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棉纤维比强度是衡量原棉品质的重要指标之一，其形成与纤维次生壁的建成质量和纤维素的沉淀累积特性密切相关。氮素是棉花高产优质的主要调控因素之一，研究氮素调控棉纤维比强度形成的生理机制，探讨纤维比强度形成的适宜棉花氮素营养状况，可为实现高强纤维棉花栽培的氮素调控提供依据。本文选择棉纤维比强度差异明显的德夏棉1号（平均比强度26.2 cN·tex-1）、科棉1号（平均比强度35 cN·tex-1）和美棉33B（平均比强度32 cN·tex-1）为试验材料，于2008-2009年在江苏南京(118°50′E，32°02′N，长江流域下游棉区)江苏省农业科学院设置施氮量试验，研究了:(1)棉纤维发育相关酶（蔗糖酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶和β-1，3-葡聚糖酶）活性对棉铃对位叶氮浓度的响应及对纤维比强度形成的影响;(2)棉纤维发育相关物质（蔗糖、β-1，3-葡聚糖、纤维素）含量变化对棉铃对位叶氮浓度的响应及对纤维比强度形成的影响;(3)棉花不同果枝部位铃纤维发育相关酶活性和相关物质变化对棉铃对位叶氮浓度的响应差异及对纤维比强度形成的影响;(4)棉花源库强度对棉铃对位叶氮浓度的响应机制;(5)棉铃对位叶碳水化合物与叶氮浓度的关系及影响纤维比强度形成的机理。
主要研究结果如下:
1.棉纤维发育相关酶（蔗糖酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶、β-1，3-葡聚糖酶）活性对棉铃对位叶氮浓度的响应及对纤维比强度形成的影响
棉铃对位叶氮浓度显著影响棉纤维发育过程中相关酶活性和纤维比强度的形成。在花后同一时期，各相关酶活性和纤维比强度均随棉铃对位叶氮浓度的升高呈先升高后降低的抛物线变化。花后不同时期各指标对应的适宜对位叶氮浓度差异较小，且随花后天数的变化趋势符合幂函数关系，德夏棉1号、科棉1号、美棉33B纤维发育的适宜棉铃对位叶氮浓度分别为:NDexiamianl=7.2841DPA-02771(R2=0.9860**)、NKemianl=7.1807DPA0.2989(R2=0.9879**)、NNuCOTTN33B=7.1467DPA0.2819(R2=0.9755**)，据此可诊断棉花氮素营养状况，指导氮肥施用进而调控纤维发育相关酶活性和比强度达到或接近最优。
2.棉纤维发育相关物质（蔗糖、β-1，3-葡聚糖、纤维素）含量变化对棉铃对位叶氮浓度的响应及对纤维比强度形成的影响
棉铃对位叶氮浓度显著影响棉纤维发育相关物质含量和纤维比强度的形成。在花后同一时期，各相关物质和纤维比强度与棉铃对位叶氮浓度之间均符合抛物线关系，在38 DPA前蔗糖和β-1，3-葡聚糖含量随对位叶氮浓度升高呈先升高后降低的趋势，45 DPA后趋势相反，纤维素含量和纤维比强度随对位叶氮浓度升高均呈先升高后降低的趋势。花后不同时期各指标对应的适宜棉铃对位叶氮浓度差异较小，且随花后天数的变化趋势符合幂函数关系，德夏棉1号、科棉1号、美棉33B纤维发育适宜的棉铃对位叶氮浓度分别为: NDexiamianl7.6649DPA-0.2974(R2=0.9758**);Nkemianl=7.2945DPA-0.3086(R2=0.9816**);NNuCOTN33B=7.3418DPA-0.2948(R2=0.9684**)。
3.棉花不同果枝部位铃纤维发育相关酶活性和相关物质变化对棉铃对位叶氮浓度的响应差异及对纤维比强度形成的影响
纤维发育相关酶（蔗糖酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶和β-1，3-葡聚糖酶）活性和相关物质（蔗糖、β-1，3-葡聚糖、纤维素）含量变化对棉铃对位叶氮浓度的响应在棉花不同果枝部位铃之间趋势一致，但上部果枝铃纤维相关酶活性和相关物质含量高于下部果枝铃。在花后同一时期，各指标与棉铃对位叶氮浓度之间的关系符合抛物线型变化，表明不同果枝部位间均存在适宜的对位叶氮浓度使纤维发育相关酶活性和相关物质含量利于纤维素的合成累积以及纤维比强度的形成，且棉花相同果枝部位铃各指标对应的适宜对位叶氮浓度差异较小。棉花不同果枝部位间以上部果枝铃纤维发育对应的适宜氮浓度高于下部果枝。
4.棉花源库强度对棉铃对位叶氮浓度的响应机制
棉铃对位叶氮浓度显著影响棉花的源库强度。在花后同一时期，棉花源强度（可溶性糖、蔗糖、磷酸蔗糖合成酶）和库强度（蔗糖、蔗糖合成酶）各指标均随对位叶氮浓度的上升呈先升高后降低（45-52 DPA的纤维蔗糖含量呈先降低后升高）的抛物线型变化趋势。在45 DPA（德夏棉1号38DPA）前上述各指标所对应的最佳对位叶氮浓度差异较小，通过调节对位叶氮浓度可调控源、库强度达到最优，在本试验条件下棉花中部果枝铃源、库强度达到最优的适宜叶氮浓度分别为:NDexiamianl7.2383t-0.2759(R2=0.9829**)、NKemianl=7.236t-0.3026(R2=0.9876**)、NNuCOTN33B=7.1706t-0.284(R2=0.9788*)。
5.棉铃对位叶碳水化合物与叶氮浓度的关系及影响纤维比强度形成的机理
棉铃对位叶氮浓度较叶片SPAD值和游离氨基酸浓度更能够反映棉株氮素营养状况;棉铃对位叶蔗糖和非结构性碳水化合物含量与棉铃对位叶氮浓度之间的关系符合抛物线关系（P＜0.01）;纤维发育的适宜对位叶氮浓度约为2.50％，且随着花后天数的增加呈幂函数降低;24-38 DPA纤维蔗糖含量与对位叶蔗糖、非结构性碳水化合物显著正相关(P＜0.05)，与棉铃对位叶淀粉和可溶性糖含量的相关性未达到显著水平（P＞0.05）;纤维比强度与38 DPA前的纤维蔗糖含量极显著正相关，且较纤维长度、细度和成熟度更易受纤维蔗糖变化的影响。因此，24-38 DPA是决定纤维品质主要性状形成的关键时期，棉铃对位叶蔗糖和非结构性碳水化合物含量可作为检测纤维蔗糖含量的指标，用以预测纤维最终品质。