郁凱，霍鈺陽，朱俊俊，陳兵林*，湯秋香

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學/ 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與生產(chǎn)管理重點實驗室，南京210095；2.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，烏魯木齊830052）

土壤鹽分是鹽漬土農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素[1]。棉花是世界上最重要的紡織纖維作物，也是鹽堿地先鋒作物，我國糧食安全問題導致的糧棉爭地矛盾加快了棉花向鹽堿地轉(zhuǎn)移[2]。 棉花具有一定的耐鹽性， 但當土壤電導率高于7.7 dS·m－1時，棉苗生長緩慢，棉花生育、產(chǎn)量和纖維品質(zhì)皆受到嚴重影響[3-5]，因此探索改善鹽堿地棉花纖維品質(zhì)具有重要實踐指導意義。鹽堿地富鈉富鉀[6-8]，但Na+/K+高，嚴重限制了棉花對鉀的吸收，導致棉株鈉缺乏[9-10]。不同基因型棉花對鉀素吸收利用效率有很大差異[11]，目前鉀已成為鹽堿地棉田土壤養(yǎng)分的限制因子[6,8]。 缺鉀會顯著降低棉花纖維斷裂比強度[12-13]，而棉花纖維斷裂比強度由纖維細胞的次生壁建成質(zhì)量決定[14]，成熟纖維85%以上的成分是纖維素，其合成與累積主要在纖維次生壁加厚期進行[15]。 蔗糖是纖維素合成的初始底物[16]，并可催化分解為尿苷二磷酸葡萄糖(Uridine diphosphate glucose, UDPG)。 β-1,3- 葡聚糖與纖維素共同競爭底物UDPG，兩者影響著纖維次生壁的建成質(zhì)量。 土壤鹽分阻礙了纖維素的合成，降低了蔗糖的轉(zhuǎn)化率， 影響了蔗糖代謝酶的活性[17]。 K+是植物組織中最豐富的陽離子，約占植物干物質(zhì)的10%[18-19]，K+也是纖維細胞中含量最多的陽離子[20]。鉀缺乏易引起棉花早衰，棉花纖維素的合成與累積提前結(jié)束，導致成熟纖維中的纖維素含量明顯下降[13]。 鹽分條件下，Na+競爭K+轉(zhuǎn)運和結(jié)合位點，影響了K+選擇性吸收，導致鹽堿地鉀缺乏，因此提高植物耐鹽性的一種方法是通過施用鉀鹽來提高植物內(nèi)源鉀的水平[21-22]。鹽脅迫下施鉀促進了棉花生長和養(yǎng)分吸收，提高了單株結(jié)鈴數(shù)和鈴重[23-24]。 前人研究僅限于單一鉀素或鹽脅迫對棉花纖維發(fā)育的影響，而針對鹽脅迫下鉀素對棉花纖維發(fā)育的調(diào)節(jié)研究較少。 本研究擬通過在不同鹽分處理下設(shè)置不同施鉀量，研究鹽分脅迫下施鉀對棉花纖維斷裂比強度、纖維素含量以及纖維加厚發(fā)育期糖代謝的影響機制，揭示鹽脅迫下施鉀對棉花纖維斷裂比強度的調(diào)節(jié)機理，旨在為鹽堿地棉花生產(chǎn)適量施鉀提高纖維品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2017—2018 年在江蘇省鹽城市大豐區(qū)（33°20′N,120°46′E）大豐稻麥原種場試驗地進行，試驗地為濱海鹽堿地，沙壤土。 2 年試驗地土壤情況見表1。

表1 試驗地土壤基本情況Table 1 Physical and chemical properties of the soils at the experimental sites

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，以土壤鹽分含量為主區(qū)因素，施鉀量為副區(qū)因素，品種為副副區(qū)因素。 選擇質(zhì)地和養(yǎng)分相近、 鹽分含量差異明顯的低（1.68～1.78 dS·m－1）、中（6.21～6.42 dS·m－1）、高（10.59～11.08 dS·m－1）3 個鹽分土壤 （分別以LS、MS、HS 表示），其中，低鹽土壤為種植5 年水稻后土壤， 中鹽土壤為種植2 年水稻后土壤，高鹽土壤為背景土壤（即未種植水稻的土壤）；施鉀量設(shè)3 個水平，0、150、300 kg·hm－2（分別以K0，K150，K300 表示），鉀肥為硫酸鉀，基肥及初花肥各占50%；品種為中棉所79（CCRI 79，耐鹽型，生育期130 d 左右）和泗棉3 號（Simian 3，鹽敏感型，生育期133 d 左右）。 試驗于2017 年4 月25日播種育苗，5 月25 日移栽；2018 年4 月20 日播種育苗，5 月20 日移栽。 移栽密度為49 500株·hm－2。 試驗統(tǒng)一施氮300 kg·hm－2，（氮肥為尿素，基肥占30%，初花肥、盛花肥各占35%）、施P2O5100 kg·hm－2（磷肥為過磷酸鈣，全部基施），其他管理要求同高產(chǎn)大田。

1.2 取樣方法

于6～8 果枝開花時掛牌標記第一果節(jié)當日花， 于花后21、28、35 和42 d 取發(fā)育一致棉鈴6個，暫時存放于冰盒中，到室內(nèi)迅速分離出纖維，一半纖維經(jīng)液氮速凍后， 于―80 ℃冰箱中保存，用于測定磷酸蔗糖合成酶和β-1,3- 葡聚糖酶的活性，另一半纖維于40 ℃烘干至恒重，用來測定纖維斷裂比強度、纖維蔗糖、β-1,3- 葡聚糖和纖維素含量。

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 纖維斷裂比強度。 采用USTER HVI MF100（美國烏斯特公司）纖維測試系統(tǒng)測定。

1.3.2 纖維加厚期相關(guān)物質(zhì)。 纖維素含量用蒽酮比色法測定[25]；蔗糖含量用間苯二酚顯色法測定[25]，β-1,3 葡聚糖用熒光分光光度法測定[26]。1.3.3 纖維加厚期相關(guān)酶活性。 β-1,3 葡聚糖酶用昆布多糖比色法測定[27]；磷酸蔗糖合成酶活性測定主要參考Winter 的方法并略有改動[28]，具體測定方法為：取反應(yīng)緩沖液450 μL（14 mmol·L－1UDPG、50 mmol·L－16- 磷酸果糖、50 mmol·L－1氯化鎂），粗酶液200 μL，于30℃保溫30 min 后100 ℃保持1 min，加入2 mol·L－1100 μL 氫氧化鈉，沸水浴10 min，冷卻后加入30% 鹽酸3.5 mL和0.1%（W/V）間苯二酚1 mL，80 ℃水浴30 min。自然冷卻后測定480 nm 下的吸光度值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 鉀緩解系數(shù)（Alleviation coefficient,AC）的計算。 ACS-KX＝(FS-KX－FS-K0)/(FL-K0－FS-K0)×100%，其中“F”表示纖維斷裂比強度，“S”表示中鹽或高鹽分水平，“KX” 表示施鉀量，L 為低鹽水平，K0為不施鉀處理。

1.4.2 纖維素累積特征值的計算。 棉花纖維中纖維素含量的變化利用Logistic 方程擬合[29]：

式中：Y 為纖維素含量（mg·g－1），t 為花后時間（天），Ym為纖維素累積的理論最大含量（mg·g－1），a、b 為生長參數(shù)。 分別對（1）式求1 階、2 階和3 階導數(shù)，即可得纖維素累積特征值：纖維素累積的起始時期t1（d）和終止時期t2（d），纖維素最大累積速率Vmax（mg·g－1·d－1）及快速累積持續(xù)期T＝t2－t1（d），其中：

利用Microsoft Excel 2017 對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理， 利用SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進行方差分析， 采用LSD 法檢驗顯著性，利用Origin 2018 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下施鉀對成熟纖維斷裂比強度的影響

2 年試驗結(jié)果表明（表2），鹽分脅迫顯著降低了兩品種的纖維斷裂比強度。

鹽脅迫下施鉀顯著提高了兩品種的纖維斷裂比強度，且隨鹽脅迫程度的加深，施鉀緩解效果顯著降低。 在中度鹽脅迫下，2017 年，CCRI 79在K150 和K300 處理的緩解系數(shù)分別為61.90%和66.67%，2018 年分別為72.22%和72.22%。2017 年，Simian 3 在K150 和K300 處 理 的 緩 解系數(shù)分別為43.75%和50.00%，2018 年分別為57.14%和52.38%。

在高鹽脅迫下，2017 年，CCRI 79 在K150 和K300 處理的緩解系數(shù)分別為21.88%和28.13%，2018 年分別為32.35%和41.18%。 2017 年，Simian 3 在K150 和K300 的緩解系數(shù)分別為15.38%和20.51%，2018 年分別為20.83%和20.83%。在中、 高鹽脅迫下，K150、K300 處理對棉花纖維斷裂比強度降幅的緩解作用差異不明顯，高鹽脅迫仍是限制纖維斷裂比強度提升的主要因素。中、高鹽脅迫下，與K0 相比，CCRI 79 在K150 和K300 處理下纖維強度提升幅度皆高于Simian 3，2 年表現(xiàn)一致。

表2 鹽脅迫下施鉀對纖維斷裂比強度的影響Table 2 The effects of potassium on mature cotton fiber strength under salt stress cN·tex－1

2.2 鹽脅迫下施鉀對棉花纖維中纖維素含量及其累積特征值的影響

2 年試驗結(jié)果表明， 纖維斷裂比強度與纖維素的累積有關(guān)，成熟纖維斷裂比強度與最終纖維素含量呈極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系（圖1）。 分析纖維素含量增長動態(tài)特征值發(fā)現(xiàn)，施鉀可以顯著提高纖維加厚期纖維素最大累積速率Vmax（表3）。

在中鹽脅迫下，2017 年CCRI 79 在K150 和K300 處理下Vmax較K0 處理分別提高10.98%和17.32%，2018 年分別提高9.42%和14.68%。 2017年泗棉3 號在K150 和K300 處理中Vmax較K0處理分別提高7.34%和13.16%，2018 年分別提高8.08%和12.63%。 在高鹽脅迫下，2017 年CCRI 79 的K150 和K300 處 理Vmax較K0 處 理分別提高8.87%和10.22%。 2018 年分別提高3.12%和7.39%。 2017 年Simian 3 泗棉3 號在K150 和K300 處理下Vmax較K0 處理分別提高7.16% 和9.92% ，2018 年 分 別 提 高1.60% 和6.38%。 與K0 相比，在中高鹽脅迫下CCRI 79 纖維素最大累積速率增幅高于泗棉3 號；但隨著鹽脅迫加重，增幅逐漸降低，2 年表現(xiàn)一致。

表3 鹽脅迫下施鉀對纖維素累積特征值的影響Table 3 The effects of potassium on the eigenvalues of cellulose accumulation under salt stress

圖1 成熟纖維斷裂比強度與最終纖維素含量間的關(guān)系Fig. 1 The relationship between mature fiber strength and the fiber cellulose content

2.3 鹽脅迫下施鉀對棉花纖維加厚期糖含量的影響

圖2 成熟纖維斷裂比強度與最終纖維素含量間的關(guān)系Fig. 2 The relationship between mature fiber strength and the fiber cellulose content

2.3.1 蔗糖含量。 隨著纖維的發(fā)育，纖維中蔗糖含量呈持續(xù)下降趨勢（圖2），纖維素快速累積的終止期在花后28 d 左右（表3）。 鹽脅迫降低了纖維中蔗糖含量。 同一鹽分水平下，不同施鉀量處理在花后28 d 時蔗糖含量差異達到顯著（除高鹽脅迫外）。花后28 d 后至纖維成熟期，纖維蔗糖含量差異逐漸減少，2 年表現(xiàn)一致。比較不同鹽分水平處理下施鉀對兩品種纖維蔗糖含量的影響發(fā)現(xiàn)，隨鹽脅迫程度加深，纖維蔗糖含量增幅減小。3.3.2 β-1,3-葡聚糖含量。隨著纖維的發(fā)育，纖維中β-1,3-葡聚糖含量呈持續(xù)下降趨勢（圖3）。 鹽脅迫提高了纖維中β-1,3-葡聚糖含量。 施鉀增加了β-1,3- 葡聚糖含量，花后28 d 時，同一鹽分水平下各施鉀處理間差異顯著，2 年表現(xiàn)一致。比較不同鹽分處理下，施鉀對兩品種β-1,3- 葡聚糖含量的影響發(fā)現(xiàn)， 隨鹽脅迫程度加深， 纖維β-1,3-葡聚糖含量增幅減小。 在中、 高鹽分脅迫下，與K0 相比，CCRI-79 在K150 和K300 處理下纖維中β-1,3-葡聚糖含量的增幅低于Simian 3。

圖3 鹽脅迫下施鉀對纖維加厚期β-1,3-葡聚糖含量的影響Fig. 3 Effects of potassium on the callose content in fibers under salt stress

2.4 鹽脅迫下施鉀對纖維加厚期糖代謝相關(guān)酶活性的影響

花后28 d 時，鹽脅迫顯著降低了纖維磷酸蔗糖合成酶以及β-1,3- 葡聚糖酶的活性，施鉀顯著提高了纖維磷酸蔗糖合成酶和β-1,3- 葡聚糖酶的活性（圖4 和圖5），且隨鹽脅迫程度加深，纖維磷酸蔗糖合成酶和β-1,3- 葡聚糖酶的活性增幅減小。 各鹽分條件下， 與K0 相比，CCRI-79 在K150 和K300 處理下纖維β-1,3- 葡聚糖酶活性增幅高于Simian 3，2 年表現(xiàn)一致。

3 討論

棉花對鹽分的耐受性相對較強，其耐鹽性存在閾值[3]。 本文研究表明鹽脅迫顯著降低了棉花纖維斷裂比強度， 且隨著鹽脅迫加重降幅增大，這與前人研究結(jié)果基本一致[17,30]。 本研究還表明，適量施鉀能顯著提高鹽脅迫下棉花纖維斷裂比強度；但隨鹽分水平提高，纖維斷裂比強度增幅減小，高鹽仍是提高纖維斷裂比強度的主要限制因子。

蔗糖是纖維素合成的初始底物，其催化分解生成UDPG。 UDPG 是合成纖維素的直接底物，而在逆境環(huán)境下，UDPG 則會大量的合成β-1,3-葡聚糖而非纖維素[31-32]。β-1,3-葡聚糖與纖維素共同競爭底物UDPG，二者直接影響纖維次生壁的建成質(zhì)量[16]。 蔗糖和β-1,3-葡聚糖也是纖維發(fā)育過程中受鹽脅迫影響最大的物質(zhì)[17]，隨土壤鹽脅迫加重，纖維中蔗糖含量呈下降趨勢，β-1,3- 葡聚糖含量呈升高趨勢，纖維素的合成受到抑制。 施鉀有效地提高了纖維中蔗糖含量，緩解了蔗糖向纖維素轉(zhuǎn)化受到的鹽脅迫。

圖4 鹽脅迫下施鉀對花后28 d 纖維磷酸蔗糖合成酶活性的影響Fig. 4 Effects of potassium on the sucrose phosphate synthase activity in fibers under salt stress at 28 DPA

纖維素合成過程中，磷酸蔗糖合成酶催化游離態(tài)的6- 磷酸果糖和UDPG 合成磷酸蔗糖，進而在磷酸蔗糖水解酶的作用下分解為蔗糖，為纖維素合成提供初始底物[33]，磷酸蔗糖合成酶活性對次生壁纖維素合成速率和最終含量有很大影響。 逆境條件下棉花纖維素合成受阻的主要原因是磷酸蔗糖合成酶對逆境高度敏感[34]。 花后28 d為纖維素快速累積的終止期， 受鹽分脅迫影響，纖維磷酸蔗糖合成酶活性下降， 蔗糖合成受阻，這與前人研究結(jié)果一致[17]。 施鉀提高了花后28 d磷酸蔗糖合成酶的活性，促進了蔗糖在纖維細胞中的合成。 β-1,3-葡聚糖酶通過水解β-1,3- 葡聚糖，并將水解的糖類分子轉(zhuǎn)移到纖維素的非還原端，為纖維素的合成提供部分底物并增加細胞可塑性[35]。本試驗中鹽分處理下，棉花纖維中β-1,3-葡聚糖酶活性升高，這與逆境條件下β-1,3- 葡聚糖酶活性升高的結(jié)果基本一致[36-37]。 鉀素可以使黃瓜β-1,3- 葡聚糖酶活性呈先升高再降低的趨勢[38]。 本研究中發(fā)現(xiàn)，施鉀提高了花后28 d 時纖維β-1,3- 葡聚糖酶活性，且耐鹽品種CCRI 79 的增幅高于鹽敏感品種Simian 3。 鹽堿地施鉀促進了磷酸蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶活性的升高，促進纖維素累積平穩(wěn)進行。

纖維斷裂比強度的形成是纖維素累積的結(jié)果。 鹽脅迫顯著降低了成熟纖維中的纖維素含量，鹽脅迫越重，纖維素含量降幅越大，這也與前人研究結(jié)果基本一致[17,39]。 本試驗纖維素累積特征值發(fā)現(xiàn)，施鉀緩解了鹽脅迫對纖維素累積的影響，鹽脅迫降低了纖維素最大累積速率Vmax，而鹽脅迫下施鉀則提高了不同鹽分處理下的Vmax，在低鹽處理和中鹽脅迫下Vmax的增幅明顯，而在高鹽脅迫下Vmax的增幅較小。

圖5 鹽脅迫下施鉀對花后28 d 纖維β-1,3-葡聚糖酶活性的影響Fig. 5 Effects of potassium on the β-1,3-glucanase activity in fibers under salt stress at 28 DPA

作物秸稈還田可以補充土壤中的部分鉀素，還有利于改良土壤，而有關(guān)鹽堿地秸稈還田中鉀素對棉花纖維品質(zhì)的影響仍有待于進一步研究。

4 結(jié)論

鹽脅迫降低了纖維中蔗糖含量并增加了β-1,3-葡聚糖含量， 降低了纖維加厚期纖維素累積量，棉花纖維斷裂比強度顯著降低。 鹽堿地施鉀則提高了花后28 d 時磷酸蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶的活性以及蔗糖和β-1,3- 葡聚糖含量，提高了纖維素最大累積速率Vmax， 耐鹽品種CCRI 79 的纖維素最大累積速率增幅高于鹽敏感品種Simian 3， 促進纖維素的累積。 高鹽分水平下，施鉀提高纖維斷裂比強度幅度減小。