減量灌溉對轉(zhuǎn)ScALDH21基因棉花農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

李生梅, 張大偉, 迪麗拜爾·迪力買買提, 魏鑫,芮存, 楊濤, 耿世偉, 高文偉*

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 烏魯木齊 830052; 2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所， 烏魯木齊 830091)

棉花是重要的經(jīng)濟作物，也是我國紡織服裝工業(yè)的主要原料之一[1]。新疆作為我國最大的棉花種植區(qū)域，單產(chǎn)和總產(chǎn)居全國之首[2]。然而，新疆地區(qū)年降雨量少，蒸發(fā)量大，水資源相對匱乏。棉花生長發(fā)育需要的水分補給基本上靠雪水融化和地下灌溉，因此，干旱已成為限制棉花產(chǎn)量與品質(zhì)的主要因素[3]。為減少干旱造成的經(jīng)濟損失，研究棉花水分脅迫生理及其適應(yīng)機制及尋找棉花水資源高效利用途徑具有十分重要的生產(chǎn)意義和現(xiàn)實價值[4]。隨著植物基因工程研究取得迅速的發(fā)展，利用抗旱相關(guān)基因提高棉花的耐旱性、實現(xiàn)棉花產(chǎn)量的增加是一種經(jīng)濟和高效的途徑[5]。

醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)能催化醛類氧化為相應(yīng)的羧酸，起到醛類物質(zhì)清除劑的作用，因此在植物逆境中起著重要作用[6-9]。苔蘚攜帶2種獨特的醛脫氫酶基因(ALDH)，其中一種為ALDH21，最早從山墻蘚(Tortularuralis)中克隆得到[10-11]。諸多研究表明，該基因具有較強的抗逆功能[11-16]。過表達(dá)ScALDH21基因可增強煙草的耐鹽和耐旱性，鹽和干旱脅迫使煙草植株的萌發(fā)和生長降低，但轉(zhuǎn)基因煙草表現(xiàn)出更好的抗逆能力[14]。在鹽脅迫下，轉(zhuǎn)ScALDH21基因能提高棉花的耐鹽性，轉(zhuǎn)基因株系的幼苗在株高等生長和生理性狀均表現(xiàn)出優(yōu)勢[15]。在15%PEG脅迫下，轉(zhuǎn)ScALDH21基因棉花的抗性顯著提高[16]。有研究發(fā)現(xiàn)，與全生育期充足灌溉相比，適度干旱脅迫后部分棉花品種的表型及產(chǎn)量性狀表現(xiàn)優(yōu)于對照[17]。因此，不同生育期減量灌溉對植株的生長發(fā)育和產(chǎn)量影響較大，而有關(guān)轉(zhuǎn)基因棉花不同生育期減量灌溉對農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量影響的研究鮮見報道。

本研究選取轉(zhuǎn)抗旱基因ScALDH21棉花株系T14-96和其受體新農(nóng)棉1號為研究材料，研究不同生育期灌溉量減少30%的水平下其農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及品質(zhì)性狀的差異，探究轉(zhuǎn)ScALDH21基因棉花對不同生育期節(jié)水脅迫的響應(yīng)，為棉花抗旱新品種的選育和灌溉方式的優(yōu)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院瑪納斯試驗站(N 44°18′，E 86°13′)進(jìn)行。該地區(qū)晝夜溫差大，最熱月(7月)平均氣溫25.6 ℃，極端高溫37 ℃，極端低溫14 ℃，日溫差10～18 ℃，年均日照時數(shù)2 700 ～2 800 h，年均氣溫7.2 ℃，年均降水量173.3 mm, 年均蒸發(fā)量2 141 mm，全年無霜期165～172 d，屬于中溫帶大陸性干旱氣候[18]。

1.2 試驗設(shè)計

供試材料轉(zhuǎn)抗旱基因ScALDH21棉花T10代穩(wěn)定株系T14-96和新農(nóng)棉1號均由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所早熟棉課題組提供。小區(qū)試驗采用防雨抗旱池栽培，每個池均安裝水表，分別控水，整個生育期滴水5次。試驗設(shè)置4個處理，分別為全生育期正常灌水(CK)、苗蕾期減量灌溉30%(M3)、花鈴期減量灌溉30%(H3)以及苗蕾期和花鈴期連續(xù)減量灌溉30%(W3)，灌溉定額依次為2 475.00、2 307.45、2 125.05、1 781.55 m3·hm-2，棉花各階段灌溉量詳見表1。每個處理重復(fù)3次，總計24個試驗小區(qū)，每份材料種植1膜，采用一膜四行種植模式(66+10+66+10)cm，株距13.5 cm，播幅1.52 m，行長1.8 m，每個試驗小區(qū)面積為2.736 m2。

表1 不同生育期的灌水量Table 1 Irrigation amount in different growth stages (m3·hm-2)

1.3 測定項目與方法

2018年9月10日，選擇連續(xù)且長勢均勻的10株植株用于測定棉花株高(plant height，PH)、第一果枝高度(height of the first branch, FBH)、始節(jié)數(shù)(number of the first branch, NOB)、果枝數(shù)(fruit branch number, FBN)和單株結(jié)鈴數(shù)(boll number per plant, BN)。9月30日收獲棉株中部果枝第1～2果節(jié)吐絮正常的25朵鈴，曬干軋花稱重，測定單鈴重(single boll weight, BW)、衣分(lint percentage, LP)、子指(seed index, SI)、衣指(lint index, LI)、子棉產(chǎn)量(seed cotton yield, SCY)、皮棉產(chǎn)量(lint cotton yield, LCY)，并稱重15 g皮棉送至新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所檢測纖維品質(zhì)，包括上半部平均長度(fiber length, FL)、斷裂比強度(specific breaking strength, FS)、馬克隆值(micronaire, FM)、整齊度指數(shù)(uniformity, FU)和伸長率(elongation, FE)。所有性狀均參照《農(nóng)作物田間試驗記載項目及標(biāo)準(zhǔn)》[19]進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，SPSS 21.0進(jìn)行雙因素方差分析以及Cannco 5.0繪主成分分析圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 減量灌溉對轉(zhuǎn)基因與受體棉花農(nóng)藝性狀的影響

新農(nóng)棉1號和T14-96在不同灌水處理下的農(nóng)藝性狀結(jié)果(表2)顯示，減量灌溉與材料對第一果枝高度的影響存在顯著交互效應(yīng)(P<0.05)，而對株高、始節(jié)數(shù)和果枝數(shù)的影響無顯著交互作用。其中，減量灌溉對株高、第一果枝高度和果枝數(shù)均有極顯著的影響(P<0.01)，而對始節(jié)數(shù)影響不顯著(P>0.05)，且轉(zhuǎn)基因植株和受體植株表現(xiàn)出相同的特點。

表2 不同生育期減量灌溉下新農(nóng)棉1號和T14-96的農(nóng)藝性狀Table 2 Agronomic traits of Xinnongmian 1 and T14-96 in different reduced irrigations at different stages

與CK相比，在M3、H3、W3條件下，新農(nóng)棉1號株高分別下降5.8%、7.7%、17.2%，第一果枝高度下降9.5%、14.6%、46.2%，果枝數(shù)下降5.7%、8.1%、15.8%；而T14-96的株高分別下降4.6%、7.2%、13.3%，第一果枝高度下降0.8%、3.9%、16.7%，果枝數(shù)下降1.8%、2.2%、10.6%，可見W3處理對棉花農(nóng)藝性狀影響較大。不同灌溉處理下，T14-96的株高和果枝數(shù)顯著高于受體；第一果枝高度上略高于受體，但差異不顯著。由此說明，轉(zhuǎn)ScALDH21棉花的農(nóng)藝性狀整體優(yōu)于受體，更能適應(yīng)減量灌溉環(huán)境，生存力更強。

2.2 減量灌溉對轉(zhuǎn)基因與受體棉花產(chǎn)量性狀的影響

新農(nóng)棉1號和T14-96在不同灌水處理下的產(chǎn)量性狀結(jié)果(表3)顯示，產(chǎn)量性狀不受減量灌溉與材料二者交互作用的影響(P>0.05)，而減量灌溉對單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重、衣分、子指、子棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量都具有極顯著影響(P<0.01)，對衣指影響不顯著(P>0.05)；而T14-96和新農(nóng)棉1號在產(chǎn)量性狀上均表現(xiàn)出極顯著差異(P<0.01)。

與CK相比，在M3和H3處理下，新農(nóng)棉1號單株結(jié)鈴數(shù)下降9.6%和10.4%，單鈴重提高2.2%和0.6%，衣分提高5.1%和3.5%，子指提高3.3%和1.9%，衣指提高3.5%和3.0%，子棉產(chǎn)量提高1.6%和1.4%，皮棉產(chǎn)量提高6.0%和4.2%；而T14-96單株結(jié)鈴數(shù)下降4.1%和5.4%，單鈴重提高2.3%和1.1%，衣分提高2.8%和4.6%，子指提高3.6%和1.9%，衣指提高0.8%和3.1%，子棉產(chǎn)量提高5.1%和4.1%，皮棉產(chǎn)量提高8.1%和9.0%。在W3處理下，新農(nóng)棉1號和T14-96的單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重、子指、衣指和子棉產(chǎn)量均下降，而衣分和皮棉產(chǎn)量有所提高。綜上所述，W3處理對棉花產(chǎn)量性狀影響最大；而M3和H3處理下產(chǎn)量有所提高，且轉(zhuǎn)基因材料可達(dá)到顯著提高，表明這兩個時期進(jìn)行適宜的減量灌溉，既節(jié)水又可達(dá)到增產(chǎn)的效果。

不同灌溉量處理下，T14-96單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重、子指、子棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量顯著高于受體，衣分和衣指與受體無顯著差異。其中，T14-96單株結(jié)鈴數(shù)比受體棉花分別提高了6.7%、12.1%、11.7%、11.4%；單鈴重分別提高了13.7%、13.8%、14.2%、13.9%；子指分別提高了14.5%、14.7%、14.6%、17.2%；子棉產(chǎn)量分別提高了13.1%、17.1%、16.1%、13.9%；皮棉產(chǎn)量分別提高了17.4%、19.7%、22.9%、14.3%。說明在減量灌溉下，轉(zhuǎn)ScALDH21基因株系T14-96在多數(shù)產(chǎn)量性狀上的表現(xiàn)都優(yōu)于受體。

2.3 減量灌溉對轉(zhuǎn)基因與受體棉花纖維品質(zhì)的影響

新農(nóng)棉1號和T14-96在不同灌水處理下的纖維品質(zhì)性狀結(jié)果(表4)顯示，材料和灌量二者交互作用對纖維品質(zhì)性狀的影響不顯著(P>0.05)；受減量灌溉的影響也不顯著(P>0.05)；但斷裂比強度和馬克隆值在新農(nóng)棉1號和T14-96間差異顯著(P<0.01)。

與CK相比，M3、H3、W3處理下，新農(nóng)棉1號棉纖維上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度指數(shù)和伸長率無顯著差異(P>0.05)；T14-96纖維品質(zhì)亦無顯著差異(P>0.05)。不同減量灌溉處理下，T14-96棉纖維斷裂比強度和馬克隆值略高于受體。說明轉(zhuǎn)基因和減量灌溉對棉花纖維品質(zhì)無顯著影響。

2.4 主成分分析

由于農(nóng)藝、產(chǎn)量和品質(zhì)性狀多個指標(biāo)之間存在較強的相關(guān)性，因此采用主成分分析獲取綜合變量，來研究轉(zhuǎn)基因株系T14-96與受體新農(nóng)棉1號的差異以及減量灌溉對其生長發(fā)育影響的總效應(yīng)。主成分分析(圖1)表明，提取的前2個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)66.9%，其中，PC1的貢獻(xiàn)率為52.5%，可以區(qū)分轉(zhuǎn)基因株系與受體；PC2的貢獻(xiàn)率為14.4%，可以區(qū)分不同生育期的減量灌溉；均對數(shù)據(jù)組的總變異有著較高的解釋。由表5可知，提取的4個主成分對總變異的解釋率達(dá)81.3%，表明這4個主成分可較好的反映最初16個單項指標(biāo)所涵蓋的大部分內(nèi)容。第1主成分中，株高、第一果枝高度、果枝數(shù)、單鈴重、子指、子棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量的權(quán)重系數(shù)較高，表明材料差異對這些農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀有顯著影響；第2主成分中，始節(jié)數(shù)和衣分的載荷值較高，表明始節(jié)數(shù)和衣分受減量灌溉的影響較為顯著；第3、4主成分分別是伸長率和整齊度指數(shù)載荷值較高，表明這兩個性狀也可作為參考指標(biāo)。

圖1 主成分分析Fig.1 Principal component analysis

表5 主成分載荷矩陣Table 5 Loading matrix of principal component

3 討論

水分對植物至關(guān)重要，會影響植株生長發(fā)育的整個過程[4]。棉花全生育期包括苗、蕾、花鈴以及吐絮成熟期四個階段[20]，不同生育期對水分脅迫的響應(yīng)機制存在差異[21]。水分脅迫會影響棉花的生長發(fā)育，導(dǎo)致株高降低，果枝數(shù)和鈴數(shù)減少，從而導(dǎo)致棉花減產(chǎn)[22]。南建福等[23]研究發(fā)現(xiàn)，棉花苗期進(jìn)行適當(dāng)?shù)母珊得{迫可以調(diào)控主莖高度，有利于提高經(jīng)濟產(chǎn)量。閆曼曼等[24]研究海島棉發(fā)現(xiàn)，輕度水分脅迫后，單株結(jié)鈴數(shù)增加，鈴重增大，產(chǎn)量提高；而重度水分脅迫下，由于水分嚴(yán)重缺失無法滿足棉鈴的發(fā)育需求，使單鈴重、結(jié)鈴數(shù)和產(chǎn)量均有所下降。高延軍等[25]研究發(fā)現(xiàn),蕾期或花鈴期輕度水分脅迫有利于提高棉株成鈴率。韓會玲等[26]研究發(fā)現(xiàn)，棉花蕾期和花鈴期連續(xù)受到旱脅迫會使棉鈴弱小，導(dǎo)致產(chǎn)量大幅降低。本研究通過分析不同生育期減量灌溉對棉花的影響，明確棉花在減量灌溉后農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分別在苗蕾期(M3)和花鈴期(H3)進(jìn)行減量灌溉，株高、第一果枝高度、果枝數(shù)和單株結(jié)鈴數(shù)有所下降，而單鈴重、衣分、子指、衣指、子棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量有所提高；而在蕾期和花鈴期連續(xù)減量灌溉(W3)，除皮棉產(chǎn)量和衣分外，其余指標(biāo)均有所下降。由此可見，在苗蕾或花鈴期進(jìn)行適宜的水分脅迫有利于棉花增產(chǎn)，推測可能是因為適當(dāng)?shù)臏p量灌溉使棉株的主莖變粗、單株結(jié)鈴數(shù)變少，致使單鈴分配到的同化物增多，最終使產(chǎn)量增加[27]。而2個生育期的連續(xù)減量灌溉使棉花生長發(fā)育受到較大影響，最終子棉產(chǎn)量下降，與前人研究結(jié)果一致。

ALDH家族有很多成員，例如，過表達(dá)VpALDH2B4的轉(zhuǎn)基因擬南芥對鹽脅迫和霉菌病原體表現(xiàn)出較高的抗性[28]；在大腸桿菌和酵母中過表達(dá)BrALDH7B2顯示對H2O2和NaCl的耐受性增強[29]；在鹽和PEG處理下，海島棉和陸地棉中大多數(shù)ALDH表達(dá)均被上調(diào)[30]。這些研究結(jié)果表明，ALDH基因家族在抵抗非生物逆境和生物逆境中起重要作用。齒肋赤蘚中乙醛脫氫酶基因ScALDH21具有較高的耐旱性[31]，本研究發(fā)現(xiàn)，新農(nóng)棉1號在M3、H3和W3處理下株高、第一果枝高度和果枝數(shù)均顯著低于T14-96，且降幅均大于T14-96；單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重、子指、子棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量也均顯著低于T14-96。本研究通過多角度證明，轉(zhuǎn)ScALDH21株系T14-96的抗旱能力、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量均優(yōu)于受體，且纖維品質(zhì)與受體無顯著差異。有研究表明[32-33]，ScALDH21基因過量表達(dá)顯著提高棉花的耐旱性，產(chǎn)量和纖維品質(zhì)也不會降低，與本研究結(jié)果一致。本研究進(jìn)一步證明ScALDH21基因的抗逆性對提升棉花產(chǎn)量具有重要意義，說明轉(zhuǎn)ScALDH21棉花株系對水分脅迫有較好的響應(yīng)優(yōu)勢。

篩選抗旱性強的棉花品種對節(jié)水生產(chǎn)具有重要意義[34]。因此，李海明等[35]通過對陸地棉花鈴期控水發(fā)現(xiàn)，株高、第一果枝高度、鈴數(shù)、單鈴重和子棉產(chǎn)量可作為棉花花鈴期抗旱性評價的指標(biāo)。本研究通過主成分分析表明，株高、始節(jié)高、果枝數(shù)、單鈴重、子指、子棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量是區(qū)分轉(zhuǎn)基因和受體棉花的重要因子；而始節(jié)數(shù)和衣分受減量灌溉的影響較為明顯。這可能是由于轉(zhuǎn)ScALDH21較減量灌溉對棉花生長發(fā)育的影響更大。本研究表明ScALDH21基因在減量灌溉下對棉花產(chǎn)量具有積極作用，該結(jié)果優(yōu)化了新疆棉花的灌溉模式，同時為棉花的抗逆育種提供了理論參考和種質(zhì)資源。