李生梅, 張大偉, 迪麗拜爾·迪力買買提, 魏鑫,芮存, 楊濤, 耿世偉, 高文偉*

(1. 新疆農業(yè)大學農學院， 烏魯木齊 830052; 2.新疆農業(yè)科學院經濟作物研究所， 烏魯木齊 830091)

棉花是重要的經濟作物，也是我國紡織服裝工業(yè)的主要原料之一[1]。新疆作為我國最大的棉花種植區(qū)域，單產和總產居全國之首[2]。然而，新疆地區(qū)年降雨量少，蒸發(fā)量大，水資源相對匱乏。棉花生長發(fā)育需要的水分補給基本上靠雪水融化和地下灌溉，因此，干旱已成為限制棉花產量與品質的主要因素[3]。為減少干旱造成的經濟損失，研究棉花水分脅迫生理及其適應機制及尋找棉花水資源高效利用途徑具有十分重要的生產意義和現實價值[4]。隨著植物基因工程研究取得迅速的發(fā)展，利用抗旱相關基因提高棉花的耐旱性、實現棉花產量的增加是一種經濟和高效的途徑[5]。

醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)能催化醛類氧化為相應的羧酸，起到醛類物質清除劑的作用，因此在植物逆境中起著重要作用[6-9]。苔蘚攜帶2種獨特的醛脫氫酶基因(ALDH)，其中一種為ALDH21，最早從山墻蘚(Tortularuralis)中克隆得到[10-11]。諸多研究表明，該基因具有較強的抗逆功能[11-16]。過表達ScALDH21基因可增強煙草的耐鹽和耐旱性，鹽和干旱脅迫使煙草植株的萌發(fā)和生長降低，但轉基因煙草表現出更好的抗逆能力[14]。在鹽脅迫下，轉ScALDH21基因能提高棉花的耐鹽性，轉基因株系的幼苗在株高等生長和生理性狀均表現出優(yōu)勢[15]。在15%PEG脅迫下，轉ScALDH21基因棉花的抗性顯著提高[16]。有研究發(fā)現，與全生育期充足灌溉相比，適度干旱脅迫后部分棉花品種的表型及產量性狀表現優(yōu)于對照[17]。因此，不同生育期減量灌溉對植株的生長發(fā)育和產量影響較大，而有關轉基因棉花不同生育期減量灌溉對農藝性狀和產量影響的研究鮮見報道。

本研究選取轉抗旱基因ScALDH21棉花株系T14-96和其受體新農棉1號為研究材料，研究不同生育期灌溉量減少30%的水平下其農藝性狀、產量及品質性狀的差異，探究轉ScALDH21基因棉花對不同生育期節(jié)水脅迫的響應，為棉花抗旱新品種的選育和灌溉方式的優(yōu)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在新疆農業(yè)科學院瑪納斯試驗站(N 44°18′，E 86°13′)進行。該地區(qū)晝夜溫差大，最熱月(7月)平均氣溫25.6 ℃，極端高溫37 ℃，極端低溫14 ℃，日溫差10～18 ℃，年均日照時數2 700 ～2 800 h，年均氣溫7.2 ℃，年均降水量173.3 mm, 年均蒸發(fā)量2 141 mm，全年無霜期165～172 d，屬于中溫帶大陸性干旱氣候[18]。

1.2 試驗設計

供試材料轉抗旱基因ScALDH21棉花T10代穩(wěn)定株系T14-96和新農棉1號均由新疆農業(yè)科學院經濟作物研究所早熟棉課題組提供。小區(qū)試驗采用防雨抗旱池栽培，每個池均安裝水表，分別控水，整個生育期滴水5次。試驗設置4個處理，分別為全生育期正常灌水(CK)、苗蕾期減量灌溉30%(M3)、花鈴期減量灌溉30%(H3)以及苗蕾期和花鈴期連續(xù)減量灌溉30%(W3)，灌溉定額依次為2 475.00、2 307.45、2 125.05、1 781.55 m3·hm-2，棉花各階段灌溉量詳見表1。每個處理重復3次，總計24個試驗小區(qū)，每份材料種植1膜，采用一膜四行種植模式(66+10+66+10)cm，株距13.5 cm，播幅1.52 m，行長1.8 m，每個試驗小區(qū)面積為2.736 m2。

表1 不同生育期的灌水量Table 1 Irrigation amount in different growth stages (m3·hm-2)

1.3 測定項目與方法

2018年9月10日，選擇連續(xù)且長勢均勻的10株植株用于測定棉花株高(plant height，PH)、第一果枝高度(height of the first branch, FBH)、始節(jié)數(number of the first branch, NOB)、果枝數(fruit branch number, FBN)和單株結鈴數(boll number per plant, BN)。9月30日收獲棉株中部果枝第1～2果節(jié)吐絮正常的25朵鈴，曬干軋花稱重，測定單鈴重(single boll weight, BW)、衣分(lint percentage, LP)、子指(seed index, SI)、衣指(lint index, LI)、子棉產量(seed cotton yield, SCY)、皮棉產量(lint cotton yield, LCY)，并稱重15 g皮棉送至新疆農業(yè)科學院棉花研究所檢測纖維品質，包括上半部平均長度(fiber length, FL)、斷裂比強度(specific breaking strength, FS)、馬克隆值(micronaire, FM)、整齊度指數(uniformity, FU)和伸長率(elongation, FE)。所有性狀均參照《農作物田間試驗記載項目及標準》[19]進行測定。

1.4 數據處理與分析

運用Excel 2010進行數據整理與分析，SPSS 21.0進行雙因素方差分析以及Cannco 5.0繪主成分分析圖。

2 結果與分析

2.1 減量灌溉對轉基因與受體棉花農藝性狀的影響

新農棉1號和T14-96在不同灌水處理下的農藝性狀結果(表2)顯示，減量灌溉與材料對第一果枝高度的影響存在顯著交互效應(P<0.05)，而對株高、始節(jié)數和果枝數的影響無顯著交互作用。其中，減量灌溉對株高、第一果枝高度和果枝數均有極顯著的影響(P<0.01)，而對始節(jié)數影響不顯著(P>0.05)，且轉基因植株和受體植株表現出相同的特點。

表2 不同生育期減量灌溉下新農棉1號和T14-96的農藝性狀Table 2 Agronomic traits of Xinnongmian 1 and T14-96 in different reduced irrigations at different stages

與CK相比，在M3、H3、W3條件下，新農棉1號株高分別下降5.8%、7.7%、17.2%，第一果枝高度下降9.5%、14.6%、46.2%，果枝數下降5.7%、8.1%、15.8%；而T14-96的株高分別下降4.6%、7.2%、13.3%，第一果枝高度下降0.8%、3.9%、16.7%，果枝數下降1.8%、2.2%、10.6%，可見W3處理對棉花農藝性狀影響較大。不同灌溉處理下，T14-96的株高和果枝數顯著高于受體；第一果枝高度上略高于受體，但差異不顯著。由此說明，轉ScALDH21棉花的農藝性狀整體優(yōu)于受體，更能適應減量灌溉環(huán)境，生存力更強。

2.2 減量灌溉對轉基因與受體棉花產量性狀的影響

新農棉1號和T14-96在不同灌水處理下的產量性狀結果(表3)顯示，產量性狀不受減量灌溉與材料二者交互作用的影響(P>0.05)，而減量灌溉對單株結鈴數、單鈴重、衣分、子指、子棉產量和皮棉產量都具有極顯著影響(P<0.01)，對衣指影響不顯著(P>0.05)；而T14-96和新農棉1號在產量性狀上均表現出極顯著差異(P<0.01)。

與CK相比，在M3和H3處理下，新農棉1號單株結鈴數下降9.6%和10.4%，單鈴重提高2.2%和0.6%，衣分提高5.1%和3.5%，子指提高3.3%和1.9%，衣指提高3.5%和3.0%，子棉產量提高1.6%和1.4%，皮棉產量提高6.0%和4.2%；而T14-96單株結鈴數下降4.1%和5.4%，單鈴重提高2.3%和1.1%，衣分提高2.8%和4.6%，子指提高3.6%和1.9%，衣指提高0.8%和3.1%，子棉產量提高5.1%和4.1%，皮棉產量提高8.1%和9.0%。在W3處理下，新農棉1號和T14-96的單株結鈴數、單鈴重、子指、衣指和子棉產量均下降，而衣分和皮棉產量有所提高。綜上所述，W3處理對棉花產量性狀影響最大；而M3和H3處理下產量有所提高，且轉基因材料可達到顯著提高，表明這兩個時期進行適宜的減量灌溉，既節(jié)水又可達到增產的效果。

不同灌溉量處理下，T14-96單株結鈴數、單鈴重、子指、子棉產量和皮棉產量顯著高于受體，衣分和衣指與受體無顯著差異。其中，T14-96單株結鈴數比受體棉花分別提高了6.7%、12.1%、11.7%、11.4%；單鈴重分別提高了13.7%、13.8%、14.2%、13.9%；子指分別提高了14.5%、14.7%、14.6%、17.2%；子棉產量分別提高了13.1%、17.1%、16.1%、13.9%；皮棉產量分別提高了17.4%、19.7%、22.9%、14.3%。說明在減量灌溉下，轉ScALDH21基因株系T14-96在多數產量性狀上的表現都優(yōu)于受體。

2.3 減量灌溉對轉基因與受體棉花纖維品質的影響

新農棉1號和T14-96在不同灌水處理下的纖維品質性狀結果(表4)顯示，材料和灌量二者交互作用對纖維品質性狀的影響不顯著(P>0.05)；受減量灌溉的影響也不顯著(P>0.05)；但斷裂比強度和馬克隆值在新農棉1號和T14-96間差異顯著(P<0.01)。

與CK相比，M3、H3、W3處理下，新農棉1號棉纖維上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度指數和伸長率無顯著差異(P>0.05)；T14-96纖維品質亦無顯著差異(P>0.05)。不同減量灌溉處理下，T14-96棉纖維斷裂比強度和馬克隆值略高于受體。說明轉基因和減量灌溉對棉花纖維品質無顯著影響。

2.4 主成分分析

由于農藝、產量和品質性狀多個指標之間存在較強的相關性，因此采用主成分分析獲取綜合變量，來研究轉基因株系T14-96與受體新農棉1號的差異以及減量灌溉對其生長發(fā)育影響的總效應。主成分分析(圖1)表明，提取的前2個主成分累計貢獻率達66.9%，其中，PC1的貢獻率為52.5%，可以區(qū)分轉基因株系與受體；PC2的貢獻率為14.4%，可以區(qū)分不同生育期的減量灌溉；均對數據組的總變異有著較高的解釋。由表5可知，提取的4個主成分對總變異的解釋率達81.3%，表明這4個主成分可較好的反映最初16個單項指標所涵蓋的大部分內容。第1主成分中，株高、第一果枝高度、果枝數、單鈴重、子指、子棉產量和皮棉產量的權重系數較高，表明材料差異對這些農藝和產量性狀有顯著影響；第2主成分中，始節(jié)數和衣分的載荷值較高，表明始節(jié)數和衣分受減量灌溉的影響較為顯著；第3、4主成分分別是伸長率和整齊度指數載荷值較高，表明這兩個性狀也可作為參考指標。

圖1 主成分分析Fig.1 Principal component analysis

表5 主成分載荷矩陣Table 5 Loading matrix of principal component

3 討論

水分對植物至關重要，會影響植株生長發(fā)育的整個過程[4]。棉花全生育期包括苗、蕾、花鈴以及吐絮成熟期四個階段[20]，不同生育期對水分脅迫的響應機制存在差異[21]。水分脅迫會影響棉花的生長發(fā)育，導致株高降低，果枝數和鈴數減少，從而導致棉花減產[22]。南建福等[23]研究發(fā)現，棉花苗期進行適當的干旱脅迫可以調控主莖高度，有利于提高經濟產量。閆曼曼等[24]研究海島棉發(fā)現，輕度水分脅迫后，單株結鈴數增加，鈴重增大，產量提高；而重度水分脅迫下，由于水分嚴重缺失無法滿足棉鈴的發(fā)育需求，使單鈴重、結鈴數和產量均有所下降。高延軍等[25]研究發(fā)現,蕾期或花鈴期輕度水分脅迫有利于提高棉株成鈴率。韓會玲等[26]研究發(fā)現，棉花蕾期和花鈴期連續(xù)受到旱脅迫會使棉鈴弱小，導致產量大幅降低。本研究通過分析不同生育期減量灌溉對棉花的影響，明確棉花在減量灌溉后農藝及產量性狀的變化，結果發(fā)現，分別在苗蕾期(M3)和花鈴期(H3)進行減量灌溉，株高、第一果枝高度、果枝數和單株結鈴數有所下降，而單鈴重、衣分、子指、衣指、子棉產量和皮棉產量有所提高；而在蕾期和花鈴期連續(xù)減量灌溉(W3)，除皮棉產量和衣分外，其余指標均有所下降。由此可見，在苗蕾或花鈴期進行適宜的水分脅迫有利于棉花增產，推測可能是因為適當的減量灌溉使棉株的主莖變粗、單株結鈴數變少，致使單鈴分配到的同化物增多，最終使產量增加[27]。而2個生育期的連續(xù)減量灌溉使棉花生長發(fā)育受到較大影響，最終子棉產量下降，與前人研究結果一致。

ALDH家族有很多成員，例如，過表達VpALDH2B4的轉基因擬南芥對鹽脅迫和霉菌病原體表現出較高的抗性[28]；在大腸桿菌和酵母中過表達BrALDH7B2顯示對H2O2和NaCl的耐受性增強[29]；在鹽和PEG處理下，海島棉和陸地棉中大多數ALDH表達均被上調[30]。這些研究結果表明，ALDH基因家族在抵抗非生物逆境和生物逆境中起重要作用。齒肋赤蘚中乙醛脫氫酶基因ScALDH21具有較高的耐旱性[31]，本研究發(fā)現，新農棉1號在M3、H3和W3處理下株高、第一果枝高度和果枝數均顯著低于T14-96，且降幅均大于T14-96；單株結鈴數、單鈴重、子指、子棉產量和皮棉產量也均顯著低于T14-96。本研究通過多角度證明，轉ScALDH21株系T14-96的抗旱能力、農藝性狀及產量均優(yōu)于受體，且纖維品質與受體無顯著差異。有研究表明[32-33]，ScALDH21基因過量表達顯著提高棉花的耐旱性，產量和纖維品質也不會降低，與本研究結果一致。本研究進一步證明ScALDH21基因的抗逆性對提升棉花產量具有重要意義，說明轉ScALDH21棉花株系對水分脅迫有較好的響應優(yōu)勢。

篩選抗旱性強的棉花品種對節(jié)水生產具有重要意義[34]。因此，李海明等[35]通過對陸地棉花鈴期控水發(fā)現，株高、第一果枝高度、鈴數、單鈴重和子棉產量可作為棉花花鈴期抗旱性評價的指標。本研究通過主成分分析表明，株高、始節(jié)高、果枝數、單鈴重、子指、子棉產量和皮棉產量是區(qū)分轉基因和受體棉花的重要因子；而始節(jié)數和衣分受減量灌溉的影響較為明顯。這可能是由于轉ScALDH21較減量灌溉對棉花生長發(fā)育的影響更大。本研究表明ScALDH21基因在減量灌溉下對棉花產量具有積極作用，該結果優(yōu)化了新疆棉花的灌溉模式，同時為棉花的抗逆育種提供了理論參考和種質資源。