周婷婷,楊林,韓小強,田沁怡,陳閱新
(石河子大學農(nóng)學院/新疆綠洲農(nóng)業(yè)病蟲害治理與植保資源利用重點實驗室,新疆 石河子 832003)
新疆是我國乃至世界上最重要的棉花生產(chǎn)基地,棉花也是新疆經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略核心。據(jù)統(tǒng)計,2020年新疆棉花種植面積約250.19萬hm2,棉花總產(chǎn)達到516.1萬t,占全國棉花產(chǎn)量的87.33%[1]。然而,隨著對勞動力需求的提升和勞動力成本的增加,棉花價格優(yōu)勢逐漸縮減。因此,發(fā)展機采棉成為降低新疆植棉成本的主要舉措。隨著新疆棉區(qū)機采棉的大力推廣,棉花機械化收獲技術(shù)快速發(fā)展,棉花標準化和機械化生產(chǎn)帶來的經(jīng)濟效益十分顯著,有效的解決了新疆棉區(qū)勞動力供需問題,促進了棉花發(fā)展戰(zhàn)略的實施[2]。
棉花機械采收的前提是脫葉劑的使用,在棉花吐絮期使用化學脫葉劑,能夠使棉花葉片提前脫落,加快棉鈴成熟[3]。脫葉劑的合理使用能夠加速棉花葉片脫落,提高機采棉的采摘效率[4]。當前新疆棉區(qū)普遍使用的脫葉劑為噻苯隆與敵草隆復配的制劑。噻苯隆屬于雜環(huán)芳香脲類化合物,影響棉花脫落酸、生長素和乙烯三者之間的平衡,促進棉花葉柄離層的形成,使棉花葉片提前脫落,避免采收時增加棉花雜質(zhì)[5]。敵草隆是一種除草劑,其與噻苯隆復配,能夠加快棉花葉片焦枯,提高低溫條件下脫葉效果[6]。然而,作為有機氯農(nóng)藥,敵草隆在土壤中半衰期大于300 d,并且具有較強的生物富集作用,會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染[7]。
棉花葉片的自然脫落是棉花植株體內(nèi)激素平衡發(fā)生變化的結(jié)果。在衰老的葉片中,乙烯和脫落酸含量增加,生長素含量下降,使葉片離層兩端激素濃度梯度消失,從而對乙烯更加敏感,最終導致葉片脫落[8]。噴施脫葉劑后能夠促進棉花內(nèi)源脫落酸和乙烯的生成,有利于棉花葉片脫落,并且脫葉效果與脫落酸含量呈正相關(guān)[9]。外源噴施乙烯或乙烯利也能促進棉花脫葉,并且未展開的幼葉對乙烯更敏感[8]。XU等[10]研究發(fā)現(xiàn)噻苯隆和乙烯處理棉花后,促進了葉片離層的形成,細胞分裂素氧化酶/脫氫酶(Cytokinin oxidase/dehydrogenase,CKXs)在棉花葉片離層中上調(diào)表達,細胞分裂素響應抑制因子(Cytokinin response regulatory factors,ARRs)的表達量下降,且細胞分裂素和乙烯信號之間相互作用是調(diào)控棉花葉片脫落的關(guān)鍵。ARRs是細胞分裂素的負調(diào)控因子,影響細胞分裂素的合成。廖寶鵬等[11]研究發(fā)現(xiàn)在棉花不同部位主莖葉涂抹噻苯隆會使乙烯信號轉(zhuǎn)導相關(guān)基因和乙烯合成相關(guān)基因上調(diào)表達。乙酰輔酶A合成酶(acetyl-CoA synthetase,ACS)是乙烯合成過程中重要的酶,直接參與乙烯合成,從而影響乙烯含量水平,調(diào)控植物生長發(fā)育和衰老[12]。乙烯受體基因?qū)ζ鞴倜撀溆兄匾淖饔茫⑶野l(fā)現(xiàn)乙烯利能夠促進其表達[13]。DU等[14]研究發(fā)現(xiàn)植物毒素冠菌素也可用于棉花脫葉,并通過調(diào)解水解酶的活性和參與乙烯信號轉(zhuǎn)導誘導棉花脫葉。
萘酮戊酸(natenpac)是一類新型脫落酸類似物,具有更加簡捷的合成路線和多種植物生長調(diào)節(jié)活性,是一類對ABA受體PYLs具有很好選擇性的ABA類激動劑(圖1)[15]。在前期的研究中,我們發(fā)現(xiàn)萘酮戊酸具有促進棉花葉片脫落的作用[16]。因此,為了深入研究萘酮戊酸對棉花脫葉的的影響,開發(fā)環(huán)保型棉花脫葉劑,本研究以北疆機采棉主栽品種新陸早64為供試作物,采用萘酮戊酸單劑處理吐絮期棉花,以噻苯隆·敵草隆復配制劑(新疆棉區(qū)常規(guī)使用的脫葉劑)和清水處理作為對照,通過對脫葉率、內(nèi)源激素含量、離層形態(tài)學研究、葉柄斷裂強度和轉(zhuǎn)錄組等指標的測定,研究萘酮戊酸對棉花脫葉的誘導,以探明萘酮戊酸對棉花脫葉的作用機制,為萘酮戊酸作為棉花脫葉劑的應用提供理論依據(jù)。
圖1 萘酮戊酸結(jié)構(gòu)式
小區(qū)試驗在新疆生產(chǎn)建設兵團第八師石河子市北泉鎮(zhèn)三分場二連(44°23′21″N,85°58′48″E)進行。試驗田采用中等水平施肥,前茬作物為棉花,已連續(xù)多年種植。供試棉花品種為新陸早64號;采用機采棉種植模式,一膜6行,行距66+10 cm,寬窄行常規(guī)播種模式;2019年4月15日播種,4月22日第1次進水,并于7月8日打頂;種植密度約為19.5萬株·hm-2,全生育期采用膜下滴灌。待棉花長到吐絮期(吐絮率約40%),使用背負式電動噴霧器(3WBD-20,臺州市凱峰塑鋼有限公司)均勻噴施萘酮戊酸單劑(N)、噻苯隆·敵草隆復配制劑(TD, 文中簡寫為噻苯·敵草隆)和清水(W)(表1)。小區(qū)采用隨機區(qū)組排列,每個處理4個小區(qū),每個小區(qū)面積約為67 m2。
表1 試驗設計
1%萘酮戊酸可溶性粉劑(SP),中國農(nóng)業(yè)大學;360 g·L-1噻苯隆·180 g·L-1敵草隆懸浮劑(SC),拜耳股份有限公司。
1.3.1 棉花脫葉率的調(diào)查
每重復隨機選取3個采樣點,采樣點之間棉花長勢、水肥、管理情況等一致,具有代表性。每點選取10株連續(xù)棉株進行隨機標記計數(shù),調(diào)查同一標記棉株上施藥前、施藥后1 d、3 d、6 d、9 d后的棉株葉片數(shù),用公式計算棉花葉片脫落率。
(1)
1.3.2 棉花葉柄離層斷裂強度的測量
分別于施藥后1 d、3 d、6 d使用數(shù)顯式推拉力計(SF-100,艾普計量儀器有限公司)測量棉花葉柄離層斷裂強度并記錄[14]。
1.3.3 棉株植物激素的測定
分別于施藥后1 d、2 d、3 d采取各處理的棉花葉柄樣品,采集好的樣品立即放入液氮中,帶回實驗室后放入-80 ℃冰箱(TSE4000V,賽默飛世爾科技有限公司)保存,根據(jù)PlantIAA、PlantCTK、PlantABA ELISA KIT(上海語純生物科技有限公司)試劑盒的說明書進行植物激素含量測定。
1.3.4 葉柄離層形態(tài)學研究
棉花葉柄離層形態(tài)學研究采用XU等[10]的試驗方法,略有改動。分別于施藥前、施藥后1 d、3 d、6 d、9 d采集各處理的棉花葉柄,9 d采集的是棉株上未脫落的葉柄。
1.3.5 棉花葉柄轉(zhuǎn)錄組樣品處理
分別于施藥后1 d、2 d、3 d采取各處理的棉花葉柄樣品,采集好的樣品立即放入液氮中,帶回實驗室后放入-80 ℃冰箱保存,將27個樣品(3個處理,每個處理3次生物學重復,3個時間點1 d、2 d、3 d)送至Novogene進行RNA測序(RNA-Seq)。在構(gòu)建文庫之前,在1%瓊脂糖凝膠上檢測RNA的完整性和是否存在DNA污染,再使用分光光度計初步檢測RNA濃度和純度,最后使用Agilent 2100(安捷倫科技有限公司)精確檢測RNA完整性。普通真核轉(zhuǎn)錄組文庫的構(gòu)建是采用磁珠富集方法,從檢測合格的樣品總RNA中純化出帶有polyA尾的mRNA,隨后將RNA打斷成250-300 bp的短片段,以片段化的RNA為反轉(zhuǎn)錄模板,使用隨機寡核苷酸為引物合成cDNA的第1條鏈,隨后在DNA polymerase體系下,以dNTPs為原料合成第2條鏈,對純化后的雙鏈cDNA進行末端修復、加A尾并連接測序接頭,用AMpure XP beads篩選200 bp左右的cDNA,進行PCR擴增并純化PCR產(chǎn)物,最終獲得文庫。文庫構(gòu)建完成后,先將文庫稀釋至1.5 ng·μL-1,再用Agilent 2100對文庫進行檢測,對符合預期的文庫使用qRT-PCR進行濃度準確定量,以保證文庫質(zhì)量。文庫檢測合格后,在Illumina Hiseq平臺上對文庫進行測序,每端各測150 bp,最終獲得了150 bp~150 bp的成對末端讀數(shù)。所有的讀數(shù)都與棉花基因組比對(G.hirsutumTM-1)[17]。所鑒定基因的映射測序讀數(shù)用于基因表達分析,其基因表達水平是基于FPKM(每千堿基轉(zhuǎn)錄序列中每百萬個堿基測序的預期片段數(shù))計算。使用DESeq-R軟件包進行差異分析表達,校正后Padj<0.05的基因被認為是顯著差異表達的基因。使用GOSeq-R軟件包對差異表達基因進行基因本體(GO)富集分析,校正后的Padj<0.05的被認為是顯著富集的。所有的差異表達基因(differentially expressed genes,DEG)通過KOBAS軟件進行KEGG通路差異表達基因的統(tǒng)計富集。
1.3.6 差異基因?qū)崟r定量PCR(qRT-PCR)分析
使用Novogene測序時所用的RNA;利用FastKing gDNA Dispelling RT SuperMIX(天根生化科技(北京)有限公司)試劑盒對RNA進行反轉(zhuǎn)錄,然后使用SuperReal PreMix Plus(SYBR Green) (天根生化科技(北京)有限公司)試劑盒和7500 Real Time PCR System(Life Technologies)系統(tǒng)對差異基因的表達量進行qPCR測定。從RNA-Seq中選擇同源性較高的基因,使用Primier 5.0軟件設計引物,并通過生工生物工程股份有限公司合成引物,所用引物見表2,以GhUBQ7(DQ116441)為內(nèi)參基因計算表達并使其標準化[18],將處理前的基因表達水平設為1,將標準化的基因表達水平與空白對照進行比較,獲得各基因的相對表達量。每個樣品設3個重復,qRT-PCR反應程序為95 ℃,10 min;95 ℃,15 s;60 ℃,1 min;40個循環(huán)。qRT-PCR數(shù)據(jù)采用2-ΔΔCt法計算基因相對表達量。
1.3.7 統(tǒng)計分析
所有數(shù)據(jù)采用Origin 2018和SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析,通過比較均值的One-Way ANOVA(單因素方差分析)方式,選擇LSD(Least-Significant Difference,最小顯著性差異法),將置信區(qū)間設置為95%,當代表顯著性的P<0.05時,表示兩組間存在顯著性差異。
萘酮戊酸施藥后3 d、6 d、9 d的脫葉率均顯著高于空白對照,但低于噻苯·敵草隆處理(圖2A)。施藥后9 d,萘酮戊酸處理后的脫葉率達到35.46%,噻苯·敵草隆處理后的脫葉率為78.29%,均顯著優(yōu)于空白對照處理。葉柄斷裂強度與棉花葉片的脫落有著密切關(guān)系。萘酮戊酸、噻苯·敵草隆處理后的棉花葉柄的斷裂強度明顯低于空白對照處理(圖2B)。隨著處理時間的變化,噻苯·敵草隆處理后的棉花葉柄斷裂強度最小,其次是萘酮戊酸。施藥后1 d、3 d、6 d,萘酮戊酸處理后的葉柄斷裂強度分別為10.94 N、9.61 N、9.56 N,低于空白對照處理后的斷裂強度(13.26 N(1 d)、11.89 N(3 d)、11.28 N(6 d)),但是高于噻苯·敵草隆處理后的棉花葉柄斷裂強度(10.64 N(1 d)、6.07 N(3 d)、4.07 N(6 d))。由此可見,外源施用萘酮戊酸能夠顯著降低棉花葉柄的斷裂強度,有利于葉片的脫落,具有促進棉花葉片脫落的功能,但脫葉效果弱于噻苯·敵草隆處理。
A:脫葉率;B:葉柄斷裂強度;柱狀圖上方不同字母則表示差異顯著(P<0.05)。圖2 萘酮戊酸對棉花斷裂強度和脫葉率的影響
萘酮戊酸和噻苯·敵草隆處理后棉花葉柄處植物激素含量變化見圖3。
萘酮戊酸處理后,棉花葉柄內(nèi)源脫落酸含量逐漸升高,顯著高于空白處理,其含量分別為10.74 ng·mL-1(1 d)、12.11 ng·mL-1(2 d)、12.34 ng·mL-1(3 d),但低于噻苯·敵草隆處理后的脫落酸含量。各處理的棉花內(nèi)源生長素和細胞分裂素含量均逐漸降低,其中生長素含量與空白對照相比差異不顯著,細胞分裂素含量顯著低于空白對照處理,其含量分別為8.16 ng·mL-1(1 d)、7.49 ng·mL-1(2 d)、7.26 ng·mL-1(3 d),但高于噻苯·敵草隆處理后的細胞分裂素含量。這表明萘酮戊酸處理可以促進脫落酸的生成,降低生長素和細胞分裂素含量,從而促進離層的形成。
A:生長素含量;B:細胞分裂素含量;C:脫落酸含量;柱狀圖上方不同字母則表示差異顯著(P<0.05)。圖3 萘酮戊酸對棉花葉柄內(nèi)源激素含量的影響
萘酮戊酸對棉花葉柄離層形態(tài)學的影響見圖4。萘酮戊酸處理后6 d,棉花葉柄處開始向內(nèi)凹陷,可觀察到離層的形成;而噻苯·敵草隆處理后3 d葉柄離層處開始向內(nèi)凹陷,在6 d時,離層處明顯斷裂,在9 d時斷裂程度愈加明顯;空白對照處理后9 d僅能觀察到棉花葉柄處輕微凹陷。這表明萘酮戊酸處理棉花后,可以加速葉片離層的形成,但效果弱于噻苯·敵草隆處理。
9 d采集的樣品為棉花上未脫落的葉柄,比例尺為200 μm。圖4 萘酮戊酸對棉花葉柄離層的影響
萘酮戊酸處理后在棉花離層表達了8萬多個基因,其中萘酮戊酸處理后檢測到6 352個差異基因,噻苯·敵草隆處理后檢測到26 446個差異基因。萘酮戊酸處理后,差異基因數(shù)量逐漸增加,但處理后的第2 d差異基因數(shù)量下降(圖5A)。噻苯·敵草隆處理后,差異基因數(shù)量每天逐漸增加,在第3 d時急劇增加(圖5B)。萘酮戊酸和空白對照相比,處理后1 d、2 d、3 d共表達40個差異基因,處理后1 d僅表達1 041個差異基因,處理后2 d僅表達244個差異基因,處理后3 d表達的差異基因數(shù)迅速增加到3 846個(圖5C)。噻苯·敵草隆處理與空白對照處理相比,處理后1 d、2 d、3 d共表達3 265個差異基因,處理后1 d表達1 134個差異基因,處理后2 d表達1 519個差異基因,處理后3 d表達的差異基因達到12 873個(圖5 D)。萘酮戊酸和噻苯·敵草隆相比,萘酮戊酸處理后,在1 d獨立表達278個差異基因,3 d獨立表達1 522個差異基因;噻苯·敵草隆處理后1 d獨立表達1 061個差異基因,3 d獨立表達15 406個差異基因(圖5E)。
A:萘酮戊酸處理后的差異表達基因數(shù);B:噻苯·敵草隆處理后的差異表達基因數(shù);C:萘酮戊酸處理后不同時間的差異基因數(shù)量韋恩圖;D:噻苯·敵草隆處理后不同時間的差異基因數(shù)量韋恩圖;E:萘酮戊酸處理與噻苯·敵草隆處理后1 d和3 d的差異表達基因數(shù)量交叉比較;N-1 d為萘酮戊酸處理后1 d;N-2 d為萘酮戊酸處理后2 d;N-3 d為萘酮戊酸處理后3 d;TD-1 d為噻苯·敵草隆處理后1 d;TD-2 d為噻苯·敵草隆處理后2 d;TD-3 d為噻苯·敵草隆處理后3 d;W-1 d為空白對照處理后1 d;W-2 d為空白對照處理后2 d;W-3 d為空白對照處理后3 d。圖5 棉花葉柄離層差異基因的變化
基因本體論(GO)分類主要用于識別脫葉過程中生物學過程較活躍的功能類別,一般包括3個主要部分:生物過程(biological process)、細胞組分(cellular component)、分子功能(molecular function)。萘酮戊酸和噻苯·敵草隆相比,差異基因的生物過程相差較大。萘酮戊酸處理棉花后的GO主要富集在1 d和3 d(圖6),在生物過程中靠前的是生物過程(biological process)和代謝過程(metabolic process);富集到細胞組分的差異表達基因較少;在分子功能中靠前的是催化活性(catalytic activity)和結(jié)合(binding)功能。噻苯·敵草隆處理棉花后的GO主要富集在1 d和3 d(圖7),生物過程中靠前的是生物過程(biological process)、代謝過程(metabolic process)、細胞代謝過程(cellular metabolic process)、有機物代謝過程(organic substance metabolic process)、初級代謝過程(primary metabolic process);在細胞分類組分中靠前的是細胞(cell)和細胞組分(cell part);在分子功能中靠前的是催化活性(catalytic activity)和氧化還原酶活性(oxidoreductase activity)。
通過KEGG通路分析以探索對萘酮戊酸和噻苯·敵草隆有反應的差異基因的生物學通路。萘酮戊酸和噻苯·敵草隆處理后的不同時間點表達了不同的KEGG通路,但兩者之間有些途徑是相似的,例如玉米素的生物合成(zeatin biosynthesis)、丙酮酸代謝(pyruvate metabolism)、類黃酮生物合成(flavonoid biosynthesis)、植物激素信號轉(zhuǎn)導(plant hormone signal transduction)、次生代謝產(chǎn)物的生物合成(biosynthesis of secondary metabolites) (圖8)。萘酮戊酸處理后的KEGG途徑3天均有表達,而噻苯·敵草隆處理后的KEGG通路只要集中在1 d和2 d,在3 d時有少數(shù)的KEGG通路。通過GO功能富集和KEGG通路分析,植物激素信號轉(zhuǎn)導和一些轉(zhuǎn)錄因子對于萘酮戊酸引起棉花脫葉有重要的作用。
N1為萘酮戊酸處理后1 d;N2為萘酮戊酸處理后2 d;N3為萘酮戊酸處理后3 d。圖6 萘酮戊酸處理棉花后的葉柄離區(qū)GO(基因本體論)富集
TD1為噻苯·敵草隆處理后1 d;TD2為噻苯·敵草隆處理后2 d;TD3為噻苯·敵草隆處理后3 d。圖7 噻苯·敵草隆處理棉花后的葉柄離區(qū)GO(基因本體論)富集
N1為萘酮戊酸處理后1 d;N2為萘酮戊酸處理后2 d;N3為萘酮戊酸處理后3 d;TD1為噻苯·敵草隆處理后1 d;TD2為噻苯·敵草隆處理后2 d;TD3為噻苯·敵草隆處理后3 d。圖8 KEGG途徑分析
KEGG通路分析表明,幾個細胞分裂素氧化酶/脫氫酶(CKX)基因可能在萘酮戊酸和噻苯·敵草隆處理棉花后在脫葉中有著重要的作用。通過qRT-PCR顯示,4個GhCKX基因均差異表達,并且隨著時間的推移其表達逐漸上調(diào),其中萘酮戊酸處理后3 d的基因表達倍數(shù)均在1.3以上,噻苯·敵草隆處理后3 d的基因表達倍數(shù)在2.3 以上,GhCKXs基因表達均上調(diào)(圖9),相應的細胞分裂素含量水平降低。細胞分裂素反應調(diào)節(jié)因子(ARRs)主要參與細胞分裂素在植物體內(nèi)信號轉(zhuǎn)導,qRT-PCR結(jié)果顯示,ARRs表達呈下降趨勢,在3 d時,萘酮戊酸處理后的基因表達倍數(shù)均在1.0以下,噻苯·敵草隆處理后的基因表達倍數(shù)均在0.4以下,噻苯·敵草隆處理后的基因表達量高于萘酮戊酸處理,不同處理之間相對表達量有所差異,但表達趨勢一致。以上結(jié)果表明,萘酮戊酸和噻苯·敵草隆處理后促進細胞分裂素降解,從而導致細胞分裂素含量水平降低,這一研究結(jié)果與XU等的研究結(jié)果相似[10]。
A:GhCKXs和ARRs對應于RNA-Seq數(shù)據(jù)的表達模式;B—E:CKXs基因相對表達量;F—H:ARRS基因相對表達量。圖9 棉花葉柄離層GhCKXs和ARRs的表達驗證
A:乙烯相關(guān)基因?qū)赗NA-Seq數(shù)據(jù)的表達模式;B:EIN3基因相對表達量;C:EIN4基因相對表達量;D:ACO3基因相對表達量;E:ACS基因相對表達量;F:ERF2基因相對表達量;G:ETR1基因相對表達量。圖10 棉花葉柄離層乙烯相關(guān)基因的表達驗證
萘酮戊酸和噻苯·敵草隆處理后,乙烯合成關(guān)鍵基因、乙烯信號轉(zhuǎn)導基因、乙烯傳感基因均差異表達(圖10)。通過qRT-PCR驗證,結(jié)果顯示,萘酮戊酸和噻苯·敵草隆處理后,ACC氧化酶(ACO3)和ACS表達上調(diào),其中萘酮戊酸處理后3 d的基因表達倍數(shù)到達1.3以上,噻苯·敵草隆處理后的基因表達倍數(shù)在2.2以上;萘酮戊酸處理后乙烯受體基因(EIN3、EIN4)和一些乙烯響應基因(ETR1、ERF2)的表達不斷上調(diào),表達倍數(shù)均在1.3以上,噻苯·敵草隆處理后基因表達倍數(shù)在2.2以上。這表明萘酮戊酸處理后增強了乙烯信號在棉花體內(nèi)的傳導,從而誘導脫葉。
赤霉素受體GIDs是一種可溶性蛋白,在植物中與GAs結(jié)合并將信號傳遞。qRT-PCR驗證結(jié)果顯示萘酮戊酸處理后3 dGID1-1和GID1-2基因表達倍數(shù)均在1.8左右(圖11),高于噻苯·敵草隆處理(基因表達倍數(shù)均在1.3左右)。JAZs(茉莉酸響應因子)是茉莉酸信號途徑的轉(zhuǎn)錄因子,研究發(fā)現(xiàn)JAZ10上調(diào)表達,其中噻苯·敵草隆處理后基因表達倍數(shù)為3.1,明顯高于萘酮戊酸處理(基因表達倍數(shù)為1.9);這可能與下游轉(zhuǎn)錄因子MYC2結(jié)合共同激活茉莉酸下游信號轉(zhuǎn)導有關(guān)。結(jié)果表明,萘酮戊酸處理后可能激活下游泛素介導的蛋白水解,從而調(diào)控細胞周期,誘導葉片衰老。
A:茉莉酸和赤霉素相關(guān)基因?qū)赗NA-Seq數(shù)據(jù)的表達模式;B:GID1-1基因相對表達量;C:GID1-2基因相對表達量;D:JAZ10基因相對表達量。圖11 棉花葉柄離層赤霉素和茉莉酸相關(guān)基因的表達驗證
研究表明,噴施脫葉劑后能夠促進棉花葉片乙烯和脫落酸的生成,促進棉花葉柄離層形成[19]。萘酮戊酸處理能夠顯著降低棉花葉柄斷裂強度,提高棉花脫葉率,并促進葉柄離層形成和葉柄內(nèi)源脫落酸的生成,降低細胞分裂素和生長素含量,但是效果略差于噻苯·敵草隆處理。高麗麗等[9]研究發(fā)現(xiàn)噻苯隆能夠加速開啟棉花葉片的衰老程序,施藥后棉花葉片內(nèi)源脫落酸含量上升,生長素則逐漸降低。
植物激素及其類似物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越重要。冠菌素(coronatine, COR)是一種引起黃化病的非寄主特異性植物毒素,是茉莉酸的結(jié)構(gòu)類似物,在某些作物中引起葉片和/或果實脫落。DU等[14]研究發(fā)現(xiàn)冠菌素能夠降低棉花葉柄斷裂強度,促進棉花葉片的脫落,且具有不同于噻苯隆調(diào)節(jié)棉花脫葉的作用方式。轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明,萘酮戊酸處理后檢測到6 352個差異表達基因,且大多數(shù)基因與“代謝過程”、“生物過程” “植物激素信號轉(zhuǎn)導”和“次生代謝產(chǎn)物的生物合成”相關(guān)。
GAN等和MOYOYUKI等研究發(fā)現(xiàn)CKXs基因是一種將細胞分裂素降解成非活性產(chǎn)物的酶,并且使細胞分裂素失去活性,從而降低植物內(nèi)源細胞分裂素含量[20-21]。萘酮戊酸處理棉花后CKXs上調(diào)表達,細胞分裂素含量降低,同時ARRs下調(diào)表達。這一研究結(jié)果與XU等[10]的研究結(jié)果相似,使用脫葉劑后降解細胞分裂素,并且使細胞分裂素失去活性。廖寶鵬等[11]研究發(fā)現(xiàn)在棉花不同部位主莖葉涂抹噻苯隆會使乙烯合成相關(guān)基因和信號轉(zhuǎn)導相關(guān)基因上調(diào)表達。劉長英等[13]發(fā)現(xiàn)乙烯利可以促進EINs的表達,在成熟果實中表達量高于未成熟的幼果。也有研究發(fā)現(xiàn)乙烯合成抑制劑可以延遲番茄葉柄的脫落,乙烯受體基因ETR1和ETR2對器官脫落有著重要的作用[22]。ACO3是乙烯合成關(guān)鍵基因,萘酮戊酸處理后棉花葉柄中乙烯合成相關(guān)基因以及信號轉(zhuǎn)導相關(guān)基因上調(diào)表達,促進乙烯的合成以及在植株體內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導。另外一些赤霉素相關(guān)基因下調(diào)表達,茉莉酸相關(guān)基因上調(diào)表達。孫凱文[23]研究發(fā)現(xiàn)外源脫落酸處理擬南芥后JAZ1上調(diào)表達,本研究中萘酮戊酸處理后JAZ10上調(diào)表達。
綜上所述,外源使用萘酮戊酸能夠明顯促進棉花葉柄離層的形成,降低葉柄斷裂強度,從而促進棉花脫葉,提高棉花的脫葉率,且在激素信號調(diào)控上具有與新疆棉區(qū)常規(guī)使用的噻苯·敵草隆相似的機理。雖然萘酮戊酸具有促進棉花脫葉的效果,但在各項指標上均弱于噻苯·敵草隆復配制劑。這表明萘酮戊酸在棉花脫葉上的使用,還需要深入研究其與其他脫葉劑產(chǎn)品的復配篩選及相關(guān)機理。