纤维比强度是重要的原棉品质指标,其形成主要取决于纤维次生壁的建成质量。基因型和环境条件是影响棉纤维比强度的主要因素,研究不同纤维比强度、不同低温敏感性棉花品种在纤维发育生理、分子特性方面的差异及其与纤维比强度形成的关系,为探索改良棉纤维比强度的生理调控途径和培育生态稳定的高强纤维棉花品种提供理论依据。本论文包括两部分内容：1、以14个不同纤维比强度棉花品种为材料,建立纤维素累积与纤维比强度的关系,并在此基础上,以纤维比强度差异明显的2个棉花品种科棉1号(高强纤维品种,平均比强度为35 cN tex-1)、德夏棉1号(低强纤维品种,平均比强度为26 cN tex-1)为材料研究棉纤维发育相关酶(蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶)的活性变化、基因表达特征及与纤维素累积和纤维比强度形成的关系；2、以纤维比强度形成存在低温敏感性差异的2个棉花品种(科棉1号：低温弱敏感型棉花品种；苏棉15号：低温敏感型棉花品种)为材料,研究不同低温敏感性棉花品种纤维发育相关酶活性、基因表达和相关物质含量对低温的响应差异。主要研究结果如下：1.不同纤维比强度棉花品种纤维发育的差异机理(1)以14个纤维比强度差异明显的棉花品种为材料,研究了棉花纤维素累积特性的基因型差异及与纤维比强度的关系。结果表明,不同棉花品种的纤维素累积特性及纤维比强度均存在差异,且二者关系密切。纤维素累积平缓的基因型(科棉1号)其纤维素最大累积速率小,快速累积持续期长,最终纤维比强度高；纤维素累积快的基因型(德夏棉1号)其纤维素最大累积速率过高,快速累积持续期短,最终纤维比强度低；纤维素累积速率中等的基因型(美棉33B),其最终纤维比强度也处于中等水平。因此,高强纤维的形成是以纤维素的平缓沉积为基础。(2)以高强、低强基因型棉花的代表品种科棉1号(纤维比强度为35 cN tex-1)、德夏棉1号(纤维比强度为26 cN tex-1)为材料,研究了棉纤维发育关键酶(蔗糖合成酶和p-1,3-葡聚糖酶)活性的变化特征及其与纤维比强度的关系。结果表明,高强纤维品种(科棉1号)的蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶活性及其基因表达量和维持高表达时间均高于低强纤维品种(德夏棉1号),前者酶活性的动态变化与纤维素快速累积期的协调性好,纤维素累积平缓,纤维比强度增长的幅度大。相反,低强纤维品种(德夏棉1号)棉纤维发育相关酶活性低、基因维持高表达时间短,纤维素快速累积期短,纤维比强度增长的幅度小。说明,不同棉花品种纤维发育相关酶变化特征存在显著差异,且该差异是导致其纤维素累积特性及纤维比强度形成存在基因型差异的重要原因之一。2.不同低温敏感性棉花品种纤维比强度形成的差异机理(1)以纤维比强度形成存在低温敏感性差异的两个棉花品种(科棉1号：低温弱敏感型品种,苏棉15号：低温敏感型品种)为材料,通过设置大田分期播种试验,研究播期和果枝部位对不同低温敏感性棉花品种纤维发育相关物质及纤维比强度的影响。结果表明,播期和果枝部位均影响棉纤维中物质代谢和纤维比强度形成。在相同果枝部位下,播期推迟、温度降低,棉纤维中蔗糖转化率、p-1,3-葡聚糖转化率降低,导致纤维素合成受阻、纤维比强度降低。果枝部位对棉纤维发育相关物质的影响在不同播期表现不同,在正常播种的中部果枝棉铃纤维中物质转化最彻底,有利于纤维素累积和高强纤维形成；晚播条件下,随果枝部位升高,温度降低,上部果枝棉铃纤维发育尤其是纤维中物质转化受到显著影响,导致纤维比强度降低。低温敏感型棉花品种(苏棉15号)纤维发育相关物质受播期和果枝部位的影响程度明显高于低温弱敏感型棉花品种(科棉1号),这可能是其纤维比强度更易受播期和果枝部位影响的原因。(2)研究纤维比强度形成存在低温敏感性差异的2个棉花品种纤维发育生理特性对低温的响应差异。通过分期播种,使相同果枝部位棉铃发育处于不同的温度条件,研究低温对纤维比强度形成存在低温敏感性差异的2个棉花品种纤维发育相关物质含量和酶活性的影响。结果表明,正常播期条件下,棉纤维发育期平均日最低温为24.0℃和25.4℃,棉纤维中蔗糖合成酶活性高,p-1,3-葡聚糖酶活性低,蔗糖转化率和纤维素含量均较高,最终纤维比强度较高；晚播所致的低温(棉纤维发育期平均日最低温低于21.1℃)则显著影响棉纤维发育,棉纤维中蔗糖转化率、纤维素含量、p-1,3-葡聚糖含量下降,棉纤维发育相关酶中蔗糖合成酶活性下降、p-1,3-葡聚糖酶活性上升,导致纤维比强度降低。两个纤维比强度形成存在低温敏感性差异的棉花品种纤维发育生理特性对低温的响应存在差异,低温敏感型棉花品种(苏棉15号)纤维中的蔗糖转化率、纤维素含量及酶活性(蔗糖合成酶、p-1,3-葡聚糖酶)在因播期形成的不同温度间的变化幅度明显大于低温弱敏感型棉花品种(科棉1号)。因此,低于21.1℃的纤维发育期平均日最低温影响棉纤维发育及纤维比强度形成,不同棉花品种纤维发育相关的物质含量、酶活性对低温的响应存在差异。(3)研究纤维比强度形成存在低温敏感性差异的2个棉花品种纤维发育相关酶活性和相关基因表达对低温的响应差异。结果表明,由晚播造成的低温(棉纤维发育期平均日最低温为21.1℃、20.5℃和18.1℃时)在生化水平和基因表达水平上均影响了棉纤维发育相关酶的活性变化特征。在生化水平上,低温提高了棉纤维中蔗糖酶和β-1,3-葡聚糖酶的活性,降低了蔗糖合成酶和磷酸蔗糖合成酶的活性。在基因表达水平上,低温使Expansin、蔗糖合成酶基因的高表达时间延长,p-1,3-葡聚糖酶基因的表达峰值出现时间延迟,且表达量降低。低温敏感型棉花品种(苏棉15号)纤维发育相关酶在温度间的变化明显高于低温弱敏感型棉花品种(科棉1号),且不同低温敏感性棉花品种纤维发育相关酶对低温的响应差异主要表现在蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶方面。因此,不同棉花品种纤维发育过程中蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶、p-1,3-葡聚糖酶对低温的响应差异是导致其纤维比强度形成存在低温敏感性差异的重要酶。(4)研究棉株生理年龄对不同温度条件下棉纤维中蔗糖代谢的影响,结果表明,棉株生理年龄影响棉纤维中蔗糖代谢、纤维素累积和纤维比强度形成,影响程度随棉纤维发育期温度的变化而改变。在正常温度条件下(棉纤维发育期平均日最低温为24.0℃),棉株生理年龄显著影响棉纤维中蔗糖代谢,中部果枝棉铃纤维中蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶活性高,蔗糖转化彻底,有利于纤维素的累积及纤维比强度的形成,且低温敏感型棉花品种(苏棉15号)受棉株生理年龄影响明显；随温度降低(棉纤维发育期平均日最低温为22.6℃和21.1℃时),棉株生理年龄的作用降低,棉纤维中相关蔗糖代谢酶活性在不同棉株生理年龄棉花间差异减小,进而导致棉纤维中蔗糖转化率、纤维素含量、纤维比强度在不同棉株生理棉花间差异减小；当棉纤维发育期平均日最低温降到18.1℃时,棉株生理年龄对棉纤维中蔗糖代谢和纤维比强度形成的作用较小。棉株生理年龄对低温敏感型棉花品种(苏棉15号)的影响随温度降低的变化幅度高于低温弱敏感型棉花品种(科棉1号)。