棉纤维加厚发育相关物质对纤维比强度的影响

以高、中、低纤维比强度棉花品种科棉1号、美棉33B、苏棉15号和德夏棉1号为材料,研究与棉纤维加厚发育密切相关的可溶性糖、蔗糖和-β1,3-葡聚糖含量动态变化特性及其对纤维比强度形成的影响.结果显示,与中、低强纤维品种相比,高强纤维品种棉花铃龄为10 d时纤维可溶性糖、蔗糖含量高,全铃期内其转化率高且转化彻底,铃龄为24~31 d期间蔗糖累积量高;纤维加厚发育起始期的-β1,3-葡聚糖含量峰值高,其中后期转化迅速而彻底.高强纤维品种棉纤维中可溶性糖、蔗糖和-β1,3-葡聚糖含量动态变化特性利于纤维素累积特性的优化,即快速累积期长、累积速率平缓,易形成高强纤维.研究表明,在物质变化水平上,可溶性糖、蔗糖和β-1,3-葡聚糖含量动态变化特性影响到棉纤维素累积特性,是导致棉纤维比强度品种差异的重要原因.     

不同温度敏感性棉花纤维发育相关酶活性变化对低温的响应

选用纤维比强度形成存在温度敏感性差异的两个棉花品种（科棉1号：温度弱敏感型品种,苏棉15：温度敏感型品种）为材料,于2006—2007年在江苏南京设置大田分期播种试验,使棉纤维发育处于不同的温度条件,研究低温对棉纤维发育相关酶（蔗糖酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶）活性及相应基因表达的影响.结果表明：由晚播造成的低温（棉纤维发育期日均最低温分别为21.1、20.5和18.1 ℃）影响了纤维发育相关酶的活性变化,从而影响了棉纤维素累积和纤维比强度的形成.低温提高了纤维中蔗糖酶和β-1,3-葡聚糖酶的活性,降低了蔗糖合成酶和磷酸蔗糖合成酶的活性.低温使Expansin、蔗糖合成酶基因的高表达时间延长,β-1,3-葡聚糖酶基因的表达峰值出现时间延迟,且表达量降低.两个棉花品种的纤维素合成相关酶对低温的响应存在差异,温度敏感型品种（苏棉15）的酶活性的变化幅度明显高于温度弱敏感型品种（科棉1号）, 可能是导致不同棉花品种纤维比强度形成存在温度敏感性差异的主要原因.     

低温对棉纤维比强度形成的生理机制影响

通过设置播期试验使棉纤维加厚发育过程(铃龄25~50 d)处于不同的温度条件下,研究低温对棉花纤维比强度形成的内在生理机制影响,为采取调控措施解决目前棉花(Gossypium)生产中存在的晚熟劣质问题提供理论依据。两年试验结果表明:棉纤维加厚发育期24.0 ℃左右的日均温是高强纤维形成的最佳温度,其内在生理机制表现为棉纤维蔗糖合成酶活性最高,β_1,3_葡聚糖酶活性最低,纤维素的累积量和累积速率均明显高于其它低温条件,纤维超分子结构取向参数角较小,处于优化状态,最终表现为纤维比强度亦最大;低于21.0 ℃时即对棉纤维加厚发育相关酶活性产生明显影响,纤维比强度降低。当温度降到15.0 ℃左右时,棉纤维蔗糖合成酶活性显著降低,而β-1,3_葡聚糖酶活性显著升高,同时纤维素累积量和累积速率均显著降低,纤维超分子结构取向参数角明显宽化,棉纤维不能正常发育,不利于高强纤维的形成(铃重仅为3.22 g,纤维比强度仅为15.73 cN·tex^-1)。     

氮素对不同开花期棉铃纤维比强度形成的生理基础的影响

于2005年在江苏南京(长江流域下游棉区)和徐州(黄河流域黄淮棉区)棉田设置不同氮素水平(零氮：0 kg N·hm^-2,适氮：240 kg N·hm^-2,高氮：480 kg N·hm^-2)试验,研究氮素对不同开花期棉铃(伏前桃、伏桃和秋桃)纤维比强度形成生理基础的影响.结果表明：与适氮处理相比,零氮处理显著降低了棉铃对位叶氮浓度,增加了C/N,影响程度随开花期的推迟而加大,导致伏桃、秋桃对位叶制造和运输光合产物的能力在棉铃发育中后期大幅度下降,棉纤维的相对生长速率以及纤维发育关键酶蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶活性降低,纤维素快速累积持续期缩短,纤维比强度显著降低;高氮处理显著增加了棉铃对位叶氮浓度,降低了C/N,影响程度随开花期的推迟而降低,其降低了伏前桃、伏桃发育过程中光合产物向纤维分配的比例、棉铃发育前中期的纤维发育关键酶活性及纤维素累积速率,导致其纤维比强度亦显著降低.综合分析认为,适宜的施氮量可以协调棉花的“源库”关系,有利于促进不同开花期棉铃高纤维比强度的形成.与适氮处理相比,零氮处理的伏前桃、伏桃和秋桃纤维比强度分别降低了1.8%、5.8%和13.0%,高氮处理则分别降低了8.2%、7.4%和-2.4%.     

温度对棉纤维糖代谢相关酶活性的影响

以棉纤维比强度高的科棉1号和中等强度的美棉33B 2个基因型棉花品种为材料,于2005年在江苏南京(长江流域下游棉区)和徐州(黄河流域黄淮棉区)设置不同播期(4月25日和5月25日)试验,研究了不同温度下棉纤维发育过程中蔗糖酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶等糖代谢相关酶活性的动态变化特征及其与纤维长度和比强度形成的关系.结果表明：棉纤维伸长发育期,蔗糖酶、β-1,3-葡聚糖酶活性较高;纤维加厚发育期,蔗糖合成酶和磷酸蔗糖合成酶活性上升速度快、活性高,蔗糖酶和β-1,3-葡聚糖酶活性下降速度快.纤维伸长期,蔗糖酶活性升高对纤维的伸长具有明显促进作用;纤维加厚发育期,提高蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶活性及加快蔗糖酶和β-1,3-葡聚糖酶活性下降速度有利于提高纤维比强度.科棉1号前期蔗糖酶、β-1,3-葡聚糖酶活性及中后期蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶活性均较美棉33B高.在本试验条件下,23.3 ℃是高强纤维形成的适宜温度,23.3 ℃～25.5 ℃是纤维长度形成的适宜温度.     

低温条件下外源生理活性物质对棉铃发育的影响

和4月20日（正常播期）、6月15日（晚播）两个播期条件下．对棉花1～4果枝1、2果节棉铃及其对位果枝叶于花后15d和30d涂抹外源生理活性物质：6％蔗糖和0．6％符氨酰胺混合溶液（C＋N）、2％蔗糖和0．2％谷氨酰胺混合溶液（1／3C＋1／3N）及12%蔗精和1．2％谷氨酰胺混合溶液（2C＋2N）．各浓度处理的C／N比值相同。统计正常播期铃龄50d和纤维加厚发育期（铃龄25～50d）日均温分别为28．5℃、28．1℃．晚播铃龄50d和纤维加厚发育期日均温分刖为22．9℃、21．4℃（超过了相应的临界温度21℃和18℃）。试验结果表明．晚播条件下,花后15dC＋N处理以及花后30d 2C＋2N处理促进了氮和可溶性糖的运转．均使铃重增加最大,分别达0．40g和0．58g。3种浓度外源生理活性物质均增加了纤维素的累积量．且于花后30d促进了螺旋角（φ）和取向分布角（ψ）的优化．提高了纤维比强度．其中以2C＋2N处理提高纤维比强度幅度最大．达1．45cN／tex。花后15d以1／3C＋1／3N处理对提高纤维比强度最有利．达2．10cN／tex。     

南荻纤维素合成的相关生理特性

为探明南获纤维素合成相关的生理特性,研究了盆栽条件下南荻生长过程中IAA、ABA含量和纤维素合成关键酶（蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶）活性的变化及其与纤维素含量间的关系。结果显示,在整个生育期,叶片中IAA含量、蔗糖合成酶活性和β-1,3-葡聚糖酶活性变化趋势一致,均呈先升高后降低的单峰曲线变化;叶片中ABA含量与茎秆蔗糖含量均先降低后增加再降低;茎秆纤维素、半纤维素和木质素含量均随生育进程呈现升高趋势。生育前期为调控纤维素合成的关键时期,此时ABA／IAA比值下降,蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶活性快速上升,有利于纤维素的快速积累。     

6-BA和ABA缓解棉纤维发育低温胁迫的生理机制

以科棉1号棉花品种为材料,于2006、2007年在江苏南京(长江流域下游棉区)设置播期(4月25日、5月25日)和生长调节剂(6-BA、ABA)试验,研究低温条件下,外施6-BA、ABA对棉铃及棉纤维发育的影响及其生理机制.结果表明:常温和低温条件下,6-BA处理均能使相应部位棉铃铃质量增加、纤维品质提高;ABA处理在常温条件下会导致品质下降,而在低温逆境条件下可使纤维品质下降幅度减小;6-BA显著提高了棉铃蔗糖含量及蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性,而ABA则可诱导β-1,3-葡聚糖酶活性;6-BA、ABA对纤维发育关键酶蔗糖转化酶活性的作用效果均不显著.低温条件下外施6-BA、ABA均可提高棉纤维品质,但两者作用机制不尽相同:6-BA主要通过提高纤维素合成相关酶的活性,而ABA则主要通过诱导棉株抗逆性来提高纤维品质.     

棉花花铃期短期干旱下氮素对干物质及氮素累积分配的影响

通过盆栽试验进行水分(正常灌水和干旱后复水)和施氮处理(0、240、480kgN·hm-2),研究花铃期短期干旱再复水后氮素对棉花各器官干物质重、氮素累积与分配及产量与品质的影响.结果表明:花铃期土壤干旱显著降低了棉株各器官的干物质重与氮素累积量,而增大了棉株各器官的氮素含量,同时亦降低了棉株干物质与氮素在叶片中的分配指数,但提高了在根系的分配指数,从而增大了根冠比;增施氮肥可以提高干旱条件下棉株的干物质重与氮素累积量,但亦增大水分胁迫指数.复水对干旱处理棉株生长具有明显的补偿效应,尤其是根系的干物质重与氮素累积量显著高于相应正常灌水处理,且增施氮肥可以提高棉株的补偿效应.花铃期干旱结束时与复水后第10天,干旱处理棉株均以240kgN·hm-2水平下的生殖器官干物质重与分配指数最高,而根冠比最小,地上部与地下部生长最为协调,最终籽棉产量最高、纤维品质最优;而施氮不足(0kgN·hm-2)或过量(480kgN·hm-2)均不利于棉花产量的提高与纤维品质的改善.     

施氮量和种植密度对东北特早熟棉区棉铃生物量和氮素累积的影响

以辽棉19号和美棉33B为材料,研究了不同施氮量(0、240、480 kg ·hm-2)和不同种植密度(75000、97500、120000 plants·hm-2)对东北特早熟棉区棉花棉铃生物量和氮素累积特征的影响.结果表明： 棉花单铃、棉籽和纤维的生物量及其氮素累积随棉花生育进程的动态变化均符合“S”型曲线,种植密度和施氮量可以显著影响棉铃各部分生物量和氮素累积的动态特征,以及棉花产量与品质;在施氮量240 kg·hm-2和种植密度97500 plants·hm-2处理下,单铃、棉籽和纤维的生物量均达到最大,生物量和氮素累积的快速累积起始时间和终止时间较早但持续时间较短,生物量快速累积速率最大,生物量和氮素在铃壳中的分配系数最低,在棉籽和纤维中分配系数最高.     

海岛棉Sus活性变化特征及时空表达模式与纤维比强度的关系

以海岛棉(Gossypium barbadense L.)品种‘C6015’和‘新海29’(高比强度组)以及‘巴1248’和‘比马1’(低比强度组)为实验材料,利用果糖和UDPG比色法以及qRT-PCR方法,对2个实验组不同纤维发育时期蔗糖合成酶(EC 2.4.1.13,Sus)活性变化特征及其基因家族时空表达模式进行测定,并分析与纤维比强度的关系,探讨海岛棉纤维比强度差异形成的主要生理与分子机理。结果显示:(1)品种‘C6015’和‘新海29’的平均纤维比强度分别为47.5和44.7cN·tex-1,‘巴1248’和‘比马1’分别为31.2和32.6cN·tex-1,两实验组平均纤维比强度差异极显著。(2)纤维发育过程中4个海岛棉品种的Sus活性变化特征均呈单峰曲线,且低比强度组的峰值出现较早,但高比强度组的峰值以及后期活性极显著高于低比强度组。(3)海岛棉纤维发育过程中高表达的Sus基因有Sus1A、Sus1 D、Sus3A、Sus3 D、Sus6A、Sus6 D、Sus8 D,但各基因成员在纤维发育过程中具有表达特异性;其中两实验组的Sus3A基因都是在纤维次生壁加厚初期(花后20d)开始大量表达且达最大值后下降,说明Sus3A基因在纤维次生壁加厚初期起作用;Sus1A、Sus1 D基因在高比强度实验组的纤维次生壁加厚后期和末期(花后30d)相对表达量较高并有明显上升现象,而同期在低比强度实验组中相对表达量很低且无上升现象,说明Sus1A、Sus1 D基因作用于纤维次生壁加厚后期和末期。(4)两实验组的Sus活性水平及其基因家族各成员相对表达量高低与纤维次生壁加厚后期维持高活性时间的长短存在明显差异,表现为高比强度组低比强度组;且两组Sus活性高低差异与Sus3A、Sus1A、Sus1 D基因的表达差异同步。研究表明,海岛棉Sus3A、Sus1A、Sus1 D基因的表达差异与纤维比强度的形成有关,可能是影响纤维比强度的关键基因。     

棉铃发育期棉花源库活性对棉铃对位叶氮浓度的响应

采用大田试验,以3个铃期差异明显的棉花品种为材料,研究了不同施氮量形成的棉铃对位叶氮浓度对棉花花铃期纤维发育源库活性指标的影响。结果表明:在花后同一时期,棉铃对位叶可溶性糖、蔗糖含量和磷酸蔗糖合成酶活性以及棉纤维蔗糖含量和蔗糖合成酶活性等均随对位叶氮浓度的升高呈先升高后降低的变化趋势(45、52 DPA(花后天数Days post anthesis)的纤维蔗糖含量趋势相反),可用抛物线方程Y=ax2+bx+c拟合(P<0.01),通过拟合方程得到各指标所对应的最佳对位叶氮浓度。45 DPA(德夏棉1号38 DPA)前,花后同一时期各指标对应的最佳对位叶氮浓度差异较小,通过幂函数方程建立最佳叶氮浓度随花后天数的拟合方程,得到纤维发育期内源库活性各指标达到或接近最优状态时的适宜对位叶氮浓度的动态方程。本试验条件下,德夏棉1号、科棉1号和美棉33B的适宜对位叶氮浓度的拟合方程分别为N德1=7.2263DPA-0.276(R2=0.9805**)、N科1=7.23DPA-0.3026(R2=0.9861**)、N美33B=7.0997DPA-0.2814(R2=0.9807**)。     

蔗糖对不同氮源培养下水稻根部氨同化相关酶活性的影响

糖、有机酸以及氨基酸影响碳-氮代谢过程中的相关酶的基因表达和活性。将蔗糖分别加入到含有相同氮素浓度的（NH4）2SO4（NH4^＋）或丙氨酸（Ala）作为氮源的营养液中培养水稻,测定幼苗根的谷氨酰胺合成酶（GS）、依赖于NADH的谷氨酸合酶（NADH-GOGAT）、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和依赖于NADP的异柠檬酸脱氢酶（NADP-ICDH）的活性。结果显示,蔗糖诱导NH4^＋氮源中幼苗根的GS、NADH-GOGAT活性,抑制Ala氮源中幼苗根的这两种酶活性,蔗糖对PEPC和NADP-ICDH活性的影响也不同;未加蔗糖时,以Ala作为氮源的幼苗根的GS、NADH-GOGAT、PEPC和NADP-ICDH的活性明显高于以NH4^＋为氮源时的活性;生物量和蛋白质水平的变化与上述参数的变化基本一致。基于Ala碳骨架的存在,这些结果表明,碳／氮平衡是影响这些酶活性差别表达的主要原因。     

低温条件下外源物质对棉株不同部位果枝棉铃纤维比强度的影响

在棉纤维加厚发育期20.0℃的日均温条件下,对棉花6~9果枝(中部果枝)和11~14果枝(上部果枝)1、2果节棉铃及其对位果枝叶分别于花后15 d和30 d,外施C/N比恒定的3种外源物质:(1)6%蔗糖和0.6%谷氨酰胺混合溶液(C+N),(2)6%蔗糖、0.6%谷氨酰胺和2μg.g-16-BA混合溶液(C+N+BA),(3)2μg.g-16-BA溶液(BA),研究低温条件下外源物质对棉株不同部位果枝棉铃纤维比强度的影响。结果表明:花后15 d外施C+N+BA可提高棉花上部果枝铃铃重和衣分,花后15 d3、0 d外施C+N+BA均可提高棉花中部果枝铃铃重和衣分。花后15 d3、0 d外施BA均有利于棉花上部果枝铃衣分的提高。花后15 d、30 d外施C+N、C+N+BA、BA均导致棉花上部果枝铃棉纤维的螺旋角和取向分布角变大,纤维比强度降低,但可优化中部果枝铃棉纤维的螺旋角和取向分布角,提高纤维比强度,且以BA处理效果最佳。     

棉花铃期与棉籽干物质积累模拟模型

基于不同熟性棉花品种的异地分期播种试验,综合量化品种特性、主要气象条件（温度、太阳辐射）和栽培措施（施氮量）对棉花铃期与棉籽干物质积累的影响,基于生理发育时间,建立棉花铃期模拟模型,并基于棉籽生长的“库限制”假设,建立棉籽干物质积累模拟模型.通过量化棉铃对位叶氮浓度的变化,为模型构建氮素效应函数.利用不同生态点的品种、播期和施氮量田间试验资料对模型进行检验,结果表明：德夏棉1号、科棉1号和美棉33B的铃期预测值与实测值的根均方差（RMSE）分别为2.25 d、2.61 d和2.75 d,科棉1号和美棉33B的棉籽干物质模拟值与实测值的RMSE分别为9.5 mg·seed^-1和8.2 mg·seed^-1.表明该模型预测精度较高.     

水杨酸和黄萎病菌毒素处理棉花愈伤组织使β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶的活性增加

不同品种棉花(Gossypium hirsutum L.)愈伤组织对黄萎病菌毒素粗提物的抗性与体内β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性水平有关.在毒素处理下,抗性品种比感性品种酶活性增加的幅度大、时间早.外源水杨酸(SA)处理后,棉花愈伤组织中的β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性增加.抗β-1,3-葡聚糖酶多克隆抗体与28 kD的蛋白条带有免疫交叉反应,毒素、SA、毒素+SA均能诱导该蛋白条带出现.     

转基因抗虫棉农艺性状和纤维品质的遗传多样性

本研究以国内育成和国外引进的52份转基因抗虫棉品种(系)为材料,在河北农业大学棉花育种圃种植,调查农艺性状、测定纤维品质,基于农艺性状和纤维品质分析供试品种(系)的遗传多样性.结果表明:在9个农艺性状中,烂铃数的变异系数最大,其次为产量、有效铃数和第一果枝节位高度,变异系数最小的是衣分和果枝数.转基因抗虫棉品种纤维长度基本能够满足纺织工业需求,2.5%跨长主要集中在28～30mm;纤维比强度平均值为27.1cN/tex,变幅为23.0～31.6cN/tex;马克隆值的平均值为4.8,变幅为4.0～5.6.成对品种的欧氏距离变化在1.53～13.31之间,平均值为4.79,单一品种欧氏距离的平均值分布在3.62～10.51之间,表明不同品种之间具有一定的差异.采用离差平方和法对欧氏距离进行聚类,可以将供试品种明显地划分为2类,一类为中熟品种,另一类为早熟品种.     

水氮运筹对棉花花后生物量和氮素利用率的影响

在池栽和大田条件下,以‘美棉33B’为材料,研究不同水分(自然降水、自然降水 灌水)和氮素(0、240、480kgN/hm2)运筹下棉花花后生物量和养分累积及氮素利用率动态变化特征。结果表明:施氮使棉花(整株、营养器官、生殖器官)生物量和养分快速累积期持续时间缩短、最大累积速率增大且出现时间提前、累积量及皮棉产量增加。灌水使240 kgN/hm2处理棉花(整株、营养器官、生殖器官)生物量和养分快速累积期持续时间缩短、最大累积速率出现时间提前、最大累积速率和累积量增大、氮素累积利用率和产量提高;而使480 kgN/hm2处理棉花营养器官生物量和养分快速累积期持续时间延长、最大累积速率出现时间推迟、生物量和养分最大累积速率及累积量增大、氮素累积利用率提高,而生殖器官相应指标呈降低趋势;灌水对不施氮处理棉花生物量和养分累积各项特征参数影响较小。营养器官生物量和氮磷钾最大累积速率出现时间较生殖器官早23 d左右,而快速累积期持续时间长于生殖器官11 d左右。研究发现,水分和氮素运筹可通过影响棉花生物量和养分累积的动态特征参数来影响棉花生长,进而影响最终产量品质形成;在本实验条件下,以灌水的240 kgN/hm2处理棉花的生长特征参数最为协调,皮棉产量和氮素利用率最高,品质较优。     

我国棉花抗枯黄萎病品种纤维品质遗传改良评价

对我国108个抗枯、黄萎病骨干品种的纤维品质进行了分析,整体表现纤维较长,27mm以下的品种较少;比强度平均值较低,但也有少数高强力品种;马克隆值较大,纤维较粗.20世纪60-90年代抗病育种对纤维品质未明显改进,纤维长度、比强度、马克隆值平均值均无显著增长;但纤维长度类型更加丰富,纤维长度最大值有所增加,最高强力品种的比强度值逐渐提高,90年代品种中有较细纤维类型.从中筛选出纤维长度在33mm以上,比强度在33.2cN/tex以上,纤维整齐度在87.1%以上,马克隆值在3.8～4.3之间的品种各10个,筛选出纤维品质指标综合优良的品种9个.     

亚洲棉纤维品质和产量性状的主基因与多基因遗传分析

利用亚洲棉农家品种中长纤维、高强度的江陵中棉和短纤维、低强度的浙江萧山绿树构建的F2：3家系,利用主基因与多基因混合遗传模型分析方法,对主要纤维品质和产量性状进行4世代联合分析,得到有关纤维品质和产量性状的最适遗传模型。除伸长率之外,长度、马克隆值、比强度、整齐度、短纤维指数均没有检测到主基因;产量性状中铃重和单株铃数最适遗传模型为两对加性-显性-上位性主基因＋加性-显性多基因混合遗传模型（E-1）,衣分的最适遗传模型为两对主基因的加性模型（B-3）,子指的最适遗传模型为无主基因的加性-显性-上位性多基因模型（C）,单株皮棉产量的最适遗传模型为两对加性-显性-上位性主基因＋加性-显性一上位性多基因混合遗传模型（E）。利用主基因与多基因混合遗传模型分析方法对亚洲棉纤维品质和产量性状进行遗传分析,有助于阐明棉花品质和产量性状的遗传规律。