2个不同耐旱性棉花品种光合特性和干物质累积对干旱的响应

高宏云，李军宏，王远远，夏 军，时晓娟，郝先哲，田 雨，罗宏海

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态重点实验室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】棉花是世界上主要的纤维作物[1]。中国是世界上最大的棉花生产和消费国之一[2]，中国新疆充沛的光能和独有的干旱绿洲灌溉农业系统使新疆成为中国最大的优质棉生产基地[3]。新疆典型的大陆性干旱气候成为新疆绿洲农业发展的主要限制因素[4]。在现有的棉花品种和生产水平条件下，通过创造高效用水环境，利用棉花自身的抗旱能力最大限度地发挥其生物节水潜能，对于研究棉花的干旱适应性和耐旱机理，以及促进新疆棉花的高产高效有着重要意义。【前人研究进展】光合作用是干物质和产量形成的基础，受土壤水分的影响最为显著[5]。干旱条件下叶片通过关闭气孔，降低胞间二氧化碳浓度(Ci)等一系列活动适应水分胁迫，更严重的水分胁迫会导致叶绿素合成受阻及光合性能降低[6]。叶绿素荧光分析是一项检测逆境条件下作物光合生理过程的重要技术[7]。严重的干旱条件还会引发叶片PSⅡ的光合活力下降，进而抑制电子传递速率和光合磷酸化[6]。不同品种在水分亏缺条件下的反应都不同[8]，且抗旱品种在水分胁迫条件下的长势更好[9]。艾克拜尔等[10]发现，棉花功能叶的叶绿素含量(Chl)和净光合速率(Pn)随土壤水分胁迫程度的加剧而下降，且抗旱性较强的品种在严重胁迫下其光合能力才会受到显著影响；罗俊等[11]对甘蔗的研究发现，水分胁迫下，叶片的最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率[Y(II)]、光化学猝灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(NPQ)下降，且抗逆性强的品种，下降幅度相对较小。不同基因型的作物对于水分亏缺的适应存在不同的机理[12]，致使其内在的某些生理生化过程对土壤水分的敏感性存在差异，而这些差异性就是选育抗旱性新品种的依据。【本研究切入点】选育抗旱性强的作物品种是实现干早区农业可持续发展最经济有效的方法之一[13]。近年来，国内外诸多学者在玉米[14]、小麦[12，15]、高粱[16]等作物的抗旱机理研究中取得了重要进展，对不同抗旱型棉花品种表型分析以及其内在抗早机理的研究略显不足。研究棉花抗旱性品种叶片光合生理特性及干物质累积与分配对干旱的响应机制。【拟解决的关键问题】以2个耐旱性不同的棉花品种为研究对象，设置不同程度的干旱胁迫，研究棉花产量形成期叶片的光合特性、叶绿素荧光参数、根冠比以及干物质累积对干旱胁迫的响应，为丰富棉花抗旱生理学和耐旱性棉花品种选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2017年4～10月在石河子大学农学院试验站(86°03′E，45°19′N)进行。供试棉花品种为新陆早17号(耐旱性弱)和新陆早22号(耐旱性强)，由石河子农业科学研究院提供。试验地土壤质地为中壤土，pH为7.5，全氮含量1.45 g/kg，碱解氮含量54.9 mg/kg(5级，低氮)，速效磷含量0.23 mg/kg(6级，低磷)，速效钾含量149 mg/kg(2级，高钾)，有机质含量12.5 g/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

在土柱栽培条件下，设3个水分处理[17]，每次灌水量分别为：常规灌溉(田间持水量的75%～85%，4 500 m3/hm2，CK)；轻度水分亏缺(对照灌水量的60%，2 700 m3/hm2，W1)；中度水分亏缺(对照灌水量的20%，900 m3/hm2，W2)。CK、W1、W2 每次灌水量为2 L/土柱、1 L/土柱、0.35 L/土柱，全生育期灌水17次。播前深挖2个深度为120 cm的土坑，平铺一层厚度约为8 cm的石子后再铺2层100目尼龙网。土坑中排放长度为120 cm，半径为15 cm，壁厚为1 cm的硬质PVC，每个品种各18个土柱，每个处理重复6次。

于2017年4月21日播种，播种前将基肥(每个土柱4 g尿素，15 g磷酸二氢钾)混入耕层(0～10 cm)土壤中，铺膜后人工点播。每个土柱播4穴，每穴播3粒种子，播种深度为3 cm，同一土柱内株距为10 cm，不同土柱株距为20 cm。每个土柱浇出苗水500 mL，于棉花一叶一心时定苗，每穴留1株壮苗，水分处理开始于棉花三叶一心时期。参考新疆北疆实际生产中2 300 kg/hm2以上的皮棉产量的施肥标准，以尿素(N，46%)为氮源，0.20 g N/kg(干土)的含量施入，氮肥基追比为2∶8，全生育期每管总计施入尿素20 g，其中基施4 g，追施16 g；KH2PO4(含纯P2O552%)为磷源，磷肥基追比是5∶5，按 0.15 g P2O5/kg(干土)的含量施入，每土柱总计施入KH2PO430 g，其中基施15 g，追施15 g。在棉花生长期间及时做好杂草和病虫害防治。

1.2.2 测定指标

气体交换参数：在晴朗无云的天气下，于10:00～12:00，采用Li-6400便携式光合系统(LI-COR Biosciences，Lincoln，USA)分别测定盛花期、盛蕾期、盛铃期和吐絮期棉花功能叶的气体交换参数(Pn、gs、Ci和Tr)。光强设置为1 800 μmol/(m2·s)，叶室温度为30～32℃，；每个处理测定5～6个叶片，取平均值。

Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm.

叶绿素含量：测完叶绿素荧光参数之后，将叶片剪下，茎部用湿纱布包裹，带回实验室。用打孔器取叶片，重约为(0.1±0.02)g，放入25 mL具塞试管中，加入13 mL 80%丙酮溶液，置于暗处72 h，至各圆片呈白色，期间每隔24 h振荡试管。以80%丙酮溶液为对照，用UV-2041型紫外分光光度计(日本，岛津)，分别设置波长为663和645 nm，测定分光光度值，计算公式如下[19]：

Ca(mg/L)= 12.21A663-2.81A646.

Cb(mg/L)= 20.13A646-5.03A663.

C(mg/L)=Ca+Cb.

Chl(mg/dm2)=(Ca+Cb)VFW-1.

Ca和Cb分别代表叶绿素a和叶绿素b的浓度(mg/mL)；C代表总色素浓度(mg/mL)；Chl代表总光合色素含量(mg/g.FW)；Vt代表提取液总体积(13 mL)；FW代表叶片鲜重(mg)；D663和D645分别代表663和645 nm波长下测定的分光光度值。

叶面积、干物质累积与根冠比：分别在盛花期、盛铃期和吐絮期，每个处理拔取4株棉花，将棉花分为根(子叶节以下)、茎秆、叶片、蕾花铃。用Li-3000A便携式叶面积仪(LI-COR Biosciences，Lincoln，USA)测定叶面积(cm2)，随后分别将各器官装入牛皮纸袋，设置烘箱温度为105℃，杀青30 min后，设置温度为80℃，烘干至恒重。

根冠比=根系干物质(g)/地上部总干物质(g)。

1.3 数据处理

数据处理用Microsoft Excel 2010 软件进行，统计分析用SPSS19.0软件进行，差异显著性检验采用Duncan法进行(P<0.05)，绘图用Sigmaplot12.5软件，图中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 干旱对不同棉花品种叶面积的影响

研究表明,主茎叶和总叶面积在品种间表现为新陆早17号<新陆早22号。在盛铃期，与CK相比，W1和W2显著降低了2个品种棉花叶片的总叶面积，主茎叶的叶面积下降低幅度不同。在盛花期至盛铃期，与CK相比，新陆早17号的主茎叶的叶面积在W1和W2处理分别下降27.00%～37.82%和39.98%～45.88%，新陆早22号分别下降15.66%～20.73%和21.98%～42.64%。表1

2.2 干旱对不同棉花品种叶片叶绿素含量影响

研究表明,叶绿素含量在品种间表现为新陆早17号<新陆早22号，在盛蕾期至吐絮期，CK、W1、W2处理下的新陆早22号的总色素含量分别比新陆早17号高4.96%～21.95%、14.61%～26.23%、16.63%～26.87%。在盛蕾期，水分亏缺对新陆早22号的Chla、Chlb、Chla+b无显著影响，而 W2处理却显著降低了新陆早17号的色素含量；在盛花期，2品种的Cha和Chlb受W1处理的影响较小，新陆早17号降低了2.35%和4.73%，新陆早22号降低了3.99%和3.29%；在盛铃期，与CK相比，新陆早17号的Chlb、Chla+b在W1和W2处理下显著降低，下降幅度分别为7.38%、5.24%、12.10%和20.69%，然而新陆早22号的Chla、Chlb、Chla+b在W1和W2 处理下分别降低了1.57%、2.67%、1.91%和9.16%、7.23%和8.56%，且W2与CK之间无显著差异。图1

表1 干旱下不同棉花品种叶面积变化

Table 1 Effects of drought on leaf area of different varieties

处理Treatment盛花期Fullfloweringstage盛铃期Fullbollstage吐絮期Bollopeningstage品种varies水分water主茎叶面积Mainstemleafarea果枝叶面积Fruitbranchleafarea总叶面积Totalleafarea主茎叶面积Mainstemleafarea果枝叶面积Fruitbranchleafarea总叶面积Totalleafarea主茎叶面积Mainstemleafarea果枝叶面积Fruitbranchleafarea总叶面积Totalleafarea17CK305.33±17.84a73.82±6.01a422.00±34.26a380.754±26.61a171.66±6.65a643.57±79.07a257.34±41.42b197.99±12.97ab580.75±97.05a17W1222.91±11.40b35.41±7.36b275.17±9.35b236.75±17.94b77.66±8.77b323.92±27.42b336.25±29.51a227.49±5.28a577.53±20.10a17W2183.25±27.84c32.15±1.64b264.79±45.01b206.06±11.13c79.41±13.36b292.30±10.32c237.43±6.80b142.87±15.67bc385.87±34.13b22CK361.77±14.64a39.60±4.11b426.80±21.04a695.62±58.42a156.05±19.04a1053.19±49.60a804.10±42.59a267.04±8.32a1270.44±21.35a22W1305.13±25.23ab53.06±6.12a382.82±10.53b545.85±42.13ab117.98±8.26a719.92±97.88b596.87±43.45b123.54±17.81b724.50±42.61b22W2282.25±7.60bc36.69±10.41b364.51±58.15b365.01±23.65bc58.45±6.24b451.48±21.89c288.24±9.43c37.83±5.36c351.93±34.57c因子间显著性Significanceoffactors品种Varies∗∗ns∗∗∗∗ns∗∗∗∗∗∗∗∗水分Water∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗品种×水Varies×waterns∗∗ns∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗

注：根据uncan法检验，相同品种的不同处理中的不同字母表示差异显著(P<0.05)，“*”和“**”表示在0.01和0.05水平上差异显著；“ns”表示差异不显著

Note:Different letters within different varieties are significantly different(P<0.05)according to the Duncan multiple range test.“*” and “**” indicate significant differences at the 0.01 and 0.05 levels; “ns” indicates the difference is not significant

注：FS: 盛蕾期；FF:盛花期；FB:盛铃期；BO:吐絮期

Note:FS: full squaring stage；FF: full flowering stage；FB: full boll stage；BO: boll opening stage

图1 不同水分处理下不同棉花品种叶绿素含量变化

Fig.1 Effects of drought on chlorophyll content of different varieties

2.3 干旱对不同棉花品种气体交换参数的影响

研究表明,Pn、gs、Tr在品种间表现为新陆早17号<新陆早22号。在盛蕾期，与CK相比，W2显著降低了新陆早17号的Pn和gs，分别为47.17%和28.77%；而新陆早22号的Pn与CK无显著差异，且W1显著提高了gs，为4.92%。在盛铃期至吐絮期，与CK相比，W1和W2处理显著降低了新陆早17号的Pn，分别下降了38.53%～46.48%和64.34%～67.93%；而新陆早22号分别下降了3.54%～10.11%和15.61%～23.64%。适当减少水分，新陆早22号的叶片Pn并不会受到显著影响。在盛花期至盛铃期，2个品种的gs、Ci、Tr在W1和W2处理下均有不同程度的降低，与CK相比，新陆早17号在W1和W2处理下分别降低了38.43%～42.60%、33.60%～36.12%、5.39%～11.59%和65.08%～76.80%、68.58%～78.74%、17.85%～34.62%；新陆早22号分别下降了14.31%～16.90%、10.05%～15.78%、3.16%～4.75%和15.37%～19.51%、12.47%～16.73%、9.02%～16.73%。图2

图2 不同水分处理下不同棉花品种气体交换参数变化

Fig.2 Effects of drought on gas exchange parameters of different varieties

2.4 干旱对不同棉花品种叶绿素荧光参数的影响

研究表明,不同处理下2品种的Fv/Fm均呈现先上升后下降的趋势。在盛花期至盛铃期，与CK相比，W1并未显著降低2个棉花品种的Fv/Fm，而W2处理下2个棉花品种的Fv/Fm分别显著下降了2.37%～2.73%和 1.58%～2.12%。轻度水分亏缺对棉花的光能转化效率影响不大，而在中度水分亏缺条件下，新陆早22号比新陆早17号能维持更高的光能转化效率。在盛花期，新陆早17号的Y(II)在W1和W2处理下比CK降低了12.51%和22.51%，且差异达到显著，在盛铃期，W2显著降低了新陆早17号的YII；而在盛花期至盛铃期水分亏缺对新陆早22号的YII无显著影响，水分亏缺不会显著降低新陆早22号的PSII的实际光能转化效率。在整个生育期，2品种叶片的NPQ在水分亏缺处理下均有上升的趋势。在盛花期至盛蕾期，新陆早17号在W1和W2条件下分别比对照显著高27.54%～46.30%和27.56%～59.34%；在盛花期，在W1和W2处理下，新陆早22号的NPQ无显著变化，在盛铃期分别比对照高16.93%～20.20%。2棉花品种的qP对水分亏缺的敏感性表现为新陆早17号>新陆早22号。除盛花期外，W1和W2处理显著降低了新陆早17号的qP，除盛铃期外，水分处理对新陆早22号的qP无显著影响。在干旱条件下不利于新陆早17号的PSII中心的开放，不利于其光合作用的进行。图3

图3 不同水分处理下不同棉花品种叶绿素荧光参数变化

Fig.3 Effects of drought on chlorophyll fluorescence parameters of different varieties

2.5 水分亏缺对不同品种棉花干物质累积与分配的影响

研究表明,棉株的总生物量随着水分的减少呈下降趋势，随着生育期的推进呈增加趋势，处理之间表现为CK>W1>W2，品种之间表现为新陆早17号<新陆早22号。

在吐絮期，新陆早22号在CK、W1、W2处理下的营养器官(根、茎秆、叶)和生殖器官(蕾花铃)干物质分别比新陆早17号高15.85%、30.96%、36.67%和44.31%、81.52%、48.59%。

无论在哪种水分处理下，新陆早22号都比新陆早17号有更高的生物量累积。在盛铃期，与CK相比，新陆早17号的蕾花铃干物质在W1和W2处理下分别下降了32.17%和38.87%，营养器官干物质分别下降了8.61%和39.87%；新陆早22号的蕾花铃干物质在W1和W2处理下分别下降了15.59%和32.43%，营养器官干物质分别下降了8.42%和27.82%。新陆早17号在水分亏缺下，干物质累积的下降幅度大于新陆早22号，且盛铃期的水分亏缺不利于2个品种干物质的累积。在吐絮期，与CK相比，新陆早17号的蕾花铃干物质在W1和W2处理下分别下降了30.44%和52.22%，营养器官干物质分别下降了16.61%和42.20%；新陆早22号的蕾花铃干物质在W1和W2处理下分别下降了12.50%和50.81%，营养器官干物质分别下降了5.74%和30.63%。在轻度水分亏缺下新陆早22号的生殖器官干物质累积并未大幅度降低。图4

注：同一时期，从左到右依次是CK处理、W1处理、W2处理

Note: From left to right are CK，W1 and W2 treatment in the same period

图4 不同处理下不同棉花品种干物质累积变化

Fig.4 Effects of drought on dry matter accumulation of different varieties

图5 不同处理下不同棉花品种根冠比变化

Fig.5 Effects of drought on root/shoot ratio of different varieties

研究表明,2个品种的根冠比在同一生育期内处理间表现为CK

3 讨 论

棉花在受到水分亏缺时表现出的抗旱性不仅与干旱胁迫程度以及胁迫时间有关，还与栽培品种、植株基因型及光合生理指标大小有关[20]，且植株的生物量合理的转运和分配是提高棉花产量的关键[21]。研究表明，水分亏缺不利于2个棉花品种的干物质累积，然而在轻度水分亏缺下，新陆早22号的干物质累积下降幅度小于新陆早17号，且新陆早22号的生殖器官干物质较CK无显著降低，这与罗宏海等[22]、刘朋程等[21]的研究结果相似。因为新陆早17号对干旱响应敏感，在连续受旱的条件下，降低了光合能力和干物质累积，使棉铃发育弱小。根、冠关系受到遗传学与环境因子的综合影响。马富举等[12]以小麦为研究材料，发现耐旱型小麦在水分亏缺下通过维持较高的根系干物质保证较大的吸水能力，减轻干旱对地上部的抑制作用。研究中盛铃期新陆早17号的根冠比受到抑制，而新陆早22号能保持相对较大的根冠比，尤其在水分亏缺条件下。在土壤水分亏缺的条件下，新陆早22号的同化物向根系分配的比例有所增加，保证了根系的完整性，有利于提高其吸水能力，以便更好的维持地上部的生长，抵御水分亏缺对棉花干物质累积带来的损失[23]。

叶绿素直接参与光能的吸收、传递和转化，常用于评价叶片的光合速率的大小。水分亏缺会引起叶面积、光合色素含量及气体交换参数出现不同程度的下降[6，12]。研究中，随灌溉水逐渐减少，2个品种的光合能力(叶面积大小、叶绿素含量、净光合速率)都表现出下降趋势。在轻度水分亏缺下，新陆早22号的光合能力较新陆早17号降幅小，并且能够生产更多的光合有机物，这与孙丰磊等[20]的研究一致。这是因为新陆早17号对水分亏缺的适应能力较弱，叶绿体合成和叶片扩展受限，气孔阻力增大，蒸腾速率大幅度下降，降低了CO2向叶绿体的供应，进而降低了光合能力和干物质累积[10]。

叶绿素荧光参数不仅与作物抗旱性的关系密切，还可直接反映水分胁迫对作物的伤害程度[15]。Fv/Fm反映PSII原初光能的转换效率和潜在活性的重要指标；Y(II)反映了在任意光强下PSII的实际光合效率；NQP反映PSII的光保护能力；qP可用于表示光合活性的大小[5-6]。李平等[5]的研究表明，在轻度的水分亏缺下，棉花幼苗的NPQ升高，而Y(II)并未显著下降；在中度水分亏缺下，PSⅡ系统受损，光合能力显著下降。研究也表明，水分亏缺降低了2个棉花品种的叶绿素荧光参数。轻度水分亏缺对2个棉花品种的Fv/Fm无显著影响，但是新陆早22号的Fv/Fm、Y(II)、qP的下降幅度较新陆早17号小，这也是新陆早22号有较强Pn的原因。尽管水分亏缺造成2个品种的光合能力下降，但相比于CK，NPQ显著升高，尤其是新陆早17号表现更为明显。水分亏缺限制了新陆早17号的光合作用原初反应的进行。由于棉花自身较强的抗旱性，在中度水分亏缺下，新陆早17号仍然具有耗散过剩光能为热能的保护能力，减轻了水分亏缺对光合机构造成的不可逆的损伤，这与前人的研究结果相似[6，10]。

4 结 论

新陆早17号和新陆早22号的光合能力(叶面积、Chl、Pn)均随干旱胁迫程度的增加显著降低，以新陆早22号降幅较小。轻度干旱胁迫并未显著降低2个棉花品种的Fv/Fm，但是新陆早17号的Y(II)和qP受到抑制，且轻度和中度干旱下盛铃期的NPQ显著增加。在轻度干旱胁迫下，新陆早17号和新陆早22号的生殖器官和营养器官干物质均下降，但新陆早17号降幅更大。新陆早22号在盛铃期较新陆早17号有更高的根冠比。耐旱性较强的棉花品种新陆早22号通过保持更好的光合性能和较大的根冠比，保持生殖器官干物质的累积以适应干旱胁迫。