播期對棉鈴對位葉蔗糖代謝及棉鈴產(chǎn)量性狀、纖維品質(zhì)的影響

陳功，彭金劍，羅海華，高欣，袁長凱，殷夢瑤，向春玲，王培培，涂青華，湯飛宇*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/ 作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室，南昌330045；2.江西省農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法總隊，南昌330046）

江西省鄱陽湖植棉區(qū)通常于4 月上中旬播種。 由于此時該地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)潮濕、寒冷的天氣，不利于種子發(fā)芽和幼苗早期的生長發(fā)育，因此在棉花栽培中通常采取育苗移栽的方法為其出苗和早期幼苗生長提供較為適宜的微環(huán)境。 隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展和農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，棉農(nóng)迫切希望采用輕簡化的種植技術，從傳統(tǒng)精耕細作下的育苗移栽過渡到機械化直播，必然導致播種期的推遲；此外，南方多熟制棉田耕作制度的改革，如油（麥）后棉的推廣也必然導致播種期的推遲[1]。 播種期的不同會引起棉鈴生長中環(huán)境因子的變化，其中溫度是對棉鈴發(fā)育影響最為關鍵的環(huán)境因子[2]。 由于棉鈴對位葉是棉鈴生長發(fā)育所需碳同化物的主要來源[3]，棉鈴發(fā)育的質(zhì)量直接影響到鈴重、衣分等產(chǎn)量因素及纖維品質(zhì)的形成。 蔗糖代謝調(diào)控棉鈴及其對位葉碳水化合物的合成、分配與轉(zhuǎn)運，從而影響棉鈴產(chǎn)量性狀及纖維品質(zhì)的形成[4-6]。 因此研究播期對棉鈴對位葉蔗糖代謝的影響，對于提高棉花產(chǎn)量和品質(zhì)有重要意義。

蔗糖和淀粉均是棉鈴對位葉光合作用的主要產(chǎn)物，其中蔗糖是碳水化合物長距離運輸?shù)闹饕问?，淀粉是碳水化合物貯藏的主要形式[7]。蔗糖代謝關鍵酶主要包括液泡酸性轉(zhuǎn)化酶（Vacuolar acid invertas，VIN）、細胞壁酸性轉(zhuǎn)化酶（Cell wall acid invertase，CWIN）、 蔗糖磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase，SPS）和蔗糖合成酶 （Sucrose synthase，SS）。 液泡酸性轉(zhuǎn)化酶（VIN）和細胞壁酸性轉(zhuǎn)化酶（CWIN）催化蔗糖不可逆分解為葡萄糖和果糖，分別位于細胞液泡內(nèi)及細胞壁質(zhì)外體空間， 催化作用適宜的pH 為3.5～5.5，VIN 為可溶性酶，CWIN 為不可溶性，以離子鍵結(jié)合于細胞壁[8]；蔗糖磷酸合成酶（SPS）催化尿苷二磷酸葡萄糖 （Uridine diphosphate glucose，UDPG）和 6- 磷酸果糖合成蔗糖[8]；蔗糖合成酶（SS）催化蔗糖可逆分解為尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）和果糖[8]。蔗糖代謝關鍵酶影響棉花葉片中碳水化合物的種類、含量及比例[8-9]，也影響到碳水化合物的外運水平[10]。 蔗糖代謝關鍵酶的活性受低溫的影響，但在不同器官中對低溫的響應不同。 葉片SPS 和SS 在低溫條件下活性下降[6]。 纖維SS、酸性轉(zhuǎn)化酶和堿性轉(zhuǎn)化酶在低溫條件下活性上升，但SPS 活性下降[11-12]。目前對于棉鈴對位葉中VIN 和CWIN 酶活性的研究鮮見報道。 同時，由于低溫處理方式以及試驗材料的不同，研究結(jié)果存在差異，對于棉鈴對位葉蔗糖代謝對低溫的響應機制尚不明確。 本文以不同播種期創(chuàng)造棉鈴發(fā)育期間的溫度差異，研究其對棉鈴產(chǎn)量性狀具有明顯差異的2 個品系棉鈴對位葉蔗糖代謝的影響，以及對棉鈴產(chǎn)量性狀及纖維品質(zhì)的調(diào)節(jié)作用，為棉花生產(chǎn)上適宜播種期的安排提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設計

試驗材料為江西農(nóng)業(yè)大學棉花課題組自育的陸地棉高品質(zhì)系A201 和A705， 長期自交保純，遺傳性狀穩(wěn)定。 其中A201 為低衣分、高籽指類型，A705 為高衣分、低籽指類型。 試驗于2016―2017 年在江西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)科技園進行，供試土壤為紅壤旱地，呈微酸性（pH 6.0）。 前茬空閑，地力均勻，肥力中上，排灌方便，四周無高大建筑物和樹木。 田間試驗采用隨機區(qū)組排列，設3 次重復，4 行區(qū)，行長7.7 m，行距1.0 m，株距0.3 m，小區(qū)面積30.8 m2，四周設保護行。 早播實為正常播種時間，采用營養(yǎng)缽育苗移栽；晚播采用大田直播。早播 2016 年 4 月 12 日播種，5 月 14 日移栽，2017 年 4 月 15 日播種，5 月 14 日移栽； 晚播分別 于 2016 年 5 月 6 日和 2017 年 5 月 28 日播種。 2 年施肥量相同， 全生育期施純 N：276 kg·hm－2、P2O5：105 kg·hm－2、K2O：247.5 kg·hm－2。 磷肥和鉀肥作基肥和花鈴肥分2 次施用， 比例為1∶1；氮肥作基肥、花鈴肥和蓋頂肥分3 次施用，比例為1∶2∶1。 全生育期未進行化控，不整枝，于8 月中旬根據(jù)長勢進行打頂。 苗期和蕾期各中耕除草1 次，花鈴期根據(jù)天氣情況灌溉1～2 次，根據(jù)田間需要進行病蟲害和雜草控制。 2 年大田管理情況基本一致。

開花結(jié)鈴期掛牌標記植株中部果枝（7～9 果枝）、內(nèi)圍果節(jié)當日白花，分別取5 DPA(開花后時間，Days post anthesis)、10 DPA、17 DPA、24 DPA、31 DPA、38 DPA、45 DPA 共 7 個時期的發(fā)育正常且無病蟲為害的棉鈴及其對位葉。 棉鈴對位葉分成兩部分：一部分作鮮樣液氮速凍后及時保存于－80 ℃的超低溫冰箱中，用于測定蔗糖代謝關鍵酶： 液泡轉(zhuǎn)化酶 （VIN）、 細胞壁轉(zhuǎn)化酶（CWIN）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）和蔗糖合成酶（SS）的活性；一部分經(jīng) 105 ℃殺青 30 min 后于60 ℃下烘干至恒重，烘干后的葉片用微型植物粉碎機磨碎并過32 目篩網(wǎng)，用于己糖（葡萄糖、果糖）、蔗糖和淀粉濃度的測定。

1.2 測定內(nèi)容與方法

蔗糖、果糖、葡萄糖和淀粉的測定。 可溶性碳水化合物的提?。河萌f分之一電子天平稱葉片干樣50 mg，加入80%乙醇溶液3 mL（葉片材料先加入10 mg 活性炭粉末，用于去除色素）。 于混勻器混勻后，在80 ℃的水浴鍋中提取30 min，取出后冷卻至室溫。 置 4 000 r·min－1離心機中離心10 min，轉(zhuǎn)移上清液，剩余的殘渣再次加入80%乙醇溶液3 mL，重復提取殘渣2 次，合并3 次提取的上清液并用80%乙醇溶液定容至10 mL，用于葡萄糖、果糖、蔗糖濃度的測定。

淀粉的提取。 將上述用乙醇溶液提取后的殘渣，放在60 ℃烘箱內(nèi)烘至恒重。 加入2 mL 的蒸餾水，混勻器混勻，放入沸水中糊化15 min，冷卻至室溫。加入 9.2 mol·L－1高氯酸 2 mL，于震蕩儀震蕩 15 min， 然后加 4 mL 的蒸餾水，4 000 r·min－1下離心 10 min， 將上清液轉(zhuǎn)移至 50 mL 的容量瓶中。 殘渣再加入 4.6 mol·L－1的高氯酸2 mL，震蕩 15 min，加蒸餾水 5 mL，混勻后在4 000 r·min－1下離心 10 min，合并上清液。 用5 mL 的蒸餾水洗滌殘渣1 次，離心10 min，合并上清液，最后用蒸餾水定容至50 mL，用于淀粉濃度的測定。葡萄糖濃度的測定采用酶比色法[13]，蔗糖、果糖濃度的測定采用間苯二酚法[14]，淀粉濃度的測定采用蒽酮法[14]。

VIN、CWIN、SPS、SS 的提取和測定。 提取液的配制。 VIN、SPS 和 SS 提取液（pH 7.5）的組分包括 ：50 mmol·L－1Hepes-NaOH，2 mmol·L－1Na2-EDTA，2.5 mmol·L－1DTT，10 mmol·L－1Mg-Cl2，0.05%Triton X-100 (V/V)，1%（W/V） 難溶性PVP，10%甘油（V/V），0.3%β-巰基乙醇。 CWIN 的提取液另外再加入 0.8 mol·L－1NaCl（終濃度）即可。

粗酶液的提取。 稱取0.4 g 鮮樣放入預冷的研缽中，加入1 mL 提取液（預冷）和適量石英砂進行充分研磨，轉(zhuǎn)移至10 mL PE 離心管，再加入1 mL 提取液清洗研缽1 次，合并混勻。 冰浴條件下提取30 min，每隔5 min 渦旋混勻1 次，以保證抽提完全。4 ℃ 4 500 r·min－1離心機中離心 20 min，將上清液置4 ℃冰箱中待測。剩余沉淀加入2 mL CWIN 的提取液，提取步驟同上。 SS 和 SPS 酶活性采用 UDPG 和果糖比色法[14]；VIN 和 CWIN 酶活性測定參照Wang 等的DNS 比色法[15]。

產(chǎn)量性狀及纖維品質(zhì)的考察與檢測。 棉鈴成熟吐絮時，分別采摘每個小區(qū)棉株掛牌標記的剩余棉鈴（無僵瓣花）30 個，曬干后稱取鈴重，經(jīng)小型皮輥軋花機軋花后測定其纖維重、 種子重，從而計算衣分和籽指等產(chǎn)量性狀。各小區(qū)取20 g 纖維送原農(nóng)業(yè)部棉花纖維品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心HVI900 系列測定， 檢測指標包括纖維上半部平均長度（mm）、整齊度（%）、馬克隆值、伸長率（%）、斷裂比強度（cN·tex－1）共 5 個指標。

1.3 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象中心南昌氣象觀測站（28°6' N，115°91' E），該站靠近試驗地點（28°09'N,115°27'E）。 表1 列出了試驗期間棉鈴開花至吐絮期間日平均溫度 （MDT）， 日均最高溫度（MDTmax），日均最低溫度（MDTmin）、日均晝夜溫差（MDTdif）和棉鈴發(fā)育期間的總降水量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

以小區(qū)為單位統(tǒng)計處理平均數(shù)， 采用SPSS20.0 統(tǒng)計分析軟件包的一般線性模型（GLM）對實驗數(shù)據(jù)進行方差分析，獨立樣本t測驗分離處理平均數(shù)。 按基因型和年份對不同取樣時期的碳水化合物濃度和蔗糖代謝酶活性取平均值，采用配對樣本t測驗比較早晚播期的差異。采用Origin8.5 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 早晚播棉鈴發(fā)育的時長與溫度差異

2 年晚播播種時間的差異是由于2016 年早晚播棉鈴開花期相近，為創(chuàng)造鈴期溫度更大的差異，故進一步推遲2017 年晚播的播種日期。 2 年晚播鈴期均長于早播，2016 年晚播鈴期 （棉鈴開花至吐絮）延長3 d，2017 年延長8 d；晚播鈴期日平均溫度、日均最高溫度、日均最低溫度、平均晝夜溫差均低于早播（表1）。

表1 2016-2017 年棉鈴開花到吐絮期日均溫度、日均最高溫度、日均最低溫度、日均晝夜溫差和總降水量Table 1 Mean daily temperature, mean daily maximum temperature, mean daily minimum temperature, mean diurnal temperature difference, and total precipitation during flowering to boll opening in 2016 and 2017

表2 播期對鈴重、衣分和棉鈴產(chǎn)量性狀的影響Table 2 Effects of planting dates on boll size, lint percentage and within-boll yield components

2.2 播期對棉鈴鈴內(nèi)產(chǎn)量性狀的影響

由表2 可知， 2016 年和 2017 年 A201，及2016 年A705 晚播的鈴重、單鈴種子質(zhì)量均顯著高于早播；2 年試驗A201 晚播的籽指均顯著高于早播；2016 年A201 的單鈴纖維質(zhì)量表現(xiàn)為晚播顯著大于早播；2 年試驗A201 的衣分表現(xiàn)為晚播顯著低于早播。 以上結(jié)果表明晚播相對低溫條件下棉鈴發(fā)育好于早播。

2.3 播期對棉鈴纖維品質(zhì)的影響

由表3 可知，2 年試驗中晚播纖維上半部平均長度高于早播， 其中 2 年 A705 和 2016年A201 均達到顯著水平；晚播纖維整齊度指數(shù)、伸長率和斷裂比強度略高于早播，但差異均不顯著； 馬克隆值早播高于晚播，2017 年2品系均表現(xiàn)顯著差異。 表明晚播纖維品質(zhì)略好于早播。

表3 播期對纖維品質(zhì)的影響Table 3 Effects of planting dates on fiber quality parameters

2.4 播期對棉鈴對位葉碳水化合物濃度的影響

棉鈴對位葉蔗糖水平整體趨勢變化平緩，除2017 年開花后 5 d 外，2 年間 A705 和 A201 棉鈴對位葉蔗糖濃度晚播均高于早播 （圖1a）。 2016年晚播棉鈴對位葉己糖濃度各時期均表現(xiàn)高于早播，2017 年早晚播的差異因取樣時期而異，開花后5～10 d，早播己糖濃度大于晚播；開花后45 d，晚播高于早播（圖 1b）。 A201 除 2016 年24 DPA 和 2017 年 10 DPA 外， 其他各取樣時期淀粉濃度均表現(xiàn)為早播高于晚播，2017 年A705除10 DPA 外， 其他各時期淀粉濃度均表現(xiàn)早播高于晚播（圖 1c）。

圖1 不同播期條件下棉鈴對位葉碳水化合物濃度的變化Fig.1 Dynamics of carbohydrate components concentration in boll-subtending leaf at two planting dates

表4 播期對棉鈴對位葉己糖、蔗糖和淀粉的平均值和最大值的影響（2016―2017）Table 4 Effects of planting date on the mean, maximum contents of hexose, sucrose and starch in the leaf subtending to cotton boll（2016-2017）

由表 4 可知，2 年 A705 和 A201 棉鈴對位葉各取樣時期的蔗糖平均濃度及最大值晚播均顯著高于早播。 2016 年A705 和A201 棉鈴對位葉各取樣時期的己糖平均濃度表現(xiàn)為晚播顯著高于早播；2017 年A201 己糖濃度最大值表現(xiàn)為早播顯著高于晚播。 不同播期棉鈴對位葉的淀粉平均濃度和最大值的差異因基因型和年份而異。 綜上所述，表明晚播相對低溫條件下，棉鈴對位葉蔗糖濃度高于早播（圖1a，表4）。

2.5 播期對棉鈴對位葉蔗糖代謝關鍵酶活性的影響

2 年棉鈴對位葉VIN 酶活性表現(xiàn)為隨開花后天數(shù)增加基本呈下降趨勢（圖2a），各取樣時期的酶活性平均值除2016 年A201 外 （差異不顯著），均表現(xiàn)為早播高于晚播，其中2016 年A705和2017 年A201 均達到顯著水平。VIN 酶活性峰值均表現(xiàn)為早播高于晚播，2017 年 A705 和A201 達到顯著水平 （表 5）。 2 年棉鈴對位葉CWIN 酶活性除 2017 年 A201 的 24 DPA 和 45 DPA 外，其他各時期均表現(xiàn)為早播棉鈴對位葉的CWIN 酶活性高于晚播（圖2b），酶活性平均值2年均表現(xiàn)為早播顯著高于晚播, 且酶活性峰值也表現(xiàn)為早播高于晚播，除2017 年A201 外均達到顯著（表 5）。 2 年未發(fā)現(xiàn) 2 個品系的 SPS 酶活性對早晚播的響應具有一致性（圖3a，表5）。 SS 酶活性 2016 年 2 品系除 A201 的 45 DPA 外，各時期早播均高于晚播。 2017 年A705 除 31DPA 和45 DPA 外，各時期均表現(xiàn)早播高于晚播，2017 年A201 在棉鈴對位葉生長初期 （5 DPA） 和后期（31～45 DPA） 均表現(xiàn)早播高于晚播 （圖3b）。2016 年 A705 和A201 的 SS 平均值和峰值均表現(xiàn)為早播顯著大于晚播，2017 年 A705 的 SS 峰值表現(xiàn)為早播顯著大于晚播，其余未見顯著差異（表5）。 綜上所述，表明晚播相對低溫條件下，棉鈴對位葉CWIN 和SS 酶活性受到抑制， 早晚播對VIN 和SPS 酶活性的影響因年份、 基因型和取樣時期而異。

圖2 不同播期條件下棉鈴對位葉VIN 和CWIN 酶活性的變化Fig.2 Dynamics of VIN and CWIN activities in the leaf subtending to cotton boll at two planting dates

圖3 不同播期條件下棉鈴對位葉SPS 和SS 酶活性的變化Fig.3 Dynamics of SPS and SS activities in the boll-subtending leaf at two planting dates

3 討論

3.1 不同播期條件下棉鈴鈴內(nèi)產(chǎn)量性狀及纖維品質(zhì)的差異

棉鈴發(fā)育受多種因素影響，溫度被認為是對棉鈴發(fā)育影響最大的環(huán)境因素。 Liakatas 等[16]報道低溫（26 ℃/16.5 ℃ 晝溫 /夜溫）較高溫（30 ℃/20 ℃晝溫/夜溫）提高了鈴重和衣分。鈴重、單鈴纖維質(zhì)量、 單鈴種子質(zhì)量和籽指隨溫度從18 ℃升高到25.5 ℃而增加，但在更高的溫度（29.5 ℃）時快速下降[17]。 在本試驗中，2 年 A705 和 A201鈴重、單鈴纖維質(zhì)量、單鈴種子質(zhì)量和籽指均為晚播相對低溫條件下表現(xiàn)更高，這可能是由于本試驗晚播條件下鈴期日均溫 （2016 年25.2 ℃，2017 年 23.1 ℃）較早播（2016 年 26.8 ℃，2017 年28.3 ℃）更適宜棉鈴生長發(fā)育。 且晚播條件下，棉鈴具有更長的發(fā)育期，這可能是晚播棉鈴鈴重更高的原因之一。 Yeates 等[18]認為花鈴期低溫和低太陽幅射共同造成棉株生長速率下降，但棉鈴充實階段延長，從而達到高產(chǎn)。 棉纖維品質(zhì)形成受溫度影響，纖維正常發(fā)育的溫度是20～30 ℃，日均溫22 ℃被認為是纖維伸長的最適溫度[17]。 這與本試驗晚播所處的溫度23.1～25.2 ℃更接近，這可能是A705 和A201 晚播纖維上半部平均長度更高的主要原因。 纖維長度是由伸長速率及快速伸長時間綜合協(xié)調(diào)決定，研究發(fā)現(xiàn)高溫增加伸長速率，縮短快速伸長時間，高溫增加的伸長速率并不能補償伸長時間縮短對纖維伸長造成的不利影響[19]，而晚播低溫條件下伸長時間的延長可補償降低的伸長率[20]。 同樣，晚播條件下纖維比強度增加，這與王友華等[21]和Bauer 等[22]人研究一致；但與Liakatas 等[16]的研究不同，他們認為在 30 ℃/20 ℃（晝 / 夜） 時的纖維比強度高于26 ℃/16.5 ℃（晝 / 夜）。 Lokhande 等[17]報道在氣溫18.01～29.5 ℃范圍內(nèi)， 纖維比強度與日平均溫度呈線性正相關。 纖維強度的形成受纖維素沉積速率和時間決定，Wang 等[23]發(fā)現(xiàn)纖維強度與纖維素沉積速率呈負相關，而與纖維素沉積時間呈正相關。 可能在低溫情況下，延長的纖維素沉積時間彌補了纖維素沉積速率下降的影響，這可能是晚播條件下纖維比強度增加的原因。 馮國藝等[24]報道在濱海鹽堿地雜交棉品種（冀雜2 號）隨播期推遲纖維品質(zhì)提高，原因可能在于播期推遲有助于緩解對棉花生長發(fā)育的鹽堿脅迫。 這與本研究適當推遲播期有助緩解生育前期低溫的脅迫類似。 綜上所述，晚播相對低溫條件下，纖維品質(zhì)略好于早播。

3.2 不同播期條件下棉鈴對位葉蔗糖代謝的差異

棉花通過葉片光合作用產(chǎn)生同化物，棉鈴對位葉為棉鈴提供了其生長發(fā)育所需能量的80%以上[25]。 溫度過高或過低均會導致棉鈴對位葉碳水化合物合成及轉(zhuǎn)運受到抑制,從而降低鈴重[3,26]。本研究發(fā)現(xiàn)，2 年間晚播相對低溫條件下A705和A201 棉鈴對位葉蔗糖濃度均表現(xiàn)高于早播，即晚播條件下棉鈴對位葉有潛力供給棉鈴更多的蔗糖，從而提高鈴重。 這與Liu 等[6]的研究結(jié)果相反，他們認為晚播蔗糖濃度較高的原因是低溫阻礙了棉鈴對位葉內(nèi)蔗糖向外轉(zhuǎn)運，導致鈴重降低，可能是由于其研究中晚播所處溫度過低。 在其他植物中也發(fā)現(xiàn)蔗糖隨溫度降低而累積[27-28]。本研究發(fā)現(xiàn)2 年在晚播條件下SS 酶活性降低，這與Liu 等[6]的研究一致。 晚播低溫抑制SS 酶活性，植物中的SS 優(yōu)先催化蔗糖的分解[8,29]，晚播蔗糖分解減少，可能是晚播棉鈴對位葉中蔗糖積累較多的原因之一。 此外，本研究還發(fā)現(xiàn)晚播棉鈴對位葉中CWIN 酶活性也降低，其主要功能是在植物韌皮部的源庫兩端影響蔗糖的裝運與卸載，從而調(diào)節(jié)碳的分配[30]，這可能是晚播棉鈴對位葉蔗糖濃度較高的又一原因。 綜上所述，晚播相對低溫下抑制棉鈴對位葉SS 和CWIN 酶活性，因而減少了蔗糖的分解，使晚播條件下棉鈴對位葉有更多的蔗糖向棉鈴轉(zhuǎn)運，這可能是晚播鈴重增大和纖維品質(zhì)提高的主要原因。

表5 播期對棉鈴對位葉VIN，CWIN，SPS 和SS 活性的平均值和最大值的影響（2016―2017）Table 5 Effects of planting date on the mean and maximum of VIN, CWIN, SPS and SS activities in the leaf subtending to cotton boll（2016―2017）

4 結(jié)論

晚播相對低溫條件下， 棉鈴發(fā)育時間延長，鈴重、單鈴種子質(zhì)量和籽指提高，衣分下降；晚播纖維長度增加，馬克隆值下降；晚播低溫降低了棉鈴對位葉CWIN 和SS 酶活性，蔗糖濃度升高，晚播棉鈴對位葉有更多的蔗糖向棉鈴轉(zhuǎn)運，因而有利于鈴重增大和纖維品質(zhì)提高。 上述研究可以為生產(chǎn)上合理調(diào)節(jié)播種期，提高纖維品質(zhì)提供參考依據(jù)。