水分亏缺下棉花叶肉导度的调控及与气孔和水力导度的耦合机制

Cotton production is the pillar industry of agriculture in Xinjiang, which is also the main water user for agriculture. Exploiting the potential of biological water-saving in varieties with high water use efficiency that could be selected based on their physiological traits of drought resistance is an effective way to reduce the irrigation amount in cotton production. Mesophyll conductance that is mostly regulated by biochemical properties and anatomical structures has been considered the third limiting factor besides stomatal and non-stomatal (carboxylation) limitation for photosynthesis, which can improve photosynthetic rate and water use efficiency simultaneously that has been shown in our previous study of cotton. Based on these, two species of cotton (Upland cotton-Gossypium hirsutum and Pima cotton-Gossypium barbadense) are selected to study the variation of photosynthetic capacity and mesophyll conductance among cotton genotypes in this project. This project will be to clarify the influence of anatomical structure and biochemical processes on mesophyll conductance. Furthermore, the relationship between CO2 diffusion conductance (stomatal conductance and mesophyll conductance) and hydraulic conductance will be also studied among different water treatments to analysis the coordination between above three conductances and its relationship with water use efficiency. This project will provide theoretical basis for selecting the cotton variety with both high photosynthetic efficiency and water use efficiency.

棉花作为新疆重要的经济作物是用水的大户。基于棉花抗旱生物学特性选育高水分利用效率品种是挖掘其生物节水潜力，从而降低灌溉用水的重要途径。研究表明，叶肉导度、气孔导度和羧化活性均可能通过影响CO2扩散成为植物光合作用的限制因素；由于叶肉导度只影响光合速率而不影响水分散失，因此被认为是提高水分利用效率最有潜力的改良位点。基于此，本项目选取2个栽培种（陆地棉、海岛棉）的不同品种为材料，研究水分亏缺下棉花组织解剖结构、气孔和叶脉特征、叶肉导度、水力导度以及光合能力的变化，分析气孔导度、叶肉导度和羧化活性与光合能力的关系，明确水分亏缺下叶肉导度限制叶片光合能力的贡献；揭示叶片组织结构对叶肉导度的调控机制；进而，探明叶肉导度与气孔导度和水力导度的耦合关系及其调控水分利用效率的机制。研究结果可为实现棉花生物节水栽培提供理论指导，也可为高产节水品种选育提供理论基础。

棉花作为新疆重要的经济作物是用水的大户，而水资源日益匮乏将是新疆农业可持续发展的严重威胁。因此，提高水分利用效率已成为棉花产业持续发展的必由之路。本研究针对多种基因型棉花种质资源材料及水分亏缺下棉花水分利用效率调控机理研究，旨在进一步挖掘棉花生物节水潜力，从而降低灌溉用水。基于此，本研究以不同基因型棉花为研究材料，以叶肉导度为研究出发点，以水分高效利用为研究核心，进行了叶肉导度与光合能力关系的研究，并结合叶片组织解剖结构，揭示调控叶肉导度的主要结构因素；进一步通过量化叶片气孔结构特征，结合水分利用效率，阐明叶片水分利用效率的调节机制。在此基础上，选用主栽品种设置不同程度水分亏缺处理，进行叶肉导度与水力导度、气孔导度及光合特性相关关系的研究。本研究明确了棉花叶片叶肉导度与光合能力的关系，揭示了叶肉导度限制叶片光合能力的机制，阐明了组织结构对叶肉导度的调控机制，探明了叶肉导度与气孔导度和水力导度的耦合关系及其调控水分利用效率的机制。研究结果为实现棉花生物节水和高水分利用效率栽培和育种提供了理论基础。通过本项目的完成，已发表第一标注论文9篇，其中SCI收录论文7篇（其中中科院一区TOP期刊3篇，中科院二区3篇，中科院三区1篇），中文核心期刊2篇；培养研究生4名。