彩色棉抗氧化酶活性與棉纖維發(fā)育相關(guān)性研究

康娜娜，杜海燁，成 莎，渠云芳，黃晉玲

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

彩色棉是一種棉纖維本身具有天然色素的生態(tài)棉，它的制品無需進(jìn)行染色，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，且質(zhì)地柔軟舒適，既可滿足人們的需求又有利于人體健康，有“植物羊絨”之稱。但相比于白色棉，彩色棉存在纖維品質(zhì)較差、產(chǎn)量低、色澤不穩(wěn)定等缺點，嚴(yán)重阻礙了彩色棉纖維的開發(fā)和利用[1]。前人研究表明，彩色棉與白色棉發(fā)育過程大體一致，同樣經(jīng)歷細(xì)胞的分化和突起、纖維伸長、次生壁加厚、脫水成熟4個階段。但彩色棉除合成纖維素外，還增加了色素的合成與沉積過程，導(dǎo)致競爭性地消耗纖維中的碳水化合物，進(jìn)而影響纖維素的合成[2]。

植物正常的生長發(fā)育，都需要利用氧氣進(jìn)行呼吸作用和光合作用，為自身的生命活動提供能量。已有研究表明，植物正常代謝中會產(chǎn)生有毒的中間副產(chǎn)物活性氧自由基（ROS），包括超氧陰離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）、氫氧根離子（OH-）等，活性氧性質(zhì)活潑，很容易與細(xì)胞大分子反應(yīng)或者直接損傷細(xì)胞成分，引起細(xì)胞膜損傷[3]。植物體內(nèi)由超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等組成的抗氧化酶系統(tǒng)，不僅是細(xì)胞內(nèi)活性氧清除劑和抵御逆境的重要防御系統(tǒng)[4]，還可以通過影響激素類信號物質(zhì)濃度、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)等調(diào)控棉纖維的發(fā)育[5]。

宋世佳等[5]研究發(fā)現(xiàn)，彩色棉纖維品質(zhì)受纖維素積累和抗氧化酶雙重影響。蘇翔等[6-7]研究表明，彩色棉中的色素是一種酚類物質(zhì)，而抗氧化酶在酚類物質(zhì)被氧化的過程中起到一定的保護(hù)抑制作用，通過抑制色素類物質(zhì)的氧化而影響激素類物質(zhì)的合成，進(jìn)而調(diào)控纖維的發(fā)育。ROESLER[8]研究表明，抗氧化酶能激活乙酰輔酶A羧化酶，使中間產(chǎn)物流向色素合成途徑的可能減少，導(dǎo)致色素合成受到抑制；還可以通過改變質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，影響非纖維素糖類物質(zhì)在纖維初生壁的積累。

目前，對于棉纖維發(fā)育機(jī)理的研究多以棉纖維為研究對象，其實棉纖維作為一種特化的種皮，棉籽是其發(fā)育的前提和著生點，鈴殼是其發(fā)育的環(huán)境，棉鈴為其發(fā)育提供營養(yǎng)，所以，棉纖維的發(fā)育必然受到鈴殼、棉籽生理狀態(tài)的影響[9]。

本研究以纖維顏色不同的棉花種質(zhì)為研究材料，以棉纖維發(fā)育過程中棉鈴各器官為研究對象，探究其在棉纖維發(fā)育過程中的生理活性變化，旨在揭示棉纖維發(fā)育與抗氧化酶的關(guān)系，為彩色棉纖維的品質(zhì)改良提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選用1對纖維顏色不同的棉花近等基因系為材料，即綠葉、多毛、白絮、棕籽（簡稱白色棉）；綠葉、多毛、綠絮、綠籽（簡稱綠色棉），均由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花育種實驗室提供。

1.2 試驗方法

參試材料于2016年4月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站棉花試驗田種植，采用正常的栽培管理措施進(jìn)行管理。在棉花生長發(fā)育過程中，分別于花鈴期和吐絮期取2種材料相同節(jié)位上大小相近的棉鈴，分成鈴殼、棉籽、棉纖維3個部分，液氮速凍后存-80℃，用于生理生化指標(biāo)的測定。

1.2.1 生理生化指標(biāo)測定 SOD酶活性采用NBT光還原法測定[10]；POD酶活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[11]；MDA含量測定采用硫代巴比妥法[10]；CAT酶活性采用高錳酸鉀滴定法進(jìn)行測定[10]；可溶性蛋白含量參照READ等[12]的考馬斯亮藍(lán)法測定，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。每個指標(biāo)重復(fù)測定3次。

1.2.2 棉纖維品質(zhì)與產(chǎn)量各項指標(biāo)測定 采用分梳法，隨機(jī)取每種材料10粒籽棉，將纖維梳直測定棉纖維長度；取100粒籽棉，分別稱其纖維與種子質(zhì)量，計算衣指、籽指和衣分，設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel等軟件進(jìn)行統(tǒng)計和作圖，并進(jìn)行方差分析；使用SPASS進(jìn)行各項測定指標(biāo)與纖維發(fā)育的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 超氧化物歧化酶（SOD）活性動態(tài)變化

SOD是植物體內(nèi)清除活性氧的第1道防線，可以將有毒的O2-及時轉(zhuǎn)換為H2O2，從而降低對植物的損傷，增加膜的穩(wěn)定性[13-14]。由圖1可知，2種材料不同發(fā)育時期SOD酶活性變化顯著，與花鈴期相比，吐絮期2種參試材料棉鈴各器官中的SOD酶活性基本呈上升趨勢，且在白色棉的棉籽和纖維、綠色棉的鈴殼和棉籽中顯著上升。

棉纖維發(fā)育的同一時期2種材料棉鈴不同器官具有不同的SOD酶活性?；ㄢ徠?，綠色棉鈴殼和棉籽中的SOD酶活性均低于白色棉，且棉籽中的SOD酶活性差異顯著；而棉纖維中的SOD酶活性顯著高于白色棉。吐絮期，綠色棉鈴殼和棉籽中的SOD酶活性高于白色棉，而棉纖維中的SOD酶活性顯著低于白色棉（圖2）?；ㄢ徠冢G色棉纖維中較高的SOD酶活性會抑制色素的氧化，而色素類物質(zhì)能夠抑制吲哚乙酸氧化酶（IAAO）的活性，使得吲哚乙酸（IAA）濃度增加，從而促進(jìn)纖維細(xì)胞的生長分化。

2.2 過氧化物酶（POD）活性動態(tài)變化

過氧化物酶（POD）是植物體內(nèi)清除H2O2、降低活性氧傷害的主要酶類之一。棉纖維發(fā)育過程中，從花鈴期到吐絮期，2種參試材料鈴殼中的POD酶活性顯著下降，而棉籽中顯著上升；白色棉纖維中的POD酶活性顯著上升，而綠色棉中則顯著下降（圖3）。吐絮期，白色棉纖維中POD活性升高，可能與棉纖維發(fā)育進(jìn)入次生壁加厚期有關(guān)。次生壁加厚期發(fā)生氧化躍遷，產(chǎn)生較多的H2O2，需要更多的POD酶進(jìn)行清除，使H2O2維持在相對較低的水平，利于次生壁纖維素的積累，促進(jìn)高強(qiáng)纖維的形成。

花鈴期，2種參試材料棉鈴各器官POD酶活性基本相同；吐絮期，白色棉鈴殼和棉纖維中的POD酶活性顯著高于綠色棉，而棉籽中酶活性基本相同（圖4）。吐絮期綠色棉纖維較低的POD酶活性，可能是造成彩色棉纖維品質(zhì)較差的原因之一。

2.3 過氧化氫酶（CAT）活性動態(tài)變化

CAT在細(xì)胞內(nèi)主要存在于過氧化物酶體中，其主要功能是清除過氧物酶體中的H2O2。棉纖維發(fā)育的不同階段，與花鈴期相比，吐絮期2種參試材料棉籽中的CAT酶活性均呈顯著上升趨勢；鈴殼和棉纖維中的CAT酶活性基本呈下降趨勢，且在白色棉纖維中顯著下降，而綠色棉纖維中略有上升（圖5）。

棉纖維發(fā)育的同一時期2種材料棉鈴不同器官CAT酶活性差異較大?；ㄢ徠?，白色棉棉籽中CAT酶活性顯著低于綠色棉；鈴殼和棉纖維中CAT酶活性均高于綠色棉，且在棉籽和棉纖維中差異達(dá)到顯著水平；吐絮期，白色棉除棉籽中的CAT酶活性顯著低于綠色棉外，鈴殼和棉纖維中CAT酶活性基本相同（圖6）。CAT可能影響纖維的伸長以及色素的形成[14]。花鈴期，綠色棉纖維中的CAT酶活性低于白色棉，對纖維伸長的抑制作用減弱，這可能是造成2種參試材料棉纖維長度差異的原因之一。

2.4 丙二醛（MDA）含量動態(tài)變化

2種參試材料在棉纖維發(fā)育的不同時期，MDA含量變化較大。與花鈴期相比，吐絮期白色棉棉鈴各器官M(fèi)DA含量在鈴殼和棉籽中均呈下降趨勢，且在棉籽中顯著下降，棉纖維中的MDA含量則顯著上升；綠色棉棉鈴各器官M(fèi)DA含量均表現(xiàn)為極顯著下降（圖7）。

棉纖維發(fā)育的同一時期2種材料棉鈴不同器官M(fèi)DA含量不同?；ㄢ徠冢咨廾掴徃髌鞴僦械腗DA含量均顯著低于綠色棉；吐絮期，白色棉棉纖維中MDA含量顯著高于綠色棉，而鈴殼和棉籽中的MDA含量基本相同（圖8）。MDA含量可以直接反映膜脂過氧化程度，由此推測，在棉纖維發(fā)育過程中，綠色棉中的抗氧化酶不足以清除過量的活性氧，使得綠色棉膜系統(tǒng)損傷嚴(yán)重，這可能是造成綠色棉與白色棉纖維品質(zhì)有差異的原因之一。

2.5 可溶性蛋白含量動態(tài)變化

可溶性蛋白含量是衡量植物體代謝過程中蛋白質(zhì)變化的重要指標(biāo)，其可以反映細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成、變性及降解等多方面的代謝信息[15]。2種參試材料在棉纖維發(fā)育的不同時期可溶性蛋白含量變化不大。與花鈴期相比，吐絮期2種參試材料棉鈴各器官中的可溶性蛋白含量除在棉纖維中表現(xiàn)不同以外，在鈴殼和棉籽中變化趨勢基本相同，在鈴殼中呈上升趨勢，在棉籽中表現(xiàn)為下降，但差異均未達(dá)到顯著水平（圖9）。

2種參試材料相比，同一發(fā)育時期可溶性蛋白含量也無顯著差異。花鈴期，白色棉棉鈴各器官中可溶性蛋白含量均低于綠色棉；而吐絮期，白色棉棉鈴各器官中的可溶性蛋白含量除鈴殼中低于綠色棉外，棉籽和棉纖維中均高于綠色棉，但差異均不顯著（圖10）。吐絮期白色棉纖維中較高的可溶性蛋白含量，有利于次生壁的發(fā)育。

2.6 2種參試材料考種數(shù)據(jù)分析

從表1可以看出，參試的2種材料，除纖維長度外，白色棉品種的百粒棉質(zhì)量、百粒籽質(zhì)量、衣指、衣分均高于綠色棉，表明白色棉纖維產(chǎn)量及纖維品質(zhì)優(yōu)于綠色棉。

表1 參試材料考種數(shù)據(jù)分析

2.7 棉鈴各器官各項測定指標(biāo)與纖維發(fā)育的相關(guān)性分析

由表2可知，棉纖維發(fā)育過程中，棉鈴不同器官酶活性與纖維各項指標(biāo)之間的相關(guān)性不同。吐絮期纖維POD酶活性、花鈴期纖維CAT酶活性與衣分呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.834和0.861；花鈴期纖維MDA含量與衣分呈極顯著負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.925。花鈴期棉籽SOD酶活性、纖維CAT酶活性、吐絮期鈴殼POD酶活性與衣指呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.843，0.940和0.988；而花鈴期棉鈴各器官M(fèi)DA含量與衣指呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.924，0.934和0.981。花鈴期和吐絮期棉籽CAT酶活性、吐絮期棉籽POD酶活性以及花鈴期棉籽MDA含量均與纖維長度呈顯著正相關(guān)；花鈴期和吐絮期纖維CAT酶活性與纖維長度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 各項測定指標(biāo)與纖維發(fā)育相關(guān)性分析

3 討論

3.1 抗氧化酶活性對棉纖維發(fā)育的影響

相關(guān)研究表明，彩色棉纖維中的色素是一種酚類物質(zhì)，而抗氧化酶在酚類物質(zhì)氧化過程中起到一定的保護(hù)作用。杜雄明等[17]研究認(rèn)為，酚類物質(zhì)有抑制吲哚乙酸氧化酶（IAAO）活性的作用，相應(yīng)地提高了吲哚乙酸（IAA）的水平，因此，較高活性的抗氧化酶有利于激素類物質(zhì)的形成，從而促進(jìn)棉纖維的伸長發(fā)育。隨著棉纖維發(fā)育的進(jìn)程，棉纖維進(jìn)入次生壁加厚階段，發(fā)生氧化躍遷，產(chǎn)生大量的H2O2[18]，白色棉纖維中SOD活性和POD活性顯著上升，一方面有利于活性氧的清除；另一方面在纖維發(fā)育后期高活性的POD可以加速棉纖維細(xì)胞木質(zhì)化，利于纖維次生壁加厚，且纖維細(xì)胞高活性的POD酶活性有利于高強(qiáng)纖維的形成[19-21]。

本研究發(fā)現(xiàn)，在花鈴期，綠色棉纖維中的SOD酶活性和POD酶活性均高于白色棉，推測由于綠色棉纖維中較高的抗氧化酶活性，抑制了色素類物質(zhì)的氧化，加劇了酚類物質(zhì)對吲哚乙酸氧化酶（I-AAO）的抑制作用，使得綠色棉纖維中的吲哚乙酸濃度增加，促進(jìn)棉纖維伸長。從花鈴期到吐絮期，綠色棉纖維中POD酶活性極顯著低于白色棉，不利于纖維素在次生壁平穩(wěn)沉積，造成彩色棉纖維產(chǎn)量及強(qiáng)度低于白色棉，考種數(shù)據(jù)也證實了這一點。

3.2 CAT酶對纖維品質(zhì)的影響

CAT是抗氧化酶系統(tǒng)的一種，可以清除光呼吸產(chǎn)生的H2O2，提高光合效率，增加碳水化合物的積累，從而提高棉纖維的品質(zhì)[22]。相關(guān)研究表明，CAT可能影響纖維的伸長以及色素的形成。李玉青等[15]以百棉1號、中棉所41為試材，對其棉纖維發(fā)育過程中的CAT活性變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，CAT對于棉纖維的伸長具有抑制作用。蘇翔[6]以棕色棉和白色棉為試材，對其纖維發(fā)育過程中種皮與纖維中抗氧化酶活性變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明，花后35 d，種皮CAT酶活性和棕色棉種皮中的棕色素呈極顯著負(fù)相關(guān)。本研究相關(guān)性分析結(jié)果表明，花鈴期和吐絮期棉纖維中的CAT活性與纖維長度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，高活性的CAT對棉纖維長度存在抑制作用。從花鈴期到吐絮期，白色棉纖維中CAT活性高于綠色棉，且在花鈴期差異達(dá)到極顯著水平，這可能是白色棉纖維長度較綠色棉短的原因之一。

3.3 MDA含量對棉纖維品質(zhì)的影響

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的終端產(chǎn)物，其含量的多少可以反映生物膜的損傷程度和細(xì)胞中的活性氧狀況[23]。在棉纖維發(fā)育過程中，抗氧化酶通過影響質(zhì)膜結(jié)構(gòu)而影響非纖維素的糖類物質(zhì)（如色素等）在初生壁的形成，最終造成棉纖維品質(zhì)的差異[5]。詹少華等[24]研究認(rèn)為，在棉纖維發(fā)育的整個時期，綠色棉MDA含量高于棕色棉與白色棉，由此推測，MDA含量高是導(dǎo)致綠色棉纖維品質(zhì)差的原因之一。本研究發(fā)現(xiàn)，花鈴期棉鈴各器官中的MDA含量與衣分、衣指呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在棉纖維中呈極顯著負(fù)相關(guān)。棉纖維發(fā)育過程中，綠色棉鈴殼和棉籽中的MDA含量均高于白色棉，且在花鈴期差異達(dá)到顯著水平。表明在纖維發(fā)育進(jìn)程中綠色棉中活性氧積累較多，膜系統(tǒng)損傷較大。此外，棉纖維發(fā)育后期，由于色素類物質(zhì)在纖維次生壁上積累，競爭性地消耗纖維素合成所需要的底物，也是導(dǎo)致纖維含量降低和纖維品質(zhì)較差的原因[25]。

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