摘要
干旱是制约作物生长与产量形成的主要环境因素之一。棉花是在我国大面积种植的经济作物。而我国的棉花主产区——新疆却因常年灌溉不足，限制了棉花的高效生产。在水资源不足，棉花抗旱品种育种年限较长的背景下，开发新的抗旱解决方案有助于棉花高效生产。纳米技术近年来快速发展，具有巨大的应用潜力，是解决农业科学问题的有力工具。本试验以我国新疆地区主栽棉花品种新陆早74号为研究对象，筛选发现环境友好型Mn3O4纳米材料（PMnS）可以提高棉花抗旱能力。课题取得主要结果如下: 1.试验以15%PEG（质量比，渗透势-0.32MPa）水培体系模拟干旱胁迫，确定了PAA（聚丙烯酸）修饰后的Mn3O4纳米颗粒（PMnS）提高棉花抗旱能力要优于CeO2纳米颗粒（PNC）和Mn3O4纳米颗粒（MnA），与此同时筛选出了200mg/LMn3O4纳米颗粒（PMnS）为改善干旱胁迫下棉花长势的最适浓度，叶面涂抹PMnS纳米材料明显改善了干旱胁迫下的棉花长势。相较于对照，棉花幼苗的鲜重提高了40%，叶绿素a和b含量分别提高了81%和47%，TTF含量提高了393%。并设置了同等浓度MnCl2无机盐对照组，排除了锰元素作为微肥提高棉花抗旱性的可能性。 2.相较于对照，PMnS处理后显著降低了干旱胁迫下棉花叶片中的活性氧含量（降低了35%H2O2和64%的O2·-），提高了过氧化氢酶活性（提高了164%CAT活性），NBT与DAB染色结果证实了PMnS清除了叶片中累积的活性氧；通过共聚焦显微镜对活性氧进行胞内成像，试验结果可以清晰的观察到PMnS处理后的叶片中荧光面积更小，荧光强度也更低（分别降低了65%和48%的荧光强度以及79%和47%的荧光面积）；综上试验结果：PMnS维持了活性氧的稳态，提高了棉花的抗旱能力。 3.叶片涂抹PMnS提高了干旱胁迫下棉花叶片中的脯氨酸与可溶性糖含量（相较于对照，分别提高了125%和168%），植株水势的降低避免了干旱胁迫下叶片进一步失水。此外，PMnS还降低了棉花叶片中36%的丙二醛的含量，降低了27%的电解质相对渗透率，PI染色结果也证实了PMnS处理后组织具有更完整的膜结构，死细胞数量减少了90%。 4.PMnS还维持了干旱胁迫下（15%PEG，7天）棉花气孔的开放，而对照组的气孔则逐步关闭并导致植株死亡。在胁迫早期（15%PEG，24小时）的气孔观察中发现：叶片涂抹PMnS后的棉花气孔在遭遇干旱胁迫时迅速关闭，3小时后部分气孔恢复了开放状态，而对照组的棉花气孔在遭受干旱胁迫后逐渐关闭。实时气孔监测也证实了气孔在早期干旱胁迫下的变化，以上试验结果表明：PMnS维持了叶片气孔的碳获取与水散失的平衡，提高了棉花的抗旱性。 5.叶片涂抹PMnS还提高了棉花的非光化学耗散、光化学耗散、有效光量子产率，（胁迫处理24小时后相较对照分别提高了225%，21%，86%），PMnS还提高了净光合速率、气孔导度与蒸腾速率（胁迫处理24小时后相较对照分别提高了133%，194%和191%），说明PMnS显著保护了干旱胁迫下棉花叶片正常的气体交换，PMnS通过维持棉花幼苗的光合能力，提高了棉花的抗旱能力。 6.PMnS的大田应用试验中：浸种处理显著提高了干旱胁迫下棉花的出苗速度，但对棉花的出苗率无显著影响。叶片喷施PMnS的试验结果表明：PMnS处理后的植株具有更好的长势，显著改善了干旱胁迫下棉花苗期的生长状况，从而为后期的产量形成奠定了基础，两种浓度材料处理后小区产量相较于对照组分别提高了14.5%和16.1%。 综上所述，本研究筛选出了可以提高棉花抗旱的Mn3O4纳米颗粒（PMnS），并明确了其最适应用浓度。其提高棉花抗旱能力的机理如下：PMnS通过清除活性氧、积累渗透调节物质，缓解干旱胁迫下的植物细胞膜损伤，并通过积极调控气孔开闭以维持光合能力，从而提高了棉花抗旱性。
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