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。     

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。     

棉铃对位叶氮浓度对纤维糖类物质和纤维比强度的影响

【目的】探明棉铃对位叶氮浓度对棉纤维比强度形成的影响。【方法】以纤维比强度差异较大的3个棉花品种为材料,设置不同施氮量处理以形成不同的棉铃对位叶氮浓度,研究棉纤维加厚发育过程中棉铃对位叶氮浓度的动态变化及其与纤维中糖类物质及纤维比强度间的关系。【结果】棉铃对位叶氮浓度随铃龄的变化符合幂函数曲线YN=αt-β;在棉纤维加厚发育过程中,纤维中蔗糖、β-1,3-葡聚糖和纤维素含量随棉铃对位叶氮浓度的增加呈抛物线型变化,蔗糖、纤维素累积与纤维比强度形成的最佳棉铃对位叶氮浓度变化曲线相吻合,β-1,3-葡聚糖累积与纤维比强度形成的最佳对位叶氮浓度差异较大。【结论】棉铃对位叶氮浓度反映了棉铃发育的氮营养状况,在棉纤维加厚发育过程中,均存在一个有利于蔗糖、β-1,3-葡聚糖、纤维素累积及高强纤维形成的最佳对位叶氮浓度。棉纤维中较高的蔗糖和纤维素含量有利于纤维比强度的形成;棉纤维加厚发育前期较高的β-1,3-葡聚糖含量有利于纤维比强度的形成,后期则对纤维比强度形成的作用降低。不同品种纤维比强度形成的对位叶适宜氮浓度差异较大,进一步说明对位叶氮浓度影响棉花纤维加厚发育和比强度的形成。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

不同灌溉方式下土壤中氮素分布和对棉花氮素吸收的影响

【目的】研究滴灌和漫灌下不同施肥量对棉花氮素吸收的影响。滴灌和漫灌不同灌溉方式在不同施肥处理(N 240、360和480 kg/hm2)下0~100 cm土层土壤NO3--N分布及棉花氮素吸收。【方法】通过网室土柱模拟实验,研究滴灌和漫灌在不同施肥处理(N 240、360和480 kg/hm2)下,0~100 cm土层土壤NO3-N分布及棉花的氮素吸收。【结果】滴灌各施肥处理硝酸盐主要积聚在40~60 cm土层,漫灌各施肥处理主要积聚在60~80 cm土层。棉花氮肥利用率相对较低为16.47%~28.37%;不同施肥量下土壤0~100 cm土层硝态氮残留量较高为60%~81%,且N240和N480施肥处理漫灌残留量均高于滴灌;氮肥总回收率比较高,各处理均达到87%以上。【结论】滴灌、漫灌下作物氮素吸收量差异不显著。     

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。     

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。     

棉株果枝部位、温光复合因子及施氮量对纤维比强度形成的影响

 【目的】明确果枝部位、温光复合因子和施氮量对棉纤维比强度形成过程的定量关系及两者的补偿效应，探明棉纤维比强度形成的生态基础。【方法】以杂交棉（科棉1号）和常规棉（美棉33B）为材料，于2005年在江苏南京（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）设置分期播种（4月25日、5月25日）和施氮量（0、240、480 kg N•hm-2）试验，研究棉株果枝部位、温光复合因子（用纤维加厚发育期的累积辐热积PTP表示）和施氮量对纤维比强度形成的影响。【结果】（1）棉株果枝部位显著影响纤维比强度的形成，并与温光复合因子存在协同效应。棉株中部果枝铃发育期温光条件适宜，其纤维比强度显著大于其它果枝部位铃；随温光条件变差，纤维比强度在果枝部位间的差异不明显。（2）棉纤维比强度随花后天数的增加可分为快速增加和稳定增加两个时期，PTP与纤维比强度快速增加期的日均增长速率（VRG）线性正相关、与快速增加持续期（TRG）线性负相关，与稳定增加期的日均增长速率（VSG）、持续期（TSG）及最终棉纤维比强度（Strobs）呈开口向下的抛物线关系。当PTP达到291 MJ•m-2左右时，纤维比强度Strobs最大（科棉1号、美棉33B分别为34.8、31.9 cN•tex-1），品种间差异主要源于纤维比强度稳定增加期（中科棉1号和美棉33B的VSG、TSG分别为0.32 cN•tex-1•d-1、21 d和0.18 cN•tex-1•d-1、24 d）。（3）纤维比强度达到最大值所需的PTP随施氮量增加而减小，施氮量可通过棉铃对位叶叶氮浓度（NA）影响纤维比强度的形成，棉花氮素营养对温光复合因子存在补偿效应，当PTP高于104 MJ•m-2时，240 kg N•hm-2下的NA更适宜于比强度的形成；PTP低于此值时，增加施氮量可对温光复合因子进行补偿，以利于高强纤维形成。【结论】棉株果枝部位显著影响纤维比强度的形成，且与温光复合因子存在互作效应；温光复合因子、施氮量均显著影响棉纤维比强度的形成，且后者对前者存在补偿效应；棉纤维比强度形成过程可分为快速增加和稳定增加两个阶段，后者是品种间纤维比强度形成差异的主要阶段。     

施氮量对棉花养分吸收利用及产量和品质的影响

【目的】研究施氮量对棉花产量、养分吸收与分配、氮肥利用率及纤维品质的影响,为棉花生产合理施氮提供理论基础。【方法】以中棉所60号为材料,于2018和2019年连续2年大田试验。设置4个施氮水平(0、112.5、168.75、225 kg/hm²,分别以CK、N₁、N₂、N₃表示),在吐絮期采集植株茎、叶、生殖器官,测定干物质质量和氮磷钾积累量,计算氮肥利用率和棉花产量等指标。【结果】施氮量在0~225 kg/hm²,棉花产量随施氮量的增加而增加;施用氮肥可提高棉花吐絮期氮、磷、钾吸收量,施氮水平在0~168.75 kg/hm²,棉花氮、磷、钾吸收量随施氮量的增加而增加,过量施用氮肥后棉花氮、磷、钾吸收量下降;氮肥利用率以112.5 kg/hm²施氮量最高;施氮量对棉花纤维品质指标影响差异不显著。【结论】综合产量、氮肥利用率、养分吸收、分配及利用和纤维品质等指标,黄河流域棉区推荐施氮量为112.5~168.75 kg/hm²。     

彩色棉纤维中矿质元素含量与纤维品质形成的关系

【目的】探讨彩色棉纤维中大量元素含量与彩色棉纤维品质形成的关系。【方法】选用棕色棉(X008)、绿色棉(S029)和白色棉(Xuzhou142)为材料,对彩色棉纤维发育过程(开花后20—50d)中大量元素(N,P,K,Ca和Mg)、黄酮色素和纤维素以及纤维品质指标进行分析。【结果】(1)彩色棉纤维细胞中纤维素的含量显著偏低,比白色棉降低15%左右;黄酮色素含量较高,比白色棉纤维高4—10倍;大量元素的含量(除K)明显偏高,比白色棉提高1—2倍;(2)相关性分析结果显示,成熟彩色棉纤维的品质指标与纤维中纤维素含量呈极显著的正相关,与纤维中总黄酮含量呈极显著负相关;棉纤维中大量元素N、P和Ca的含量与纤维素含量呈极显著的负相关,与纤维中黄酮色素含量呈极显著的正相关。【结论】彩色棉纤维中N、P和Ca元素含量的提高可能有利于黄酮色素的合成,而黄酮色素的积累使得彩色棉纤维中纤维素含量降低,这可能是引起彩色棉纤维品质偏差的原因之一。