草甘膦对海岛棉农艺性状及光合作用的影响

2023-02-21秦国礼王为然黄幸磊刘志清朱家辉阿里甫艾尔西陈国栋

新疆农业科学 2023年12期

秦国礼,王为然,王萌,杨静,黄幸磊,刘志清,朱家辉,阿里甫·艾尔西,孔杰,陈国栋

(1.塔里木大学农学院,新疆阿拉尔 843300;2.新疆农业科学院经济作物研究所,乌鲁木齐 830091)

0 引言

【研究意义】杂草是棉花生产主要障碍之一,棉花杂草为害常年造成损失为14%～16%[1]。棉花生长发育期间人工除草是控制草害的传统方法,且耗费人力物力。因此,培育抗除草剂棉花品种,构建合理的施药技术是解决人工除草难题的研究方向。【前人研究进展】目前,除草剂种类主要有精异丙甲草胺、仲丁灵、二甲戊灵、乙草胺、2,4-D除草剂、溴苯腈、草甘膦、草铵膦、草丁膦等。已培育出抗2,4-D除草剂、溴苯腈、草甘膦、草铵膦、草丁膦等[2]。其中以抗草甘膦棉花推广面积最大[3]。针对抗除草剂棉花种质创新取得了一定进展,李卫国等[4]通过组培的方式,获得了3株抗草甘膦棉花再生苗。陈旭升等[5]对4份外来种质资源进行田间筛选,获得了G-6的抗草甘膦棉花。张晓兵等[6]利用农杆菌介导的方式将G2-aroA基因转入棉花K312中,获得了10株再生植株。孙璇等[7]对新型G10aroA棉花材料进行了抗草甘膦试验,发现棉花花铃期对草甘膦使用浓度耐受性可达1.5%。祝水金等[8]通过抗性筛选获得了天然突变体R1098,该突变体可耐受草甘膦1.48 kg/hm2。王霞等[9]利用转基因方法培育了抗草甘膦棉花品种。但是,在抗草甘膦棉花种植中,仍然会出现草甘膦使用不当而导致生产受损,如花铃脱落而减产等[10,11]。【本研究切入点】目前,在新疆早熟海岛棉抗除草品种培育和使用技术方面还少见文献报道。需研究不同浓度草甘膦对海岛棉农艺性状及叶片光合性能的影响。【拟解决的关键问题】以抗草甘膦海岛棉新品系新长棉5号为研究对象,设置不同浓度的草甘膦处理,研究其农艺性状,SPAD值与光合特性及荧光特性等变化特征,研究不同浓度草甘膦对抗除草剂海岛棉生长的影响,为培育高抗除草剂的海岛棉新品种以及田间应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2021～2022年在新疆农业科学院库尔勒试验基地进行(85°85′53″E,41°68′84″N),土壤质地为壤土。材料为抗草甘膦(EPSPS)海岛棉新品系新长棉5号,除草剂为41%草甘膦异丙胺盐水剂。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

采用1膜4行((10+66+10)+66)cm机采模式种植,种植密度为22.2×104株/hm2,共设置5个处理,每个处理3次重复,每处理行长10 m。4月18日机械铺膜后人工点播,在10叶期(现蕾期)喷施草甘膦。施药浓度为1.25%(3.75 g/L)、2.5%(7.5 g/L)、5.0%(15 g/L)、10.0%(30 g/L)共4个浓度,设置清水为对照(CK)。7月20日人工打顶,棉田水肥管理与常规大田管理一致。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 农艺性状

每个处理选取内外行各5株挂牌标记,分别于处理当日及处理后3、7、10、14、20、24和30 d测定株高、茎粗、主茎叶片数;其他指标测定均为相同的挂牌株。

1.2.2.2SPAD值

利用SPAD-502Plus仪,分别于处理当日,处理后3、10、14、20 d的11:00～13:00测量棉花主茎功能叶(倒三叶)的SPAD值,重复3次。

1.2.2.3 光合作用

利用Li-6400XT型便携式光合仪,分别于处理当日,处理后3、7、10、14 d在11:00～13:00自然光强下,测定每株主茎功能叶(打顶前倒四叶,打顶后倒三叶)的净光合速率 (photosynthetic rate,Pn)、蒸腾速率 (transpiration rate,Tr)、叶片气孔导度 (stomatal conductance,Gs)以及胞间CO2浓度 (intercellular CO2concentration,Ci)。

1.2.2.4 叶绿素荧光

使用便携式植物效率分析仪(Handy-PEA),分别于处理当日及处理后3、7、10、14和20 d在晴天11:00～13:00测量,叶夹避开叶脉暗适应30 min,通过饱和脉冲光强度为3 000 μmol/(m2·s),照射2 s,记录Fo、Fm、Fv/Fm。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据处理;DPS v7.05进行数据统计分析,不同处理之间所得的均值采用 Duncan 新复极差法( SSR )进行多重比较;使用Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 草甘膦对棉花农艺性状及SPAD值的影响

2.1.1 草甘膦处理对棉花株高的影响(图1)

研究表明,草甘磷处理后3 d,1.25%、2.5%、5.0%和10.0%处理棉花株高较对照分别下降了2.15、11.48、11.66和11.89 cm。处理后7 d,4个浓度株高与对照相比分别下降了1.53、5.75、6.52和7.08 cm;1.25%浓度对株高影响较小,随着浓度的递增,其对株高的抑制逐步加大。处理后10 d,2.5%、5.0%和10.0%处理的株高长势提升,与对照之间的差异逐步减小。处理后20 d,1.25%、2.5%、5.0%、10.0%株高下降了5.09、5.31、5.25和6.90 cm。与处理后7 d相比其差异量在减小。处理后24 d,1.25%提升了1.31cm,2.5%、5.0%、10.0%下降了0.07、0.33和0.80 cm,1.25%处理已超过对照,而2.5%、5.0%和10.0%则与对照无显著差异。处理后30 d,随生育进程推进,4组处理的株高分别比对照提升了5.57、4.79、2.26和0.94 cm,处理植株长势恢复。图1(a)

2.1.2 草甘膦处理对棉花茎粗的影响

研究表明,草甘膦处理后3 d,1.25%、2.5%、5.0%、10.0%浓度棉花茎粗分别比对照下降了0.05、0.47、0.70和0.92 mm,处理浓度的越高其对茎粗的负向影响越大。处理后6 d,4种浓度下茎粗与比对照分别下降了0.67、0.88、0.95和1.11 mm,差异显著。随着处理时间逐渐延长,各处理的茎粗与对照相比差异逐渐缩小。处理14 d后,1.25%、2.5%、5.0%、10.0%浓度茎粗与对照比下降了0.23、0.48、0.57和0.81 mm。处理20 d后,1.25%、2.5%与对照相比茎粗升高了0.23和0.07 mm;5.0%、10.0%与对照相比茎粗下降了0.13、0.39 mm,无显著性差异。图1(b)

2.1.3 草甘膦处理对棉花主茎叶数的影响

研究表明,草甘磷处理后3 d,1.25%、2.5%、5.0%、10.0%处理组棉花叶片数较对照分别下降了0.60、1.20、1.30、1.60片叶,处理后的主茎叶出叶速率显著慢于对照,且呈现随着草甘膦浓度上升而不断减少的趋势。随着生育进程推进,处理后7 d 4个浓度处理叶片数相比对照分别减少了0.90、1.20、1.30、1.40片叶;处理后10 d分别减少了0.30、0.80、0.90、1.00片叶;处理后20 d时,1.25%浓度处理高于对照0.30片叶,其他浓度处理与对照相比已无显著性差异;处理24 d后,1.25%、2.5%浓度草甘膦处理后的主茎叶数高于对照0.50、0.10片叶。图1(c)

2.1.4 不同草甘膦浓度对棉花叶片SPAD值的影响

研究表明,不同浓度草甘膦处理棉花叶片SPAD值呈下降趋势,随着草甘膦浓度的上升,叶片SPAD值下降越大。处理后3 d,1.25%、2.5%、5.0%、10.0%浓度SPAD与对照相比分别下降了8.29%、12.44%、24.91%、57.00%。随生育进程推进,处理后10 d,1.25%浓度处理SPAD值较对照上升0.07%,2.5%处理下降1.64%,与对照无显著差异,后2种浓度处理分别较对照下降36.00%和48.00%。处理后14 d,1.25%、2.5%、5%与对照相比分别上升2.18%、2.06%、0.04%;10.0%浓度下降13.00%。处理后20 d,1.25%、2.5%与对照相比分别上升1.50%、0.55%; 5.0%、10.0%浓度下降1.14%、2.00%,与对照无显著差异。图1(d)

2.2 草甘膦对棉花叶片光合特性的影响

2.2.1 不同浓度草甘膦对棉花叶片净光合速率(Pn)的影响(图2)

研究表明,处理后3 d,与对照相比,4种浓度处理Pn值分别下降了14.20%、41.10%、49.61%、95.00%。随着发育进程的推进,在处理7 d后,1.25%浓度处理Pn高于对照,提升了2.47%;处理后10 d,2.5%、5.0%、10.0%浓度处理分别下降了20.69%、36.80%、42.00%;处理14 d后,1.25%与2.5%浓度处理Pn值与对照相比分别上升了1.11%和0.46%,5%和10%浓度处理分别下降了10.00%和16.00%,已超过或接近正常值。图2(a)

注:小写字母代表显著差异(P<0.05),下同

2.2.2 不同浓度草甘膦对棉花叶片蒸腾速率(Tr)的影响

研究表明,草甘膦处理对棉花叶片的蒸腾速率产生影响,致使其蒸腾速率减缓,且草甘膦浓度越高,蒸腾速率下降越显著。处理后3 d,1.25%、2.5%、5.0%、10.0%浓度处理Tr分别下降27.84%、53.78%、55.56%、82.00%。随生育进程后移,叶片蒸腾速率也在不断上升。处理7 d后,4种浓度处理Tr分别比对照下降24.60%、32.23%、33.11%、55.00%。处理10 d后,1.25%、2.5%浓度处理Tr分别提升了5.73%、0.67%;1.25%与2.5%处理超过对照,而5.0%、10.0%浓度分别下降11.76%、13.00% 。处理后14 d,1.25%、2.5%处理分别提升了3.30%、7.60%;5.00%、10.0%浓度处理分别下降了0.71%、3.00%,与对照已无显著性差异。图2(b)

2.2.3 不同浓度草甘膦对棉花叶片气孔导度(Gs)的影响

研究表明,处理后3 d,草甘膦处理后棉花叶片Gs除1.25%浓度处理比对照提升了3.40%外, 2.5%、5%和10%浓度处理分别下降56.00%、51.20%和56.30%,均呈显著下降趋势。随着生育进程的推进,处理后7 d,4种浓度处理分别较对照下降11.08%、25.54%、38.34%、47.00%,气孔导度也逐渐上升。处理后10 d,4种浓度处理Gs分别较对照下降1.20%、16.63%、29.61%、36.00%,与对照差异量在逐步减小。14 d后,各处理分别下降0.80%、1.19%、5.07%、6.00%,与对照无显著性差异,呈现出浓度越高,恢复越慢的规律。图2(c)

2.2.4 不同浓度草甘膦对棉花叶片胞间CO2浓度(Ci)的影响

研究表明,草甘膦处理组棉花叶片胞间CO2浓度(Ci)随处理浓度升高而显著升高。在处理后3 d,4种浓度处理Ci比对照分别提升了15.40%、15.76%、24.49%和29.30%。随着生育进程的推进,各处理Ci出现不同程度的降低趋势。处理后7 d, 1.25%、2.5%浓度处理Ci比对照相比分别降低了15.41%和8.40%;5%和10%浓度处理仅比对照高了7.30%和26.20%。处理后14 d,1.25%、2.5%、5.0%、10.0%浓度处理Ci分别比对照升高了4.70%、4.52%、3.23%和5.00%,与对照已无显著性差异。药后14 d草甘膦药效对棉花叶片胞间CO2浓度影响已经很小。图2(d)

图2 不同浓度草甘膦下棉花光合特性变化Fig.2 Effects of different concentrations of glyphosate on net photosynthetic indicators of cotton

2.3 不同浓度草甘膦对棉花荧光特性的影响

2.3.1 不同草甘膦浓度对棉花叶片潜在光化学效率(Fv/Fo)的影响

研究表明,草甘膦处理后棉花叶片Fv/Fo显著下降,浓度越高Fv/Fo恢复速度越慢。处理后3 d,1.25%、2.5%、5.0%、10.0%浓度Fv/Fo较对照分别降低了46.51%、47.13%、51.52%、62.00%。浓度越高则下降越大。处理后7 d,仍处于下降趋势中,其中前3种处理分别较对照下降了35.89%、43.03%、46.50%,与处理后3 d相比差异量在缩小,而10%处理仍继续下降,为79.00%。处理后14 d,4种浓度处理Fv/Fo分别较对照下降13.74%、16.02%、25.01%和58.20%,与对照的差异进一步缩小。处理后20 d,与对照相比 1.25%浓度处理提升了3.39%,后3种浓度处理分别下降了1.39%、5.65%、11.00%。除5%与10%浓度处理外,其余处理组已与对照无显著性差异。图3(a)

2.3.2 不同草甘膦浓度对棉花叶片最大光化学效率(Fv/Fm)的影响

研究表明,处理后3 d,棉花叶片Fv/Fm表现为下降趋势,1.25%、2.5%、5.0%、10.0%浓度处理Fv/Fm分别下降了19.85%、22.55%、24.11%、42.90%。处理后7 d,4种浓度处理较对照分别下降了13.66%、18.57%、23.22%、28.10%。随生育进程推进,各处理与对照差异量在逐步缩减。处理后14 d,各浓度与对照相比已无显著性差异。到处理后20 d,4种浓度处理分别较对照提升了2.60%、2.30%、0.87%、0.16%。图3(b)

图3 不同草甘膦浓度下棉花荧光特性变化Fig.3 effects of different glyphosate concentrations on fluorescent efficiency of cotton

3 讨论

3.1 不同浓度草甘膦对棉花农艺性状的影响

研究结果表明,草甘膦处理后,各处理关注的性状均受到了影响,表现出草甘膦浓度越高,各生长指标数值下降越明显,与前人在陆地棉的研究结果一致[11]。但也有不同的结论,李世民等[12]、李儒海等[13]研究认为喷施草甘膦对转CP4-EPSPS棉花的营养生长没有不利影响,董合忠[14]同时报道了4叶期后喷施草甘膦会显著降低花粉粒的活性,导致花粉败育,可能与上述研究使用的草甘膦浓度较低有关(0.2%～0.5%)。同时也可能与品种不同有关,以及EPSPS基因在不同组织部位的表达差异有关,但对生殖器官特别是育性的影响有待进一步研究。

3.2 不同浓度草甘膦对SPAD及光合特性影响

一定浓度的草甘膦会造成叶片的叶绿素含量降低、叶绿体数量与结构变化和光合能力减弱[15]。研究中,草甘膦处理后SPAD值下降,且浓度越高,下降越显著。与陈英杰等[16]对花生资源进行草甘膦耐受研究,以及袁权等[17]在对抗草甘膦油菜抽薹期进行草甘膦喷施后7 dSPAD值均呈现降低的变化趋势一致,反映了草甘膦对不同物种叶绿素变化特点的相似性。在叶绿素荧光参数方面,研究与刘琪等[18]对野生大豆喷施草甘膦后Fv/Fo与Fv/Fm变化趋势一致,呈现出随剂量的增加指数降低的趋势。

而当叶绿素异常时,光合作用也会受到影响。古春凤等[19]发现随草甘膦处理浓度递增,加拿大一枝黄花和白茅叶片的Pn、Gs、Tr均不断降低,而Ci的则随着浓度升高,单种加拿大一枝黄花Ci先下降而后上升。侯丽丽等[20]在葡萄上发现Pn、Gs、Tr均随草甘膦喷施浓度的增加而减小,Ci随草甘膦喷施浓度的增加而增加。与研究结果的趋势一致,但下降幅度不完全相同,研究认为Pn下降最大,可能与试验材料对除草剂抗性差异所致,仍需进一步的研究。