棉花季节桃纤维发育相关酶活性变化与纤维比强度形成的关系

 选择纤维比强度差异明显的3类基因型4个棉花品种,研究季节桃纤维发育相关酶活性的动态变化及其与纤维比强度形成的关系。结果表明,棉花伏前桃、伏桃、早秋桃和晚秋桃纤维POD、IAAO活性的动态变化依次下降,蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶活性与之相反。对于伏前桃和伏桃,纤维发育相关酶活性高,有利于纤维素累积特性的优化和高强纤维的形成;早秋桃纤维发育关键酶活性高于伏前桃,且纤维素累积特征较优,最终纤维强度较伏前桃高;随着日均温降到20℃以下,棉株的衰老,晚秋桃纤维发育相关酶活性峰值后移,纤维比强度增长幅度大幅降低。棉花季节桃纤维发育过程中相关酶活性动态变化的差异是导致纤维素的累积特性及纤维比强度差异形成的重要生理原因之一。     

棉花纤维素累积特性的基因型差异及与纤维比强度形成的关系

以14个纤维比强度差异明显的棉花品种为材料,研究了棉纤维素累积特性的基因型差异及与纤维比强度的关系。结果表明,棉株不同果枝部位棉铃的纤维素累积均符合Logistic曲线,棉纤维素累积的5个特征值（纤维素快速累积期的起始、终止时期,最大累积速率及其出现的时期,快速累积持续期）在品种间的变异均较大,与纤维比强度的相关系数存在大小和正负的差异。其中,纤维素最大累积速率和快速累积持续期的变异最大,前者与纤维比强度呈极显著负相关,后者与纤维比强度呈极显著正相关。进一步以纤维素最大累积速率和快速累积持续期为变量,在同样欧氏距离下,基于棉株上、中、下3个果枝部位数据的聚类结果不完全一致,但总体上14个品种可分为纤维素累积快、平缓、中等3种类型,德夏棉1号、科棉1号和美棉33B分别是其中心品种。同时以纤维比强度为变量的聚类分析表明,这3个品种又分别是低强纤维、高强纤维、中等强度纤维3种类型的中心品种。总之,在棉纤维发育过程中,纤维素累积特性存在明显的基因型差异,且高强纤维的形成是以纤维素平缓累积为基础,纤维素累积过快似乎不利于纤维比强度的形成。     

棉花季节桃加厚发育生理特性的差异及与纤维比强度的关系

选用3类棉纤维比强度差异明显的4个棉花品种, 研究棉花伏前桃、伏桃、早秋桃和晚秋桃纤维加厚发育过程中主要生理特征的差异及与纤维比强度的关系。结果表明, 棉花季节桃纤维加厚发育过程中物质转化特征和相关酶活性存在较大差异, 最终导致纤维比强度差异的形成, 且季节桃间的差异在各类品种内表现一致。伏前桃和伏桃纤维加厚发育处于较为适宜的温度条件(铃龄10~50 d日均温26.0~28.5℃)和棉株生理年龄(3~9果枝)下, 纤维素合成相关酶活性越高, 相关物质转化越多, 纤维素快增持续期长, 纤维素累积速率平缓, 越利于高强纤维的形成。早秋桃纤维发育后期温度条件较伏前桃差且棉株开始衰老, 但其纤维合成相关物质转化率高, 纤维素累积特征优于伏前桃, 最终纤维强度高于伏前桃; 随着铃龄10~50 d日均温降至20℃以下和棉株进一步的衰老(16果枝以上), 晚秋桃纤维素快速累积期延长, 相关物质转化率降低, 纤维累积速率过慢, 纤维细胞发育迟缓, 造成最终纤维比强度较低。     

棉花纤维发育过程中细胞壁超分子结构的变化及与纤维强度的关系

对棉纤维发育的动态分析表明，海岛棉与高纤维强度的陆地棉，可在纤维发育前期形成大晶粒与高取向，缓慢沉积纤维素，形成高结晶。其纤维素沉积与超分子结构变化的配合性较好，能充分利用全铃期沉积的纤维素形成高强纤维结构。     

铃期温度对不同棉花品种棉铃发育过程及纤维比强度的影响

通过设置不同播期来营造不同的温度环境,研究不同温度条件下棉铃及纤维发育特点,以及温度对纤维比强度的影响机制。结果表明:随着播期的推迟,铃期日均温的降低,棉铃的体积增大幅度依次降低。棉铃干物质达到最大积累速率的时间提前,且快增期持续的时间缩短。纤维干物质达到最大积累速率的时间推迟,最大积累速率逐渐减小。随着铃期日均温的降低,吲哚乙酸氧化酶(IAAO)活性峰值大小表现出下降趋势。铃期影响纤维比强度的主要温度因子为日均温和日最高温。     

新疆棉花生育后期夜间增温对纤维产量和比强度的影响

选用早熟品种新陆早13和新陆早33为试验材料,设两个夜间增温(nighttime warming, NW I和NW II)处理,自然温度为对照(CK),以组装在半移动式保温箱上的远红外石英管作为增温装置,在大田中模拟夜间增温环境,调查棉花生育后期夜间增温对纤维产量和比强度的影响。结果表明,与对照相比,棉花生育后期夜间增温导致棉铃铃期缩短,单铃纤维干物质快速累积期提前,单铃皮棉产量增加。夜间增温提前棉纤维中可溶性糖进入转化期的时间,且持续期明显延长;提前纤维素累积期的起始时间,在快速累积期终止之前,≥15.0℃的夜间最低温度对快速累积期的持续时间及最大累积速率无明显影响,棉纤维发育期≥14.1℃的夜间最低温度对纤维比强度影响较小。因此,夜间最低温度是影响棉纤维中可溶性糖转化和纤维素累积特性的重要因子,进而影响单铃纤维干物质累积及单铃纤维产量。     

两个不同类型彩色棉品种纤维发育的生理特征

选择天然棕色棉品种湘彩棉2号和绿色棉品种皖棉39,研究其纤维发育相关生理特征。结果表明,与常规白色陆地棉苏棉9号(对照)相比,湘彩棉2号和皖棉39纤维中纤维素含量较低,并且纤维中纤维素积累随花后天数增加的S型曲线符合Richards方程,拟合系数达0.999以上,其纤维素积累最大值、累积速率参数、最大增长速率明显低于对照普通白棉,且绿色棉又低于棕色棉。天然彩色棉叶片中SPAD值、可溶性糖含量、蔗糖转化酶活性,铃壳和纤维中腺苷三磷酸(ATP)酶活性、蔗糖合酶(SS)活性和尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)焦磷酸化酶活性低于普通白棉,导致彩色棉纤维发育过程中无法获得充足的养分,最终影响其纤维品质。这也解释了彩色棉Richards方程模拟纤维素积累速率较慢的结果。相关分析进一步表明,彩色棉开花后40 d纤维中SS活性、UDPG焦磷酸化酶活性和GA₃含量与成熟期纤维成熟度、纤维比强度均呈显著线性正相关关系(r＝0.884^*, r＝0.895^*, r＝0.914^*, r＝0.935^*, r＝0990^*, r＝0.988^*),说明天然彩色棉纤维中代谢物质和关键酶活性低,影响了其最终纤维品质。     

花铃期渍水对棉纤维糖代谢的影响及其与纤维比强度的关系

以美棉33B为材料,2007和2009年在江苏南京池栽条件下设置渍水试验,研究花铃期渍水对棉纤维糖代谢的影响及其与纤维比强度的关系。结果表明,渍水条件下花后17~38 d纤维蔗糖和β-1,3-葡聚糖含量均值分别降低24.86%~81.30%和8.59%~36.30%,纤维素最大累积速率在受渍害较轻条件下增加而受渍害较重条件下降低,但快速持续期缩短,成熟期纤维素含量降低,比强度下降3.57%~10.03%。受渍害较轻条件下,花后17~38 d纤维蔗糖合酶(SS)和蔗糖磷酸合酶(SPS)活性均值分别增加8.45%~24.59%和12.79%~18.20%,生成碳源用于维持生存代谢,而受渍害较重条件下分别降低7.06%~8.16%和11.40%~11.64%;蔗糖酶和β-1,3-葡聚糖酶活性在花后17 d后降低。因此,渍水条件下纤维加厚发育期碳源供应不足、碳代谢消耗增加或代谢被抑制是最终比强度下降的重要原因。     

棉纤维加厚发育生理特性的基因型差异及对纤维比强度的影响

选择3类棉纤维比强度差异明显的品种,于2004—2005年在江苏南京（长江流域下游棉区）研究棉纤维加厚发育过程中主要生理特性的基因型差异及对纤维比强度的影响,为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径提供理论依据。结果表明,高纤维比强度基因型（科棉1号）棉纤维中可溶性糖转化多,进入纤维次生壁加厚发育期的β-1,3-葡聚糖含量峰值高,纤维素合成关键酶（蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶）活性增强快、峰值高,纤维素累积速率平缓且快速累积期长;而较低纤维比强度基因型（苏棉15和德夏棉1号）的棉纤维加厚发育生理特征与此相反;中等棉纤维比强度基因型（美棉33B）则介于上述两者之间。与纤维素生物合成相关的物质和关键酶活性变化的基因型差异是造成纤维素累积速率及纤维比强度差异的主要生理原因之一。此外,β-1,3-葡聚糖含量的剧增可作为棉纤维进入次生壁加厚发育阶段的一个重要特征。     

不同生态棉区棉纤维晶区取向参数的变化及与纤维比强度的关系

 采用不同生态棉区选育的棉花品种,在新疆库尔勒、石河子和河北南宫市3地进行“异地分期种植比较”,研究了棉纤维的晶区取向参数的变化及其与纤维比强度的关系,结果表明：随纬度升高,由中熟棉区向北疆早熟棉区推移过程中,晶区取向参数升高,纤维比强度降低。随播期的推迟,相同果枝部位棉铃开花期随之推迟,晶区取向参数随之逐渐变大（宽化）,纤维比强度降低。新疆品种到内地种植后,晶区取向参数略有升高,纤维比强度降低;内地品种到新疆种植后,晶区取向参数略有升高,其纤维比强度降低,但新疆与河北产棉区间纤维比强度的差异不大。在本研究条件下,比强度与晶区取向参数均达到显著负相关,纤维晶区取向参数的优化（变小）有利于纤维比强度的提高,纤维晶区取向参数的变化是不同生态棉区纤维比强度改变的原因之一。     

彩色棉纤维发育过程中超分子结构变化与纤维品质的关系

以棕絮1号、新彩棉1号、陇绿棉2号、绿1-4560和普通白色棉对照品种鲁棉研28为试验材料,利用X-射线衍射技术,研究了彩色棉纤维发育过程中纤维品质与超分子结构的动态变化规律及它们之间的关系,旨在探寻彩色棉纤维品质差的原因。结果表明,各供试品种的最终棉纤维长度、3.2mm隔距比强度、成熟度及马克隆值均表现为白色棉鲁棉研28棕色棉棕絮1号和新彩棉1号绿色棉陇绿棉2号和绿1-4560;相应的横向晶粒尺寸均随纤维发育进程不断增大,取向参数逐渐减小(优化),但不同品种间存在差异。与白色棉鲁棉研28相比,棕色棉棕絮1号和新彩棉1号纤维的横向晶粒尺寸初始值低,日增幅偏大,终止值略低;取向参数初始值低,日变幅小,终止值偏高;绿色棉陇绿棉2号和绿1-4560纤维的横向晶粒尺寸初始值低,日增幅小,终止值偏低;取向参数初始值高,日变幅小,终止值高。相关分析显示,彩色棉纤维的横向晶粒尺寸与3.2mm隔距比强度密切相关(r=0.89621*),ψ角和φ角与3.2mm隔距比强度、成熟度、马克隆值呈显著负相关(r=-0.93816*～-0.90233*),α角与纤维长度极显著负相关(r=-0.97314**)。表明彩色棉纤维品质差与纤维发育过程中横向晶粒尺寸初始值和终止值低及取向参数终止值高,进而影响纤维3.2mm隔距比强度、成熟度、马克隆值和纤维长度有关。     

两个不同彩色棉纤维品质性状形成特点及生长调节剂调节作用

选择天然棕色棉品种湘彩棉2号和绿色棉品种皖棉39,研究其纤维品质性状形成特点及激素调节作用。结果表明与常规白色陆地棉苏棉9号(对照)相比,2个彩色棉品种的纤维长度均较低,尤其皖棉39显著低于对照,主要是花后10~30 d伸长速率明显下降。两个不同彩色棉品种的纤维比强度、马克隆值和成熟度值均显著低于对照,且主要与各个品质指标形成关键期的增长率较慢有关。两个彩色棉品种10 DPA (days post anthesis)和20 DPA纤维中IAA含量,30 DPA和40 DPA ABA含量均显著低于各自对照。应用20 mg L^-1 GA₃处理棉铃后,湘彩棉2号、皖棉39 20 DPA纤维中IAA含量分别比各自对照提高51.07%、64.33%;吐絮时纤维长度分别比各自对照增加8.13%、13.96%;应用20 mg L^-1 ABA处理棉铃,40 DPA纤维中ABA含量分别比各自对照提高38.96%、24.40%,纤维比强度、马克隆值和成熟度也显著增加,其中又以皖棉39增加幅度较大。说明天然彩色棉纤维内源激素IAA和ABA含量不足影响纤维品质性状的形成,而通过植物生长调节剂应用可调节内源激素含量,改善纤维品质,且调节效应因植物生长调节剂和品种不同而异。     

花后高温和水分逆境对小麦籽粒蛋白质形成及其关键酶活性的影响

以2个蛋白质含量不同的小麦品种扬麦9号和豫麦34为材料,在人工气候室条件下研究了花后高温和水分逆境对小麦籽粒蛋白质合成关键酶活性及籽粒蛋白质组分含量的影响。结果表明,籽粒蛋白质及其组分含量显著受温度、水分和温度×水分互作的影响,且温度的影响大于水分及温度×水分的影响。高温提高了籽粒蛋白质含量,但降低了谷/醇比。无论高温或适温下,干旱胁迫均提高籽粒蛋白质含量。谷/醇比在适温干旱下升高,高温干旱下降低;渍水降低籽粒蛋白质含量和谷/醇比。籽粒蛋白质含量在高温干旱下最高,适温渍水下最低。在温度和水分逆境下,籽粒醇溶蛋白和谷蛋白的变化是导致蛋白质含量和谷/醇比差异的主要原因。高温和水分逆境均降低旗叶谷胺酰氨合成酶（GS）和籽粒谷-丙转氨酶（GPT）活性,不同温度条件下酶活性均表现为对照>干旱>渍水。高温和水分逆境对蛋白质合成关键酶活性的影响在不同品种间存在差异,适温下,豫麦34旗叶GS活性易受水分的抑制;扬麦9旗叶GS活性易受高温的抑制。高温下,豫麦34旗叶氮代谢受高温影响较大,而扬麦9则更易受水分胁迫影响。     

强、弱筋小麦籽粒形成期蔗糖、淀粉合成相关酶活性及其与氮代谢的关系

2005—2006年生长季, 以小麦强筋品种藁城8901和弱筋品种豫麦50为材料, 研究了灌浆期籽粒和旗叶氮代谢底物含量与相关酶活性变化、蔗糖淀粉合成相关酶活性及籽粒淀粉积累特征, 分析了氮代谢与籽粒淀粉积累的关系。结果表明, 旗叶蔗糖合酶(SS)和磷酸蔗糖合酶(SPS)、籽粒腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)、可溶性淀粉合酶(SSS)、束缚态淀粉合酶(GBSS)和淀粉分支酶(SBE)活性均呈单峰曲线变化。两品种比较, 除AGPP活性峰值豫麦50低于藁城8901外, 其他酶活性峰值均是豫麦50高于藁城8901。相关分析表明, 藁城8901支链淀粉积累速率与SS、SPS、AGPP和SBE活性呈极显著正相关, 相关系数分别为0.9377**、0.8857**、0.6489**和0.5980**; 直链淀粉积累速率与SS、SPS活性呈极显著正相关, 相关系数分别为0.7616**和0.7750**。豫麦50支链淀粉积累速率与SS、SPS、AGPP、GBSS和SBE活性呈极显著或显著正相关, 相关系数分别为0.8182**、0.6762**、0.7028**、0.8749**和0.5433*; 直链淀粉积累速率与SS、SPS和SBE活性呈极显著正相关, 相关系数分别为0.8528**、0.8428**和0.8603**。两品种硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)活性在开花后逐渐降低, 且藁城8901的NR活性一直高于豫麦50。硝态氮和氨态氮含量与NR、GS活性呈极显著正相关; 藁城8901的NR、GS活性与SS、SPS活性呈显著负相关, 而豫麦50只有GS与SPS达显著负相关(r = -0.5212*)。上述结果表明, 不同品质类型小麦籽粒淀粉合成积累受氮代谢相关酶活性的影响, 藁城8901较高的NR活性抑制与蔗糖合成有关酶SS、SPS的活性, 导致淀粉合成积累速率降低。由此可见, SPS/NR比值对淀粉合成具有重要调节作用。     

一个新的棉花MYB类基因(GhTF1)的克隆及染色体定位分析

MYB类转录因子是指含有MYB结构域的一类转录因子, 广泛参与植物发育和代谢调节。含2个MYB结构域的R2R3类MYB转录因子在植物体内主要参与次生代谢的调节和控制细胞的形态发生。从优质材料7235不同发育时期的棉纤维混合cDNA文库中克隆了一个棉花MYB转录因子基因GhTF1(GenBank登录号: EF651783)。该cDNA序列长1 115 bp, 其开放读码框长度为771 bp, 编码256个氨基酸。表达特征分析表明, 该基因在陆地棉7235不同组织中均表达, 但表达量不同, 特别在开花前1 d, 开花后8 d和11 d的纤维细胞中优势表达。该基因在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中开放读码框区的序列较保守, 但在非编码区差异较大, 在内含子区存在大片段插失和碱基替换现象。Southern杂交结果表明该基因在陆地棉基因组中存在2个拷贝, 推测A、D亚组中各有1个拷贝。利用海7124和TM-1两亲本配置的BC₁作图群体, 将GhTF1定位在染色体10上。     

三个不同品质类型冬小麦品种籽粒淀粉积累动态及其有关酶的活性变化

在池栽条件下，研究了3个不同品质类型冬小麦品种藁麦8901（强筋）、豫麦49（中筋）和洛麦1号（弱筋）籽粒灌浆过程中淀粉及其组分积累动态和与之有关的酶活性变化。结果表明，3个品种籽粒灌浆过程中支链淀粉的合成均与直链淀粉的合成同时进行，灌浆中后期支链淀粉的合成比直链淀粉的合成快。豫麦49籽粒中直链、支链和总淀粉积累速率均高于其它两品种。3个品种籽粒中腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPP）、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPP）、可溶性淀粉合成酶（SSS）、淀粉粒结合的淀粉合成酶（GBSS）、淀粉分支酶（SBE）活性变化均呈单峰曲线。豫麦49在灌浆期上述各酶活性变化的峰值均高于其他两品种，且大部分酶类在灌浆中后期仍维持较高活性。可见，与藁麦8901和洛麦1号相比，豫麦49具有较强的淀粉合成能力。