轉(zhuǎn)CarNAC1基因可提高棉花的抗旱性

王淑君，曲延英，倪志勇，王莉萍，高文偉，陳全家

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

非生物脅迫抑制棉花正常生長(zhǎng)發(fā)育，制約產(chǎn)量，降低纖維品質(zhì)，持續(xù)脅迫可能導(dǎo)致棉株死亡[1]。干旱是當(dāng)前面臨的主要非生物脅迫[2]。全球干旱地區(qū)耕地面積占總耕地面積的20%左右，約2.74億公頃[3]。棉花是世界性重要的經(jīng)濟(jì)作物，它雖然是較抗旱的作物[4]，但抗旱能力存在品種差異[5]。結(jié)合當(dāng)前嚴(yán)峻形勢(shì)，培育高抗旱棉花品種，可提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[6]。與傳統(tǒng)育種相比，轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以通過(guò)導(dǎo)入目的基因，定向的改良棉花農(nóng)藝性狀，提高產(chǎn)量，加速棉花育種進(jìn)程[7]。然而，關(guān)于轉(zhuǎn)基因提高棉花抗旱性的報(bào)道較少[8]。

轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)與目標(biāo)基因啟動(dòng)子中特定的DNA序列即順式作用元件結(jié)合，激活或抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，是基因表達(dá)中一類重要的調(diào)控因子[9]。研究表明，DREB、MYB、Bzip、鋅指結(jié)構(gòu)等轉(zhuǎn)錄因子在提高植物脅迫耐受性方面發(fā)揮著重要作用[10]。NAC轉(zhuǎn)錄因子家族被認(rèn)為是植物所特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，命名源于矮牽牛NAM和擬南芥ATAF1、ATAF2以及CUC2基因，廣泛存在于各種植物中，而在其他的真核生物中還未發(fā)現(xiàn)[11]。

NAC轉(zhuǎn)錄因子參與高等植物頂端分生組織的形成、細(xì)胞周期的調(diào)控、種子和胚的發(fā)育、花藥的發(fā)育、次生根的形成、次生壁的形成、葉片的衰老、激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等生物學(xué)過(guò)程，同時(shí)還具有調(diào)控逆境脅迫應(yīng)答的功能[12]。關(guān)于NAC基因家族的研究主要集中在水稻[13]、小麥[14]、玉米[15]、大豆[16]、擬南芥[17]、番茄[18]、紫花苜蓿[19]等植物上。

鷹嘴豆是世界第三大豆科作物，主要生長(zhǎng)于干旱或者半干旱地區(qū)，其生育期短、抗逆性強(qiáng)、基因組小，在解析植物的抗旱分子機(jī)制和挖掘抗旱基因方面具有重要意義[20]。前人從鷹嘴豆中克隆得到CarNAC1基因，并在擬南芥中證明該基因能提高植株抗旱耐鹽能力[21]。本研究對(duì)15個(gè)穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)CarNAC1基因棉花品系以及受體材料k62，通過(guò)室內(nèi)、室外試驗(yàn)，比較轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料k62在干旱條件下光合指標(biāo)、生理指標(biāo)、纖維品質(zhì)以及產(chǎn)量間的差異，篩選抗旱能力較強(qiáng)的棉花品系。

1 材料與方法

1.1 材料

受體材料K62及經(jīng)檢測(cè)能穩(wěn)定遺傳的15個(gè)轉(zhuǎn)基因棉花品系：ZK62-1、ZK62-2、ZK62-3、ZK62-4、ZK62-5、ZK62-6、ZK62-7、ZK62-8、ZK62-9、ZK62-10、ZK62-11、ZK62-12、ZK62-13、ZK62-14、ZK62-15。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供以上供試材料。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1田間試驗(yàn) 試驗(yàn)于2016年在石河子144團(tuán)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行。該地區(qū)無(wú)霜期較長(zhǎng)，氣候條件適宜棉花種植。5月1日播種，每份材料一膜，株距為10 cm，種植5 m。同一膜相鄰材料以50 cm的走道隔離開來(lái)。每個(gè)供試材料設(shè)兩個(gè)處理，處理1正常灌水：全生育期正常澆水；處理2干旱脅迫:于7月5日至7月21日(花鈴期)不澆水，后正常灌水；每個(gè)處理均重復(fù)3次，該試驗(yàn)用地面積1.32×103m2。復(fù)水前一日測(cè)定不同處理下供試材料各項(xiàng)光合指標(biāo)(均以倒2葉為準(zhǔn))。9月16日(吐絮期)測(cè)定農(nóng)藝性狀，在不同處理下收獲20鈴測(cè)定單鈴重和衣分含量，每份材料保存一定量的皮棉樣品送往烏魯木齊棉花質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心測(cè)定纖維品質(zhì)。

1.2.2室內(nèi)試驗(yàn) 試驗(yàn)于2016年在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。通過(guò)大田試驗(yàn)結(jié)果選擇抗旱性具有差異的兩個(gè)棉花品系：ZK-6、ZK-15以及受體材料K62進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。選用飽滿且胚完整的種子，經(jīng)消毒處理后播種于花盆中，待長(zhǎng)出一片子葉后移入裝有1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的塑料盆。水培試驗(yàn)在光照培養(yǎng)室進(jìn)行，光周期為12 h/12 h，晝夜溫度為：26～28℃/20～22℃，每2～3 d按時(shí)更換營(yíng)養(yǎng)液保證幼苗健康生長(zhǎng)。水培至4～5片真葉時(shí)，用15%PEG-6000進(jìn)行處理，分別在處理0、3、6、12、24 h后采取葉片并測(cè)定脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶的含量，每處理重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 光合生理生化指標(biāo) 采用英國(guó)(漢莎)CIRAS-3便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)，于7月13日以及7月21日10∶30-12∶30(此時(shí)間段為當(dāng)?shù)販y(cè)量最佳時(shí)間，避免“光合午休”現(xiàn)象)進(jìn)行光合測(cè)量。均以測(cè)定倒2葉為準(zhǔn)，測(cè)定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)。

1.3.2 農(nóng)藝性狀指標(biāo) 每個(gè)品系不同處理下連續(xù)測(cè)定5株棉花的株高、第一果枝節(jié)位、始節(jié)高、果枝數(shù)、有效果枝數(shù)、總鈴數(shù)、有效鈴數(shù)；收取20鈴，計(jì)算單鈴重、衣分含量、皮棉產(chǎn)量、籽棉產(chǎn)量。

1.3.3 纖維品質(zhì)指標(biāo) 考種后保存的皮棉樣品送至烏魯木齊農(nóng)業(yè)部棉花質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，測(cè)定纖維上半部平均長(zhǎng)度、整齊度、馬克隆值、伸長(zhǎng)率、短纖維率、紡穩(wěn)參數(shù)和斷裂比強(qiáng)度等指標(biāo)。

1.3.4 生理指標(biāo)的測(cè)定 脯氨酸用茚三酮比色法測(cè)定；可溶性糖用蒽酮比色法測(cè)定；丙二醛用硫代巴比妥比色法測(cè)定；總超氧化物歧化酶用羥胺法測(cè)定；過(guò)氧化物酶用可見光法測(cè)定；過(guò)氧化氫酶用分光光度法測(cè)定；以上各指標(biāo)均使用南京建成生物工程研究所訂購(gòu)的試劑盒測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)方法

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析均在SPSS 19.0和Excel 2013上完成，Excel 2013進(jìn)行繪圖。

數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除遺傳背景對(duì)抗旱性研究的影響，參考王艷慧等[22]方法，采用(干旱值/正常值)相對(duì)值進(jìn)行綜合評(píng)定。

(1)

(2)

式中,Xi、CKi分別表示干旱、正常處理的性狀測(cè)定值。

采用隸屬函數(shù)法進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)值的計(jì)算如公式(3)所示。

X(u)=(x-xmin)/(xmax-xmin)

(3)

X(u)反=1-(x-xmin)/(xmax-xmin)

(4)

式中,x為各品種(系)的某一指標(biāo)測(cè)定值，xmax和xmin分別為所有品種(系)某一指標(biāo)的最大值和最小值。如果某一指標(biāo)與抗旱(耐鹽)性呈負(fù)相關(guān)，則用反隸屬函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如公式(4)所示。

綜合指標(biāo)權(quán)重：

(5)

式中,wi為第i個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度即權(quán)重；pi為各基因型第i個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

綜合抗旱能力：

(6)

式中，D值為各棉花品系在干旱脅迫條件下用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)所得的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)棉花光合指標(biāo)的影響

由圖1和圖2可看出，干旱脅迫后，轉(zhuǎn)基因棉花品系氣孔導(dǎo)度顯著降低，均低于受體材料k62；轉(zhuǎn)基因棉花品系凈光合速率均高于受體材料k62。由此結(jié)果說(shuō)明轉(zhuǎn)基因棉花品系可能通過(guò)降低氣孔導(dǎo)度，來(lái)提高棉花品系的抗旱能力。

圖1 干旱脅迫下棉花葉片氣孔導(dǎo)度的變化Fig.1 Changes of stomatal conductance of cotton leaves under drought stress

圖2 干旱脅迫下棉花葉片凈光合速率的變化Fig.2 Changes of net photosynthetic rate of cotton leaves under drought stress

由表1可知，干旱脅迫下，供試材料氣孔導(dǎo)度在98.8～284.2 mmol·m-2·s-1之間，轉(zhuǎn)基因棉花品系氣孔導(dǎo)度顯著低于受體材料K62，其中轉(zhuǎn)基因棉花品系ZK62-6的氣孔導(dǎo)度與受體材料K62差異性最顯著，低于受體材料185.4 mmol·m-2·s-1；光合速率在14.93～25.29 mmol·m-2·s-1之間，除ZK62-2外，轉(zhuǎn)基因棉花品系的光合速率均顯著高于受體材料K62，其中轉(zhuǎn)基因品系ZK62-6的凈光合速率與受體材料K62差異性最顯著，高于受體材料10.067 μmol·m-2·s-1；

表1 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花與受體材料光合指標(biāo)的比較Table 1 Comparison of photosynthetic indexes of transgenic cotton and receptor materials drought stress

注：*代表0.05顯著水平；**代表0.01顯著水平。下同。

Note:*represent 0.05 significant level;**represent 0.01 significant level. The same below.

2.2 干旱脅迫對(duì)轉(zhuǎn)基因棉花農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的影響

2.2.1 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀比較 由表2可得，干旱脅迫下，各轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料K62性狀差異達(dá)顯著水平所占比例分別為：株高占60%、第一果枝節(jié)位占60%、果枝數(shù)占53.3%、有效果枝數(shù)占20%、總鈴數(shù)占20%、有效鈴數(shù)占40%、單鈴重占100%。由此可知，干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系單鈴重、株高、始節(jié)高、果枝數(shù)差異幅度較大。轉(zhuǎn)基因棉花品系單鈴重均高于受體材料K62，ZK62-15與K62差異最大，平均高于對(duì)照0.657g；除ZK62-10外，其它轉(zhuǎn)基因棉花品系株高均低于受體材料K62，ZK62-5與K62差異最大，平均低于對(duì)照8.8 cm；轉(zhuǎn)基因棉花品系第一果枝節(jié)位均低于受體材料K62，ZK62-6與K62差異最大，平均低于對(duì)照7.5 cm；轉(zhuǎn)基因棉花品系果枝數(shù)均多于受體材料K62，ZK62-14與K62差異最大，平均多于對(duì)照3.5個(gè)。

2.2.2 基于農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀主成分分析 對(duì)9個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的抗旱系數(shù)進(jìn)行主成分分析(表3)，前2個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)F1和F2的累積貢獻(xiàn)率為76.619%，因此，F(xiàn)1和F2基本能反映9個(gè)農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量性狀指標(biāo)的變化。

2.2.3 基于農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀指標(biāo)抗旱性綜合評(píng)價(jià) 由表4可知，CDC值與D值結(jié)果基本一致。在干旱脅迫下，大部分轉(zhuǎn)基因棉花品系綜合抗旱能力均優(yōu)于受體材料k62。綜合抗旱能力排在前三的品系分別為ZK62-10、ZK62-6、ZK62-1。綜合抗旱能力相對(duì)較差的品系為：ZK62-13、ZK62-9、ZK62-4。

表2 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀比較

表3 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀指標(biāo)因子載荷矩陣及方差貢獻(xiàn)率Table 3 The factor loading matrix and the variance contribution rate of agronomic characterrs and yield traits of transgenic cotton strains under drought stress

表4 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的D值、CDC值及排序Table 4 D value, CDC value and the rank of agronomic characters and yield traits of transgenic cotton strains under drought stress

2.2.4 基于農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀指標(biāo)聚類分析 通過(guò)最近鄰元素法進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖3所示，干旱脅迫下，將16個(gè)棉花品系分為三類，第一類為極抗旱材料1份：ZK62-10；第二類為中抗旱材料5份：ZK62-1、ZK62-7、ZK62-5、ZK62-3、ZK62-6；第三類為敏感材料10份：ZK62-8、ZK62-11、k62等。

圖3 基于農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀指標(biāo)D值的聚類Fig.3 Clusters based on D value of agronomic traits and yield

2.3 干旱脅迫對(duì)棉花纖維品質(zhì)的影響

2.3.1 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料纖維品質(zhì)比較 由表5可知，干旱脅迫下，各轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料K62性狀差異達(dá)顯著水平所占比例分別為：紡紗系數(shù)占80%、馬克隆值占100%、上半部長(zhǎng)度占100%、長(zhǎng)度整齊度占73.3%、短纖維率占86.7%、斷裂比強(qiáng)度占80%、斷裂伸長(zhǎng)率占93.3%。由此可知，干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料K62在馬克隆值、上半部長(zhǎng)度、斷裂伸長(zhǎng)率的差異幅度較大。馬克隆值在3.12～5.69之間，其中K62-4與受體材料K62差異性最大，差值為1.79；上半部長(zhǎng)度在27.2～30.46 mm之間，其中K62-4與受體材料K62差異性最大，差值為2.0 mm；斷裂伸長(zhǎng)率在3.17～6.68 CN·tex-1之間，其中K62-5與受體材料K62差異性最大，差值為2.62 CN·tex-1。

2.3.2 基于纖維品質(zhì)指標(biāo)主成分分析 由表6可知，對(duì)7個(gè)單項(xiàng)纖維品質(zhì)指標(biāo)的抗旱系數(shù)進(jìn)行主成分分析，前3個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)F1、F2、F3的累積貢獻(xiàn)率為91.395%。因此，前3個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)基本能反映纖維品質(zhì)狀況。

2.3.3 基于纖維品質(zhì)指標(biāo)抗旱性綜合評(píng)價(jià) 由表7可知，CDC值與D值結(jié)果基本一致。在干旱脅迫下，大多數(shù)轉(zhuǎn)基因棉花品系綜合抗旱能力均優(yōu)于受體材料K62。干旱脅迫下纖維品質(zhì)依然能保持較高水平的品系分別為ZK62-6、ZK62-12、ZK62-15。纖維品質(zhì)受干旱脅迫影響較大的品系為：ZK62-10、ZK62-1、K62。

表5 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料纖維品質(zhì)比較

表6 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系纖維品質(zhì)指標(biāo)因子載荷矩陣及方差貢獻(xiàn)率Table 6 The factor loading matrix and the variance contribution rate of fiber quality index of transgenic cotton strais under drought stress

表7 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系纖維品質(zhì)指標(biāo)的D值、CDC值及排序Table 7 D value, CDC value and the rank of fiber index of transgenic cotton strains under drought stress

2.3.4 基于纖維品質(zhì)指標(biāo)聚類分析 通過(guò)最近鄰元素法進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖4所示，干旱脅迫下，將16個(gè)棉花品系分為三類，第一類為極抗旱材料3份：ZK62-6、ZK62-12、ZK62-15；第二類為中抗旱材料8份：ZK62-9、ZK62-13、ZK62-11等；第三類為敏感材料5份：K62、ZK62-10、ZK62-3、ZK62-1、ZK62-8。

2.4 室內(nèi)模擬苗期干旱脅迫對(duì)棉花生理指標(biāo)的影響

由圖5可知，棉花在受到干旱脅迫后，丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、總超氧化物歧化酶活力隨著脅迫時(shí)間的增長(zhǎng)均呈上升趨勢(shì)，過(guò)氧化氫酶活力、過(guò)氧化物酶酶活力呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。除丙二醛含量為轉(zhuǎn)基因棉花品系低于受體材料K62外，其余各指標(biāo)均為轉(zhuǎn)基因棉花品系高于受體材料K62。

圖4 基于纖維品質(zhì)指標(biāo)D值的聚類Fig.4 Clusters based on D value of fiber quality index

由表8可知，棉花苗期在室內(nèi)進(jìn)行模擬干旱，轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料K62在脅迫24 h時(shí)，丙二醛含量差異最大，ZK62-6丙二醛含量比K62低15.534 nmol·ml-1，ZK62-15丙二醛含量比K62低2.869 nmol·ml-1；轉(zhuǎn)基因棉花品系ZK62-15脯氨酸含量在12 h時(shí)，與受體材料K62差異最大，高于受體材料5.71 μg·g-1，轉(zhuǎn)基因棉花品系ZK62-6脯氨酸含量在24 h時(shí)，與受體材料K62差異最大，高于受體材料12.42 μg·g-1；轉(zhuǎn)基因棉花品系ZK62-15可溶性糖含量在6 h時(shí)，與受體材料K62差異最大，高于受體材料2.92 mg·g-1，轉(zhuǎn)基因棉花品系ZK62-6可溶性糖含量在24 h時(shí)，與受體材料K62差異最大，高于受體材料6.69 mg·g-1；轉(zhuǎn)基因棉花品系ZK62-15過(guò)氧化氫酶活性在12 h時(shí)，與受體材料K62差異最大，高于受體材料6.91 U·mg-1，轉(zhuǎn)基因棉花品系ZK62-6過(guò)氧化氫酶活性在干旱脅迫3 h時(shí)，與受體材料K62差異最大，高于受體材料18.27 U·mg-1；轉(zhuǎn)基因棉花品系ZK62-15超氧化物歧化酶活性在干旱脅迫24 h時(shí)，與受體材料K62差異最顯著，比受體材料高33.17 U·mg-1，轉(zhuǎn)基因棉花品系ZK62-6超氧化物歧化酶活性在干旱脅迫12 h時(shí)，與受體材料K62差異最顯著，比受體材料高65.65 U·mg-1；轉(zhuǎn)基因棉花品系過(guò)氧化物酶活性在干旱脅迫24 h時(shí)，與受體材料K62差異最顯著，ZK62-15比受體材料高85.88 U·mg-1，ZK62-6比受體材料高208.95 U·mg-1。

圖5 干旱脅迫下棉花生理指標(biāo)隨脅迫時(shí)間的變化Fig.5 Changes of physiological indexes of cotton with stress time under drought stress

表8 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因棉花品系與受體材料生理指標(biāo)的比較Table 8 Comparison of physiological indexes of transgenic cotton and receptor materials under drought stress

3 討 論

干旱是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要逆境因子。研究發(fā)現(xiàn)[23]，NAC轉(zhuǎn)錄因子直接參與或通過(guò)調(diào)節(jié)參與干旱、高鹽、冷害應(yīng)答基因的表達(dá)，在植物非生物逆境脅迫中起重要作用。本研究通過(guò)多角度實(shí)驗(yàn)證明，在棉花生長(zhǎng)關(guān)鍵期——花鈴期遭遇干旱時(shí)，轉(zhuǎn)CarNAC1基因棉花抗旱能力在產(chǎn)量和纖維品質(zhì)上均高于受體植株。有研究表明[24]，OsNAC10基因過(guò)量表達(dá)，顯著提高水稻抗旱耐鹽性，且正常情況下，轉(zhuǎn)OsNAC10基因使水稻產(chǎn)量增加5%～14%，干旱條件下相對(duì)于對(duì)照增產(chǎn)25%～42%，該結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

棉花纖維的長(zhǎng)度、強(qiáng)度、馬克隆值等品質(zhì)是評(píng)價(jià)棉花品質(zhì)的重要指標(biāo)。培育纖維品質(zhì)較好的棉花品種是當(dāng)前棉花育種工作重點(diǎn)之一[25]。目前，NAC基因的研究集中在擬南芥[26]、水稻[27]等植物上，在棉花中的研究較少。Zhong[28]研究報(bào)道了NAC轉(zhuǎn)錄因子SND1參與調(diào)控?cái)M南芥纖維次生壁合成，在木質(zhì)部纖維和莖維管束纖維特異表達(dá)，SND1過(guò)表達(dá)或抑制造成纖維次生壁的加厚或缺失。本研究表明，在干旱脅迫后，轉(zhuǎn)CarNAC1基因棉花在提高其抗旱性的同時(shí)，與受體材料相比，增加棉花產(chǎn)量并保持相對(duì)較高的纖維品質(zhì)水平。由此推測(cè)，轉(zhuǎn)CarNAC1基因棉花的纖維品質(zhì)受干旱脅迫影響較小。有研究表明[29]NAC基因參與調(diào)節(jié)棉纖維細(xì)胞次生壁的合成。CarNAC1基因是否參與調(diào)控棉花纖維細(xì)胞的合成有待于進(jìn)一步研究。

光合作用是植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)[30]，氣孔作為水分和CO2進(jìn)出葉片的通道，通常在干旱、高溫等逆境脅迫下，葉片氣孔都有不同程度的關(guān)閉[31]。研究表明[32]，水稻SNAC1基因在干旱脅迫下，氣孔保衛(wèi)細(xì)胞特異表達(dá)，促進(jìn)氣孔關(guān)閉，降低水分蒸騰速率，但不影響光合速率，因而植株抗旱性大為提高。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)CarNAC1基因棉花在受到干旱脅迫后，氣孔導(dǎo)度迅速下降，可能是由于CarNAC1在干旱脅迫下，氣孔保衛(wèi)細(xì)胞特異性表達(dá)，保持了相對(duì)較高的光合能力。通過(guò)隸屬函數(shù)法對(duì)16個(gè)棉花品系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)轉(zhuǎn)CarNAC1棉花品系在干旱脅迫下的綜合抗旱能力均高于非轉(zhuǎn)基因棉花，并一定程度上提高了植株的生物量和籽棉產(chǎn)量，但少數(shù)轉(zhuǎn)CarNAC1棉花品系在干旱脅迫下的綜合抗旱能力低于非轉(zhuǎn)基因棉花。該現(xiàn)象可能是由于響應(yīng)干旱脅迫時(shí)，NAC轉(zhuǎn)錄因子除了被誘導(dǎo)表達(dá)外，也可能存在表達(dá)受抑制的情況。如Han[33]研究結(jié)果表明，番茄SlNAC3基因在鹽、干旱和ABA脅迫處理下其轉(zhuǎn)錄表達(dá)受抑制。

滲透調(diào)節(jié)是植物耐受干旱環(huán)境的重要生理機(jī)制[34]。丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)、可溶性糖、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)、總超氧化物歧化酶(SOD)都是與旱脅迫密切相關(guān)的理化指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)研究表明，室內(nèi)培養(yǎng)條件下，在棉花苗期用15%的PEG干旱模擬脅迫后，供試材料的丙二醛含量隨脅迫時(shí)間增加均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但轉(zhuǎn)基因棉花的丙二醛含量顯著低于受體材料K62。轉(zhuǎn)基因棉花品系的脯氨酸、可溶性糖、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶以及總超氧化物歧化酶活力均顯著高于受體材料K62。由以上結(jié)果可以推測(cè)外源CarNAC1基因可能提高了棉花抗旱性，增強(qiáng)了棉花自我滲透調(diào)節(jié)能力。

綜上所述，本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)多方面證明,轉(zhuǎn)CarNAC1基因提高了棉花抗旱能力，并篩選出綜合抗旱能力較強(qiáng)的品系ZK62-6，將有助于推動(dòng)干旱區(qū)棉花轉(zhuǎn)基因育種工作。