棉纤维发育过程中糖代谢生理特征对氮素的响应及其与纤维比强度形成的关系

 【目的】研究棉纤维发育过程中的糖代谢生理特征对氮素的响应及其与纤维比强度形成的关系,探索改善棉纤维比强度的生理调控技术途径。【方法】以美棉33B（AC-33B）和科棉1号（KC-1）为材料,设置大田氮素水平0 kg N?hm－2（缺氮）、240 kg N?hm－2（适氮）和480 kg N?hm－2（高氮)试验,研究3个氮素水平下棉纤维发育过程中糖代谢的重要物质（蔗糖和β-1,3-葡聚糖）含量变化、调节糖代谢的相关酶（蔗糖酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶及β-1,3-葡聚糖酶）活性的动态变化和纤维比强度形成的关系。【结果】两年试验结果表明,在240 kg N?hm－2水平下,棉纤维中的蔗糖酶活性最高,可长时间地为棉纤维发育提供一个充足的物质能量库,蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶活性最高,促使纤维发育过程中铃龄5～24 d的蔗糖下降量及24～31 d蔗糖增长量最大,并且全铃期内转化率高且转化彻底,β-1,3-葡聚糖酶活性高,使含量及峰值高的β-1,3-葡聚糖中后期转化彻底,因此,此水平下棉纤维发育过程中蔗糖和β-1,3-葡聚糖含量的上述动态变化,有利于纤维素平缓累积且累积期长,与高强纤维的形成需要的纤维素累积特征相吻合;而在0 kg N?hm－2水平下,棉纤维发育过程的糖代谢生理特征与上述表现刚好相反,最终纤维素累积过快且累积期短,形成低强纤维;480 kg N?hm－2水平则介于上述两者之间。【结论】棉纤维发育过程糖类物质代谢生理特征在0、240、480 kg N?hm－2水平间存在明显差异,该差异是导致纤维最终比强度形成不同的重要因素。在240 kg N?hm－2水平下,上述糖代谢相关酶活性变化及糖类物质供给更为优化,更有利于高强纤维的形成。     

不同棉花品种纤维比强度形成的温度敏感性差异机理研究

 【目的】研究纤维比强度形成存在温度敏感性差异的2个棉花品种纤维发育生理特性对低温的响应差异。【方法】选用纤维比强度形成存在温度敏感性差异的2个品种（科棉1号：温度弱敏感型品种,苏棉15：温度敏感型品种）,通过分期播种,使相同果枝部位棉铃发育处于不同的温度条件,研究低温对棉花纤维发育相关物质含量和酶活性的影响。【结果】正常播期条件下,棉纤维发育期日均最低温为24.0和25.4℃,棉纤维中蔗糖合成酶活性高,β-1,3-葡聚糖酶活性低,蔗糖转化率和纤维素含量均较高,最终纤维比强度最高;晚播所致的低温（棉纤维发育期日均最低温低于21.1℃）则显著影响棉纤维发育,蔗糖转化率、纤维素含量、β-1,3-葡聚糖含量均下降,纤维发育相关酶活性中蔗糖合成酶活性下降、β-1,3-葡聚糖酶活性上升,导致纤维比强度降低。2个纤维比强度形成存在温度敏感性差异的棉花品种纤维发育生理特性对低温的响应存在差异,温度敏感型品种（苏棉15）的蔗糖转化率、纤维素含量及酶活性（蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶）在因播期形成的不同温度间的变化幅度明显大于温度弱敏感型品种（科棉1号）。【结论】低于21.1℃的日均最低温影响棉纤维发育及纤维比强度形成,不同棉花品种纤维发育相关的物质含量、酶活性对低温的响应存在差异,这可能是导致纤维比强度存在温度敏感性差异的主要原因之一。     

棉纤维发育相关酶活性的基因型差异与纤维比强度的关系

 【目的】以纤维比强度差异较大的不同基因型棉花为材料，研究它们纤维发育过程中相关酶活性的动态变化与纤维比强度的关系，为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径提供理论依据。【方法】选择棉纤维比强度分属高（科棉1号）、中（美棉33B）、低（德夏棉1号和苏棉15号）3种类型，4个不同基因型的品种，在大田栽培条件下，研究棉纤维次生壁加厚过程中相关酶活性的动态变化、纤维素累积和纤维比强度形成的关系。【结果】β-1,3-葡聚糖酶活性在次生壁加厚发育过程中呈下降趋势，蔗糖合成酶、过氧化物酶和IAA氧化酶活性变化均呈单峰曲线，基因型间差异主要表现在酶活性的大小和峰值出现的时间。科棉1号属高强纤维基因型，棉纤维中与纤维发育相关的酶活性在整个次生壁加厚期高于中、低强纤维基因型，前者酶活的动态变化与纤维素累积快速增长期的协调性好，纤维素累积平缓，纤维比强度增强的幅度大；反之，如低强纤维品种德夏棉1号和苏棉15号，其纤维发育相关酶在次生壁加厚期活性低，纤维素累积快速增长期短，纤维比强度增强的幅度小；美棉33B棉纤维发育相关酶活性、纤维素累积和纤维比强度形成特征介于上述两种基因型之间。【结论】不同基因型棉花纤维中与纤维发育相关的酶活性存在显著差异，该差异可能是导致纤维素累积特性及纤维比强度形成基因型间差异的主要生理原因之一。     

低温条件下相关关键酶活性对棉纤维比强度形成的影响

【目的】研究低温对纤维比强度形成的影响。【方法】通过设置大田分期播种试验,使相同果枝部位棉铃可以处于不同的温度条件下发育,研究低温对棉纤维发育关键酶活性及相关基因表达的影响。【结果】低温影响纤维素的累积速率并最终影响纤维比强度的形成,其原因是在不同水平上影响了纤维发育关键酶的活性。在生化水平上,低温（铃龄0～50 d日均温<23.0℃,铃龄25～50 d日均温<21.0℃）提高了纤维中β-1,3-葡聚糖酶的活性、降低了蔗糖合成酶的活性,且前者对温度更为敏感。在基因表达水平上,低温使Expansin、蔗糖合成酶基因的表达量增加,β-1,3-葡聚糖酶基因的表达与此相反,低温下Expansin到达表达峰值时间推后且维持高表达的时间延长,低温可导致15 d铃龄纤维β-1,3-葡聚糖酶基因表达量显著降低,而蔗糖合成酶基因表达量显著升高。【结论】在纤维品质形成上,低温导致棉纤维伸长期及伸长高峰推后,低温下纤维素累积量、纤维比强度的变化特征与纤维蔗糖合成酶活性及β-1,3-葡聚糖酶基因表达的变化特征高度一致,与β-1,3-葡聚糖酶活性及蔗糖合成酶基因表达受低温影响的规律相反。     

棉株生理年龄对纤维加厚发育及纤维比强度形成的影响

 【目的】研究棉株生理年龄对棉纤维加厚发育及纤维比强度形成的影响。【方法】通过设置播期试验使位于棉株不同部位的棉花"三桃"（伏桃、早秋桃和晚秋桃）的棉纤维加厚发育期（铃龄25～50 d）处于相同的温度条件下（统计伏桃、早秋桃和晚秋桃棉纤维加厚发育期日均温分别为22.0、19.4和15.3℃）。【结果】棉花"三桃"的棉纤维加厚发育及纤维比强度受温度和棉株生理年龄的双重影响，棉株生理年龄是影响伏桃、早秋桃棉纤维加厚发育的主要因子，对棉株上部果枝的伏桃和下部果枝的早秋桃棉纤维加厚发育具有显著影响，铃重、衣分和纤维比强度均明显低于其他部位；棉纤维加厚发育期低温则是影响晚秋桃棉纤维加厚发育及纤维比强度的首要因子。在本试验15.3℃的温度条件下，棉纤维蔗糖合成酶活性显著降低，β-1，3-葡聚糖酶活性显著升高，同时纤维素累积量和累积速率均显著降低，棉花铃重低于2 g，纤维比强度低于20 CN·tex-1。【结论】棉株生理年龄对伏桃、早秋桃和晚秋桃纤维比强度的影响作用依次增强。     

花铃期干旱对棉纤维素累积及纤维比强度的影响

为揭示干旱影响棉纤维素累积和纤维比强度的生理代谢基础,以美棉33 B为材料,于棉花中部果枝开花时进行干旱处理,正常灌水为对照,研究花铃期干旱对棉纤维发育关键物质的累积和酶活性的影响。结果显示:花铃期干旱处理花后17~38 d蔗糖和β-1,3-葡聚糖含量均降低,花后0 d干旱处理的蔗糖转化率增加,而β-1,3-葡聚糖转化率降低,纤维素累积速率快但持续期短;花后10 d干旱处理对蔗糖和β-1,3-葡聚糖转化率影响较小,纤维素累积速率慢但持续期长。干旱处理使棉纤维比强度降低,且以花后0 d干旱处理影响较大。干旱处理棉纤维蔗糖合酶活性增加,蔗糖磷酸合酶和β-1,3-葡聚糖酶活性降低。     

新疆棉区日最低气温对棉纤维次生壁加厚期蔗糖代谢的影响

 【目的】研究日均最低气温对棉纤维中蔗糖代谢、纤维素沉积和纤维比强度形成的影响，揭示棉纤维强力变化的机理。【方法】通过分期播种，使棉铃发育处于不同的低温环境下，研究不同低温水平对新疆棉纤维发育过程中蔗糖代谢中相关物质含量变化、调控蔗糖代谢的关键酶活性变化的影响及与纤维素沉积的关系。【结果】正常播期条件下，棉株中部棉铃纤维中蔗糖合成酶（SS）和蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性高，蔗糖转化彻底，纤维素累积时间长且累积平稳，最终纤维素含量高、纤维强力增加。播期推迟，棉铃发育过程中夜间温度降低，纤维中SPS活性下降、酸性转化酶（AI）和碱性转化酶（NI）活性升高，造成果糖含量明显上升，影响纤维素的沉积。【结论】棉纤维加厚期＜15.3℃的日均最低气温影响了蔗糖代谢关键酶活性的变化，引起蔗糖转化率下降，果糖循环速率减缓并在纤维中大量富集。     

棉铃对位叶氮浓度与纤维品质指标的关系

 【目的】研究棉铃对位叶氮浓度与纤维品质指标的关系,为不同开花期棉铃纤维品质形成的氮素营养监测提供理论依据。【方法】在大田栽培条件下,以高品质棉(科棉1号)和常规棉(美棉33B)品种为材料,分别于江苏南京（118°50′E,32°02′N,长江流域下游棉区）和江苏徐州（117°11′E,34°15′N,黄河流域黄淮棉区）设置不同氮素水平(低氮：0 kgN?hm-2;中氮：240 kgN?hm-2;高氮：480 kgN?hm-2)试验,研究棉铃对位叶比叶重（LMA）、氮浓度（单位干重氮含量,NM;单位叶面积氮含量,NA）对氮素水平的响应,并初步探索了棉铃对位叶NA与纤维品质指标的关系。【结果】（1）棉铃对位叶NA蕴含了NM和LMA的双重信息,具有对氮素水平及开花期均较为敏感的特性,在氮素处理间差异性达显著水平,随开花期的推迟呈现出逐步上升趋势。（2）随着棉铃对位叶NA平均值的增加,棉纤维品质关键指标(纤维长度、比强度、马克隆值、整齐度)的变化趋势均为开口向下的抛物线型。（3）低氮与中氮处理间棉铃对位叶NA平均值的差距随着开花期的推迟逐渐扩大,而高氮与中氮处理间的差距逐渐缩小,相应氮素处理间纤维比强度和马克隆值的差距亦呈现出同样的变化趋势。【结论】棉铃对位叶NA与棉纤维品质指标的关系密切,可作为今后从氮素营养角度实时监测预报棉纤维品质优劣的一个重要生理指标。     

次生壁加厚过程中影响棉纤维素合成的主要生理机制

笔者结合国内外对于棉纤维发育过程中纤维细胞内部生理生化反应的最新研究成果,依据棉花纤维比强度形成机制,综述了棉纤维比强度形成的关键时期次生壁加厚期,纤维素生物合成的物质变化、参与调控其合成的酶系(纤维素合成酶,蔗糖合成酶,β-1,3-葡聚糖合酶,β-1,3-葡聚糖酶,吲哚乙酸氧化酶和过氧化物酶)及影响合成的主要因素(基因型,温度,激素)等方面的研究进展.为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径和培育高纤维强度的棉花品种提供了理论依据.     

主要生理机制

 笔者结合国内外对于棉纤维发育过程中纤维细胞内部生理生化反应的最新研究成果,依据棉花纤维比强度形成机制,综述了棉纤维比强度形成的关键时期次生壁加厚期,纤维素生物合成的物质变化、参与调控其合成的酶系（纤维素合成酶,蔗糖合成酶,β-1,3-葡聚糖合酶,β-1,3-葡聚糖酶,吲哚乙酸氧化酶和过氧化物酶）及影响合成的主要因素（基因型,温度,激素）等方面的研究进展。为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径和培育高纤维强度的棉花品种提供了理论依据。     

基于品种和氮肥的棉花叶色值、叶片氮含量及产量估测

【目的】棉花叶色和叶片氮含量在各生育时期的变化规律,研究叶色、叶片氮含量与产量的相关性,基于棉花叶色和叶片氮含量的产量估测。【方法】以新陆早45号、新陆早58号、新陆早62号、新陆早50号、鲁棉研24号为材料,设置4个施氮水平:N0(不施氮对照)、N1(120 kg/hm²)、N2(240 kg/hm²)、N3(360 kg/hm²),采用两因素完全随机区组设计,共20个处理,重复3次。【结果】(1)叶色值在全生育期变化趋势为吐絮期＞铃期＞花铃期＞盛蕾期＞现蕾期,叶片氮含量在全生育期变化趋势为花铃期＞铃期＞吐絮期＞现蕾期＞蕾期;(2)棉花叶色值、叶片氮含量、产量均呈线性正相关。其中棉花叶色值与叶片氮R²达0.37^**,叶色值与产量的R²达0.56^**,叶片氮含量与产量的R²达0.61^**;(3)通过产量对叶色值和叶片氮含量的响应特征,可基于二者实现棉花测产,产量估测方程为Y=363.48-65.175^*S+274.079^*N,R²达0.69(S指叶色值,N指叶片氮含量,Y指产量)。【结论】各棉花品种均在N3处理下产量最高,且通过叶色值和叶片氮含量实现棉花产量估测,在棉花测产中是较其它估产更精准的一种方法。     

氮素营养水平对棉花衰老的影响及其生理机制

 【目的】探讨在大田条件下,土壤氮素含量水平对棉花生长过程中叶片生理生化指标、干物质积累量、组织含水量、叶面积载荷量的影响,为调控棉花早衰和提高棉花产量提供依据。【方法】设置3个氮素水平（纯N：低氮 0 kg?hm-2;中氮189.50 kg?hm-2;高氮395.0 kg?hm-2）处理,研究棉花衰老过程中主茎功能叶的生理生化指标变化,植株的干物质积累量、组织含水量及载荷量特征。【结果】盛铃末期为处理间生理生化指标产生差异的起始时期。与中氮、高氮相比,从盛铃末期开始,低氮处理棉花的叶绿素含量、蛋白质含量、SOD和POD活性降低,组织含水量和干物质积累量快速下降,而MDA含量、叶面积载荷量快速升高,加速了棉株衰老的进程。增加氮素营养能够明显提高叶片的生理活性,提高组织含水量和干物质积累量,延缓衰老。【结论】在本试验条件下,盛铃末期是棉花叶片生理功能从旺盛生理功能到衰退的转折时期。土壤氮素含量与棉花衰老密切相关,低氮处理加速降低叶片的生理活性,造成早衰;中氮和高氮水平能够延缓棉花衰老现象。     

花铃期遮荫对棉花叶片生理特性的影响

【目的】研究棉花花铃期遮荫弱光对棉花叶片生理特性的影响。【方法】选择耐荫性不同的2个棉花(Gossypium hirsutum L.)品种中棉所 49 号和新陆中36 号为材料,于2016至2017年在乌鲁木齐市安宁区镇(87°28′E, 45°56′N)新疆农业科学院综合试验场进行不同程度遮荫大田试验。【结果】遮荫弱光造成棉花主茎功能叶SPAD值、净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r) 和气孔导度(G_s)迅速降低,胞间CO₂浓度(C_i)上升,棉铃对位叶可溶性糖和氨基酸含量上升。中棉所 49 号的相关指标变化幅度较新陆中36号小。不同生态型品种对遮荫弱光环境的适应性亦不同。【结论】遮荫弱光环境下棉花叶片光合性能下降,光合产物累积能力及输出能力受阻,导致棉铃对位叶可溶性糖和氨基酸含量降低,棉花单株铃数、铃重、籽棉产量亦随遮荫程度加深而显著减少(P<0.05)     

新疆棉花播期对棉纤维糖类物质及超分子结构的影响

[目的]在新疆气候生态条件下,研究不同播期对棉纤维发育过程中纤维素累积和纤维超分子结构的影响,探讨纤维累积特征、超分子结构变化与纤维强度形成的关系,揭示棉花生育后期低温对棉纤维强度形成的影响.[方法]选用新陆早13号和新陆早33号为材料,采用分期播种的方法,形成棉铃发育的不同温度条件,研究棉纤维素发育过程中纤维素累积特性和纤维超分子结构的变化,分析纤维强度形成与超分子结构变化的关系.[结果]在新疆棉花生产正常播期处理条件下,棉纤维的发育处于较适宜的温度条件,纤维发育过程中纤维素积累速率平缓且经历时期长;在晚播条件下,棉纤维发育后期受到低温的影响,纤维素的快速积累起始时期推迟,纤维快速积累时期缩短,纤维素的理论最大含量下降,晚播处理棉纤维的取向分散角和取向分布角的角度大于正常播期处理,纤维强度下降.[结论]在棉纤维发育过程中,棉纤维发育期后期的低温不仅影响了纤维素的积累特性,导致纤维的超分子结构3个参数大于正常播期处理,不利于高强纤维的形成.