干旱脅迫對不同色彩棉花生理生化指標的影響

石有太，羅俊杰，裴懷弟，張艷萍，南宏宇，陳玉梁

（1.甘肅省農業科學院生物技術研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農業科學院作物研究所，甘肅 蘭州 730070）

西北內陸棉區水資源日益匱乏，干旱已成為影響該地區棉花生產的主要環境因素［1］。中國西北干旱區地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地，是對全球氣候變化響應最敏感的地區之一［2］，極端水文事件的頻度和強度都在增加，水資源脆弱性和不確定性將加劇［3］。棉花為西北地區最重要的經濟作物。王鶴齡等［4］研究認為，氣候變暖對棉花需水量的影響大，當生長期內溫度上升1～4℃時，棉花需水量將增加2.17%～12.66%，相當于15.0～83.0 mm的降水。甘肅敦煌棉區地下水位降低、濕地萎縮、水資源短缺已成為該地區農業及社會經濟可持續發展的“瓶頸”［5］，也成為影響棉花產量和品質的主要環境因素［4］。根據農業農村部“十三五”種植業結構調整規劃，到2020年，棉花生產向優勢區域集中，向鹽堿灘涂地沙性旱地集中，向高效種植模式區集中，形成西北內陸、黃河流域、長江流域“三足鼎立”格局［6］。由于糧棉爭地、爭水的矛盾日趨加劇，瘠薄地種植棉花，其保水性差，勢必對棉花產量與品質產生不利的影響。我們利用不同色彩棉花品種，研究了干旱環境對其生理生化機指標的影響，以篩選抗旱性鑒定指標和抗旱棉花品種，為棉花抗旱鑒定及新品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在甘肅省敦煌市肅州鎮魏家橋村，據敦煌市區3 km。緯度40.08°，經度94.41°，海拔1 138 m，年平均氣溫10.5℃，無霜期142 d，10℃以上活動積溫3 611.3℃，年平均降水量42 mm，蒸發量2 486 mm，是典型的大陸干旱性氣候，屬北方特早熟棉區。試驗地土壤為灌淤土，前茬為棉花，連續多年種植棉花。播前10 d澆足水，播種前耱地（平整土地）。最大田間持水量18.35%、飽和持水量30.33%、凋萎含水量2.66%、播種時1m土層平均土壤相對含水量14.89%、1 m土層平均土壤容重1.52 g/m3、pH 8.93、有機質13.4 g/kg、全氮 0.61 g/kg、堿解氮49 mg/kg、有效磷28.29 mg/kg、速效鉀189 mg/kg。

1.2 供試材料

供試材料為抗旱性不同的12個棉花品種（系），白色棉花為中晚熟品種隴棉2號、Z61和早熟品系隴1-1-3、9902，綠色棉花品種為G3-6、隴綠棉3號、G1124-07-22、GC06-45。棕色棉花品種為BC05-07-18-2、BC06-45、BC05、隴棕棉1號。均由甘肅省農業科學院作物所棉花課題組提供。

1.3 試驗方法

試驗采用隨機區組設計，設3個灌溉水平，3次重復。處理A，按2 m土層達到田間最大持水量（18.35%）灌溉，于棉花現蕾后（6月20日）開始每隔15 d灌水1次，小區灌水量根據試驗設計，全生育期灌溉4次，保證棉花全生育期不缺水。處理B，灌溉量為處理A的50%，灌溉次數與時間同A。處理C，全生育期不灌水。處理間和重復間用垂直埋設80 cm地膜隔離水分水平滲透。品種隨機排列，處理內小區邊界均用培土分離。小區長17 m，寬5 m，采用地膜覆蓋種植，膜面寬120 cm，膜間距40 cm，每膜種植4行，為同一個品種（系），行距按30 cm-40 cm-30 cm的寬窄行方式布置，株距為15 cm（密度約166 700株/hm2）。為消除水肥互作影響，施復合肥（N、P2O5、K2O質量比21∶10∶14）600 kg/hm2、尿素 150 kg/hm2，于播前7 d開溝深施，之后全生育期不施肥。其余管理同大田。

1.4 測定方法

每小區選取長勢一致的10株棉株在盛花期取樣。于9：00時選取植株倒4葉，將同一處理品種的葉片混合后，用直徑1 cm的打孔器將葉片打成1 cm的小圓片，混勻后迅速放入液氮中速凍，帶回實驗室后用于生理、生化指標測定。采用鄒琦［7］和陳毓荃［8］的方法測定以下生理生化指標：脯氨酸含量（磺基水楊酸法），可溶性蛋白質含量（考馬斯亮藍G-250法），可溶性糖含量（采用蒽酮比色法測定），葉綠素含量和類胡蘿卜素含量（用80%丙酮浸提，比色法測定），超氧化物歧化酶（SOD）活性（采用NBT光還原法測定，以每克鮮重酶單位表示），過氧化氫酶（CAT）活性（采用比色法測定，以1 min內OD240減少0.1的酶量為1個酶活單位u，以鮮重測），過氧化物酶（POD）活性（采用愈創木酚顯色法），丙二醛（MDA）含量（采用硫代巴比妥酸法測定），葉片相對電導率（用電導儀測定），葉片相對含水量和葉片飽和虧缺（用烘干法），離體葉片失水速率為8 h干重失水速率。

1.5 數據的處理

采用Excel 2003和SPSS 16.0軟件完成數據處理與分析，抗旱性評價方法利用主成分與隸屬函數分析法［9-11］。

2 結果與分析

2.1 不同灌水量對棉花品種相關生理生化指標的影響

從表1可知，水分脅迫使大部分棉花品種的葉片相對含水量和離體葉片失水速率降低，POD和CAT活性增強，MDA積累量增多，脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、細胞膜相對透性和葉綠素含量增加，但品種間存在較大差異，不同品種在灌水一半和不灌水處理下上述指標變化幅度不同。在正常灌溉（處理A）條件下，參試的3種色彩棉花脯氨酸含量差距不大。隨著水分脅迫程度的加深，除早熟棉品系隴1-1-3外，灌水一半（處理B）條件下，彩色棉花的脯氨酸含量高于白色棉花。不灌水處理（處理C）的白色棉花脯氨酸含量高于綠色棉花和棕色棉，其中早熟白色棉花隴1-1-3含量最高，達到了629.06 μg/g，不灌水處理使葉片相對電導率的增加量較灌水一半處理的少，棕棉BC05在不灌水處理下的葉片相對電導率反而較輕度干旱脅迫低，表明干旱并未使細胞膜受到嚴重傷害。干旱脅迫對早熟白色棉花隴1-1-3葉片相對電導率的影響較小。不同灌水處理對各品種SOD酶活性的影響較小，干旱對花鈴期葉片可溶性糖含量和類胡蘿卜素含量的影響品種間存在較大差異，正常灌水條件下，3種色彩棉花的可溶性糖含量差異較小，干旱脅迫使大部分棉花品種可溶性糖含量降低，這可能與干旱脅迫使棉花的生育進程加快有關。

表1 不同處理的棉花花鈴期葉片生理生化指標

2.2 各單項指標相對值及其相關性分析

將不灌水和灌水一半條件下各單項指標所測得的數據，與正常灌水計較，計算各指標性狀的抗旱系數（表2），相關分析表明，灌水一半處理的棉花抗旱性與葉片電導率呈顯著負相關，而葉片相對電導率與CAT活性和丙二醛含量呈極顯著正相關，與POD活性呈顯著負相關。CAT活性與MDA含量和電導率呈極顯著正相關。不灌水處理的棉花抗旱性與CAT活性和葉片相對電導率呈極顯著負相關，與類胡蘿卜素含量呈顯著正相關，類胡蘿卜素含量與葉綠素含量和可溶性糖含量呈極顯著正相關，不同水分脅迫下，CAT活性均與葉片相對電導率呈極顯著正相關。

2.3 抗旱性評價

以各品種各單項指標的相對值為基礎，利用SPSS軟件計算出各主成分的特征向量和貢獻率，再經過隸屬函數分析求得抗旱性綜合評價值D值，以D值大小對不同棉花品系抗旱性強弱進行排序（表3）。不灌水條件下，棕色棉BC05-07-18-2的D值和籽棉產量抗旱系數都最大，抗旱性最強；綠色棉G3-6的D值和籽棉產量抗旱系數都最小，抗旱性最弱。總體上，棕色棉的抗旱性強于白色棉和綠色棉。綜合評價D值與抗旱系數之間的相關系數為r=0.626，相關分析結果顯著，但相關系數較小，說明綜合評價D值只能作為棉花抗旱性評價參考指標。灌水一半條件下，棕棉BC05-07-18-2的D值和籽棉產量抗旱系數都最大，抗旱性最強，與不灌水條件下分析結果一致。

表2 主要生理生化性狀與抗旱系數的相關分析①

2.4 回歸分析

從上述分析結果可知，不同指標對棉花抗旱性貢獻大小不同。進一步以抗旱性綜合評價值（D值）作因變量，各單項指標相對值作自變量，通過逐步回歸分析建立多元線性逐步回歸方程，并獲取對抗旱性評價最重要的生理和生化指標。回歸模型經回歸系數測驗和決定系數驗證，均達顯著水平（表4）。說明在不灌水條件下，葉片相對含水量和類胡蘿卜素含量為棉花抗旱鑒定關鍵指標；灌水一半條件下，葉片膜透性和離體葉片失水速率可作為棉花抗旱性鑒定的重要指標。棉花產量抗旱系數與葉片相對含水量和可溶性蛋白含量關系密切，在灌水一半和不灌水2種水分脅迫條件下，這2個指標均與抗旱性存在線性回歸關系。

3 結論與討論

在水分脅迫條件下，棉花自身可以通過增加或減少可溶性糖、游離脯氨酸、甜菜堿等滲透調節物質，改變體內超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）等酶類活性來適應水分的變化［12］，本研究表明，干旱處理使花鈴期大部分棉花品種的葉片相對含水量和離體葉片失水速率降低，POD和CAT活性增強，MDA積累量增多，脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和細胞膜相對透性增加，這與他人的研究結果一致［13-16］。劉靈娣等［17］研究認為，干旱脅迫下超氧歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（POD）活性存在先上升后下降的現象，旱脅迫后保護酶活性已具有明顯的適應性反應，品種的不同呈現出不同的變化規律。本研究一部分參試的品種的酶活性在持續干旱下低于正常灌溉和灌水一半處理，干旱對白色棉花和棕色棉花的SOD酶活性和可溶性糖含量的影響較小，部分綠色棉花品種隨干旱程度的加深反而降低了SOD酶活性和可溶性糖含量，品種間存在較大差異，不同品種在不同水分脅迫下酶活性不同，表現出明顯的適應特性，這也印證了劉靈娣［17］的研究結果。不同品種的葉片可溶性蛋白含量表現出不同的變化趨勢，這與劉靈娣等［18］的研究結果一致，與王娟等［15］在花鈴期干旱是可溶性蛋白含量增加的結果不一致。干旱脅迫使部分綠色棉花品種的葉綠素含量降低，這主要與干旱導致葉片葉綠體結構破壞有關［19-20］，也有一部分白色棉花和棕色棉花品種的葉綠素含量增加，這與國內對白色棉花短期干旱脅迫下葉綠素含量降低的研究結果存在較大差異，這可能是長期干旱脅迫下棉花適應了環境的結果。

表3 抗旱性綜合評價結果

表4 彩色棉花抗旱性鑒定模型