引用本文
邓晓雷, 潘晶晶, 祝水金, 陈进红. 铃期极端高温对转 iaaM基因棉花棉铃产量性状、纤维品质和棉仁营养品质的影响 [J]. 浙江农业学报, 2018,30(11): 1805-1810.
DENG Xiaolei, PAN Jingjing, ZHU Shuijin, CHEN Jinhong. Effect of extreme high temperature on boll yield traits, fiber quality and cottonseed kernel nutrient quality of iaaM transgenic germplasm of cotton in bolling stage [J]. ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS, 2018,30(11): 1805-1810.
  
Doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2018.11.01
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铃期极端高温对转 iaaM基因棉花棉铃产量性状、纤维品质和棉仁营养品质的影响
邓晓雷, 潘晶晶, 祝水金, 陈进红*
浙江大学 农业与生物技术学院,浙江 杭州 310058
*通信作者,陈进红,E-mail: jinhongchen@zju.edu.cn

作者简介:邓晓雷(1991—),男,河南洛阳人,硕士研究生,研究方向为棉花遗传育种。E-mail: 747547543@qq.com

收稿日期: 2018-02-22
基金资助: 国家转基因生物新品种培育重大专项(2013ZX08005005)
摘要

近年来,随着全球气候变化,极端高温气候的频繁出现给棉花生产带来了极大影响。为了解转 iaaM基因棉花种质的高温适应性,以陆地棉标准系TM-1、转 iaaM基因种质IF11及其相同遗传背景的IF11(无)为材料,对比分析了3个棉花种质在2013年棉花铃期极端高温与2012年相对正常温度条件下棉铃产量性状、纤维品质和棉仁营养品质的差异,探讨极端高温条件对棉花产量和品质的影响。研究结果表明:铃期极端高温条件下,籽棉单铃质量、籽指和仁指明显下降,纤维长度、纤维强度和马克隆值等级降低,棉仁棉酚含量降低,脂肪酸不饱和度降低,蛋白质和粗脂肪的含量变化趋势则存在品种间差异;3个材料中,转 iaaM基因种质的棉铃产量性状降低程度最大,而纤维品质表现相对稳定;IF11棉仁蛋白含量略有下降,粗脂肪含量显著增加,棉酚含量降低幅度最大。

关键词: 棉花; 铃期; 极端高温; 棉铃产量性状; 纤维品质; 营养品质
中图分类号:S562 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2018)11-1805-06
Effect of extreme high temperature on boll yield traits, fiber quality and cottonseed kernel nutrient quality of iaaM transgenic germplasm of cotton in bolling stage
DENG Xiaolei, PAN Jingjing, ZHU Shuijin, CHEN Jinhong*
College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Abstract

With the global climate changing in recent years, the frequent occurrence of extreme high temperature climate has brought a great impact on the production of cotton. In order to understand the high temperature adaptability of iaaM transgenic cotton germplasm, with standard upland cotton lines TM-1, iaaM transgenic germplasm IF11 and its same genetic background germplasm IF11(no) as materials, the difference of boll yield traits, fiber quality and cotton kernel nutritional quality of 3 cotton germplasms between 2012 (with relatively normal temperature in bolling stage) and 2013(with extreme high temperature conditions in bolling stage) were analyzed to explore the impact of extreme high temperature on the yield and quality of cotton. The results showed that the boll weight, seed index and kernel index, fiber length, fiber strength and micronaire grade decreased, the gossypol content of cottonseed kernel reduced, unsaturated fatty acids decreased, while the changes of protein and crude fat content were different among 3 germplasms under the extreme high temperature conditions in bolling period. Among 3 germplasms, the boll yield traits of iaaM transgenic germplasm IF11 decreased greatly but fiber quality was relatively stable, the kernel protein content of IF11 decreased slightly, crude fat content increased significantly, and gossypol content decreased the most under the condition of extremely high temperature at the cotton bolling stage.

Keyword: cotton; bolling stage; extreme high temperature; boll yield traits; fiber quality; kernel nutritional quality

棉花是重要的经济作物, 其纤维是主要的纺织原料, 而棉籽用途广泛, 既是农业生产资料(种子)又是重要的加工原料(植物油、植物蛋白等), 其纤维品质和棉籽营养品质除受品种遗传特性(基因型)控制以外[1, 2, 3, 4], 不同环境条件下生产的棉纤维和棉籽营养品质亦有明显的差异[5, 6]。在众多的气候因子中, 许多研究都表明温度是影响棉铃生长发育最为重要的因子, 对纤维品质和棉籽营养品质起着决定性的作用[7, 8, 9, 10]。棉花是喜温作物, 棉铃发育的最适温度在30 ℃左右, 上限温度在35 ℃左右。农业生产中, 伏桃(7月16日至8月15日开花的棉铃)在三桃中比例最大, 是棉花产量的主要组成。但近年来, 全球气候剧烈变化, 已成为人类面临的最大威胁。

目前, 关于温度对棉铃发育、纤维品质和棉籽营养品质的影响已有较多的研究, 但大多是通过不同生态区或不同开花期营造不同的环境温度, 分析正常气候条件下温度对棉花生产的影响, 且大多集中于低温对棉铃发育生理、纤维和棉籽营养品质指标的影响[11, 12, 13, 14], 对极端高温与棉纤维和棉籽营养品质之间关系的直接研究较少, 尤其是对转基因棉花种质的高温适应性反应研究更少。转iaaM基因种质IF11是我国培育的具有自主知识产权的第二代转基因棉花种质, 具有提高衣分的特点, 目前已被国内众多棉花育种单位作为优异种质用于培育高产优质棉花新品种。但有关IF11的逆境(高温)适应性研究还未有报道。

2013年, 浙江省从7月下旬开始至8月18日持续晴热高温天气, 受晴热高温干旱的影响, 正值花铃的棉花生长特别是产量与品质性状受到明显的影响。本研究以陆地棉标准系TM-1与转iaaM基因种质IF11及其相同遗传背景的IF11(无)为试验材料, 对比分析转iaaM基因棉花种质在2013年极端高温条件下其棉铃产量性状与纤维和棉仁营养品质的变化, 探究转iaaM基因种质(IF11)在高温逆境下的产量、品质等性状, 从而了解转iaaM基因棉花种质对高温的响应特点, 旨在为高温逆境下改善棉纤维和棉仁营养品质及转iaaM基因种质的利用提供参考。

1 材料与方法
1.1 供试材料与试验设计

本研究于2012与2013年在浙江大学紫金港校区实验农场进行, 以陆地棉(Gossypium hirsutum L.)标准系TM-1、转iaaM基因种质IF11(由西南大学培育的转iaaM基因棉花种质)及其相同遗传背景的IF11(无)为试验材料。两年试验均在同一试验地进行, 且均在当年5月5日播种(穴播), 行距50 cm, 株距30 cm, 小区面积18 m2, 2片真叶时间苗、定苗, 3次重复。肥水管理等均与生产上棉花常规高产栽培相同, 且年度间田间管理相同。

在盛花期分别对当日花进行挂牌标记, 并于9月上中旬收取带标记的30个成熟棉铃的籽棉, 供分析测定。

1.2 测定分析项目与方法

分离棉籽和纤维后称取质量测定衣分, 棉籽脱绒后测定籽指和仁指。棉仁磨粉后过80目筛, 采用索氏提取法测定棉籽粗脂肪含量, 凯氏定氮法测定棉籽蛋白含量, 高效液相色谱法(HPLC)测定棉酚含量, 气相色谱法(GC)测定脂肪酸组分含量。棉纤维样品送至农业部棉花品质监督检验测试中心测定纤维长度、马克隆值、整齐度、伸长率、断裂比强度等纤维品质指标。

1.3 气象数据来源

根据浙江省气象台观测发布的杭州市温度指标统计。其中2012年棉花铃期(始花至花后40 d)的日平均气温为27.8 ℃, 日最高气温出现在8月18日为37.5 ℃, 气温高于37 ℃的天数为5 d, 高于40 ℃的天数为0 d; 2013年棉花铃期的日平均气温为31.9 ℃, 日最高气温出现在8月9日为41.6 ℃, 气温高于37 ℃的天数为25 d, 高于40 ℃的天数为13 d。

1.4 数据分析

采用Excel、SPSS Statistics软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析
2.1 铃期极端高温对棉花产量性状的影响

表1的数据显示:与2012年相比, 2013年在极端高温条件下, 3个材料的棉铃产量性状(单铃质量、籽指和仁指)都有明显的差异。除衣分的变化趋势不同外, 高温条件下导致单铃质量、籽指和仁指明显下降, 同一品种两年之间的差异极显著。

表1 铃期不同气温条件下棉铃产量性状的变化 Table 1 Changes of boll yield traits under different temperature conditions in bolling stage of cotton

对棉铃产量性状与日均温的相关性分析也表明, 日均温(Td)与籽指、仁指呈显著的负相关, 相关系数分别为-0.908与-0.867; 单铃质量、衣分与Td也呈负相关, 但相关性不显著(相关系数分别为-0.789和-0.038)。

2.2 铃期极端高温对棉花纤维品质的影响

从表2可以看出, 极端高温对纤维长度、马克隆值和断裂比强度的影响明显。极端高温导致3个材料的棉纤维长度降低, TM-1、IF11和IF11(无)分别比2012年减少了6.28%、5.01%和3.78%。已有研究表明, 纤维长度高度依赖于纤维伸长前期的环境温度[16, 17], 当温度高于适合棉铃发育的最佳温度时, 纤维长度降低[5, 18]。根据开花期推算, 温度异常偏高的8月上中旬, 正是棉纤维处于伸长期(花后15~25 d)的时间, 试验结果与前人研究结果相一致。

表2 铃期不同气温条件下棉纤维品质的变化 Table 2 Changes of fiber quality under different temperature conditions in bolling stage of cotton

马克隆值是纤维成熟度和细度的一个综合指标。陆地棉纤维麦克隆值3.5~4.9为商业可接受范围, 其中, 3.7~4.2属A级标准, 符合纺中高或中支纱的要求; 3.5~3.6、4.3~4.9属B级标准范围, 符合纺中低或低支纱的要求, 3.5以下和5.0以上属C级标准范围。结果表明, 3个材料的马克隆值变化趋势不一。极端高温条件下, TM-1的马克隆值明显降低, 等级从A级跌出C级, IF11的马克隆值增加, 从A级降到B级, 而IF11(无)的马克隆值虽有所降低, 但等级未变。这与前人的研究结果有些出入, Gipson等[17]、Davidonis等[19]认为较高的夜温会促进纤维马克隆值提高。这可能与品种之间马克隆值存在温度敏感性差异有关。

纤维断裂比强度反映了纤维次生壁加厚和纤维成熟的程度。研究结果表明, 极端高温显著降低品种的纤维比强度。与2012年相比, 3个材料的断裂比强度分别降低了22.26%、6.54%和1.21%, 其中IF11(无)降低的幅度最小。纤维比强度形成的温度敏感性已广为认同, 已有研究结果表明纤维断裂比强度随温度下降而降低[9, 12, 13, 14, 15]。本试验结果与前人不同, 可能是由于研究所涉及的温度范围不同。

对棉纤维品质和日均温的相关性分析表明, 纤维长度和断裂比强度与Td呈负相关, 而马克隆值与Td呈正相关, 但三者与温度的相关性均不显著。

2.3 铃期极端高温对棉仁营养品质的影响

2.3.1 棉仁蛋白质、粗脂肪、棉酚含量的变化

对棉仁蛋白质、粗脂肪和棉酚含量的分析表明(表3)。与2012年相比, 2013年TM-1和IF11(无)的蛋白含量有极显著的增加, 而IF11蛋白含量略有下降, 但差异不显著; 相反, TM-1、IF11(无)粗脂肪含量极显著下降, IF11粗脂肪含量极显著增加。这说明极端高温对棉仁蛋白质和粗脂肪含量的影响因品种特性的不同而不同。3个材料之间棉酚含量差异明显, 但高温条件下三者的变化趋势一致, 极端高温导致棉仁棉酚含量降低, 降低的幅度IF11> TM-1> IF11(无)。棉籽蛋白质、粗脂肪和棉酚含量与铃期日均温的相关性分析也表明, 棉籽棉酚含量与Td呈显著的负相关性。

表3 铃期不同气温条件下棉仁蛋白质、粗脂肪和棉酚含量的变化 Table 3 Changes of protein, crude fatty and gossypol contents of cottonseed kernel under different temperature conditions in bolling stage of cotton

2.3.2 棉籽脂肪酸组分含量的变化

气相色谱法测定棉籽脂肪酸, 用峰面积归一法确定脂肪酸组分的相对含量。将棉仁样品色谱图(图2)与11种组分脂肪酸甲酯混标色谱图(图1)对比可知, 棉籽脂肪酸主要由棕榈酸(C16∶ 0)、硬脂酸(C18∶ 0)、油酸(C18∶ 1)和亚油酸(C18∶ 2)组成, 4种脂肪酸组分占总脂肪酸含量的96.5%以上, 其中油酸和亚油酸是不饱和脂肪酸。

图1 十一种组分脂肪酸甲酯混标GLC-402色谱图Fig.1 Mixed standard GLC-402 chromatograms of 11 components of fatty acid methyl ester

图2 棉仁脂肪酸组分色谱图Fig.2 Chromatogram of fatty acid component of cotton kernel

由表4可知, 棉仁脂肪酸主要组分中亚油酸(C18∶ 2)含量最高, 约占50%左右, 其次是棕榈酸(C16∶ 0)和油酸(C18∶ 1), 硬脂酸(C18∶ 0)的含量最低。极端高温条件下, 3个材料亚油酸的含量都极显著地下降。棕榈酸和硬脂酸的含量变化趋势相同, 都有极显著的升高。其中, 品种IF11棕榈酸和硬脂酸含量增加的幅度最大, 分别增加了5.13和1.19百分点。不同品种油酸含量的变化趋势则不一致, TM-1、IF11(无)极显著增加, 增幅分别为7.30和5.34百分点; 相反, IF11则显著下降, 降幅达1.67百分点。但总得来说, 极端高温导致棉仁脂肪酸不饱和度下降。棉仁脂肪酸组分含量与日均温的相关性分析表明, Td与亚油酸和硬脂酸分别呈极显著的负相关和正相关, 与棕榈酸和油酸呈显著的正相关。

表4 铃期不同气温条件下棉仁脂肪酸组分的变化 Table 4 Changes of fatty acid composition of cottonseed kernel under different temperature conditions in bolling stage of cotton %
3 讨论

试验结果表明, 铃期极端高温条件下对棉铃产量性状、纤维品质和棉仁营养品质都有极大的影响。高温条件下, IF11衣分明显降低, 而TM-I和IF11(无)的衣分却有增加趋势, 这可能是因为外源iaaM基因导入, 导致转iaaM基因种质的棉花对高温逆境的抗性降低, 从而影响高温逆境下棉花的生长发育与棉纤维的起始分化与发育, 最终造成衣分下降。高温导致单铃质量、籽指和仁指明显下降。对单铃质量的影响, 与前人[8, 15]的研究结果不同, 可能与研究的温度范围不同有关。极端高温度条件下, 3个材料的纤维长度、纤维强度和马克隆值等级降低, 且纤维品质对高温的敏感性存在品种的差异。综合来说, 品种IF11(无)的纤维品质稳定性较好。同样, 纤维强度变化与已有研究结果不同, 亦可能与研究的温度范围有关。极端高温对棉籽蛋白含量、粗脂肪含量和棉酚含量的影响也存在品种的差异性, 但大致结果与前人[10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]的研究结果基本一致。棉籽脂肪酸组分变化明显, 亚油酸含量显著下降, 棕榈酸和硬脂酸的含量增加, 油酸含量的变化趋势则存在品种差异。高温导致脂肪酸的不饱和度下降, 这与前人对葵花籽等油料作物的研究结果相一致[21, 22]。

本研究仅利用2012年和2013年棉花铃期温度条件的自然差异, 分析了极端高温条件对棉铃产量性状、纤维品质和棉仁营养成分的影响。虽然许多研究结果表明, 温度是影响棉铃发育和品质最主要的因子, 但仍可能存在其他因素的差异, 若能在可控条件的气候室中进行实验, 并深入研究极端高温作用棉铃发育的生理机制, 研究结果会更有说服力。

The authors have declared that no competing interests exist.

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