TDZ处理对棉花叶片脱落率及酶活性的影响

刘康永, 焦玚, 赵福相, 刘娜, 陈全家, 高文伟, 曲延英

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】棉花机械采收现阶段在我国棉花产业健康发展中起着重要作用[1]， 近年来随着劳动力成本的大幅上升，传统人工采摘比较效益持续降低，筛选适合机械采收棉花品种是影响机械采收的重要方面，棉花机械采收的推广已经成为我国未来棉花产业发展的必然选择[1]。当前适合机械作业采摘的棉花品种无法满足市场需求，急需适合机械采收的棉花品种来提高机械作业采摘棉花的质量及降低高机械作业采摘棉花杂质,对提高棉花质量及降低高机械作业采摘棉花杂质具有重要意义。【前人研究进展】植物经历的正常生长发育过程包括很多阶段，有叶片阶段，根尖生长阶段，脱落阶段，衰老阶段，以及果实成熟阶段，当细胞开始解体与分裂后，纤维素酶作用于细胞壁的催化活性是比较高的[2-8]。随着我国棉花收获机械化进程的推进，迫切需要明确 TDZ 影响棉花叶片脱落发生的规律及生理机制[9]，筛选出对TDZ敏感且稳定遗传的棉花品种。植物的器官脱落是由细胞壁纤维素酶、多聚半乳糖醛酸酶(PG) 等多因素控制的生理过程[10]。纤维素酶的合成受多方面因素的控制，在植物的花柄、叶片和花荚的离层中均能检测到[11]，与器官的脱落有密切的关系[12]。植物细胞壁及胞间层中的果胶物质可以被 PG 水解，和植物叶片的脱落和果实的成熟等方面有关。【本研究切入点】目前研究多集中对于番茄，胡椒，鳄梨，以及草葛等植物的果实脱落与成熟紧密[13-16]，而对于棉花叶片脱落发生的规律及生理机制的研究报道较少。研究TDZ 处理对棉花叶片脱落率及酶活性的影响。【拟解决的关键问题】以中棉所35号、新陆早19号、新陆早50号、农大5号和XND1378为材料，研究 TDZ 处理后对棉花叶片脱落率、吐絮率、产量的影响及叶托、叶柄、叶片部位中 PG 和纤维素酶活性的调控效应，筛选出对脱叶剂敏感的品种及揭示脱叶剂的作用机制，以利于培育脱叶效果好的棉花品种，促进机采棉的迅速推广。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料2017年为中棉所35号、新陆早19号、农大5号和XND1378，2018年在2017年基础上增加了新陆早50号，均由新疆农业大学作物遗传育种实验室提供。 TDZ 使用德国拜耳作物科学公司生产的脱吐隆悬浮剂(TDZ)和助剂。

1.2 方 法

1.2.1 田间种植

分别于2017、2018年在塔城沙湾新疆农业大学棉花基地和2018年奎屯农七师农科所实验地进行。两次TDZ 处理和对照三种处理。于 4 月 20 日播种，采用每膜 6 行，(20～25)cm +(50～60)cm 的宽窄行种植模式，每份材料采用"3 m 2行"的点播方式，每膜种植材料 3 份，株距为 10 cm，两种处理均重复 3 次，同一膜前后两份材料以 50 cm 的走道隔离开来。试验田为膜下滴灌，田间管理措施同于大田。生长期管理按照正常生产管理。

1.2.2 试验设计

2017年沙湾处理1(T1)于9月2日中午14:00做 TDZ 处理，处理2(T2)于9月6日中午14:00 TDZ 处理；2018年沙湾处理1于8月30日中午14:00 TDZ 处理，处理2于9月4日中午14:00 TDZ 处理；奎屯处理1于9月4日中午14:00 TDZ 处理，处理2于9月8日中午14:00 TDZ 处理；对照(CK)不作 TDZ 处理。TDZ 用量为15 mL/667m2，加助剂62.5 mL/667m2，用水量为30 L/667m2。

1.2.3 取样

处理后和对照分为6个时间段0、6、18、42、66和96 h采样。取相同叶位且张开角度相同的叶片。分别取2 g的叶托、叶柄和叶片，用液氮速冻后放到-80℃超低温冰箱保存，重复三次。各份材料均选择 5 株长势均一稳定的棉株分别统计每株棉株的叶片总数和棉铃总数，喷施 TDZ 处理后20 d后统计每株棉株最后剩余叶片数量与最后剩余的棉铃数量。

1.2.4 计算

对各品种3 m区两行所有植株进行 TDZ 处理，选取5株田间长势一致的植株于处理后20 d调查统计脱叶率，对各品种3 m区两行所有植株进行 TDZ 处理，在吐絮为40%～50%时选取5株田间长势一致的植株获取蕾铃数，并于处理后20 d调查统计吐絮率。

处理后选取5株田间长势一致的植株，取相同叶位且张开角度相同的叶柄0.5 g， 采用3，5-二硝基水杨酸比色法，测定纤维素酶活性，计算公式为:叶片脱落率 = (叶片总数 - 最后叶片总数) /叶片总数，棉铃吐絮率=(棉铃总数-最后棉铃总数)/棉铃总数。产量根据面积比例计算出每个品种的单产。

1.2.5 酶活性的测定

处理后选取5株田间长势一致的植株，取相同叶位且张开角度相同的叶托0.5 g， 采用3，5-二硝基水杨酸比色法，测定纤维素酶活性，处理后选取5株田间长势一致的植株，取相同叶位且张开角度相同的叶柄0.5 g， 采用3，5-二硝基水杨酸比色法，测定纤维素酶活性，处理后选取5株田间长势一致的植株，取相同叶位且张开角度相同的叶托0.5 g， 采用3，5-二硝基水杨酸比色法，测定 PG 活性，处理后选取5株田间长势一致的植株，取相同叶位且张开角度相同的叶柄0.5 g， 采用3，5-二硝基水杨酸比色法，测定 PG 活性。处理后选取5株田间长势一致的植株，取相同叶位且张开角度相同的叶片0.5 g，采用3，5-二硝基水杨酸比色法，测定 PG 活性，采用 3，5-二硝基水杨酸比色法，测定纤维素酶活性[17]和 PG 活性[18]。

1.3 数据处理

Microsoft Excel 数据处理软件分析数据和制作图表， SPSS 17.0 统计软件方差分析，用最小显著差数法检验处理间平均值差异显著性。

2 结果与分析

2.1 喷施 TDZ 对棉花叶片脱落率的影响

研究表明，2017和2018年 TDZ 处理组T1和T2的棉花各品种叶片脱落率分别平均为77.95%、86.08%和79.78%、86.50%，而2017和2018年未喷施 TDZ 的各对照组叶片脱落率平均为 68.06%和67.44%，喷施 TDZ 后分别平均升高了9.89%、18%和12.34%、19.06%，未喷施 TDZ 的对照与喷施 TDZ T1和T2差异达极显著水平(P< 0.01) ，喷施 TDZ 对升高棉花叶片脱落率具有一定作用。T2比T1分别升高了8.11%和7.72%，两者间差异达到显著水平(P< 0.05)。表1

表1 喷施 TDZ 后棉花脱叶率
Table 1 The defoliation rate of cotton after spraying TDZ

年份Year品种/处理Variety/TreatmentCK(%)T1(%)T2(%)2017农大5号52.74±2.51bB69.61±0.59cC74.85±0.81dCXND137854.13±0.95bB61.78±1.12cC71.08±1.09dD中棉所35号83.46±1.48aA88.92±2.08bB99.52±1.27cC新陆早19号81.9±0.17aA91.47±0.99bB98.85±0.79cB2018农大5号48.91±0.58cC68.12±1.48dD70.35±0.40eEXND137845.72±1.22cC58.94±0.42dD71.8±0.21eE中棉所35号88.34±1.37bB89.8±1.30cC98.73±0.75dE新陆早19号85.1±1.22aA90.61±2.34bB99.22±0.49bBC新陆早50号78.83±1.31bB91.56±0.84cC99.29±1.23dD

2.2 喷施 TDZ 对棉花吐絮率的影响

研究表明，2017和2018年 TDZ 处理组T1和T2的棉花各品种吐絮率分别平均为90.75%、95.93%和91.1%、95.79%，而未喷施 TDZ 的各对照组吐絮率平均为81.04%和80.61%，喷施 TDZ 后分别平均升高了 11.98%、18.37%和10.49%、15.18%，未喷施 TDZ 的对照与喷施 TDZ T1和T2差异达到极显著水平(P< 0.01) ，喷施 TDZ 对升高棉花叶片吐絮率具有一定作用；T2比T1分别升高了6.39%和4.69%，差异达到显著水平(P< 0.05)。表2

表2 喷施 TDZ 后棉花吐絮率
Table 2 Flocculation rate of cotton after spraying TDZ

年份Year品种/处理Variety/TreatmentCK(%)T1(%)T2(%)2017农大5号79.58±0.87aA90.59±0.76bB95.16±0.81cBXND137880.28±1.53aA91.86±0.39bB92.82±0.76bB中棉所35号82.46±1.24aA90.57±1.06bB97.54±0.57cB新陆早19号81.83±0.59aA89.97±0.94bB98.19±1.19cC2018农大5号81.35±1.34aA91.56±0.27bB94.66±0.08bCXND137879.13±0.59aA92.16±0.08bB93.92±0.29bBC中棉所35号79.56±0.82aA89.62±0.35bB96.37±0.26cC新陆早19号82.78±0.43aA90.46±0.41bB97.41±0.09bC新陆早50号80.27±0.79aA91.74±0.54bB96.59±0.19cC

2.3 喷施 TDZ 对棉花产量的影响

对各品种3 m区两行所有植株进行 TDZ 处理，收获所有棉花并进行估产。2017和2018年 TDZ 处理组T2和CK的各品种的平均产量分别为401.39、404.85 kg /667m2和400.54、400.82 kg /667m2，喷施 TDZ 后T1处理的平均产量为 374.22 和384.95 kg /667m2，喷施 TDZ 后T2处理和CK的各品种的平均产量平均升高了 7.26%、8.19%和 4.05%、4.12%，差异达显著水平(P< 0.05) ，对照组CK比喷施 TDZ 后T2的产量略有提高分别为0.93%和0.07%，但两者间差异并不显著，喷施 TDZ 后处理T2对棉花产量影响不大。表3

表3 喷施 TDZ 后棉花产量
Table 3 Cotton yield after spraying TDZ(kg /667 m2)

年份Year品种/处理Variety/TreatmentCKT1T22017农大5号409.16±5.72dB385.61±9.66bA399.58±15.62cBXND1378414.29±7.62cC372.64±5.49aA415.28±8.53cC中棉所35号390.54±2.98bB375.67±11.09aA392.61±9.27bB新陆早19号405.42±9.81cC362.94±13.5aA398.08±7.62cB2018农大5号396.05±12.87bB383.27±15.05bB391.67±12.6bBXND1378425.73±4.61dDE379.98±12.3cC420.79±17.25dD中棉所35号382.84±10.31eD362.87±16.43dD384.08±4.95eD新陆早19号391.78±3.42cB384.97±15.67bB388.05±6.68cB新陆早50号433.3±4.27bBC413.65±3.84aA420.93±14.99bB

2. 4 喷施 TDZ 对棉花纤维素酶活性的影响

研究表明，喷施 TDZ 后，T2处理叶托的纤维素酶活性变化趋势呈升高-下降-平缓的趋势，对照 CK 叶托的纤维素酶活性变化趋势呈现平缓的趋势。方差分析结果表明， TDZ 处理后 6、18、42和66 h T2处理五个品种叶托的纤维素酶活性平均值变化在48.39～64.08 U/g ，比未喷施 TDZ 的 各 品 种 对 照 组 分别升高了34.12%、72.81%、52.83%、30.94%、24.48%，差异水平达极显著(P< 0.01) ; 喷药后 96 h五个棉花品种脱落叶片叶托部位的纤维素酶活性平均值为 51.51 U/g，比对照升高了26.03%，两者差异达到显著水平(P< 0.05) 。喷施 TDZ 后第18 d，五个棉花品种脱落叶片叶托部位的纤维素酶活性升高效果最明显；T2处理18 h纤维素酶活性比对照升高了72.81%，差异水平达极显著(P< 0.01)。图1

图1 叶托不同处理中各个品种纤维素酶活性
Fig.1 Cellulase activity of various varieties in different treatments of leaves

研究表明，对照 CK 和处理T2处理组叶柄的纤维素酶活性变化趋势呈现平缓的趋势。方差分析结果表明， TDZ 处理后 6、18、42、66和96 h T2处理五个品种叶柄的纤维素酶活性平均值变化在37.51～ 40.61 U/g ，比未喷施 TDZ 的各品种对照组分别升高了5.79%、11.21%、11.34%、3.41%、4.78%，但差异不显著；喷药后第96 h T2处理五个品种叶柄的纤维素酶活性平均值为 38.07 U/g，比对照组升高了2.49%，但差异并不显著。图2

图2 叶柄不同处理中各个品种纤维素酶活性
Fig.2 Cellulase activity of different varieties in different treatments of petiole

研究表明，喷施 TDZ 后，T2处理与CK对照组叶片中叶片部位纤维素酶活性变化趋势均呈升高的趋势。TDZ 处理后 6、42和66 h T2处理五个品种叶片中叶片部位纤维素酶活性平均值为 37.43 、36.96和37.01 U/g，比未喷施 TDZ 的 各 品 种 对 照 组 分 别 升高了4.02%、2.29%、1.28%，喷药后第 18和96 h T2处理五个品种叶片中叶片部位纤维素酶活性平均值为 37.01和36.90 U/g ，比未喷施 TDZ 的 各 品 种 对 照 组 分 别 降低了6.54%、2.61%，但差异不显著(P< 0.05)。T1和T2处理中中棉所35号均值为40.86和40.92 U/g，比未喷施 TDZ 升高了20.99%和21.17%，差异达到显著水平(P< 0.05)。图3

图3 叶片不同处理中各个品种纤维素酶活性
Fig.3 Cellulase activity of different varieties in different treatments of leaves

2. 5 喷施 TDZ 对棉花多聚半乳糖醛酸酶(PG) 活性的影响

喷施 TDZ 后，T2处理中叶托的 PG 活性变化趋势呈升高-下降-平缓的趋势，对照 CK 叶托的 PG 活性变化趋势呈现平缓的趋势。方差分析表明， TDZ 处理后 6、18、42、66和96 h T2处理五个品种叶托的 PG 活性平均值变化在0.64～0.90 U/g ，比未喷施 TDZ 的各品种对照组分别升高了65.76%、105.34%、51.31%、67.91%、67.11%，差异水平达极显著(P< 0.01)。TDZ 处理后五个棉花品种脱落叶片叶托的 PG 活性平均值为 0.87 U/g，比对照升高了58.18%，差异达到极显著水平(P< 0.01) 。图4

图4 叶托不同处理中各个品种 PG 活性
Fig.4 PG activity of different varieties in different treatments of leaf tooth

研究表明，喷施 TDZ 后，对照 CK 和处理T2处理组叶柄的 PG 活性变化趋势呈现平缓的趋势。方差分析结果表明， TDZ 处理后 18、42、66和96 h T2处理五个品种叶柄的 PG 活性平均值变化在0.492～0.521 U/g 范围内，比未喷施 TDZ 的 各 品 种 对 照 组 分 别 升高了 5.85%、6.31%、4.22%、8.37%，但差异不显著 ，喷药后第 6 h T2处理五个品种叶柄的 PG 活性平均值为0.506 U/g，比未喷施 TDZ 的 各 品 种 对 照 组 分 别 升高了11.47%，两者差异显著(P< 0.05)。图5

图5 叶柄不同处理中各个品种 PG 活性
Fig.5 PG activity of various varieties in different treatments of petiole

喷施 TDZ 后，对照 CK 和处理T2处理组叶片中叶片部位 PG 活性变化趋势呈现平缓的趋势。方差分析表明，比未喷施 TDZ 的 各 品 种 对 照 组 分 别 降低了0.27%，但差异不显著；喷药后第 6、18 、42和96 h T2处理5个品种叶片中叶片部位 PG 活性平均值变化在0.456～0.547 U/g，比未喷施 TDZ 的 各 品 种 对 照 组 分 别 降低了0.02%、0.11%、0.62%和0.17%，但差异不显著，喷药后第 66 h T2处理五个品种叶片中叶片部位 PG 活性平均值为0.553 U/g，比未喷施 TDZ 的 各 品 种 对 照 组 升高了0.03%，但两者差异不显著。图6

图6 叶片不同处理中各个品种 PG 活性
Fig.6 PG activity of different varieties in different treatments of leaves

2.6 酶活性与脱叶率的相互关系矩阵

研究表明，叶托纤维素酶活性与棉花叶片脱叶率相关性达显著正相关；叶柄和叶片纤维素酶活性与棉花叶片脱叶率相关性呈正相关；叶托 PG 活性与棉花叶片脱叶率相关性达极显著正相关；叶片 PG 活性与棉花叶片脱叶率相关性呈正相关；叶柄 PG 活性与棉花叶片脱叶率相关性呈负相关。表4

表4 酶活性和脱叶率间的相互关系矩阵
Table 4 Correlation matrix between enzyme activity and defoliation rate

脱叶率Defoliation rate叶托纤维素酶活性Cellulase activity of leaf receptacle叶片纤维素酶活性Leaf cellulase activity叶柄纤维素酶活性Petiole cellulase activity叶托PG活性PG activity of leaf receptacle叶片PG活性PG activity of petiole叶片PG活性Leaf PG activity脱叶率Defoliation rate1.00叶托纤维素酶活性Cellulase activity of leaf receptacle0.914∗1叶片纤维素酶活性Leaf cellulase activity0.680.881∗1.00叶柄纤维素酶活性Petiole cellulase activity0.2820.6120.892∗1叶托PG活性PG activity of leaf receptacle0.984∗∗0.909∗0.6930.3051叶片PG活性PG activity of petiole-0.302-0.394-0.609-0.571-0.4351叶片PG活性Leaf PG activity0.7050.6290.3830.0940.5710.381

注：*表示差异显著(P< 0.05)；**表示差异极显著(P< 0.01)

Note:*Indicates significant difference (P< 0.05);*indicates very significant difference (P< 0.01)

3 讨 论

3.1 TDZ处理对棉花脱叶率及产量的影响

棉花机器采收过程中，叶片脱落是影响质量的一个重要因素。马辉等研究认为，提高叶片脱落率可以降低子棉的含杂率并提高机械采收的作业效率。雷斌等[19]和王灵燕等[20]研究认为，TDZ 处理能够显著提高棉花叶片的脱落率。试验 TDZ 处理后棉花各品种叶片脱落率均有不同程度升高，与未喷施 TDZ 的对照相比差异达极显著水平(P<0.01) ，故 TDZ 处理对提高棉花叶片脱落率有一定促进作用，有利于棉花机械采摘。有研究[21-23]发现在适合的时间使用棉花 TDZ 对棉花纤维品质和产量无明显影响，这与研究结果一致，对照组CK比处理T2的产量略有提高，但两者间差异并不显著，喷施 TDZ 后处理T2对棉花产量影响不大。

3.2 TDZ处理对棉花纤维素酶、PG活性的影响

研究发现，在脱落之前，离区细胞中纤维素酶活性较高，表明该酶在细胞分离中发挥作用[24]。随后发现在柑橘叶、果脱落之前，纤维素酶活性显著上调[25]。迄今为止，纤维素酶活性已经成为判断植物器官脱落的常用指标。研究发现，多聚半乳糖醛酸酶在桃、番茄、荔枝、梨等果树的落花落果中发挥作用，该酶促进落花落果的原因是促进初生细胞壁松弛[26-29]。研究认为，TDZ 处理可阶段性使棉花叶片的纤维素酶活性提到，调控棉花脱落，显著提高叶片脱落率。研究结果显示，TDZ 处理后各品种纤维素酶活性存在组织特异性，叶托>叶柄>叶片，叶托部位的纤维素酶活性在各个时期均有不同程度提高，在18 h与对照相比达到极显著水平(P<0.01)，从而调控棉花脱落，显著提高叶片脱落率；TDZ 处理后各品种 PG 活性存在组织特异性，叶托>叶柄>叶片，叶托部位的 PG 活性在各个时期均有不同程度提高，在18和42 h与对照相比达到极显著水平(P<0.01)，这与前人研究结果一致。各品种吐絮期内叶托的 PG 活性和纤维素酶活性均呈升高-降低-再平缓的趋势。相关结果显示，叶托纤维素酶活性与棉花叶片脱叶率相关性达显著正相关；叶托 PG 活性与棉花叶片脱叶率相关性达极显著正相关。基于脱叶率和生理指标的评价结果，筛选出中棉所35号和新陆早50号两个品种对TDZ最敏感。

4 结 论

4.1 TDZ 处理后会极显著提高棉花叶片脱落率和吐絮率，它们的脱叶率和吐絮率军事处理T2显著高于处理T1；TDZ处理后照组CK比处理T2的产量略有提高，但两者间差异并不显著。

4.2 TDZ 处理后使得棉花的纤维素酶和PG活性有不同程度的升高，而且两种酶的活性均存在组织特异性，叶托>叶柄>叶片，叶托部位的纤维素酶活性在18 h极显著高于对照；PG 活性在18和42 h极显著高于对照，叶托纤维素酶活性与棉花叶片脱叶率相关性达显著正相关；叶托 PG 活性与棉花叶片脱叶率相关性达极显著正相关。基于脱叶率和生理指标的评价结果，筛选出中棉所35号和新陆早50号两个品种对TDZ最敏感。