土壤含水量和密度对棉苗花芽分化的调控效应及其生理学机制*

秘雅迪, 李 慧, 冯海平, 周子岳, 刘连涛,张永江, 白志英,2, 孙红春**

(1.河北农业大学农学院/省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室/河北省作物生长调控重点实验室 保定 071001;2.河北农业大学生命科学学院 保定 071001)

棉花(Gossypium hirsutumL.)是重要的经济作物。为“不与粮争田”, 我国棉业扩大盐碱和旱地植棉面积, 实现节水、轻简化栽培[1-2]。适当晚播、合理密植可以显著改善作物水分利用效率[3]; 增加密度可以使棉花果枝变短, 株型更为紧凑, 集中吐絮,塑造适合机械采收的株型[4], 对提高棉花生产效益具有重要意义。

通过调整种植密度来影响植株由营养生长向生殖生长进度, 从而调控花芽分化进程, 对不同熟性棉花生长发育进程、产量和品质产生重要影响[5-6]。棉花花芽分化是从营养生长转向生殖生长的重要标志[7]。Li等[8]研究表明, 随种植密度增加, 棉花第一果枝节位出现时间推迟; 支晓宇等[9]研究表明, 随种植密度的增加, 棉花营养器官干物质分配比例提高;Wen等[10]研究表明, 调亏灌溉处理下, 棉花植株的营养生长受到抑制, 进入生殖生长阶段时间提早。可见,调控水分和种植密度是棉花轻简化栽培的重要技术手段。花芽分化的起始是棉花由营养生长转向生殖生长的关键基础阶段。目前关于棉花花芽分化研究集中在品种熟性及遗传机理等方面[11-12], 协调营养生长和生殖生长关系的研究多集中于中后期[13-14], 通过栽培技术手段对棉苗花芽分化的影响研究较少。

植物激素对植物花芽分化的调控机制十分复杂。植物内源激素含量及平衡状态通过调控能量和营养物质代谢(碳水化合物、含氮化合物等), 对棉花花芽分化产生较大影响[15]; 激素的多少与运转方向又受体内物质代谢、营养水平及外界自然条件、栽培技术措施的影响[8,16]。大量研究表明, 可溶性蛋白质、可溶性糖的积累有利于花芽分化[17]。邓永胜等[11]研究表明, 在棉花花芽分化中, 更高的碳氮比是加快完成分化的生理代谢基础。同样, 花芽分化也是由多种内源激素共同调节完成的[18]。任桂杰等[19]研究表明, ABA/IAA、GA3/IAA、CTK/IAA等比值均在棉花花芽分化中起重要的调控作用。Fang等[20]研究表明, ZR和GA3含量降低可延缓花芽分化, IAA含量减少也可能加速棉花花芽分化。可见, 营养物质与激素之间对花芽分化的关系错综复杂, 互为因果。而目前关于激素平衡控制花芽分化假说和C/N比学说仅提出了花芽分化期间各种激素和营养物质调控作用,关于种植密度和水分对信号物质影响的研究多表现为单一因素调控[11,15], 而棉花第一朵花的原基开始分化通常在其第2片真叶或者第3片真叶展平时[21],因此, 对棉花早期花芽分化过程中起决定性作用的因素还需进一步探索。

本试验基于黄河流域棉区轻简化栽培模式, 通过水分和种植密度互作效应, 采用棉花花芽分化微观结构观察、营养物质分析与激素分析相结合等方法, 研究棉花花芽分化早期可溶性蛋白质、可溶性糖及内源激素含量的调控效应, 为黄河流域棉花节水、轻简化栽培模式提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年在河北农业大学清苑试验站(E115°47′, N38°76′)进行, 该地属暖温带季风气候,土质为壤土。试验地有机质含量13.73 g·kg-1, 全氮0.94 g·kg-1, 碱解氮74.54 mg·kg-1, 速效磷12.83 mg·kg-1,速效钾110 mg·kg-1。

本试验供试棉花品种为‘农大601’, 于5月4日播种, 播前底施复合肥375 kg·hm-2。采取二因素裂区设计方法, 主区为土壤水分处理, 从底墒水开始进行差异处理, 设充分灌溉(对照, CK)量为900 m3·hm-2和干旱(D)处理灌溉量为450 m3·hm-2,土壤含水量设置见表1。副区为密度, 设6万株·hm-2(低密度)、9万株·hm-2(中密度)和12万株·hm-2(高密度) 3个水平。在棉花第1片真叶展平之前间苗, 间苗前密度为设定的2倍左右。共6个处理, 简写为CK-6、CK-9、CK-12、D-6、D-9和D-12。每个处理3个重复, 小区面积为120 m2, 行距为0.76 m,其他管理措施同常规试验田。

表1 不同水分处理棉花2叶期和6叶期不同土层田间土壤相对含水量Table 1 Relative water contents (percentage of field capacity)of different soil layers at 2-leaf stage and 6-leaf stage of cotton under different water treatments

1.2 样品采集与测定

分别于棉花2叶期和3叶期取茎尖生长点, 每个处理10个样品, 两个小区重复。FAA固定, 用于花芽分化微观结构观察; 称取若干数量的棉花茎尖生长点0.1 g和0.2 g备用, 液氮速冻后-80 ℃冰箱保存, 用于可溶性蛋白质、可溶性糖和内源激素含量的测定。

棉花花芽分化微观结构观察参照杨捷频[22]的传统石蜡切片法。流程如下: FAA固定→脱水→透明→浸蜡→包埋→切片→脱蜡→番红固绿染色→封片。

参考邹琦[23]的方法, 用传统考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白质含量; 采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量, 由南京建成生物工程研究所试剂盒测定。

测定的内源激素包括IAA、ABA、GA3和ZR, 采用酶联免疫法, 由中国农业大学农学院作物化控研究中心测定。

生长速度分别用现蕾节位或始果枝节高度/现蕾时所需天数计算。

1.3 数据分析方法

采用MS Excel 2010和SPSS 21.0进行数据分析,采用最小显著差异法(LSD)进行差异显著性检验(α＝0.05)。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量和种植密度对棉花花芽形态分化的影响

不同土壤含水量和种植密度处理下, 棉花2～3叶期的微观结构如图1所示。2～3叶期时, 棉花茎尖生长点由生长锥型逐渐变扁平, 细胞密集程度变平缓。2～3叶期时, 随着种植密度的增加, 棉花茎尖生长点的横纵比变小(表2), 说明随种植密度增加, 生长点的分化速度变缓慢; 但高密度有利于棉花营养生长, 棉花节位和纵向生长速度较快(表3); 干旱处理与对照组相比, 茎尖生长点的横纵比变化差异不显著(表2), 但减缓了棉苗的节位和纵向生长速度(表3)。随种植密度的增加, 棉花现蕾节位提高, 始果枝节高度显著提高, 生长点分化速度较缓慢; 干旱处理棉花现蕾节位相对降低, 始果枝节高度变低,但加快了生长点分化速度; 水分和种植密度对棉花始果枝节高度的互作效应显著, CK-9和CK-12处理显著高于其他处理(表3)。

表2 不同土壤含水量及种植密度处理对棉花茎尖生长点横纵比的影响Table 2 Effect of different soil water content and planting density treatments on the aspect ratio of cotton shoot apical meristem

表3 不同土壤含水量及种植密度处理对棉花茎尖生长点分化速度的影响Table 3 Effect of different soil water content and planting density treatments on the differentiation process of cotton shoot apical meristem

2.2 土壤含水量和种植密度对棉花茎尖生长点可溶性蛋白质和可溶性糖含量的调控效应

棉花2～3叶期茎尖生长点的可溶性蛋白质含量有一定的变化(图2A)。2叶期时, D-6处理棉花茎尖生长点的可溶性蛋白质含量均显著高于其他处理;D-9、D-12处理棉花茎尖生长点的可溶性蛋白质含量显著降低。3叶期时, 不同处理的可溶性蛋白质含量无显著差异。

不同土壤水分和种植密度对2～3叶期棉花可溶性糖含量产生一定的影响(图2B)。2叶期时, D-6处理棉花茎尖生长点的可溶性糖含量均显著高于其他处理。3叶期时, 各处理的可溶性糖含量显著增加,CK-6处理增幅最大。

2.3 土壤含水量和种植密度对棉花茎尖生长点不同内源激素的影响

2.3.1 对内源激素含量的影响

不同处理下棉花花芽分化起始时的内源激素含量变化如图3所示。2叶期时, CK处理3个种植密度下棉花茎尖生长点IAA含量高于D处理, 但未达显著水平。随着种植密度的增加, 干旱处理下棉花茎尖生长点内源激素ABA含量逐渐降低, 而CK-12处理下内源激素ABA含量最高。CK-9处理棉花花芽中ZR含量最高, D-6处理ZR含量最低; D-6处理GA3含量显著增加。

3叶期时, D-9处理棉花花芽内源激素IAA含量显著低于其他处理, CK-9和D-9处理内源激素GA3含量低于其他处理, 高密度D-12处理棉花茎尖生长点内源激素ABA含量显著高于其他处理。

2.3.2 对不同内源激素比例的影响

棉花茎尖生长点不同内源激素含量比例对花芽分化产生不同影响, 结果如图4所示。在2叶或3叶期, 同一处理下棉花茎尖生长点的内源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值变化趋势基本相同。2叶期时, CK-9处理棉花内源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值显著高于另外两个密度处理; 干旱处理下随着种植密度的增加, 内源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值呈增加趋势。2叶期D-6处理棉花生长点内源激素GA3/ABA比值高于其他处理, D-9处理最低。

3叶期时, 棉花各处理茎尖生长点内源激素比值变化与2叶期表现不一致, CK-12和D-12处理棉花茎尖生长点IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值显著低于其他处理(IAA/ABA D-12处理除外), GA3/ABA比值高于其他处理。

2.4 土壤含水量和种植密度对棉花茎尖生长点影响的主成分分析

对棉花花芽分化起始阶段的各个指标进行主成分分析, 得出 3个主成分, 其累计贡献率可达89.83%。不同时期的主成分得分矩阵如表4所示。主成分1中, 可溶性蛋白质、ZR、GA3和ABA含量及IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA比值对花芽分化调控效应较大; 在主成分2中, 无论2叶期还是3叶期, 对棉花花芽分化正效应影响最大的是IAA含量; 主成分3中, 2叶期时可溶性糖含量变化对棉花花芽分化正效应影响最大, 3叶期时可溶性糖含量和ZR含量对棉花花芽分化正效应影响最大。因此, 在棉花花芽分化起始过程中, 茎尖生长点可溶性糖含量、内源激素IAA和ZR含量对花芽分化起始影响较为显著。

表4 不同时期棉花茎尖生长点可溶性糖、蛋白质及内源激素含量的主成分分析得分系数矩阵Table 4 Principal component analysis score coefficient matrix of soluble sugar, protein and endogenous hormones contents in cotton shoot apical meristem at two- and three-leaf stages

3 讨论

3.1 土壤含水量和种植密度对棉花花芽分化进程的影响

土壤含水量和种植密度均改变了棉花花芽分化进程, 协调营养生长与生殖生长, 进而对第一果枝形成与始节高度产生影响[24]。高密度群体下, 植株避荫反应诱导植物体形态特征改变, 如促进叶柄伸长和提早开花[25]。在黄河流域棉区, 种植密度由6.75万株·hm-2提高到12万株·hm-2, 第一果枝节高度显著增加[26]。大豆[Glycine max(L.) Merr.]在高密度条件下, 控制中部节间长度, 增加植株中、上部节的成花数, 从而提高产量[27]。本试验结果表明, 随着种植密度的增加, 棉花茎尖生长点横纵比降低, 分化速度减慢, 现蕾节位提高, 始果枝节高度显著增加, 纵向生长速度较快。与对照相比, 干旱加快茎尖生长点的分化速度, 但减缓生长速度, 现蕾节位降低,始果枝节高度显著降低, 可见土壤含水量和密度综合效应明显。因此, 随着种植密度的增加, 棉花花芽分化适当推迟, 可延迟现蕾开花时间, 增强后期长势, 避免诱发早衰, 有利于棉花达到高产、稳产。

3.2 土壤含水量和种植密度对棉花茎尖生长点营养物质与内源激素的调控效应

在棉花生育进程的调节中, 营养物质与各种内源激素相互协调发挥着重要作用[15-19]。碳和氮是花芽分化的前提和基础, 也是花芽分化的重要营养和能量来源。在花芽分化过程中, 可溶性糖和淀粉含量的积累有利于花器官的形成, C/N值增长幅度越大,分化率越大[28]。在花芽分化开始时棉花顶芽中具有较高的可溶性糖和蔗糖含量[20]。本试验结果表明, 2叶期时, 干旱条件下低密度处理棉花茎尖生长点的可溶性蛋白质、可溶性糖含量显著高于其他处理,横纵比高, 分化速度快; 随着生育进程的推进, 各处理茎尖生长点可溶性蛋白质含量降低, 可溶性糖含量增加, 有利于花芽分化的进行。

前人研究表明, 在棉花中, 更高水平的GA3、ZR及ABA含量, 低水平IAA含量均有利于花芽分化[29]。本试验结果表明, D-6处理ZR含量有一定上升是花芽分化起始的关键, GA3含量变化不大。此外对水分供应与棉花花芽分化过程中的激素水平研究表明, 水分胁迫下, ABA含量增加, 促进植株的开花提早[30]。本试验表明, 高密度条件下, 棉花茎尖生长点内源激素ABA含量增加, 对棉花分化进程有抑制作用, 与前人研究结果不尽一致[31]。

内源激素对花芽分化的调控并不决定于单一的激素, 而是依赖于不同激素的动态平衡, 即不同激素的比值变化[32]。较低的ABA/GA3、IAA/GA3和IAA/ABA有利于西红花(Crocus sativusL.)从营养生长向生殖生长的转变[33]; 内源激素GA3/IAA、ABA/IAA比值有利于棉花花芽分化起始[11]; 在分化过程中, ABA/IAA、GA3/IAA和CTK/IAA均表现出先上升后下降, 最后趋于平衡的状态[8]。而本试验结果表明, 干旱条件下随着密度的降低, 内源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+GA3)/ABA呈降低趋势, 有利于棉花茎尖生长点分化。

关于植物花芽分化规律的调控因子研究结果各异: 前人研究表明, 适度干旱条件下, 合适的C/N和ABA/IAA可促进草莓(Fragaria ananassaDuch.)花芽分化[34]; 也有研究认为IAA、ABA含量和可溶性糖含量指标对石蒜[Lycoris radiata(L’Her.) Herb.]花芽分化影响最大[35]。本研究表明, 在棉花花芽分化起始阶段, 茎尖生长点的可溶性糖含量、内源激素IAA和ZR含量对花芽分化调控效应最显著。

4 结论

土壤含水量和密度均改变棉花花芽分化进程,干旱与对照相比, 降低了现蕾节位与始果枝节高度,干旱条件下密度为6万株·hm-2处理棉苗茎尖生长点可溶性蛋白含量、可溶性糖含量最高, ZR含量较低,有利于花芽分化; 密度增加, 茎尖生长点横纵比变小, 现蕾节位与始果枝节高度会增加, 减缓了花芽分化速度, 内源激素IAA/ABA、ZR/ABA和(IAA+ZR+ GA3)/ABA比值呈增加趋势, 不利于花芽分化; 随着生育进程的推进, 茎尖生长点的可溶性蛋白含量降低、可溶性糖与内源激素ZR含量增加,有利于花芽分化的进行。总的来说, 可溶性糖含量与内源激素ZR含量对花芽分化调控效应最显著,为调控棉苗花芽分化提供理论依据。