易小龍， 李 國， 李文雯， 張夢恬， 祝建波， 王愛英

(石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆石河子 832000

棉花是我國的主要經(jīng)濟作物。棉花在其整個生長發(fā)育過程中，常常要遭受多種自然災(zāi)害的影響和危害。其中，干旱災(zāi)害對棉花生長的危害以及由此造成的產(chǎn)量損失往往比較嚴(yán)重。已有數(shù)據(jù)資料表明，在各種氣候災(zāi)害中，干旱造成的損失量超過其他災(zāi)害損失的總和[1]。新疆作為棉花產(chǎn)植大區(qū)，水資源相對匱乏，單位面積產(chǎn)水量居全國倒數(shù)第三[2]，生產(chǎn)用水與生活用水的矛盾日益突出，發(fā)展抗旱棉花新品種和實施節(jié)水灌溉模式是實現(xiàn)棉花豐產(chǎn)的重要途徑[3-4]。因此研究棉花對水分脅迫的響應(yīng)及適應(yīng)機制，是對棉花進行合理調(diào)控、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的前提，具有重要的理論意義和實踐價值。

產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，植物積累物質(zhì)則通過光合作用。光合作用(photosynthesis)是植物最基本的生命活動，是對水分脅迫最敏感的生理過程之一[5-6]，可以作為判斷植物生長和抗逆性強弱的指標(biāo)[7]，直接與作物產(chǎn)量相關(guān)。光合作用通過2個光系統(tǒng)(PSⅠ和PSⅡ)將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，尤其是PSⅡ被認(rèn)為對脅迫敏感性最高，在植物響應(yīng)脅迫的過程中發(fā)揮了重要作用[8]。環(huán)境條件變化時，葉綠素?zé)晒獾淖兓梢栽谝欢ǔ潭壬戏从抄h(huán)境因子對植物的影響[9-11]，通過對快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線的分析，可深入了解水分脅迫對植物光合機構(gòu)主要是PSⅡ的影響以及光合機構(gòu)對干旱環(huán)境的適應(yīng)機制。7—8月(花鈴期)是棉花產(chǎn)量和品質(zhì)形成的關(guān)鍵時期，關(guān)系到蕾鈴數(shù)量、結(jié)鈴率及棉桃大小，合理的水分管理至關(guān)重要。

本研究以筆者所在實驗室培育的2個轉(zhuǎn)基因抗旱棉花品系為材料，通過控制滴灌灌水量，獲取其不同水分脅迫下棉花花鈴期不同階段的蕾鈴數(shù)，并測定葉片光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等指標(biāo)，研究棉花葉片光合特性對水分脅迫響應(yīng)及產(chǎn)量構(gòu)成的影響，為指導(dǎo)田間棉花水分管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

本次試驗材料為石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點實驗室提供的轉(zhuǎn)基因棉花品系24C-1、25C-1，其受體親本型分別為TH1、TH2，轉(zhuǎn)入的外源基因均為來自于擬南芥的CBF1基因，CBF1作用途徑為CBF1→CRT/DRE基序→COR基因(cold-regulated gene)表達(dá)→植物抗寒、抗旱性增加。試驗于2016年在新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)的北疆石河子市石河子大學(xué)試驗地基地(44°20′N，85°30′E)進行。試驗地處在新疆北疆特早熟棉花種植生態(tài)區(qū)，氣候為溫帶大陸性氣候，無霜期168 d，平均年降水量213 mm，年蒸發(fā)量1 537 mm。

1.2 試驗設(shè)計

棉花采用直播方式播種，4月26日播種，5月17日定苗，7月上旬基本進入花鈴期。采用“一管兩行”式膜下滴灌供水，灌水均勻，基本無旱澇不均的現(xiàn)象，土壤中水、氣比較協(xié)調(diào)，土壤酥松，不板結(jié)，土壤團粒結(jié)構(gòu)保持較好，有利于棉花根系生長發(fā)育[12]。具體灌溉布置如圖1所示。

試驗采用二因素設(shè)計，主因素為水分，設(shè)5個不同灌水量處理，副因素為轉(zhuǎn)基因棉花品系。灌溉方式為膜下滴灌，灌水量的具體數(shù)值通過新疆石河子市棉區(qū)全年平均灌水量設(shè)計(每次灌水量為200～250 m3/hm2，生育期灌溉10～12次[12])，5個梯度處理為不灌溉(NI)、低量灌溉(LI)、中量灌溉(MI)、 高量灌溉(HI)、正常灌溉(CK)，其中正常灌水量為石河子棉區(qū)最高值。試驗材料每個處理播種4個小區(qū)，小區(qū)長 5 m，寬2 m。每小區(qū)耕作3行，每行耕作2個窄行，出苗后嚴(yán)格控制株數(shù)，每個小區(qū)都為300株(每個窄行50株)，每8個小區(qū)為1個灌水區(qū)域。播前澆足底墑水。采用膜下滴灌方式，具體灌溉方案見表1。

表1 田間處理方案

1.3 試驗方法

1.3.1 棉花蕾鈴數(shù)測定 選取小區(qū)中部長勢相近的30株植株(每行10株)標(biāo)記并分別在7月5日、7月30日、8月25日棉花花鈴期(前期、中期、末期)3個時期，對單株棉花的蕾鈴數(shù)進行人工調(diào)查，并在8月25日統(tǒng)計棉花結(jié)鈴率。

1.3.2 葉片光合作用測定 采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測定儀，在晴朗的上午10：00—12：00，在每個小區(qū)每1行中隨機選取3株，葉片選取倒三葉并標(biāo)記，在棉花花鈴期開始后每25 d對光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度/大氣CO2濃度(Ci/Co)、氣孔限制值(Ls)、光能利用率(LUE)和水分利用效率(WUE)進行1次測定，每次測定5個重復(fù)，取平均值。

1.3.3 葉片葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)測定 采用WALZ公司的便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2500，測定固定熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、光系統(tǒng)Ⅱ的最大光合效率(Fv/Fm)、光系統(tǒng)Ⅱ的實際光合效率ΦPSⅡ、光化學(xué)淬滅(qP)、非光化學(xué)淬滅(NPQ)，測定時間、位置及重復(fù)數(shù)同“1.3.2”節(jié)。

1.3.4 棉花產(chǎn)量測定 在棉花收獲季節(jié)對小區(qū)標(biāo)記的植株直接稱質(zhì)量取平均值確定其單株鈴質(zhì)量；對小區(qū)進行完全采摘統(tǒng)計其皮棉產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進行處理，采用SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)間的差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理對棉花蕾鈴數(shù)的影響

不同灌水處理下，水分脅迫的程度制約或促進了棉花植株的生長。棉花花鈴期一般經(jīng)歷50～70 d。該時期是棉花一生中需肥水最多的時期，水分的多少嚴(yán)重制約著蕾鈴的發(fā)育。不同灌水量處理下，2個轉(zhuǎn)基因棉花在花鈴中、末期的蕾鈴數(shù)量均有較大差異(表2)，花鈴前期無灌溉(NI)蕾鈴數(shù)與低量灌溉(LI)、高量灌溉(HI)和正常灌溉(CK)間差異較小，可能是由于NI導(dǎo)致的干旱脅迫迫使棉花過早進入花鈴期。棉花花鈴中、末期，2個品系的蕾鈴數(shù)量隨著灌水量的增多而增多，HI與CK間，只在花鈴中期24C-1有顯著差異，其余差異不顯著，這說明了水分對蕾鈴發(fā)育起到了重要作用。與CK相比，花鈴末期24C-1的鈴數(shù)在NI、LI、MI、HI中分別下降了75.8%、63.6%、45.5%、12.1%；25C-1則分別下降了60.7%、57.6%、45.5%、0%，可以看出25C-1抗旱性應(yīng)該略強于24C-1。不同灌水量處理下，25C-1具有更強的抗旱性。

2.2 不同灌水處理對棉花光合參數(shù)的影響

2.2.1 凈光合速率 隨著灌水量的增加，作物受到的水脅迫程度逐漸下降，在棉花花鈴期各時期Pn隨水份增多呈上升趨勢，2個品系表現(xiàn)一致(圖2)。本時期HI、MI、LI、NI處理的凈光合速率相對CK，24C-1分別下降了5.8%、12.4%、29.6%、44.8%；25C-1降低了4.4%、18.9%、18.7%、39.8%。花鈴前、中期Pn整體均較高，而末期較低，表明在花鈴形成的關(guān)鍵時期，棉花整體生長旺盛。NI下在整個時期內(nèi)，Pn值都只有最高值的一半上下，而LI、MI、HI、CK差異較小或不顯著，表明棉花花鈴期有較高的水分要求。結(jié)鈴期各處理間Pn差異顯著，可能與高度干旱導(dǎo)致的植株長勢情況相關(guān)。

2.2.2 氣孔限制值 水分限制了植物葉片的氣孔開合度，低水量下氣孔關(guān)閉，限制了CO2的進入，進而影響了植株光合作用，導(dǎo)致作物減產(chǎn)(圖2)。不同灌水處理下，整時期HI、MI、LI、NI處理24C-1氣孔限制值相比CK分別增加了50.0%、58.6%、95.1%、119.8%；而25C-1分別增加了34.0%、 56.5%、 64.9%、122.8%?；ㄢ徢?、中期各處理間差異明顯，而中期除NI的Ls過高，其他處理間差異不顯著。

表2 棉花不同灌水處理對花鈴期棉花蕾鈴數(shù)的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一品系不同處理在0.05水平上差異顯著。

2.2.3 光能利用率 灌水量的多少限制了棉花的光能利用率，隨著水分的增多2個品系的光能利用率均呈上升趨勢。HI、MI、LI、NI處理24C-1在花鈴期各時期的LUE平均值相對CK分別減少了5.8%、12.4%、29.6%、44.8%；25C-1分別減少了4.4%、15.4%、18.7%、39.8%。從花鈴前期開始，各時期各處理間的LUE差異隨時間延長愈發(fā)顯著。

2.2.4 水分利用效率 水分利用效率WUE是表示作物水分吸收利用過程效率的一個指標(biāo)。在花鈴前、中期5個灌水量處理間差異較小，NI的WUE總體較高，HI、MI、LI、NI處理24C-1全時期平均值相較于CK分別提高了5.1%、3.8%、1%、19.6%，25C-1則提高了1.8%、3.7%、1.0%、19.6%；而末期各處理間差異較大，HI具最高值，而CK最低，其他處理間差異較小。

2.3 不同灌水處理對棉花葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒馐侵参锕夂献饔玫膬?nèi)在表現(xiàn)，反映了植物對光吸收、光能利用和轉(zhuǎn)換的情況。光系統(tǒng)Ⅱ的最大光合效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm[13]，它反映了植物的潛在最大光能轉(zhuǎn)換效率。圖3表明，隨著灌水量增加，2個品系的Fv/Fm都呈現(xiàn)上升趨勢；相對CK，HI、MI、LI、NI處理24C-1平均值分別下降了6.2%、11.6%、17.1%、29.0%；25C-1則降低了5.6%、10.3%、17.7%、26.8%。各時期相對CK，NI和LI差異顯著或差異較大。而光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光合效率相對CK，HI、MI、LI、NI處理24C-1下降了13.6%、27.2%、60.0%、137.0%，而25C-1下降了10.9%、22.9%、44.7%、90.7%。除CK與HI間差異較小，各時期φPSⅡ差異均顯著，表明長時間不同程度的水分脅迫對光合器官形成了不同程度的損傷。

由光合作用引起的熒光淬滅稱之為光化學(xué)淬滅(photochemical quenching，qP)，反映了植物光合活性的高低。非光化學(xué)淬滅(non-photochemical quenching，NPQ)則是由熱耗散引起的熒光淬滅，反映了植物耗散過剩光能為熱能的能力，是一種自我保護機制。在整個時期，2個品系間qP變化趨勢相似，花鈴前、中期從LI開始差異顯著，末期從MI起差異顯著。全時期qP平均值，HI、MI、LI、NI處理24C-1相較于CK，分別減少了3.1%、12.8%、22.2%、41.2%；25C-1則減少了2.7%、9.0%、15.1%、22.5%。在LI(重度水分脅迫)、NI(極度水分脅迫)下qP與CK多差異顯著，表明水分脅迫對qP有影響，但低于MI才會顯著降低PSⅡ電子傳遞，使光合活性降低。NPQ處理間差異顯著，與CK比較發(fā)現(xiàn)，HI、MI、LI、NI處理24C-1的NPQ分別增加了27.5%、52.2%、97.1%、176.8%；25C-1增加了 35.0%、61.7%、103.3%、188.3%。表明隨著灌水量增多，水分脅迫壓力的減少，NPQ顯著緩解，體現(xiàn)了植物體在干旱環(huán)境中的一種自我保護機制，即使在長期的NI條件下，依然具有這種能力。

2.4 不同灌水處理對棉花產(chǎn)量的影響

產(chǎn)量是進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最終目標(biāo)，它不僅體現(xiàn)了作物品種間的優(yōu)劣，同時也體現(xiàn)天時、地利及管理的好壞與優(yōu)劣，水分作為組成產(chǎn)量最重要的影響因素之一尤為關(guān)鍵。單株鈴質(zhì)量、皮棉質(zhì)量均隨著灌水量的增加而增加，呈明顯正相關(guān)(圖4)。24C-1在HI、MI、LI、NI各灌水量梯度下單株鈴質(zhì)量較CK分別下降了6.8%、52.6%、73.4%、82.9%；而25C-1分別降低了7.2%、46.8%、65.1%、75.1%；2個品系中CK和HI均無顯著差異。皮棉產(chǎn)量總體而言隨著灌水量增加處于上升曲線，產(chǎn)量增加趨于平衡；24C-1中CK和HI無顯著差異，較CK皮棉產(chǎn)量分別降低了1.2%、17.0%、26.6%、42.7%；25C-1則分別降低了1.5%、18.1%、26.5%、32.2%。表明灌水量達(dá)到一定閾值后，對產(chǎn)量不再形成正向影響。

3 結(jié)論與討論

水分對于植物至關(guān)重要，影響著植物生長發(fā)育的整個過程。棉花在整個生育期均對水分有要求，特別是在棉花花鈴期，花鈴期是棉株營養(yǎng)生長和生殖生長都非常旺盛的時期，對水分較為嚴(yán)格，水分過多會加劇枝葉的營養(yǎng)生長，使棉田封行較早，且過于緊密，導(dǎo)致透光透風(fēng)效果差，會導(dǎo)致更嚴(yán)重的蕾鈴脫落和后期的爛鈴現(xiàn)象，影響成鈴率[14]；水分缺失則會影響葉片干物質(zhì)的積累和植株高度，從而減少蕾鈴數(shù)量，導(dǎo)致棉花減產(chǎn)。本研究表明，隨著灌水量的增多蕾鈴數(shù)呈上升趨勢，說明在花鈴期水分的多少影響了棉花蕾鈴的形成，對蕾鈴形成起正調(diào)控作用。但結(jié)鈴率則是HI大于或近似于CK，其他處理則隨著水分增多而增大，說明水分脅迫對結(jié)鈴率造成影響，但過量的水分則不利于蕾鈴穩(wěn)固，會增加蕾鈴的脫落數(shù)量和爛鈴數(shù)[15]。

光合作用是綠色植物合成有機物、維持其生命的重要途徑。光合作用受多種生態(tài)因子影響。其中的1個核心影響因子便是水分[16]。干旱肋迫導(dǎo)致光合作用下降是農(nóng)作物減產(chǎn)的重要原因[17]?？偨Y(jié)其原因可歸納為氣孔導(dǎo)度下降、呼吸作用增強、希爾反應(yīng)減弱和光合產(chǎn)物輸送受阻等。李平等研究表明，干旱導(dǎo)致棉葉凈光合速率、氣孔限制值和蒸騰速率的顯著降低[18]。Earl等研究則認(rèn)為，棉葉片光合速率的降低是氣孔因子和非氣孔因子的協(xié)同作用影響[19]。也有其他研究表明，輕度和中度水脅迫下氣孔關(guān)閉，胞間CO2濃度下降，導(dǎo)致了光合速率的降低；而長期水分脅迫則會導(dǎo)致光合器官的損傷，從而降低植物凈光合速率[20]。本試驗中花鈴前、中期總體上的WUE差異不顯著，而2個品系在CK、HI、MI時Pn和LUE差異較小，說明花鈴前、中期限是制2個棉花品系光合效率的主要因子是氣孔限制值，即水分脅迫導(dǎo)致的氣孔關(guān)閉限制了光合主要過程；相對花鈴前、中期，花鈴末期2個品系NI、LI的Ls值上升，Pn、WUE和LUE值下降，但NI、LI處理間WUE差異不顯著，說明水分差異對NI、LI處理間的Pn的影響不顯著，可能的原因是長時間的水分脅迫對光合器官造成損傷?；ㄢ徢?、中期，MI(中度水分脅迫)時，Pn呈現(xiàn)下降趨勢，Ls隨生育過程先降后升，從判斷氣孔限制和非氣孔限制的關(guān)鍵因素胞間CO2濃度分析，在超過中度水分脅迫后WUE差異較小或不顯著，氣孔限制和非氣孔限制2個因素共同限制光合作用；而在NI和LI時，土壤供水不足，光合作用的主要限制因素將從氣孔限制轉(zhuǎn)為非氣孔限制。這與薛崧等的試驗結(jié)果[21]相一致。

葉綠素?zé)晒夥从沉斯夂献饔迷醴磻?yīng)過程中光能吸收、激發(fā)能傳遞和光化學(xué)反應(yīng)等狀況[22-24]。目前科研界已基本達(dá)成共識，健康條件下，絕大多數(shù)高等植物的Fv/Fm在0.8～0.85 之間，當(dāng)Fv/Fm下降時，說明植物受到了脅迫[25]。本研究表明，隨著灌水量的增多，水分脅迫程度的持續(xù)緩解，2個轉(zhuǎn)基因品系在不同棉花花鈴時期的熒光參數(shù)Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP增加，NPQ降低，說明水分脅迫可抑制PSⅡ的光化學(xué)活性，其中比較HI和CK其Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP差異不顯著或較小，表明棉花能夠忍耐輕度水分脅迫；在LI和NI下，與CK相比熒光參數(shù)均極顯著，其中ΦPSⅡ也表現(xiàn)極大差異，與唐薇等研究認(rèn)為干旱脅迫下葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)Fv/Fm、Fv/Fo顯著降低，F(xiàn)o顯著上升，ΦPSⅡ基本不變的結(jié)果[26]不相符，可能與本研究水分脅迫的持續(xù)時間過長有關(guān)。

作物抗旱性直接制約了作物產(chǎn)量[27]。水分的多少限制了棉株的生長和發(fā)育，體現(xiàn)在了植株大小、蕾鈴數(shù)量、棉鈴大小、光合強度等方面。本研究表明，2個棉花品系單株鈴質(zhì)量和皮棉質(zhì)量均隨水分增加而呈現(xiàn)上升趨勢，但HI和CK單株鈴質(zhì)量和皮棉質(zhì)量無顯著差異，證明過多水分對產(chǎn)量性狀不產(chǎn)生正向效應(yīng)，這與前文得出的過多水分增加了蕾鈴脫落量和爛鈴率，導(dǎo)致了產(chǎn)量的輕微降低的結(jié)論相同，也與李培嶺等的研究結(jié)果[28]相同，隨著灌水量增加，易導(dǎo)致棉花營養(yǎng)生長和生殖生長不協(xié)調(diào)，表現(xiàn)為棉鈴脫落嚴(yán)重和棉花生育期的延長，導(dǎo)致棉花霜前產(chǎn)量降低。

本研究表明，隨著灌水量的增加，水分脅迫程度的緩解，棉花生長抑制程度降低，總體水分利用率變化不明顯，蕾鈴數(shù)量和凈光合速率逐漸增加，結(jié)鈴率、產(chǎn)量先增后趨于平衡。輕度水分脅迫對棉花花鈴期光合參數(shù)和熒光參數(shù)無顯著影響，長期中度水分脅迫就會明顯降低棉株是光合能力。本研究也表明棉花生產(chǎn)上適當(dāng)?shù)墓嗨纯杀ＷC棉花的正常生理所需又可以獲得高產(chǎn)，過多的灌水則有可能導(dǎo)致棉花減產(chǎn)。膜下滴灌方式可有效地保證棉花產(chǎn)量和提高水分利用效率，但精確的滴灌管理則可進一步優(yōu)化田間水利用和提高產(chǎn)量。