淺述棉花抗旱和育種現(xiàn)狀、存在問(wèn)題和對(duì)策

張建國(guó)，熊黎黎，姜培燕，韓繼委，賴(lài) 波

1.新疆維吾爾自治區(qū)海南良種繁育基地，烏魯木齊 830006 2.新疆農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校，烏魯木齊 830049 3.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境保護(hù)站，烏魯木齊 830049 4.新疆維吾爾自治區(qū)種業(yè)管理處，烏魯木齊 830049

棉花是新疆的主要經(jīng)濟(jì)作物，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，今年來(lái)，新疆同全國(guó)很多地區(qū)一樣遭受越來(lái)越嚴(yán)重的水資源匱乏影響，而且未來(lái)將呈持續(xù)加重狀態(tài)。研究棉花在旱脅迫環(huán)境下的生長(zhǎng)變化規(guī)律，克服干旱對(duì)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的不利影響開(kāi)展抗旱育種十分必要。

1 旱脅迫對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響

研究表明，在所有非生物脅迫中干旱脅迫對(duì)植物造成的危害居首位，僅次于病蟲(chóng)害對(duì)植物造成的危害[1]。嚴(yán)重干旱時(shí)植物細(xì)胞大量失水,正常的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到破壞，為抵御旱脅迫植物細(xì)胞發(fā)生被動(dòng)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致氣孔過(guò)度關(guān)閉，影響細(xì)胞對(duì) CO2的吸收，降低葉片光合作用，影響有機(jī)物轉(zhuǎn)化積累，危害到植株生長(zhǎng)發(fā)育。

抗旱性作為生物的數(shù)量性狀受到多種基因不同因素共同作用，通過(guò)對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)特征、生理生化指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等主要鑒定指標(biāo)的研究顯示，干旱對(duì)棉花不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的影響各不相同：苗期較長(zhǎng)時(shí)期的連續(xù)缺水對(duì)莖稈直徑有較大影響；蕾期受旱使棉花提前進(jìn)入現(xiàn)蕾期并加速現(xiàn)蕾；如花鈴期受旱，棉株生長(zhǎng)發(fā)育放緩，葉芽發(fā)育遲緩，新生葉生長(zhǎng)速率慢，葉面積變小，葉量減少，花鈴數(shù)減少，受旱嚴(yán)重時(shí)，棉花植株甚至出現(xiàn)停止生長(zhǎng)現(xiàn)象，進(jìn)入自然封頂狀態(tài)，蕾、鈴也會(huì)大量脫落。干旱脅迫對(duì)棉花各生育階段生長(zhǎng)發(fā)育的影響，從大到小依次為花鈴期、蕾期、成熟期、苗期。

棉花在生育各階段缺水會(huì)影響植株高度增長(zhǎng)，造成棉花果枝數(shù)、果節(jié)數(shù)、單株有效鈴數(shù)減少，鈴期縮短，脫落增加，產(chǎn)量下降。因此,有研究者通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果的收集、整理和分析認(rèn)為，通過(guò)對(duì)形態(tài)指標(biāo)和主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)的研究分析可以用作鑒定棉花抗旱性的有效途徑；干旱脅迫對(duì)籽棉產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響各不相同，其中對(duì)單株成鈴數(shù)的影響大于成鈴率，對(duì)成鈴率的影響大于單鈴重。

也有研究發(fā)現(xiàn)，棉花株高、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)、鈴重、絨長(zhǎng)、單株干重及籽棉產(chǎn)量等指標(biāo)在輕度的水分脅迫下會(huì)有所增加,但在重度的水分脅迫下則出現(xiàn)顯著降低，說(shuō)明輕度水分脅迫有利于棉花生長(zhǎng)，但在嚴(yán)重干旱情況下，棉花生長(zhǎng)發(fā)育受到影響，產(chǎn)量顯著降低[2]。

2 棉花抗旱的形態(tài)學(xué)指標(biāo)

形態(tài)學(xué)指標(biāo)的運(yùn)用是棉花抗旱性育種的重要手段，被許多育種人員廣泛采用，通過(guò)對(duì)育種材料形態(tài)特征的觀察研究，可以簡(jiǎn)單、快速地鑒別出比較耐旱的材料。

抗旱品種在形態(tài)上表現(xiàn)為種子吸水率高、出苗快、子葉大、發(fā)育快，幼苗長(zhǎng)勢(shì)旺，莖稈粗壯，葉片臘質(zhì)層厚、較小而直立，上下表皮氣孔數(shù)之比較小，茸毛多，根系發(fā)達(dá)，主根長(zhǎng)，各級(jí)側(cè)根數(shù)量多且長(zhǎng)，總根系長(zhǎng)度長(zhǎng)[3]。不同棉花品種的根系特性與耐旱性的相關(guān)性研究表明：耐旱型較非耐旱型棉花品種一級(jí)側(cè)根數(shù)、側(cè)根總長(zhǎng)、根系總長(zhǎng)度與耐旱性呈顯著或極顯著正相關(guān)[3,4]。張?jiān)妊芯勘砻鳎嚎购挡牧系膯沃旮亍⒏绫?、一?jí)側(cè)根數(shù)高于不抗旱的材料[5]。據(jù)此可以判斷，如果一個(gè)棉花材料具有種子發(fā)芽勢(shì)強(qiáng)、出苗快、發(fā)育快、莖桿粗壯、葉片臘質(zhì)較厚、茸毛多、葉面積小、根系發(fā)達(dá)的外部形態(tài)特征，即可做為具備較強(qiáng)抗旱潛力的材料重點(diǎn)關(guān)注。

3 棉花抗旱的生理生化指標(biāo)

3.1 根系活力

根系是植物的重要器官，根系活力的大小直接反映了植物從土壤中吸收水份的能力，是抗旱能力的重要指標(biāo)。張?jiān)扔胊-萘胺氧化法測(cè)定不同水分處理的根系活力，發(fā)現(xiàn)抗旱材料在正常供水的情況下根系活力低于一般品種，但是在干旱條件下抗旱材料根系活力提高，而不抗旱材料根系活力下降[5]。植物根系普遍具有自我調(diào)節(jié)能力與主動(dòng)適應(yīng)外界環(huán)境能力，抗旱材料這方面的能力更強(qiáng)，棉花抗旱育種就是要利用這個(gè)特點(diǎn)選擇根系更強(qiáng)大、自我調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)的優(yōu)異材料。

3.2 葉水勢(shì)

棉花葉水勢(shì)是反映植物體內(nèi)水分豐缺狀態(tài)的重要指標(biāo)，旱脅迫越嚴(yán)重、蒸騰作用越強(qiáng)烈葉片水勢(shì)越低。張?jiān)鵞5]研究發(fā)現(xiàn)，在同等正常供水條件或輕度干旱水平下，抗旱材料較不抗旱材料葉片水勢(shì)更低，抗旱材料能從土壤中吸收更多的水分；在嚴(yán)重干旱條件下，抗旱材料比不抗旱材料葉片水勢(shì)變化較小，抗旱材料對(duì)干旱的耐受能力更強(qiáng)，主要源于在干旱條件下抗旱材料地下根系活力變強(qiáng)，莖葉蒸騰作用變?nèi)醯淖晕艺{(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，在干旱環(huán)境下也能維持體內(nèi)的水分平衡和生理代謝基本正常。此外，有些抗旱材料不僅表現(xiàn)出對(duì)旱脅迫的耐受力強(qiáng)，在旱脅迫解除后的恢復(fù)能力也較強(qiáng)，可以更有效地利用有限的供水資源，對(duì)水資源有限地區(qū)植棉生產(chǎn)有重要意義。有關(guān)水分脅迫對(duì)棉花種子萌發(fā)影響的研究表明，在受到不同程度的旱脅迫時(shí)，隨著水勢(shì)的下降，棉花種子發(fā)芽率、發(fā)芽速度、發(fā)芽指數(shù)、苗高、根長(zhǎng)、根莖比、幼苗干重、鮮重指標(biāo)等均出現(xiàn)不同程度的降低[6]。

3.3 葉片氣孔阻力、角質(zhì)蒸騰速率

在受旱脅迫時(shí)，作物葉片氣孔會(huì)趨于閉合以降低氣孔導(dǎo)度、增大阻力、減少蒸騰失水。張?jiān)鵞5]在棉花初花期測(cè)定發(fā)現(xiàn)，抗旱材料在受旱條件下葉片氣孔阻力明顯加大，在嚴(yán)重水分脅迫條件下氣孔甚至?xí)l(fā)生關(guān)閉現(xiàn)象，這種情況下，水分無(wú)法通過(guò)氣孔蒸騰主要是通過(guò)角質(zhì)蒸騰散失，氣孔關(guān)閉是作物調(diào)節(jié)水分蒸散的重要方式。胡萍[7]研究發(fā)現(xiàn)，抗旱品種較不抗旱品種的角質(zhì)蒸騰速率相對(duì)較低。說(shuō)明抗旱品種能通過(guò)關(guān)閉氣孔增大氣孔阻力來(lái)減少葉片水分蒸騰散失，減少植株體內(nèi)水分損失，提高水分利用效率。還有研究表明，耐旱的種質(zhì)材料主要通過(guò)加大氣孔阻力和降低蒸騰強(qiáng)度來(lái)有效地減少體內(nèi)水分丟失，從而保證光合作用的順利進(jìn)行[8]。

3.4 光合作用

光合作用是是作物生產(chǎn)力構(gòu)成的基礎(chǔ)，大約95%的植物干物質(zhì)來(lái)源于光合產(chǎn)物，光合作用離不開(kāi)水的參與，水分是光合作用原料之一，并且光合作用對(duì)旱脅迫非常敏感，水分缺乏會(huì)導(dǎo)致葉片光合速率下降。具體來(lái)說(shuō)，發(fā)生嚴(yán)重缺水會(huì)使正常的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到破壞，葉片氣孔關(guān)閉導(dǎo)度降低，影響CO2進(jìn)入葉內(nèi)，缺水使葉片淀粉水解加強(qiáng)，糖類(lèi)堆積，光合產(chǎn)物輸出緩慢，這些都會(huì)使光合速率下降[8]。陳寧[9]等人發(fā)現(xiàn)在低光照下葉片水勢(shì)與光合作用呈線性關(guān)系，在高光照下則呈指數(shù)關(guān)系。耐旱品種在水分脅迫環(huán)境下，能保持較高的葉片水勢(shì)，從而保證了光合作用的順利進(jìn)行，有利于干物質(zhì)的生產(chǎn)和積累。

4 植物細(xì)胞對(duì)旱脅迫的響應(yīng)

4.1 細(xì)胞膜脂對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

一般情況下脅迫會(huì)優(yōu)先對(duì)植物的膜脂系統(tǒng)造成影響，使其通透性增大。研究顯示，細(xì)胞質(zhì)膜通透性的變化與干旱程度具有一定的相關(guān)性[10]。逆境下各供試材料細(xì)胞膜都受到了損害,抗逆性越弱損傷越大[11]。干旱脅迫引發(fā)的膜脂過(guò)氧化反應(yīng)的最終表現(xiàn)為膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物之一 MDA 的積聚，但不同品種升高幅度不同。MDA 含量與脅迫強(qiáng)度正相關(guān)，且脅迫強(qiáng)度越大MDA 積累速率越來(lái)越高[12]。MDA 的積聚還會(huì)進(jìn)一步使膜脂損傷惡化，所以 MDA 含量可以從一定程度上反應(yīng)植物的抗衰老能力。

4.2 保護(hù)酶類(lèi)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

保護(hù)酶類(lèi)對(duì)周?chē)h(huán)境感應(yīng)強(qiáng)烈，各種脅迫或者環(huán)境突變都會(huì)影響其活性大小。各小麥葉中SOD 和 POD 活性明顯提高以應(yīng)對(duì)干旱脅迫，但材料間增幅大小不盡相同[13]。干旱脅迫下，CAT活性先升后降，和 SOD 變化相同，但前者活性變化的出現(xiàn)明顯早于其他保護(hù)酶，可見(jiàn) CAT 對(duì)于逆境的反應(yīng)比其他保護(hù)酶更為靈敏。

4.3 根系對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

根系對(duì)干旱脅迫的影響最為敏感，隨后引起莖葉花等其他部位對(duì)旱脅迫的響應(yīng)，根系還會(huì)根據(jù)脅迫的類(lèi)型、強(qiáng)度、方位等信息展開(kāi)一系列應(yīng)對(duì)措施，所以根部的生理生化和形態(tài)指標(biāo)是作物抗旱性的關(guān)鍵因素之一[14]。植物對(duì)干旱的響應(yīng)首先表現(xiàn)為根系的響應(yīng),根系直觀的形態(tài)改變是根部各項(xiàng)生理生化指標(biāo)量變的基礎(chǔ)上完成的質(zhì)變,所以研究根系對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)研究植物抗旱性具有重要意義[15]。

4.4 光合作用對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

植物光合作用對(duì)干旱脅迫反應(yīng)敏感，即使是輕微缺水光合作用也會(huì)下降。作物在缺水狀態(tài)下，為保證光合作用的正?；顒?dòng)，作物自身也會(huì)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，如植物滲透物質(zhì)會(huì)有所增加進(jìn)而增加細(xì)胞溶質(zhì)及含量，保持細(xì)胞膨脹維持氣孔開(kāi)放等，這對(duì)保證機(jī)體正常進(jìn)行光合作用具有重要意義[16]。另一方面，干旱又會(huì)迫使植物關(guān)閉葉片氣孔減弱蒸騰作用，減少水分損失。在小麥上的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下小麥的光合強(qiáng)度下降，而抗旱性較強(qiáng)的品種能夠維持較高的凈光合速率[17]。

5 棉花抗旱育種存在的問(wèn)題

目前，棉花育種目標(biāo)大多側(cè)重于高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲(chóng)等技術(shù)突破上，對(duì)于棉花非生物脅迫抗性育種尤其是抗旱育種的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，在環(huán)境日益惡化、水資源嚴(yán)重匱乏、耕地資源不斷減少的現(xiàn)實(shí)壓力下，抗旱育種亟待加強(qiáng)。

5.1 對(duì)棉花抗旱機(jī)制的研究較淺，缺乏系統(tǒng)性

棉花的抗旱性受復(fù)雜的多因子控制，多數(shù)研究?jī)H僅是對(duì)其中某一個(gè)或有限的幾個(gè)因子在棉花抗旱過(guò)程中的機(jī)理作出評(píng)價(jià)，沒(méi)有系統(tǒng)地研究各因子間的互作機(jī)制，無(wú)法形成抗旱育種完整的理論依據(jù)。

5.2 對(duì)優(yōu)異的棉花抗旱材料缺乏系統(tǒng)的鑒定及篩選標(biāo)準(zhǔn)

由于對(duì)棉花抗旱性狀缺乏系統(tǒng)的鑒定和篩選標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致長(zhǎng)期以來(lái)大量具備抗旱基因的優(yōu)異棉花資源材料在傳統(tǒng)育種過(guò)程中丟失，而且由于沒(méi)有統(tǒng)一的鑒定和篩選標(biāo)準(zhǔn)，也易造成研究結(jié)果的混亂，浪費(fèi)大量的科研資源。

5.3 缺乏有效的分子標(biāo)記手段，限制了對(duì)棉花抗旱基因的應(yīng)用

利用分子標(biāo)記手段成功鎖定與棉花抗旱能力密切相關(guān)的基因，通過(guò)基因提取和克隆應(yīng)用構(gòu)建高密度抗旱遺傳組合，是分子標(biāo)記輔助育種在棉花抗旱育種中的有效應(yīng)用。然而，分子標(biāo)記和基因工程仍處在起步發(fā)展階段，在棉花抗旱性育種上的應(yīng)用更是嚴(yán)重不足。

5.4 已知的有重要應(yīng)用價(jià)值的抗旱基因還很少

雖然目前已解析了大量棉花基因圖譜，但提取或克隆到的抗旱目標(biāo)基因仍然有限，真正有應(yīng)用價(jià)值的抗旱基因則更少。

5.5 分子設(shè)計(jì)育種理論和應(yīng)用仍然需要深入研究

諸如轉(zhuǎn)基因技術(shù)的安全性、外源基因在后代材料中的穩(wěn)定表達(dá)等研究仍然有待深入，分子育種技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用創(chuàng)新也需要進(jìn)一步實(shí)踐摸索。

6 棉花抗旱育種展望

一是把棉花抗旱育種的理論基礎(chǔ)研究打牢，主要是準(zhǔn)確掌握控制或影響棉花抗旱性能的因子，以及這些因子是如何相互作用使棉花產(chǎn)生抗旱或耐旱特性。

二是建立統(tǒng)一的抗旱指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，對(duì)現(xiàn)有育種材料進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，建立和保存抗旱材料資源庫(kù)。

三是加速推進(jìn)轉(zhuǎn)基因育種、分子標(biāo)記、生化輔助育種等新技術(shù)應(yīng)用，克服傳統(tǒng)育種周期長(zhǎng)、工作量大、成功率低的缺點(diǎn)。

四是加快研發(fā)有效的分標(biāo)記技術(shù)，大量發(fā)掘優(yōu)異抗旱基因資源，豐富抗旱基因庫(kù)，在保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的前提下加強(qiáng)合作與交流，提高優(yōu)異基因資源共享利用。