棉花濕害研究進(jìn)展

贠平，楊婷，張文英 （長江大學(xué)作物抗逆技術(shù)研究中心，湖北 荊州434025）

在全球自然災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀下，澇漬災(zāi)害是影響最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織和國際土壤學(xué)會(huì)估算，水分過多的土壤約占全球土壤的12%［1］。我國是澇漬災(zāi)害多發(fā)的國家，2010年以來我國28個(gè)省 （區(qū)、市）遭受洪澇災(zāi)害，農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)760萬hm［2］。建國以來，我國棉花生產(chǎn)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，棉花單產(chǎn)從1949年的160.0kg／hm2增加到2007年的1286.4kg／hm2，但濕害等自然災(zāi)害成為進(jìn)一步提高棉花單產(chǎn)的障礙。因此，圍繞棉花耐濕性開展相關(guān)研究與遺傳改良的意義重大。

1 濕害對棉花的影響

1.1 對形態(tài)、產(chǎn)量的影響

濕害對棉花的直接影響是導(dǎo)致根系缺氧，根系在低氧條件產(chǎn)生的還原性產(chǎn)物導(dǎo)致根系不發(fā)達(dá)、根毛減少、植株易倒伏［2］，從而間接影響地上部分，表現(xiàn)為葉色萎蔫轉(zhuǎn)黃，喪失熒光活性和光合作用能力［3］，最后隨著干物質(zhì)積累減少，植株死亡［4］。淹水后單株成鈴減少是濕害導(dǎo)致棉花減產(chǎn)的主要原因［5］。苗期遭遇濕害會(huì)對棉花地上部的生長 （株高、葉面積、完全展開葉片數(shù)）、棉苗葉片光合速率等抑制作用顯著［6］；蕾期遭遇濕害會(huì)造成植株葉片脫落、出葉速度減慢，蕾及幼鈴脫落，主莖紅綠比隨濕害程度的加重呈增加趨勢［7］；花鈴期遭遇濕害則會(huì)對產(chǎn)量造成影響。淹水使棉鈴和纖維發(fā)育遲緩，鈴重和衣分降低［8］。當(dāng)受澇時(shí)間相同時(shí)，地下水位回落越慢，產(chǎn)量越低；當(dāng)?shù)叵滤幌陆邓俣认嗤瑫r(shí)，產(chǎn)量隨受澇時(shí)間增加而顯著減少［9］。

1.2 對生理生化的影響

1.2.1 水分代謝

淹水條件下，土壤含水量升高造成植物根系缺氧［10～11］而影響呼吸代謝。在氧化磷酸化途徑中，由于缺乏適當(dāng)?shù)碾娮邮荏w——氧氣，導(dǎo)致氧化還原鏈飽和，NAD （P）H累積，而ATP的產(chǎn)生下降［12～14］，能量代謝受阻造成植株吸收轉(zhuǎn)運(yùn)水分和營養(yǎng)物質(zhì)的能力下降。

1.2.2 光合作用

植株遭受澇漬脅迫后，葉片的葉綠素含量、凈光合速率、可溶性糖、淀粉和總糖含量下降，從而導(dǎo)致減產(chǎn)［15］。

澇漬脅迫后植物光合速率降低的原因有不同解釋：遭遇濕害后短期內(nèi)水稻光合作用下降主要是由于CO2擴(kuò)散慢，但長時(shí)間澇漬脅迫后葉綠體固定CO2的能力下降則成為光合速率降低的主要原因。吳月燕［16］的研究表明，大氣濕度偏高可能導(dǎo)致葉片部分氣孔關(guān)閉使氣體交換受阻，二氧化碳濃度和氣孔導(dǎo)度下降，最終導(dǎo)致光合速率下降。

1.2.3 激素及生長調(diào)控

環(huán)境條件改變會(huì)引起植物內(nèi)源激素的變化從而影響植物生命活動(dòng)，如植株遭受澇漬脅迫后體內(nèi)乙烯含量升高，從而誘發(fā)大量不定根［17］。劉凱文等［3］的研究表明，棉花內(nèi)源激素對澇漬環(huán)境反應(yīng)敏感。郭文琦等［18］對花鈴期棉花淹水處理后發(fā)現(xiàn)其根系吸收能力下降，根系中可溶性蛋白質(zhì)含量顯著降低。

1.2.4 細(xì)胞膜

在澇漬脅迫下，自由基增加并襲擊膜系統(tǒng)，使生物膜中的脂質(zhì)過氧化或膜脂化，干擾生物膜上鑲嵌的多種酶的空間構(gòu)型，造成膜的空隙變化，通透性增加，離子大量外滲，細(xì)胞氧化變質(zhì)、衰老直至死亡，嚴(yán)重影響細(xì)胞正常的生理活動(dòng)［19～21］。

在澇漬脅迫條件下植株本身的抗氧化系統(tǒng)會(huì)清除多余的自由基，清除能力越強(qiáng)則基因型耐澇性越強(qiáng)［22～23］，但在長時(shí)間澇漬脅迫條件下，自由基的氧化作用會(huì)使膜脂過氧化，導(dǎo)致酶保護(hù)系統(tǒng)受到破壞［24］。

2 耐濕機(jī)理

2.1 形態(tài)適應(yīng)性

濕害首先造成植物根系傷害，因此植物對濕害的一種主要適應(yīng)方式是使細(xì)胞排列疏松，莖基變粗并在地表形成不定根，有的甚至形成紡錘狀莖基［25］。筆者在棉花苗期澇漬試驗(yàn)中觀察到棉苗莖基部 （水面附近）組織疏松出現(xiàn)膨大，這些適應(yīng)性可能與改善氧的運(yùn)輸有關(guān)［15］。此外，地上部的伸長也是一種減輕氧氣缺乏的有效方式［26，27］，即植物被水淹后，其莖、枝和葉柄等地上部分會(huì)迅速生長。還有一種方式是增加新生葉片與地平面的夾角，縮短植物葉片與水面的距離，從而改善氧氣和二氧化碳供應(yīng)，使其恢復(fù)一定的氣體交換和光合能力［2］。

此外，有些物種還會(huì)形成通氣組織，這是因?yàn)楦导捌涓浇⑸镌诘脱醐h(huán)境中促進(jìn)乙烯生成，導(dǎo)致纖維素酶等的活性增強(qiáng)，在酶的作用下，根尖皮層組織中細(xì)胞分裂或部分皮層細(xì)胞崩潰，形成根際通氣組織。這也是植物對澇漬脅迫的一種重要適應(yīng)方式［2］。研究表明，棉花澇漬處理后未發(fā)現(xiàn)通氣組織形成［28］，但參試材料較少且并未過多涉及我國材料，筆者認(rèn)為棉花在澇漬脅迫后是否會(huì)形成通氣組織有待進(jìn)一步研究。

2.2 代謝適應(yīng)性

濕害造成土壤通氣性嚴(yán)重下降形成低氧脅迫，短期淹水脅迫下植物根系的主要呼吸方式和產(chǎn)能途徑變?yōu)闊o氧呼吸［29～30］。由于植物在無氧呼吸時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，因此適應(yīng)缺氧的途徑之一是消除這些有毒物質(zhì)或?qū)τ卸疚镔|(zhì)具備耐受力，避免酸中毒等［31，32］。

3 棉花耐濕性的鑒定方法

棉花耐濕性鑒定目前并沒有統(tǒng)一的方法，但可從其他作物的相關(guān)研究中提供一些參考。Xu等［33］、Toojinda等［34］、Nandi等［35］的研究發(fā)現(xiàn)，存活率、澇脅迫植株伸長量、葉片衰老3個(gè)性狀指標(biāo)可用于確定植株的耐濕性強(qiáng)弱，因此可以考慮在棉花品種耐濕性鑒定中使用。齊曉花［36］對黃瓜品種進(jìn)行苗期淹水處理，發(fā)現(xiàn)黃瓜植株死亡率與葉綠素?fù)p失率顯著正相關(guān)。張永吉［37］在研究不結(jié)球白菜的耐濕性鑒定方法時(shí)將葉片失綠面積和失綠程度作為濕害分級(jí)指標(biāo)，用來調(diào)查濕害指數(shù)。

雖然品種的耐濕性鑒定沒有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，但筆者認(rèn)為從不同時(shí)期、不同方面 （形態(tài)學(xué)、生理生化、分子標(biāo)記等）綜合裁定也可以在一定程度上反映出品種的耐濕性強(qiáng)弱。綜合前人對其他作物耐澇性的評價(jià)，在棉花上可采用的直觀形態(tài)指標(biāo)有葉片綠色穩(wěn)定性、不定根的發(fā)育程度、存活率、恢復(fù)力、生長量、根數(shù)等，間接的指標(biāo)主要有解剖結(jié)構(gòu) （單位面積莖的氣隙百分率、橫切面發(fā)育特征）、生理生化代謝（根系泌氧力、K＋和NO－3含量、保護(hù)酶系和厭氧呼吸酶系的活性、質(zhì)膜透性、脅迫期間光合與呼吸強(qiáng)度、碳氮水平等）。但由于棉花耐澇機(jī)制復(fù)雜，單個(gè)形態(tài)、生理指標(biāo)有局限性，因此必須綜合分析形態(tài)、生長或生理代謝等方面的變化，并最終從基因水平上加以確認(rèn)，才能科學(xué)評價(jià)棉花的耐澇性［2，38］。

4 耐濕性遺傳改良

利用基因工程導(dǎo)入或增強(qiáng)一個(gè)控制多種抗逆性的轉(zhuǎn)錄因子，可以改良品種的多種抗性。因此，在棉花耐濕性遺傳改良可嘗試該方法［39］。目前在一些作物上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了耐澇性基因的導(dǎo)入和表達(dá)［40］：①導(dǎo)入活性氧清除酶類等綜合抗逆基因。將來自煙草的Mn－SODcDNA基因?qū)胲俎Ｖ?，轉(zhuǎn)基因植株葉片受到的傷害減輕2～3倍，產(chǎn)量和存活率明顯提高。②導(dǎo)入編碼氧結(jié)合蛋白的專一耐澇基因。將一種細(xì)菌的血紅蛋白基因VHb導(dǎo)入煙草，在缺氧和低氧的條件下轉(zhuǎn)基因植株比對照發(fā)芽時(shí)間減少一半，生長35d后干重增加1倍［41］。③導(dǎo)入編碼厭氧誘導(dǎo)蛋白基因Adh1和Adh2（二者不連鎖）。據(jù)研究，缺氧誘導(dǎo)的ADH是由基因Adh1和Adh2編碼的，目前已經(jīng)弄清其基因序列結(jié)構(gòu)，并在棉花等作物中得到cDNA植株。

5 討論與展望

在澇漬情況下，天氣的變化及溫濕度的變化對棉花的影響比濕害造成的影響更大，如濕害后高溫天氣的影響明顯大于作物受漬的影響［42］，筆者在棉花苗期的澇漬試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)不同溫度下棉花對澇漬的反應(yīng)速度也不同。因此，在棉花耐濕性的鑒定過程中如何做到鑒定條件穩(wěn)定且不引入其他脅迫是值得探究的問題。

目前關(guān)于棉花濕害的研究并未涉及基因組層面，棉花澇漬相關(guān)的基因尚不明確，利用基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組分析將有助于深入剖析相關(guān)分子機(jī)理。通過反向遺傳學(xué)、酵母雙雜交、正向遺傳學(xué)等技術(shù)對基因功能、基因及基因產(chǎn)物間相互關(guān)系的研究可以全面地了解植物響應(yīng)澇漬脅迫的機(jī)制和相互作用以及相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，從而為利用基因工程改良植物澇漬脅迫耐受性奠定基礎(chǔ)［43］。此外，多樣性陣列技術(shù) （diversity array technology，DArT）被認(rèn)為是目前進(jìn)行基因組分析最有效的手段之一，基于這種技術(shù)的DArT標(biāo)記已用于禾本科的耐澇基因及QTLs性狀分析［44］，在未來的研究中它有可能會(huì)用于做棉花基因和基因組序列的比較。

在小麥耐澇漬育種中極大似然法 （Restricted Maximum Likelihood，REML）被證明是行之有效的，此方法也可在棉花耐澇漬育種中使用。每個(gè)組合的總收獲量提前采取措施確認(rèn)是否可能形成新的品種［45］。使用不同的評價(jià)方法、群體或組合可能會(huì)讓研究者更詳細(xì)地了解品種的耐澇性。開展更深層次的研究應(yīng)該將已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的QTLs導(dǎo)入到目前的主流品種中通過分子標(biāo)記輔助選擇來進(jìn)行［46］。

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