棉纤维发育耐高温能力差异的生理生化与分子机制研究

The development of cotton fiber is sensitive to environment temperature and its tolerance to high temperature stress differs in different genotypes. As the greenhouse effect is aggravating and the extreme high temperature weather outbreaks more and more frequently, short-time high temperature stress will be a major natural disaster in cotton cultivation. Therefore, Theoretical discoveries on response of fiber development to high temperature stress will make important contribution to enhance the cotton wool supply capability of our country. Based on the theory that cotton fiber cell development is a cellulose synthesis procedure in essence, this research will study changes of the fiber quality indexes in the high temperature sensitive- and tolerant- genotypes when subject to high temperature stress. Also, changes of the major carbonhydrates content, the relating metabolism enzymes activities, the expression of the genes encoding the key enzymes and the isoenzymes will be investigated. By analyzing the relationships between the changes of fiber quality, the physiological characters and the molecular traits, this research will clarify the sensitive time window to high temperature stress and the critical duration of high temperature stress. Besides, the key carbohydrates and the key enzymes mediating the response of cotton fiber development to high temperature stress will also be identified. These findings would be helped to develop effective techniques to alleviate high temperature stress in cotton cultivation and would be useful in high tolerant cotton cultivars screening.

棉纤维发育对温度反应极为敏感，不同基因型棉花其纤维发育耐高温能力显著不同。随着全球温室化效应加剧及花铃期短期极端高温气象条件爆发日趋频繁，短期高温胁迫势将成为影响我国棉花高产、稳产、优质的重要自然灾害之一。因此，棉纤维发育响应高温逆境的机理研究可为提高我国原棉供给保障能力做出重要贡献。本研究拟从"棉纤维发育的过程本质上是一个纤维素合成占绝对主导的糖代谢过程"的理论出发，以纤维发育耐高温能力差异显著的棉花品种为材料，通过研究不同处理起始时间、不同高温胁迫时长条件下棉纤维的品质变化与纤维细胞中糖代谢主要相关物质、相关酶及其基因表达、同功酶谱变化的关系，阐明棉纤维发育响应高温逆境的关键时间窗口、临界胁迫时长、物质基础、酶学及分子机制，明确不同基因型棉花耐高温能力差异形成的分子生理基础，为棉花生产中棉株胁变程度评估、抗高温棉花品种选育及高温抗逆栽培技术的形成提供理论依据。

按照基金项目研究工作计划及进度安排，于2013-2016年以纤维发育耐高温能力强的棉花品种为材料，在南京农业大学牌楼实验站采用盆栽结合温室或人工气候室处理的方法，运用常规作物形态测量、生理生化分析及分子生物学手段，在纤维发育期开展了以下研究及主要进展：.1、分析了不同起始时间短期高温胁迫下棉纤维品质及品质发育相关物质的变化，以纤维品质发生显著变化为依据，探讨了棉纤维发育响应高温胁迫的关键时间窗口，发现花后0-19天、10-25天、11-20天分别是棉纤维长度、强度、麦克隆值形成的重要时间窗口。.2、在棉纤维发育的关键时间窗口，研究了不同处理时长条件下棉纤维品质及品质发育主要相关物质的变化，以纤维品质发生显著变化为标准，探讨了棉纤微发育响应高温胁迫的临界胁迫时长，发现不同品质指标的临界胁迫时长较为接近，日均温34℃[30-38℃]、关键胁迫响应时间窗口内，纤维品质综合指标的临界胁迫时长约为5天。.3、在棉纤维发育的关键时间窗口，研究了棉纤维响应高温胁迫的差异的生理机制。研究发现，棉铃及棉纤维发育对高温胁迫的耐受能力显著高于棉铃对位叶。高温下棉铃对位叶“源能力”的减弱是影响棉纤维品质形成的重要原因，是不同品种耐高温能力差异的重要生理基础；高温下糖类物质转化能力的减弱也是纤维品质劣化的原因。.4、研究了纤维发育过程参与纤维素合成的若干重要代谢酶及酶促反应底物和生成物对高温胁迫的响应。研究发现蔗糖代谢相关酶及纤维素和成酶是不同基因型棉花响应高温胁迫差异的关键酶，关键酶活性的差异与其同工酶谱的差异及对高温的响应有关。.项目严格按原计划进行，原研究计划执行过程中无较大变化。取得了预期研究结果. 项目计划培养博士研究生3名、硕士研究生3名、核心刊物发表论文4~8篇，其中Sci论文至少2篇。实际培养博士研究生3名、硕士研究生5名、核心刊物发表论文5篇，其中SCI论文2篇，另有1篇SCI文章已接受待刊，1篇SCI文章正在整理中，1~2篇论文待整理。