彩色棉纤维发育过程中化学物质变化与色素合成的关系

滕康开，许 磊，陈 文，方培娟，高俊山

彩色棉是一种纤维中含有天然色素的棉花，其纤维颜色主要有棕色和绿色［1］.彩色棉与普通白色棉相比，具有明显的优势［2］：彩色棉植株中单宁、酚类物质含量较高，具有很好的抗病、抗虫能力；彩色棉纤维具有天然色彩，在纺织加工中免于化学漂染，既减少对人体伤害和环境污染，又节约成本、增加收益，是真正的生态、环保棉花，其应用前景非常广阔.但彩色棉的品质不如白色棉，色彩单一、色素遗传不稳定等问题一直制约了彩色棉的生产与推广.

棉纤维是一种特殊化的种皮细胞，是由胚珠的外珠被表皮层细胞分化发育而成，其发育过程主要经历纤维原始细胞分化突起、纤维细胞伸长及初生壁的合成、次生壁合成和增厚和脱水成熟四个阶段［3］.棉纤维细胞的分化与突起是纤维发育的开始，首先胚珠表皮细胞先分化成纤维原始细胞，然后已分化的纤维原始细胞扩展为球状或半球状的纤维突起，纤维表皮细胞的分化是决定其能否发育成纤维细胞的关键.李悦有［4］对棕色棉、白色棉纤维进行电镜观察，发现棕色棉和白色棉纤维结构由外到内依次为初生壁、次生壁和中腔，而且在白色棉纤维中未发现染色较深的物质，但在棕色棉纤维的中腔内观察到大量染色较深的物质，这些染色较深的物质可能就是棕色棉纤维中的色素物质.彩色棉纤维颜色形成于纤维发育的中后期阶段，在纤维初生壁伸长期，彩色棉的纤维与白色棉的纤维颜色均呈现纯白色，而自纤维次生壁加厚开始，颜色逐渐显现［5］.纤维细胞的次生壁形成过程中伴随着纤维素的大量合成［6］，而纤维颜色是纤维细胞腔内色素物质的长时间沉积形成的［7］.研究还发现，彩色棉纤维品质可能和其色泽深度有关系，颜色越浅纤维品质越好［8］.彩色棉纤维长度和纤维素含量明显低于白色棉，可能是由于彩色棉纤维发育过程中部分碳水化合物用于色素的合成.Hua等［9］研究发现，彩色棉纤维细胞发育过程中蔗糖、果糖、葡萄糖以及淀粉含量与白色棉基本一致.范小平［10］等人研究指出，绿色棉纤维发育过程中由于色素合成竞争纤维素合成所需底物碳水化合物，使得绿色棉纤维素含量低于白色棉.

另外，通过对不同棉品种中的棉酚含量进行测定，结果表明棉酚与纤维生长呈负相关，可以通过调节棉酚的含量来达到提高纤维品质的目的［11］.一般认为，类黄酮含量与纤维品质呈负相关，彩色棉纤维发育过程在纤维素合成的同时，色素物质也在不断地合成，二者对底物的需求形成了竞争，这使得色素物质的存在有可能干扰和影响了纤维的伸长、纤维素的生物合成以及纤维素大分子的排列，最终影响彩色棉纤维品质的形成［12，13］.可见，彩色棉纤维发育过程中的化学物质变化与色素合成之间具有密切关系，但二者是否存在相互制约的问题，仍然未能得到合理解释.

综上所述，虽然不少学者对彩色棉纤维品质以及色素合成途径研究较为深入，但有关天然彩色棉纤维发育与色素合成之间相关性的研究报道尚少.因此，本研究主要以不同发育时期的彩色棉为研究对象，系统地分析了天然彩色棉纤维和种皮中主要化学物质（可溶性糖、总酚、总黄酮和色素）含量的动态变化，明确天然彩色棉纤维发育动态规律，探讨彩色棉纤维品质特性与色素合成的关系，为提高彩色棉纤维产量与品质提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为棕彩棉1号（棕色棉，编号p26）、绿絮棉1号（绿色棉，编号p15）和泗棉3号（白色棉，编号p47），均为安徽农业大学生命科学学院棉花课题组提供，种植在安徽农业大学高新技术农业园，田间常规管理.选择发育正常、无病虫害植株的中上部果枝，开花当天开始挂牌，分别取开花后5、10、15、20、25、30、35、40天大小均匀的棉铃各10个左右，保存于-70℃冰箱备用.

1.2 试验方法

1.2.1 可溶性糖含量测定

参照赵都利的方法［12］.称取0.1g左右不同发育阶段的棉纤维或种皮置于试管中，加5mL蒸馏水，沸水浴30min，收集提取液并过滤.再加5mL蒸馏水，沸水浴15min，收集滤液，重复3次.将收集的滤液定容至25mL.吸取滤液0.2mL于试管中，加1.8mL蒸馏水，依次加入蒽酮乙酸乙酯试剂0.5mL和浓硫酸5mL，充分震荡，放入沸水中保温1min，取出后冷却至室温，在630nm处测定吸光值.以蔗糖为标准品绘制标准曲线，参照标准曲线（线性回归方程为：y=0.0096x-0.0205，R2=0.9938）计算可溶性糖含量.

1.2.2 总酚含量测定

采用4-氨基安替吡啉法［11］.称取0.1g左右不同发育阶段的纤维或种皮，用10mL蒸馏水研磨，4000r/min离心，10min后取上清液1mL于试管中，依次加入pH10.0 NH3-NH4Cl缓冲溶液1mL，2%（m/V）4-氨基安替吡啉溶液1ml，8%铁氰化钾溶液1mL，摇匀静置10min后，在510nm测定紫外吸光度.以苯酚为标准品，线性回归方程为：y=0.5812x-0.0023，R2=0.9887.

1.2.3 总黄酮含量测定

参考庄向平等［4-6］方法：称取0.25g左右不同发育阶段的纤维或种皮，置于圆底烧瓶中，加入20mL甲醇溶液，75℃水浴加热回流提取1.5h，提取液定容至25mL，作为样品提取液备用.取1mL样品提取液置于10mL容量瓶中，依次加入4mL 30%乙醇，0.3mLNaNO2（1∶20），摇匀静置5min，加入0.3mLAl（NO3）3（1∶10），摇匀静置6min，最后加入2mL1mol·L-1NaOH摇匀，30%乙醇定容，摇匀静置，510nm处测定吸光度.以芦丁为标准品绘制标准曲线，根据标准曲线（线性回归方程为：y=0.0121x+0.0204，R2=0.9952）计算黄酮含量.1.2.4 色素含量测定

称取0.1g左右不同发育阶段的纤维或种皮，置于圆底烧瓶中，加入15mLHNO3/乙醇（即将1倍的HNO3沿玻璃棒慢慢加入4倍的无水乙醇溶液中，边加边搅拌，待溶液冷却后使用），在100℃水浴加热回流提取2h，提取液过滤，用HNO3/乙醇定容至25mL，用经过相同的方法蒸馏后的HNO3/乙醇溶液作空白对照，420nm处进行比色.

1.3 数据处理

采用Excel 2007软件进行数据处理和作图.

2 结果与分析

2.1 纤维中可溶性糖含量的动态变化

通过对彩色棉不同发育时期纤维中可溶性糖含量的测定，结果显示，棕色棉p26纤维中可溶性糖含量出现两个峰，分别在开花后20d和30d，其中在发育前期（0～20 DPA）可溶性糖含量明显增加，随后又大幅度下降，在花后30d略有回升，然后又继续下降（图1）.绿色棉p15纤维中可溶性糖含量也出现两个峰，第一个出现在10 DPA，第二个出现在25 DPA，其中在5～30 DPA可溶性糖含量的变化无明显差异，浮动在20%左右，之后出现明显下降趋势（图1）.而对照白色棉p47纤维中可溶性糖含量在5～10 DPA无明显增减，10～20 DPA直线下降，之后呈现平稳下降的趋势.

图1 不同发育阶段纤维中可溶性糖含量变化

2.2 种皮中可溶性糖含量的动态变化

通过对彩色棉纤维不同发育时期种皮中可溶性糖含量的测定，结果表明，棕色棉种皮中可溶性糖含量只在开花后15d出现一个峰，5～15 DPA含量增多，而15～25 DPA含量下降，之后趋于稳定（图2）.绿色棉种皮中可溶性糖含量在5～10 DPA下降，而10～25 DPA增多，25 DPA后呈大幅下降趋势，但在35 DPA出现峰值（图2）.白色棉种皮中可溶性糖含量分别在15 DPA和30 DPA出现峰值，但从15 DPA以后可溶性糖的含量呈逐渐下降的趋势.

图2 不同发育阶段种皮中可溶性糖含量变化

2.3 纤维中总酚含量的动态变化

通过不同彩色棉纤维发育过程中总酚含量的测定，如图3所示，棕色棉纤维中总酚含量在10 DPA出现峰值，随后缓缓降低，在35 DPA又再次出现一个峰值.绿色棉与白色棉纤维中总酚含量变化具有相同的趋势，绿色棉纤维中总酚含量的峰值出现在15 DPA，而白色棉的峰值出现在10 DPA，在20 DPA以后两个品种总酚含量都呈现出稳定状态.

图3 不同发育阶段纤维中总酚含量变化

2.4 种皮中总酚含量的动态变化

通过对不同彩色棉种皮中总酚含量的测定，结果如图4所示，不同品种种皮中总酚的含量变化具有基本相同的趋势，都在0～5 DPA种皮中总酚含量增加，10～20 DPA总酚含量下降，在25 DPA以后又开始呈上升趋势，且棉酚在不同发育时期、不同品种的种皮中含量差别不大.

图4 不同发育阶段种皮中总酚含量变化

2.5 纤维中总黄酮含量的动态变化

根据对不同发育时期彩色棉纤维中总黄酮含量的测定，结果如图5所示，棕色棉纤维中总黄酮含量在15 DPA之前逐渐增加，之后缓慢下降，25 DPA以后较为稳定，含量维持在4～6%.绿色棉纤维中总黄酮含量分别15～20 DPA和30～35 DPA出现峰值，其他时期总黄酮含量很少，而对照白色棉在整个纤维发育期总黄酮含量极低.

图5 不同发育阶段纤维中总黄酮含量变化

2.6 种皮中总黄酮含量的动态变化

在种皮中，棕色棉与白色棉总黄酮含量变化趋势相近，均在5～15 DPA增加，15 DPA达到最大值，随后逐渐减少，20 DPA后又缓慢增加，30 DPA后逐渐减少，35～40 DPA略有回升.而绿色棉种皮中总黄酮直至25 DPA前变化均不明显，且含量少，25 DPA后迅速增加，30～35 DPA达到峰值，随后总黄酮含量又迅速下降（图6）.

图6 不同发育阶段种皮中总黄酮含量变化

2.7 纤维中色素含量的动态变化

由图7可以看出，棕色棉纤维中色素含量在5～10 DPA有小幅度减少，10～20 DPA开始平稳增加，20 DPA后又突然减少，随后又开始增加，35～40 DPA含量趋于稳定.绿色棉纤维中色素含量变化也具有类似规律，但在35～40 DPA仍大幅度增加.白色棉纤维中色素含量在前期增加明显，15 DPA以后逐渐减少，且含量低于棕色棉和绿色棉.

图7 不同发育阶段纤维中色素含量变化

2.8 种皮中色素含量的动态变化

由图8可以看出，不同彩色棉种皮中色素含量随纤维发育时期呈增加趋势.棕色棉种皮中色素含量在花后10d和20d出现两个峰，25 DPA以后就呈现单一的增加趋势.绿色棉种皮中色素含量在5～10 DPA增加，10～15 DPA有明显减少，15 DPA后逐渐增加.白色棉种皮中色素含量在5～15 DPA增加，15～20 DPA略有下降，但随后同样平稳增加，且后期种皮中白色棉色素含量小于棕色棉与绿色棉.

图8 不同发育阶段种皮中色素含量变化

2.9 彩色棉纤维发育过程中主要物质的相关性分析

通过彩色棉纤维和种皮中主要物质的相关性分析，从表1可知，纤维中可溶性糖含量与总酚含量呈负相关，差异极显著，而与纤维中色素含量以及种皮中黄酮、色素含量呈负相关，且与种皮中色素含量差异显著.在纤维发育过程中，纤维与种皮中的可溶性糖呈正相关，差异极显著；而种皮中的可溶性糖含量与纤维中总酚含量呈负相关，差异显著.这说明纤维中酚类物质的积累与种皮和纤维中可溶性糖含量密切相关，即可溶性糖在纤维发育的过程中可能被用于合成酚类物质.

种皮中的黄酮含量与纤维中黄酮含量显著相关，说明纤维中的黄酮是从种皮中运输而来的.而种皮中色素含量与纤维中酚含量呈正相关，差异极显著.此外，种皮中色素含量还分别与纤维和种皮中可溶性糖呈显著负相关，说明彩色棉纤维色素物质的合成也需要碳水化合物，和纤维素的合成竞争底物.

3 讨论

本研究发现不同彩色棉纤维中的可溶性糖含量在发育前期有增加趋势，后期总体下降，可能原因是前期纤维发育所需酶的合成影响了可溶性糖的积累和消耗，而在纤维发育的后期，由于部分可溶性糖参与了纤维素和色素的合成，从而导致可溶性糖含量逐渐降低.研究表明，棉花纤维发育在10 DPA是纤维素快速伸长的关键时期；15 DPA是纤维快速伸长末期，同时是纤维加厚初期；20 DPA是纤维快速加厚，也是纤维素快速累积的重要时期［14］.棉花中纤维素的积累是纤维发育的基础，对纤维品质形成具有重要影响.彩色棉纤维品质差主要与纤维素含量较低有关，而彩色棉纤维素的合成与纤维中可溶性糖含量、相关酶活性以及色素合成等因素有关［15］.纤维中碳水化合物不仅要用于纤维素的合成，还要用于纤维色素的合成，可溶性糖含量与色素含量表现为显著正相关［16］.

在彩色棉纤维和种皮中主要物质的相关性分析中，纤维素的积累、酚类物质、黄酮与可溶性糖含量密切相关，说明可溶性糖在纤维发育的过程中可能被用于合成纤维素、黄酮以及酚类物质.高含量的碳水化合物并不总是导致更高浓度的纤维素，这很可能是由于黄酮类化合物及其衍生物的合成消耗大量的碳水化合物［17］造成的.而棉酚与纤维生长呈负相关［11］，酚是棉花纤维发育的次生代谢产物，总酚含量在纤维发育过程中逐渐减少，在种皮中逐渐增加，可能是因为酚类物质通过种皮产生，再运输到纤维中，继而参与纤维发育过程中的色素合成.在色素合成过程中，纤维中总酚不断消耗，后期纤维成熟，色素合成减少，种皮中产生的酚类物质供过于求，从而导致种皮中酚类物质的积累增多.黄酮与可溶性糖、酚含量呈负相关，在纤维发育过程中，绿色棉纤维中黄酮含量先升高后降低，可能是因为绿色棉纤维发育后期，黄酮类化合物的合成参与了对碳水化合物的竞争，消耗了本该用于纤维素合成的部分碳水化合物.黄酮含量也与纤维的品质呈负相关.绿色棉中的类黄酮会抑制棉纤维中低蔗糖以及碳水化合物的转化，造成绿色棉纤维品质低于白色棉［18］.纤维与种皮中总黄酮呈显著正相关，说明纤维中的黄酮类物质来自于种皮中.

表1 不同彩色棉纤维和种皮中化学物质的相关分析

不同彩色棉纤维和种皮中色素含量变化总体呈现增加的趋势，但是在发育过程中，色素含量在不同时期出现了短暂的下降现象，可能是色素被分解用于形成细胞壁中的木质素而导致的.彩色棉纤维素含量和色素含量呈负相关，可能是由于彩色棉中更大量的碳水化合物（特别是葡萄糖）以及矿物质（氮，磷，钾，硫，镁）的生物合成被用于纤维色素的沉积［19，20］，导致纤维素含量明显低于白色棉.李悦有等［21］认为彩色棉纤维品质差与纤维素含量低和色素物质沉积有关.

总体来说，在彩色棉发育前期，次生代谢产物少，可溶性糖含量高，纤维发育以及色素合成正常；随着花后天数增加，次生代谢产物增多.较白色棉而言，彩色棉纤维发育受到了限制，因而导致其纤维发育缓慢以及品质的下降.

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