1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）
| 课题的意义、国内外研究进展、应用前景等（列出主要参考文献） 课题意义： 我国棉花种植品种类型多、区域跨度大，随着全球温室化效应的加剧（本世纪末环境温度将增加1.8-4.0°C）[1],极端天气爆发日趋频繁，使农业遭受极端气候胁迫的风险逐渐加大，在某些地区高于作物生长季节最佳温度1-2℃的热胁迫会导致产量减少[2]。在设计灌溉或限水条件下发展具有优良的耐热性和耐旱性的植物，能够改善水分利用效率[3]。棉花生产中花铃期高温、干旱 等现象频发、并发[1,4,5]，此时正是棉花响应环境变化最敏感的时期，将严重影响棉花产量和品质。因此进一步研究纤维发育与纤维品质形成的生理生态机制，及花铃期增温、土壤干旱、增温与干旱耦合对其作用效应，可为探索全球气候变暖对棉花生产的影响以及棉花优质栽培提供依据。 1 棉纤维发育 棉纤维发育历经分化突起、伸长、次生壁加厚及捻曲失水4个阶段[6]，纤维伸长发育始于开花当天，在10-15 DPA (Days post anthesis, d)快速伸长，25-30 DPA达到最终长度，最终长度由纤维伸长速率和伸长持续期决定[7-10]，伸长速率越大、伸长持续期越长，最终纤维长度就越长[10]。纤维细胞最快的伸长速率发生在开花后6-12d及15-20d，期间纤维伸长可达最终长度的80%。Schubert等认为花后27d纤维伸长发育停止，此时纤维干重达到成熟时干重的40%[7]。 2 棉纤维发育过程中的物质代谢和酶学基础 2.1 棉纤维发育的物质代谢 棉纤维发育期主要生理活动是纤维素合成与累积，来自棉铃对位叶、经由铃壳-棉籽转运而来的碳水化合物除为呼吸代谢提供能量外，几乎都用于纤维素合成[11,12]。 棉纤维发育首先取决于因纤维细胞渗透势所产生的膨压作用[13]，而细胞膨胀的关键在于有足够的渗透物质来补偿大量水分进入产生的稀释作用，纤维发育期的主要渗透物质是可溶性糖、K 和苹果酸，三者约占80%。其中，苹果酸是由磷酸烯醇丙酮酸羧化酶催化在细胞质中重新固定HCO3-离子生成的，可溶性糖和K 是从终止于种皮的韧皮部外运进来的，可溶性糖以蔗糖为主。土壤钾素缺乏导致纤维细胞中K 下降最终导致纤维长度缩短。纤维加厚期纤维素大量累积，纤维成熟时纤维素含量约占其干重的85%以上，其中初生壁中约占20%-25%，次生壁几乎是纯的纤维素。此外，纤维加厚发育期还合成大量的非纤维素物质—β-1,3-葡聚糖（胼胝质），β-1,3-葡聚糖的沉积与降解对于次生壁的建成质量有重要影响。 2.2 棉纤维发育的酶学基础 纤维品质的形成取决于纤维细胞的膨胀和次生壁纤维素的累积，可以通过调控纤 |
| H -ATPase（水解ATP）作用下，棉纤维中的渗透物质进入液泡产生膨压，促进纤维伸长[14]；在纤维伸长过程中，随着液泡Inv（VIN）的高表达，大量蔗糖也会进入液泡，这可能在驱动水流入由TIP介导的液泡中起着关键作用[15]。花后10-15d纤维细胞膨压随着蔗糖和K 的输入而持续增大，纤维迅速伸长，随后纤维细胞膨压减小，伸长速率减慢[16]。PPase基因的表达峰值出现在花后20d，H -ATPase和PEPC基因在纤维细胞膨胀高峰期（12-15DPA）高表达[17]。β-1,4-葡聚糖酶通过松弛或剪切纤维细胞中的结合物从而使纤维细胞得以膨胀[18]，Expansin通过断裂细胞壁结构大分子之间的非共价键而使胞壁松弛，木葡聚糖水解酶（XET）通过破坏木葡聚糖与纤维素的网络结构而使胞壁松弛[19,20,21]，是植物细胞壁重构过程中的关键酶。上述三者基因的转录、表达在纤维伸长期维持较高水平，其后β-1,4-葡聚糖酶和Expansin的转录表达随纤维伸长速率减慢而降低，而XET在快速加厚期仍高水平表达[21,22]。苹果酸、K 和糖的积累被认为在纤维伸长中通过渗透调节和电荷平衡起重要作用。 然而，缺乏支持或反对这种假设的证据。磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEPC）是苹果酸合成的关键酶。PEPC活性在快速伸长阶段比在缓慢伸长阶段高。表明棉花延伸需要PEPC的高活性，可能是由于GhPEPC1和2基因的表达[23]。磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEPC）是苹果酸合成的关键酶。 2.2.1纤维中蔗糖代谢相关酶 棉纤维中UDPG水平直接影响纤维素的累积速率，蔗糖含量则决定UDPG的生成速率。发育纤维细胞的蔗糖含量主要由介导碳水化合物在“库”器官卸载的蔗糖转化酶以及催化蔗糖反应生成的Sus所决定[24]。 蔗糖转化酶参与调控植物的生长发育，催化蔗糖水解为果糖和葡萄糖，为呼吸作用提供底物，并在碳代谢中起到关键作用[25,26]。蔗糖合成酶（Sus）催化的反应“sucrose UDP UDP-Glc fructose”虽然是可逆的，但Sus主要起降解蔗糖的作用，即朝有利于UDPG生成的方向进行[11]。细胞壁蔗糖转化酶催化库端质外体中蔗糖的分解，促进糖类的长距离运输[27]，为纤维素合成提供初始底物；较高的蔗糖转化酶活性可促进纤维伸长发育[28]。Sus可通过偶联反应产生UDPG提供给纤维素合成酶，提高纤维素的累积速率[29]，同时维持并提高纤维细胞的渗透压，以利于纤维细胞伸长。Sus在次生壁高速率的纤维素合成和次生壁形成阶段起重要作用[29,30]，纤维素的大量合成与Sus基因的高表达显著正相关[31,32,33]。免疫印迹实验结果显示，Sus在16 DPA的表达量最高，而在次生壁形成停止时则检测不到其表达[34]。对其他植物的研究也得到类似结果[35,36]。可见，Sus是棉纤维素合成和纤维加厚发育的限速酶[33,37]。 3.棉纤维品质的形成 温度是影响纤维发育与品质形成的主要因素，纤维伸长早期需要较高的温度，后期（15-30 DPA）受温度影响较小，纤维伸长发育的最适夜温为15-21°C，温度过高或过低都将导致纤维缩短；纤维加厚发育较伸长发育对温度更为敏感，温度可调节马克隆值和成熟度的形成，26-32°C的日均温有利于马克隆值和成熟度的形成，32°C被认为是纤维发育的上限温度。而在在棉铃发育之前和发育过程中，高温伴随着充足的水分会增加纤维成熟度。 水分对棉花影响的研究大都针对产量，初蕾期到初花期是水分影响棉花产量形成的关键期，干旱条件下籽棉产量的降低主要由铃数和铃重的下降引起。当土壤干旱导致皮棉产量低于700 kg.hm-2时，纤维长度缩短；水分亏缺会抑制纤维伸长，纤维伸长期土壤干旱通过影响纤维细胞膨胀而抑制纤维伸长，初花期干旱对纤维伸长影响较小，盛花期干旱影响较大。但也有研究轻度干旱条件下纤维长度大于适宜水分处理。 土壤水分与纤维比强度关系的研究存在分歧，Dagdelen等认为纤维比强度随土壤干旱的加重而下降，Pettigrew等认为土壤水分对比强度影响较小；Booker等的研究结果在年际间不一致，比强度或随土壤水分下降而增加，或与土壤水分关系不大。土壤水分对纤维马克隆值、成熟度和细度的影响在年际间表现也不一致，多数认为纤维伸长期土壤水分亏缺导致纤维成熟度降低，随土壤水分增加，马克隆值降低，细度增加；也有认为适当的土壤缺水对纤维产量和品质的影响较小；Basal 等认为相对正常灌溉75%的灌溉量对棉纤维品质的影响较小，若继续减少土壤水分则纤维品质各指标均变劣。 4 应用前景 研究结果一方面可从生理生态水平上解释花铃期增温、土壤干旱、增温与土壤干旱耦合影响棉纤维发育与纤维品质形成的内在机理；另一方面，该研究是针对全球温室化背景下棉花花铃期高温、干旱等频发且常常同时出现，而此时正是棉花对环境变化反应最为敏感这一现实开展的，研究结果不仅可丰富纤维发育与品质调控的理论，还可为探索棉花生产应对全球气候变化和棉花优质栽培提供依据。 参考文献 [1] J. 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2. 研究的基本内容和问题
研究的目标、内容和拟解决的关键问题
1.研究目标
设置增温和干旱耦合试验，研究不同温度敏感型棉花品种对增温与土壤干旱耦合下的响应。
3. 研究的方法与方案
研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
1.研究方法
利用池栽试验和作物生态学、生理学研究方法，研究棉纤维发育及纤维品质形成对温度与水分状况的响应机制。
2.技术路线
3.实验方案
试验于2016-2018年在南京农业大学牌楼试验站(118°50′E,32°02′N)进行，采用池栽（长4m×宽4m×深1.5m）方法，设置棉花花铃期增温（3℃左右）与土壤干旱耦合试验，每处理设置三个重复。
棉花采用营养钵育苗移栽方法种植4月25日播种，施氮量为240 kgN·hm-2（氮素运筹均按基肥40%、花铃肥60%）。3叶期时选择生长一致的壮苗移栽于配备了自动增温控温系统（宁波东南仪器公司，中国）的对照区和增温区，花铃期在对照区和增温区均设置相同的土壤水分处理。
待棉花第6-8果枝第1、2果节50%开花时，开始土壤水分和环境温度处理。
土壤水分处理：本试验设置3个土壤水分处理：以0-20 cm SRWC (75±5)%为对照，使0-20 cm土壤相对含水量逐渐自然减少至 (60±5)%、(45±5)%，并均维持至50 DPA。
环境增温处理：对照区保持正常空气温度，增温区空气温度较对照区高3°C左右。自动增温控温系统可通过向室内输送不同温度的气流以调控室内温度，田间自动增温控温系统示意图见下。处理期间，各小区周围用100cm高的塑料挡风布围挡，每小区设置6个温湿度探头用于实时监控小区微气候变化。
从土壤水分和环境温度处理之日起，每隔3 d监测0-20、20-40cm土壤水分含量和棉花主茎功能叶(主茎倒4叶)、6-8果枝内围棉铃对位叶的水势。同时，对棉株6-8果枝第1、2果节当日白花挂牌标记。从花后5d开始每隔7 d取生长发育一致的棉铃8-10个，将纤维与种子分离，纤维液氮速冻后在-40°C下保存备用，取样时间均在上午9:00-10:00。
4.可行性分析
（1）有较强的理论和应用价值。温室化效应加剧了农业生产遭受短期极端气候胁迫的风险，目前生产中高温和干旱导致棉花产量品质下降的问题尤为突出，本试验在该背景下开展，预期成果不仅可以丰富棉纤维品质调控的理论，同时可为生产上探索温度水分逆境下提高棉花产量品质的调控途径提供依据。
（2）有科学的研究思路、合理的研究方案及可行的研究方法。
4. 研究创新点
特色或创新之处（1）相对于单因素的研究，本试验开展了增温与干旱的双因素试验，研究增温与干旱耦合对棉纤维发育及纤维品质形成的影响。
（2）本试验有较高的应用价值，由于花铃期高温和水分逆境在我国长江、黄河流域棉区广泛存在，此时又是棉纤维发育及纤维品质的形成对温度和水分反应最为敏感的时期，因此本研究预期成果可为探索棉纤维品质的温度和水分调控途径提供理论依据与技术指导。
5. 研究计划与进展
研究计划及预期进展
1.研究计划
2018年7月-2018年10月，进行棉花季的田间试验及取样分析；
