趙文青 徐文正,2 楊锍琰 劉 玉 周治國 王友華,*

棉花葉片響應(yīng)高溫的差異與夜間淀粉降解密切相關(guān)

趙文青1徐文正1,2楊锍琰1劉 玉1周治國1王友華1,*

1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與生產(chǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心JCIC-MCP, 江蘇南京 210095;2河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所, 河南許昌 461000

葉片對光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)輸出是其源能力的重要體現(xiàn), 高溫脅迫導(dǎo)致的源能力不足是棉花減產(chǎn)降質(zhì)的重要原因之一。為探究棉花對位葉光合產(chǎn)物輸出能力對短期高溫脅迫的響應(yīng)及其在不同熱敏感性品種間的差異, 本研究以耐熱型棉花品種PHY370WR和熱敏感型棉花品種蘇棉15為材料, 于2015—2016年在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓試驗(yàn)站進(jìn)行盆栽試驗(yàn), 在棉花花鈴期設(shè)置持續(xù)5 d的溫度處理[對照日均溫為26℃ (CK, 晝夜溫度循環(huán)為30/22℃), 高溫處理日均溫為34℃ (HT, 晝夜溫度循環(huán)為38/30℃)], 在高溫脅迫5 d和脅迫解除后5 d對葉片光合產(chǎn)物輸出能力和光合產(chǎn)物含量進(jìn)行研究。結(jié)果表明, 高溫脅迫5 d顯著降低棉花鈴重, 提高對位葉比葉重, 耐熱型棉花品種PHY370WR鈴重降低幅度及比葉重升高幅度均較熱敏感型棉花品種蘇棉15低。13C標(biāo)記光合產(chǎn)物的結(jié)果表明, 高溫5 d顯著降低棉花葉片光合產(chǎn)物的輸出效率, 與CK相比, 蘇棉15的降幅為22.1%, 下降斜率為-2.48, 顯著高于PHY370WR的降幅15.7%和下降斜率-1.82; 恢復(fù)5 d后棉花葉片光合產(chǎn)物輸出效率降低幅度變小, 但品種間差異由高溫5 d時(shí)的6.4%增加為脅迫解除后5 d的10.2%, 且蘇棉15的恢復(fù)斜率僅為0.44, 遠(yuǎn)小于PHY370WR的0.89。此外, 與高溫5 d時(shí)相比, 恢復(fù)5 d后蔗糖含量日變化幅度的品種間差異減小, 而淀粉含量日變化幅度品種間差異表現(xiàn)為增大, 與碳水化合物輸出效率的趨勢一致, 相關(guān)性分析亦表明, 高溫脅迫5 d及恢復(fù)5 d時(shí)淀粉含量日變化幅度與碳水化合物輸出效率相關(guān)性更顯著。通過大田試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)確定淀粉最大、最小含量出現(xiàn)時(shí)間, 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 在高溫脅迫5 d及脅迫恢復(fù)后5 d, 淀粉日最小(夜間)含量升高幅度品種間差異較日最大(白天)含量降低幅度更為顯著, 且恢復(fù)后5 d時(shí)品種間差異較高溫5 d時(shí)顯著增大。綜上, 熱敏感性差異的棉花葉片碳水化合物輸出效率對高溫脅迫響應(yīng)的差異不僅表現(xiàn)在脅迫發(fā)生時(shí), 更表現(xiàn)在脅迫解除后; 耐熱型棉花品種PHY370WR的葉片在高溫脅迫發(fā)生時(shí)及脅迫恢復(fù)后表現(xiàn)出更強(qiáng)的抵御高溫逆境能力及更好的恢復(fù)能力, 與其夜間淀粉降解能力即葉片最小(夜間)淀粉含量增加幅度較小密切相關(guān)。

棉花(L.); 高溫脅迫; 對位葉; 碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)

溫度對作物生產(chǎn)至關(guān)重要, 高溫脅迫會顯著降低棉花產(chǎn)量。隨溫室效應(yīng)的加劇, 夏季極端高溫天氣日益頻發(fā), 成為影響棉花生產(chǎn)的重要自然災(zāi)害。高溫脅迫導(dǎo)致的源能力不足是棉花減產(chǎn)降質(zhì)的重要原因之一[1-6]。作為棉鈴發(fā)育最主要的源器官, 棉鈴對位葉源能力對高溫脅迫的響應(yīng)對棉花產(chǎn)量形成至關(guān)重要[7-8]。葉片源能力主要體現(xiàn)在碳水化合物合成及其向庫器官(棉鈴)的轉(zhuǎn)運(yùn), 因此, 棉鈴對位葉的源能力除體現(xiàn)在光合能力外, 還體現(xiàn)在對過剩光合產(chǎn)物的暫時(shí)儲存能力和有效光合不足時(shí)對儲存物質(zhì)的再調(diào)動能力。

葉片中碳水化合物的含量變化不僅能反映葉片光合作用的強(qiáng)弱, 還能反映葉片中碳水化合物的輸出轉(zhuǎn)運(yùn)水平。蔗糖和淀粉是棉花葉片光合作用的主要產(chǎn)物, 兩者的含量除隨生育進(jìn)程的推進(jìn)產(chǎn)生變化外, 還存在顯著的晝夜變化規(guī)律。其中, 蔗糖是葉片中碳水化合物輸出的主要形式, 白天葉片的蔗糖含量水平與光合作用強(qiáng)弱密切相關(guān), 直接決定著碳水化合物夜間的輸出速率[9-11], 而夜間葉片蔗糖含量除受白天蔗糖含量的影響外, 還與淀粉降解產(chǎn)生蔗糖的速率有關(guān); 淀粉則起著暫時(shí)儲存的作用, 白天葉片中大量不被轉(zhuǎn)移利用的光合產(chǎn)物會在葉綠體中轉(zhuǎn)化成淀粉暫時(shí)儲存, 夜間再轉(zhuǎn)化為蔗糖輸出到相應(yīng)的庫器官中[12-13], 因此淀粉晝夜間含量水平的變化應(yīng)能較好的反映葉片碳水化合物的輸出轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

高溫脅迫對葉片中碳水化合物含量的影響研究較多, 研究認(rèn)為高溫脅迫導(dǎo)致葉片中蔗糖含量顯著升高, 淀粉含量顯著降低[14]; 夜間高溫顯著降低葉片蔗糖含量[15]; 高溫脅迫顯著降低葉片蔗糖、淀粉含量[16]等; 亦有研究表明, 棉花葉片中淀粉含量在增溫條件下會顯著升高[17]?？梢? 不同研究的結(jié)果不盡相同, 這可能與高溫脅迫發(fā)生時(shí)間、脅迫程度與持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。蔗糖轉(zhuǎn)化率常作為衡量葉片碳水化合物輸出效率的重要指標(biāo)之一, 以往的研究常關(guān)注基于生育進(jìn)程變化的蔗糖含量、淀粉含量及兩者轉(zhuǎn)化率對高溫的響應(yīng), 對蔗糖、淀粉晝夜變化如何響應(yīng)高溫的研究較少。棉花葉片光合能力在高溫脅迫解除后的研究發(fā)現(xiàn), 低于40℃的脅迫對葉片光合作用的抑制是可恢復(fù)的[18-19], 但葉片物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力在脅迫解除后是否具有恢復(fù)效應(yīng)尚不明確。此外, 不同品種棉花葉片的光合產(chǎn)物輸出能力存在顯著差異, 較強(qiáng)的光合產(chǎn)物輸出能力有利于棉花鈴重的形成[20], 但不同品種間葉片耐熱性差異及其機(jī)制的研究多集中于光合能力和抗氧化代謝方面[2,15,21-22], 關(guān)于不同棉花品種間葉片光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)能力響應(yīng)高溫脅迫差異的研究尚顯不足[23-24]。

綜上, 我們假設(shè)短期高溫脅迫會顯著降低葉片碳水化合物的輸出效率, 且在品種間存在顯著差異。通過對高溫脅迫發(fā)生時(shí)和脅迫解除后葉片碳水化合物輸出效率及與物質(zhì)含量的分析, 可明確品種間差異形成的機(jī)理及關(guān)鍵生理過程。穩(wěn)定性同位素13C標(biāo)記技術(shù)在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于植物生理生態(tài)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[25], 也是國際公認(rèn)的研究碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)分配最有效的方法[26-27], 相關(guān)標(biāo)記方法和檢測手段十分成熟。因此, 本研究擬通過利用13C標(biāo)記技術(shù), 結(jié)合葉片中蔗糖和淀粉含量的晝夜變化, 從光合產(chǎn)物暫時(shí)儲存和轉(zhuǎn)運(yùn)能力入手, 系統(tǒng)研究脅迫下和脅迫解除后不同熱敏感性棉花葉片源能力響應(yīng)花鈴期短期高溫脅迫的差異, 以期闡明不同基因型棉花品種對短期高溫脅迫敏感性差異產(chǎn)生的生理機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2015—2016年在江蘇南京(118o50′E, 32o02′N)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓試驗(yàn)站進(jìn)行。供試土壤為黃棕壤土, 土壤曬干除雜過篩后裝于聚乙烯塑料桶中(直徑37 cm、高32 cm, 底部有排水孔), 每塑料桶裝過篩的風(fēng)干土20 kg。2015年和2016年耕層土壤分別含有機(jī)質(zhì)19.3 g kg-1和20.5 g kg-1、全氮1.5 g kg-1和1.3 g kg-1、速效氮95.5 mg kg-1和102.5 mg kg-1、速效磷17.9 mg kg-1和18.8 mg kg-1、速效鉀102.3 mg kg-1和110.5 mg kg-1。選擇熱敏感型棉花品種蘇棉15和耐熱型棉花品種PHY370WR為材料[28], 棉花種子分別于2015年4月5日和2016年4月10日進(jìn)行營養(yǎng)缽育苗, 三葉期(2015年5月5日和2016年5月8日)選擇均勻一致的壯苗移栽, 移栽前澆水壓實(shí)桶中土壤, 每盆定植1株, 每個(gè)品種300株。在移入人工氣候室前, 棉花分品種排列放于半開放式防雨棚中, 每品種6列, 每列50株。

在棉株第6～8果枝第1、2果節(jié)開花時(shí)(7月上旬, 棉花花鈴期), 掛牌標(biāo)記當(dāng)日所開白花及其對位葉, 同時(shí)選取生長狀況相近的棉株320株(蘇棉15、PHY370WR各160株), 分別移入人工氣候室進(jìn)行5 d的對照處理[26℃ (30℃, 22℃), 用CK表示]和高溫處理[34℃ (38℃, 30℃), 用HT表示], 每品種每處理各80株棉株。溫度控制模擬自然溫度的晝夜變化, 對照26℃ (30℃, 22℃)設(shè)置溫度控制循環(huán)為: 2:00 (24℃)—4:00 (23℃)—6:00 (22℃)—8:00 (24℃)— 10:00 (27℃)—12:00 (29℃)—14:00 (30℃)—16:00 (29℃)—18:00 (28℃)—20:00 (27℃)—22:00 (27.5℃)— 24:00 (26℃); 高溫34℃ (38℃, 30℃)設(shè)置溫度控制循環(huán)為: 2:00 (32℃)—4:00 (31℃)—6:00 (30℃)— 8:00 (32℃)—10:00 (35℃)—12:00 (37℃)—14:00 (38℃)—16:00 (37℃)—18:00 (36℃)—20:00 (35℃)— 22:00 (35.5℃)—24:00 (34℃)]。連續(xù)5 d溫度處理?xiàng)l件下, 對照日均溫為25.8℃, 高溫處理的日均溫為34.2℃, 說明達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期溫度控制目標(biāo), 具體見本實(shí)驗(yàn)室發(fā)表文章(文獻(xiàn)[28]的圖1)[28]。高溫處理5 d后移至原半開放式防雨棚中恢復(fù)5 d。肥水和病蟲害管理按棉花高產(chǎn)栽培進(jìn)行。

為對比盆栽試驗(yàn)與大田中棉鈴對位葉蔗糖和淀粉含量晝夜變化規(guī)律, 大田試驗(yàn)于2015年在江蘇南京(118o50′E, 32o02′N)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓試驗(yàn)站進(jìn)行。供試土壤為黃棕壤土。與盆栽試驗(yàn)一致, 在棉株第6～8果枝第1、2果節(jié)開花時(shí)(7月上旬, 棉花花鈴期), 掛牌標(biāo)記當(dāng)日所開白花及其對位葉, 并與盆栽試驗(yàn)在同一天同時(shí)取樣, 對比兩試驗(yàn)條件下葉片中蔗糖和淀粉含量的日變化情況; 大田栽培條件下每1 h取樣1次, 每次取5片葉; 盆栽試驗(yàn)條件下, 每3 h取樣1次, 每次取5片葉。

1.2 測定內(nèi)容與方法

1.2.1 比葉重、鈴重 棉花吐絮收獲時(shí), 取掛牌標(biāo)記的非取樣棉花棉鈴及其對位葉, 測定鈴重及對位葉比葉重。對位葉用葉面積儀測定后放于烘箱, 在105℃條件下殺青30 min, 80℃烘干至恒重并稱重, 計(jì)算比葉重(specific leaf weight, g m-2)。計(jì)算公式: 比葉重= 葉片干重/葉面積。

1.2.2 同位素標(biāo)記及其測定 同位素標(biāo)記分別于高溫處理前、處理結(jié)束時(shí)及恢復(fù)5 d后進(jìn)行。選取中部果枝(6～8果枝)生長狀況相近的相同花后天數(shù)的掛牌標(biāo)記棉鈴對位葉, 于上午9時(shí)左右, 用透明密封塑料袋包裹葉片(葉片與袋子間留有足夠的空隙), 用注射器注入2 mL13CO2(由上海化工研究院提供, 純度為99.99%), 2 h之后移除透明塑料袋, 同時(shí)對一部分葉片進(jìn)行取樣, 剩余葉片則于24 h之后取樣, 烘干磨碎過100目篩后使用元素分析儀-質(zhì)譜聯(lián)用測定其同位素豐度。

參考谷淑波等[27]測定同位素13C豐度, 稱取2.0 mg左右(葉片)的樣品包入錫紙中, 稱重后記錄樣品重量, 放入元素分析儀的自動進(jìn)樣器后按照放樣順序在控制軟件的表格中依次輸入重量數(shù)據(jù), 每隔10個(gè)試驗(yàn)樣品要插入3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。由葉片中測得的13C同位素相對豐度值計(jì)算碳水化合物輸出效率, 計(jì)算公式: 碳水化合物輸出效率(%) = (100%′(飼喂2 h后葉片中的δ13C–飼喂24 h后葉片中的δ13C))/飼喂2 h后葉片中的δ13C。

1.2.3 碳水化合物含量測定及日變化幅度D采用間苯二酚比色法[29]測定對位葉蔗糖含量, 采用蒽酮比色法[8]測定淀粉含量。淀粉/蔗糖日變化幅度D= (最大含量(淀粉/蔗糖) – 最小含量(淀粉/蔗糖))/最大含量(淀粉/蔗糖)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

使用Microsoft Excel 2013、SPSS 17.0處理和分析數(shù)據(jù), 用Origin 2015作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花鈴重和對位葉比葉重響應(yīng)短期高溫脅迫的品種間差異

與CK相比, 高溫顯著降低棉花鈴重, 提高棉鈴對位葉比葉重, 兩品種表現(xiàn)一致(圖1)。其中, 蘇棉15的鈴重降低幅度為14.8% (2年平均, 下同), 顯著大于PHY370WR的7.9%; 蘇棉15對位葉比葉重的增加幅度為7.8%, PHY370WR為5.3%, 可以看出, 耐熱型棉花品種PHY370WR在遭遇高溫脅迫后鈴重降低幅度和比葉重增加幅度均顯著小于高溫敏感型棉花品種蘇棉15。

2.2 棉花葉片碳水化合物輸出效率(能力)響應(yīng)短期高溫脅迫的品種間差異

2年同位素標(biāo)記結(jié)果均顯示, 高溫脅迫顯著降低棉鈴對位葉光合碳水化合物的輸出效率(圖2)。與CK相比, 高溫處理5 d蘇棉15的碳水化合物輸出效率降低幅度為22.1%, 下降斜率為-2.48, 顯著高于PHY370WR的降低幅度15.7%和下降斜率-1.82。高溫脅迫解除5 d后, 碳水化合物輸出效率有所恢復(fù), 此時(shí)蘇棉15的降幅為18.2%, 恢復(fù)斜率為0.44, PHY370WR的降幅為8.0%, 恢復(fù)斜率為0.89。此外, 碳水化合物輸出效率的降低幅度品種間差異由高溫5 d時(shí)的6.4%上升到高溫脅迫解除后5 d時(shí)的10.2%, 說明高溫脅迫下棉鈴對位葉光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)能力(輸出效率)的品種間差異不僅體現(xiàn)在高溫脅迫發(fā)生時(shí), 更體現(xiàn)在高溫脅迫解除后。

在收獲期調(diào)查了20個(gè)非取樣棉花植物, 對標(biāo)記部位棉鈴鈴重和對位葉葉片比葉重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖中大小寫字母分別表示品種間達(dá)到極顯著(< 0.01)或顯著(< 0.05)差異。

The boll weight and the specific leaf weight data are derived from the investigation of 20 non-sampling cotton plants at harvest stage. Different uppercase and lowercase letters indicate significant differences at< 0.01 and< 0.05 between cultivars according to the shortest significant ranges (SSR) test, respectively.

k1和k3分別表示高溫脅迫下PHY370WR與蘇棉15碳水化合物輸出效率的下降斜率; k2和k4分別表示高溫脅迫解除后PHY370WR與蘇棉15碳水化合物輸出效率的恢復(fù)斜率。

k1and k3represent the decline slopes of PHY370WR and Sumian 15 under heat stress, respectively; k2and k4represent the recovery slopes of PHY370WR and Sumian 15 after heat stress released, respectively.

2.3 棉鈴對位葉淀粉、蔗糖含量日變化幅度響應(yīng)高溫脅迫的品種間差異及其與碳水化合物輸出效率的相關(guān)性

2.3.1 棉花對位葉蔗糖、淀粉含量的晝夜變化規(guī)律

高溫脅迫下, 棉花葉片蔗糖、淀粉含量表現(xiàn)出顯著的晝夜變化規(guī)律(圖3-A)。盡管盆栽條件下棉花葉片蔗糖和淀粉含量的日變化幅度(35.3%, 51.1%)顯著低于大田栽培條件下(40.8%, 62.5%), 但2種栽培條件下葉片中蔗糖、淀粉含量的日變化規(guī)律無顯著差異(圖3-B), 均表現(xiàn)為白天隨著光合作用的增強(qiáng), 蔗糖含量上升, 于12時(shí)30分左右達(dá)到最高, 之后持續(xù)降低, 22時(shí)30分左右降至最低; 淀粉含量在白天積累, 于19時(shí)左右達(dá)到最高, 之后開始降低, 至次日早上6時(shí)30分左右降至最低。因此, 本研究中盆栽試驗(yàn)的結(jié)果具有一定的普適性。

圖A為大田栽培條件下葉片中蔗糖和淀粉含量的日變化, 每1 h取樣1次。圖B為盆栽試驗(yàn)條件下的葉片中蔗糖和淀粉含量的日變化情況, 每3 h取樣1次。

The picture A shows the diurnal variation of sucrose and starch content in the leaves under field cultivation conditions which is sampled every hour. The picture B shows the performance under pot experiment conditions which is sampled every three hours.

2.3.2 棉花對位葉蔗糖、淀粉含量日變化幅度響應(yīng)高溫脅迫的品種間差異 高溫顯著降低棉花對位葉淀粉含量日變化幅度(圖4)。與CK相比, 高溫5 d時(shí)蘇棉15 和PHY370WR對位葉淀粉含量的日變化幅度分別降低了18.4%和11.9% (品種間差異6.5%); 高溫恢復(fù)5 d時(shí), 蘇棉15和PHY370WR對位葉淀粉含量的日變化幅度分別降低了22.3%和13.1% (品種間差異9.2%), 說明, 與高溫脅迫5 d相比, 高溫脅迫恢復(fù)5 d時(shí)的淀粉含量日變化幅度品種間差異增大, 這與葉片碳水化合物輸出效率響應(yīng)高溫的結(jié)果相一致。

高溫5 d顯著降低棉花對位葉蔗糖含量日變化幅度(圖4)。與CK相比, 高溫5 d時(shí)蘇棉15 和PHY370WR對位葉蔗糖含量的日變化幅度分別降低了10.5%和4.0% (品種間差異6.5%); 高溫恢復(fù)5 d時(shí), 蘇棉15 和PHY370WR對位葉蔗糖含量的日變化幅度分別降低了4.6%和0.7% (品種間差異3.8%)。因此, 與高溫脅迫5 d相比, 高溫脅迫恢復(fù)5 d時(shí)的蔗糖含量日變化幅度品種間差異減小。

2.3.3 高溫脅迫下棉鈴對位葉光合產(chǎn)物含量日變化與碳水化合物輸出能力的相關(guān)性 高溫脅迫5 d和恢復(fù)5 d時(shí), 棉鈴對位葉中蔗糖和淀粉含量的日變化幅度與葉片碳水化合物輸出能力存在顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5), 且淀粉含量日變化幅度與葉片碳水化合物輸出能力的相關(guān)性更高。此外, 與高溫脅迫5 d時(shí)相比, 高溫脅迫解除5 d時(shí)兩品種淀粉含量日變化幅度與葉片碳水化合物輸出能力的相關(guān)性均增強(qiáng),結(jié)合2.3.2的結(jié)果, 說明淀粉日變化幅度更能反映葉片碳水化合物輸出能力。

CK: 常溫對照, 平均日均溫26℃; HT: 高溫脅迫, 平均日均溫34℃。

CK: normal temperature control and average temperature 26℃; HT: heat stress, and average temperature 34℃.

用同位素13C標(biāo)記結(jié)果計(jì)算所得的碳水化合物輸出效率與葉片中淀粉含量和蔗糖含量的日最大變化幅度進(jìn)行相關(guān)性分析, 對應(yīng)色塊的顏色越深表明相關(guān)性越強(qiáng)。**表示1%顯著水平。

The darker the color of the block, the stronger the correlation between carbohydrate transportation efficiency and the diurnal conversion rates of starch content and sucrose content in subtending leaves.**Significant at the 1% probability level.

2.3.4 棉鈴對位葉淀粉含量日最大值、最小值響應(yīng)高溫脅迫的品種間差異 高溫脅迫降低了棉鈴對位葉日最大淀粉含量, 提高了日最小淀粉含量, 因而減小了淀粉含量日變化幅度(圖6)。高溫脅迫5 d時(shí), 與CK相比, 蘇棉15和PHY370WR日最大淀粉含量降低幅度分別為10.3%和8.0% (品種間差異為2.3%), 日最小淀粉含量增加幅度分別為26.9%和20.5% (品種間差異為6.4%); 脅迫解除5 d后日最大淀粉含量降低幅度分別為9.5%和8.1% (品種間差異為1.4%), 日最小淀粉含量增加幅度分別為27.6%和16.1% (品種間差異為11.5%)。因此, 與高溫脅迫5 d相比, 高溫脅迫恢復(fù)5 d時(shí)的日最小淀粉含量變化幅度品種間差異增大。由上可知, 高溫脅迫對日最小淀粉含量的影響較對日最大淀粉含量的影響更顯著, 且其變化趨勢與高溫脅迫與脅迫解除后淀粉含量日變化的趨勢一致, 因此, 高溫脅迫下兩品種對位葉中淀粉含量日變化幅度的差異主要由夜間最小淀粉含量的差異造成。

縱軸為PHY370WR葉片中日最大/最小淀粉含量的變化幅度, 橫軸為蘇棉15葉片中日最大/最小淀粉含量的變化幅度, 圖中點(diǎn)的分布距離斜線越遠(yuǎn), 表示品種間差異越大。葉片中日最大/最小淀粉含量變化幅度= (高溫脅迫處理葉片日最大/最小淀粉含量-對照葉片日最大/最小淀粉含量)/(對照葉片日最大/最小淀粉含量)。

The vertical axis is the variation of maximum/minimum starch content in the leaves of PHY370WR, while the horizontal axis is the variation of maximum/minimum starch content in the leaves of Sumian 15. The farther the distribution of points in the figure is from the oblique line, the greater the difference between cultivars. Variation of maximum/minimum starch content = (maximum/minimum starch contentHT-maximum/minimum starch content CK)/(maximum/minimum starch content CK).

3 討論

花鈴期5 d的短期高溫處理后, 棉花鈴重顯著下降, 比葉重卻顯著增加。棉鈴與對位葉是一個(gè)最基本的源庫單位[30], 高溫脅迫導(dǎo)致鈴重降低的同時(shí)葉片比葉重增加, 說明高溫脅迫導(dǎo)致產(chǎn)量降低的原因不僅是光合產(chǎn)物的合成受到了抑制, 光合產(chǎn)物在源庫器官間的分配也發(fā)生了改變。盡管開花時(shí)棉鈴對位葉葉片大小基本定型, 但在后續(xù)生長發(fā)育中, 葉片厚度和重量還會有一定量的變化, 本研究中短期高溫脅迫條件下比葉重有所增加, 與光合產(chǎn)物從葉片向棉鈴的輸出受阻有一定的關(guān)系。比較2個(gè)不同熱敏感性的品種發(fā)現(xiàn), 鈴重大幅減少的蘇棉15, 其葉片比葉重的增加也更為顯著。光合產(chǎn)物在葉片與棉鈴間的分配與葉片光合產(chǎn)物的輸出轉(zhuǎn)運(yùn)密不可分, 2個(gè)品種葉片光合產(chǎn)物在葉片與棉鈴間分配比例變化的差異, 表明其葉片光合產(chǎn)物輸出效率(能力)對短期高溫脅迫的響應(yīng)也存在著顯著差異。

高溫脅迫導(dǎo)致的源能力不足是棉花減產(chǎn)降質(zhì)的重要原因之一[1-6], 葉片光合作用和光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)輸出是既相互緊密聯(lián)系又在某種程度上獨(dú)立調(diào)控的2個(gè)生理代謝過程, 葉片中光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)和儲存能力也是葉片源能力的重要方面。以往關(guān)于葉片光合產(chǎn)物輸出能力的研究, 主要通過分析源、庫器官間光合產(chǎn)物分配比例的相對變化來實(shí)現(xiàn), 而碳同位素標(biāo)記是研究葉片中碳水化合物在器官間轉(zhuǎn)運(yùn)分配的常用方法[31], 可實(shí)現(xiàn)對單張葉片內(nèi)光合產(chǎn)物輸出比例的量化分析。本研究采用13CO2對葉片中光合產(chǎn)物進(jìn)行標(biāo)記, 用13C的相對豐度值計(jì)算得到棉花葉片內(nèi)光合產(chǎn)物24 h內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)效率, 約為60%, 與前人用放射性同位素(14CO2)的標(biāo)記結(jié)果一致[32]。與CK相比, 高溫脅迫顯著抑制了葉片的碳水化合物輸出能力, 高溫脅迫下24 h內(nèi)耐高溫型棉花品種PHY370WR葉片碳水化合物輸出效率下降幅度2年平均值為15.7%, 顯著小于蘇棉15的22.1%; 脅迫解除后, PHY370WR和蘇棉15葉片碳水化合物輸出效率下降幅度2年平均值分別為8.0%和18.2%。可見, 不同熱敏感性品種棉鈴對位葉碳水化合物輸出能力響應(yīng)高溫脅迫的差異在脅迫解除后更加顯著。因此, 高溫脅迫對棉鈴對位葉光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響在品種間存在顯著差異, 差異不但體現(xiàn)在高溫脅迫發(fā)生時(shí), 更體現(xiàn)在高溫脅迫解除后。本研究中, 耐高溫型棉花品種PHY370WR在高溫脅迫發(fā)生時(shí)及脅迫恢復(fù)后碳水化合物輸出效率表現(xiàn)出更強(qiáng)的抵御高溫逆境能力, 即更高的保持穩(wěn)定的能力, 因而高溫下PHY370WR葉片比葉重的增加幅度、鈴重的降低幅度均相對較小。

蔗糖和淀粉是棉花葉片光合作用的主要產(chǎn)物, 兩者含量水平高低和晝夜變化幅度與葉片碳水化合物輸出能力密切相關(guān)。本研究根據(jù)前人研究結(jié)果[33], 結(jié)合本試驗(yàn)的動態(tài)測定結(jié)果, 確定了棉花葉片中淀粉和蔗糖含量的晝夜變化規(guī)律, 計(jì)算出兩者晝夜間變化幅度, 并研究其與碳水化合物輸出效率之間的關(guān)系。結(jié)果表明, 高溫脅迫顯著降低棉花葉片淀粉、蔗糖含量晝夜變化幅度, 兩品種間降低幅度差異均為6.5%; 脅迫恢復(fù)后5 d, 淀粉含量晝夜變化幅度仍然顯著降低且兩品種間差異增加為9.2%, 而蔗糖含量晝夜變化幅度降低程度減小, 兩品種間差異減小為3.8%。相關(guān)性結(jié)果亦表明, 高溫脅迫5 d及恢復(fù)后5 d蔗糖、淀粉晝夜變化幅度均與碳水化合物輸出能力(同位素標(biāo)記結(jié)果)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系, 其中, 淀粉含量晝夜變化幅度與碳水化合物輸出效率的相關(guān)性更強(qiáng)。蔗糖作為碳水化合物輸出的主要形式, 其白天的含量水平參與夜間輸出速率的建成, 而淀粉作為葉片中光合產(chǎn)物的暫時(shí)儲存形式, 白天合成積累, 夜間再轉(zhuǎn)化為蔗糖輸出到庫器官中, 因此葉片中蔗糖含量晝夜變化幅度與碳水化合物輸出速率緊密相關(guān)[34], 淀粉含量晝夜變化幅度應(yīng)能反映出葉片中光合產(chǎn)物輸出能力的大小[12, 35]。本研究中, 在高溫條件下, 白天葉片蔗糖含量顯著降低, 其輸出效率受到顯著抑制, 此時(shí), 能更多地儲存淀粉并在夜間更多的轉(zhuǎn)化為蔗糖就顯得極為重要。

然而, 高溫脅迫下, 不同耐熱性棉花品種間差異到底是因?yàn)槟芨嗟膬Υ娴矸圻€是能較好的保證淀粉的轉(zhuǎn)化？尚未可知。本研究進(jìn)一步分析了淀粉含量的晝夜極值對高溫脅迫的響應(yīng)及其在品種間的差異, 發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下, 與CK相比, 最小(夜間)淀粉含量上升較最大(白天)淀粉含量下降幅度更大; 在高溫脅迫解除5 d后, 葉片最小(夜間)淀粉含量增加幅度的品種間差異與高溫5 d相比顯著增加, 而最大(白天)含量降低幅度與脅迫下無顯著變化。因此, 淀粉最小含量增加幅度的品種間差異是淀粉晝夜變化幅度降低的主要原因, 即淀粉夜間降解能力的減弱是其光合產(chǎn)物輸出能力降低的重要原因。本研究中, 熱敏感型棉花品種蘇棉15葉片最小(夜間)淀粉含量的增加是其葉片淀粉含量晝夜變化幅度降低程度顯著小于耐熱型棉花品種PHY370WR的主要原因, 也是其表現(xiàn)出在高溫下更為敏感特性的原因。綜上, 我們認(rèn)為葉片淀粉夜間降解能力的下降是介導(dǎo)短期高溫脅迫后不同熱敏感性品種葉片光合產(chǎn)物輸出能力差異的重要生理過程。

4 結(jié)論

不同熱敏感性棉花葉源鈴庫間的光合產(chǎn)物分配比例對高溫脅迫的響應(yīng)存在顯著差異, 表現(xiàn)為耐熱型棉花品種鈴重降低幅度及比葉重升高幅度均較熱敏感型棉花品種低。熱敏感性差異的棉花品種葉片碳水化合物輸出效率對高溫脅迫響應(yīng)的差異不僅表現(xiàn)在脅迫發(fā)生時(shí), 更表現(xiàn)在脅迫解除后。耐熱型棉花品種的葉片在高溫脅迫發(fā)生時(shí)及脅迫恢復(fù)后表現(xiàn)出更強(qiáng)的抵御高溫逆境能力及更好的恢復(fù)能力, 與其夜間淀粉降解能力即葉片最小(夜間)淀粉含量增加幅度較小密切相關(guān)。

[1] 王友華, 束紅梅, 陳兵林, 許乃銀, 趙永倉, 周治國. 不同棉花品種纖維比強(qiáng)度形成的時(shí)空差異及其與溫度的關(guān)系. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 41: 3865–3871.

Wang Y H, Shu H M, Chen B L, Xu N Y, Zhao Y C, Zhou Z G. Temporal-spatial bariation of cotton fiber strength of different cultivars and its relationship with temperature., 2008, 41: 3865–3871 (in Chinese with English abstract).

[2] Dai Y J, Chen B L, Meng Y L, Zhao W Q, Zhou Z G, Oosterhuis D M, Wang Y H. Effects of elevated temperature on sucrose metabolism and cellulose synthesis in cotton fibre during secondary cell wall development., 2015, 42: 909–919.

[3] Chen Y, Wang H, Hu W, Wang S, Snider J L, Zhou Z. Co-occurring elevated temperature and waterlogging stresses disrupt cellulose synthesis by altering the expression and activity of carbohydrate balance-associated enzymes during fiber deve-lopment in cotton., 2017, 135: 106–117.

[4] Snider J L, Oosterhuis D M, Kawakami E M. Mechanisms of reproductive thermotolerance in: the effect of genotype and exogenous calcium application., 2011, 197: 228–236.

[5] 李文丹, 雒珺瑜, 張帥, 呂麗敏, 王春義, 朱香鎮(zhèn), 李春花, 崔金杰. 高溫脅迫對棉花內(nèi)源激素的影響. 中國棉花, 2016, 43(6): 14–16.

Li W D, Luo J Y, Zhang S, Lyu L M, Wang C Y, Zhu X Z, Li C H, Cui J J. Influence of heat stress on endogenous hormone of cotton., 2016, 43(6): 14–16(in Chinese with English abstract).

[6] 宋桂成, 王苗苗, 曾斌, 陳全戰(zhàn), 唐燦明. 高溫對棉花生殖過程的影響. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2016, 30: 404–411.

Song G C, Wang M M, Zeng B, Chen Q Z, Tang C M. The effects of high-temperature on reproductive process in upland cotton., 2016, 30: 404–411 (in Chinese with English abstract).

[7] Wullschleger S D, Oosterhuis D M. Photosynthetic carbon production and use by developing cotton leaves and bolls., 1990, 30: 1259–1264.

[8] Liu J, Ma Y, Lyu F, Chen J, Zhou Z, Wang Y, Abudurezike A, Oosterhuis D M. Changes of sucrose metabolism in leaf subtending to cotton boll under cool temperature due to late planting., 2013, 144: 200–211.

[9] Lunn J E, Hatch M D. Primary partitioning and storage of photosynthate in sucrose and starch in leaves of C4plants., 1995, 197: 385–391.

[10] Farrar J, Pollock C, Gallagher J. Sucrose and the integration of metabolism in vascular plants., 2000, 154: 1–11.

[11] Herold A. Regulation of photosynthesis by sink activity: the missing link., 2006, 86: 131–144.

[12] Guy C L, Huber J L A, Huber S C. Sucrose phosphate synthase and sucrose accumulation at low temperature., 1992, 100: 502–508.

[13] 熊福生, 高煜珠, 詹勇昌, 李國鋒. 植物葉片蔗糖、淀粉積累與其降解酶活性關(guān)系研究. 作物學(xué)報(bào), 1994, 20: 52–58.

Xiong F S, Gao Y Z, Zhan Y C, Li G F. Relationship between leaf sucrose and starch content and their degradative enzymes activities in crop plants., 1994, 20: 52–58 (in Chinese with English abstract).

[14] Lafta A M, Lorenzen J H. Effects of high temperature on plant grwoth and carbohydrate metabolism in potato., 1995, 109: 637–643.

[15] Loka D A, Oosterhuis D M. Effect of high night temperatures on cotton respiration, ATP levels and carbohydrate content., 2010, 68: 258–263.

[16] Liu X, Huang B. Carbohydrate accumulation in relation to heat stress tolerance in two creeping bentgrass cultivars., 2000, 125: 153–164.

[17] Hu W, Dai Y, Zhao W, Meng Y, Chen B. Effects of long-term elevation of air temperature on sucrose metabolism in cotton leaves at different positions., 2017, 203: 539–552.

[18] Sharkey T D. Effects of moderate heat stress on photosynthesis: importance of thylakoid reactions, rubisco deactivation, reactive oxygen species, and thermotolerance provided by isoprene., 2005, 28: 269–277.

[19] Berry J, Bjorkman O. Photosynthetic response and adaptation to temperature in higher plants., 1980, 31: 491–543.

[20] Wells R. Response of leaf ontogeny and photosynthetic activity to reproductive growth in cotton., 1988, 87: 274–279.

[21] Pettigrew W T. The effect of higher temperatures on cotton lint yield production and fiber quality., 2008, 48: 278–285.

[22] Snider J L, Oosterhuis D M, Kawakami E M. Genotypic differences in thermotolerance are dependent upon prestress capacity for antioxidant protection of the photosynthetic apparatus in., 2010, 138: 268–277.

[23] Zahid K R, Ali F, Shah F, Younas M, Shah T, Shahwar D, Hassan W, Ahmad Z, Qi C, Lu Y. Response and tolerance mechanism of cottonL. to elevated temperature stress: a review., 2016, 7: 937–937.

[24] Pettigrew W T. Cultivar variation in cotton photosynthetic performance under different temperature regimes., 2016, 54: 502–507.

[25] 劉賢趙, 宿慶, 李嘉竹, 全斌, 李朝奎, 張勇, 王志強(qiáng), 王國安. 控溫條件下C3、C4草本植物碳同位素組成對溫度的響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35: 3278–3287.

Liu X Z, Su Q, Li J Z, Quan B, Li C K, Zhang Y, Wang Z Q, Wang G A. Response of carbon isotopic composition of C3and C4herbaceous plants to temperature under controlled temperature conditions., 2015, 35: 3278–3287 (in Chinese with English abstract).

[26] Kanai S, Moghaieb R E A, Elshemy H A, Panigrahi R, Mohapatra P K, Ito J, Nguyen N T, Saneoka H, Fujita K. Potassium deficiency affects water status and photosynthetic rate of the vegetative sink in green house tomato prior to its effects on source activity., 2011, 180: 368–374.

[27] 谷淑波, 代興龍, 樊廣華, 郭啟芳. 穩(wěn)定性同位素13C標(biāo)記小麥植株δ13C值的檢測方法研究. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2016, 30: 770–775.

Gu S B, Dai X L, Fan G H, Guo Q F. Study on the determination method of δ13C values of the stable isotope13C-labeled wheat plant., 2016, 30: 770–775 (in Chinese with English abstract).

[28] Xu W, Zhou Z, Zhan D, Zhao W, Meng Y, Chen B, Liu W, Wang Y. The difference in the formation of thermotolerance of two cotton cultivars with different heat tolerance., 2019, 66: 58–69.

[29] Hu W, Yang J, Meng Y, Wang Y, Chen B, Zhao W, Oosterhuis D M, Zhou Z. Potassium application affects carbohydrate metabolism in the leaf subtending the cotton (L.) boll and its relationship with boll biomass., 2015, 179: 120–131.

[30] 孫紅春, 李存東, 張?jiān)鲁? 路文靜. 棉花源庫比對中、下部果枝葉生理活性及鈴重的影響. 作物學(xué)報(bào), 2008, 34: 1459–1463.

Sun H C, Li C D, Zhang Y Z, Lu W J. Effects of source/sink ratio on boll weight and physiological activities of leaves at middle and lower fruiting branches in cotton., 2008, 34: 1459–1463 (in Chinese with English abstract).

[31] 陳子元. 不斷開創(chuàng)我國同位素示蹤技術(shù)新體系. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2003, 17: 325–327.

Chen Z Y. The exploration of new system of isotope tracing technique in China., 2003, 17: 325–327 (in Chinese with English abstract).

[32] Ashley D A. C-labelled photosynthate translocation and utilization in cotton plants., 1972, 12: 69–74.

[33] Hendrix D L, Huber S C. Diurnal fluctuations in cotton leaf carbon export, carbohydrate content, and sucrose synthesizing enzymes., 1986, 81: 584–586.

[34] 龔月樺, 高俊鳳. 高等植物光合同化物的運(yùn)輸與分配. 西北植物學(xué)報(bào), 1999, 19: 564–570.

Gong Y H, Gao J F. Transport and partitioning of photoassimilate in higher plant., 1999, 19: 564–570 (in Chinese with English abstract).

[35] Hendrix D L, Grange R I. Carbon partitioning and export from mature cotton leaves., 1991, 95: 228–233.

Different response of cotton leaves to heat stress is closely related to the night starch degradation

ZHAO Wen-Qing1, XU Wen-Zheng1,2, YANG Liu-Yan1, LIU Yu1, ZHOU Zhi-Guo1, and WANG You-Hua1,*

1College of Agriculture, Nanjing Agricultural University / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Management, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production (JCIC-MCP), Nanjing 210095, Jiangsu, China;2Institute of Tobacco Research, Henan Academy of Agricultural Sciences, Xuchang 461000, Henan, China

The export rate of photosynthetic products from leaves is an important manifestation of their source capacity. Heat induced source capacity shortage is one of the major reasons for cotton yield reduction and quality deterioration. To explore the difference and mechanism of leaf carbohydrate export in response to short-term heat stress between cotton cultivars with different heat sensitivity, pot experiments were carried out using two cotton cultivars PHY370WR (heat tolerance) and Sumian 15 (heat sensitivity) as experimental materials in 2015 and 2016. Two temperature treatment (CK, average temperature 26℃; HT, average temperature 34℃) was conducted at flowering and boll forming stages lasting for five days. Results showed that cotton boll weight was significantly decreased and specific leaf weight was increased by HT. The reduction of boll weight and increase of specific leaf weight of PHY370WR were lower than that of Sumian 15. The results of13C labeled photosynthetic products showed that the carbohydrate export efficiency (CEE) of cotton leaves was significantly reduced by HT. Compared with CK, the decrease rate of CEE in Sumian 15 was 22.1% and the decline slope was-2.48, significantly higher than that of PHY370WR by 15.7% and-1.82, respectively. The decrease after five days of recovery in CEE diminished, but the differences at five days of HT between varieties were increased from 6.4% to 10.2% compared with at five days after HT released. The recovery slope of CEE in Sumian 15 was only 0.44, far less than 0.89 of PHY370WR. In addition, compared with HT, the difference of daily variation amplitude of sucrose content was decreased and the difference of daily variation amplitude of starch content was increased between cultivars after five days recovery. The latter was consistent with the trend of CEE in response to HT. Correlation analysis revealed that starch content of daily variation amplitude was more significantly correlated with CEE than sucrose. Further analysis showed that at both five days of HT and five days after HT released, the difference of increase in the minimum (night) starch content between cultivars was more significant than that of decrease in the maximum (day) starch content. The differences between cultivars at five days after HT released were significantly larger than that at five days of HT. In conclusion, there were the differences of cotton leaf CEE with different heat sensitivities not only during high temperature stress but also after the relief of stress. The heat tolerant cultivar PHY370WR indicated stronger resistance to HT and better recovery ability after HT released, which was closely related to a better starch degradation ability with a less increase in the minimum starch content in leaves at night.

cotton (L.); heat stress; subtending leaf; carbohydrates transportation

10.3724/SP.J.1006.2021.04220

本研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大田經(jīng)濟(jì)作物優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的生理基礎(chǔ)與調(diào)控”(2018YFD1000900)和江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(JCIC-MCP)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China “Physiological Basis and Agronomic Management for High-quality and High-yield of Field Cash Crops” (2018YFD1000900), and the Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production (JCIC-MCP).

王友華, E-mail: w_youhua@njau.edu.cn

E-mail: zhaowenqing@njau.edu.cn

2020-09-27;

2021-01-21;

2021-03-01.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210301.1151.004.html