乙烯对棉花适应淹水胁迫的作用及其机制

刘光亚，张艳军，孙学振，董合忠

（1.山东农业大学农学院, 山东 泰安271018;2.山东棉花研究中心, 济南250100）

涝渍灾害是一种世界性的自然灾害，严重影响作物生产[1]。 全球气候变化导致我国许多地区发生极端涝渍灾害的概率增加。 在黄河和长江流域棉区，夏季季节性降雨引发的涝渍灾害时有发生，此时正值棉花生长发育的关键时期，涝渍灾害成为导致棉花产量降低、品质下降的重要气象因素[2]。 淹水胁迫导致植株根际环境处于水分饱和状态，降低了气体的交换速率[3-4]。 研究表明，当棉株根际氧气浓度低于10%时，根系生长受抑制[5]，地上部表现为叶绿素含量减少，叶片失绿早衰进而脱落，光合能力下降，最终导致减产[6]。 当植物遭受淹水胁迫时， 根系首先感知土壤中的O2缺乏，乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid,ACC）在根系中迅速合成，并向上运输到地上部，在地上部转化成为乙烯[7]；同时，淹水胁迫导致乙烯的扩散受阻，进一步加剧了乙烯的积累[8]。可见，当植物遭受非生物胁迫时， 体内乙烯合成相关基因被诱导表达，乙烯含量发生改变[9-10]。乙烯通过相应的信号转导途径进行传递，通过调控下游基因使植物细胞在生理水平发生变化[11-12]，诱导植株产生一系列适应淹水胁迫的变化， 提高根系纤维素酶活力，促进部分细胞程序性死亡，形成根际通气组织[3]；触发下游乙烯响应元件 （Ethylene response factors,ERFs）诱导不定根生成和茎部伸长生长[3,13]。

通过乙烯抑制剂如氨基乙氧基乙烯基甘氨酸 （Aminoethoxyvinylglycine, AVG）、 氨基乙酸（Aminoacetic acid, AOA）和1- 甲基环丙烯（1-Methylcyclopropene,1-MCP） 调节乙烯在植物体内的积累[14-15]，进而调控植物对逆境胁迫的适应能力是当前的研究热点之一。 其中，AVG 对缓解植物盐胁迫[16]、干旱胁迫[17]和淹水胁迫[18]损伤有积极作用；1-MCP 对缓解干旱[19]和高温[20]胁迫造成的棉花产量损失也有类似的效应。 尽管已知乙烯抑制剂能够增强作物适应盐碱、干旱、高温等逆境的能力，也有报道表明，土壤涝渍诱导的乙烯积累会引发棉花叶片和幼铃的脱落，加剧淹水胁迫造成的棉花减产程度[21]，但关于在淹水胁迫条件下通过使用乙烯抑制剂等化学物质调控棉花体内乙烯含量进而影响棉花耐涝性的机制尚不清楚。 本文通过叶面喷施乙烯信号通路抑制剂1-MCP 和乙烯合成前体ACC 处理受淹棉株， 研究了乙烯含量对棉花淹水伤害的调控效应和机理。

试验于2017—2018 年在山东棉花研究中心临清试验站的田间电动遮雨棚内进行。 以山东棉花研究中心育成的棉花品种K638 为试验材料，种植在遮雨棚内无底隔土池（旱池）中。 每个旱池长3.87 m、宽2.77 m，用宽度为0.15 m、高度为1.50 m（其中地下深度为1.20 m）的混凝土隔开。2017 年于4 月21 日播种，2018 年于4 月22 日播种，每个旱池为一个小区，每小区种4 行，种植密度为6 株·m－2。 试验采用随机区组设计，设置不淹水（NWL），为对照（CK）；淹水10 d（WL）；淹水10 d 叶面喷施60 μmol·L－1乙烯信号通路抑制剂1-MCP（WL＋MCP）并套袋熏蒸；淹水10 d叶面喷施100 μmol·L－1乙烯前体ACC 并套袋熏蒸 （WL＋ACC）4 个处理， 均设置3 个重复。2017 年于6 月14 日、2018 年于6 月27 日开始进行淹水胁迫处理，所有淹水胁迫处理皆维持地表面水层深度淹没子叶节， 淹水当日补水3 次，以后每日早上补水1 次，以维持水层深度。 在淹水处理同时， 隔天喷施乙烯调节剂1 次， 共喷5次，且每次喷施之后，使用黑色聚乙烯塑料薄膜将棉株密闭熏蒸2 h。 在淹水结束当日人工将积水排掉，自然恢复至正常水平。

釆用MS Excel 2010 进行数据处理和作图，釆用Data Processing System（DPS）软件进行统计分析，5%水平下检验差异显著性。 统计分析显示，各处理与年份对产量、干物质质量以及主要生理指标均没有互作效应， 因此采用2 年的平均值表示。

淹水胁迫抑制了棉花的生长发育，淹水10 d棉花各器官及单株干物质质量均显著低于未淹水对照（CK）（表1）。 与未淹水（NWL）相比，受淹棉株（WL）根、茎、叶、蕾花铃及单株干物质质量分别减少24.6%、6.8%、20.8%、14.2%和15.1%。与淹水处理（WL）的棉株相比，淹水10 d 喷施1-MCP 处理（WL＋MCP）的棉株根、茎、叶、蕾花铃及单株干物质质量分别增加了1.0%、3.6%、2.3%、4.9%和3.3%，同期喷施ACC（WL＋ACC）的棉株根、茎、叶、蕾花铃及单株干物质质量则分别减少6.7%、4.6%、9.9%、10.3%和7.7%。

皮棉产量是棉花受害程度和耐涝能力强弱的综合反映，淹水胁迫显著降低了棉花的皮棉产量（表2）。 与NWL 相比，受淹棉株（WL）单株铃数量减少24.8%，籽棉产量减少26.7%，皮棉产量减少27.7%。与WL 相比，WL＋MCP 处理的棉株结铃数增加6.0%，籽棉产量增加4.6%，皮棉产量增加4.1%；WL＋ACC 处理的棉株结铃数减少7.0%，籽棉产量减少8.0%，皮棉产量减少8.6%。

淹水胁迫后，棉花主茎功能叶净光合速率显

著降低（图1）。 淹水10 d 处理（WL）棉花主茎功能净光合速率较NWL 降低了13.8%。 与WL 相比，WL＋MCP 处理的受淹棉花主茎功能叶Pn增加了13.5%；WL＋ACC 处理的受淹棉株Pn降低了6.0%。

表1 乙烯调节剂对淹水棉株各器官干物质质量的影响Table 1 Effects of ethylene regulators on dry weight of waterlogged cotton plants

表2 乙烯调节剂对淹水棉花产量及产量构成因素的影响Table 2 Effects of ethylene regulators on yield and yield components of waterlogged cotton plants

图1 乙烯调节剂受淹棉花主茎功能叶净光合速率的影响Fig.1 Effects of ethylene regulators on net photosynthetic rate in the main-stem leaves of cotton

图2 乙烯调节剂对受淹棉花主茎功能叶乙烯含量的影响Fig.2 Effects of ethylene regulators on ethylene content in the main-stem leaves of cotton

淹水胁迫增加棉花主茎功能叶中乙烯含量（图2）。 与NWL 相比，淹水10 d 处理（WL）棉花主茎功能叶中乙烯含量增加8.2%。 与WL 相比，WL＋MCP 处理的受淹棉株，主茎功能叶中乙烯含量减少了5.3%；WL＋ACC 处理主茎功能叶乙烯含量增加了8.0%。

淹水胁迫导致细胞膜脂过氧化加重，大量积累MDA（图3）。 与NWL 相比，WL 处理棉花主茎功能叶中MDA 含量提高了86.1%。 淹水胁迫下喷施1-MCP， 棉花主茎功能叶中MDA 含量较WL 降低了39.2%。 而ACC 处理同期受淹棉花，MDA 含量较WL 增加了19.5%。

图3 乙烯调节剂对受淹棉花主茎功能叶MDA含量的影响Fig.3 Effects of ethylene regulators on MDA content in the main-stem leaves of cotton

淹水显著增强棉花主茎功能叶厌氧代谢酶活性（图4～6）。与NWL 相比，WL 棉花主茎功能叶中ADH、PDC 和LDH 活性分别增加2.6 倍、65.5%和52.4%。淹水胁迫下喷施1-MCP，棉花主茎功能叶中ADH、PDC 和LDH 活性较WL 分别降低了37.8%、20.5%和8.2%， 而ACC 处理同期受淹棉花，ADH、PDC 和LDH 活性较WL 分别升高了17.5%、11.2%和8.0%。

图4 乙烯调节剂对受淹棉花主茎功能叶ADH 活性的影响Fig.4 Effects of ethylene regulators on ADH activity in the main-stem leaves of cotton

图6 乙烯调节剂对受淹棉花主茎功能叶LDH 活性的影响Fig.6 Effects of ethylene regulators on LDH activity in the main-stem leaves of cotton

图5 乙烯调节剂对受淹棉花主茎功能叶PDC 活性的影响Fig.5 Effects of ethylene regulators on PDC activity in the main-stem leaves of cotton

淹水胁迫下土壤中O2浓度降低诱导包括棉花在内的许多作物根系ACC 浓度升高[7,24]，进而影响了硝酸盐的同化和有机化合物的合成[25-26]，抑制了植物根系生长发育；淹水胁迫造成叶片失绿并影响氮素吸收，进而影响光合生产和干物质积累[27-29]。 本研究结果显示，淹水处理10 d，受淹棉株各器官及单株干物质质量不同程度减少，其中对根系生长的抑制作用大于对地上部器官的抑制作用，对营养器官与生殖器官影响相当。 淹水条件下使用乙烯信号通路抑制剂1-MCP 处理受淹棉株后，棉花根、茎、叶、蕾花铃及单株干物质质量的减少幅度得到不同程度缓解，且地上部器官恢复快于根系， 生殖器官恢复快于营养器官。 而乙烯前体ACC 处理则进一步抑制了淹水棉株干物质的积累。 由此可见，降低乙烯含量可以有效缓解淹水胁迫对棉花生长发育和干物质生产的影响，有助于受淹棉花的涝后恢复。

花铃期棉株由营养生长与生殖生长并进转向生殖生长为主，是棉花产量品质形成的关键时期。 此时遭受淹水胁迫，抑制棉花开花结铃，造成单株结铃数减少， 从而影响棉花产量的形成。Najeeb 等[1]研究发现，受淹棉株乙烯积累增加，结铃数较未淹水（对照）减少了3～4 倍，表明受淹棉株中乙烯的积累抑制了棉花结铃并且加速蕾铃脱落，Bange 等[6]也报道了相似的发现。 乙烯抑制剂可以增强植物对非生物胁迫的抗性，缓解产量损失[16]。 适宜浓度1-MCP 能促进大豆[30]、水稻[31]等作物产量的提高。 Kawakami 等[19]和Brito 等[32]的研究均表明1-MCP 对干旱胁迫条件下棉花结铃数和铃重有积极影响， 可有效缓解产量损失。此外，1-MCP 对高温胁迫下棉花的生长发育和产量也有一定的促进作用[20]。本研究中，受淹棉株体内乙烯含量与结铃数成明显的负相关，1-MCP 通过抑制受淹棉株体内乙烯作用路径，减少了淹水胁迫导致的蕾铃脱落，降低了减产幅度。 需要指出的是，产量提升幅度比较有限。

淹水胁迫显著抑制植物的光合作用，Zhang等[33]研究表明，棉花花期淹水10 d、15 d 和20 d，主茎功能叶净光合速率分别降低18.7%、31.5%和47.1%；玉米三叶期淹水6 d，功能叶净光合速率降低21.24%～24.50%[34]；淹水胁迫抑制根系生长发育，进而影响养分吸收和转运[35]，养分供应不足导致叶片失绿，净光合速率降低[36-37]；同时根际缺氧促进植物产生大量乙烯，乙烯诱导植物体内ABA 合成增加，导致气孔关闭，光合作用受阻[38]。1-MCP 作为乙烯的抑制剂，可缓解叶绿素降解，改善植物光合作用[39-41]。 Kawakami 等[42]在干旱胁迫下进行的试验结果表明，1-MCP 处理的棉花叶片气体交换能力增强，叶绿素含量提高，光合速率增强。 邓娇燕等[43]研究表明，1-MCP 可促进高温胁迫下辣椒功能叶光合作用的恢复。 可见，1-MCP 有效缓解了非生物胁迫对植物光合的抑制作用。 本试验结果表明，花期淹水10 d，棉花主茎功能叶净光合速率降低，1-MCP 处理受淹棉株促进其光合能力恢复，ACC 处理则进一步减小了受淹棉株的光合速率。 由此可见，外源乙烯信号通路抑制剂通过降低受淹植株体内乙烯含量，促进了受淹植株光合能力的恢复，有利于提高植物耐涝性。

植物处于淹水胁迫下，最为明显的特征就是乙烯的积累。 通过喷施乙烯信号通路抑制剂（1-MCP）、乙烯合成抑制剂（AVG）等调控乙烯的含量， 可改善植物在逆境胁迫条件下的生长状况。 Barnawal 等[44]报道，向罗勒植物接种含有ACC 氧化酶的植物促生长根瘤菌（PGPR）能够通过降低乙烯含量，增加叶片营养的摄入，促进淹水胁迫下植株根部和茎部的生长， 提高产量，从而保护植株避免淹水胁迫造成的损伤。 Hussain等[45]研究表明，1-MCP 可以有效抑制盐胁迫下水稻小穗中乙烯释放，增加结实率和千粒重，减少产量损失。 Khan 等[46]研究表明，1-MCP 显著降低了李子（Prunus salicina）乙烯生物合成酶ACS、ACO 和ACC 含量，抑制了乙烯的产生。 本研究表明，1-MCP 通过阻止乙烯在棉花叶片中的积累，从而改善了叶片的生长状况和光合参数。 同时，1-MCP 提高了淹水条件下棉花的生物量，从而缓解受淹棉花的产量损失， 而喷施ACC 的效果相反。可见，喷施乙烯信号通路抑制剂1-MCP，降低乙烯含量，可以减缓淹水胁迫对植物生长、生理和产量的不利影响。

正常环境条件下，植物体内活性氧的产生与清除处于动态平衡之中， 当植物遭受逆境胁迫时，这种平衡会遭到破坏。 研究表明，淹水胁迫破坏植物体内活性氧产生与清除系统的平衡，造成包括单线态氧（1O2）、超氧阴离子（O2－）、过氧化氢（H2O2）和羟自由基（－OH)等在内的活性氧簇大量积累，导致细胞膜脂过氧化[47]。 MDA 是细胞膜脂过氧化的重要产物，其积累量是判断植物细胞膜脂过氧化程度的重要指标。 Vladimir 等[48]研究表明，在干旱胁迫下，施用1-MCP 可以清除植物体内的自由基，维持抗氧化酶系统稳定。Ail 等[49]试验证明，1-MCP 可以减少木瓜中MDA 积累，缓解细胞膜脂过氧化程度。 本试验结果表明，淹水胁迫10 d， 棉花主茎功能叶MDA 含量大幅增加； 淹水条件下喷施乙烯信号通路抑制剂1-MCP，MDA 积累量减少，即有效减少了受淹棉花叶片内活性氧的产生量，减轻了淹水胁迫造成的棉花叶片细胞膜脂过氧化程度； 而ACC 处理同期受淹棉株，MDA 积累增加，加重了细胞膜损伤，这与Sabban 等[50]的研究结果一致。由此可见，淹水造成棉花叶片产生大量的活性氧自由基，加重了细胞膜损伤， 破坏了细胞的结构和功能，在淹水胁迫下喷施1-MCP 溶液降低受淹棉株乙烯含量， 棉花细胞内活性氧自由基产生量显著减少，膜系统的损伤程度显著减轻，显著缓解了棉花的受害程度，加快了棉花的恢复生长，促进了膜系统的稳定性和代谢平衡的恢复。

淹水胁迫发生时土壤处于水分饱和状态，植株根系及部分地上部器官与环境之间气体交换受阻，造成植株缺氧，有氧呼吸被抑制，植株通过无氧呼吸为生长发育提供必需的能量[51]，植物体内ADH、PDC 和LDH 等厌氧代谢酶活性增强[52-55]。 在无氧呼吸过程中，糖酵解产生的丙酮酸一方面可在LDH 作用下转化成乳酸， 另一方面可在PDC 作用下转化成乙醛，进而在ADH 作用下转化成乙醇[56]。乳酸、乙醛和乙醇等有毒代谢产物积累到一定程度很可能会对细胞产生伤害[57]。Peng 等[58]研究表明， 外源乙烯促进拟南芥中ADH表达， 乙醇发酵途径作为临时产能途径可以暂时维持细胞的生命活动；然而无氧呼吸产生能量效率低，有机物损耗大，不能满足植物正常生长需求。 本试验结果表明， 淹水胁迫条件下，ADH、PDC 和LDH 活性增强，无氧呼吸产物大量积累，造成细胞酸化；淹水条件下乙烯信号通路抑制剂1-MCP 处理受淹棉株， 降低了受淹棉株厌氧代谢酶活性的增加程度；ACC 处理则加剧了淹水胁迫造成的低氧损伤。 因此，在淹水胁迫下1-MCP 处理受淹棉花，棉花叶片中厌氧代谢酶活性降低，乳酸、乙醛等无氧呼吸有害产物积累减少，缓解细胞酸化程度，减轻淹水胁迫造成的低氧损伤；ACC 则增加了有害物质积累， 从而加深了淹水胁迫对棉株的伤害。

淹水胁迫显著降低棉花产量。 通过喷施乙烯信号通路抑制剂1-MCP 抑制受淹棉株体内乙烯合成，降低活性氧对细胞膜的损伤，维持受淹棉株的能量水平，抑制厌氧代谢酶活性，减轻淹水胁迫下棉花所受的低氧损伤，保持了受淹棉花的光合性能， 缓解受淹棉株生长发育的受抑制程度，棉花蕾铃脱落相应减少，最终缓解淹水胁迫造成的减产，一定程度上提高棉花对淹水胁迫的耐受能力。 而喷施乙烯合成前体ACC 的作用正好相反，增加体内乙烯含量，加剧了淹水胁迫造成的氧化损伤， 使受淹棉花膜脂过氧化程度加重，光合能力降低，进一步抑制受淹棉株干物质积累，加重产量损失。 需要指出的是，通过降低乙烯含量缓解受淹棉花产量损失仍是有限的，如能结合施肥、培土等农艺措施，效果可能会更好，可作为今后研究的重点。