蕾期低溫脅迫對棉花光合特性的影響

鐘信念，梁其干，李有忠，3，趙建華，馬海霞，李志博

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院/海南三亞農(nóng)作物育種試驗(yàn)中心，海南三亞 572014；3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院生物技術(shù)研究所/作物種質(zhì)創(chuàng)新與基因資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆石河子 8320032)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為3個(gè)新疆北疆不同年代北疆主栽陸地棉棉花品種新陸早10號(hào)(1999年)、新陸早36號(hào)(2007年)、新陸早61號(hào)(2013年)，棉花種子均由新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室棉花育種室提供。

1.2 方 法

1.2.1 棉苗培養(yǎng)及處理

試驗(yàn)于2019年11月至2021年1月于新疆石河子市石河子大學(xué)綠洲生態(tài)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)購置的浙江寧波儀器廠人工智能氣候箱中進(jìn)行。選用大小相同的新發(fā)芽盒，3個(gè)品種各挑選300粒飽滿健康且已經(jīng)經(jīng)過硫酸脫絨洗凈的新陸早10號(hào)、新陸早36號(hào)、新陸早61號(hào)棉籽作為材料，用0.4%的高錳酸鉀溶液對種子進(jìn)行消毒，消毒時(shí)間為10～15 min，然后用蒸餾水560將表面殘留的高錳酸鉀溶液沖洗3～4次，沖洗后放置于經(jīng)75%酒精消毒的燒杯中備用。放置于墊有干凈濾紙(防止種子根部穿過紗布網(wǎng)眼)及紗布的發(fā)芽盒中，用56℃溫水泡種20～25 min(加快萌發(fā))，每個(gè)發(fā)芽盒放40粒種子置于加有足以潤濕發(fā)芽床的少量水，放入28℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)，觀察種子發(fā)芽長勢，當(dāng)芽長1 cm時(shí)取出種入花盆。

采用室內(nèi)人工氣候箱盆栽法培養(yǎng)棉花幼苗，選取320x250 mm規(guī)格的花盆進(jìn)行播種育苗。培養(yǎng)土采用花卉市場采購的花土與蛭石以4∶1的比例進(jìn)行混配后作為基土栽培種植。每盆保苗4株,株距10 cm，各溫度每個(gè)品種設(shè)置4盆作為重復(fù)(3盆處理、1盆對照)。出苗后每盆保留4棵長勢一致的棉苗繼續(xù)生長，每3 d以適宜的水肥澆灌于托盤從底部滲透進(jìn)基土以防止出現(xiàn)土壤板結(jié)等問題及便于植株吸收，同時(shí)適宜的蹲苗防止出現(xiàn)弱苗、高腳苗、根扎不深等栽培問題。實(shí)時(shí)觀察及時(shí)進(jìn)行蟲害管理。圖1

圖1 實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)箱

前期培養(yǎng)光照強(qiáng)度設(shè)置為50 000xl、晝夜溫度為28/20℃、光周期16 h、濕度為60%；待實(shí)驗(yàn)材料長至初始現(xiàn)蕾期時(shí),將長勢一致的實(shí)驗(yàn)材料放入人工智能氣候箱內(nèi)低溫處理培養(yǎng)。 試驗(yàn)條件濕度均設(shè)置為60%，低溫條件分別設(shè)置為①光照強(qiáng)度20 000 lx(光照強(qiáng)度根據(jù)低溫強(qiáng)度設(shè)置設(shè)置相應(yīng)的弱光進(jìn)行調(diào)節(jié))晝夜溫度20℃/15℃(白天20℃晚上15℃)光周期16 h、②光照強(qiáng)度15 000 lx晝夜溫度15℃/10℃光周期16 h、③光照強(qiáng)度10 000 lx晝夜溫度10℃/5℃光周期16 h三個(gè)低溫梯度處理。

對照組設(shè)置光照強(qiáng)度為50 000 lx、晝夜溫度28℃/20℃光周期16 h進(jìn)行處理，于實(shí)驗(yàn)材料現(xiàn)蕾期開始給予低溫脅迫至初花期，期間每處理5d后選取棉花倒4功能葉進(jìn)行光合及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。去掉一個(gè)最高和最低測定值,取其余的平均值作為相應(yīng)的測定值。

1.2.2 指標(biāo)測量

使用美國LI-COR 公司便攜式光合儀 LI-6400XT測定植物的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間 CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)，測定光強(qiáng)為 1 000 μmol/(m2·s)，CO2濃度為400 μmol/mol，葉室溫度為 28℃，流速為 500 μmol/s。選取蕾期棉花倒四片功能葉，并做標(biāo)記，測定時(shí)避開葉脈。之后每次測定使用相同葉片，每枚葉片測定2次，每個(gè)處理6 株重復(fù)。

Nguyen（2012）發(fā)現(xiàn)當(dāng)首席執(zhí)行官和董事屬于同一社會(huì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，CEO不太可能因?yàn)闃I(yè)績不佳而被解雇，董事會(huì)成員和CEO之間密切的社會(huì)關(guān)系會(huì)影響董事會(huì)職能的發(fā)揮；Chahine et al.（2014）發(fā)現(xiàn)只有在控制董事會(huì)成員與高管的社交聯(lián)系后，董事會(huì)獨(dú)立性才能發(fā)揮效應(yīng)。那么關(guān)于社會(huì)關(guān)系的度量又該如何展開呢？國外大部分學(xué)者的研究集中在工作經(jīng)歷、畢業(yè)院校、老鄉(xiāng)、專業(yè)方面 （Kramarzy et al.2007、 Hwang et al.2009、Liu 2010、Nguyen 2011、Hoitash 2011、Fracassi et al.2012等）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 26.0軟件處理本試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05表示差異顯著,應(yīng)用Excel 2019、origin2021等畫圖軟件綜合分析作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕾期低溫脅迫對凈光合速率(Pn)的影響

研究表明，隨著處理溫度的降低，不同品種的凈光合速率均呈顯著下降趨勢，且溫度越低則降幅越大；隨低溫脅迫天數(shù)的增加，不同品種的凈光合速率顯著下降，脅迫時(shí)間越長Pn值越小。T1(20℃/15℃)處理下，各品種相對于對照，Pn緩慢下降。T2(15℃/10℃)低溫下Pn顯著低于對照和T1(20℃/15℃)，T2(15℃/10℃)處理 10 d的Pn大幅度下降，極顯著低于處理0 d、5 d；T3(10℃/5℃)的Pn顯著低于T1(20℃/15℃)、T2(15℃/10℃)且隨脅迫時(shí)間的延長Pn值越來越小。

當(dāng)?shù)蜏孛{迫溫度高于20℃/15℃時(shí)新陸早61號(hào)的凈光合速率(Pn)下降的幅度較新陸早36號(hào)、新陸早10號(hào)趨勢小，T1(20℃/15℃)處理下，同一時(shí)間3個(gè)蕾期棉花品種葉片的Pn值由大到小依次為新陸早61號(hào)>新陸早36號(hào)>新陸早10號(hào)>。當(dāng)?shù)蜏孛{迫溫度低于15℃/10℃時(shí)新陸早36號(hào)相對于新陸早10號(hào)、新陸早61號(hào)下降的幅度較小。T2(15℃/10℃)、T3(10℃/5℃)處理下，同一時(shí)間3個(gè)蕾期棉花品種葉片的Pn值由大到小依次為新陸早36號(hào)>新陸早61號(hào)>新陸早10號(hào)>，中度、重度低溫脅迫下新陸早36號(hào)相對其它2個(gè)品種更耐低溫。 同一個(gè)低溫下，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，凈光合速率(Pn)下降加??；且同一個(gè)處理時(shí)間段內(nèi)(15 d)，低溫脅迫強(qiáng)度越大，凈光合速率(Pn)受到的影響越大。圖2

圖2 低溫脅迫下棉花凈光合速率(Pn)變化

2.2 蕾期低溫脅迫對氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響

研究表明，T1(20℃/15℃)與T2(15℃/10℃)、T3(10℃/5℃)存在顯著差異，總體上溫度下降氣孔導(dǎo)度值變??；同一溫度下不同時(shí)間各處理也差異明顯，T1、T2處理下Gs值先升后降。T3處理下Gs值直線下降。脅迫溫度從 20℃/15℃降至10℃/5℃時(shí)，蕾期棉花參試品種的Gs含量均大幅度下降，低于 15℃/10℃的低溫處理葉片的Gs含量雖呈下降趨勢，但降幅較小，10℃/5℃處理10 d 植株死亡。脅迫 15d 各處理的Gs含量均下降到最低水平，不同天數(shù)間差異顯著。從單變量全因子分析的結(jié)果來看，溫度、時(shí)間對蕾期棉花葉片氣孔導(dǎo)度的變化均有影響，而且溫度與處理天數(shù)有交互作用，P<0.001。溫度和時(shí)間產(chǎn)生的低溫危害效應(yīng)與Pn相似。圖3

圖3 低溫脅迫下氣孔導(dǎo)度(Gs)變化

2.3 蕾期低溫脅迫對細(xì)胞間CO2濃度(Ci)影響

研究表明，不同低溫脅迫初期(5 d)各品種的Ci值差異不顯著，脅迫后期(15 d)各品種Ci值差異較為顯著。T1脅迫10 d內(nèi)各品種蕾期棉花的Ci差異不明顯，T3脅迫下同一處理溫度不同脅迫天數(shù)之間差異較明顯。T2、T3脅迫下各品種的Ci與CK組的差異均隨處理持續(xù)時(shí)間的延長而加大，T1(20℃/15℃)處理下Ci值呈升-降-升的變化趨勢，T2(15℃/10℃)處理下Ci呈先升后降的變化趨勢，T3(10℃/5℃)處理下Ci的變化趨勢呈急劇上升，總體上各低溫脅迫組的Ci值均大于對照。T3(10℃/5℃)脅迫 15 d 時(shí)達(dá)最大值。新陸早61號(hào)的Ci值上升幅度最小，新陸早61號(hào)蕾期的抗冷性較好。圖4

圖4 低溫脅迫下細(xì)胞間CO2濃度(Ci)變化

2.4 蕾期低溫脅迫對蒸騰速率(Tr)的影響

研究表明，各低溫處理組的Tr均呈降低趨勢，各處理間差異顯著。同一低溫條件下，隨低溫處理時(shí)間的延長，3個(gè)蕾期棉花的Tr均顯著下降。各處理中，新陸早61號(hào)的Tr值隨處理時(shí)間延長降幅顯著低于其余3個(gè)品種，而新陸早36號(hào)的Tr值下降速度最快；T2(15℃/10℃)低溫下相對新陸早36號(hào)的Tr值最低，新陸早61號(hào)最高；T3(10℃/5℃)低溫下相對其它種質(zhì)新陸早10號(hào)的Tr值最低，新陸早36號(hào)最高。在T2(15℃/10℃)低溫脅迫10 d 時(shí)，新陸早36號(hào)Tr值出現(xiàn)一個(gè)躍升，顯著高于其他2個(gè)品種。T1、T2低溫脅迫下新陸早61號(hào)的抗寒性較強(qiáng)，T3低溫脅迫下新陸早36號(hào)抗寒性較強(qiáng)，新陸早10號(hào)抗寒性最弱。Tr于T3(10℃/5℃)低溫脅迫10 d 和15 d 下均表現(xiàn)為緩慢下降。時(shí)間和溫度均對蕾期棉花的冷害起較重要的效應(yīng)作用，本研究中蕾期棉花的Tr值極顯著(P<0.01)受“溫度×?xí)r間”互作的影響，且時(shí)間和溫度對不同蕾期棉花品種的危害效應(yīng)同于上述Pn和Gs。圖5

圖5 低溫脅迫下蒸騰速率(Tr)變化

2.5 蕾期低溫脅迫對水分利用效率(WUE)影響

研究表明，水分利用效率WUE是植物生產(chǎn)中單位水分的能量轉(zhuǎn)化率指標(biāo)。T1低溫脅迫處理時(shí)，3個(gè)品種的蕾期棉花葉片水分利用效率增大， T2處理時(shí)先升高后下降、T3處理時(shí)降低。低溫脅迫強(qiáng)度大于T2及低溫脅迫時(shí)間超過10 d時(shí)蕾期棉花可造成較大的影響。圖6

圖6 低溫脅迫下水分利用效率(WUE)變化

T1處理的10 d、 T2處理的5 d、T3處理的10 d、15 d均與CK之間差異顯著。T1、T2處理5 d時(shí)，新陸早61號(hào)、新陸早36號(hào)發(fā)生了較大的躍升，推測是新陸早61號(hào)、新陸早36號(hào)可通過提升水分利用效率(WUE)來增強(qiáng)植株的抗冷性，推測T1、T2處理5 d內(nèi)為蕾期棉花植株可調(diào)節(jié)恢復(fù)的范圍。T3處理下的蕾期棉花的水分利用效率(WUE)表現(xiàn)為急劇降低，當(dāng)T3脅迫15 d時(shí)為負(fù)值，表明T3的低溫脅迫處理對蕾期棉花可造成較大的影響，且脅迫超過10 d可造成植株死亡。當(dāng)T1、T2處理持續(xù)0～5 d時(shí)，WUE不斷增加，即葉片WUE在T1、T2處理持續(xù)5 d時(shí)達(dá)到最大，之后開始迅速下降。T1、T2處理持續(xù)5 d是蕾期棉花受低溫脅迫的極限， T3脅迫強(qiáng)度或 T1、T2脅迫強(qiáng)度持續(xù)5 d以上，都會(huì)使葉片無法通過調(diào)節(jié)氣孔的開張和蒸騰速率緩解低溫對植株造成的傷害。圖6

研究表明蕾期棉花在輕度(T1-20℃/15℃)低溫脅迫下水分利用率(WUE)呈上升趨勢的現(xiàn)象一致，表明蕾期棉花可在輕度(T1-20℃/15℃)低溫脅迫下存活。中度(T2-15℃/10℃)下，處理前5 d水分利用率(WUE)升高，而處理持續(xù)時(shí)間超過5 d后水分利用率(WUE)下降，中度(T2-15℃/10℃)低溫脅迫持續(xù)5 d是兩蕾期棉花的生存閾值。

2.6 蕾期低溫脅迫對氣孔限制值(Ls)的影響

研究表明，T1處理時(shí)，處理5d時(shí)的氣孔限制值Ls下降比較急劇，低溫脅迫初期會(huì)迫使蕾期棉花葉片對光能的利用效率急劇下降。T1處理過程中表現(xiàn)為降升降的趨勢。T1和T3處理Ls峰值出現(xiàn)在第10 d，T1處理5 d新陸早10號(hào)、新陸早36號(hào)、新陸早61號(hào)氣孔限制值分別為0.205、0.068、0.099;T2處理5 d新陸早10號(hào)、新陸早36號(hào)、新陸早61號(hào)氣孔限制值分別為0.270、0.570、0.236; T3處理5 d新陸早10號(hào)、新陸早36號(hào)、新陸早61號(hào)氣孔限制值分別為0.256、0.063、0.228，各處理間差異不顯著(P>0.05)。圖7

圖7 低溫脅迫下水分利用效率(WUE)變化

T1和T2處理下新陸早36號(hào)的氣孔限制值Ls受影響最小，T3處理則新陸早61號(hào)的氣孔限制值Ls表現(xiàn)為受影響最小。而T1、T2和T3處理的新陸早10號(hào)的氣孔限制值Ls都表現(xiàn)為受的影響最大。新陸早10號(hào)品種的Ls平均值在T1、T2和T3脅迫下分別比CK組下降了53.41% 、38.64%和41.82%。蕾期棉花在遭受低溫脅迫時(shí)會(huì)表現(xiàn)出Ls大幅度降低。同一低溫脅迫強(qiáng)度處理下，隨著低溫處理時(shí)間的延長，蕾期棉花氣孔限制值Ls越小，與CK處理組的差異越來越大。低溫脅迫時(shí)非氣孔限制是導(dǎo)致蕾期棉花光合速率降低的主要因素[20]。

3 討 論

Pn是光合系統(tǒng)功能的直接體現(xiàn)，大多數(shù)的植物在遭遇低溫脅迫時(shí)凈光合速率Pn都表現(xiàn)出明顯下降[21]。不僅環(huán)境因子和氣孔導(dǎo)度會(huì)導(dǎo)致Pn下降，非氣孔限制因素也是可能降低Pn的因素。植物的光合與蒸騰受氣孔的制約，氣孔對植物與大氣進(jìn)行水汽和 CO2交換起到很重要的作用[23]。

氣孔限制因素引起的Pn下降表現(xiàn)為Gs、Tr下降，Ci也相應(yīng)下降，非氣孔限制因素引起的Pn下降表現(xiàn)為Gs、Tr下降的同時(shí)Ci升高[24-25]；這與研究中氣孔導(dǎo)度Gs、凈光合效率Pn下降時(shí)Ci升高的結(jié)果一致，表明本研究中限制蕾期棉花Pn的主要原因是非氣孔因素，與郭菊蘭等[26]表明非氣孔因子限制是迫使秋茄幼苗凈光合速率Pn下降的主要因素。蕾期棉花相同脅迫時(shí)間下，T1、T2的溫度處理Pn下降主要受氣孔限制因素引起光合作用受限制所致，而T3以下低溫處理Pn下降很大程度來源于非氣孔限制因素。

低溫脅迫下，凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)均逐步下降，低溫脅迫越重，光合參數(shù)下降幅度越大；重度低溫已嚴(yán)重?fù)p害葉片光合機(jī)構(gòu)，極大抑制了光合作用[22]。與研究中蕾期棉花在低溫脅迫后, 光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)均比對照明顯下降。且下降趨勢隨脅迫程度加大而增大，表現(xiàn)為T3>T2>T1的結(jié)果相一致。研究發(fā)現(xiàn)蕾期棉花在中度低溫脅迫(T2-15℃/10℃)下處理超過5 d及重度(T3-10℃/5℃)低溫脅迫下水分利用率(WUE)呈下降趨勢。與鄭芊彤等[18]對三七進(jìn)行低溫處理7 d后發(fā)現(xiàn)重度處理的WUE先上升后下降，輕度處理的WUE隨持續(xù)時(shí)間的延長而上升的結(jié)果一致。水分利用率(WUE)的變化趨勢不僅取決于脅迫的溫度，還與脅迫持續(xù)時(shí)長有著密切的關(guān)聯(lián)。

試驗(yàn)中蕾期棉花隨低溫脅迫時(shí)間的延長，Ls呈下降趨勢，低溫環(huán)境使得蕾期棉花葉片對光能的利用效率下降，與許耀照等[16]表明T2(15℃/8℃)與T1(19℃/12℃)低溫處理下氣孔限制值的降低程度達(dá)到顯著差異的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

4.1可根據(jù)蕾期棉花的氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、細(xì)胞間二氧化碳濃度(Ci)、水分利用率(WUE)來判斷其受到的低溫脅迫程度。輕度脅迫下蕾期棉花光合速率降低是由氣孔限制因素導(dǎo)致；中度脅迫下蕾期棉花光合速率降低的主要原因先為氣孔因素后轉(zhuǎn)為非氣孔因素；重度脅迫下非氣孔因素是限制蕾期棉花光合作用的主要因素。

4.2低溫脅迫對蕾期葉片的光合作用有抑制的作用。輕度脅迫時(shí)新陸早61號(hào)的耐低溫性較好，中度、重度脅迫時(shí)新陸早36號(hào)相比于新陸早61號(hào)和新陸早10號(hào)耐低溫性更好。脅迫溫度越低，對蕾期棉花生長的抑制作用越明顯，且相同低溫度值處理下，低溫處理的時(shí)間持續(xù)越長，對蕾期棉花生長的抑制作用越明顯。