彩色棉與白色棉產(chǎn)量和品質(zhì)差異的分子生理機(jī)制研究.pdf

1、天然彩色棉產(chǎn)量偏低和品質(zhì)偏差是其在生產(chǎn)利用上需要解決的重要問題之一。天然彩色棉纖維發(fā)育過程中，除纖維素合成外，色素代謝的增加是區(qū)別白色棉纖維發(fā)育的重要特征之一。纖維中色素的合成將導(dǎo)致纖維細(xì)胞中碳水化合物的消耗，從而影響到纖維素的合成。為此，本文以底物競爭為中心點(diǎn)，從天然彩色棉與白色棉植株光合特性、纖維碳水化合物和色素含量變化、纖維細(xì)胞呼吸代謝和碳水化合物代謝相關(guān)酶的功能和基因表達(dá)等角度分析了造成產(chǎn)量和品質(zhì)差異的分子生理機(jī)制。主要研究結(jié)果

2、如下： 1、天然彩色棉的光合特性與產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)系以棕色棉、綠色棉和兩個棕色棉雜種：棕雜1(陸陸雜種)和棕雜2(海陸雜種)及白色棉對照為材料，研究了棉株不同發(fā)育時期葉片光合色素含量、葉綠體希爾活性、Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase活性、凈光合速率和淀粉、蔗糖、果糖和葡萄糖等碳水化合物含量的變化，并對這些光合指標(biāo)與棉花產(chǎn)量和品質(zhì)間進(jìn)行了相關(guān)性和通徑分析。結(jié)果表明，綠色棉的產(chǎn)量最低，僅為白色棉的58％，其次是棕色棉，為

3、白色棉的66％。棕雜1的產(chǎn)量最高，棕雜2介于棕雜和白色棉之間。綠色棉雖然葉片中的光合色素含量、凈光合速率和其他光合指標(biāo)與白色棉相當(dāng)，甚至更高，但其產(chǎn)量仍然最低，引起綠色棉產(chǎn)量和品質(zhì)低的主要原因是營養(yǎng)生長過旺，單株鈴數(shù)少，單鈴重輕；相反，棕色棉產(chǎn)量低和品質(zhì)較差的重要原因則是由于其光合作用弱，葉片中葉綠體生理活性不強(qiáng)，光合產(chǎn)物少。就兩個雜種而言，棕雜1的光合能力要強(qiáng)于棕雜2，而且棕雜1的產(chǎn)量也顯著高于棕雜2，但其品質(zhì)卻比棕雜2略差。棉株光合

4、特性與天然彩色棉產(chǎn)量與品質(zhì)之間的相關(guān)性和通徑分析結(jié)果表明，凈光合速率對棉花產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大，其次為碳水化合物；而纖維長度則是葉片中的碳水化合物含量對其影響最大，凈光合速率次之，這與棉花纖維發(fā)育過程中碳水化合物除用于原料支持各種代謝活動外，還起到調(diào)節(jié)纖維細(xì)胞滲透壓，促進(jìn)纖維伸長有關(guān)，尤其用于纖維素的合成，因?yàn)槔w維素含量占總棉纖維的重量95％左右。研究結(jié)果表明，通過選育具有高光效的雜交組合提高天然彩色棉纖維的產(chǎn)量和品質(zhì)是可行的。 2、

5、天然彩色棉纖維碳水化合物與色素含量對纖維長度的影響對白色棉、棕色棉、綠色棉、棕色棉陸陸雜種利海陸雜種纖維發(fā)育過程中碳水化合物、色素含量、纖維素含量和纖維長度動態(tài)進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明，從開花當(dāng)天至纖維成熟的整個發(fā)育過程中，白色棉和天然彩色棉纖維中的蔗糖含量在10 DPA前含量最高，之后持續(xù)降低；果糖含量從0 DPA至成熟一直處于減少狀態(tài)，而葡萄糖含量則在20 DPA，即纖維素合成高峰期達(dá)到最高。綠色棉纖維和棕雜1纖維的糖含量相當(dāng)，均比其他

6、類型棉花高。但綠色棉纖維的產(chǎn)量和品質(zhì)最低。這是因?yàn)槠淅w維中PAL活性高，導(dǎo)致色素大量合成，碳水化合物的消耗量較大，從而影響到纖維素的合成。而且，其碳水化合物的利用率低(馬克隆值低，纖維中碳水化合物滯留量大)，也是其纖維素合成量少的重要因素。另外，棕色棉纖維碳水化合物含量最少，因此，纖維素合成的原料少，加之部分碳水化合物用于色素的合成，導(dǎo)致其纖維產(chǎn)量和品質(zhì)比白色棉低。陸陸雜種纖維中較高的碳水化合物含量可以補(bǔ)償用于色素合成所消耗的部分碳水化

7、合物含量。可見，天然彩色棉纖維中色素和纖維素的合成在碳水化合物的利用上存在著此消彼長的關(guān)系。 3、天然彩色棉纖維細(xì)胞氧化還原狀態(tài)與外源呼吸抑制劑對纖維發(fā)育的影響通過測定白色棉、棕色棉、綠色棉和兩個棕色棉雜種纖維細(xì)胞發(fā)育過程中細(xì)胞含水量、pH值、細(xì)胞色素c氧化酶活性、NAD+、NADH、NADP+、和NADPH的含量及在組培條件下研究了魚藤酮和硫脲兩種呼吸抑制劑對白色棉和綠色棉纖維顯色、胚珠鮮重和纖維長度及細(xì)胞色素c氧化酶和多酚氧

8、化酶活性的影響。結(jié)果表明，綠色棉和棕色棉纖維細(xì)胞的顯色時間和方式存在明顯的差異。棕色棉在30 DPA后以“爆發(fā)式”顯色：綠色棉則在20 DPA時以“漸進(jìn)式”逐步使綠色加深，因此，棕色棉和綠色棉纖維中的生理代謝狀況是不一樣的。白色棉纖維中的水分含量較高，其纖維細(xì)胞中的pH值比綠色棉低，但比棕色棉系列棉花高。棕色棉系列纖維細(xì)胞中的細(xì)胞色素c氧化酶、NAD+、NADH、NADP+、和NADPH含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白色棉和綠色棉，而且NAD+或NAD

9、P+量比NADH或NADPH高，因此，其纖維細(xì)胞中的呼吸代謝旺盛：白色棉和綠色棉纖維細(xì)胞中的輔酶含量較低，而且兩者差異不大。綠色棉在呼吸代謝強(qiáng)度上與白色棉相當(dāng)，但綜合纖維中的色素和纖維素合成兩大重要代謝，因此，可以推斷綠色棉纖維中大量碳水化合物可能未能被充分利用：相反棕色棉雖然呼吸代謝旺盛，但纖維細(xì)胞中的碳水化合物含量少，故造成其纖維素含量比白色棉低，但比綠色棉高：而色素含量比白色棉高，但比綠色棉低。魚藤酮和硫脲均可抑制白色棉和綠色棉胚

10、珠和纖維細(xì)胞的發(fā)育，胚珠鮮重減輕，纖維減短，但魚藤酮的毒害作用更大，而且可使綠色棉纖維顯色較對照(綠色棉未用魚藤酮處理)提早1周：硫脲對胚珠和纖維的發(fā)育傷害雖然較小，但可使綠色棉纖維不顯色，顯然，硫脲對綠色棉纖維的色素代謝具有抑制作用。在魚藤酮處理下，纖維細(xì)胞中的細(xì)胞色素c氧化酶的活性迅速降低，而在硫脲各濃度處理下，綠色棉纖維中的多酚氧化酶活性均降低了80％以上。 4、天然彩色棉纖維細(xì)胞碳水化合物代謝關(guān)鍵酶活性及基因表達(dá)研究本試

11、驗(yàn)以白色棉、棕色棉、綠色棉和2個棕色棉雜種為材料研究了纖維0-20 DPA發(fā)育階段纖維中酸性和中性轉(zhuǎn)化酶和蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶的活性。并且采用RT-PCR和熒光定量RT-PCR的方法對蔗糖合成酶基因的表達(dá)量進(jìn)行了測定。結(jié)果表明，棕色棉纖維細(xì)胞中的轉(zhuǎn)化酶和蔗糖合成酶最高，綠色棉和白色棉纖維細(xì)胞中轉(zhuǎn)化酶和蔗糖合成酶活性均較低相差不大。在2 DPA至20 DPA期間，白色棉和天然彩色棉纖維細(xì)胞中的蔗糖合成酶活性高且變化幅度很小，說明纖維

12、細(xì)胞發(fā)育過程中碳水化合物代謝非常旺盛。白色棉、棕色棉和綠色棉纖維細(xì)胞中蔗糖合成酶基因的表達(dá)量隨纖維發(fā)育時期的推進(jìn)變化不大，但棕色棉纖維細(xì)胞中的蔗糖合成酶基因的表達(dá)量比白色棉高，綠色棉相對較低。此外，白色棉、棕色棉和綠色棉纖維細(xì)胞中的蔗糖合成酶基因的表達(dá)量比胚珠和葉片的表達(dá)量高。綠色棉纖維細(xì)胞中蔗糖合成酶活性和基因表達(dá)量低是其碳水化合物利用率低的重要原因。 5、棉花纖維發(fā)育特異啟動子的克隆及其應(yīng)用從棉花基因組DNA中分離到棉花纖維

13、發(fā)育特異基因GaRDL 1的啟動子，并在其后連接綠色熒光蛋白作為報告基因，采用花粉管通道法轉(zhuǎn)化胚珠。結(jié)果表明，在子房注射3天后可在纖維中檢測到綠色熒光蛋白，表明該基因啟動子在棉花纖維中特異表達(dá)。利用反義抑制的方法，在啟動子后面連接蔗糖合成酶反義基因，并采用花粉管通道法轉(zhuǎn)化胚珠后，取子房注射3天后的胚珠與纖維的混合物進(jìn)行蔗糖合成酶活性和碳水化合物含量的測定。結(jié)果表明，白色棉、棕色棉和綠色棉纖維中的蔗糖合成酶活性降低，但蔗糖含量因未被蔗糖合