蕾期低温胁迫对棉花生长发育的影响

钟信念，梁其干，徐建伟，徐蒙可，唐铠秀，李志博

(石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】低温是影响植物生长和分布的自然灾害的因素之一[1]。棉花属锦葵科棉属植物，原产于亚热带，喜温好光，但也容易受到低温冷害的影响[2]。低温冷害不仅常发生在棉花播种期和收获期，也会发生在棉花开花结蕾期[2]。低温胁迫对植物生理活动会产生不利影响[3]。一些棉花品种在日平均生长温度低于15℃时就会对棉花生长发育造成一定影响，因此，研究棉花抗低温冷害具有重要意义[4]，也对保持棉花可持续发展具有重要意义[5]。【前人研究进展】棉花在经过低温冷害后缺苗导致断垄，生育期大大缩短，籽棉产量大幅下降，原棉品质变差，导致棉花光合作用发生变化，体内相关酶活性受到影响等[6]。低温胁迫对植物膜系统的最初影响表现在生物膜类脂分子相变[7]，细胞膜因受到伤害而渗透性增大，使细胞内电解质等可溶性物质外渗，引发植物体内一系列新陈代谢失调[8]。随后细胞中酶系统受到破坏，蛋白质变性，酶活力降低甚至丧失，造成原有协调代谢过程不能正常进行[9]。低温弱光降低了植物叶绿素含量，光合作用碳同化的关键酶RuBP(Ribulosebisphosphate)羧化酶活性显著下降，减缓淀粉等的运输，造成对光合作用的反抑制，显著降低了净光合速率[10]。【本研究切入点】【拟解决的关键问题】选用3个陆地棉品种，设置轻度、中度和重度3个低温梯度，测定生理指标，研究低温胁迫下不同品种在蕾期株高、现蕾数、果枝数、单蕾重等农艺性状(生理指标)等各项指标的变化。采用人工控温、控光等条件的方法，分析3个低温梯度低温胁迫对棉花蕾期生长的影响，为棉花蕾期遭遇逆境条件进行温度调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为3个新疆北疆不同年代具有代表性的陆地棉主栽品种新陆早10号、新陆早36号和新陆早61号，棉花种子均由新疆兵团绿洲生态农业重点实验室棉花育种室提供。于新疆石河子市石河子大学绿洲生态实验室购置人工智能气候箱中进行。

选用大小相同的新发芽盒，3个品种各挑选300粒饱满健康且经过硫酸脱绒洗净的新陆早10号、新陆早36号和新陆早61号棉籽作为材料，用0.4%的高锰酸钾溶液对种子消毒，消毒时间为10～15 min，用蒸馏水将表面残留的高锰酸钾溶液冲洗3～4次，冲洗后放于经75%酒精消毒的烧杯中备用。再放置于垫有干净滤纸(防止种子根部穿过纱布网眼)及纱布的发芽盒中，用56℃温水泡种20～25 min(加快萌发)，每个发芽盒放40粒种子置于加有足以润湿发芽床的少量水，放入28℃培养箱培养，观察种子发芽长势，当芽长1 cm时取出种入花盆。

1.2 方 法

1.2.1 棉苗培养及处理

采用室内人工气候箱盆栽法培养棉花幼苗，选取盆径320×250(mm)，高为16 cm的花盆进行播种育苗。培养土为花卉市场采购，采用花土与蛭石以4∶1的比例混配后作为基土栽培种植。每盆保苗4株,株距10 cm，每个品种设4盆作为重复(3盆处理、1盆对照)。共计12个处理(3个CK，9个Tr)，重复3次。出苗后每盆保留4棵长势一致的棉苗继续生长，每3 d浇灌适宜的水肥。

前期培养光照强度设置为50 000 xl、昼夜温度为28℃/20℃、光周期16 h、湿度为60%；待材料长至初始现蕾期时，将长势一致的材料放入人工智能气候箱内低温处理培养。试验条件湿度均设置为60%，低温条件分别设置为①光照强度20 000 xl(光照强度根据低温强度设置设置相应的弱光调节)昼夜温度20℃/15℃(白天20℃晚上15℃)光周期16 h、②光照强度15 000 xl昼夜温度15℃/10℃光周期16 h、③光照强度10 000 xl昼夜温度10℃/5℃光周期16 h 3个低温梯度处理。

对照组设置光照强度为50 000 xl、昼夜温度28℃/20℃光周期16 h处理，于材料现蕾期开始给予低温胁迫至初花期，期间每处理5 d后选取每株的倒4叶进行各项生理指标的测定。去掉一个最高和最低测定值,取其余的平均值作为相应测定值。

1.2.2 生理指标、相对生理指标测量计算

测定株高、叶面积、蕾数、单蕾重、果枝数等生长发育指标。每处理5 d后，测定各材料植株株高、现蕾数、果枝数、单蕾数、叶面积等生长发育指标(生理指标)计数等。株高采用形态测量法用软尺测定，植株主茎高度以子叶节到生长点的高度为准(作图株高采用比值法得出)；叶面积采用LI光电式叶面积仪对所选材料叶片扫描测定其面积；采用人工统计(现蕾数、果枝数)。果枝数和现蕾数取原始数据，相对株高增长值取比值(0 d皆取值为1，第5 d组数据为CK与Tr的第5 d数据减去第0 d数据之间的比值，依次类推分别得出5、10、15 d。)叶面积采用差值的方法取值统计(CK与Tr各取平均值后将第15 d组数据减去第0 d数据之间的比值得出)。

1.3 数据处理

使用SPSS 26.0统计分析软件处理试验中所有数据，P<0.05表示差异显著,应用Excel 2019、origin2020等画图软件综合分析作图。

2 结果与分析

2.1 蕾期轻度、中度、重度低温胁迫对相对株高值的影响

研究表明，随着低温胁迫程度的加重,低温对株高的影响越大, 当低温胁迫温度高于15℃时新陆早10号的相对株高增长值下降的幅度较新陆早36号、新陆早61号趋势小。当低温胁迫温度低于15℃时新陆早36号相对于新陆早10号、新陆早61号下降的幅度小。且同一个低温下，随着低温胁迫时间的延长，相对株高增长值下降加大；且同一个处理时间段内(15 d)，低温胁迫越大，相对株高增长值受到的影响越大。图1

图1 低温胁迫下棉花株高变化

2.2 蕾期轻度、中度、重度低温胁迫对棉花现蕾数的影响

研究表明，低温胁迫下单株结蕾数的变化比较明显。3个品系的总现蕾数都随着低温胁迫程度加重及胁迫时间延长而显著减少。低温胁迫对新陆早36号的现蕾数影响比较明显，3个品系直接减少幅度差异不大。胁迫处理前5 d，现蕾数变化趋势不明显，5 d以后，CK与T1和T2处理间现蕾数变化趋势差异明显；低温胁迫15 d时，CK现蕾数远高于T1和T2处理。

相对耐低温较好的棉花品种在胁迫发生时的花蕾脱落率比不耐低温品种高，低温胁迫导致棉花单蕾重明显下降。低温胁迫对现蕾数的影响大小表现为新陆早61号>新陆早10号>新陆早36号。在低温胁迫下，新陆早36号表现出更稳定的耐低温特性。图2

图2 低温胁迫下棉花蕾数变化

2.3 中度蕾期低温胁迫对果枝数的影响

研究表明，在低温处理下，新陆早36号表现出更稳定的特性。3个品系在果枝数都出现了小幅下降，新陆早61号下降幅度相对较大。15℃以上的低温胁迫对新陆早10号棉花的果枝数的影响不大，而对新陆早61号和新陆早36号的果枝数略有影响，而低于15℃的低温胁迫的新陆早36号相比于新陆早61号和新陆早10号耐冷性更好。图3

图3 低温胁迫下棉花果枝数变化

2.4 中度蕾期低温胁迫对单蕾重的影响

研究表明，3个品种的蕾重在低温胁迫后均显著降低，新陆早10号蕾重减少约0.55 g、新陆早36号蕾重减少约0.13 g、新陆早61号减少约0.38 g。低温胁迫对单蕾重的影响表现为新陆早10号>新陆早61号>新陆早36号，且表现为CK>T1处理>T2处理。低温胁迫加重棉花蕾脱落率，现蕾率呈显著下降趋势，其中T2处理影响最严重。图4

图4 低温胁迫下棉花单蕾重变化

2.5 蕾期低温胁迫对叶面积的影响

研究表明，经过10℃/5℃低温条件下处理5 d后，新陆早61号和新陆早36号叶片出现了暂时性萎蔫现象，叶片轻度下垂；持续10 d后植株停止生长，第15 d时，新陆早61号和新陆早10号所有叶片严重失水萎蔫，再置于常温下不能恢复，叶柄弯曲、脱水并出现大面积脱水斑块，萎缩程度较为严重，个别植株接近死亡状态；相同温度胁迫条件下相比，新陆早36号叶片出现脱水斑块程度小于新陆早61号和新陆早10号，从低温胁迫对棉花的表型影响看，在同等条件下新陆早36号较新陆早61号和新陆早10号有更强的抗低温胁迫性。图5

图5 低温胁迫处理下棉花叶面积变化

2.6 蕾期低温胁迫对表型的影响

研究表明，经过10℃/5℃低温条件下处理5 d后，新陆早61号和新陆早36号叶片出现了暂时性萎蔫现象，叶片轻度下垂；持续10 d后植株停止生长，第15 d时，新陆早61号和新陆早10号所有叶片严重失水萎蔫，再置于常温下不能恢复，叶柄弯曲、脱水并出现大面积脱水斑块，萎缩程度较为严重，个别植株接近死亡状态；相同温度胁迫条件下相比，新陆早36号叶片出现脱水斑块程度小于新陆早61号和新陆早10号，从低温胁迫对棉花的表型影响看，在同等条件下新陆早36号较新陆早61号和新陆早10号有更强的抗低温胁迫性。

在同等条件下新陆早36号较新陆早61号和新陆早10号有更强的抗低温胁迫性。图6

图6 低温胁迫处理15 d下棉花表型变化

3 讨 论

3.1 低温胁迫对植株营养生长的影响

春季低温灾害严重影响小麦的生长发育，导致产量下降，明显制约和威胁了小麦的安全生产[11]。植株在胁迫处理下，生长量相对减少，同化物积累的减少限制了植株的形态建成；低温胁迫影响了植株根系的生长，干物质积累比对照下降较多，影响植株的形态发育[12]。低温弱光使棉花的主茎高度和叶面积扩展减缓, 且扩展减缓主要是叶片伸长受抑制的结果[13]。

研究中，中度低温、重度低温胁迫对棉花蕾期植株最直观的影响表现在植株的外部形态上，同大多数作物一样，蕾期植株在重度低温胁迫时，叶片萎蔫、黄化，植株出现早衰症状甚至脱水干死脱落。研究表明，对于蕾期棉花20℃以下(尤其15℃以下)低温胁迫对蕾期棉花植株生长的影响涉及多个生发发育指标(包括株高等)，研究结果与前人类似研究结果一致。

3.2 低温胁迫对植株生殖生长的影响

低温冻害下小麦源受损光合速率降低导致总生物量下降，重度冻害使得小麦茎秆损伤阻碍“流”的运输，源流的受抑最终导致小麦产量下降[11]。单株现蕾个数和单蕾重下降是造成产量降低的主要原因。研究蕾期低温胁迫对单蕾重及现蕾数的影响结果与前人相关研究结论相符。低温胁迫下株高、单株结蕾数、单蕾重的变化比较明显，3个品种的单蕾重在低温胁迫下均显著降低,3个品种果枝数、叶面积变化不太明显。低温胁迫不仅抑制了蕾期棉花植株的营养生长还抑制了生殖生长。

3.3 低温胁迫对不同品种的影响

低温弱光对植物的影响不仅取决于胁迫的程度, 还和植物的品种类型有关[13]。选取新疆北疆棉区的主栽棉花品种来研究低温弱光的影响,但没有涉及不同棉花品种间的低温弱光胁迫差异[13]。试验分别对3个不同棉花品种间进行低温胁迫，研究不同棉花品种对低温胁迫响应的差异。新陆早36号相比对照组株高、叶面积下降较少,而新陆早61号、新陆早10号相比于对照组下降较为显著，此变化可能与所选品系有关。

3.4 不同低温胁迫强度对植株的影响

在相同持续时间不同低温胁迫下，棉苗的茎粗、侧根数、叶面积均达到极显著水平(P<0.01)随着温度的降低，胞膜的透性增加，光合作用变弱[4]低温寡照胁迫下，番茄现蕾和开花速度明显减慢，且胁迫程度越强增长速度越慢[14]。研究对蕾期低温胁迫对棉花生长发育的影响的试验研究共设置了12组；试验中在重度低温胁迫T3(10℃/5℃)下，新陆早61号、新陆早10号和新陆早36号的单株现蕾数、蕾重均显著低于T1(20℃/15℃)和T2(15℃/10℃)，在相同持续时间不同低温胁迫下，温度越低，对蕾期植株生长发育的影响越明显。

3.5 不同低温胁迫持续期长对植株的影响

在同一温度下，随着处理时间的增加棉花幼苗的茎粗变细、叶面积变小、棉苗的干物重积累量降低[4]。研究结果表明，低温胁迫15 d对植株生长发育指标的影响大于10 d大于5 d。研究中蕾期棉花在重度低温胁迫条件下处理15 d后，植株各项生理指标均显著低于轻度和中度，相同低温度值处理下，低温处理的时间持续越长，对蕾期棉花生长的抑制作用越明显。与前人研究结果一致，低温持续时间的延长对蕾期棉花植株的生物学产量及抑制程度也进一步加剧。

3.6 低温胁迫强度和低温胁迫持续期对植株的影响

棉花苗期生长受到低温强度和低温持续期2个因素的互作影响，在其互作过程中低温持续时间为主要因素[15]。研究发现，当胁迫温度为15℃以上且胁迫时长为5 d内时，低温持续时间为主要因素；15℃以下时低温强度为主要因素。实验研究发现，10℃/5℃的低温胁迫条件已经严重影响了蕾期棉花植株的生长。通过研究结果得出的栽培经验，低于20℃的低温对棉花的生长发育会产生影响。在设施栽培中，当低温天气出现时，应该充分利用设施具有的可调控环境因子的功能，注意保温并采取加热增温等手段，尽可能的满足蕾期棉花植株正常生长所需的温度条件，防止20℃以下低温出现。

4 结 论

当低温胁迫温度低于15℃时新陆早36号相比于新陆早61号和新陆早10号耐低温性更好。材料中耐低温性较弱品种的株高、单株果枝数、单株现蕾数、单蕾重下降幅度明显。15℃以上低温胁迫对新陆早10号棉花的现蕾数影响不大，而对新陆早61号和新陆早36号现蕾数略有影响，而出现低于15℃的低温胁迫时，新陆早36号相比于新陆早61号和新陆早10号耐冷性更好。低温胁迫后植株下降较为明显的农艺性状有株高、单株现蕾数、单蕾重等，可以作为耐低温育种中耐低温鉴定的参考指标。蕾期棉花在重度低温胁迫条件下处理10 d后，植株各项生理指标均显著低于轻度和中度，胁迫温度越低，对蕾期棉花生长的抑制作用越明显，且相同低温度值处理下，低温处理的时间持续越长，对蕾期棉花生长的抑制作用越明显。蕾期棉花遭遇低温胁迫时其生长发育均受到不同程度影响，新陆早36号表现出更稳定的耐低温性可能是通过抑制自身植株的生殖生长，来增强植株的耐寒性。