何飛，雍曉宇，高宏云，李笑佳，張倩，韓煥勇，林海榮，羅宏海

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】干旱是抑制作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要因素。研究表明，葉片表皮蠟質(zhì)是覆蓋在植物最外層的保護(hù)層，可有效阻止植物體內(nèi)水分的非氣孔性散失和降低蒸騰作用，對(duì)保持葉片水分含量起著重要作用[1-2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植物表皮蠟質(zhì)是由脂肪族化合物、環(huán)狀化合物以及甾醇類化合物等結(jié)晶體組成，其組分和含量隨著植物種類、年齡、生長發(fā)育、著生部位及環(huán)境的改變有較大的變化[1,3-5]。同一物種由于基因型不同，導(dǎo)致品種間蠟質(zhì)含量表現(xiàn)出明顯差異。楊昊虹等[6]以17個(gè)小麥品種為材料發(fā)現(xiàn)，不同小麥品種穗部蠟質(zhì)在成分上并無明顯差異，但蠟質(zhì)總量和各組分含量差異明顯。周玲艷等[7]通過對(duì)5個(gè)苜蓿品種的蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，不同品種蠟質(zhì)的片狀結(jié)構(gòu)存在著大小和疏密的區(qū)別。研究干旱逆境下不同品種間蠟質(zhì)含量差異形成原因，通過作物育種及栽培調(diào)控提高作物抗旱性，充分挖掘作物自身抗逆能力，實(shí)現(xiàn)作物對(duì)水分高效利用具有重要意義。植物葉片水平上的水分利用效率(WUE)是光合速率和蒸騰速率之比，是用來評(píng)價(jià)作物抗旱性高低的綜合指標(biāo)。黃玲等[8]研究發(fā)現(xiàn)，干旱條件下小麥灌漿后期葉片蠟質(zhì)含量與光合速率、葉溫、葉片水分利用效率和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；張志飛等[9]發(fā)現(xiàn)在干熱脅迫下高羊茅品種間葉片表皮蠟質(zhì)含量和水分利用效率均存在極顯著差異，葉片蠟質(zhì)含量與綜合抗旱性和水分利用效率均呈顯著正相關(guān)。因此，葉片蠟質(zhì)含量的變化會(huì)顯著影響葉片光合速率和蒸騰速率，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量及水分利用效率。【本研究切入點(diǎn)】棉花屬于耐旱性較強(qiáng)的作物，盡管強(qiáng)調(diào)蠟質(zhì)在抗旱方面的作用，但目前有關(guān)干旱對(duì)棉花葉片表皮蠟質(zhì)含量的影響研究較少，尤其是不同抗旱性棉花品種葉片蠟質(zhì)含量對(duì)干旱的響應(yīng)機(jī)制及其與水分利用效率關(guān)系的研究尚未見報(bào)道。新疆是我國最重要的優(yōu)質(zhì)棉產(chǎn)區(qū)，但近年來，隨著全球氣候變化和異常氣候的頻發(fā)干旱發(fā)生頻率和危害程度呈上升趨勢(shì)，已嚴(yán)重影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)，尤其是花鈴期季節(jié)性干旱已成為新疆棉花生產(chǎn)上最主要的自然災(zāi)害之一[10]。研究棉花抗旱的生理機(jī)制及調(diào)控技術(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】試驗(yàn)以新疆自育的抗旱性不同棉花品種新陸早22號(hào)(抗旱性強(qiáng))和新陸早17號(hào)(抗旱性弱)為試材，采用膜下滴灌技術(shù)設(shè)置正常灌溉和干旱處理，測(cè)定棉花產(chǎn)量形成期葉片蠟質(zhì)含量、凈光合速率、蒸騰速率、相對(duì)含水量及籽棉產(chǎn)量，研究不同抗旱性棉花品種蠟質(zhì)含量變化及與水分利用效率的關(guān)系，為制定合理棉花高產(chǎn)節(jié)水栽培制度和抗旱育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

選用經(jīng)抗性鑒定不同的2個(gè)棉花品種(石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供)：抗旱性強(qiáng)品種新陸早22號(hào)、抗旱性弱品種新陸早17號(hào)為試驗(yàn)材料。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年4～10月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站(45.32° N，86.05 ° E)進(jìn)行。土壤質(zhì)地為中壤土，pH為7.6，有機(jī)質(zhì)12.5 g/kg，全氮1.45 g/kg，堿解氮54.9 mg/kg，速效磷0.23 mg/kg，速效鉀149 mg/kg。

設(shè)2種水分處理：正常供水和干旱處理。其中正常供水為大田生產(chǎn)中常規(guī)滴灌量，滴灌周期為7 d，生育期總灌水量為4 800 m3/hm2；干旱處理僅滴出苗水150 m3/hm2，生育期間不進(jìn)行任何灌溉。采用水表和球閥控制滴灌量和滴灌頻率。小區(qū)面積20 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。于4月20日人工播種，田間種植方式、管道鋪設(shè)方法及管理同一般大田膜下滴灌棉花。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

1.2.2.1 表皮蠟質(zhì)含量

于7月5日第一次測(cè)定，其后每隔10 d測(cè)定一次，持續(xù)測(cè)定6次。取棉花主莖倒四葉，采用黃玲等[8]辦法測(cè)定棉花葉片蠟質(zhì)含量。在50 mL氯仿中浸泡60 s，把溶液過濾到已知重量的蒸發(fā)皿中，在通風(fēng)柜中使氯仿?lián)]發(fā)完后，再次稱重，減去蒸發(fā)皿重量，即為蠟質(zhì)含量。以單位葉面積計(jì)算蠟質(zhì)含量，每處理重復(fù)5次，取平均值。

1.2.2.2 葉片相對(duì)含水量

于7月5日第一次測(cè)定，其后每隔10 d測(cè)定一次，持續(xù)測(cè)定5次。按鄒琦[11]方法測(cè)定，取鮮葉稱其鮮質(zhì)量，然后在蒸餾水中浸泡24 h后稱飽和鮮質(zhì)量，最后在105℃下烘干稱其干重。計(jì)算公式:相對(duì)含水量(RWC，%)=[(鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)/(飽和鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)]×100%。

1.2.2.3 葉片水分利用效率

分別于6月21日、7月5日、7月19日、8月1日和8月20日，在晴朗無風(fēng)的上午，每處理隨機(jī)取5株長勢(shì)相近的健康完整的功能葉，采用LI-6400便攜式光合系統(tǒng)(Li-Cor,USA)測(cè)定凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)等指標(biāo)，由Pn/Tr計(jì)算水分利用效率(WUE)。

1.2.3 產(chǎn)量

于收獲期調(diào)查各處理每小區(qū)單位面積株數(shù)，并在每小區(qū)選擇10株長勢(shì)相近棉花，相同小區(qū)棉鈴裝于同一紙袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室分別稱量，以平均值計(jì)算單株鈴重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用DPS2000 軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，Duncan 多重比較法進(jìn)行差異顯著性分析；采用Sigmaplot11.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片蠟質(zhì)含量

研究表明，棉花葉片蠟質(zhì)含量表現(xiàn)為初花至盛花期變幅較小，盛花至盛鈴期逐漸增大，至吐絮期基本不變或略有降低。水分處理初期(初花期)，干旱處理的蠟質(zhì)含量比正常灌溉高29.5%；盛花期至吐絮期，干旱條件下新陸早22號(hào)處理蠟質(zhì)含量均顯著高于其他處理。品種間表現(xiàn)為，新陸早22號(hào)在干旱條件下盛花至吐絮期蠟質(zhì)含量比新陸早17號(hào)高14.27%，正常灌溉條件下低3.8%，差異不顯著。圖1

D：干旱處理 Drought；I：正常灌溉 Normal irrigation；22：新陸早22號(hào) Xinluzao22；17：新陸早17號(hào) Xinluzao17

圖1 不同水分條件下棉花葉片表皮蠟質(zhì)含量變化
Fig.1 Effect of different cultivars on epicuticular wax content of cotton leaves under different water treatment

2.2 葉片相對(duì)含水量

研究表明，棉花葉片相對(duì)含水量在初花至盛花期表現(xiàn)為基本不變或略有降低，盛花至盛鈴期內(nèi)逐漸增大，至吐絮期后呈下降趨勢(shì)。在不同的水分處理?xiàng)l件下，正常灌溉與干旱處理間無顯著差異。品種間表現(xiàn)為，初花期至結(jié)鈴初期內(nèi)相對(duì)含水量在品種間無顯著差異，在盛鈴期至吐絮期，新陸早22號(hào)較新陸早17號(hào)高出13.1%，差異顯著。圖2

2.3 葉片水分利用效率

研究表明，凈光合速率(Pn)從盛蕾期到初花期內(nèi)變化較為平緩，盛花至吐絮期呈下降趨勢(shì)。初花期，干旱處理的Pn較正常灌溉處理高4.12%；盛花至吐絮期，正常灌溉處理下棉花的Pn較干旱處理高20.71%。品種間表現(xiàn)為，新陸早22號(hào)在正常灌溉條件下較新陸早17號(hào)高出3.84%，在干旱條件下高出0.53%，差異不顯著。

在盛蕾期到吐絮期內(nèi)，干旱條件下新陸早22號(hào)的蒸騰速率(Tr)始終保持下降趨勢(shì)；正常灌溉下新陸早22號(hào)和新陸早17號(hào)、干旱條件下新陸早17號(hào)在盛蕾期到初花期內(nèi)基本不變或略有增長，其后持續(xù)降低。不同水分處理?xiàng)l件下，在盛蕾期到初花期內(nèi)，干旱處理較正常灌溉處理低5.6%；在盛花期到吐絮期內(nèi)，干旱處理比正常灌溉處理低32.53%。品種間表現(xiàn)為，正常灌溉條件下新陸早17號(hào)比新陸早22號(hào)高1.16%；干旱條件下，新陸早17號(hào)比新陸早22號(hào)高5.43%，差異不顯著。

水分利用效率(WUE)是作物生長及生產(chǎn)的一個(gè)重要綜合指標(biāo)，其值大小取決于光合速率和蒸騰速率。棉花水分利用效率(WUE)表現(xiàn)為，在盛蕾期到初花期內(nèi)，葉片的水分利用效率基本保持不變或略有下降；在盛花期到吐絮期逐漸升高。在水分處理初期(盛蕾期到初花期)，干旱處理的WUE較正常灌溉處理提高了11.59%；在盛花期到吐絮期，干旱處理的WUE較正常灌溉處理高出18.59%。品種間表現(xiàn)為，在正常灌溉處理下，新陸早22號(hào)的WUE比新陸早17號(hào)提高14.21%；在干旱處理下，新陸早22號(hào)比新陸早17號(hào)高5.41%。差異不顯著。圖3

圖2 不同水分條件下不同棉花品種葉片相對(duì)含水量(RWC)變化
Fig.2 Effect of different cultivars on relative water content of cotton leaves under different water treatment

圖3 不同水分條件下不同棉花品種葉片WUE、Tr、Pn變化
Fig.3 Effect of different cultivars on WUE、Tr、Pn under different water treatment

2.4 葉片蠟質(zhì)含量與葉片相對(duì)含水量、水分利用效率的關(guān)系

研究表明，棉花葉片表皮蠟質(zhì)含量與水分利用效率、RWC呈顯著正相關(guān)，蠟質(zhì)含量的增加有利于保持葉片水分含量。棉花葉片表皮蠟質(zhì)含量與Tr、Pn呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中Tr的負(fù)相關(guān)系數(shù)高于Pn，表明蠟質(zhì)含量的增加同時(shí)抑制了葉片Pn和Tr，但對(duì)Tr的抑制強(qiáng)度更高，減少了水分無效散失，進(jìn)而保證了較高的WUE。圖4

2.5 棉花籽棉產(chǎn)量

研究表明，與正常灌溉相比，干旱脅迫顯著降低了棉花籽棉產(chǎn)量。不同品種對(duì)水分處理的響應(yīng)不同，其中在正常灌溉條件下，籽棉產(chǎn)量在新陸早22號(hào)和新陸早17號(hào)間無明顯差異；干旱條件下，新陸早22號(hào)的籽棉產(chǎn)量比新陸早17號(hào)高41.38%，差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)，新陸早22號(hào)較新陸早17號(hào)具有較強(qiáng)的抗旱性。圖5

圖4 蠟質(zhì)含量與水分利用效率、相對(duì)含水量關(guān)系
Fig.4 Correlation of among wax content、WUE and RWC

圖5 不同水分條件下不同棉花品種籽棉產(chǎn)量變化
Fig.5 Effect of different cultivars on cotton yield under different water treatment

3 討 論

棉花產(chǎn)量受眾多因素的影響，水分不足是限制棉花產(chǎn)量的重要因子之一[12,13]。干旱脅迫影響棉花葉片的正常生理代謝，最終影響棉花干物質(zhì)的積累以及產(chǎn)量的形成[14-17]。試驗(yàn)結(jié)果表明，與正常灌溉相比，干旱顯著降低了棉花籽棉產(chǎn)量，其中干旱條件下新陸早22號(hào)的產(chǎn)量比新陸早17號(hào)高41.38%，達(dá)到了顯著性水平(P<0.05)，表明不同品種對(duì)干旱的適應(yīng)不同，通過挖掘抗旱性品種潛力或選育抗旱性品種對(duì)實(shí)現(xiàn)干旱地區(qū)棉花節(jié)水高產(chǎn)具有重要意義。

一般認(rèn)為，作物產(chǎn)量的高低直接受水分利用效率的影響。黃玲等[8]研究發(fā)現(xiàn)，小麥產(chǎn)量與水分利效率之間呈正相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，干旱條件下新陸早22號(hào)的水分利用效率、相對(duì)含水量比新陸早17號(hào)分別高8.1%和13.1%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，即產(chǎn)量高的品種水分利用效率和相對(duì)含水量也高；而在正常灌溉條件下，新陸早22號(hào)的水分利用效率高出新陸早17號(hào)18.1%，差異也達(dá)到顯著水平(P<0.05)。水分利用效率(WUE)由光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)的比值決定。試驗(yàn)表明，在干旱脅迫條件下，棉花葉片的Pn和Tr均下降，但是由于氣孔的調(diào)控，抗旱品種的蒸騰速率較水分敏感品種下降快，而Pn下降基本一致，這與黃玲等[8]研究結(jié)果相符合，抗旱品種主要通過提高葉片保水能力，且能較大幅度降低自身蒸騰速率，從而提高植株的水分利用效率。

棉花葉片表皮蠟質(zhì)為其與外界環(huán)境的第一道屏障，對(duì)抵御葉片水分散失有重要作用。一般認(rèn)為，植物通過分泌蠟質(zhì)到植物角質(zhì)層表面和內(nèi)部，表皮蠟質(zhì)作為致密的保護(hù)層，嚴(yán)格限制葉片的水分散失，進(jìn)而提高葉片內(nèi)部的保水能力[18]。Richards等在溫室條件下發(fā)現(xiàn)，蠟質(zhì)含量增加可以提高小麥光合作用與蒸騰作用的比例，降低葉片表面溫度，同時(shí)減少夜間水分的蒸發(fā)，提高水分利用率[19]。研究發(fā)現(xiàn)抗旱品種新陸早22號(hào)的葉片表皮蠟質(zhì)含量較水分敏感品種新陸早17號(hào)的高，且蠟質(zhì)含量與水分利用效率和相對(duì)含水量均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.89和0.7。這與Richards等的結(jié)果一致，驗(yàn)證了棉花葉片表皮蠟質(zhì)含量可在降低葉片蒸騰速率的同時(shí)又增強(qiáng)其保水能力，進(jìn)而提高葉片的相對(duì)含水量和水分利用效率，使植株具有較強(qiáng)的抗旱性。

表皮蠟質(zhì)含量對(duì)提高植物的抗旱性有積極的意義，從苜蓿[7]、小麥[8]、高羊茅[9]等多種植物中得到驗(yàn)證，但Vogg[20]認(rèn)為蠟質(zhì)含量的高低是由遺傳差異造成的，而與植株蒸騰作用沒有相關(guān)性，影響植株對(duì)非生物脅迫適應(yīng)能力的因素是表皮蠟質(zhì)成分而非含量，植物表皮蠟質(zhì)成分組成可以直接影響水分散失的快慢。表皮蠟質(zhì)提高植株抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的問題，要明確棉花不同時(shí)期表皮蠟質(zhì)組分含量變化與抗旱性之間的關(guān)系，尚需要做進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

與正常灌溉相比，干旱處理顯著降低了棉花籽棉產(chǎn)量。不同品種對(duì)水分處理反應(yīng)不同，正常灌溉下新陸早22號(hào)與新陸早17號(hào)的棉花籽棉產(chǎn)量、葉片蠟質(zhì)含量、RWC和WUE均無明顯差異，但干旱條件下新陸早22號(hào)的籽棉產(chǎn)量、葉片蠟質(zhì)含量、RWC和WUE均顯著高于新陸早17號(hào)。棉花葉片表皮蠟質(zhì)含量與RWC呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與Tr、Pn呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Tr的負(fù)相關(guān)系數(shù)高于Pn?？购敌詮?qiáng)棉花品種主要通過增加盛花期到吐絮期內(nèi)葉片蠟質(zhì)含量，降低葉片蒸騰耗水，維持較高的RWC，進(jìn)而提高WUE及籽棉產(chǎn)量。