短季棉花芽分化及分化進(jìn)程中的生理特性研究

鄧永勝 高利英 韓宗福 孔凡金 申貴芳 段冰 王宗文 王景會 李汝忠

摘要：以短季棉品種魯棉研19號和常規(guī)棉品種魯棉研28號為材料，研究分析了短季棉品種與常規(guī)棉品種花芽分化進(jìn)程的差異及花芽分化進(jìn)程中的內(nèi)源激素水平與碳氮代謝差異。結(jié)果表明，較早的花芽分化起始和更快的花芽分化進(jìn)程是短季棉早熟性形成的形態(tài)基礎(chǔ)，而花芽分化前期較高的碳氮比值和更高的GA3、ABA含量及GA3/IAA、ABA/IAA比值，是短季棉能更早地起始花芽分化和更快地完成花芽分化的生理基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：短季棉;早熟性;花芽分化;生理特性

中圖分類號：S562.01文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2018）12-0020-06

短季棉（又稱夏棉）是指生育期相對較短的一種棉花品種類型。一般情況下其全生育期比春棉品種短一個月左右，播種期可推遲30～40天。在我國黃河流域棉區(qū)通常主要用于5月中、下旬麥田小壟套種，或瓜、蒜、菜等茬口直播種植，在長江流域棉區(qū)主要用于麥（油）后移栽或麥（油）后直播種植。由于短季棉品種生育期短、經(jīng)濟系數(shù)高，對于我國黃河、長江流域棉區(qū)提高復(fù)種指數(shù)、增加單位面積經(jīng)濟效益，具有重要意義和作用[1]。李汝忠等[2]研究表明，短季棉生育期短主要是由于播種至開花所需時間短而致。葛逢珠等[3]研究表明，同一短季棉品種在不同年際間各生育階段和全生育期長短有很大差別，但所需積溫基本一致，生育進(jìn)程的快慢主要取決于積溫。表明短季棉品種完成各生育階段需要的積溫相對較少，能更快地完成由營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)變。

棉花為無限生長作物，營養(yǎng)生長與生殖生長并進(jìn)時間長，生產(chǎn)上通常將現(xiàn)蕾作為棉花生殖生長的起始點，但實際上棉花的生殖生長是從花芽分化開始的。李威[4]研究發(fā)現(xiàn)短季棉品種花芽分化起始期早于春棉品種，但前人對短季棉早熟性的研究多集中在與早熟性相關(guān)的農(nóng)藝性狀、與早熟相關(guān)基因的QTL定位及表達(dá)譜分析上，尚缺少對短季棉花芽分化特征等的研究。本研究旨在通過對短季棉與常規(guī)棉品種花芽分化進(jìn)程差異及分化進(jìn)程中生理代謝特征的比較，解析短季棉早蕾早花的成因，以期為短季棉育種提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?材料

短季棉和春棉品種分別選用山東棉花研究中心選育的魯棉研19號和魯棉研28號，由育種人提供育種家種子。

1.2?試驗方法

1.2.1?育苗與取樣?試驗于2016—2017年在山東棉花研究中心農(nóng)業(yè)部黃淮海棉花遺傳改良與栽培生理重點實驗室（濟南）進(jìn)行。魯棉研19號和魯棉研28號同時播于育苗盤中，后將育苗盤置于可精確控制溫度、光照、濕度的人工氣候室（白天30℃，晚上25℃）中。從2片真葉展平起，連續(xù)取兩品種后續(xù)葉片展開時莖尖組織，每葉齡取樣3份，直至現(xiàn)蕾，所取莖尖立即用FAA 固定液固定，用于石蠟切片。同時從2片真葉展平起，連續(xù)取兩品種后續(xù)葉片展開時頂端2葉片，液氮速凍后-80℃凍存，用于激素及生理指標(biāo)測定。同時觀察記載棉苗的生長表現(xiàn)。

為觀察播種后兩品種花芽分化進(jìn)程的差異，從播種后15天開始每隔3天隨機取一次樣（不考慮真葉展平數(shù)目），共取10次，每次分別取8個樣品，同上法固定用于制作石蠟切片。

1.2.2?石蠟切片制作與觀察?石蠟切片的制作參照林加涵[5]的方法，經(jīng)固定—脫水—透明—浸蠟包埋—切片粘片—脫蠟—復(fù)水—蘇木精染色—封片后OLYMPUS顯微鏡觀察拍照。切片厚度為8 μm。

1.2.3?內(nèi)源激素含量與生理指標(biāo)測定?激素含量用高效液相色譜法測定。HPLC液相條件：Agilent 1100高效液相色譜儀，Kromasil C18反相色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）。流動相的配制：量取600 mL超純水，加入6 mL乙酸混勻溶解，加入400 mL甲醇混勻。方法：設(shè)置進(jìn)樣量10 μL，流速0.8 mL/min，柱溫30℃，走樣時間為45 min，紫外波長254 nm。

可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定;全氮指標(biāo)通過硫酸消解—凱氏定氮法測定;全碳含量利用重鉻酸鉀容量法測定。

1.3?數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?魯棉研19號、魯棉研28號現(xiàn)蕾前生長表現(xiàn)

魯棉研19號出苗好，取樣初期（2～3片真葉）株高較魯棉研28號高。后者出苗勢一般，但植株生長穩(wěn)健，4片真葉后株高反超魯棉研19號（表1）。魯棉研19號7片真葉現(xiàn)蕾，魯棉研28號8片真葉現(xiàn)蕾，相差1葉齡（約5天）。魯棉研19號整體長勢弱于魯棉研28號。

2.2?魯棉研19號、魯棉研28號花芽分化進(jìn)程差異

植物花芽分化過程大致可分為6個階段，即：分化初期、花蕾分化期、萼片分化期、花瓣分化期、雄蕊分化期和雌蕊分化期[6]。本研究參照這6個階段劃分兩品種花芽分化進(jìn)程。

2片真葉期，魯棉研19號生長錐頂端分生組織細(xì)胞個體較小、排列緊密，細(xì)胞核大，染色較深，而下部的芽基組織細(xì)胞較大、核較小，排列疏松，不規(guī)則，苞片基部外側(cè)略向外凸出，染色略深，表明此時魯棉研19號花原基已經(jīng)形成，開始花芽分化。而此時魯棉研28號未觀察到明顯的花芽分化起始表現(xiàn)，直到3片真葉展平時才起始花芽分化。

4葉期魯棉研19號已經(jīng)分化出花瓣原基，其側(cè)芽已分化出萼片;魯棉研28號此時剛分化出萼片原基，處于萼片分化期。

6葉期魯棉研19號已經(jīng)形成完整花的結(jié)構(gòu)，雄蕊、雌蕊均已完成分化，清晰可見，進(jìn)入現(xiàn)蕾期;而魯棉研28號此時仍然處于花蕊分化過程中。

不同葉齡花芽分化觀察結(jié)果顯示，魯棉研19號不僅花芽分化起始期早于魯棉研28號，花芽分化進(jìn)程也顯著快于后者，表現(xiàn)為短季棉品種單花發(fā)育進(jìn)程快、花原基發(fā)育縱橫向間隔短、現(xiàn)蕾快。

隨播種后進(jìn)程兩品種花芽分化差異結(jié)果見表2。可見同品種每次取樣的8個樣品所處的花芽分化階段并不完全一致，但所有批次樣品中魯棉研19號處于更快花芽分化進(jìn)程的樣品數(shù)均多于魯棉研28號，表明魯棉研19號花芽分化進(jìn)程快于后者，這與依據(jù)葉齡數(shù)石蠟切片對兩品種所處花芽分化階段的觀察結(jié)果相吻合。

2.3?魯棉研19號、魯棉研28號花芽分化進(jìn)程中的碳氮代謝差異

花芽分化開始后，兩品種植株內(nèi)可溶性糖含量迅速下降，魯棉研19號較魯棉研28號下降更為迅速，并在4片真葉期達(dá)最低點，后者則在5片真葉期達(dá)最低點。

花芽分化前期，魯棉研28號全氮、全碳相對含量均略高于魯棉研19號。全氮相對含量兩品種都在4葉期達(dá)到最低值;全碳相對含量魯棉研19號下降更快，在3葉期達(dá)到最低值，魯棉研28號下降則較為平緩，在4葉期達(dá)到最低值，但此時相對含量較魯棉研19號最低值仍高1.7個百分點。

植物體內(nèi)糖類含量與含氮化合物的比例（C/N）是決定植物從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長的重要因素。魯棉研19號與魯棉研28號碳氮比值變化趨勢基本一致，均在4葉期達(dá)到最大值，但在花芽分化前期魯棉研19號碳氮比值高于魯棉研28號。

2.4?魯棉研19號、魯棉28號花芽分化進(jìn)程中的激素變化差異

兩品種從兩片真葉始至現(xiàn)蕾期IAA、GA3、ABA含量變化情況。從花芽分化起始到完成花芽分化過程，魯棉研19號GA3含量始終高于魯棉研28號。IAA含量魯棉研19號2～3葉期短暫下降，之后迅速升高（3～4葉期），升高階段早于魯棉研28號（4～5葉期）;魯棉研28號在5葉期IAA含量達(dá)到峰值，此時含量為魯棉研19號峰值（4葉期）的1.3倍。兩品種花芽分化進(jìn)程中ABA含量變化曲線較為相似，但魯棉研19號不論是ABA含量迅速上升階段還是峰值時期均早于魯棉研28號一個葉齡。

對不同激素間相互關(guān)系比較發(fā)現(xiàn)，GA3/IAA在花芽分化初期（2～3葉期）魯棉研19號高于魯棉研28號，谷值魯棉研19號出現(xiàn)在4葉期，后者出現(xiàn)在5葉期。ABA/IAA變化趨勢及峰值時間與ABA含量變化一致。

3?討論

棉花的早熟性受諸多生育、形態(tài)性狀，如棉株生長發(fā)育速度、品種各生育期（苗期、蕾期、鈴期）長短、植株形態(tài)（株高、第一果枝節(jié)位高低和果枝、果節(jié)的節(jié)間長短）以及開花、吐絮速率等所制約，是一個較為復(fù)雜的綜合性狀[7]。短季棉品種短生育期是出苗到現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾到開花、開花到吐絮等各生育階段綜合作用的結(jié)果[8]?；ㄑ糠只侵参镉扇~芽生理組織狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛ㄑ可斫M織狀態(tài)，然后再發(fā)育成花器官原基雛形的過程，是植物進(jìn)入生殖階段的起點。花芽分化進(jìn)程影響著蕾期、花期及第一果枝節(jié)位高低和果節(jié)節(jié)間的長短。本研究結(jié)果表明，短季棉品種魯棉研19號不僅花芽分化起始期早于常規(guī)春棉品種魯棉研28號，其花芽分化進(jìn)程也顯著快于魯棉研28號。這與兩類品種的田間表現(xiàn)相吻合，即短季棉品種同一果枝不同節(jié)位開花時間間隔較短，甚至出現(xiàn)第一、二果枝第一果節(jié)同一天開花的情況，這在常規(guī)棉中極少出現(xiàn)，說明較早的花芽分化起始和較快的花芽分化進(jìn)程是形成短季棉早蕾早花的重要因素，是短季棉早熟性形成的形態(tài)基礎(chǔ)。

前人研究表明，花芽誘導(dǎo)及形態(tài)分化過程中，花芽的形態(tài)建成需要消耗更多的可溶性糖，葉片中大量的含氮化合物也需要分解后轉(zhuǎn)移到幼嫩組織中為花芽的形成做準(zhǔn)備[9]。在本研究中，花芽分化開始后，魯棉研19號葉片內(nèi)可溶性糖含量較魯棉研28號下降更為迅速，這是魯棉研19號更快花芽分化進(jìn)程的代謝表現(xiàn)。Klebs提出了碳氮比（C/N）學(xué)說，認(rèn)為當(dāng)植物體內(nèi)C/N值高時，有利于生殖體的形成，促進(jìn)開花;反之，有利于營養(yǎng)生長，延遲開花[10]。本研究結(jié)果顯示，花芽分化前期魯棉研19號碳氮比值高于魯棉研28號，這可能是魯棉研19號花芽分化進(jìn)程更快的原因之一。

赤霉素作為一種重要的植物激素，對開花時間的調(diào)節(jié)是其重要功能之一。任桂杰等[11]研究發(fā)現(xiàn)高GA3含量有利于棉花花芽分化。本研究魯棉研19號在整個花芽分化過程中GA3含量始終高于魯棉研28號，與任桂杰等的研究結(jié)果相吻合。關(guān)于IAA在成花中的作用，一直是一個有爭議的問題。本研究發(fā)現(xiàn)，在花芽分化初期，魯棉研19號和魯棉研28號IAA含量均相對較低，之后迅速升高，且魯棉研28號表現(xiàn)出更高的IAA含量峰值，這可能由于此時正處于棉苗快速發(fā)育階段，葉片需要大量合成IAA以維持莖尖生長點的快速生長。ABA在花芽分化不同階段有不同的作用，在誘導(dǎo)期促進(jìn)花芽分化，在形態(tài)分化期有利于花芽的形態(tài)建成[11，12]。魯棉研19號ABA含量快速上升階段和峰值時期都較魯棉研28號更早更快，這也是造成魯棉研19號花芽分化進(jìn)程更快的原因。多數(shù)學(xué)者普遍認(rèn)為植物花芽分化的調(diào)控是多種激素相互作用的結(jié)果[13]。前人對果樹花芽分化機理研究表明，較高的GA3/IAA、ABA/IAA 有利于花芽的形成分化和完成[14]。本研究結(jié)果顯示，花芽分化初期，魯棉研19號GA3/IAA、ABA/IAA值均高于魯棉研28號，ABA/IAA值迅速上升階段和峰值時期均早于魯棉研28號一個葉齡，這與前人對果樹花芽分化的研究結(jié)果相一致。

4?結(jié)論

較早的花芽分化起始和更快的花芽分化進(jìn)程使短季棉早蕾早花，這是短季棉早熟性形成的形態(tài)基礎(chǔ)，而花芽分化前期較高的碳氮比值和更高的GA3、ABA含量及GA3/IAA、ABA/IAA比值，是短季棉能更早地起始花芽分化和更快地完成花芽分化的生理代謝基礎(chǔ)。

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