短季棉花芽分化及分化进程中的生理特性研究

2018-03-04邓永胜高利英韩宗福孔凡金申贵芳段冰王宗文王景会李汝忠

山东农业科学 2018年12期

邓永胜高利英韩宗福孔凡金申贵芳段冰王宗文王景会李汝忠

摘要：以短季棉品种鲁棉研19号和常规棉品种鲁棉研28号为材料，研究分析了短季棉品种与常规棉品种花芽分化进程的差异及花芽分化进程中的内源激素水平与碳氮代谢差异。结果表明，较早的花芽分化起始和更快的花芽分化进程是短季棉早熟性形成的形态基础，而花芽分化前期较高的碳氮比值和更高的GA3、ABA含量及GA3/IAA、ABA/IAA比值，是短季棉能更早地起始花芽分化和更快地完成花芽分化的生理基础。

关键词：短季棉;早熟性;花芽分化;生理特性

中图分类号：S562.01文獻标识号：A文章编号：1001-4942（2018）12-0020-06

短季棉（又称夏棉）是指生育期相对较短的一种棉花品种类型。一般情况下其全生育期比春棉品种短一个月左右，播种期可推迟30～40天。在我国黄河流域棉区通常主要用于5月中、下旬麦田小垄套种，或瓜、蒜、菜等茬口直播种植，在长江流域棉区主要用于麦（油）后移栽或麦（油）后直播种植。由于短季棉品种生育期短、经济系数高，对于我国黄河、长江流域棉区提高复种指数、增加单位面积经济效益，具有重要意义和作用[1]。李汝忠等[2]研究表明，短季棉生育期短主要是由于播种至开花所需时间短而致。葛逢珠等[3]研究表明，同一短季棉品种在不同年际间各生育阶段和全生育期长短有很大差别，但所需积温基本一致，生育进程的快慢主要取决于积温。表明短季棉品种完成各生育阶段需要的积温相对较少，能更快地完成由营养生长向生殖生长的转变。

棉花为无限生长作物，营养生长与生殖生长并进时间长，生产上通常将现蕾作为棉花生殖生长的起始点，但实际上棉花的生殖生长是从花芽分化开始的。李威[4]研究发现短季棉品种花芽分化起始期早于春棉品种，但前人对短季棉早熟性的研究多集中在与早熟性相关的农艺性状、与早熟相关基因的QTL定位及表达谱分析上，尚缺少对短季棉花芽分化特征等的研究。本研究旨在通过对短季棉与常规棉品种花芽分化进程差异及分化进程中生理代谢特征的比较，解析短季棉早蕾早花的成因，以期为短季棉育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

短季棉和春棉品种分别选用山东棉花研究中心选育的鲁棉研19号和鲁棉研28号，由育种人提供育种家种子。

1.2 试验方法

1.2.1 育苗与取样试验于2016—2017年在山东棉花研究中心农业部黄淮海棉花遗传改良与栽培生理重点实验室（济南）进行。鲁棉研19号和鲁棉研28号同时播于育苗盘中，后将育苗盘置于可精确控制温度、光照、湿度的人工气候室（白天30℃，晚上25℃）中。从2片真叶展平起，连续取两品种后续叶片展开时茎尖组织，每叶龄取样3份，直至现蕾，所取茎尖立即用FAA 固定液固定，用于石蜡切片。同时从2片真叶展平起，连续取两品种后续叶片展开时顶端2叶片，液氮速冻后-80℃冻存，用于激素及生理指标测定。同时观察记载棉苗的生长表现。

为观察播种后两品种花芽分化进程的差异，从播种后15天开始每隔3天随机取一次样（不考虑真叶展平数目），共取10次，每次分别取8个样品，同上法固定用于制作石蜡切片。

1.2.2 石蜡切片制作与观察石蜡切片的制作参照林加涵[5]的方法，经固定—脱水—透明—浸蜡包埋—切片粘片—脱蜡—复水—苏木精染色—封片后OLYMPUS显微镜观察拍照。切片厚度为8 μm。

1.2.3 内源激素含量与生理指标测定激素含量用高效液相色谱法测定。HPLC液相条件：Agilent 1100高效液相色谱仪，Kromasil C18反相色谱柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）。流动相的配制：量取600 mL超纯水，加入6 mL乙酸混匀溶解，加入400 mL甲醇混匀。方法：设置进样量10 μL，流速0.8 mL/min，柱温30℃，走样时间为45 min，紫外波长254 nm。

可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定;全氮指标通过硫酸消解—凯氏定氮法测定;全碳含量利用重铬酸钾容量法测定。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2010软件进行数据统计分析与作图。

2 结果与分析

2.1 鲁棉研19号、鲁棉研28号现蕾前生长表现

鲁棉研19号出苗好，取样初期（2～3片真叶）株高较鲁棉研28号高。后者出苗势一般，但植株生长稳健，4片真叶后株高反超鲁棉研19号（表1）。鲁棉研19号7片真叶现蕾，鲁棉研28号8片真叶现蕾，相差1叶龄（约5天）。鲁棉研19号整体长势弱于鲁棉研28号。

2.2 鲁棉研19号、鲁棉研28号花芽分化进程差异

植物花芽分化过程大致可分为6个阶段，即：分化初期、花蕾分化期、萼片分化期、花瓣分化期、雄蕊分化期和雌蕊分化期[6]。本研究参照这6个阶段划分两品种花芽分化进程。

2片真叶期，鲁棉研19号生长锥顶端分生组织细胞个体较小、排列紧密，细胞核大，染色较深，而下部的芽基组织细胞较大、核较小，排列疏松，不规则，苞片基部外侧略向外凸出，染色略深，表明此时鲁棉研19号花原基已经形成，开始花芽分化。而此时鲁棉研28号未观察到明显的花芽分化起始表现，直到3片真叶展平时才起始花芽分化。

4叶期鲁棉研19号已经分化出花瓣原基，其侧芽已分化出萼片;鲁棉研28号此时刚分化出萼片原基，处于萼片分化期。

6叶期鲁棉研19号已经形成完整花的结构，雄蕊、雌蕊均已完成分化，清晰可见，进入现蕾期;而鲁棉研28号此时仍然处于花蕊分化过程中。

不同叶龄花芽分化观察结果显示，鲁棉研19号不仅花芽分化起始期早于鲁棉研28号，花芽分化进程也显著快于后者，表现为短季棉品种单花发育进程快、花原基发育纵横向间隔短、现蕾快。

随播种后进程两品种花芽分化差异结果见表2。可见同品种每次取样的8个样品所处的花芽分化阶段并不完全一致，但所有批次样品中鲁棉研19号处于更快花芽分化进程的样品数均多于鲁棉研28号，表明鲁棉研19号花芽分化进程快于后者，这与依据叶龄数石蜡切片对两品种所处花芽分化阶段的观察结果相吻合。

2.3 鲁棉研19号、鲁棉研28号花芽分化进程中的碳氮代谢差异

花芽分化开始后，两品种植株内可溶性糖含量迅速下降，鲁棉研19号较鲁棉研28号下降更为迅速，并在4片真叶期达最低点，后者则在5片真叶期达最低点。

花芽分化前期，鲁棉研28号全氮、全碳相对含量均略高于鲁棉研19号。全氮相对含量两品种都在4叶期达到最低值;全碳相對含量鲁棉研19号下降更快，在3叶期达到最低值，鲁棉研28号下降则较为平缓，在4叶期达到最低值，但此时相对含量较鲁棉研19号最低值仍高1.7个百分点。

植物体内糖类含量与含氮化合物的比例（C/N）是决定植物从营养生长转向生殖生长的重要因素。鲁棉研19号与鲁棉研28号碳氮比值变化趋势基本一致，均在4叶期达到最大值，但在花芽分化前期鲁棉研19号碳氮比值高于鲁棉研28号。

2.4 鲁棉研19号、鲁棉28号花芽分化进程中的激素变化差异

两品种从两片真叶始至现蕾期IAA、GA3、ABA含量变化情况。从花芽分化起始到完成花芽分化过程，鲁棉研19号GA3含量始终高于鲁棉研28号。IAA含量鲁棉研19号2～3叶期短暂下降，之后迅速升高（3～4叶期），升高阶段早于鲁棉研28号（4～5叶期）;鲁棉研28号在5叶期IAA含量达到峰值，此时含量为鲁棉研19号峰值（4叶期）的1.3倍。两品种花芽分化进程中ABA含量变化曲线较为相似，但鲁棉研19号不论是ABA含量迅速上升阶段还是峰值时期均早于鲁棉研28号一个叶龄。

对不同激素间相互关系比较发现，GA3/IAA在花芽分化初期（2～3叶期）鲁棉研19号高于鲁棉研28号，谷值鲁棉研19号出现在4叶期，后者出现在5叶期。ABA/IAA变化趋势及峰值时间与ABA含量变化一致。

3 讨论

棉花的早熟性受诸多生育、形态性状，如棉株生长发育速度、品种各生育期（苗期、蕾期、铃期）长短、植株形态（株高、第一果枝节位高低和果枝、果节的节间长短）以及开花、吐絮速率等所制约，是一个较为复杂的综合性状[7]。短季棉品种短生育期是出苗到现蕾、现蕾到开花、开花到吐絮等各生育阶段综合作用的结果[8]。花芽分化是植物由叶芽生理组织状态转变为花芽生理组织状态，然后再发育成花器官原基雏形的过程，是植物进入生殖阶段的起点。花芽分化进程影响着蕾期、花期及第一果枝节位高低和果节节间的长短。本研究结果表明，短季棉品种鲁棉研19号不仅花芽分化起始期早于常规春棉品种鲁棉研28号，其花芽分化进程也显著快于鲁棉研28号。这与两类品种的田间表现相吻合，即短季棉品种同一果枝不同节位开花时间间隔较短，甚至出现第一、二果枝第一果节同一天开花的情况，这在常规棉中极少出现，说明较早的花芽分化起始和较快的花芽分化进程是形成短季棉早蕾早花的重要因素，是短季棉早熟性形成的形态基础。

前人研究表明，花芽诱导及形态分化过程中，花芽的形态建成需要消耗更多的可溶性糖，叶片中大量的含氮化合物也需要分解后转移到幼嫩组织中为花芽的形成做准备[9]。在本研究中，花芽分化开始后，鲁棉研19号叶片内可溶性糖含量较鲁棉研28号下降更为迅速，这是鲁棉研19号更快花芽分化进程的代谢表现。Klebs提出了碳氮比（C/N）学说，认为当植物体内C/N值高时，有利于生殖体的形成，促进开花;反之，有利于营养生长，延迟开花[10]。本研究结果显示，花芽分化前期鲁棉研19号碳氮比值高于鲁棉研28号，这可能是鲁棉研19号花芽分化进程更快的原因之一。

赤霉素作为一种重要的植物激素，对开花时间的调节是其重要功能之一。任桂杰等[11]研究发现高GA3含量有利于棉花花芽分化。本研究鲁棉研19号在整个花芽分化过程中GA3含量始终高于鲁棉研28号，与任桂杰等的研究结果相吻合。关于IAA在成花中的作用，一直是一个有争议的问题。本研究发现，在花芽分化初期，鲁棉研19号和鲁棉研28号IAA含量均相对较低，之后迅速升高，且鲁棉研28号表现出更高的IAA含量峰值，这可能由于此时正处于棉苗快速发育阶段，叶片需要大量合成IAA以维持茎尖生长点的快速生长。ABA在花芽分化不同阶段有不同的作用，在诱导期促进花芽分化，在形态分化期有利于花芽的形态建成[11，12]。鲁棉研19号ABA含量快速上升阶段和峰值时期都较鲁棉研28号更早更快，这也是造成鲁棉研19号花芽分化进程更快的原因。多数学者普遍认为植物花芽分化的调控是多种激素相互作用的结果[13]。前人对果树花芽分化机理研究表明，较高的GA3/IAA、ABA/IAA 有利于花芽的形成分化和完成[14]。本研究结果显示，花芽分化初期，鲁棉研19号GA3/IAA、ABA/IAA值均高于鲁棉研28号，ABA/IAA值迅速上升阶段和峰值时期均早于鲁棉研28号一个叶龄，这与前人对果树花芽分化的研究结果相一致。

4 结论

较早的花芽分化起始和更快的花芽分化进程使短季棉早蕾早花，这是短季棉早熟性形成的形态基础，而花芽分化前期较高的碳氮比值和更高的GA3、ABA含量及GA3/IAA、ABA/IAA比值，是短季棉能更早地起始花芽分化和更快地完成花芽分化的生理代谢基础。

参考文献：

[1] 喻树迅，张存信. 中国短季棉概论[M]. 北京：中国农业出版社，2003：19-27.

[2] 李汝忠，王景会，王宗文，等. 抗虫短季棉鲁棉研19号的选育与性状分析[J]. 山东农业科学，2011（2）：18-20.

[3] 葛逢珠，李汝忠，王宗文，等. 短季棉生育进程、皮棉产量与积温、光照的关系[J]. 山东农业科学，1999（1）：9-11.

[4] 李威. 陆地棉花芽分化诱导阶段茎尖的表达谱分析[D]. 武汉：华中农业大学，2011.

[5] 林加涵. 现代生物学实验（上册） [M]. 北京：高等教育出版社，2000：70-86.

[6] 郝敬虹，齐红岩，阎妮，等. 园艺作物花芽分化的研究进展[J]. 农业科技与装备，2008（1）： 7-9.

[7] 喻树迅，张存信，黄祯茂. 短季棉优质高产新技术[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，1998： 13-52.

[8] 范术丽. 短季棉早熟性相关性状的遗传及其QTLs定位研究[D]. 安阳：中国农业科学院棉花研究所，2004.

[9] 林桂玉，黄在范，张翠华，等. 菊花花芽分化期超微弱发光及生理代谢的变化[J]. 园艺学报，2008，35（12）：1819-1824.