盐胁迫下施钾调节棉纤维断裂比强度的糖代谢机制

郁凯，霍钰阳，朱俊俊，陈兵林*，汤秋香

（1. 南京农业大学/ 农业农村部作物生理生态与生产管理重点实验室，南京210095；2.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐830052）

土壤盐分是盐渍土农业生产的主要限制因素[1]。棉花是世界上最重要的纺织纤维作物，也是盐碱地先锋作物，我国粮食安全问题导致的粮棉争地矛盾加快了棉花向盐碱地转移[2]。 棉花具有一定的耐盐性， 但当土壤电导率高于7.7 dS·m－1时，棉苗生长缓慢，棉花生育、产量和纤维品质皆受到严重影响[3-5]，因此探索改善盐碱地棉花纤维品质具有重要实践指导意义。盐碱地富钠富钾[6-8]，但Na+/K+高，严重限制了棉花对钾的吸收，导致棉株钠缺乏[9-10]。不同基因型棉花对钾素吸收利用效率有很大差异[11]，目前钾已成为盐碱地棉田土壤养分的限制因子[6,8]。 缺钾会显著降低棉花纤维断裂比强度[12-13]，而棉花纤维断裂比强度由纤维细胞的次生壁建成质量决定[14]，成熟纤维85%以上的成分是纤维素，其合成与累积主要在纤维次生壁加厚期进行[15]。 蔗糖是纤维素合成的初始底物[16]，并可催化分解为尿苷二磷酸葡萄糖(Uridine diphosphate glucose, UDPG)。 β-1,3- 葡聚糖与纤维素共同竞争底物UDPG，两者影响着纤维次生壁的建成质量。 土壤盐分阻碍了纤维素的合成，降低了蔗糖的转化率， 影响了蔗糖代谢酶的活性[17]。 K+是植物组织中最丰富的阳离子，约占植物干物质的10%[18-19]，K+也是纤维细胞中含量最多的阳离子[20]。钾缺乏易引起棉花早衰，棉花纤维素的合成与累积提前结束，导致成熟纤维中的纤维素含量明显下降[13]。 盐分条件下，Na+竞争K+转运和结合位点，影响了K+选择性吸收，导致盐碱地钾缺乏，因此提高植物耐盐性的一种方法是通过施用钾盐来提高植物内源钾的水平[21-22]。盐胁迫下施钾促进了棉花生长和养分吸收，提高了单株结铃数和铃重[23-24]。 前人研究仅限于单一钾素或盐胁迫对棉花纤维发育的影响，而针对盐胁迫下钾素对棉花纤维发育的调节研究较少。 本研究拟通过在不同盐分处理下设置不同施钾量，研究盐分胁迫下施钾对棉花纤维断裂比强度、纤维素含量以及纤维加厚发育期糖代谢的影响机制，揭示盐胁迫下施钾对棉花纤维断裂比强度的调节机理，旨在为盐碱地棉花生产适量施钾提高纤维品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017—2018 年在江苏省盐城市大丰区（33°20′N,120°46′E）大丰稻麦原种场试验地进行，试验地为滨海盐碱地，沙壤土。 2 年试验地土壤情况见表1。

表1 试验地土壤基本情况Table 1 Physical and chemical properties of the soils at the experimental sites

试验采用裂区设计，以土壤盐分含量为主区因素，施钾量为副区因素，品种为副副区因素。 选择质地和养分相近、 盐分含量差异明显的低（1.68～1.78 dS·m－1）、中（6.21～6.42 dS·m－1）、高（10.59～11.08 dS·m－1）3 个盐分土壤 （分别以LS、MS、HS 表示），其中，低盐土壤为种植5 年水稻后土壤， 中盐土壤为种植2 年水稻后土壤，高盐土壤为背景土壤（即未种植水稻的土壤）；施钾量设3 个水平，0、150、300 kg·hm－2（分别以K0，K150，K300 表示），钾肥为硫酸钾，基肥及初花肥各占50%；品种为中棉所79（CCRI 79，耐盐型，生育期130 d 左右）和泗棉3 号（Simian 3，盐敏感型，生育期133 d 左右）。 试验于2017 年4 月25日播种育苗，5 月25 日移栽；2018 年4 月20 日播种育苗，5 月20 日移栽。 移栽密度为49 500株·hm－2。 试验统一施氮300 kg·hm－2，（氮肥为尿素，基肥占30%，初花肥、盛花肥各占35%）、施P2O5100 kg·hm－2（磷肥为过磷酸钙，全部基施），其他管理要求同高产大田。

1.2 取样方法

于6～8 果枝开花时挂牌标记第一果节当日花， 于花后21、28、35 和42 d 取发育一致棉铃6个，暂时存放于冰盒中，到室内迅速分离出纤维，一半纤维经液氮速冻后， 于―80 ℃冰箱中保存，用于测定磷酸蔗糖合成酶和β-1,3- 葡聚糖酶的活性，另一半纤维于40 ℃烘干至恒重，用来测定纤维断裂比强度、纤维蔗糖、β-1,3- 葡聚糖和纤维素含量。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 纤维断裂比强度。 采用USTER HVI MF100（美国乌斯特公司）纤维测试系统测定。

1.3.2 纤维加厚期相关物质。 纤维素含量用蒽酮比色法测定[25]；蔗糖含量用间苯二酚显色法测定[25]，β-1,3 葡聚糖用荧光分光光度法测定[26]。1.3.3 纤维加厚期相关酶活性。 β-1,3 葡聚糖酶用昆布多糖比色法测定[27]；磷酸蔗糖合成酶活性测定主要参考Winter 的方法并略有改动[28]，具体测定方法为：取反应缓冲液450 μL（14 mmol·L－1UDPG、50 mmol·L－16- 磷酸果糖、50 mmol·L－1氯化镁），粗酶液200 μL，于30℃保温30 min 后100 ℃保持1 min，加入2 mol·L－1100 μL 氢氧化钠，沸水浴10 min，冷却后加入30% 盐酸3.5 mL和0.1%（W/V）间苯二酚1 mL，80 ℃水浴30 min。自然冷却后测定480 nm 下的吸光度值。

1.4 数据处理

1.4.1 钾缓解系数（Alleviation coefficient,AC）的计算。 ACS-KX＝(FS-KX－FS-K0)/(FL-K0－FS-K0)×100%，其中“F”表示纤维断裂比强度，“S”表示中盐或高盐分水平，“KX” 表示施钾量，L 为低盐水平，K0为不施钾处理。

1.4.2 纤维素累积特征值的计算。 棉花纤维中纤维素含量的变化利用Logistic 方程拟合[29]：

式中：Y 为纤维素含量（mg·g－1），t 为花后时间（天），Ym为纤维素累积的理论最大含量（mg·g－1），a、b 为生长参数。 分别对（1）式求1 阶、2 阶和3 阶导数，即可得纤维素累积特征值：纤维素累积的起始时期t1（d）和终止时期t2（d），纤维素最大累积速率Vmax（mg·g－1·d－1）及快速累积持续期T＝t2－t1（d），其中：

利用Microsoft Excel 2017 对数据进行预处理， 利用SPSS 22.0 对数据进行方差分析， 采用LSD 法检验显著性，利用Origin 2018 作图。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫下施钾对成熟纤维断裂比强度的影响

2 年试验结果表明（表2），盐分胁迫显著降低了两品种的纤维断裂比强度。

盐胁迫下施钾显著提高了两品种的纤维断裂比强度，且随盐胁迫程度的加深，施钾缓解效果显著降低。 在中度盐胁迫下，2017 年，CCRI 79在K150 和K300 处理的缓解系数分别为61.90%和66.67%，2018 年分别为72.22%和72.22%。2017 年，Simian 3 在K150 和K300 处 理 的 缓 解系数分别为43.75%和50.00%，2018 年分别为57.14%和52.38%。

在高盐胁迫下，2017 年，CCRI 79 在K150 和K300 处理的缓解系数分别为21.88%和28.13%，2018 年分别为32.35%和41.18%。 2017 年，Simian 3 在K150 和K300 的缓解系数分别为15.38%和20.51%，2018 年分别为20.83%和20.83%。在中、 高盐胁迫下，K150、K300 处理对棉花纤维断裂比强度降幅的缓解作用差异不明显，高盐胁迫仍是限制纤维断裂比强度提升的主要因素。中、高盐胁迫下，与K0 相比，CCRI 79 在K150 和K300 处理下纤维强度提升幅度皆高于Simian 3，2 年表现一致。

表2 盐胁迫下施钾对纤维断裂比强度的影响Table 2 The effects of potassium on mature cotton fiber strength under salt stress cN·tex－1

2.2 盐胁迫下施钾对棉花纤维中纤维素含量及其累积特征值的影响

2 年试验结果表明， 纤维断裂比强度与纤维素的累积有关，成熟纤维断裂比强度与最终纤维素含量呈极显著的线性正相关关系（图1）。 分析纤维素含量增长动态特征值发现，施钾可以显著提高纤维加厚期纤维素最大累积速率Vmax（表3）。

在中盐胁迫下，2017 年CCRI 79 在K150 和K300 处理下Vmax较K0 处理分别提高10.98%和17.32%，2018 年分别提高9.42%和14.68%。 2017年泗棉3 号在K150 和K300 处理中Vmax较K0处理分别提高7.34%和13.16%，2018 年分别提高8.08%和12.63%。 在高盐胁迫下，2017 年CCRI 79 的K150 和K300 处 理Vmax较K0 处 理分别提高8.87%和10.22%。 2018 年分别提高3.12%和7.39%。 2017 年Simian 3 泗棉3 号在K150 和K300 处理下Vmax较K0 处理分别提高7.16% 和9.92% ，2018 年 分 别 提 高1.60% 和6.38%。 与K0 相比，在中高盐胁迫下CCRI 79 纤维素最大累积速率增幅高于泗棉3 号；但随着盐胁迫加重，增幅逐渐降低，2 年表现一致。

表3 盐胁迫下施钾对纤维素累积特征值的影响Table 3 The effects of potassium on the eigenvalues of cellulose accumulation under salt stress

图1 成熟纤维断裂比强度与最终纤维素含量间的关系Fig. 1 The relationship between mature fiber strength and the fiber cellulose content

2.3 盐胁迫下施钾对棉花纤维加厚期糖含量的影响

图2 成熟纤维断裂比强度与最终纤维素含量间的关系Fig. 2 The relationship between mature fiber strength and the fiber cellulose content

2.3.1 蔗糖含量。 随着纤维的发育，纤维中蔗糖含量呈持续下降趋势（图2），纤维素快速累积的终止期在花后28 d 左右（表3）。 盐胁迫降低了纤维中蔗糖含量。 同一盐分水平下，不同施钾量处理在花后28 d 时蔗糖含量差异达到显著（除高盐胁迫外）。花后28 d 后至纤维成熟期，纤维蔗糖含量差异逐渐减少，2 年表现一致。比较不同盐分水平处理下施钾对两品种纤维蔗糖含量的影响发现，随盐胁迫程度加深，纤维蔗糖含量增幅减小。3.3.2 β-1,3-葡聚糖含量。随着纤维的发育，纤维中β-1,3-葡聚糖含量呈持续下降趋势（图3）。 盐胁迫提高了纤维中β-1,3-葡聚糖含量。 施钾增加了β-1,3- 葡聚糖含量，花后28 d 时，同一盐分水平下各施钾处理间差异显著，2 年表现一致。比较不同盐分处理下，施钾对两品种β-1,3- 葡聚糖含量的影响发现， 随盐胁迫程度加深， 纤维β-1,3-葡聚糖含量增幅减小。 在中、 高盐分胁迫下，与K0 相比，CCRI-79 在K150 和K300 处理下纤维中β-1,3-葡聚糖含量的增幅低于Simian 3。

图3 盐胁迫下施钾对纤维加厚期β-1,3-葡聚糖含量的影响Fig. 3 Effects of potassium on the callose content in fibers under salt stress

2.4 盐胁迫下施钾对纤维加厚期糖代谢相关酶活性的影响

花后28 d 时，盐胁迫显著降低了纤维磷酸蔗糖合成酶以及β-1,3- 葡聚糖酶的活性，施钾显著提高了纤维磷酸蔗糖合成酶和β-1,3- 葡聚糖酶的活性（图4 和图5），且随盐胁迫程度加深，纤维磷酸蔗糖合成酶和β-1,3- 葡聚糖酶的活性增幅减小。 各盐分条件下， 与K0 相比，CCRI-79 在K150 和K300 处理下纤维β-1,3- 葡聚糖酶活性增幅高于Simian 3，2 年表现一致。

3 讨论

棉花对盐分的耐受性相对较强，其耐盐性存在阈值[3]。 本文研究表明盐胁迫显著降低了棉花纤维断裂比强度， 且随着盐胁迫加重降幅增大，这与前人研究结果基本一致[17,30]。 本研究还表明，适量施钾能显著提高盐胁迫下棉花纤维断裂比强度；但随盐分水平提高，纤维断裂比强度增幅减小，高盐仍是提高纤维断裂比强度的主要限制因子。

蔗糖是纤维素合成的初始底物，其催化分解生成UDPG。 UDPG 是合成纤维素的直接底物，而在逆境环境下，UDPG 则会大量的合成β-1,3-葡聚糖而非纤维素[31-32]。β-1,3-葡聚糖与纤维素共同竞争底物UDPG，二者直接影响纤维次生壁的建成质量[16]。 蔗糖和β-1,3-葡聚糖也是纤维发育过程中受盐胁迫影响最大的物质[17]，随土壤盐胁迫加重，纤维中蔗糖含量呈下降趋势，β-1,3- 葡聚糖含量呈升高趋势，纤维素的合成受到抑制。 施钾有效地提高了纤维中蔗糖含量，缓解了蔗糖向纤维素转化受到的盐胁迫。

图4 盐胁迫下施钾对花后28 d 纤维磷酸蔗糖合成酶活性的影响Fig. 4 Effects of potassium on the sucrose phosphate synthase activity in fibers under salt stress at 28 DPA

纤维素合成过程中，磷酸蔗糖合成酶催化游离态的6- 磷酸果糖和UDPG 合成磷酸蔗糖，进而在磷酸蔗糖水解酶的作用下分解为蔗糖，为纤维素合成提供初始底物[33]，磷酸蔗糖合成酶活性对次生壁纤维素合成速率和最终含量有很大影响。 逆境条件下棉花纤维素合成受阻的主要原因是磷酸蔗糖合成酶对逆境高度敏感[34]。 花后28 d为纤维素快速累积的终止期， 受盐分胁迫影响，纤维磷酸蔗糖合成酶活性下降， 蔗糖合成受阻，这与前人研究结果一致[17]。 施钾提高了花后28 d磷酸蔗糖合成酶的活性，促进了蔗糖在纤维细胞中的合成。 β-1,3-葡聚糖酶通过水解β-1,3- 葡聚糖，并将水解的糖类分子转移到纤维素的非还原端，为纤维素的合成提供部分底物并增加细胞可塑性[35]。本试验中盐分处理下，棉花纤维中β-1,3-葡聚糖酶活性升高，这与逆境条件下β-1,3- 葡聚糖酶活性升高的结果基本一致[36-37]。 钾素可以使黄瓜β-1,3- 葡聚糖酶活性呈先升高再降低的趋势[38]。 本研究中发现，施钾提高了花后28 d 时纤维β-1,3- 葡聚糖酶活性，且耐盐品种CCRI 79 的增幅高于盐敏感品种Simian 3。 盐碱地施钾促进了磷酸蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶活性的升高，促进纤维素累积平稳进行。

纤维断裂比强度的形成是纤维素累积的结果。 盐胁迫显著降低了成熟纤维中的纤维素含量，盐胁迫越重，纤维素含量降幅越大，这也与前人研究结果基本一致[17,39]。 本试验纤维素累积特征值发现，施钾缓解了盐胁迫对纤维素累积的影响，盐胁迫降低了纤维素最大累积速率Vmax，而盐胁迫下施钾则提高了不同盐分处理下的Vmax，在低盐处理和中盐胁迫下Vmax的增幅明显，而在高盐胁迫下Vmax的增幅较小。

图5 盐胁迫下施钾对花后28 d 纤维β-1,3-葡聚糖酶活性的影响Fig. 5 Effects of potassium on the β-1,3-glucanase activity in fibers under salt stress at 28 DPA

作物秸秆还田可以补充土壤中的部分钾素，还有利于改良土壤，而有关盐碱地秸秆还田中钾素对棉花纤维品质的影响仍有待于进一步研究。

4 结论

盐胁迫降低了纤维中蔗糖含量并增加了β-1,3-葡聚糖含量， 降低了纤维加厚期纤维素累积量，棉花纤维断裂比强度显著降低。 盐碱地施钾则提高了花后28 d 时磷酸蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶的活性以及蔗糖和β-1,3- 葡聚糖含量，提高了纤维素最大累积速率Vmax， 耐盐品种CCRI 79 的纤维素最大累积速率增幅高于盐敏感品种Simian 3， 促进纤维素的累积。 高盐分水平下，施钾提高纤维断裂比强度幅度减小。