秘雅迪, 李 慧, 馮海平, 周子岳, 劉連濤,張永江, 白志英,2, 孫紅春**

(1.河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/省部共建華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室/河北省作物生長調(diào)控重點實驗室 保定 071001;2.河北農(nóng)業(yè)大學生命科學學院 保定 071001)

棉花(Gossypium hirsutumL.)是重要的經(jīng)濟作物。為“不與糧爭田”, 我國棉業(yè)擴大鹽堿和旱地植棉面積, 實現(xiàn)節(jié)水、輕簡化栽培[1-2]。適當晚播、合理密植可以顯著改善作物水分利用效率[3]; 增加密度可以使棉花果枝變短, 株型更為緊湊, 集中吐絮,塑造適合機械采收的株型[4], 對提高棉花生產(chǎn)效益具有重要意義。

通過調(diào)整種植密度來影響植株由營養(yǎng)生長向生殖生長進度, 從而調(diào)控花芽分化進程, 對不同熟性棉花生長發(fā)育進程、產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生重要影響[5-6]。棉花花芽分化是從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長的重要標志[7]。Li等[8]研究表明, 隨種植密度增加, 棉花第一果枝節(jié)位出現(xiàn)時間推遲; 支曉宇等[9]研究表明, 隨種植密度的增加, 棉花營養(yǎng)器官干物質(zhì)分配比例提高;Wen等[10]研究表明, 調(diào)虧灌溉處理下, 棉花植株的營養(yǎng)生長受到抑制, 進入生殖生長階段時間提早?？梢?調(diào)控水分和種植密度是棉花輕簡化栽培的重要技術手段。花芽分化的起始是棉花由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長的關鍵基礎階段。目前關于棉花花芽分化研究集中在品種熟性及遺傳機理等方面[11-12], 協(xié)調(diào)營養(yǎng)生長和生殖生長關系的研究多集中于中后期[13-14], 通過栽培技術手段對棉苗花芽分化的影響研究較少。

植物激素對植物花芽分化的調(diào)控機制十分復雜。植物內(nèi)源激素含量及平衡狀態(tài)通過調(diào)控能量和營養(yǎng)物質(zhì)代謝(碳水化合物、含氮化合物等), 對棉花花芽分化產(chǎn)生較大影響[15]; 激素的多少與運轉(zhuǎn)方向又受體內(nèi)物質(zhì)代謝、營養(yǎng)水平及外界自然條件、栽培技術措施的影響[8,16]。大量研究表明, 可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖的積累有利于花芽分化[17]。鄧永勝等[11]研究表明, 在棉花花芽分化中, 更高的碳氮比是加快完成分化的生理代謝基礎。同樣, 花芽分化也是由多種內(nèi)源激素共同調(diào)節(jié)完成的[18]。任桂杰等[19]研究表明, ABA/IAA、GA3/IAA、CTK/IAA等比值均在棉花花芽分化中起重要的調(diào)控作用。Fang等[20]研究表明, ZR和GA3含量降低可延緩花芽分化, IAA含量減少也可能加速棉花花芽分化。可見, 營養(yǎng)物質(zhì)與激素之間對花芽分化的關系錯綜復雜, 互為因果。而目前關于激素平衡控制花芽分化假說和C/N比學說僅提出了花芽分化期間各種激素和營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控作用,關于種植密度和水分對信號物質(zhì)影響的研究多表現(xiàn)為單一因素調(diào)控[11,15], 而棉花第一朵花的原基開始分化通常在其第2片真葉或者第3片真葉展平時[21],因此, 對棉花早期花芽分化過程中起決定性作用的因素還需進一步探索。

本試驗基于黃河流域棉區(qū)輕簡化栽培模式, 通過水分和種植密度互作效應, 采用棉花花芽分化微觀結構觀察、營養(yǎng)物質(zhì)分析與激素分析相結合等方法, 研究棉花花芽分化早期可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖及內(nèi)源激素含量的調(diào)控效應, 為黃河流域棉花節(jié)水、輕簡化栽培模式提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年在河北農(nóng)業(yè)大學清苑試驗站(E115°47′, N38°76′)進行, 該地屬暖溫帶季風氣候,土質(zhì)為壤土。試驗地有機質(zhì)含量13.73 g·kg-1, 全氮0.94 g·kg-1, 堿解氮74.54 mg·kg-1, 速效磷12.83 mg·kg-1,速效鉀110 mg·kg-1。

本試驗供試棉花品種為‘農(nóng)大601’, 于5月4日播種, 播前底施復合肥375 kg·hm-2。采取二因素裂區(qū)設計方法, 主區(qū)為土壤水分處理, 從底墑水開始進行差異處理, 設充分灌溉(對照, CK)量為900 m3·hm-2和干旱(D)處理灌溉量為450 m3·hm-2,土壤含水量設置見表1。副區(qū)為密度, 設6萬株·hm-2(低密度)、9萬株·hm-2(中密度)和12萬株·hm-2(高密度) 3個水平。在棉花第1片真葉展平之前間苗, 間苗前密度為設定的2倍左右。共6個處理, 簡寫為CK-6、CK-9、CK-12、D-6、D-9和D-12。每個處理3個重復, 小區(qū)面積為120 m2, 行距為0.76 m,其他管理措施同常規(guī)試驗田。

表1 不同水分處理棉花2葉期和6葉期不同土層田間土壤相對含水量Table 1 Relative water contents (percentage of field capacity)of different soil layers at 2-leaf stage and 6-leaf stage of cotton under different water treatments

1.2 樣品采集與測定

分別于棉花2葉期和3葉期取莖尖生長點, 每個處理10個樣品, 兩個小區(qū)重復。FAA固定, 用于花芽分化微觀結構觀察; 稱取若干數(shù)量的棉花莖尖生長點0.1 g和0.2 g備用, 液氮速凍后-80 ℃冰箱保存, 用于可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和內(nèi)源激素含量的測定。

棉花花芽分化微觀結構觀察參照楊捷頻[22]的傳統(tǒng)石蠟切片法。流程如下: FAA固定→脫水→透明→浸蠟→包埋→切片→脫蠟→番紅固綠染色→封片。

參考鄒琦[23]的方法, 用傳統(tǒng)考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白質(zhì)含量; 采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量, 由南京建成生物工程研究所試劑盒測定。

測定的內(nèi)源激素包括IAA、ABA、GA3和ZR, 采用酶聯(lián)免疫法, 由中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院作物化控研究中心測定。

生長速度分別用現(xiàn)蕾節(jié)位或始果枝節(jié)高度/現(xiàn)蕾時所需天數(shù)計算。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用MS Excel 2010和SPSS 21.0進行數(shù)據(jù)分析,采用最小顯著差異法(LSD)進行差異顯著性檢驗(α＝0.05)。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量和種植密度對棉花花芽形態(tài)分化的影響

不同土壤含水量和種植密度處理下, 棉花2～3葉期的微觀結構如圖1所示。2～3葉期時, 棉花莖尖生長點由生長錐型逐漸變扁平, 細胞密集程度變平緩。2～3葉期時, 隨著種植密度的增加, 棉花莖尖生長點的橫縱比變小(表2), 說明隨種植密度增加, 生長點的分化速度變緩慢; 但高密度有利于棉花營養(yǎng)生長, 棉花節(jié)位和縱向生長速度較快(表3); 干旱處理與對照組相比, 莖尖生長點的橫縱比變化差異不顯著(表2), 但減緩了棉苗的節(jié)位和縱向生長速度(表3)。隨種植密度的增加, 棉花現(xiàn)蕾節(jié)位提高, 始果枝節(jié)高度顯著提高, 生長點分化速度較緩慢; 干旱處理棉花現(xiàn)蕾節(jié)位相對降低, 始果枝節(jié)高度變低,但加快了生長點分化速度; 水分和種植密度對棉花始果枝節(jié)高度的互作效應顯著, CK-9和CK-12處理顯著高于其他處理(表3)。

表2 不同土壤含水量及種植密度處理對棉花莖尖生長點橫縱比的影響Table 2 Effect of different soil water content and planting density treatments on the aspect ratio of cotton shoot apical meristem

表3 不同土壤含水量及種植密度處理對棉花莖尖生長點分化速度的影響Table 3 Effect of different soil water content and planting density treatments on the differentiation process of cotton shoot apical meristem

2.2 土壤含水量和種植密度對棉花莖尖生長點可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖含量的調(diào)控效應

棉花2～3葉期莖尖生長點的可溶性蛋白質(zhì)含量有一定的變化(圖2A)。2葉期時, D-6處理棉花莖尖生長點的可溶性蛋白質(zhì)含量均顯著高于其他處理;D-9、D-12處理棉花莖尖生長點的可溶性蛋白質(zhì)含量顯著降低。3葉期時, 不同處理的可溶性蛋白質(zhì)含量無顯著差異。

不同土壤水分和種植密度對2～3葉期棉花可溶性糖含量產(chǎn)生一定的影響(圖2B)。2葉期時, D-6處理棉花莖尖生長點的可溶性糖含量均顯著高于其他處理。3葉期時, 各處理的可溶性糖含量顯著增加,CK-6處理增幅最大。

2.3 土壤含水量和種植密度對棉花莖尖生長點不同內(nèi)源激素的影響

2.3.1 對內(nèi)源激素含量的影響

不同處理下棉花花芽分化起始時的內(nèi)源激素含量變化如圖3所示。2葉期時, CK處理3個種植密度下棉花莖尖生長點IAA含量高于D處理, 但未達顯著水平。隨著種植密度的增加, 干旱處理下棉花莖尖生長點內(nèi)源激素ABA含量逐漸降低, 而CK-12處理下內(nèi)源激素ABA含量最高。CK-9處理棉花花芽中ZR含量最高, D-6處理ZR含量最低; D-6處理GA3含量顯著增加。

3葉期時, D-9處理棉花花芽內(nèi)源激素IAA含量顯著低于其他處理, CK-9和D-9處理內(nèi)源激素GA3含量低于其他處理, 高密度D-12處理棉花莖尖生長點內(nèi)源激素ABA含量顯著高于其他處理。

2.3.2 對不同內(nèi)源激素比例的影響

棉花莖尖生長點不同內(nèi)源激素含量比例對花芽分化產(chǎn)生不同影響, 結果如圖4所示。在2葉或3葉期, 同一處理下棉花莖尖生長點的內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值變化趨勢基本相同。2葉期時, CK-9處理棉花內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值顯著高于另外兩個密度處理; 干旱處理下隨著種植密度的增加, 內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值呈增加趨勢。2葉期D-6處理棉花生長點內(nèi)源激素GA3/ABA比值高于其他處理, D-9處理最低。

3葉期時, 棉花各處理莖尖生長點內(nèi)源激素比值變化與2葉期表現(xiàn)不一致, CK-12和D-12處理棉花莖尖生長點IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值顯著低于其他處理(IAA/ABA D-12處理除外), GA3/ABA比值高于其他處理。

2.4 土壤含水量和種植密度對棉花莖尖生長點影響的主成分分析

對棉花花芽分化起始階段的各個指標進行主成分分析, 得出 3個主成分, 其累計貢獻率可達89.83%。不同時期的主成分得分矩陣如表4所示。主成分1中, 可溶性蛋白質(zhì)、ZR、GA3和ABA含量及IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值對花芽分化調(diào)控效應較大; 在主成分2中, 無論2葉期還是3葉期, 對棉花花芽分化正效應影響最大的是IAA含量; 主成分3中, 2葉期時可溶性糖含量變化對棉花花芽分化正效應影響最大, 3葉期時可溶性糖含量和ZR含量對棉花花芽分化正效應影響最大。因此, 在棉花花芽分化起始過程中, 莖尖生長點可溶性糖含量、內(nèi)源激素IAA和ZR含量對花芽分化起始影響較為顯著。

表4 不同時期棉花莖尖生長點可溶性糖、蛋白質(zhì)及內(nèi)源激素含量的主成分分析得分系數(shù)矩陣Table 4 Principal component analysis score coefficient matrix of soluble sugar, protein and endogenous hormones contents in cotton shoot apical meristem at two- and three-leaf stages

3 討論

3.1 土壤含水量和種植密度對棉花花芽分化進程的影響

土壤含水量和種植密度均改變了棉花花芽分化進程, 協(xié)調(diào)營養(yǎng)生長與生殖生長, 進而對第一果枝形成與始節(jié)高度產(chǎn)生影響[24]。高密度群體下, 植株避蔭反應誘導植物體形態(tài)特征改變, 如促進葉柄伸長和提早開花[25]。在黃河流域棉區(qū), 種植密度由6.75萬株·hm-2提高到12萬株·hm-2, 第一果枝節(jié)高度顯著增加[26]。大豆[Glycine max(L.) Merr.]在高密度條件下, 控制中部節(jié)間長度, 增加植株中、上部節(jié)的成花數(shù), 從而提高產(chǎn)量[27]。本試驗結果表明, 隨著種植密度的增加, 棉花莖尖生長點橫縱比降低, 分化速度減慢, 現(xiàn)蕾節(jié)位提高, 始果枝節(jié)高度顯著增加, 縱向生長速度較快。與對照相比, 干旱加快莖尖生長點的分化速度, 但減緩生長速度, 現(xiàn)蕾節(jié)位降低,始果枝節(jié)高度顯著降低, 可見土壤含水量和密度綜合效應明顯。因此, 隨著種植密度的增加, 棉花花芽分化適當推遲, 可延遲現(xiàn)蕾開花時間, 增強后期長勢, 避免誘發(fā)早衰, 有利于棉花達到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

3.2 土壤含水量和種植密度對棉花莖尖生長點營養(yǎng)物質(zhì)與內(nèi)源激素的調(diào)控效應

在棉花生育進程的調(diào)節(jié)中, 營養(yǎng)物質(zhì)與各種內(nèi)源激素相互協(xié)調(diào)發(fā)揮著重要作用[15-19]。碳和氮是花芽分化的前提和基礎, 也是花芽分化的重要營養(yǎng)和能量來源。在花芽分化過程中, 可溶性糖和淀粉含量的積累有利于花器官的形成, C/N值增長幅度越大,分化率越大[28]。在花芽分化開始時棉花頂芽中具有較高的可溶性糖和蔗糖含量[20]。本試驗結果表明, 2葉期時, 干旱條件下低密度處理棉花莖尖生長點的可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖含量顯著高于其他處理,橫縱比高, 分化速度快; 隨著生育進程的推進, 各處理莖尖生長點可溶性蛋白質(zhì)含量降低, 可溶性糖含量增加, 有利于花芽分化的進行。

前人研究表明, 在棉花中, 更高水平的GA3、ZR及ABA含量, 低水平IAA含量均有利于花芽分化[29]。本試驗結果表明, D-6處理ZR含量有一定上升是花芽分化起始的關鍵, GA3含量變化不大。此外對水分供應與棉花花芽分化過程中的激素水平研究表明, 水分脅迫下, ABA含量增加, 促進植株的開花提早[30]。本試驗表明, 高密度條件下, 棉花莖尖生長點內(nèi)源激素ABA含量增加, 對棉花分化進程有抑制作用, 與前人研究結果不盡一致[31]。

內(nèi)源激素對花芽分化的調(diào)控并不決定于單一的激素, 而是依賴于不同激素的動態(tài)平衡, 即不同激素的比值變化[32]。較低的ABA/GA3、IAA/GA3和IAA/ABA有利于西紅花(Crocus sativusL.)從營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)變[33]; 內(nèi)源激素GA3/IAA、ABA/IAA比值有利于棉花花芽分化起始[11]; 在分化過程中, ABA/IAA、GA3/IAA和CTK/IAA均表現(xiàn)出先上升后下降, 最后趨于平衡的狀態(tài)[8]。而本試驗結果表明, 干旱條件下隨著密度的降低, 內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA呈降低趨勢, 有利于棉花莖尖生長點分化。

關于植物花芽分化規(guī)律的調(diào)控因子研究結果各異: 前人研究表明, 適度干旱條件下, 合適的C/N和ABA/IAA可促進草莓(Fragaria ananassaDuch.)花芽分化[34]; 也有研究認為IAA、ABA含量和可溶性糖含量指標對石蒜[Lycoris radiata(L’Her.) Herb.]花芽分化影響最大[35]。本研究表明, 在棉花花芽分化起始階段, 莖尖生長點的可溶性糖含量、內(nèi)源激素IAA和ZR含量對花芽分化調(diào)控效應最顯著。

4 結論

土壤含水量和密度均改變棉花花芽分化進程,干旱與對照相比, 降低了現(xiàn)蕾節(jié)位與始果枝節(jié)高度,干旱條件下密度為6萬株·hm-2處理棉苗莖尖生長點可溶性蛋白含量、可溶性糖含量最高, ZR含量較低,有利于花芽分化; 密度增加, 莖尖生長點橫縱比變小, 現(xiàn)蕾節(jié)位與始果枝節(jié)高度會增加, 減緩了花芽分化速度, 內(nèi)源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+ GA3)/ABA比值呈增加趨勢, 不利于花芽分化; 隨著生育進程的推進, 莖尖生長點的可溶性蛋白含量降低、可溶性糖與內(nèi)源激素ZR含量增加,有利于花芽分化的進行?？偟膩碚f, 可溶性糖含量與內(nèi)源激素ZR含量對花芽分化調(diào)控效應最顯著,為調(diào)控棉苗花芽分化提供理論依據(jù)。