到影響等[6]。低溫脅迫對植物膜系統(tǒng)的最初影響表現(xiàn)在生物膜類脂分子相變[7]，細(xì)胞膜因受到傷害而滲透性增大，使細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)等可溶性物質(zhì)外滲，引發(fā)植物體內(nèi)一系列新陳代謝失調(diào)[8]。隨后細(xì)胞中酶系統(tǒng)受到破壞，蛋白質(zhì)變性，酶活力降低甚至喪失，造成原有協(xié)調(diào)代謝過程不能正常進(jìn)行[9]。低溫弱光降低了植物葉綠素含量，光合作用碳同化的關(guān)鍵酶RuBP(Ribulosebisphosphate)羧化酶活性顯著下降，減緩淀粉等的運輸，造成對光合作用的反抑制，顯著降低了凈光合速率[10]?！颈狙芯壳腥朦c】【擬解決的關(guān)鍵問題】選用3個陸地棉品種，設(shè)置輕度、中度和重度3個低溫梯度，測定生理指標(biāo)，研究低溫脅迫下不同品種在蕾期株高、現(xiàn)蕾數(shù)、果枝數(shù)、單蕾重等農(nóng)藝性狀(生理指標(biāo))等各項指標(biāo)的變化。采用人工控溫、控光等條件的方法，分析3個低溫梯度低溫脅迫對棉花蕾期生長的影響，為棉花蕾期遭遇逆境條件進(jìn)行溫度調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為3個新疆北疆不同年代具有代表性的陸地棉主栽品種新陸早10號、新陸早36號和新陸早61號，棉花種子均由新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室棉花育種室提供。于新疆石河子市石河子大學(xué)綠洲生態(tài)實驗室購置人工智能氣候箱中進(jìn)行。

選用大小相同的新發(fā)芽盒，3個品種各挑選300粒飽滿健康且經(jīng)過硫酸脫絨洗凈的新陸早10號、新陸早36號和新陸早61號棉籽作為材料，用0.4%的高錳酸鉀溶液對種子消毒，消毒時間為10～15 min，用蒸餾水將表面殘留的高錳酸鉀溶液沖洗3～4次，沖洗后放于經(jīng)75%酒精消毒的燒杯中備用。再放置于墊有干凈濾紙(防止種子根部穿過紗布網(wǎng)眼)及紗布的發(fā)芽盒中，用56℃溫水泡種20～25 min(加快萌發(fā))，每個發(fā)芽盒放40粒種子置于加有足以潤濕發(fā)芽床的少量水，放入28℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)，觀察種子發(fā)芽長勢，當(dāng)芽長1 cm時取出種入花盆。

1.2 方 法

1.2.1 棉苗培養(yǎng)及處理

采用室內(nèi)人工氣候箱盆栽法培養(yǎng)棉花幼苗，選取盆徑320×250(mm)，高為16 cm的花盆進(jìn)行播種育苗。培養(yǎng)土為花卉市場采購，采用花土與蛭石以4∶1的比例混配后作為基土栽培種植。每盆保苗4株,株距10 cm，每個品種設(shè)4盆作為重復(fù)(3盆處理、1盆對照)。共計12個處理(3個CK，9個Tr)，重復(fù)3次。出苗后每盆保留4棵長勢一致的棉苗繼續(xù)生長，每3 d澆灌適宜的水肥。

前期培養(yǎng)光照強度設(shè)置為50 000 xl、晝夜溫度為28℃/20℃、光周期16 h、濕度為60%；待材料長至初始現(xiàn)蕾期時，將長勢一致的材料放入人工智能氣候箱內(nèi)低溫處理培養(yǎng)。試驗條件濕度均設(shè)置為60%，低溫條件分別設(shè)置為①光照強度20 000 xl(光照強度根據(jù)低溫強度設(shè)置設(shè)置相應(yīng)的弱光調(diào)節(jié))晝夜溫度20℃/15℃(白天20℃晚上15℃)光周期16 h、②光照強度15 000 xl晝夜溫度15℃/10℃光周期16 h、③光照強度10 000 xl晝夜溫度10℃/5℃光周期16 h 3個低溫梯度處理。

對照組設(shè)置光照強度為50 000 xl、晝夜溫度28℃/20℃光周期16 h處理，于材料現(xiàn)蕾期開始給予低溫脅迫至初花期，期間每處理5 d后選取每株的倒4葉進(jìn)行各項生理指標(biāo)的測定。去掉一個最高和最低測定值,取其余的平均值作為相應(yīng)測定值。

1.2.2 生理指標(biāo)、相對生理指標(biāo)測量計算

測定株高、葉面積、蕾數(shù)、單蕾重、果枝數(shù)等生長發(fā)育指標(biāo)。每處理5 d后，測定各材料植株株高、現(xiàn)蕾數(shù)、果枝數(shù)、單蕾數(shù)、葉面積等生長發(fā)育指標(biāo)(生理指標(biāo))計數(shù)等。株高采用形態(tài)測量法用軟尺測定，植株主莖高度以子葉節(jié)到生長點的高度為準(zhǔn)(作圖株高采用比值法得出)；葉面積采用LI光電式葉面積儀對所選材料葉片掃描測定其面積；采用人工統(tǒng)計(現(xiàn)蕾數(shù)、果枝數(shù))。果枝數(shù)和現(xiàn)蕾數(shù)取原始數(shù)據(jù)，相對株高增長值取比值(0 d皆取值為1，第5 d組數(shù)據(jù)為CK與Tr的第5 d數(shù)據(jù)減去第0 d數(shù)據(jù)之間的比值，依次類推分別得出5、10、15 d。)葉面積采用差值的方法取值統(tǒng)計(CK與Tr各取平均值后將第15 d組數(shù)據(jù)減去第0 d數(shù)據(jù)之間的比值得出)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 26.0統(tǒng)計分析軟件處理試驗中所有數(shù)據(jù)，P<0.05表示差異顯著,應(yīng)用Excel 2019、origin2020等畫圖軟件綜合分析作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕾期輕度、中度、重度低溫脅迫對相對株高值的影響

研究表明，隨著低溫脅迫程度的加重,低溫對株高的影響越大, 當(dāng)?shù)蜏孛{迫溫度高于15℃時新陸早10號的相對株高增長值下降的幅度較新陸早36號、新陸早61號趨勢小。當(dāng)?shù)蜏孛{迫溫度低于15℃時新陸早36號相對于新陸早10號、新陸早61號下降的幅度小。且同一個低溫下，隨著低溫脅迫時間的延長，相對株高增長值下降加大；且同一個處理時間段內(nèi)(15 d)，低溫脅迫越大，相對株高增長值受到的影響越大。圖1

圖1 低溫脅迫下棉花株高變化

2.2 蕾期輕度、中度、重度低溫脅迫對棉花現(xiàn)蕾數(shù)的影響

研究表明，低溫脅迫下單株結(jié)蕾數(shù)的變化比較明顯。3個品系的總現(xiàn)蕾數(shù)都隨著低溫脅迫程度加重及脅迫時間延長而顯著減少。低溫脅迫對新陸早36號的現(xiàn)蕾數(shù)影響比較明顯，3個品系直接減少幅度差異不大。脅迫處理前5 d，現(xiàn)蕾數(shù)變化趨勢不明顯，5 d以后，CK與T1和T2處理間現(xiàn)蕾數(shù)變化趨勢差異明顯；低溫脅迫15 d時，CK現(xiàn)蕾數(shù)遠(yuǎn)高于T1和T2處理。

相對耐低溫較好的棉花品種在脅迫發(fā)生時的花蕾脫落率比不耐低溫品種高，低溫脅迫導(dǎo)致棉花單蕾重明顯下降。低溫脅迫對現(xiàn)蕾數(shù)的影響大小表現(xiàn)為新陸早61號>新陸早10號>新陸早36號。在低溫脅迫下，新陸早36號表現(xiàn)出更穩(wěn)定的耐低溫特性。圖2

圖2 低溫脅迫下棉花蕾數(shù)變化

2.3 中度蕾期低溫脅迫對果枝數(shù)的影響

研究表明，在低溫處理下，新陸早36號表現(xiàn)出更穩(wěn)定的特性。3個品系在果枝數(shù)都出現(xiàn)了小幅下降，新陸早61號下降幅度相對較大。15℃以上的低溫脅迫對新陸早10號棉花的果枝數(shù)的影響不大，而對新陸早61號和新陸早36號的果枝數(shù)略有影響，而低于15℃的低溫脅迫的新陸早36號相比于新陸早61號和新陸早10號耐冷性更好。圖3

圖3 低溫脅迫下棉花果枝數(shù)變化

2.4 中度蕾期低溫脅迫對單蕾重的影響

研究表明，3個品種的蕾重在低溫脅迫后均顯著降低，新陸早10號蕾重減少約0.55 g、新陸早36號蕾重減少約0.13 g、新陸早61號減少約0.38 g。低溫脅迫對單蕾重的影響表現(xiàn)為新陸早10號>新陸早61號>新陸早36號，且表現(xiàn)為CK>T1處理>T2處理。低溫脅迫加重棉花蕾脫落率，現(xiàn)蕾率呈顯著下降趨勢，其中T2處理影響最嚴(yán)重。圖4

圖4 低溫脅迫下棉花單蕾重變化

2.5 蕾期低溫脅迫對葉面積的影響

研究表明，經(jīng)過10℃/5℃低溫條件下處理5 d后，新陸早61號和新陸早36號葉片出現(xiàn)了暫時性萎蔫現(xiàn)象，葉片輕度下垂；持續(xù)10 d后植株停止生長，第15 d時，新陸早61號和新陸早10號所有葉片嚴(yán)重失水萎蔫，再置于常溫下不能恢復(fù)，葉柄彎曲、脫水并出現(xiàn)大面積脫水斑塊，萎縮程度較為嚴(yán)重，個別植株接近死亡狀態(tài)；相同溫度脅迫條件下相比，新陸早36號葉片出現(xiàn)脫水斑塊程度小于新陸早61號和新陸早10號，從低溫脅迫對棉花的表型影響看，在同等條件下新陸早36號較新陸早61號和新陸早10號有更強的抗低溫脅迫性。圖5

圖5 低溫脅迫處理下棉花葉面積變化

2.6 蕾期低溫脅迫對表型的影響

研究表明，經(jīng)過10℃/5℃低溫條件下處理5 d后，新陸早61號和新陸早36號葉片出現(xiàn)了暫時性萎蔫現(xiàn)象，葉片輕度下垂；持續(xù)10 d后植株停止生長，第15 d時，新陸早61號和新陸早10號所有葉片嚴(yán)重失水萎蔫，再置于常溫下不能恢復(fù)，葉柄彎曲、脫水并出現(xiàn)大面積脫水斑塊，萎縮程度較為嚴(yán)重，個別植株接近死亡狀態(tài)；相同溫度脅迫條件下相比，新陸早36號葉片出現(xiàn)脫水斑塊程度小于新陸早61號和新陸早10號，從低溫脅迫對棉花的表型影響看，在同等條件下新陸早36號較新陸早61號和新陸早10號有更強的抗低溫脅迫性。

在同等條件下新陸早36號較新陸早61號和新陸早10號有更強的抗低溫脅迫性。圖6

圖6 低溫脅迫處理15 d下棉花表型變化

3 討 論

3.1 低溫脅迫對植株營養(yǎng)生長的影響

春季低溫災(zāi)害嚴(yán)重影響小麥的生長發(fā)育，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，明顯制約和威脅了小麥的安全生產(chǎn)[11]。植株在脅迫處理下，生長量相對減少，同化物積累的減少限制了植株的形態(tài)建成；低溫脅迫影響了植株根系的生長，干物質(zhì)積累比對照下降較多，影響植株的形態(tài)發(fā)育[12]。低溫弱光使棉花的主莖高度和葉面積擴(kuò)展減緩, 且擴(kuò)展減緩主要是葉片伸長受抑制的結(jié)果[13]。

研究中，中度低溫、重度低溫脅迫對棉花蕾期植株最直觀的影響表現(xiàn)在植株的外部形態(tài)上，同大多數(shù)作物一樣，蕾期植株在重度低溫脅迫時，葉片萎蔫、黃化，植株出現(xiàn)早衰癥狀甚至脫水干死脫落。研究表明，對于蕾期棉花20℃以下(尤其15℃以下)低溫脅迫對蕾期棉花植株生長的影響涉及多個生發(fā)發(fā)育指標(biāo)(包括株高等)，研究結(jié)果與前人類似研究結(jié)果一致。

3.2 低溫脅迫對植株生殖生長的影響

低溫凍害下小麥源受損光合速率降低導(dǎo)致總生物量下降，重度凍害使得小麥莖稈損傷阻礙“流”的運輸，源流的受抑最終導(dǎo)致小麥產(chǎn)量下降[11]。單株現(xiàn)蕾個數(shù)和單蕾重下降是造成產(chǎn)量降低的主要原因。研究蕾期低溫脅迫對單蕾重及現(xiàn)蕾數(shù)的影響結(jié)果與前人相關(guān)研究結(jié)論相符。低溫脅迫下株高、單株結(jié)蕾數(shù)、單蕾重的變化比較明顯，3個品種的單蕾重在低溫脅迫下均顯著降低,3個品種果枝數(shù)、葉面積變化不太明顯。低溫脅迫不僅抑制了蕾期棉花植株的營養(yǎng)生長還抑制了生殖生長。

3.3 低溫脅迫對不同品種的影響

低溫弱光對植物的影響不僅取決于脅迫的程度, 還和植物的品種類型有關(guān)[13]。選取新疆北疆棉區(qū)的主栽棉花品種來研究低溫弱光的影響,但沒有涉及不同棉花品種間的低溫弱光脅迫差異[13]。試驗分別對3個不同棉花品種間進(jìn)行低溫脅迫，研究不同棉花品種對低溫脅迫響應(yīng)的差異。新陸早36號相比對照組株高、葉面積下降較少,而新陸早61號、新陸早10號相比于對照組下降較為顯著，此變化可能與所選品系有關(guān)。

3.4 不同低溫脅迫強度對植株的影響

在相同持續(xù)時間不同低溫脅迫下，棉苗的莖粗、側(cè)根數(shù)、葉面積均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)隨著溫度的降低，胞膜的透性增加，光合作用變?nèi)鮗4]低溫寡照脅迫下，番茄現(xiàn)蕾和開花速度明顯減慢，且脅迫程度越強增長速度越慢[14]。研究對蕾期低溫脅迫對棉花生長發(fā)育的影響的試驗研究共設(shè)置了12組；試驗中在重度低溫脅迫T3(10℃/5℃)下，新陸早61號、新陸早10號和新陸早36號的單株現(xiàn)蕾數(shù)、蕾重均顯著低于T1(20℃/15℃)和T2(15℃/10℃)，在相同持續(xù)時間不同低溫脅迫下，溫度越低，對蕾期植株生長發(fā)育的影響越明顯。

3.5 不同低溫脅迫持續(xù)期長對植株的影響

在同一溫度下，隨著處理時間的增加棉花幼苗的莖粗變細(xì)、葉面積變小、棉苗的干物重積累量降低[4]。研究結(jié)果表明，低溫脅迫15 d對植株生長發(fā)育指標(biāo)的影響大于10 d大于5 d。研究中蕾期棉花在重度低溫脅迫條件下處理15 d后，植株各項生理指標(biāo)均顯著低于輕度和中度，相同低溫度值處理下，低溫處理的時間持續(xù)越長，對蕾期棉花生長的抑制作用越明顯。與前人研究結(jié)果一致，低溫持續(xù)時間的延長對蕾期棉花植株的生物學(xué)產(chǎn)量及抑制程度也進(jìn)一步加劇。

3.6 低溫脅迫強度和低溫脅迫持續(xù)期對植株的影響

棉花苗期生長受到低溫強度和低溫持續(xù)期2個因素的互作影響，在其互作過程中低溫持續(xù)時間為主要因素[15]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脅迫溫度為15℃以上且脅迫時長為5 d內(nèi)時，低溫持續(xù)時間為主要因素；15℃以下時低溫強度為主要因素。實驗研究發(fā)現(xiàn)，10℃/5℃的低溫脅迫條件已經(jīng)嚴(yán)重影響了蕾期棉花植株的生長。通過研究結(jié)果得出的栽培經(jīng)驗，低于20℃的低溫對棉花的生長發(fā)育會產(chǎn)生影響。在設(shè)施栽培中，當(dāng)?shù)蜏靥鞖獬霈F(xiàn)時，應(yīng)該充分利用設(shè)施具有的可調(diào)控環(huán)境因子的功能，注意保溫并采取加熱增溫等手段，盡可能的滿足蕾期棉花植株正常生長所需的溫度條件，防止20℃以下低溫出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

當(dāng)?shù)蜏孛{迫溫度低于15℃時新陸早36號相比于新陸早61號和新陸早10號耐低溫性更好。材料中耐低溫性較弱品種的株高、單株果枝數(shù)、單株現(xiàn)蕾數(shù)、單蕾重下降幅度明顯。15℃以上低溫脅迫對新陸早10號棉花的現(xiàn)蕾數(shù)影響不大，而對新陸早61號和新陸早36號現(xiàn)蕾數(shù)略有影響，而出現(xiàn)低于15℃的低溫脅迫時，新陸早36號相比于新陸早61號和新陸早10號耐冷性更好。低溫脅迫后植株下降較為明顯的農(nóng)藝性狀有株高、單株現(xiàn)蕾數(shù)、單蕾重等，可以作為耐低溫育種中耐低溫鑒定的參考指標(biāo)。蕾期棉花在重度低溫脅迫條件下處理10 d后，植株各項生理指標(biāo)均顯著低于輕度和中度，脅迫溫度越低，對蕾期棉花生長的抑制作用越明顯，且相同低溫度值處理下，低溫處理的時間持續(xù)越長，對蕾期棉花生長的抑制作用越明顯。蕾期棉花遭遇低溫脅迫時其生長發(fā)育均受到不同程度影響，新陸早36號表現(xiàn)出更穩(wěn)定的耐低溫性可能是通過抑制自身植株的生殖生長，來增強植株的耐寒性。