棉纤维品质形成及纤维发育耐低钾能力差异的生理机制研究

Cotton (Gossypium hirsutum L.) is sensitive to low potassium (K) and its tolerance to low K differs in different genotypes. Because of the rapid mining of soil K by increased cotton yield and insufficient application of K fertilizers, along with the popularization of cotton cultivars that is more sensitive to K deficiency than conventional cultivars, K deficiency often occurs in cotton production regions in China, and has reduce cotton fiber quality significantly. Therefore, theoretical discoveries on low K tolerance of cotton fiber quality and fiber development will make important contribution to explore physiological regulation pathway of improing fiber quality under low K condition. Based on the theory that "difference of ecophenotype→(is caused by)difference of substance→difference of key metabolism enzyme", this research will study changes of cotton fiber quality indexes in the low K sensitive- and tolerant- genotypes when subject to low K stress. Also, changes of K+ in fiber, the major carbonhydrates content, the relating metabolism enzymes activities will be investigated. By analyzing the relationships between the changes of cotton fiber quality and the physiological characters, this research will identify the response of cotton fiber development to low K. besides, the key substances and the key enzymes mediating the response of cotton fiber development to low K will also be identified. These findings would be helped to develop effective techniques to alleviate low K and would be useful in high tolerant cotton cultivars screening.

棉花对缺钾反应较为敏感，不同基因型棉花耐低钾能力差异显著。我国钾资源短缺，随着棉田贫钾程度的加剧，缺钾造成的棉纤维品质下降问题日益严重，开展棉纤维品质形成及纤维发育耐低钾能力形成的生理机制研究可为生产上探索低钾条件下提高纤维品质的生理调控途径提供理论基础。本研究选择棉纤维品质耐低钾能力差异较大的2类基因型品种，设置不施钾、低钾（75 kg K2O•ha-1）、适钾（150 kg K2O•ha-1）3个施钾量处理，从棉纤维发育过程入手，研究低钾条件下棉花纤维品质形成与纤维发育主要相关物质、相关酶活性的关系，明确纤维发育对低钾敏感的相关酶，并进一步对比分析2类基因型品种纤维发育关键酶活性对低钾响应的差异，确定引起不同钾敏感型棉花品种纤维发育耐低钾能力差异显著的关键酶，明确其在棉纤维发育耐低钾能力差异形成中的作用。

棉花（Gossypium hirsutum L.）对缺钾反应较为敏感，不同基因型棉花耐低钾能力差异显著。本研究选择低钾敏感型棉花品种泗杂3号/耐低钾型棉花品种泗棉3号，设置不施钾、低钾、适钾3个钾素处理，形成不同棉株钾环境，从棉纤维发育和纤维品质形成过程入手，分析棉纤维发育及纤维品质形成响应低钾的生理机制。结果表明：.1. 皮棉产量和棉纤维品质均受低钾的显著影响。棉花产量构成中，铃数对低钾最为敏感；棉纤维主要品质指标中，纤维长度对土壤低钾最为敏感，其次是纤维比强度。低钾主要通过改变棉铃着生的果枝K+含量影响棉纤维发育。泗棉3号较泗杂3号均表现出更强的耐低钾能力，可能与泗棉3号在土壤低钾环境下仍能保持较高的果枝K+浓度有关。.2. 低钾条件下，棉纤维伸长发育所需的重要膨压物质—K+和苹果酸含量及其对渗透势的贡献率显著降低，棉纤维最大伸长速率（Vmax）降低，导致最终纤维长度下降。纤维发育10-15天时纤维伸长发育关键酶V-ATPase、PPase、PM H+-ATPase和PEPC活性对棉株低钾敏感，导致纤维细胞中“K+转运、细胞壁酸化、苹果酸合成”等生理代谢过程受抑制，纤维伸长发育受阻。.3. 低钾条件下，纤维加厚发育重要物质纤维素含量显著降低，纤维素累积速率降低，棉纤维比强度显著降低，马克隆值呈下降趋势。此外，纤维素合成关键酶SuSy、SPS和β-1,3-葡聚糖酶的活性在纤维发育20-30天时受低钾胁迫影响而降低，导致纤维素合成受抑制并提前结束累积，纤维加厚发育受阻。.4. 比较关键生理指标在低钾敏感型/耐低钾型棉花品种间的差异，发现耐低钾型棉花品种具备耐低钾能力的三个重要生理特征：耐低钾基因型棉花品种a.在棉株低钾状态下仍能维持相对较高的果枝K+浓度；b.纤维伸长期棉纤维细胞中具有较高的K+和苹果酸含量，有助于纤维细胞维持渗透势。纤维加厚发育期纤维素含量在低钾条件下下降幅度更小，能够较好的维持细胞加厚进程的顺利进行；c. 耐低钾基因型棉纤维细胞中V-ATPase、PPase、PM H+-ATPase、PEPC、SuSy、SPS、β-1,3-葡聚糖酶在功能期内的活性较为稳定，不易受低钾胁迫影响。