高温胁迫对棉花叶绿素的影响

杨悦 罗新宁

(塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔 843300)

前言

棉花是影响新疆农户经济收入水平的重要作物，且新疆棉花产量占全国89.5%。其产值占我国经济作物的50%以上，新疆棉花产量在我国棉花经济发展中有着重要地位。新疆有着适宜棉花生长的光热资源条件，尤其在南疆气候干旱少雨，更加适宜棉花的生长发育，这些条件使新疆的棉花产业发展稳定，新疆也成为我国主要的棉花供应地。随着全球气温升高，高温逆境已对作物产量造成相当巨大的影响。有关研究表明,全球平均气温已经升高近1℃,短期的极端高温天气出现频繁，给农作物生长发育带来极大隐患。在我国棉花种植区域在7月极端高温时段频繁发生，此时正值棉花开花和结铃盛期，高温天气导致落花落果，因而降低了成铃率和皮棉产量。因此，为适应当前和将来变暖的气候趋势，稳定并提高棉花产量，了解棉花对高温逆境的耐性机制，筛选耐高温棉花种质资源并且选育耐高温棉花品种已是当务之急[1]。本文对4个不同耐高温棉花品系开花期前后高温胁迫叶绿素的响应进行了比较分析，对探讨棉花的高温逆境的耐性机制及耐高温棉花的筛选、鉴定及品种选育具有重要的参考价值[2]。通过测定棉花开花期前后叶片的色素含量的变化，选育高温环境下耐高温品种，为高温逆境棉花育种及棉花高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试品种

在新疆第一师十团中国棉花研究所实验站进行大田试验，以生产上用的棉花材料“中棉92”、“中棉60”、“新海54”、“新海45”。于4月21日播种，种植密度1.5万株·667m-2，按照常规栽培方法管理。

1.2 高温处理

模拟大田种植的自然高温胁迫环境，并保证非处理期间处理组与对照组种植条件无差别，参照小麦进行高温胁迫处理类似的方法[3]，于棉花盛花期直接在试验田中设计增温棚对处理组棉花进行高温胁迫处理。增温棚用0.1mm厚无色透明聚乙烯塑料薄膜制成，长2m，宽0.8m，高1m，并在里面放入温度计测量温度。在6月27日后连续30d，每天12∶00—14∶00用增温棚遮盖进行高温处理，其他时间揭开薄膜并及时透风。

1.3 植株样采集测定

高温处理后，每7d摘取棉花叶片进行叶绿素测定。对实验组随机取10株进行采样，每一株从倒4叶开取，取上3片测量。

1.4 叶绿素含量的测定

叶绿素含量测定方法采用分光光度计法[4]。称取剪碎新鲜棉花叶片共3份，每份0.2g左右，放入试管中，向试管中加入10mL浸提液(按丙酮∶乙醇∶水=4.5∶4.5∶1.0配制)，放入暗处提取24h，期间摇晃数次，混合均匀直到叶片完全变为白色时，即得到叶绿素的提取液。用721-100型分光光度计分别测定在470nm、649nm和665nm下的吸光度，根据公式求出棉花的叶绿素a、叶绿素b含量。每个样品3次重复记下每次测得的数据，结果取3次重复的平均值[5]。根据公式计算：

Ca=13.95A665-6.88A649Cb=24.96A649-7.32A665

叶绿体色素的含量为(C×V×N)/(W×1000)。C为色素浓度，V为提取液体积，N为稀释倍数，W为叶片鲜质量[6]。

2 结果与分析

2.1 高温处理时段温度变化

根据人工模拟高温大棚试验，从6月29日12∶00开始记录各个指标温度，每隔0.5h记录1次温度直到14∶00点(总共5次)，7月21日结束。棚内温度随着外界温度变化而变化，且变化幅度更大，最高棚内温度达到59.14℃，最高棚外温达到38.49℃，棚内外温度平均差值到达12.07℃，土壤温度保持在23℃左右。部分棉花叶片有轻微灼烧，严重影响棉花生长，根据研究表明，植物生长的平均温度每超过适宜生长温度1℃，作物产量就可减少达17%[7]。根据30d平均温度作图，具体见图1。

图1 处理时段温度变化

2.2 叶绿素a含量的变化

叶绿素a是作物进行光合作用的主要组分，可以反映作物对长波光的吸收程度[8]。图2显示了2种陆地棉“中棉92”、“中棉60”棉花功能叶叶绿素a含量的变化规律。总体上看，“中棉92”、“中棉60”棉花叶片叶绿素a含量在开花期前后变化趋势表现基本相同，呈折叠式变化，其中，“中棉60”叶绿素a含量从开花期前(7月1日)下降到开花期(7月8日)，再次上升到盛花期(7月15日)达到最大值时下降到开花后期(7月21日)最低点；“中棉92”在开花前期叶绿素a含量最高，从开花期前到开花期呈现下降趋势，开花期到盛花期虽有上升趋势但上升幅度不显著，盛花期到开花后期叶绿素a含量下降到最低点；4个时期中除盛花期“中棉92”品种叶绿素a含量高于“中棉60”，开花前期、开花期、开花后期都是“中棉60”叶绿素a含量高于“中棉92”品种。图3显示了2种海岛棉“新海54”、“新海45”棉花叶绿素a含量变化规律，2种材料叶绿素a含量均在盛花期达到最大值，其中，“新海54”开花前期与开花期叶绿素a含量差异不显著，其后2个时期叶绿素a含量一直下降；“新海45”叶绿素a趋势呈现先下降再上升最后再下降的趋势。总体上看，2种海岛棉开花期前后叶绿素a含量与陆地棉变化基本相同，相对陆地棉变化趋势较小，从开花前期缓慢下降到开花期，再逐渐上升到盛花期，然后迅速下降到最低点。陆地棉与海岛棉叶绿素a含量基本相同，后者略低于前者，且处理组均低于对照组叶绿素a含量。

图2 2种陆地棉开花期前后叶绿素a含量变化

图3 2种海岛棉开花期前后叶绿素a含量变化

2.3 叶绿素b含量的变化

叶绿素b有利于吸收短波光，可以参与传递光能，是作物补光色素蛋白体的重要组成部分[9]。植物中含有较高的叶绿b意味着植株具有很高吸收、传递太阳光的能力，是达到高产的前提。从图4中2种陆地棉叶绿素b含量总体变化趋势，陆地棉“中棉60”、“中棉92”叶片叶绿素b含量变化趋势相同，都是由开花前期上升到开花期，但其中“中棉60”上升趋势大于“中棉92”，而且都处于最低值，随后下降到盛花期趋势相同，然后上升到最高点开花后期达到最大值，相比较下从盛花期到开花期“中棉92”叶绿素b含量增长趋势大于“中棉60”。2种材料叶绿素b均在开花后期达到最大值，全部4个时期“中棉92”叶绿素b含量略高于“中棉60”。从图5可以看出，2种海岛棉“新海54”、“新海45”对照组从开花前期逐渐上升，到盛花期达到最大值，然后下降到最低点。处理组则从开花前期到开花后期一直上升。开花前期对照组高于处理组，到开花后期处理组叶绿素b高于处理组。

图4 2种陆地棉开花期前后叶绿素b含量变化

图5 2种海岛棉开花期前后叶绿素b含量变化

2.4 叶绿素a/b含量的变化

大量研究表明，叶绿素a/b与作物抗旱性呈显著的负相关关系，叶绿素a/b比值可以反映作物对不饱和散射弱光的吸收情况，在一定范围内比值越低，吸收率越高[10-12]。在一定范围内较低的叶绿素a/b值有利于植物充分利用不饱和的散射弱光来进行光合作用。从图6可以看出，2种陆地棉“中棉92”、“中棉60”开花前期叶绿素a/b含量最高值甚至高于对照组，逐渐下降到开花期，此时期2种棉花品种叶绿素a/b含量差异不显著，再上升到盛花期，此时期2种棉花品种叶绿素a/b含量差异极显著，然后下降到开花后期最低点，此时“中棉92”叶绿素a/b含量小于“中棉60”。处理组叶绿素含量比值高于对照组，处理组“中棉92”在开花后期时与对照组差异不显著。从图7可以看出，2种海岛棉“新海45”、“新海54”叶绿素a/b从开花前期到开花后期逐渐下降，在开花后期降到最低点。处理组叶绿素含量比值大多高于对照组，在开花后期时“新海45”对照组比值大于处理组差异显著，“新海54”低于“新海45”叶绿素含量。从整体来看，陆地棉叶绿素a/b含量高于海岛棉。

图6 2种陆地棉开花期前后叶绿素a/b含量变化

图7 2种海岛棉开花期前后叶绿素a/b含变化

2.5 早熟棉花新材料叶绿素a+b含量的变化

叶绿素总量在一定程度上可以代表作物光合作用的强度[13]，较高的叶绿素总量利于作物吸收光能，积累干物质产量叶绿素是植物吸收光能进行光合作用的色素，在一定范围内，光合强度随其a+b含量增加而加强,因此其是反映植物丰产性能的生理指标之一。从图8可以看出，2种陆地棉“中棉92”、“中棉60”从开花前期到盛花期叶绿素a+b含量差异较小不显著，后“中棉60”呈略微增长趋势，“中棉92”几乎持平，盛花期时2个品种差异又缩小到不显著，到开花后期均降到最低点，此时“中棉92”超过“中棉60”的叶绿素a+b含量。对照组叶绿素含量高于处理组。从图9可以看出，2种海岛棉“新海54”、“新海45”处理组从开花前期逐渐上升，处理组“新海45”开花前期和开花期叶绿素a+b含量差异不显著，对照组“新海45”先下降达到4组中最低值，然后再上升，对照组、处理组都在盛花期达到最大值，然后下降到最低点，对照组“新海45”达到4组最低，说明其在开花后期叶绿素a+b含量最少。从整体来看，海岛棉叶绿素a+b含量高于陆地棉。

图8 2种陆地棉开花期前后叶绿素a+b含量变化

图9 2种海岛棉开花期前后叶缘素a+b含量变化

3 讨论

光合作用是植物生长发育上最重要的化学反应,通过将无机物转化为有机物以固定太阳光能,满足自身发育，被认为是植物对各种内外因子最敏感的生理指标之一[14]。光合作用主要由叶绿体参与，叶绿体中色素包括叶绿a、叶绿素b和类胡萝卜素，叶绿体色素在光合作用过程中承担着光能吸收与转化的作用，并且在环境的变化过程中通过调节叶绿体色素之间的比例关系，恰当地分配和耗散光能，保证光合系统的正常运转[15]。随着“温室效应”现象日益加剧,全球气温变暖已是科学事实，频繁发生的高温天气己经严重影响主要农作物小麦和棉花等生长、发育及产量形成。在正常条件下，叶绿体色素与蛋白质有效结合在一起，但由于光照、低温、高温等环境条件的改变可使叶绿体色素变得不稳定。因而对其含量及组成比例与逆境胁迫的关系有不少研究，多数人认为其呈正相关关系，且光合强度与叶绿素含量的比值a/b有密切关系。同时叶绿素的代谢是一个动态平衡过程，高温胁迫会打破这种平衡，造成叶绿素含量变化。通过研究不同材料叶绿素的动态变化，试验结果显示不同棉花品种之间叶绿素变化有规律可循，可以通过叶绿素含量及比值的表现找到育种新材料。根据不同棉花材料的叶绿素a、叶绿素b含量、叶绿素a+b含量和叶绿素a/b值的分析，“中棉92”在开花前期叶绿素a含量较高，叶绿素b含量高于“中棉60”，叶绿素a/b高于“中棉60”，叶绿素a+b与“中棉60”基本相同。综合分析选择叶绿素a含量高和叶绿素a/b值较低作为材料选择标准，陆地棉“中棉60”更适应高温环境生长。海岛棉“新海54”叶绿素a含量略高于“新海45”，叶绿素b低于“新海45”，叶绿素a/b含量低于“新海45”，叶绿素a+b含量高于“新海45”。综合分析海岛棉“新海54”更适合高温环境。