棉（Gossypium hirsutum L.）纤维加厚发育生理特征变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系

论文摘要

棉（Gossypium hirsutum L.）纤维次生壁加厚发育期是纤维比强度形成的关键时期,决定棉花纤维比强度的形。目前在棉花主栽品种遗传特性较为优化的背景下,栽培调控措施对纤维比强度形成的影响日益凸现。氮素作为棉花优质高产的主要限制因素之一,研究棉纤维加厚发育的生理特性对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系,可为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径提供理论依据。本研究于2005～2006年在江苏南京（长江流域下游棉区）,设置氮素水平(0 kgN·hm-2（零氮）、240 kgN·hm-2（适氮）和480 kgN·hm-2（高氮）)试验,以美棉33B（AC-33B）和科棉1号（KC-1）为材料进行大田栽培试验,研究了:（1）棉纤维加厚发育相关物质变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系;（2）棉纤维加厚发育相关酶活性变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系;（3）棉纤维加厚发育关键酶基因表达对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系。主要研究结果如下:1.棉纤维加厚发育过程中相关物质（蔗糖和β-1,3-葡聚糖）变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系。分析棉纤维加厚发育过程中相关物质含量及转化、纤维素累积和纤维比强度形成的动态变化发现:与0 kgN·hm-2和480 kgN·hm-2相比,在240 kgN·hm-2水平下,铃龄5 d时棉纤维蔗糖含量高,铃龄5-24 d转化量高,铃龄24-31 d期间蔗糖累积量高,在全铃期内蔗糖转化率高,转化彻底,这些变化利于纤维素累积期长及平稳累积;纤维加厚发育起始期β-1,3-葡聚糖含量峰值最高,中后期转化迅速而彻底,利于调节中后期纤维素累积速率平稳。因此,240 kgN·hm-2水平下,棉纤维中蔗糖和β-1,3-葡聚糖含量动态变化特征利于纤维素累积呈现快速累积期长且累积速率平缓的特征,与高强纤维的纤维素累积特征相吻合,最终,纤维的比强度在其形成快速增加期（铃龄17-31d）增幅最大,在其比强度形成稳定增加时期（铃龄31 d-吐絮）稳定增长,最终纤维比强度较高。2.棉纤维加厚发育相关酶（蔗糖酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶）活性变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系。分析棉纤维加厚发育过程中相关酶活性的动态变化、纤维素累积和纤维比强度形成动态变化发现:与0 kgN·hm-2和480 kgN·hm-2相比,在240 kgN·hm-2水平下,棉纤维中的蔗糖酶活性最高,可长时间的为纤维素生物合成提供一个充足的的物质能量库;蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶活性最高,促使纤维发育过程中铃龄5-24 d的蔗糖下降量及24-31 d蔗糖增长量最大,并且全铃期内转化率高且转化彻底;β-1,3-葡聚糖酶活性高,使含量及峰值高的β-1,3-葡聚糖中后期转化彻底。因此,在此水平下,棉纤维发育相关酶活性高,较好的调节蔗糖和β-1,3-葡聚糖含量及转化利于纤维素平缓累积且累积期长,这与高强纤维的形成需要的纤维素累积特征相吻合。最终纤维比强度在其形成快速增加期（铃龄17-31 d）增加幅度最大,稳定增长期（铃龄31-吐絮）稳定增长,形成高强纤维。3.棉纤维加厚发育过程中关键酶（蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖）及蛋白（Expansin）基因表达对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系。分析棉纤维加厚发育过程中关键酶及蛋白基因表达的动态变化及纤维素累积和纤维比强度形成动态变化发现:与0 kgy·hm-2和480 kgN·hm-2相比,在240 kgN·hm-2水平下,蔗糖合成酶其基因表达强度最高,高表达持续时间长,利于平稳且较多的提供UDPG,使纤维素长时间平稳累积;β-1,3-葡聚糖酶的基因表达强度在铃龄15 d后上调幅度最大,表达强度高且稳定,使β-1,3-葡聚糖转化彻底,为纤维素生物合成提供底物,调节纤维素中后期累积速率平缓,同时纤维发育相关蛋白Expansin的基因表达强度高且稳定,利于纤维次生壁加厚。在240 kgN·hm-2水平下,纤维发育关键酶的上述变化促进纤维素累积持续期长且整个纤维发育过程中纤维素累积速率平缓,与高强纤维的纤维素累积特性相吻合,最终纤维比强度在铃龄17-31 d的快速增加期增幅最大,在铃龄31 d-吐絮的稳定增加时期增长稳定,最终纤维比强度较高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1 棉纤维的生长发育过程
• 2 棉纤维加厚发育与纤维比强度的形成
• 2.1 棉纤维的加厚发育
• 2.2 棉纤维比强度的形成
• 2.2.1 棉纤维比强度形成机制
• 2.2.2 影响棉纤维比强度形成的主要因素
• 2.2.2.1 基因型对棉纤维比强度形成的影响
• 2.2.2.2 生态因素对棉纤维比强度形成的影响
• 2.2.2.3 调控措施对棉纤维比强度形成的影响
• 2.3 棉纤维加厚发育与棉纤维比强度形成的关系
• 3 棉纤维加厚发育生理变化特征及与纤维比强度形成的关系
• 3.1 棉纤维加厚发育相关物质变化及与纤维比强度形成的关系
• 3.1.1 蔗糖（Sucrose）
• 3.1.2 β-1,3-葡聚糖（β-1,3-Glucan）
• 3.1.3 纤维素（Cellulose）
• 3.2 棉纤维加厚发育相关酶活性变化及与纤维比强度形成的关系
• 3.2.1 蔗糖酶（Sucrase）
• 3.2.2 蔗糖合成酶（Sucrose synthetase/SuSy）
• 3.2.3 磷酸蔗糖合成酶（Sucrose phosphate synthetase/SPS）
• 3.2.4 β-1,3-葡聚糖酶（β-1,3-Glucanase）
• 3.2.5 Expansin
• 4 研究目的与意义
• 参考文献
• 第二章 棉（Gossypium hirsutum L.）纤维加厚发育相关物质变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 测定内容与方法
• 1.3 纤维素累积特征值计算方法
• 2 结果与分析
• 2.1 棉纤维加厚发育期蔗糖含量的动态变化
• 2.2 棉纤维加厚发育期β-1,3-葡聚糖含量的动态变化
• 2.3 棉纤维加厚发育期纤维素含量的动态变化
• 2.4 棉纤维比强度形成的动态变化
• 3 讨论与结论
• 参考文献
• 第三章 棉（Gossypium hirsutum L.）纤维加厚发育相关酶活性变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 测定内容与方法
• 1.3 纤维素累积特征值计算方法
• 2 结果与分析
• 2.1 棉纤维加厚发育期纤维素含量的动态变化
• 2.2 棉纤维发育相关酶活性的动态变化
• 2.2.1 蔗糖酶活性
• 2.2.2 蔗糖合成酶活性
• 2.2.3 磷酸蔗糖合成酶活性
• 2.2.4 β-1,3-葡聚糖酶活性
• 2.3 棉纤维比强度形成的动态变化
• 3 讨论与结论
• 参考文献
• 第四章 棉（Gossypium hirsutum L.）纤维加厚发育关键酶基因表达对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 测定内容与方法
• 1.3 纤维素累积特征值计算方法
• 2 结果与分析
• 2.1 棉纤维加厚发育期纤维素含量的动态变化
• 2.2 棉纤维发育相关酶基因表达的动态变化
• 2.3 棉纤维比强度形成的动态变化
• 3 讨论与结论
• 参考文献
• 第五章 讨论与结论
• 1 讨论
• 1.1 棉纤维加厚发育相关物质动态变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系
• 1.2 棉纤维发育相关酶活性动态变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系
• 1.3 棉纤维发育关键酶基因表达动态变化对氮素的响应及与纤维比强度形成的关系
• 1.4 研究展望
• 1.5 本研究的创新之处
• 2 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表、已录用和已投稿论文
• 致谢