陸地棉突變系高稈1號的生物學(xué)特性

張麗萍， 狄佳春， 趙 亮， 陳旭升

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇 南京 210095;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所/農(nóng)業(yè)部長江下游棉花與油菜重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 210014)

株高是棉花一個非常重要的農(nóng)藝性狀，與光合強(qiáng)度和豐產(chǎn)潛能等許多因素密切相關(guān)，同時也影響植株的株型。增加株高是獲得生物產(chǎn)量的重要途徑之一［1-3］。同時，增加棉花第一果節(jié)位高度有利于機(jī)械采收，當(dāng)棉株第一果枝節(jié)位較高，棉朵離地高度大于20 cm，可提高籽棉的采凈率［4］。

目前國內(nèi)外對于高稈突變體的研究主要集中在水稻方面［5-13］，其他作物研究甚少。陳旭升等以自主發(fā)現(xiàn)的棉花高稈突變體為研究材料，發(fā)現(xiàn)高稈突變性狀是受1對顯性基因控制的質(zhì)量性狀［14］。本研究將進(jìn)一步分析棉花高稈突變系高稈1號的形態(tài)、生理與細(xì)胞學(xué)等生物學(xué)特性，探索植株高稈化機(jī)理，旨在為高稈突變體棉花在機(jī)械化采收中應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為自主選育的棉花高稈突變系高稈1號以及正常株高野生型N089。

1.2 試驗方法

1.2.1 表型性狀調(diào)查 2013年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院實驗地種植高稈1號與N089，種植方式為營養(yǎng)缽育苗移栽，行距為90 cm，株距為40 cm。從6月19日(蕾期)開始，每隔15 d調(diào)查高稈1號及N089的株高、節(jié)間長、節(jié)間數(shù)，于7月19日每隔15 d調(diào)查第一果枝節(jié)位高，至10月2日(吐絮期)結(jié)束，顯著性差異分析采用t測驗。

1.2.2 激素含量測定 取高稈1號與野生型N089飽滿一致的種子，用解剖刀剝除種皮，用分析天平精確稱取0.40 g種胚，3次重復(fù)，將其置于液氮中固定15 min，放于-70℃冰箱備用。采用酶聯(lián)免疫法分別測量2個材料種胚中赤霉素(GA3)、生長素(IAA)、脫落酸(ABA)及玉米素(ZR)的含量。顯著性差異分析采用t測驗。

1.2.3 主莖節(jié)間細(xì)胞的比較 參照李正理的方法［15］，在現(xiàn)蕾期取高稈突變體和野生型植株主莖的倒三節(jié)間制作橫、縱切片。使用光學(xué)顯微鏡(BX51)在10×放大倍數(shù)下觀察記錄橫切細(xì)胞的直徑、縱切細(xì)胞的長度，每處理測量100個細(xì)胞，3次重復(fù)。觀察縱切片同一視野內(nèi)細(xì)胞的數(shù)目，每個試驗材料隨機(jī)取3株，每株觀察一個切片，每片選取5個不同視野，光學(xué)顯微鏡觀察，取平均值，顯著性差異分析采用t測驗。

2 結(jié)果

2.1 高稈突變系株高的發(fā)育動態(tài)

棉花高稈1號與野生型N089的株高變化動態(tài)見圖1:從蕾期到吐絮期，高稈1號的株高都極顯著地高于野生型(P＜0.01)。從變化動態(tài)來看，6月19日蕾期到8月18日花期，株高處于快速上升期，且高稈1號的增長速度大于野生型，而后進(jìn)入一個增長平臺期，株高基本不再變化。從最終株高來看，高稈突變體為145.7 cm，而野生型的最終株高僅為79.8 cm，前者的高度是后者的1.82倍。

圖1 棉株不同生育時期株高變化動態(tài)Fig.1 The heights of cotton Gaogan 1 and wild type N089 at different growth stages

2.1.1 節(jié)間長的變化 從圖2可見，從棉花的蕾期到吐絮期，高稈1號的節(jié)間都極顯著長于野生型(P＜0.01)。從變化動態(tài)看，6月19日到7月4日高稈1號的節(jié)間增長速度小于野生型，之后至8月18日其增長速度均大于野生型，8月18日以后高稈1號和野生型的節(jié)間增長速度都減緩直至吐絮期停止生長。吐絮期高稈1號的節(jié)間長度是野生型的2倍左右。

2.1.2 第一果枝節(jié)位高度變化 由圖3看出，從7月19日(初花期)開始至10月2日(吐絮期)，高稈1號第一果枝節(jié)位的高度始終極顯著地大于野生型(P＜0.01)。從變化動態(tài)看，7月19日到8月18日第一果枝節(jié)位均處于快速增長期，且高稈1號的增長速度大于野生型;野生型第一果枝節(jié)位在8月18日盛花期以后生長減緩直至停止生長，而高稈1號仍保持一定的生長趨勢，直至吐絮初期生長減緩直至停止生長。吐絮期高稈1號第一果節(jié)位的高度是野生型的4倍多。

圖2 棉花不同生育時期節(jié)間長度變化動態(tài)Fig.2 The lengths of internodes of cotton Gaogan 1 and wild type N089 at different growth stages

圖3 棉花不同生育時期第一果枝節(jié)位變化動態(tài)Fig.3 The heights of the first fruiting branch of cotton Gaogan 1 and wild type N089 at different growth stages

2.1.3 節(jié)間數(shù)的變化 由圖4可以看出，在棉花生育初期，高稈1號的節(jié)間數(shù)稍多于野生型，而盛花期以后兩者的差距消失。從變化動態(tài)看，在6月19日到8月18日，突變系的節(jié)間數(shù)略多于野生型，兩者均處于逐步增加狀態(tài)，并在8月18日達(dá)到同一節(jié)間數(shù)，之后兩者均基本停止變化。

通過以上分析可以推測，高稈突變系的株高主要由2個因素決定:一是較高的第一果枝節(jié)位高度，二是較長的節(jié)間長度。高稈突變系節(jié)間數(shù)與野生型則無顯著差異。

2.2 高稈突變系種胚的激素含量

圖4 棉花不同生育時期節(jié)間數(shù)變化動態(tài)Fig.4 The number of internodes of cotton Gaogan 1 and wild type N089 at different growth stages

激素是影響株高發(fā)育的主要生理因子。取激素合成比較活躍的棉種組織——種胚為材料，利用ELISA法測定4種激素GA3、IAA、ZR和ABA的含量見表1。經(jīng)過顯著性差異分析發(fā)現(xiàn)，突變系高稈1號種胚中3種與促進(jìn)生長有關(guān)的激素——GA3、IAA、ZR的含量都極顯著高于野生型，前者分別為后者的236.8%、167.7%、279.1%;而ABA含量則顯著低于N089，高稈突變體中的含量僅為野生型的76.0%。

表1 不同棉花品種種胚中內(nèi)源激素含量比較Table 1 The comparison of endogenous hormones in seed embryos of different cotton varieties

2.3 高稈突變體的細(xì)胞學(xué)觀察

植株的高稈突變一般與細(xì)胞數(shù)目的增加或者細(xì)胞長度的增長有關(guān)，或是兩者共同作用的結(jié)果。選擇高稈突變體與野生型品種細(xì)胞生長最快的倒3節(jié)間制備橫、縱切片，縱向切片突變體細(xì)胞的顯微圖見圖5a、5b。高稈突變體的細(xì)胞平均長度為(378.64±23.71)μm，野生型為(263.81±13.89)μm，兩者達(dá)到極顯著差異水平(P＜0.01)。同一視野內(nèi)突變體倒三節(jié)間皮層細(xì)胞數(shù)平均為287.6個，野生型細(xì)胞的平均數(shù)為250.8個，差異不顯著。橫向切片對比細(xì)胞的直徑大小(圖5c、5d)，突變系細(xì)胞直徑為(78.04±2.28)μm，野生型的細(xì)胞直徑為(112.03±5.59)μm，兩者差異極顯著(P＜0.01)。表明，高稈突變體之所以植株高度顯著高于野生型品種，是因為其縱向節(jié)間細(xì)胞長度的明顯變長。

圖5 高稈突變體與野生型的節(jié)間細(xì)胞Fig.5 The internode cell of the tall cotton mutant and wild type

3 討論

3.1 高稈突變體株高形成的主要相關(guān)因素

馬玉銀等［16］研究曾發(fā)現(xiàn)，水稻高稈突變體的株高增加，在各個節(jié)間和穗長上均有體現(xiàn)。肖輝海等［17］的研究也顯示，水稻長穗頸隱性高稈突變體雙低培eS的穗頸節(jié)間伸長是由幼穗分化后期細(xì)胞數(shù)增多和細(xì)胞長度增加雙重作用引起的，其中以后者的作用更顯著。本研究表明:在棉花生長的各個時期，高稈1號的株高、節(jié)間長、第一果枝節(jié)位高度等表型與野生型均具有極顯著性差異。通過細(xì)胞學(xué)觀察，在縱向切片中突變體細(xì)胞的平均長度明顯大于野生型，這說明突變體節(jié)間細(xì)胞伸長受到了促進(jìn)。另外，縱向切片觀察發(fā)現(xiàn)突變體的皮層細(xì)胞數(shù)明顯多于野生型。由此可以推測，棉株縱向節(jié)間細(xì)胞數(shù)目的增多和細(xì)胞的伸長，引起了節(jié)間伸長，并最終導(dǎo)致突變體植株的高稈化。

3.2 株高發(fā)育與激素含量的關(guān)系

馬良勇等［18］研究發(fā)現(xiàn)高稈水稻品種內(nèi)源生長素、赤霉素類物質(zhì)顯著高于矮稈品種，而脫落酸、乙烯類物質(zhì)明顯低于矮稈品種;湯日圣等［19］研究結(jié)果表明13個粳稻品種的赤霉素(GA)和吲哚乙酸(IAA)等內(nèi)源激素含量遠(yuǎn)低于高稈品種，矮稈品種GA含量為高稈品種的70% ～80%，而IAA只有高稈品種的20%左右。宋平等［20］認(rèn)為，半矮稈型的水稻品種的內(nèi)源ABA含量顯著高于高稈型，且水稻株高、苗高與ABA含量呈顯著負(fù)相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，高稈突變體種胚中 GA3、IAA、ZR含量極顯著(P＜0.01)高于野生型，ABA含量極顯著(P＜0.01)低于野生型，與前人研究相符。

3.3 高稈突變體棉花在機(jī)械化采收中的應(yīng)用潛力

隨著勞動力價格不斷攀升，棉花生產(chǎn)用工量大，與其他作物的比較效益低，中國棉花種植面積正面臨不斷萎縮的困境。中國棉花的未來之路，在于棉花生產(chǎn)的全程機(jī)械化，減少棉花收花用工量，提高植棉綜合效益。但機(jī)械化收花對棉花株型有比較嚴(yán)格的要求。適合于機(jī)采棉的棉花品種株型最好是筒形、木枝少，株型緊湊、疏朗，并且要求第一果枝節(jié)位較高，棉朵離地高度至少要大于20 cm，這樣可提高籽棉的采凈率。如果第一果枝節(jié)位高度能達(dá)40 cm，則可明顯減少土壤以及地膜在機(jī)械收花時的夾帶，對提高籽棉的品級更加有利。本研究顯示高稈突變系高稈1號的第一果枝節(jié)位高達(dá)38.5 cm，通過雜交轉(zhuǎn)育該性狀，選育第一果枝節(jié)位高的機(jī)采棉，在未來生產(chǎn)中將具有良好的應(yīng)用前景。

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