土壤含水量和密度對(duì)棉苗花芽分化的調(diào)控效應(yīng)及其生理學(xué)機(jī)制*

秘雅迪, 李 慧, 馮海平, 周子岳, 劉連濤,張永江, 白志英,2, 孫紅春**

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省作物生長(zhǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 保定 071001;2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 保定 071001)

棉花(Gossypium hirsutumL.)是重要的經(jīng)濟(jì)作物。為“不與糧爭(zhēng)田”, 我國(guó)棉業(yè)擴(kuò)大鹽堿和旱地植棉面積, 實(shí)現(xiàn)節(jié)水、輕簡(jiǎn)化栽培[1-2]。適當(dāng)晚播、合理密植可以顯著改善作物水分利用效率[3]; 增加密度可以使棉花果枝變短, 株型更為緊湊, 集中吐絮,塑造適合機(jī)械采收的株型[4], 對(duì)提高棉花生產(chǎn)效益具有重要意義。

通過調(diào)整種植密度來影響植株由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)進(jìn)度, 從而調(diào)控花芽分化進(jìn)程, 對(duì)不同熟性棉花生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程、產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生重要影響[5-6]。棉花花芽分化是從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)的重要標(biāo)志[7]。Li等[8]研究表明, 隨種植密度增加, 棉花第一果枝節(jié)位出現(xiàn)時(shí)間推遲; 支曉宇等[9]研究表明, 隨種植密度的增加, 棉花營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)分配比例提高;Wen等[10]研究表明, 調(diào)虧灌溉處理下, 棉花植株的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)受到抑制, 進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段時(shí)間提早?？梢?調(diào)控水分和種植密度是棉花輕簡(jiǎn)化栽培的重要技術(shù)手段?；ㄑ糠只钠鹗际敲藁ㄓ蔂I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)階段。目前關(guān)于棉花花芽分化研究集中在品種熟性及遺傳機(jī)理等方面[11-12], 協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)關(guān)系的研究多集中于中后期[13-14], 通過栽培技術(shù)手段對(duì)棉苗花芽分化的影響研究較少。

植物激素對(duì)植物花芽分化的調(diào)控機(jī)制十分復(fù)雜。植物內(nèi)源激素含量及平衡狀態(tài)通過調(diào)控能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝(碳水化合物、含氮化合物等), 對(duì)棉花花芽分化產(chǎn)生較大影響[15]; 激素的多少與運(yùn)轉(zhuǎn)方向又受體內(nèi)物質(zhì)代謝、營(yíng)養(yǎng)水平及外界自然條件、栽培技術(shù)措施的影響[8,16]。大量研究表明, 可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖的積累有利于花芽分化[17]。鄧永勝等[11]研究表明, 在棉花花芽分化中, 更高的碳氮比是加快完成分化的生理代謝基礎(chǔ)。同樣, 花芽分化也是由多種內(nèi)源激素共同調(diào)節(jié)完成的[18]。任桂杰等[19]研究表明, ABA/IAA、GA3/IAA、CTK/IAA等比值均在棉花花芽分化中起重要的調(diào)控作用。Fang等[20]研究表明, ZR和GA3含量降低可延緩花芽分化, IAA含量減少也可能加速棉花花芽分化?？梢? 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與激素之間對(duì)花芽分化的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜, 互為因果。而目前關(guān)于激素平衡控制花芽分化假說和C/N比學(xué)說僅提出了花芽分化期間各種激素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控作用,關(guān)于種植密度和水分對(duì)信號(hào)物質(zhì)影響的研究多表現(xiàn)為單一因素調(diào)控[11,15], 而棉花第一朵花的原基開始分化通常在其第2片真葉或者第3片真葉展平時(shí)[21],因此, 對(duì)棉花早期花芽分化過程中起決定性作用的因素還需進(jìn)一步探索。

本試驗(yàn)基于黃河流域棉區(qū)輕簡(jiǎn)化栽培模式, 通過水分和種植密度互作效應(yīng), 采用棉花花芽分化微觀結(jié)構(gòu)觀察、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分析與激素分析相結(jié)合等方法, 研究棉花花芽分化早期可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖及內(nèi)源激素含量的調(diào)控效應(yīng), 為黃河流域棉花節(jié)水、輕簡(jiǎn)化栽培模式提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)清苑試驗(yàn)站(E115°47′, N38°76′)進(jìn)行, 該地屬暖溫帶季風(fēng)氣候,土質(zhì)為壤土。試驗(yàn)地有機(jī)質(zhì)含量13.73 g·kg-1, 全氮0.94 g·kg-1, 堿解氮74.54 mg·kg-1, 速效磷12.83 mg·kg-1,速效鉀110 mg·kg-1。

本試驗(yàn)供試棉花品種為‘農(nóng)大601’, 于5月4日播種, 播前底施復(fù)合肥375 kg·hm-2。采取二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)方法, 主區(qū)為土壤水分處理, 從底墑水開始進(jìn)行差異處理, 設(shè)充分灌溉(對(duì)照, CK)量為900 m3·hm-2和干旱(D)處理灌溉量為450 m3·hm-2,土壤含水量設(shè)置見表1。副區(qū)為密度, 設(shè)6萬株·hm-2(低密度)、9萬株·hm-2(中密度)和12萬株·hm-2(高密度) 3個(gè)水平。在棉花第1片真葉展平之前間苗, 間苗前密度為設(shè)定的2倍左右。共6個(gè)處理, 簡(jiǎn)寫為CK-6、CK-9、CK-12、D-6、D-9和D-12。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù), 小區(qū)面積為120 m2, 行距為0.76 m,其他管理措施同常規(guī)試驗(yàn)田。

表1 不同水分處理棉花2葉期和6葉期不同土層田間土壤相對(duì)含水量Table 1 Relative water contents (percentage of field capacity)of different soil layers at 2-leaf stage and 6-leaf stage of cotton under different water treatments

1.2 樣品采集與測(cè)定

分別于棉花2葉期和3葉期取莖尖生長(zhǎng)點(diǎn), 每個(gè)處理10個(gè)樣品, 兩個(gè)小區(qū)重復(fù)。FAA固定, 用于花芽分化微觀結(jié)構(gòu)觀察; 稱取若干數(shù)量的棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)0.1 g和0.2 g備用, 液氮速凍后-80 ℃冰箱保存, 用于可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和內(nèi)源激素含量的測(cè)定。

棉花花芽分化微觀結(jié)構(gòu)觀察參照楊捷頻[22]的傳統(tǒng)石蠟切片法。流程如下: FAA固定→脫水→透明→浸蠟→包埋→切片→脫蠟→番紅固綠染色→封片。

參考鄒琦[23]的方法, 用傳統(tǒng)考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)含量; 采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量, 由南京建成生物工程研究所試劑盒測(cè)定。

測(cè)定的內(nèi)源激素包括IAA、ABA、GA3和ZR, 采用酶聯(lián)免疫法, 由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物化控研究中心測(cè)定。

生長(zhǎng)速度分別用現(xiàn)蕾節(jié)位或始果枝節(jié)高度/現(xiàn)蕾時(shí)所需天數(shù)計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用MS Excel 2010和SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α＝0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量和種植密度對(duì)棉花花芽形態(tài)分化的影響

不同土壤含水量和種植密度處理下, 棉花2～3葉期的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。2～3葉期時(shí), 棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)由生長(zhǎng)錐型逐漸變扁平, 細(xì)胞密集程度變平緩。2～3葉期時(shí), 隨著種植密度的增加, 棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的橫縱比變小(表2), 說明隨種植密度增加, 生長(zhǎng)點(diǎn)的分化速度變緩慢; 但高密度有利于棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng), 棉花節(jié)位和縱向生長(zhǎng)速度較快(表3); 干旱處理與對(duì)照組相比, 莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的橫縱比變化差異不顯著(表2), 但減緩了棉苗的節(jié)位和縱向生長(zhǎng)速度(表3)。隨種植密度的增加, 棉花現(xiàn)蕾節(jié)位提高, 始果枝節(jié)高度顯著提高, 生長(zhǎng)點(diǎn)分化速度較緩慢; 干旱處理棉花現(xiàn)蕾節(jié)位相對(duì)降低, 始果枝節(jié)高度變低,但加快了生長(zhǎng)點(diǎn)分化速度; 水分和種植密度對(duì)棉花始果枝節(jié)高度的互作效應(yīng)顯著, CK-9和CK-12處理顯著高于其他處理(表3)。

表2 不同土壤含水量及種植密度處理對(duì)棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)橫縱比的影響Table 2 Effect of different soil water content and planting density treatments on the aspect ratio of cotton shoot apical meristem

表3 不同土壤含水量及種植密度處理對(duì)棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)分化速度的影響Table 3 Effect of different soil water content and planting density treatments on the differentiation process of cotton shoot apical meristem

2.2 土壤含水量和種植密度對(duì)棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖含量的調(diào)控效應(yīng)

棉花2～3葉期莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的可溶性蛋白質(zhì)含量有一定的變化(圖2A)。2葉期時(shí), D-6處理棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的可溶性蛋白質(zhì)含量均顯著高于其他處理;D-9、D-12處理棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的可溶性蛋白質(zhì)含量顯著降低。3葉期時(shí), 不同處理的可溶性蛋白質(zhì)含量無顯著差異。

不同土壤水分和種植密度對(duì)2～3葉期棉花可溶性糖含量產(chǎn)生一定的影響(圖2B)。2葉期時(shí), D-6處理棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的可溶性糖含量均顯著高于其他處理。3葉期時(shí), 各處理的可溶性糖含量顯著增加,CK-6處理增幅最大。

2.3 土壤含水量和種植密度對(duì)棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)不同內(nèi)源激素的影響

2.3.1 對(duì)內(nèi)源激素含量的影響

不同處理下棉花花芽分化起始時(shí)的內(nèi)源激素含量變化如圖3所示。2葉期時(shí), CK處理3個(gè)種植密度下棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)IAA含量高于D處理, 但未達(dá)顯著水平。隨著種植密度的增加, 干旱處理下棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)內(nèi)源激素ABA含量逐漸降低, 而CK-12處理下內(nèi)源激素ABA含量最高。CK-9處理棉花花芽中ZR含量最高, D-6處理ZR含量最低; D-6處理GA3含量顯著增加。

3葉期時(shí), D-9處理棉花花芽?jī)?nèi)源激素IAA含量顯著低于其他處理, CK-9和D-9處理內(nèi)源激素GA3含量低于其他處理, 高密度D-12處理棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)內(nèi)源激素ABA含量顯著高于其他處理。

2.3.2 對(duì)不同內(nèi)源激素比例的影響

棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)不同內(nèi)源激素含量比例對(duì)花芽分化產(chǎn)生不同影響, 結(jié)果如圖4所示。在2葉或3葉期, 同一處理下棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值變化趨勢(shì)基本相同。2葉期時(shí), CK-9處理棉花內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值顯著高于另外兩個(gè)密度處理; 干旱處理下隨著種植密度的增加, 內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值呈增加趨勢(shì)。2葉期D-6處理棉花生長(zhǎng)點(diǎn)內(nèi)源激素GA3/ABA比值高于其他處理, D-9處理最低。

3葉期時(shí), 棉花各處理莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)內(nèi)源激素比值變化與2葉期表現(xiàn)不一致, CK-12和D-12處理棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值顯著低于其他處理(IAA/ABA D-12處理除外), GA3/ABA比值高于其他處理。

2.4 土壤含水量和種植密度對(duì)棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)影響的主成分分析

對(duì)棉花花芽分化起始階段的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析, 得出 3個(gè)主成分, 其累計(jì)貢獻(xiàn)率可達(dá)89.83%。不同時(shí)期的主成分得分矩陣如表4所示。主成分1中, 可溶性蛋白質(zhì)、ZR、GA3和ABA含量及IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值對(duì)花芽分化調(diào)控效應(yīng)較大; 在主成分2中, 無論2葉期還是3葉期, 對(duì)棉花花芽分化正效應(yīng)影響最大的是IAA含量; 主成分3中, 2葉期時(shí)可溶性糖含量變化對(duì)棉花花芽分化正效應(yīng)影響最大, 3葉期時(shí)可溶性糖含量和ZR含量對(duì)棉花花芽分化正效應(yīng)影響最大。因此, 在棉花花芽分化起始過程中, 莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)可溶性糖含量、內(nèi)源激素IAA和ZR含量對(duì)花芽分化起始影響較為顯著。

表4 不同時(shí)期棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)可溶性糖、蛋白質(zhì)及內(nèi)源激素含量的主成分分析得分系數(shù)矩陣Table 4 Principal component analysis score coefficient matrix of soluble sugar, protein and endogenous hormones contents in cotton shoot apical meristem at two- and three-leaf stages

3 討論

3.1 土壤含水量和種植密度對(duì)棉花花芽分化進(jìn)程的影響

土壤含水量和種植密度均改變了棉花花芽分化進(jìn)程, 協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng), 進(jìn)而對(duì)第一果枝形成與始節(jié)高度產(chǎn)生影響[24]。高密度群體下, 植株避蔭反應(yīng)誘導(dǎo)植物體形態(tài)特征改變, 如促進(jìn)葉柄伸長(zhǎng)和提早開花[25]。在黃河流域棉區(qū), 種植密度由6.75萬株·hm-2提高到12萬株·hm-2, 第一果枝節(jié)高度顯著增加[26]。大豆[Glycine max(L.) Merr.]在高密度條件下, 控制中部節(jié)間長(zhǎng)度, 增加植株中、上部節(jié)的成花數(shù), 從而提高產(chǎn)量[27]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 隨著種植密度的增加, 棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)橫縱比降低, 分化速度減慢, 現(xiàn)蕾節(jié)位提高, 始果枝節(jié)高度顯著增加, 縱向生長(zhǎng)速度較快。與對(duì)照相比, 干旱加快莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的分化速度, 但減緩生長(zhǎng)速度, 現(xiàn)蕾節(jié)位降低,始果枝節(jié)高度顯著降低, 可見土壤含水量和密度綜合效應(yīng)明顯。因此, 隨著種植密度的增加, 棉花花芽分化適當(dāng)推遲, 可延遲現(xiàn)蕾開花時(shí)間, 增強(qiáng)后期長(zhǎng)勢(shì), 避免誘發(fā)早衰, 有利于棉花達(dá)到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

3.2 土壤含水量和種植密度對(duì)棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與內(nèi)源激素的調(diào)控效應(yīng)

在棉花生育進(jìn)程的調(diào)節(jié)中, 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與各種內(nèi)源激素相互協(xié)調(diào)發(fā)揮著重要作用[15-19]。碳和氮是花芽分化的前提和基礎(chǔ), 也是花芽分化的重要營(yíng)養(yǎng)和能量來源。在花芽分化過程中, 可溶性糖和淀粉含量的積累有利于花器官的形成, C/N值增長(zhǎng)幅度越大,分化率越大[28]。在花芽分化開始時(shí)棉花頂芽中具有較高的可溶性糖和蔗糖含量[20]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 2葉期時(shí), 干旱條件下低密度處理棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖含量顯著高于其他處理,橫縱比高, 分化速度快; 隨著生育進(jìn)程的推進(jìn), 各處理莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)可溶性蛋白質(zhì)含量降低, 可溶性糖含量增加, 有利于花芽分化的進(jìn)行。

前人研究表明, 在棉花中, 更高水平的GA3、ZR及ABA含量, 低水平IAA含量均有利于花芽分化[29]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, D-6處理ZR含量有一定上升是花芽分化起始的關(guān)鍵, GA3含量變化不大。此外對(duì)水分供應(yīng)與棉花花芽分化過程中的激素水平研究表明, 水分脅迫下, ABA含量增加, 促進(jìn)植株的開花提早[30]。本試驗(yàn)表明, 高密度條件下, 棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)內(nèi)源激素ABA含量增加, 對(duì)棉花分化進(jìn)程有抑制作用, 與前人研究結(jié)果不盡一致[31]。

內(nèi)源激素對(duì)花芽分化的調(diào)控并不決定于單一的激素, 而是依賴于不同激素的動(dòng)態(tài)平衡, 即不同激素的比值變化[32]。較低的ABA/GA3、IAA/GA3和IAA/ABA有利于西紅花(Crocus sativusL.)從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變[33]; 內(nèi)源激素GA3/IAA、ABA/IAA比值有利于棉花花芽分化起始[11]; 在分化過程中, ABA/IAA、GA3/IAA和CTK/IAA均表現(xiàn)出先上升后下降, 最后趨于平衡的狀態(tài)[8]。而本試驗(yàn)結(jié)果表明, 干旱條件下隨著密度的降低, 內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA呈降低趨勢(shì), 有利于棉花莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)分化。

關(guān)于植物花芽分化規(guī)律的調(diào)控因子研究結(jié)果各異: 前人研究表明, 適度干旱條件下, 合適的C/N和ABA/IAA可促進(jìn)草莓(Fragaria ananassaDuch.)花芽分化[34]; 也有研究認(rèn)為IAA、ABA含量和可溶性糖含量指標(biāo)對(duì)石蒜[Lycoris radiata(L’Her.) Herb.]花芽分化影響最大[35]。本研究表明, 在棉花花芽分化起始階段, 莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的可溶性糖含量、內(nèi)源激素IAA和ZR含量對(duì)花芽分化調(diào)控效應(yīng)最顯著。

4 結(jié)論

土壤含水量和密度均改變棉花花芽分化進(jìn)程,干旱與對(duì)照相比, 降低了現(xiàn)蕾節(jié)位與始果枝節(jié)高度,干旱條件下密度為6萬株·hm-2處理棉苗莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)可溶性蛋白含量、可溶性糖含量最高, ZR含量較低,有利于花芽分化; 密度增加, 莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)橫縱比變小, 現(xiàn)蕾節(jié)位與始果枝節(jié)高度會(huì)增加, 減緩了花芽分化速度, 內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+ GA3)/ABA比值呈增加趨勢(shì), 不利于花芽分化; 隨著生育進(jìn)程的推進(jìn), 莖尖生長(zhǎng)點(diǎn)的可溶性蛋白含量降低、可溶性糖與內(nèi)源激素ZR含量增加,有利于花芽分化的進(jìn)行?？偟膩碚f, 可溶性糖含量與內(nèi)源激素ZR含量對(duì)花芽分化調(diào)控效應(yīng)最顯著,為調(diào)控棉苗花芽分化提供理論依據(jù)。