夜间增温对棉花红叶早衰及单铃重的调节效应

干秀霞，虎晓兵，杨美森，罗宏海，张亚黎，张旺锋

（新疆兵团绿洲生态农业重点实验室／石河子大学农学院，石河子832003）

叶片是产量形成的主要源器官，棉株90%的干物质均来自叶片的光合作用［1］。叶片光合速率在提高作物产量上起着重要的作用［2－3］。棉花生长发育过程中，叶片较高的光合速率及较长的光合时间有利于棉花高产的形成［4］。然而，近些年来新疆棉花生育后期红叶早衰现象普遍发生，研究认为随着棉花叶片变红程度的加深，叶绿素含量显著下降，花青素含量显著增高［5］，导致叶片净光合速率降低［6］，造成棉花产量损失高达40%，严重影响了植棉企业与棉农的经济效益，成为制约棉花生产的阻碍因素［7］。研究表明，后期低温诱导花青素的合成［8］，是导致棉花叶片变红早衰的原因之一。同时温度是影响棉花生长［9］及棉铃发育的重要环境因子，当后期温度低于15℃时，棉纤维停止生长，即使棉花吐絮之后，单铃重仍会随温度的升高而增加［10］。

新疆是我国棉花的主产区之一。在棉花生长发育的关键时期，沿天山一带棉区频繁出现低温现象［11］，导致石河子等地棉花受灾严重［12］。因此，明确新疆棉区棉花叶片变红早衰的原因，并提出相应的预防措施是棉花生产中亟需解决的实际问题。

为此，本试验在新疆棉区自然生态条件下，通过人为改变夜间温度，研究夜间增温对棉花叶片色素含量、保护性酶活性、光合能力及棉铃发育的影响，探讨夜间温度与棉花红叶早衰的关系，旨在为加强棉花栽培管理措施，为预防和延缓棉花变红早衰的发生提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

2年试验的参试棉花品种（Gossypium hirsutumL.）均为北疆棉区大面积种植的品种新陆早13号和新陆早33号。

1.2 方法

1.2.1试验设计

试验于2010－2011年在石河子大学农学试验站（45°19′N，86°03′E）进行。试验地土壤类型为灰漠土，土质中壤。小区面积为6.0m×1.5m，随机区组设计，重复3次，小区留苗密度为18万株／hm2。田间管理措施按当地高产田管理模式进行。试验设夜间增温（T1：15～20℃，T2：20～25℃）和不增温（CK）2个处理。待棉株开花后，对小区进行夜间增温处理。加温方法及加温装置按田景山等［13］的试验方法，加温时间为20：00－8：00。棉花冠层温度数据用HOBO（Onset，美国）空气温湿度记录仪自动采集，每15min记录1次。每天夜间最低温度取22：00－08：00的温度，结果见表1。

表1 夜间增温下棉花生长发育期的气象条件Tab.1 Weather factors during cotton development in different nighttime temperatures

1.2.2测定项目与方法

1.2.2.1 叶绿素含量

按照Arnon［14］的方法并略有改动。分别于棉花生育后期（2010年9月30日、2011年9月26日）摘取叶龄相同的主茎功能叶片（倒2叶）进行测定，用浓度为80%的丙酮溶液15mL并置于黑暗中浸提叶片，用UV－2041型分光光度计（日本岛津）于663、440和645nm波长下测定OD值，用80%丙酮作空白对照。

1.2.2.2 花青素含量

按照Wells［15］的测定方法并略有改动。测定叶片为棉花主茎功能叶倒2叶。用10mL 1%的盐酸甲醇溶液浸提叶片，浸提方法同叶绿素。用UV－2041型分光光度计（日本岛津）于530和658nm处测定吸光值。

花青素含量计算公式为：

上式中ε为摩尔消光系数，ε＝34300；MW：分子摩尔质量449.2g／mol；vol为提取液的体积；L（mol－1·cm－1）为比色皿的厚度；s为浸提的圆片面积。

1.2.2.3 光合速率

于棉花生理红叶形成期（2010年9月16日、2011年9月18日）选取棉花主茎功能叶片，用Li－6400光合测定系统测定单叶净光合速率（Pn）。测定当天天气晴朗（北京时间11：00－13：00），每处理随机选取8～10株棉花进行测定，取平均值。采用红蓝光源，光强设为1800（μmol／m2）／s，环境温度稳定在32～34℃，CO2浓度基本稳定在380μmol／mol左右，相对湿度为30%～32%。

1.2.2.4 叶片POD及SOD活性

试验于采集当天（2010年9月30日、2011年9月26日）北京时间9：00－10：00摘取棉花主茎功能叶倒2叶，用液氮速冻之后放进－80℃超低温冰箱保存待测。

叶片POD活性采用愈创木酚比色法，参照李合生［16］的实验方法并略有改动；叶片SOD采用氮蓝四唑NBT光下还原法测定。叶片POD、SOD活性的测定均用UV－2041型分光光度计（日本岛津）分别于470、560nm波长下进行测定。

1.2.2.5 单铃重

待棉株开花后对上部第8、9果枝第1果节的当日花进行标记，于铃龄15d开始第1次测定，之后每隔7d进行1次，连续测定4次，最后1次于吐絮期测定棉铃重，每次均选取挂牌标记的铃龄相同的棉铃进行测定。

2 结果与分析

2.1 夜间温度对棉花叶片色素含量的影响

由图1可见，夜间不同温度条件下棉花叶片花青素含量表现为CK＞T1＞T2，且处理间达到显著水平，表明夜间增温可有效抑制生育后期棉花叶片花青素的合成，延迟叶片变红时间。品种间，新陆早13号叶片花青素含量显著高于新陆早33号。

图1 叶片花青素、叶绿素含量Fig.1 Anthocyanin and Chlorophyll contents of cotton leaves

夜间不同温度处理棉花叶片叶绿素含量差异达显著水平（图1），各处理间表现为T2＞T1＞CK，表明夜间增温有利于维持棉花生育后期叶片较高的叶绿素含量。品种间，新陆早33号叶片叶绿素含量显著高于新陆早13号。

2.2 夜间温度对棉花叶片Pn的影响

由图2可见，生育后期棉花叶片Pn随夜间温度的升高显著增高，各处理表现为T2＞T1＞CK，表明夜间增温有利于维持棉花生育后期叶片较高的Pn。品种间，新陆早33号叶片Pn极显著高于新陆早13号。

图2 棉花叶片PnFig.2 Net photosynthesis of cotton leaves

2.3 夜间温度对棉花叶片保护性酶活性的影响

由图3可见，两品种棉花叶片POD活性均随夜间温度的降低而显著增高，说明棉花生长发育后期自然夜间温度对棉花生长已形成低温胁迫，棉花叶片活性氧胁迫增强从而导致叶片POD活性显著增高。品种间，新陆早13号叶片POD活性显著高于新陆早33号。

图3 叶片过氧化物酶活性Fig.3 POD activity of redden leaves of cotton

植物体内SOD活性的增强能提高植物抗氧化胁迫的能力［17］。当植物受环境胁迫时，SOD活性增高。由图4可见，CK处理棉花叶片SOD活性显著高于增温处理。品种间，新陆早13号叶片SOD活性比新陆早33号高29%。

图4 叶片SOD活性Fig.4 SOD activity in reddened leaves of cotton

2.4 夜间温度对棉花单铃重的影响

花铃期低温会对棉花产量的形成产生制约作用［18］。由图5可见，同一品种不同温度处理棉花单铃重差异均达显著水平，收获期两品种各处理棉花单铃重均依次表现为T2＞T1＞CK，且CK处理下棉花单铃重在花后29d后均较低，可见在棉铃形成过程中低温抑制了棉铃的发育。品种间，新陆早33号单铃重显著高于新陆早13号。

图5 不同温度处理下棉花单铃重的动态变化特点Fig.5 The dynamic changes of single boll weight under different night temperatures

3 讨论

棉花生长发育后期叶片变红受多种因素的影响。前人研究指出后期降温是导致北疆棉花叶片变红早衰的原因之一［7］。本试验结果表明，夜间增温可缓解后期低温胁迫，延缓叶片变红早衰进而提高单铃重，说明棉花红叶早衰受后期低温的影响，与刘海洋等［7］的研究结果一致。

本试验结果表明，随着夜间温度的降低，棉花叶片叶绿素含量显著降低而花青素含量显著增高，红叶早衰程度加深，这与Edreva等［5］的研究结果一致。本试验结果说明棉花生育后期夜间低温促使棉花叶片花青素的合成，在一定程度上加速了叶片变红早衰的发生；而增温处理降低了叶片花青素含量，维持叶片较高的叶绿素含量延迟了叶片变红时间。当作物生长受到环境胁迫时，叶片POD活性增强［19］，而棉花叶片变红之后叶片POD活性也出现显著增高的变化趋势［5］。本试验结果显示，随夜间温度的降低，叶片变化程度加深，叶片POD活性显著增高。研究发现棉花在盛花前期受水分胁迫之后叶片SOD活性增强［20］，本研究发现棉花叶片SOD活性随处理温度的降低而增高，这可能是后期低温对棉花叶片生长造成低温胁迫而引起叶片产生大量的超氧自由基，导致叶片发生氧化伤害，进而引起SOD活性增强，产生一种抗氧化自由基的应激反应。

棉花叶片变红伴随叶片Pn的显著下降［6］。本试验结果表明，随夜间温度的降低，叶片花青素含量显著增高，叶片变红程度加深，叶片Pn显著降低，棉花单铃重显著降低。由此可见，棉花生长发育后期低温促使棉花叶片变红，导致叶片光合功能减弱，促使叶片早衰进而抑制了棉铃的发育，导致棉铃重降低。

4 结论

棉花生育后期夜温增加有利于降低叶片花青素含量、POD和SOD活性，延缓棉花叶片变红衰老；增加了叶片叶绿素含量，提高叶片光合功能，进而提高棉花单铃重，保证棉花稳产、高产。不同品种棉花红叶早衰的程度不同，新陆早33号抗红叶早衰的能力强于新陆早13号。

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