不同陆地棉纤维发育重要阶段形态学差异比较

毛廷勇，孔 杰，胡守林，张 伟，陈佳林，李燕芳，万素梅，陈国栋

(1.塔里木大学农学院，新疆阿拉尔 800001；2.新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐，830091；3.石河子大学农学院，新疆石河子 800001；4.新疆农业职业技术学院，新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意义】纤维发育棉铃发育最重要的部分，纤维作为最终的经济产物，研究其发育具有重要意义[1]。棉纤维发育分为分化突起、伸长、加厚和成熟脱水4个阶段，但各个阶段之间没有明显的区分界限，2个相近时期存在着一定重叠时间[2]，棉纤维细胞的分化突起是棉花胚珠外表皮的单细胞分化突起发育形成的，胚珠表皮细胞开始分化后，一般不再分裂，棉纤维的分化突起后就开始伸长[3]，一般花后4 d分化突起的纤维是长纤维，伸长期和加后期是棉纤维品质和产量形成的关键时期[4-5]，研究不同棉花品种的纤维发育主要时期的形态学变化，对比较棉纤维发育重要阶段形态学差异性分析有实际意义。【前人研究进展】不同品种纤维的分化突起在开花前几个 h就已经开始[6-8]，而纤维的伸长在开花当天开始，大约在21～28 d纤维的伸长达到最大值[9-10]，纤维的加厚大约在发育16 d开始，伸长和加厚大约重叠5～10 d[11-12]。棉铃在成熟开裂前，成熟纤维呈圆管状，中腔内原生质水分较多；棉铃开裂后内部纤维逐渐脱水，纤维细胞死亡后使纤维呈扁管状[13]。纤维素是以螺旋方式积累沉淀的，纤维脱水后产生内应力，使纤维表面发生变化形成捻曲，纤维的螺旋角和次生壁的厚度是影响捻曲的主要因素，品质好的纤维捻曲就越多[14-15]。【本研究切入点】有关同一品种的纤维发育研究较多，而对不同陆地棉纤维发育形态学差异研究较少，对开花前1 d至开花后1 d的胚珠观察较多，而未成熟纤维的观察较少。需要比较纤维发育的关键时期形态分析纤维发育快慢的研究。【拟解决的关键问题】在棉纤维发育4个阶段的重叠时期电镜扫描，开花前1 d至后1 d、发育21～28 d的纤维、成熟的纤维电镜扫描观察，比较不同品种在纤维发育不同时期形态的差异性，比较纤维发育的快慢，为棉花铃期管理提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材 料

选择新疆阿拉尔垦区4个主栽陆地棉品种(系)：新陆中82号，为中早熟品种，生育期126 d左右；新陆中70号，为中熟品种，生育期137 d左右；15-1242：为新陆中85号的优系，生育期140 d，抗病性强；新陆中38号，为中熟品种，生育期140 d。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

该试验于2018年在新疆阿拉尔垦区塔河种业良繁场和第一师农科所进行，该地光热资源丰富，太阳辐射年均为559.4～612.1 kJ/cm2，日照时数约2 996 h/年，日照率66%，≥10℃的年积温在4 000℃以上，无霜期180～224 d，年均气温10.8℃。降雨量稀少，年均降水量40.1～82.5 mm，年均蒸发量1 976.6～2 558.9 mm。塔河种业良繁场试验田供试品种为新陆中70号和新陆中82号，第一师农科所试验田供试品种为15-1242和新陆中38号；采用机采棉种植配置模式(66+10)cm，田间管理均按高产栽培要求进行。

在棉株开花后，分别于7月7日、7月14日和7月21日在棉株相对应的当日第1果节白花进行挂牌标记，7月7日开花作为下部棉铃(第1～3果枝)，7月14日开花作为中部棉铃(第4～6果枝)，7月21日开花作为上部棉铃(第7果枝以上)，每个开花期挂牌标记1 000朵，并标明开花期，每个品种共计3 000朵。分别取3个开花期的开花-1 d(前1 d)、0 d(开花当天)和1 d(开花后1 d)的胚珠观察，取开花后21、28和70 d的纤维观察。

1.2.2 样品处理

1.2.2.1 胚珠

开花前1 d至开花后1 d，取出正常棉瓣中部胚珠，固定之后保存在4℃冰箱，所有材料收集完后带到中国农科院棉花研究所(安阳)进行脱水干燥，固定在样品台上，经干燥后，用M-5离子溅射仪喷金，在日立S-530扫描电子显微镜下观察并照相，开花当天测定为胚珠表皮细胞的突起数，开花后1 d为纤维伸长密度，随机取较平部位3个比例尺长度大小的正方形框(面积为0.01 mm2)，数出单位面积内表皮细胞突起和纤维细胞伸长的数量。

1.2.2.2 未成熟纤维

21和28 d的纤维在中国农业科学院棉花研究所郑州中心用SU-3500观察，由于含水量较大，选择冷冻直接观察，减少对纤维的表观结构的破坏，保持纤维的原始形态。

1.2.2.3 成熟纤维

成熟纤维先将纤维梳理整齐，取纤维中段1节均匀地分布在双面胶带上，固定在样品台上。经干燥后，用M-5离子溅射仪喷金，在日立S-530扫描电子显微镜下观察并照相

1.3 数据处理

采用Excel 2013整理试验数据，利用DPS7.05软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同花期开花前1 d的胚珠

研究表明，整个胚珠表现为珠孔端尖长型，合点端为圆球形；胚珠的局部的有明显的气孔，没有表皮纤维细胞的细胞突起，不同开花期在开花前1 d的胚珠表面没有明显的差异，表皮细胞的突起数量很少，甚至没有突起。图1

2.2 不同开花期开花当天的胚珠

研究表明，相比于开花前1 d的胚珠表面，胚珠表皮细胞的突起明显，不同部位突起数量有明显的差别，仅有胚珠的珠孔端最少，其他突部位起的较为均匀。胚珠表面细胞呈多为半球状，且有明显的突起，突起的程度有所不同。

注：a、b、c为新陆中82号三个开花期胚珠，d、e、f为新陆中70号三个开花期的胚珠，g、h、i为15-1242三个开花期的胚珠，j、k、l为新陆中38号三个开花期的胚珠，A、B、C为新陆中82号三个开花期开的胚珠，D、E、F为新陆中70号三个开花期的胚珠，G、H、I为15-1242三个开花期的胚珠，J、K、L为新陆中38号三个开花期的胚珠。小写字母代表放大60倍观察，大写字母代表放大300倍观察，下图同

在不同开花期当天表皮细胞的突起大致在5 000～8 000个/mm2，新陆中70号和新陆中82号表现为7月14日开花的表皮细胞突起数最多，达到7 000个/mm2以上；15-1242的7月21日开花期胚珠表皮细胞突起最多，比7月14日和7月7日开花多100和934个/mm2，新陆中38号的7月7日开花的胚珠表皮细胞突起数量显著比7月21日开花的多；4个品种(系)的胚珠表皮细胞突起数量除了新陆中38号的7月7日和7月21日开花的胚珠表皮细胞突起数量达到显著差异水平，其余品种均没有达到显著差异水平。

在7月7日开花和7月14日开花，新陆中70号胚珠表皮细胞突起数量最多，显著高于15-1242、新陆中38号和新陆中82号，达到显著差异水平；在7月21日开花期，15-1242的品种表皮突起数量最多，4个品种间均未达到显著差异水平。表1，图2

表1 不同开花期当天胚珠表皮细胞突起数Table 1 Number of ovule epidermal cell protrusions on different flowering days

2.3 不同花期开花后1 d的胚珠

研究表明，在开花后1 d不同开花期胚珠表面的表皮细胞突起更为明显，胚珠表面的覆盖度明显增加，珠孔端有少量的表皮纤维细胞的突起。比开花当天突起的程度更为明显，覆盖面积也更为密集；胚珠中上部表皮细胞突起长度更多，但单位面积的纤维细胞伸长数量比开花当天突起的胚珠表皮细胞数量少，这是由于发育1 d的纤维中有伸长较快地覆盖了表面，底部的刚突起的胚珠表皮细胞被遮挡，所以开花后1 d统计的是伸长纤维的密度，比开花当天表皮细胞突起的数量要少。

15-1242和新陆中38号在不同开花期花后1 d的胚珠单位面积纤维伸长数量表现为7月14日>7月7日>7月21日，15-1242的3个开花期间纤维伸长数量没有达到显著差异水平，新陆中38号的7月14日开花的纤维细胞伸长数量显著多于7月21日；新陆中70号和新陆中82号的单位面积伸长数量为开花期早的伸长数量多，且7月7日和7月14日开花的纤维伸长数量与7月21日达到显著差异水平。

同一开花期的纤维伸长数量的多重比较可以看出，在7月7日和7月14日开花，15-1242纤维伸长数量显著多于新陆中38号和新陆中70号；7月21日开花的纤维伸长数量中，15-1242伸长数量最多，新陆中82号最少，且15-1242显著多于新陆中38号、新陆中70号和新陆中82号。表2，图3

表2 不同开花期开花后1 d纤维伸长数量比较Table 2 Comparison of fiber elongation quantity at 1 day after flowering in different flowering periods

2.4 不同花期开花后21 d的纤维

研究表明，纤维伸长持续时间大约花后在20～28 d结束，发育21 d处于纤维伸长还未结束，加厚已经开始，此时期不同花期纤维的形态有所不同，纤维进入加厚期纤维的表明结构就开始发生变化，纤维开始出现扭曲，以纤维的扭曲作为进入加厚期的标准，扭曲程度比较参试品种和花期进入加厚期快慢的标准。

图2 开花当天的胚珠Fig.2 Observation of the ovule on the day of flowering

图3 开花后1 d胚珠Fig.3 Observation of ovule one day after flowering

注：a、b、c分别为新陆中82号的三个开花期发育21 d的纤维。d、e、f分别为新陆中70号三个开花期发育21 d的纤维。g、h、i分别为15-1242三个开花期发育21 d的纤维。J、k、i分别为新陆中38号三个开花期发育21 d的纤维

新陆中82号的三个开花期纤维表面已经开始出现扭曲现象，7月7日开花的纤维扭曲程度最为明显，7月21日开花的纤维扭曲程度较小，除新陆中82号的三个开花期明显进入了纤维加厚期；新陆中70号的7月7日开花和7月14日开花的纤维有扭曲现象，7月14日开花的纤维扭曲比7月7日开花的明显，7月21日开花的纤维没有出现变化，新陆中70号的7月7日开花和7月14日开花的纤维发育21 d进入加厚阶段早于7月21日开花；15-1242三个开花期的发育21 d的纤维表面没有发生扭曲现象，均呈现出类似圆柱体，该品种进入加厚期比较慢；新陆中38号的三个花期的纤维表型较为一致，纤维明显含水量较大，此时期纤维中糖类物质也较多难以将其分开，此时纤维呈现出类似于圆柱形，可能该品种的三个花期进入加厚期较晚。

7月7日开花和7月14日开花的纤维发育21 d时可以看出，新陆中82号的纤维扭曲程度最明显，新陆中70号纤维有轻微扭曲，15-1242和新陆中38号的纤维表面没有变化，新陆中82号比新陆中70号、15-1242和新陆中38号更早进入纤维发育的加厚期；7月21日开花的纤维发育21 d时，新陆中82号纤维有轻微的扭曲，新陆中70号、15-1242和新陆中38号纤维表面均表现为圆柱体，新陆中70号、15-1242和新陆中38号比新陆中82号更晚进入加厚期。图4

2.5 不同品种和花期开花后28 d的纤维观察

研究表明，棉纤维发育至28 d时，处于纤维的伸长和加厚期的重叠后期。新陆中82号发育28 d的纤维表面发生了扭曲现象，比发育21 d的纤维加厚得更为明显；从新陆中70号的三个开花期来看，7月14日开花的纤维发育28 d时扭曲程度最大，7月7日开花和7月21日开花的纤维发育28 d时没有明显的形态差异；15-1242的三个花期中，7月7日开花和7月14日开花的纤维扭曲比较大，7月21日开花的扭曲程度小。新陆中38号的三个花期中7月14日开花的纤维表现突出，扭曲程度最小的是7月21日开花的纤维。

7月7日开花的纤维中，新陆中82号发育28 d的纤维扭曲程度最大，新陆中70号比15-1242和新陆中38号纤维扭曲现象更为明显；7月14日开花的纤维中4个品种(系)扭曲程度没有明显的差异；7月21日开花的纤维中新陆中82号和新陆中70号的纤维扭曲程度较大，与15-1242和新陆中38号相差较大。图5

注：a、b、c分别为新陆中82号的7日、14日、21日花期发育28 d的纤维。d、e、f分别为新陆中70号发育28 d的纤维。g、h、i分别为15-1242发育28 d的纤维。J、k、i分别为新陆中38号发育28 d的纤维

2.6 不同品种和花期成熟的纤维形态

研究表明，新陆中82号成熟纤维的三个开花期中，7月7日开花的成熟纤维管状扭曲，纵纹较浅，7月14日开花的纤维管状扭曲，扭曲程度小，纵纹较浅；7月21日开花的成熟纤维中部扁平，扭曲程度增大，纵纹加深，沿纵轴两侧隆起。新陆中70号的三个花期中，7月7日开花的纤维管状扭曲，纵纹较深；7月14日开花的纤维管状扭曲，纵纹较浅；7月21日开花的纤维扭曲程度大，纵纹较深。15-1242的三个开花期中，7月7日开花的成熟纤维中部扁平，扭曲程度小，纵纹较浅和少；7月14日开花的纤维中部扁平，呈带状扭曲，纵纹深，但数量却少；7月21日开花的纤维呈管状扭曲，纵纹较少。新陆中38号的三个开花期纤维中，7月7日开花的纤维呈带状扭曲，扭曲程度小，纵纹浅；7月14日开花的纤维沿纵轴两侧管状扭曲，纵纹较深；7月21日开花的纤维带状扭曲，纵纹浅。

从7月7日开花的成熟纤维来看，新陆中70号的扭曲程度最大，新陆中82号比15-1242更为明显，新陆中38号最为平缓；从7月14日开花的成熟纤维来看，新陆中70号的扭曲最大，新陆中82号成熟纤维表面比15-1242和新陆中38号扭曲更为明显；从7月21日开花的成熟纤维来看，新陆中82号扭曲最明显，新陆中70号和15-1242比新陆中38号扭曲明显。图6

注：a、b、c分别为新陆中82号的7日、14日、21日开花期成熟纤维。d、e、f分别为新陆中70号的成熟纤维。g、h、i分别为15-1242的成熟纤维。j、k、l分别为新陆中38号的成熟纤维

3 讨 论

研究表明，在开花前胚珠表面仅有少量原始纤维表皮细胞的突起，在开花前16 h胚珠内部结构才发生变化[16-18]。研究表明，不同品种和开花期在开花前1 d观察到胚珠表面未有明显的表皮细胞的突起，只有少量的气孔等细胞器，陆地棉的纤维表皮细胞突起在开花前1 d没有差异；在开花当天，不同品种的胚珠表面有明显的表皮细胞突起，胚珠表皮细胞突起数量有5 000～8 000个/mm2，研究与前人[19]研究结果相同，各品种的胚珠表皮细胞突起数量上有差异，新陆中70号在7月21日开花的纤维表皮细胞的突起数量最多，与其它品种的表皮细胞突起数量有显著差异，在同一品种总体呈现7月14日多于7月7日和7月21日，不同品种间胚珠表皮细胞突起数量的差异，可能与品种的棉铃结铃部位和品种特性有关，有待于进一步研究。合点端的表皮细胞纤起数量比珠孔端的突起得多，这与Graves DA、Applequist W L[20-21]等研究相同；开花后1 d的纤维细胞伸长量少于开花当天的表皮细胞突起数量，这与张天真等[22]研究结果相同，这是由于纤维细胞开始伸长，挡住了底部表皮细胞的突起以及伸长较慢的纤维，随着开花期的推迟，纤维伸长数量减少是由于纤维生长不一致导致的，前期开花的纤维伸长量较多说明纤维生长较为一致，与此时棉花的由营养生长转向生殖生长，外界温度较高，棉铃物质积累较多，有利用纤维的生长发育，后期开花时，棉花处于生殖生长，底部棉铃分配物质较多，影响纤维的发育，可能是导致开花后1 d纤维伸长量下部多于上部的原因之一[23-25]。

发育21 d的纤维此时处于纤维发育的伸长期和加厚期的重叠时期[8-9,26-27]，纤维表面形态的结构发生变化，有些开花期发育至21 d时，已经于成熟纤维的形态有所相似，出现了扭曲，新陆中82号的三个开花期纤维进入加厚期的时间较早，纤维在此时期就已经可以看到纤维扭曲，其次是新陆中70号的7月7日开花和7月14日开花的纤维，新陆中38号和15-1242的生育期较长，此时期没有出现纤维扭曲的现象，进入纤维发育的加厚期晚于新陆中82号和新陆中70号，这可能是不同生育期的品种出现生长差异的节点；在观察纤维发育28 d时，不同开花期的纤维都已出现不同程度的扭曲，此时4个品种都应进入了加厚期，扭曲程度有所不同，生育期短的品种扭曲较大，综合纤维发育21和28 d来看，各品种进入加厚的时期与生育期相关，而同一品种的不同开花期间的相同发育时间的纤维差异可能与结铃部位有关。纤维中段是纤维的重要组成部分[28]，纤维的扭曲和纵纹可以增加纺纱的抱合力，提高棉纱的抗拉力，不同品种的成熟纤维间也有所差异，扭曲程度和纵纹的深浅和多少是由于品种特性造成的。

4 结 论

不同生育期的棉花品种在纤维发育同一时期的形态结构不同，在纤维的分化突起阶段和纤维的伸长重叠期比较来看中部棉铃的胚珠表皮细胞突起数量达到7 000个/mm2以上，伸长数量5 000个/mm2以上，而下部棉铃最少，分别有6 000和4 000个/mm2左右，中部棉铃的纤维发育快于下部和上部。纤维发育21 d中，新陆中82号各花期间均出现不同程度的扭曲，其次是新陆中70号有两个花期出现扭曲，新陆中38号和15-1242没有出现扭曲；纤维发育28 d中，各品种和开花期均出现不同程度的扭曲现象，不同花期间扭曲程度表现为7月14日开花的纤维最明显，其次是7月7日和7月21日，不同品种为新陆中82号最明显，其次是新陆中70号，其余2个品种没有明显差异；不同棉花品种纤维发育出现快慢差异的时期出现在纤维的伸长期至加厚期，生育期短的品种纤维发育速度快，此时期也是纤维品质形成的重要时期，应注意棉花的营养供给，以保证棉花的产量和品质的提升。成熟纤维的扭曲和纵纹在不同花期和品种间均有差异，新陆中70号表现最突出，其次是新陆中82号、15-124和新陆中38号。