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淹水胁迫影响棉花生长发育,持续淹水会引起棉花减产甚至绝产。随着全球气候变暖,棉花遭受淹涝灾害的频率和程度增加,其各个生育阶段都可能遭受淹涝灾害,但现有对棉花淹涝灾害的研究集中在花铃期,迄今关于棉花响应不同生育期淹水胁迫的差异及其机制尚不清楚。鉴于此,本文以棉花（Gossypium hirsutum L.）品种K638（鲁棉研41号）为材料,于2014～2015年在山东棉花研究中心试验站（山东临清）的田间电动遮雨棚内,对蕾期、花期和铃期棉花淹水处理0（未淹水对照）、10、15和20 d,开展了以下研究:一是比较研究了淹水胁迫对不同生育期棉花生长发育、产量及产量构成和品质的影响;二是测定了受淹棉花叶片光合作用、抗氧化酶系统活性、厌氧代谢酶活性、碳氮代谢和内源激素含量等的变化,在生理水平上揭示棉花响应不同生育期淹水胁迫差异的机制;三是对棉花叶片进行表达谱测定,分析淹水胁迫棉花与未淹水对照棉花叶片的基因表达差异,利用GO功能分析和pathway显著性的富集路径等生物信息学方法筛选出淹水胁迫下棉花叶片差异表达基因,明确参与淹水胁迫响应的激素相关基因和转录因子的表达模式,然后利用实时定量PCR检测厌氧代谢关键基因、激素相关基因以及转录因子ERF等基因在棉株体内的表达,在分子水平上进一步研究棉花响应不同生育期淹水胁迫差异的机制。同时,开展室内淹水试验,研究淹水胁迫下棉苗根系的形态变化。主要结果如下:1、棉花产量等性状对不同生育期淹水胁迫的响应存在显著差异综合两年试验结果,与未淹水对照相比,淹水10、15和20 d,棉花皮棉产量分别减少31.2%、37.6%和47.4%,生物产量分别减少20.5%、25.5%和30.2%,收获指数分别下降13.2%、20.0%和28.8%,铃数分别减少33.8%、36.0%和46.0%。蕾期、花期、铃期淹水,棉花皮棉产量分别减少58.3%、39.7%和17.4%,生物产量分别减少49.8%、25.3%和1.9%,收获指数分别下降15.2%、30.6%和15.7%,铃数分别减少53.5%、40.5%和18.8%。以上结果表明,任一生育时期施加10～20 d的淹水胁迫,都会显著降低棉花产量。在同一生育期,胁迫时间越长减产幅度越大;在相同时长的胁迫处理下,棉花对不同生育期淹水胁迫的响应和适应性存在明显差异,胁迫越早,伤害越大,减产幅度越大,或者说不同生育期棉花适应淹水胁迫的能力不同,生理年龄越大的棉花适应淹水的能力越强,减产幅度越小。棉花经济产量的差异主要在于不同生育期淹水胁迫对棉花生物产量的影响不同,前期淹水生物产量降幅大于中后期淹水,造成铃数和经济产量的降幅也大于中后期淹水。生物产量差异是造成不同生育时期和不同时长淹水胁迫所致减产幅度差异的主要原因。2、棉花对不同生育期淹水胁迫的生理学响应存在显著差异两年数据平均,与未淹水对照相比,淹水10、15和20 d,棉株叶片叶绿素（Chl t）含量分别降低了 29.8%、38.8%和43.1%,光合速率（Pn）分别降低了28.2%、43.3%和 55.3%,H202含量分别增加了 3.7、4.1 和 3.8 倍,丙二醛（MDA）含量分别增加了 72.6%、72.0%和119%,乙醇脱氢酶（ADH）活性分别升高了71.2%、64.3%和94.8%,可溶性蛋白含量分别下降了 21.7%、30.2%和47.1%,可溶性糖含量分别下降了 15.0%、23.6%和26.6%。蕾期、花期、铃期淹水,Chl t 含量分别降低了 45.9%、43.0%和 24.7%,Pn 分别降低了 65.4%、32.4%和 29.8%,H202含量分别增加了 12.8倍、3.7倍和2.5倍,MDA含量分别增加了 65.1%、32.7%和29.5%,ADH活性分别升高了 43.2%、46.4%和40.9%,可溶性蛋白含量分别下降了 39.2%、20.0%和35.6%,可溶性糖含量分别下降了 29.4%、13.1%和20.9%。蕾期、花期和铃期淹水15 d后,棉花叶片GA含量较未淹水对照分别减少了 68.1%、57.0%和 22.0%;IAA 含量分别减少了 59.2%、45.7%和 15.8%;ABA含量分别增加了 59.2%、44.3%和18.3%。以上结果表明,淹水胁迫导致膜脂过氧化,叶片光合作用降低;同时,GA和IAA等内源激素含量降低,棉株正常生长发育受抑,导致干物质积累降低,进而减产。但是,不同生育期施加淹水胁迫后,棉花光合作用、抗氧化酶活性、可溶性蛋白、可溶性糖、GA和IAA含量受影响程度差异较大,并与产量的差异表现相一致。棉株叶片中H202、MDA、ABA含量及厌氧代谢酶活性提高的幅度也不同,蕾期受淹棉株所受影响最大,花期次之,铃期最小。表明在不同生育期淹水胁迫后,棉花生理代谢水平上的差异,导致其在产量等农艺性状方面的差异。3、相关基因差异表达是棉花响应不同生育期淹水差异的重要原因通过对花期淹水胁迫15 d的棉花叶片进行DGE测序,获得了 1812个差异表达基因,其中794个上调表达,1018个下调表达。Pathway显著性富集分析发现淹水胁迫下,差异表达基因显著富集的通路有光合作用天线蛋白、光合作用、类黄酮生物合成、氮代谢和苯丙氨酸代谢。GO分析结果与pathway富集具有较强的一致性。激素相关基因表达模式表明ABA、IAA、GA、BR、SA以及JA均参与棉花对淹水胁迫的响应。在所鉴定的34个转录因子中,9个ERF,13个MYB和4个WRKY上调表达,表明这三个转录因子家族参与调控棉花对淹水胁迫的响应。此外,实时荧光定量PCR结果显示,蕾期淹水10、15和20 d,棉花叶片GhLHGB分别比未淹水对照下调8.9、18.1和37.2倍;GhADH2a分别比对照上调16.1、33.6和54.2倍。花期淹水10、15和20 d,GhLHCB分别比未淹水对照下调1.2、27.5和42.7倍;Gh4DH2a分别上调1.8、3.1和4.4倍。铃期淹水10、15和20d,GhLHCB分别比未淹水对照下调1.4、9.2和11.4倍;GhADH2a分别上调0.9、1.6和2.0倍。蕾期、花期和铃期淹水15 d后,ABA合成关键基因GhNCED2分别比未淹水对照上调表达40.9、22.2和1.9倍;GhNCED5分别上调表达37.6、16.6和8.2倍。蕾期淹水胁迫后,棉花GhNCED、ADH和PDC表达量的上调幅度与LHCB表达量的下调幅度均大于花期和铃期受淹棉株。由此可见,棉花对淹水胁迫的响应是一个多基因参与、多个生物过程协同调控的过程,基因表达量的变化可能是其最早响应淹水胁迫的方式,随后引起了相应生理指标的响应,继而导致了最终农艺性状的改变。4、明确了棉花适应淹水胁迫的3条途径淹水胁迫后,棉株发生一系列生理生化和分子水平的变化,调控生长发育,减少能量损失;通过产生不定根,在一定程度上逃避淹水胁迫;胁迫解除后,棉株加快生长发育,在一定程度上弥补淹水胁迫带来的损失。棉花淹水后,先从分子水平开始变化,然后生理生化代谢相应改变,最后表现在生物量和经济产量的变化上,说明棉花对淹水的适应是一个渐进的过程,是多途径、多机制的。在深入揭示棉花对不同生育期淹水胁迫响应差异及其机制的基础上,本研究总结提出了棉花适应淹水胁迫的3条途径,即逃避途径、静止适应途径和自我调节补偿途径。棉花正是通过这三种途径的相辅相成和协调统一来适应或者抵御淹水胁迫。其中,静止适应途径表现为通过生理生化和分子水平的变化,延缓棉株生长以减少能量耗散,是棉花适应淹水胁迫最主要的途径,也是其他途径的基础;逃避途径包括了伸长生长、不定根以及通气组织的产生;自我调节补偿途径则是当淹水胁迫解除后,棉株充分利用自身无限生长习性和补偿调节能力,加快生长发育、开花结铃,弥补淹水胁迫伤害后的损失。通过遗传改良或农艺措施改善这些途径,当能增强棉花适应淹水胁迫的能力,减轻灾害损失。综上,本文探明了棉花对不同生育期淹水胁迫差异响应,揭示了其生理学机制;总结提出了棉花适应淹水胁迫的3条途径,为遗传改良选育耐涝品种和制定抗涝防灾技术措施提供了重要指导和参考。