可溶性蛋白含量與棉纖維發(fā)育的相關(guān)性

成 莎，張 麗，趙 巖，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）

棉花是重要的經(jīng)濟(jì)作物，棉纖維品質(zhì)的優(yōu)劣主要取決于棉花本身的遺傳特性，了解棉纖維生長發(fā)育的生理機(jī)制對今后棉花育種實(shí)踐工作具有重要意義。

棉花纖維歷經(jīng)起始、纖維伸長（初生壁形成）、次生壁加厚和脫水（成熟）期4個(gè)發(fā)育階段[1-2]。其中，棉花纖維細(xì)胞伸長期是影響棉纖維長度最重要的階段，呈慢—快—慢的“S”型曲線伸長規(guī)律，在花后20～30 d結(jié)束。而花后16～40 d逐漸進(jìn)入次生壁加厚階段，與纖維伸長期之間有10 d左右的重疊期[3]，在花后10～40 d棉纖維中生長發(fā)育相關(guān)物質(zhì)的變化主要影響棉花衣分、斷裂比強(qiáng)度等棉花品質(zhì)指標(biāo)。

可溶性蛋白含量是描述植物體代謝過程中蛋白質(zhì)變化的重要指標(biāo)，其變化可以反映細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成、變性及降解等多方面的代謝信息[4]。李玉青等[4]研究認(rèn)為，可溶性蛋白質(zhì)含量可以很好地反映棉纖維發(fā)育過程中代謝酶類的變化，其含量對纖維素的合成有重要影響，進(jìn)而影響纖維品質(zhì)和產(chǎn)量。陳松等[5]推斷纖維發(fā)育過程中至少有2個(gè)明顯的蛋白質(zhì)合成高峰，一個(gè)出現(xiàn)在開花前后，即纖維起始分化時(shí)期；另一個(gè)出現(xiàn)在開花后15～20 d，正是次生壁合成開始的時(shí)期。

棉鈴作為一個(gè)有機(jī)整體，是棉花產(chǎn)量構(gòu)成的器官，也是纖維形成的載體[6]。棉纖維是一種特化的種皮，其發(fā)育與棉籽和鈴殼的生理狀態(tài)存在一定聯(lián)系。本研究以3種棉纖維長度和衣分存在差異的棉花種質(zhì)為材料，探索棉鈴各器官中可溶性蛋白含量與纖維品質(zhì)形成的關(guān)系及其生理機(jī)制，為棉花品質(zhì)改良提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以從亞洲棉（Gossypium arboreum）×比克氏棉（G.bickii）×陸地棉（G.hirsutum）雜種后代中選育的高衣分棉花新品系（簡稱農(nóng)大HL1、農(nóng)大HL2）和新陸早49號為參試材料。以上材料均由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花育種實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)方法

參試材料于2017年4—10月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站棉花試驗(yàn)田種植，采用常規(guī)栽培管理措施種植。在棉花生長發(fā)育過程中，分別取3種材料花后10，20，30，40 d相同節(jié)位上大小相近的棉鈴，分成鈴殼、棉籽、棉纖維3個(gè)部分，液氮速凍后放入-80℃冰箱中備用。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

采用考馬斯亮藍(lán)法測定各部分可溶性蛋白質(zhì)含量[7]，3次重復(fù)。采用流水沖洗法測量纖維長度[8]。隨機(jī)取100粒棉籽，脫籽之后分別稱量棉籽和棉纖維質(zhì)量，計(jì)算子指和衣指。稱取1 000 g籽棉，脫籽之后稱量其纖維質(zhì)量，并計(jì)算衣分。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和作圖，并進(jìn)行方差分析；使用SPSS進(jìn)行可溶性蛋白含量與棉纖維發(fā)育的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 可溶性蛋白含量的動(dòng)態(tài)變化

表1 同一材料不同時(shí)期棉鈴各器官可溶性蛋白含量 mg/g

從表1可以看出，隨著棉纖維發(fā)育，3種參試材料棉鈴不同器官中的可溶性蛋白含量大致呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢。在棉纖維發(fā)育過程中，農(nóng)大HL1、農(nóng)大HL2棉纖維和新陸早49號鈴殼與棉纖維中可溶性蛋白含量均呈現(xiàn)下降的趨勢，且各時(shí)期均達(dá)到了顯著性差異。農(nóng)大HL2棉纖維和新陸早49號棉籽中可溶性蛋白含量呈下降趨勢；而農(nóng)大HL1棉籽中可溶性蛋白含量變化呈單峰型，花后20 d，其可溶性蛋白含量顯著高于棉纖維發(fā)育其他時(shí)期。

由表2可知，在纖維發(fā)育相同時(shí)期，3種參試材料各器官中的可溶性蛋白質(zhì)含量均不同，棉籽中可溶性蛋白含量較高，棉纖維中較低。

表2 不同材料同一時(shí)期棉鈴各器官可溶性蛋白含量 mg/g

花后10 d是棉纖維伸長的關(guān)鍵時(shí)期，農(nóng)大HL2鈴殼和棉籽中的可溶性蛋白含量高于農(nóng)大HL1；在棉纖維中，農(nóng)大HL2的可溶性蛋白含量高于新陸早49號和農(nóng)大HL1。

花后20，30 d是棉纖維伸長和次生壁加厚的重疊時(shí)期，新陸早49號鈴殼中的可溶性蛋白含量顯著高于其他材料；而農(nóng)大HL1棉籽中的可溶性蛋白含量高于其他材料，并且僅在20 d農(nóng)大HL1棉纖維中的可溶性蛋白含量高于農(nóng)大HL2和新陸早49號。

花后40 d是棉纖維發(fā)育的次生壁加厚期，農(nóng)大HL2鈴殼中的可溶性蛋白含量顯著高于新陸早49號，與農(nóng)大HL1鈴殼中的可溶性蛋白差異不大；新陸早49號棉籽中的可溶性蛋白含量顯著高于其他材料；而3種參試材料棉纖維中的可溶性蛋白含量差異不顯著。

2.2 可溶性蛋白含量與纖維長度的相關(guān)性分析

對3種參試材料棉鈴不同器官的可溶性蛋白含量與棉纖維發(fā)育不同時(shí)期的棉纖維長度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，花后10 d鈴殼中的可溶性蛋白含量與纖維長度呈極顯著正相關(guān)；而花后20 d棉籽和棉纖維中的可溶性蛋白含量與纖維長度呈顯著負(fù)相關(guān)（表3）。

2.3 3種參試材料纖維產(chǎn)量指標(biāo)的比較

從表4可以看出，對3種參試材料的棉纖維產(chǎn)量指標(biāo)進(jìn)行測定，結(jié)果表明，農(nóng)大HL2的子指和棉鈴質(zhì)量極顯著低于農(nóng)大HL1和新陸早49號，其衣指顯著低于農(nóng)大HL1和新陸早49號；衣分顯著低于農(nóng)大HL1；農(nóng)大HL1衣分顯著高于新陸早49號，而棉鈴質(zhì)量和上半部纖維長度極顯著低于新陸早49號。

表3 可溶性蛋白含量與各時(shí)期纖維長度的相關(guān)性分析

表4 3種參試材料纖維產(chǎn)量指標(biāo)的比較

3 討論

3.1 棉纖維發(fā)育與可溶性蛋白含量相關(guān)

棉花纖維發(fā)育受高度程序化的過程調(diào)控，發(fā)育的各個(gè)時(shí)期都依賴一系列基因的協(xié)同表達(dá)[9]。纖維的伸長發(fā)育是在纖維素累積的基礎(chǔ)上，相關(guān)酶共同作用的結(jié)果[10]。可溶性蛋白含量通過參與相關(guān)酶類的代謝而影響纖維素的合成。李艷軍[11]利用MALDI-TOF/TOF質(zhì)譜技術(shù)比較了彩色棉和白色棉蛋白質(zhì)組差異，結(jié)果表明，纖維品質(zhì)的形成在很大程度上受蛋白質(zhì)的影響。白玉林等[12]研究認(rèn)為，蛋白質(zhì)參與纖維分化的起始并調(diào)節(jié)纖維伸長的終止和次生壁的合成開始。

本研究結(jié)果表明，3種參試材料在棉纖維發(fā)育過程中，棉鈴各器官可溶性蛋白質(zhì)含量大致呈下降趨勢，與康娜娜等[13]研究結(jié)果一致，推測前期較高的可溶性蛋白含量可能是棉纖維伸長關(guān)鍵期酶類代謝能力較強(qiáng)所致。相關(guān)研究表明[4，14]，棉纖維發(fā)育過程中，纖維素含量與棉纖維中可溶性蛋白含量呈顯著負(fù)相關(guān)，較高的可溶性蛋白含量可能會阻礙棉纖維伸長。本研究發(fā)現(xiàn)，在棉纖維伸長關(guān)鍵時(shí)期，農(nóng)大HL2的花后10 d和農(nóng)大HL1的花后20 d棉纖維中可溶性蛋白含量極顯著高于新陸早49號，且參試材料棉籽和棉纖維中的可溶性蛋白含量在花后20 d與纖維長度呈顯著負(fù)相關(guān)，而由考種數(shù)據(jù)可知，新陸早49號纖維長度顯著長于農(nóng)大HL2和農(nóng)大HL1，由此推測，在棉纖維伸長發(fā)育階段，較高的可溶性蛋白質(zhì)含量是影響棉纖維伸長的因素之一，與前人結(jié)論一致。

棉纖維次生壁加厚發(fā)育期是纖維比強(qiáng)度形成的關(guān)健時(shí)期，棉纖維加厚發(fā)育生理特性決定了棉纖維比強(qiáng)度的形成[15]，同時(shí)，次生壁加厚期是纖維素累積的主要時(shí)期，這個(gè)時(shí)期可能對衣分的高低具有重要影響。本研究發(fā)現(xiàn)，棉纖維中，農(nóng)大HL1在花后20 d可溶性蛋白含量顯著高于新陸早49號和農(nóng)大HL2，花后40 d顯著高于新陸早49號，且農(nóng)大HL1衣分顯著高于其他材料，從而推測較高的可溶性蛋白含量在某種程度可促進(jìn)次生壁增厚，直接影響棉花的衣分等產(chǎn)量指標(biāo)。

3.2 棉鈴各器官的生理狀態(tài)與棉纖維發(fā)育相關(guān)

棉鈴作為一個(gè)有機(jī)整體，各個(gè)器官在“鈴殼—棉籽—棉纖維”系統(tǒng)中進(jìn)行著養(yǎng)分、蛋白質(zhì)、信號物質(zhì)等代謝運(yùn)輸，三者之間有著密不可分的關(guān)系[16]。本研究結(jié)果表明，在棉纖維發(fā)育進(jìn)程中，可溶性蛋白含量在鈴殼和棉籽中較高，而棉纖維中較低，并且各個(gè)指標(biāo)在3個(gè)材料之間變化趨勢幾乎一致。由此推測，鈴殼與棉籽作為營養(yǎng)供應(yīng)和儲藏中心有較強(qiáng)的生理代謝能力，并且與棉纖維共同協(xié)作對棉纖維發(fā)育生長起作用，促進(jìn)棉花品質(zhì)建成。

4 結(jié)論

通過對3種衣分不同的棉花種質(zhì)（品種）的可溶性蛋白含量進(jìn)行測定，并結(jié)合考種指標(biāo)進(jìn)行分析，認(rèn)為在棉纖維發(fā)育進(jìn)程中，可溶性蛋白含量對棉纖維產(chǎn)量建成有很大作用。在棉纖維伸長關(guān)鍵期，較低的可溶性蛋白含量利于棉纖維伸長發(fā)育；而較高的可溶性蛋白含量可促進(jìn)次生壁加厚，利于棉花衣分的提高，進(jìn)而提高棉花產(chǎn)量。另外，在棉纖維發(fā)育進(jìn)程中，棉鈴各器官發(fā)育有著密切的聯(lián)系，鈴殼和棉籽中較強(qiáng)的生理代謝能力直接影響棉纖維的發(fā)育。