鄧曉雷，潘晶晶，祝水金，陳進(jìn)紅

(浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310058)

棉花是重要的經(jīng)濟(jì)作物，其纖維是主要的紡織原料，而棉籽用途廣泛，既是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料(種子)又是重要的加工原料(植物油、植物蛋白等)，其纖維品質(zhì)和棉籽營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)除受品種遺傳特性(基因型)控制以外［1－4］，不同環(huán)境條件下生產(chǎn)的棉纖維和棉籽營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)亦有明顯的差異［5－6］。在眾多的氣候因子中，許多研究都表明溫度是影響棉鈴生長(zhǎng)發(fā)育最為重要的因子，對(duì)纖維品質(zhì)和棉籽營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)起著決定性的作用［7－10］。棉花是喜溫作物，棉鈴發(fā)育的最適溫度在30℃左右，上限溫度在35℃左右。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，伏桃(7月16日至8月15日開花的棉鈴)在三桃中比例最大，是棉花產(chǎn)量的主要組成。但近年來，全球氣候劇烈變化，已成為人類面臨的最大威脅。

目前，關(guān)于溫度對(duì)棉鈴發(fā)育、纖維品質(zhì)和棉籽營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響已有較多的研究，但大多是通過不同生態(tài)區(qū)或不同開花期營(yíng)造不同的環(huán)境溫度，分析正常氣候條件下溫度對(duì)棉花生產(chǎn)的影響，且大多集中于低溫對(duì)棉鈴發(fā)育生理、纖維和棉籽營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的影響［11－14］，對(duì)極端高溫與棉纖維和棉籽營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)之間關(guān)系的直接研究較少，尤其是對(duì)轉(zhuǎn)基因棉花種質(zhì)的高溫適應(yīng)性反應(yīng)研究更少。轉(zhuǎn)iaaM基因種質(zhì)IF11是我國(guó)培育的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代轉(zhuǎn)基因棉花種質(zhì)，具有提高衣分的特點(diǎn)，目前已被國(guó)內(nèi)眾多棉花育種單位作為優(yōu)異種質(zhì)用于培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)棉花新品種。但有關(guān)IF11的逆境(高溫)適應(yīng)性研究還未有報(bào)道。

2013年，浙江省從7月下旬開始至8月18日持續(xù)晴熱高溫天氣，受晴熱高溫干旱的影響，正值花鈴的棉花生長(zhǎng)特別是產(chǎn)量與品質(zhì)性狀受到明顯的影響。本研究以陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1與轉(zhuǎn)iaaM基因種質(zhì)IF11及其相同遺傳背景的IF11(無)為試驗(yàn)材料，對(duì)比分析轉(zhuǎn)iaaM基因棉花種質(zhì)在2013年極端高溫條件下其棉鈴產(chǎn)量性狀與纖維和棉仁營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的變化，探究轉(zhuǎn)iaaM基因種質(zhì)(IF11)在高溫逆境下的產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀，從而了解轉(zhuǎn)iaaM基因棉花種質(zhì)對(duì)高溫的響應(yīng)特點(diǎn)，旨在為高溫逆境下改善棉纖維和棉仁營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及轉(zhuǎn)iaaM基因種質(zhì)的利用提供參考。

1 材料與方法

1．1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2012與2013年在浙江大學(xué)紫金港校區(qū)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，以陸地棉(Gossypium hirsutum L．)標(biāo)準(zhǔn)系TM-1、轉(zhuǎn)iaaM基因種質(zhì)IF11(由西南大學(xué)培育的轉(zhuǎn)iaaM基因棉花種質(zhì))及其相同遺傳背景的IF11(無)為試驗(yàn)材料。兩年試驗(yàn)均在同一試驗(yàn)地進(jìn)行，且均在當(dāng)年5月5日播種(穴播)，行距 50 cm，株距 30 cm，小區(qū)面積 18 m2，2片真葉時(shí)間苗、定苗，3次重復(fù)。肥水管理等均與生產(chǎn)上棉花常規(guī)高產(chǎn)栽培相同，且年度間田間管理相同。

在盛花期分別對(duì)當(dāng)日花進(jìn)行掛牌標(biāo)記，并于9月上中旬收取帶標(biāo)記的30個(gè)成熟棉鈴的籽棉，供分析測(cè)定。

1．2 測(cè)定分析項(xiàng)目與方法

分離棉籽和纖維后稱取質(zhì)量測(cè)定衣分，棉籽脫絨后測(cè)定籽指和仁指。棉仁磨粉后過80目篩，采用索氏提取法測(cè)定棉籽粗脂肪含量，凱氏定氮法測(cè)定棉籽蛋白含量，高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定棉酚含量，氣相色譜法(GC)測(cè)定脂肪酸組分含量。棉纖維樣品送至農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心測(cè)定纖維長(zhǎng)度、馬克隆值、整齊度、伸長(zhǎng)率、斷裂比強(qiáng)度等纖維品質(zhì)指標(biāo)。

1．3 氣象數(shù)據(jù)來源

根據(jù)浙江省氣象臺(tái)觀測(cè)發(fā)布的杭州市溫度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)。其中2012年棉花鈴期(始花至花后40 d)的日平均氣溫為27.8℃，日最高氣溫出現(xiàn)在8月18日為37.5℃，氣溫高于37℃的天數(shù)為5 d，高于40℃的天數(shù)為0 d;2013年棉花鈴期的日平均氣溫為31.9℃，日最高氣溫出現(xiàn)在8月9日為41.6℃，氣溫高于37℃的天數(shù)為25 d，高于40℃的天數(shù)為13 d。

1．4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel、SPSS Statistics軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 鈴期極端高溫對(duì)棉花產(chǎn)量性狀的影響

表1的數(shù)據(jù)顯示:與2012年相比，2013年在極端高溫條件下，3個(gè)材料的棉鈴產(chǎn)量性狀(單鈴質(zhì)量、籽指和仁指)都有明顯的差異。除衣分的變化趨勢(shì)不同外，高溫條件下導(dǎo)致單鈴質(zhì)量、籽指和仁指明顯下降，同一品種兩年之間的差異極顯著。

對(duì)棉鈴產(chǎn)量性狀與日均溫的相關(guān)性分析也表明，日均溫(Td)與籽指、仁指呈顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為－0.908與－0.867;單鈴質(zhì)量、衣分與Td也呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著(相關(guān)系數(shù)分別為－0.789和－0.038)。

2．2 鈴期極端高溫對(duì)棉花纖維品質(zhì)的影響

從表2可以看出，極端高溫對(duì)纖維長(zhǎng)度、馬克隆值和斷裂比強(qiáng)度的影響明顯。極端高溫導(dǎo)致3個(gè)材料的棉纖維長(zhǎng)度降低，TM-1、IF11和IF11(無)分別比2012年減少了6.28%、5.01%和3.78%。已有研究表明，纖維長(zhǎng)度高度依賴于纖維伸長(zhǎng)前期的環(huán)境溫度［16－17］，當(dāng)溫度高于適合棉鈴發(fā)育的最佳溫度時(shí)，纖維長(zhǎng)度降低［5，18］。根據(jù)開花期推算，溫度異常偏高的8月上中旬，正是棉纖維處于伸長(zhǎng)期(花后15～25 d)的時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果相一致。

馬克隆值是纖維成熟度和細(xì)度的一個(gè)綜合指標(biāo)。陸地棉纖維麥克隆值3.5～4.9為商業(yè)可接受范圍，其中，3.7～4.2屬A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，符合紡中高或中支紗的要求;3.5～3.6、4.3～4.9屬B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍，符合紡中低或低支紗的要求，3.5以下和5.0以上屬C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍。結(jié)果表明，3個(gè)材料的馬克隆值變化趨勢(shì)不一。極端高溫條件下，TM-1的馬克隆值明顯降低，等級(jí)從A級(jí)跌出C級(jí)，IF11的馬克隆值增加，從A級(jí)降到B級(jí)，而IF11(無)的馬克隆值雖有所降低，但等級(jí)未變。這與前人的研究結(jié)果有些出入，Gipson等［17］、Davidonis等［19］認(rèn)為較高的夜溫會(huì)促進(jìn)纖維馬克隆值提高。這可能與品種之間馬克隆值存在溫度敏感性差異有關(guān)。

表1 鈴期不同氣溫條件下棉鈴產(chǎn)量性狀的變化Table 1 Changes of boll yield traits under different temperature conditions in bolling stage of cotton

表2 鈴期不同氣溫條件下棉纖維品質(zhì)的變化Table 2 Changes of fiber quality under different temperature conditions in bolling stage of cotton

纖維斷裂比強(qiáng)度反映了纖維次生壁加厚和纖維成熟的程度。研究結(jié)果表明，極端高溫顯著降低品種的纖維比強(qiáng)度。與2012年相比，3個(gè)材料的斷裂比強(qiáng)度分別降低了22.26%、6.54%和1.21%，其中 IF11(無)降低的幅度最小。纖維比強(qiáng)度形成的溫度敏感性已廣為認(rèn)同，已有研究結(jié)果表明纖維斷裂比強(qiáng)度隨溫度下降而降低［9，12－15］。本試驗(yàn)結(jié)果與前人不同，可能是由于研究所涉及的溫度范圍不同。

對(duì)棉纖維品質(zhì)和日均溫的相關(guān)性分析表明，纖維長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度與Td呈負(fù)相關(guān)，而馬克隆值與Td呈正相關(guān)，但三者與溫度的相關(guān)性均不顯著。

2．3 鈴期極端高溫對(duì)棉仁營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

2．3.1 棉仁蛋白質(zhì)、粗脂肪、棉酚含量的變化

對(duì)棉仁蛋白質(zhì)、粗脂肪和棉酚含量的分析表明(表 3)。與 2012年相比，2013年 TM-1和IF11(無)的蛋白含量有極顯著的增加，而IF11蛋白含量略有下降，但差異不顯著;相反，TM-1、IF11(無)粗脂肪含量極顯著下降，IF11粗脂肪含量極顯著增加。這說明極端高溫對(duì)棉仁蛋白質(zhì)和粗脂肪含量的影響因品種特性的不同而不同。3個(gè)材料之間棉酚含量差異明顯，但高溫條件下三者的變化趨勢(shì)一致，極端高溫導(dǎo)致棉仁棉酚含量降低，降低的幅度 IF11＞TM-1＞IF11(無)。棉籽蛋白質(zhì)、粗脂肪和棉酚含量與鈴期日均溫的相關(guān)性分析也表明，棉籽棉酚含量與Td呈顯著的負(fù)相關(guān)性。

2．3.2 棉籽脂肪酸組分含量的變化

氣相色譜法測(cè)定棉籽脂肪酸，用峰面積歸一法確定脂肪酸組分的相對(duì)含量。將棉仁樣品色譜圖(圖2)與11種組分脂肪酸甲酯混標(biāo)色譜圖(圖1)對(duì)比可知，棉籽脂肪酸主要由棕櫚酸(C16∶0)、硬脂酸(C18∶0)、油酸(C18∶1)和亞油酸(C18∶2)組成，4種脂肪酸組分占總脂肪酸含量的96.5%以上，其中油酸和亞油酸是不飽和脂肪酸。

由表4可知，棉仁脂肪酸主要組分中亞油酸(C18∶2)含量最高，約占50%左右，其次是棕櫚酸(C16∶0)和油酸(C18∶1)，硬脂酸(C18∶0)的含量最低。極端高溫條件下，3個(gè)材料亞油酸的含量都極顯著地下降。棕櫚酸和硬脂酸的含量變化趨勢(shì)相同，都有極顯著的升高。其中，品種IF11棕櫚酸和硬脂酸含量增加的幅度最大，分別增加了5.13和1.19百分點(diǎn)。不同品種油酸含量的變化趨勢(shì)則不一致，TM-1、IF11(無)極顯著增加，增幅分別為7.30和5.34百分點(diǎn);相反，IF11則顯著下降，降幅達(dá)1.67百分點(diǎn)。但總得來說，極端高溫導(dǎo)致棉仁脂肪酸不飽和度下降。棉仁脂肪酸組分含量與日均溫的相關(guān)性分析表明，Td與亞油酸和硬脂酸分別呈極顯著的負(fù)相關(guān)和正相關(guān)，與棕櫚酸和油酸呈顯著的正相關(guān)。

表3 鈴期不同氣溫條件下棉仁蛋白質(zhì)、粗脂肪和棉酚含量的變化Table 3 Changes of protein，crude fatty and gossypol contents of cottonseed kernel under different temperature conditions in bolling stage of cotton

圖1 十一種組分脂肪酸甲酯混標(biāo)GLC-402色譜圖Fig．1 Mixed standard GLC-402 chromatograms of 11 components of fatty acid methyl ester

圖2 棉仁脂肪酸組分色譜圖Fig．2 Chromatogram of fatty acid component of cotton kernel

表4 鈴期不同氣溫條件下棉仁脂肪酸組分的變化Table 4 Changes of fatty acid composition of cottonseed kernel under different temperature conditions in bolling stage of cotton%

3 討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，鈴期極端高溫條件下對(duì)棉鈴產(chǎn)量性狀、纖維品質(zhì)和棉仁營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)都有極大的影響。高溫條件下，IF11衣分明顯降低，而TM-I和IF11(無)的衣分卻有增加趨勢(shì)，這可能是因?yàn)橥庠磇aaM基因?qū)?，?dǎo)致轉(zhuǎn)iaaM基因種質(zhì)的棉花對(duì)高溫逆境的抗性降低，從而影響高溫逆境下棉花的生長(zhǎng)發(fā)育與棉纖維的起始分化與發(fā)育，最終造成衣分下降。高溫導(dǎo)致單鈴質(zhì)量、籽指和仁指明顯下降。對(duì)單鈴質(zhì)量的影響，與前人［8，15］的研究結(jié)果不同，可能與研究的溫度范圍不同有關(guān)。極端高溫度條件下，3個(gè)材料的纖維長(zhǎng)度、纖維強(qiáng)度和馬克隆值等級(jí)降低，且纖維品質(zhì)對(duì)高溫的敏感性存在品種的差異。綜合來說，品種IF11(無)的纖維品質(zhì)穩(wěn)定性較好。同樣，纖維強(qiáng)度變化與已有研究結(jié)果不同，亦可能與研究的溫度范圍有關(guān)。極端高溫對(duì)棉籽蛋白含量、粗脂肪含量和棉酚含量的影響也存在品種的差異性，但大致結(jié)果與前人［10－20］的研究結(jié)果基本一致。棉籽脂肪酸組分變化明顯，亞油酸含量顯著下降，棕櫚酸和硬脂酸的含量增加，油酸含量的變化趨勢(shì)則存在品種差異。高溫導(dǎo)致脂肪酸的不飽和度下降，這與前人對(duì)葵花籽等油料作物的研究結(jié)果相一致［21－22］。

本研究?jī)H利用2012年和2013年棉花鈴期溫度條件的自然差異，分析了極端高溫條件對(duì)棉鈴產(chǎn)量性狀、纖維品質(zhì)和棉仁營(yíng)養(yǎng)成分的影響。雖然許多研究結(jié)果表明，溫度是影響棉鈴發(fā)育和品質(zhì)最主要的因子，但仍可能存在其他因素的差異，若能在可控條件的氣候室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并深入研究極端高溫作用棉鈴發(fā)育的生理機(jī)制，研究結(jié)果會(huì)更有說服力。