干旱胁迫对不同色彩棉花生理生化指标的影响

石有太，罗俊杰，裴怀弟，张艳萍，南宏宇，陈玉梁

（1.甘肃省农业科学院生物技术研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院作物研究所，甘肃 兰州 730070）

西北内陆棉区水资源日益匮乏，干旱已成为影响该地区棉花生产的主要环境因素［1］。中国西北干旱区地处中纬度地带的欧亚大陆腹地，是对全球气候变化响应最敏感的地区之一［2］，极端水文事件的频度和强度都在增加，水资源脆弱性和不确定性将加剧［3］。棉花为西北地区最重要的经济作物。王鹤龄等［4］研究认为，气候变暖对棉花需水量的影响大，当生长期内温度上升1～4℃时，棉花需水量将增加2.17%～12.66%，相当于15.0～83.0 mm的降水。甘肃敦煌棉区地下水位降低、湿地萎缩、水资源短缺已成为该地区农业及社会经济可持续发展的“瓶颈”［5］，也成为影响棉花产量和品质的主要环境因素［4］。根据农业农村部“十三五”种植业结构调整规划，到2020年，棉花生产向优势区域集中，向盐碱滩涂地沙性旱地集中，向高效种植模式区集中，形成西北内陆、黄河流域、长江流域“三足鼎立”格局［6］。由于粮棉争地、争水的矛盾日趋加剧，瘠薄地种植棉花，其保水性差，势必对棉花产量与品质产生不利的影响。我们利用不同色彩棉花品种，研究了干旱环境对其生理生化机指标的影响，以筛选抗旱性鉴定指标和抗旱棉花品种，为棉花抗旱鉴定及新品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在甘肃省敦煌市肃州镇魏家桥村，据敦煌市区3 km。纬度40.08°，经度94.41°，海拔1 138 m，年平均气温10.5℃，无霜期142 d，10℃以上活动积温3 611.3℃，年平均降水量42 mm，蒸发量2 486 mm，是典型的大陆干旱性气候，属北方特早熟棉区。试验地土壤为灌淤土，前茬为棉花，连续多年种植棉花。播前10 d浇足水，播种前耱地（平整土地）。最大田间持水量18.35%、饱和持水量30.33%、凋萎含水量2.66%、播种时1m土层平均土壤相对含水量14.89%、1 m土层平均土壤容重1.52 g/m3、pH 8.93、有机质13.4 g/kg、全氮 0.61 g/kg、碱解氮49 mg/kg、有效磷28.29 mg/kg、速效钾189 mg/kg。

1.2 供试材料

供试材料为抗旱性不同的12个棉花品种（系），白色棉花为中晚熟品种陇棉2号、Z61和早熟品系陇1-1-3、9902，绿色棉花品种为G3-6、陇绿棉3号、G1124-07-22、GC06-45。棕色棉花品种为BC05-07-18-2、BC06-45、BC05、陇棕棉1号。均由甘肃省农业科学院作物所棉花课题组提供。

1.3 试验方法

试验采用随机区组设计，设3个灌溉水平，3次重复。处理A，按2 m土层达到田间最大持水量（18.35%）灌溉，于棉花现蕾后（6月20日）开始每隔15 d灌水1次，小区灌水量根据试验设计，全生育期灌溉4次，保证棉花全生育期不缺水。处理B，灌溉量为处理A的50%，灌溉次数与时间同A。处理C，全生育期不灌水。处理间和重复间用垂直埋设80 cm地膜隔离水分水平渗透。品种随机排列，处理内小区边界均用培土分离。小区长17 m，宽5 m，采用地膜覆盖种植，膜面宽120 cm，膜间距40 cm，每膜种植4行，为同一个品种（系），行距按30 cm-40 cm-30 cm的宽窄行方式布置，株距为15 cm（密度约166 700株/hm2）。为消除水肥互作影响，施复合肥（N、P2O5、K2O质量比21∶10∶14）600 kg/hm2、尿素 150 kg/hm2，于播前7 d开沟深施，之后全生育期不施肥。其余管理同大田。

1.4 测定方法

每小区选取长势一致的10株棉株在盛花期取样。于9：00时选取植株倒4叶，将同一处理品种的叶片混合后，用直径1 cm的打孔器将叶片打成1 cm的小圆片，混匀后迅速放入液氮中速冻，带回实验室后用于生理、生化指标测定。采用邹琦［7］和陈毓荃［8］的方法测定以下生理生化指标：脯氨酸含量（磺基水杨酸法），可溶性蛋白质含量（考马斯亮蓝G-250法），可溶性糖含量（采用蒽酮比色法测定），叶绿素含量和类胡萝卜素含量（用80%丙酮浸提，比色法测定），超氧化物歧化酶（SOD）活性（采用NBT光还原法测定，以每克鲜重酶单位表示），过氧化氢酶（CAT）活性（采用比色法测定，以1 min内OD240减少0.1的酶量为1个酶活单位u，以鲜重测），过氧化物酶（POD）活性（采用愈创木酚显色法），丙二醛（MDA）含量（采用硫代巴比妥酸法测定），叶片相对电导率（用电导仪测定），叶片相对含水量和叶片饱和亏缺（用烘干法），离体叶片失水速率为8 h干重失水速率。

1.5 数据的处理

采用Excel 2003和SPSS 16.0软件完成数据处理与分析，抗旱性评价方法利用主成分与隶属函数分析法［9-11］。

2 结果与分析

2.1 不同灌水量对棉花品种相关生理生化指标的影响

从表1可知，水分胁迫使大部分棉花品种的叶片相对含水量和离体叶片失水速率降低，POD和CAT活性增强，MDA积累量增多，脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、细胞膜相对透性和叶绿素含量增加，但品种间存在较大差异，不同品种在灌水一半和不灌水处理下上述指标变化幅度不同。在正常灌溉（处理A）条件下，参试的3种色彩棉花脯氨酸含量差距不大。随着水分胁迫程度的加深，除早熟棉品系陇1-1-3外，灌水一半（处理B）条件下，彩色棉花的脯氨酸含量高于白色棉花。不灌水处理（处理C）的白色棉花脯氨酸含量高于绿色棉花和棕色棉，其中早熟白色棉花陇1-1-3含量最高，达到了629.06 μg/g，不灌水处理使叶片相对电导率的增加量较灌水一半处理的少，棕棉BC05在不灌水处理下的叶片相对电导率反而较轻度干旱胁迫低，表明干旱并未使细胞膜受到严重伤害。干旱胁迫对早熟白色棉花陇1-1-3叶片相对电导率的影响较小。不同灌水处理对各品种SOD酶活性的影响较小，干旱对花铃期叶片可溶性糖含量和类胡萝卜素含量的影响品种间存在较大差异，正常灌水条件下，3种色彩棉花的可溶性糖含量差异较小，干旱胁迫使大部分棉花品种可溶性糖含量降低，这可能与干旱胁迫使棉花的生育进程加快有关。

表1 不同处理的棉花花铃期叶片生理生化指标

2.2 各单项指标相对值及其相关性分析

将不灌水和灌水一半条件下各单项指标所测得的数据，与正常灌水计较，计算各指标性状的抗旱系数（表2），相关分析表明，灌水一半处理的棉花抗旱性与叶片电导率呈显著负相关，而叶片相对电导率与CAT活性和丙二醛含量呈极显著正相关，与POD活性呈显著负相关。CAT活性与MDA含量和电导率呈极显著正相关。不灌水处理的棉花抗旱性与CAT活性和叶片相对电导率呈极显著负相关，与类胡萝卜素含量呈显著正相关，类胡萝卜素含量与叶绿素含量和可溶性糖含量呈极显著正相关，不同水分胁迫下，CAT活性均与叶片相对电导率呈极显著正相关。

2.3 抗旱性评价

以各品种各单项指标的相对值为基础，利用SPSS软件计算出各主成分的特征向量和贡献率，再经过隶属函数分析求得抗旱性综合评价值D值，以D值大小对不同棉花品系抗旱性强弱进行排序（表3）。不灌水条件下，棕色棉BC05-07-18-2的D值和籽棉产量抗旱系数都最大，抗旱性最强；绿色棉G3-6的D值和籽棉产量抗旱系数都最小，抗旱性最弱。总体上，棕色棉的抗旱性强于白色棉和绿色棉。综合评价D值与抗旱系数之间的相关系数为r=0.626，相关分析结果显著，但相关系数较小，说明综合评价D值只能作为棉花抗旱性评价参考指标。灌水一半条件下，棕棉BC05-07-18-2的D值和籽棉产量抗旱系数都最大，抗旱性最强，与不灌水条件下分析结果一致。

表2 主要生理生化性状与抗旱系数的相关分析①

2.4 回归分析

从上述分析结果可知，不同指标对棉花抗旱性贡献大小不同。进一步以抗旱性综合评价值（D值）作因变量，各单项指标相对值作自变量，通过逐步回归分析建立多元线性逐步回归方程，并获取对抗旱性评价最重要的生理和生化指标。回归模型经回归系数测验和决定系数验证，均达显著水平（表4）。说明在不灌水条件下，叶片相对含水量和类胡萝卜素含量为棉花抗旱鉴定关键指标；灌水一半条件下，叶片膜透性和离体叶片失水速率可作为棉花抗旱性鉴定的重要指标。棉花产量抗旱系数与叶片相对含水量和可溶性蛋白含量关系密切，在灌水一半和不灌水2种水分胁迫条件下，这2个指标均与抗旱性存在线性回归关系。

3 结论与讨论

在水分胁迫条件下，棉花自身可以通过增加或减少可溶性糖、游离脯氨酸、甜菜碱等渗透调节物质，改变体内超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等酶类活性来适应水分的变化［12］，本研究表明，干旱处理使花铃期大部分棉花品种的叶片相对含水量和离体叶片失水速率降低，POD和CAT活性增强，MDA积累量增多，脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和细胞膜相对透性增加，这与他人的研究结果一致［13-16］。刘灵娣等［17］研究认为，干旱胁迫下超氧歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（POD）活性存在先上升后下降的现象，旱胁迫后保护酶活性已具有明显的适应性反应，品种的不同呈现出不同的变化规律。本研究一部分参试的品种的酶活性在持续干旱下低于正常灌溉和灌水一半处理，干旱对白色棉花和棕色棉花的SOD酶活性和可溶性糖含量的影响较小，部分绿色棉花品种随干旱程度的加深反而降低了SOD酶活性和可溶性糖含量，品种间存在较大差异，不同品种在不同水分胁迫下酶活性不同，表现出明显的适应特性，这也印证了刘灵娣［17］的研究结果。不同品种的叶片可溶性蛋白含量表现出不同的变化趋势，这与刘灵娣等［18］的研究结果一致，与王娟等［15］在花铃期干旱是可溶性蛋白含量增加的结果不一致。干旱胁迫使部分绿色棉花品种的叶绿素含量降低，这主要与干旱导致叶片叶绿体结构破坏有关［19-20］，也有一部分白色棉花和棕色棉花品种的叶绿素含量增加，这与国内对白色棉花短期干旱胁迫下叶绿素含量降低的研究结果存在较大差异，这可能是长期干旱胁迫下棉花适应了环境的结果。

表3 抗旱性综合评价结果

表4 彩色棉花抗旱性鉴定模型