减量灌溉对转ScALDH21基因棉花农艺性状、产量和品质的影响

李生梅, 张大伟, 迪丽拜尔·迪力买买提, 魏鑫,芮存, 杨涛, 耿世伟, 高文伟*

(1. 新疆农业大学农学院， 乌鲁木齐 830052; 2.新疆农业科学院经济作物研究所， 乌鲁木齐 830091)

棉花是重要的经济作物，也是我国纺织服装工业的主要原料之一[1]。新疆作为我国最大的棉花种植区域，单产和总产居全国之首[2]。然而，新疆地区年降雨量少，蒸发量大，水资源相对匮乏。棉花生长发育需要的水分补给基本上靠雪水融化和地下灌溉，因此，干旱已成为限制棉花产量与品质的主要因素[3]。为减少干旱造成的经济损失，研究棉花水分胁迫生理及其适应机制及寻找棉花水资源高效利用途径具有十分重要的生产意义和现实价值[4]。随着植物基因工程研究取得迅速的发展，利用抗旱相关基因提高棉花的耐旱性、实现棉花产量的增加是一种经济和高效的途径[5]。

醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)能催化醛类氧化为相应的羧酸，起到醛类物质清除剂的作用，因此在植物逆境中起着重要作用[6-9]。苔藓携带2种独特的醛脱氢酶基因(ALDH)，其中一种为ALDH21，最早从山墙藓(Tortularuralis)中克隆得到[10-11]。诸多研究表明，该基因具有较强的抗逆功能[11-16]。过表达ScALDH21基因可增强烟草的耐盐和耐旱性，盐和干旱胁迫使烟草植株的萌发和生长降低，但转基因烟草表现出更好的抗逆能力[14]。在盐胁迫下，转ScALDH21基因能提高棉花的耐盐性，转基因株系的幼苗在株高等生长和生理性状均表现出优势[15]。在15%PEG胁迫下，转ScALDH21基因棉花的抗性显著提高[16]。有研究发现，与全生育期充足灌溉相比，适度干旱胁迫后部分棉花品种的表型及产量性状表现优于对照[17]。因此，不同生育期减量灌溉对植株的生长发育和产量影响较大，而有关转基因棉花不同生育期减量灌溉对农艺性状和产量影响的研究鲜见报道。

本研究选取转抗旱基因ScALDH21棉花株系T14-96和其受体新农棉1号为研究材料，研究不同生育期灌溉量减少30%的水平下其农艺性状、产量及品质性状的差异，探究转ScALDH21基因棉花对不同生育期节水胁迫的响应，为棉花抗旱新品种的选育和灌溉方式的优化提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在新疆农业科学院玛纳斯试验站(N 44°18′，E 86°13′)进行。该地区昼夜温差大，最热月(7月)平均气温25.6 ℃，极端高温37 ℃，极端低温14 ℃，日温差10～18 ℃，年均日照时数2 700 ～2 800 h，年均气温7.2 ℃，年均降水量173.3 mm, 年均蒸发量2 141 mm，全年无霜期165～172 d，属于中温带大陆性干旱气候[18]。

1.2 试验设计

供试材料转抗旱基因ScALDH21棉花T10代稳定株系T14-96和新农棉1号均由新疆农业科学院经济作物研究所早熟棉课题组提供。小区试验采用防雨抗旱池栽培，每个池均安装水表，分别控水，整个生育期滴水5次。试验设置4个处理，分别为全生育期正常灌水(CK)、苗蕾期减量灌溉30%(M3)、花铃期减量灌溉30%(H3)以及苗蕾期和花铃期连续减量灌溉30%(W3)，灌溉定额依次为2 475.00、2 307.45、2 125.05、1 781.55 m3·hm-2，棉花各阶段灌溉量详见表1。每个处理重复3次，总计24个试验小区，每份材料种植1膜，采用一膜四行种植模式(66+10+66+10)cm，株距13.5 cm，播幅1.52 m，行长1.8 m，每个试验小区面积为2.736 m2。

表1 不同生育期的灌水量Table 1 Irrigation amount in different growth stages (m3·hm-2)

1.3 测定项目与方法

2018年9月10日，选择连续且长势均匀的10株植株用于测定棉花株高(plant height，PH)、第一果枝高度(height of the first branch, FBH)、始节数(number of the first branch, NOB)、果枝数(fruit branch number, FBN)和单株结铃数(boll number per plant, BN)。9月30日收获棉株中部果枝第1～2果节吐絮正常的25朵铃，晒干轧花称重，测定单铃重(single boll weight, BW)、衣分(lint percentage, LP)、子指(seed index, SI)、衣指(lint index, LI)、子棉产量(seed cotton yield, SCY)、皮棉产量(lint cotton yield, LCY)，并称重15 g皮棉送至新疆农业科学院棉花研究所检测纤维品质，包括上半部平均长度(fiber length, FL)、断裂比强度(specific breaking strength, FS)、马克隆值(micronaire, FM)、整齐度指数(uniformity, FU)和伸长率(elongation, FE)。所有性状均参照《农作物田间试验记载项目及标准》[19]进行测定。

1.4 数据处理与分析

运用Excel 2010进行数据整理与分析，SPSS 21.0进行双因素方差分析以及Cannco 5.0绘主成分分析图。

2 结果与分析

2.1 减量灌溉对转基因与受体棉花农艺性状的影响

新农棉1号和T14-96在不同灌水处理下的农艺性状结果(表2)显示，减量灌溉与材料对第一果枝高度的影响存在显著交互效应(P<0.05)，而对株高、始节数和果枝数的影响无显著交互作用。其中，减量灌溉对株高、第一果枝高度和果枝数均有极显著的影响(P<0.01)，而对始节数影响不显著(P>0.05)，且转基因植株和受体植株表现出相同的特点。

表2 不同生育期减量灌溉下新农棉1号和T14-96的农艺性状Table 2 Agronomic traits of Xinnongmian 1 and T14-96 in different reduced irrigations at different stages

与CK相比，在M3、H3、W3条件下，新农棉1号株高分别下降5.8%、7.7%、17.2%，第一果枝高度下降9.5%、14.6%、46.2%，果枝数下降5.7%、8.1%、15.8%；而T14-96的株高分别下降4.6%、7.2%、13.3%，第一果枝高度下降0.8%、3.9%、16.7%，果枝数下降1.8%、2.2%、10.6%，可见W3处理对棉花农艺性状影响较大。不同灌溉处理下，T14-96的株高和果枝数显著高于受体；第一果枝高度上略高于受体，但差异不显著。由此说明，转ScALDH21棉花的农艺性状整体优于受体，更能适应减量灌溉环境，生存力更强。

2.2 减量灌溉对转基因与受体棉花产量性状的影响

新农棉1号和T14-96在不同灌水处理下的产量性状结果(表3)显示，产量性状不受减量灌溉与材料二者交互作用的影响(P>0.05)，而减量灌溉对单株结铃数、单铃重、衣分、子指、子棉产量和皮棉产量都具有极显著影响(P<0.01)，对衣指影响不显著(P>0.05)；而T14-96和新农棉1号在产量性状上均表现出极显著差异(P<0.01)。

与CK相比，在M3和H3处理下，新农棉1号单株结铃数下降9.6%和10.4%，单铃重提高2.2%和0.6%，衣分提高5.1%和3.5%，子指提高3.3%和1.9%，衣指提高3.5%和3.0%，子棉产量提高1.6%和1.4%，皮棉产量提高6.0%和4.2%；而T14-96单株结铃数下降4.1%和5.4%，单铃重提高2.3%和1.1%，衣分提高2.8%和4.6%，子指提高3.6%和1.9%，衣指提高0.8%和3.1%，子棉产量提高5.1%和4.1%，皮棉产量提高8.1%和9.0%。在W3处理下，新农棉1号和T14-96的单株结铃数、单铃重、子指、衣指和子棉产量均下降，而衣分和皮棉产量有所提高。综上所述，W3处理对棉花产量性状影响最大；而M3和H3处理下产量有所提高，且转基因材料可达到显著提高，表明这两个时期进行适宜的减量灌溉，既节水又可达到增产的效果。

不同灌溉量处理下，T14-96单株结铃数、单铃重、子指、子棉产量和皮棉产量显著高于受体，衣分和衣指与受体无显著差异。其中，T14-96单株结铃数比受体棉花分别提高了6.7%、12.1%、11.7%、11.4%；单铃重分别提高了13.7%、13.8%、14.2%、13.9%；子指分别提高了14.5%、14.7%、14.6%、17.2%；子棉产量分别提高了13.1%、17.1%、16.1%、13.9%；皮棉产量分别提高了17.4%、19.7%、22.9%、14.3%。说明在减量灌溉下，转ScALDH21基因株系T14-96在多数产量性状上的表现都优于受体。

2.3 减量灌溉对转基因与受体棉花纤维品质的影响

新农棉1号和T14-96在不同灌水处理下的纤维品质性状结果(表4)显示，材料和灌量二者交互作用对纤维品质性状的影响不显著(P>0.05)；受减量灌溉的影响也不显著(P>0.05)；但断裂比强度和马克隆值在新农棉1号和T14-96间差异显著(P<0.01)。

与CK相比，M3、H3、W3处理下，新农棉1号棉纤维上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值、整齐度指数和伸长率无显著差异(P>0.05)；T14-96纤维品质亦无显著差异(P>0.05)。不同减量灌溉处理下，T14-96棉纤维断裂比强度和马克隆值略高于受体。说明转基因和减量灌溉对棉花纤维品质无显著影响。

2.4 主成分分析

由于农艺、产量和品质性状多个指标之间存在较强的相关性，因此采用主成分分析获取综合变量，来研究转基因株系T14-96与受体新农棉1号的差异以及减量灌溉对其生长发育影响的总效应。主成分分析(图1)表明，提取的前2个主成分累计贡献率达66.9%，其中，PC1的贡献率为52.5%，可以区分转基因株系与受体；PC2的贡献率为14.4%，可以区分不同生育期的减量灌溉；均对数据组的总变异有着较高的解释。由表5可知，提取的4个主成分对总变异的解释率达81.3%，表明这4个主成分可较好的反映最初16个单项指标所涵盖的大部分内容。第1主成分中，株高、第一果枝高度、果枝数、单铃重、子指、子棉产量和皮棉产量的权重系数较高，表明材料差异对这些农艺和产量性状有显著影响；第2主成分中，始节数和衣分的载荷值较高，表明始节数和衣分受减量灌溉的影响较为显著；第3、4主成分分别是伸长率和整齐度指数载荷值较高，表明这两个性状也可作为参考指标。

图1 主成分分析Fig.1 Principal component analysis

表5 主成分载荷矩阵Table 5 Loading matrix of principal component

3 讨论

水分对植物至关重要，会影响植株生长发育的整个过程[4]。棉花全生育期包括苗、蕾、花铃以及吐絮成熟期四个阶段[20]，不同生育期对水分胁迫的响应机制存在差异[21]。水分胁迫会影响棉花的生长发育，导致株高降低，果枝数和铃数减少，从而导致棉花减产[22]。南建福等[23]研究发现，棉花苗期进行适当的干旱胁迫可以调控主茎高度，有利于提高经济产量。闫曼曼等[24]研究海岛棉发现，轻度水分胁迫后，单株结铃数增加，铃重增大，产量提高；而重度水分胁迫下，由于水分严重缺失无法满足棉铃的发育需求，使单铃重、结铃数和产量均有所下降。高延军等[25]研究发现,蕾期或花铃期轻度水分胁迫有利于提高棉株成铃率。韩会玲等[26]研究发现，棉花蕾期和花铃期连续受到旱胁迫会使棉铃弱小，导致产量大幅降低。本研究通过分析不同生育期减量灌溉对棉花的影响，明确棉花在减量灌溉后农艺及产量性状的变化，结果发现，分别在苗蕾期(M3)和花铃期(H3)进行减量灌溉，株高、第一果枝高度、果枝数和单株结铃数有所下降，而单铃重、衣分、子指、衣指、子棉产量和皮棉产量有所提高；而在蕾期和花铃期连续减量灌溉(W3)，除皮棉产量和衣分外，其余指标均有所下降。由此可见，在苗蕾或花铃期进行适宜的水分胁迫有利于棉花增产，推测可能是因为适当的减量灌溉使棉株的主茎变粗、单株结铃数变少，致使单铃分配到的同化物增多，最终使产量增加[27]。而2个生育期的连续减量灌溉使棉花生长发育受到较大影响，最终子棉产量下降，与前人研究结果一致。

ALDH家族有很多成员，例如，过表达VpALDH2B4的转基因拟南芥对盐胁迫和霉菌病原体表现出较高的抗性[28]；在大肠杆菌和酵母中过表达BrALDH7B2显示对H2O2和NaCl的耐受性增强[29]；在盐和PEG处理下，海岛棉和陆地棉中大多数ALDH表达均被上调[30]。这些研究结果表明，ALDH基因家族在抵抗非生物逆境和生物逆境中起重要作用。齿肋赤藓中乙醛脱氢酶基因ScALDH21具有较高的耐旱性[31]，本研究发现，新农棉1号在M3、H3和W3处理下株高、第一果枝高度和果枝数均显著低于T14-96，且降幅均大于T14-96；单株结铃数、单铃重、子指、子棉产量和皮棉产量也均显著低于T14-96。本研究通过多角度证明，转ScALDH21株系T14-96的抗旱能力、农艺性状及产量均优于受体，且纤维品质与受体无显著差异。有研究表明[32-33]，ScALDH21基因过量表达显著提高棉花的耐旱性，产量和纤维品质也不会降低，与本研究结果一致。本研究进一步证明ScALDH21基因的抗逆性对提升棉花产量具有重要意义，说明转ScALDH21棉花株系对水分胁迫有较好的响应优势。

筛选抗旱性强的棉花品种对节水生产具有重要意义[34]。因此，李海明等[35]通过对陆地棉花铃期控水发现，株高、第一果枝高度、铃数、单铃重和子棉产量可作为棉花花铃期抗旱性评价的指标。本研究通过主成分分析表明，株高、始节高、果枝数、单铃重、子指、子棉产量和皮棉产量是区分转基因和受体棉花的重要因子；而始节数和衣分受减量灌溉的影响较为明显。这可能是由于转ScALDH21较减量灌溉对棉花生长发育的影响更大。本研究表明ScALDH21基因在减量灌溉下对棉花产量具有积极作用，该结果优化了新疆棉花的灌溉模式，同时为棉花的抗逆育种提供了理论参考和种质资源。