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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同棉花品种纤维比强度形成的时空差异及其与温度的关系

【目的】探讨不同遗传背景棉花品种纤维比强度形成的温度敏感性特征。【方法】采用SPPS（11.0）统计分析软件分析2001～2004年长江流域棉花品种区域试验纤维品质资料。【结果】在相同条件下,同一品种的纤维比强度的变异性较为稳定,即棉纤维比强度的变异性具有较强的遗传（品种）特性,不同品种其纤维比强度变异性存在显著差异,因此可根据纤维比强度变异性大小对品种进行类型划分。研究发现各品种不同果枝部位及“四桃”间纤维比强度的变异性均存在差异,根据不同果枝部位及“四桃”间纤维比强度的变异系数分别聚类,可将14个品种划分为纤维比强度形成对温度敏感型,中间型和非敏感型3个类群。【结论】纤维比强度变异性大小具有一定的稳定性和品种特性,不同品种纤维比强度的稳定性存在较大差异。棉纤维比强度的变异性主要来源于温度的变异性。不同品种棉花纤维比强度变异性的显著差异也可能主要来源于其对温度变化敏感性的差异。     

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.     

温光互作对棉花不同空间部位纤维品质的影响

【目的】为采取适宜栽培措施减轻花铃期不适宜温光条件对棉花纤维品质的影响提供理论依据。【方法】以温度敏感性差异较大的科棉1号（低温弱敏感型品种）和苏棉15号（低温敏感型品种）为材料,通过分期（4月25日、5月25日、6月10日）播种和花铃期遮阴（相对光照率CRLR为100%、80%、60%）,形成花铃期不同的温光条件,研究温光互作（用铃期内累积辐热积PTP表示）对棉花不同空间部位纤维品质的影响。【结果】（1）铃期内日均温、日均最高温、日均最低温和光合有效辐射是造成棉纤维品质差异的主要气象因子,棉株不同空间部位各气象因子值纵向随果枝数增加、横向随果节数增加均逐渐降低。（2）纤维品质指标中马克隆值对温光互作最为敏感,其次为纤维比强度、纤维长度。（3）各空间部位棉纤维长度、比强度、马克隆值随铃期内PTP的增加均呈抛物线型变化。各空间部位各纤维品质指标理论最大值,纵向比较内围果节以中部果枝最大,下部次之,上部最小,横向外围果节的理论最大值均小于其内围果节。中部内围铃各纤维品质指标达到优质棉A级、AA级时适宜PTP范围最广。低温敏感型品种各纤维品质指标适宜PTP范围皆低于低温弱敏感型品种。（4）纤维比强度的适宜PTP范围较小,是优质棉A级的主要限制因素;马克隆值和比强度适宜PTP匹配性差,是优质棉AA级的共同限制因素。棉纤维品质在PTP 183.5-633.7 MJ·m^-2（科棉1号）、229.0-589.6 MJ·m^-2（苏棉15号）时达到优质棉A级,在304.7-452.9 MJ·m^-2（科棉1号）、346.6-357.8 MJ·m^-2（苏棉15号）时达到优质棉AA级,两年试验中除6月10日播期CRLR60%处理外其余处理均达到优质棉A级;而达到优质棉AA级的只有 4月25日播期CRLR80%、CRLR60%处理和5月25日播期CRLR80%处理。【结论】棉花各纤维品质指标均有其适宜的PTP范围,纤维比强度和马克隆值是各空间部位达优质棉的限制因素,一定程度的晚播（如5月25日）与弱光有利于优质棉纤维品质的形成。     

膜下滴灌棉花不同播期对植株顶部棉铃单铃重和纤维品质的影响

【目的】研究不同播期顶部棉铃发育过程中温度变化对棉铃铃重和品质形成的机理,分析膜下滴灌棉田播种后棉铃铃期发育及品质问题,以及分期播种后棉花顶部棉铃发育与温度的关系,确定播期及喷施脱叶剂日期,为膜下滴灌棉花确定播期和提高棉花纤维品质供理论依据。【方法】于2016~2017年在新疆乌兰乌苏农业气象试验站开展田间试验,以正常温度播种时间为对照、设置3~4个播期,根据不同播期播种,调查棉花铃期,测定棉铃单铃重、棉花纤维品质等指标。【结果】4月8日(早播)播种条件下棉花顶部棉铃单铃重较其余播种日期高0.79%~11.02%;花铃期提前3~10 d;棉花纤维长度高1.05%~3.86%、比强度高2.00%~9.49%、整齐度高0.59%~2.03%、马克隆值高0.41%~13.76%。【结论】4月8日(早播)播种条件下棉花顶部棉铃发育在23.70~23.86℃的日均温条件下,花铃期提前,棉花顶部铃铃期发育时间缩短,且单铃重较大,棉花纤维品质较高。其中,日均气温对棉花单铃重和纤维品质影响最大,可最为衡量棉花顶部棉铃发育的重要指标。4月29日(晚播)播种条件下棉花顶部棉铃发育由于最低温度的影响导致铃期缩短,棉花纤维发育受到影响,不利于高强纤维和高质量棉铃的形成。     

Effects of planting dates and shading on carbohydrate content,yield, and fiber quality in cotton with respect to fruiting positions

Two cotton (Gossypium hirsutum L.) cultivars, Kemian 1 (cool temperature-tolerant) and Sumian 15 (cool temperature-sensitive) were used to study the effects of cool temperature on carbohydrates, yield, and fiber quality in cotton bolls located at different fruiting positions (FP). Cool temperatures were created using late planting and low light. The experiment was conducted in 2010 and 2011 using two planting dates (OPD, the optimized planting date, 25 April; LPD, the late planting date, 10 June) and two shading levels of crop relative light rate (CRLR, 100 and 60%). Compared with fruiting position 1 (FP1), cotton yield and yield components (fiber quality, leaf sucrose and starch content, and fiber cellulose) were all decreased on FP3 under all treatments. Compared with OPD-CRLR 100%, other treatments (OPD-CRLR 60%, LPD-CRLR 100%, and LPD-CRLR 60%) had significantly decreased lint yield at both FPs of both cultivars, but especially at FP3 and in Sumian 15; this decrease was mainly caused by a large decline in boll number. All fiber quality indices decreased under late planting and shading except fiber length at FP1 with OPD-CRLR 60%, and a greater reduction was observed at FP3 and in Sumian 15. Sucrose content of the subtending leaf and fiber increased under LPD compared to OPD, whereas it decreased under CRLR 60% compared to CRLR 100%, which led to decreased fiber cellulose content. Therefore, shading primarily decreased the “source” sucrose content in the subtending leaf whereas late planting diminished translocation of sucrose towards cotton fiber. Notably, as planting date was delayed and light was decreased, more carbohydrates were distributed to leaf and bolls at FP1 than those at FP3, resulting in higher yield and better fiber quality at FP1, and a higher proportion of bolls and carbohydrates allocated at FP3 of Kemian 1 compared to that of Sumian 15. In conclusion, cotton yield and fiber quality were reduced less at FP1 compared to those at FP3 under low temperature and low light conditions. Thus, reduced cotton yield and fiber quality loss can be minimized by selecting low temperature tolerant cultivars under both low temperature and light conditions.     

棉花植株顶部棉铃发育过程中物质累积及对温度的响应

【目的】研究7、8果枝棉籽与纤维不同播种条件下物质累计的特点,分析温度变化对籽棉物质分配的影响,以及分期播种后上部果枝棉纤维发育与温度的关系,为机采棉确定播种日期和脱叶剂喷施时间和提高棉纤维品质提供理论依据。【方法】于2017~2018年在新疆乌兰乌苏农业气象试验站开展田间试验,以大田生产播期(4月12日)为对照,两年共设置4个播期,随铃龄变化测定棉籽与纤维物质累积特征、棉花纤维品质等指标。【结果】花后50 d内日均温MDT为23.8℃,≥15℃有效积温为456.8℃的正常播期处理下,新陆早59号、新陆早64号上部果枝单粒棉纤维干物质快速累积期分别在铃龄22~40和18~36 d;MDT下降0.3℃,≥15℃有效积温下降17.5℃的条件下,使新陆早64号单粒棉纤维干物质快速累积期平均累积速率提高且理论最大积累量明显增加;在纤维物质累积过程中,日温差对单粒纤维物质快速累积期长短有着极显著影响;纤维与棉籽间存在异速生长特征,并随着铃期MDT的下降异速生长程度减小;MDT为23.0和20.8℃的晚播条件下早中熟品种新陆中82号的棉籽、纤维发育均表现出了较好的适应性。【结论】棉纤维发育对铃期温度下降较为敏感,在铃龄中后期干物质累积速率的明显降低;纤维与棉籽间的异速生长程度随着铃期MDT的下降而降低;铃期日均温差一定程度上决定了其干物质快速累积期的长短;早中熟品种新陆中82号早熟性较好,适宜在北疆棉区种植。