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植物光合作用对低温胁迫非常敏感,低温胁迫可引起光合效率的降低,从而影响植物的生长、产量和抗性[1]。叶绿素荧光具有迅速、灵敏、定量测定、无破坏、少干扰的特点,是光合作用能量转换的探针[2],能真实反映植物叶片光合效应及环境因子对光合作用的影响和热耗散情况,是判断植物生长状况和抗逆性强弱的重要方法[3-5]。通过监测对光抑制反应较明显的叶绿体荧光参数最大光化学效率(Fv/Fm)、光系统Ⅱ有效光量子产量(YⅡ)、非光化学猝灭系数(NPQ)和光化学淬灭系数(qP)的变化,有助于分析光合机构受低温影响的程度。
梁山慈竹(Dendrocalamus farinosus)是我国西南地区的主要丛生竹种,纤维质量较高,是优良的造纸原料。但该竹种耐寒性不强,春冬季低温影响其产量和分布,创制并选育耐寒品系是提高浆用竹林资源存量与增量的科技途径之一。离体和化学诱变获得的体细胞突变体是改良物种,拓宽其遗传资源的有效技术手段[6]。胡尚连等[7]以梁山慈竹种子成熟胚为材料,进行愈伤组织的诱导与突变体系的建立,通过离体和化学诱变获得了一批梁山慈竹体细胞突变体植株。在该成果的基础上,本研究以冷驯化的2种梁山慈竹突变体植株和对照实生植株为材料,研究其在短期系列低温胁迫后的叶绿素荧光参数变化,以期为耐寒梁山慈竹新品系的筛选提供理论依据。
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在系列低温胁迫下,2个体细胞突变体植株的存活情况不尽相同。表1显示,对照CK在−5 ℃胁迫下死亡(胁迫后NPQ及qP趋近为0),而突变体No.101-1b和No.101-1c在-15 ℃胁迫下死亡。
表 1 梁山慈竹实生植株和体细胞突变体植株在不同低温胁迫下的存活情况
Table 1. Survival of seedling plants and somatic mutant plants of Dendrocalamus farinosus under low temperature stress
品系
strain温度temperature/℃ 15/8 4 0 −5 −10 −15 CK + + + − − − No.101-1b + + + + + − No.101-1c + + + + + − 注:+表示植株均存活,−表示植株均死亡
Notes: The symbol + means that all the plants are alive, while the symbol − means that all the plants are dead -
植物可变荧光Fv与最大荧光Fm的比值Fv/Fm能够良好地反映光合色素把捕获的光能转化为化学能的速度和效率[8]。当植物处于逆境或受伤害时Fv/Fm值会明显降低,意味着光合作用受到抑制[9-10]。由图1可以看出,15/8 ℃时对照CK和突变体No.101-1b的Fv/Fm值差异不显著,突变体No.101-1c的Fv/Fm值比前两者更低,差异显著。但CK的Fv/Fm值在4 ℃和0 ℃下相对于15/8 ℃剧烈下降,平均降幅达33.54%,且经–5 ℃低温胁迫后死亡。No.101-1b的平均下降幅度比CK小,为19.53%,且经过4 ℃、0 ℃、–5 ℃、–10 ℃ 4个梯度胁迫,直到−15 ℃胁迫后死亡。No.101-1c经5个梯度低温胁迫后也出现死亡,但平均降幅仅为4.03%,且在4 ℃时Fv/Fm值降低后,从0 ℃起出现回升趋势,表现出较好的耐寒性。
图 1 梁山慈竹实生植株和体细胞突变体植株在不同低温胁迫下Fv/Fm的变化
Figure 1. Changes of Fv/Fm values in Dendrocalamus farinosus seedling plants and somatic mutant plants under different low temperature stress
双因子方差分析结果表明,品系和温度都对Fv/Fm值有极显著影响,且因温度降低而变化的Fv/Fm值在不同品系间有极显著差异(P值均小于0.01)。
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YⅡ值代表光系统Ⅱ的实际量子产量,它反映了植物的实际光合效率。低温胁迫下YⅡ值降低越缓慢的植株碳源积累的效率越高,将光抑制降到最低的能力越强[11]。由图2可知,15/8 ℃时对照CK、突变体No.101-1b和突变体No.101-1c的YⅡ值有显著差异,No.101-1c>No.101-1b>CK。4 ℃起CK的YⅡ值经低温胁迫后迅速下降(–5 ℃及以下的低温已造成植株全部死亡而无数据),平均降幅达67.46%。No.101-1b的YⅡ值随温度降低也明显下降,但整体上比CK下降平缓,平均降幅46.35%。No.101-1c的YⅡ值平均降幅23.17%,且0 ℃~–5 ℃范围内的YⅡ值相对于4 ℃时升高,直到–10 ℃下回落,说明其具有较高的碳源积累效率,更有利于维持光合能力。
图 2 梁山慈竹实生植株和体细胞突变体植株在不同低温胁迫下YⅡ的变化
Figure 2. Changes of YⅡ values in Dendrocalamus farinosus seedling plants and somatic mutant plants under different low temperature stress
双因子方差分析结果表明,品系和温度都对YⅡ值有极显著影响,且因温度降低而变化的YⅡ值在不同品系间有极显著差异(P值均小于0.01)。
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NPQ是包括热耗散及其他能量耗散过程在内的非光化学猝灭系数,它反映了植物耗散过剩光能的能力,暗示植物已启动了光保护反应以避免过量光伤害[12]。从图3可以看出,15/8 ℃时对照CK、突变体No.101-1b和突变体No.101-1c的NPQ值有显著差异,CK>No.101-1c>No.101-1b。4 ℃时,CK、No.101-1b和No.101-1c的NPQ值均显著升高,分别升高52.67%、109.43%、89.27%,0 ℃时CK相对于15/8 ℃无明显变化,而突变体No.101-1b和No.101-1c仍保持上升规律,分别比15/8 ℃升高99.62%和95.16%,这说明CK在低温胁迫下保护自身的能力较低,No.101-1b和No.101-1c较高。
图 3 梁山慈竹实生植株和体细胞突变体植株在不同低温胁迫下NPQ的变化
Figure 3. Changes of NPQ values in Dendrocalamus farinosus seedling plants and somatic mutant plants under different low temperature stress
双因子方差分析及交互检验结果表明,品系和温度都对NPQ值有极显著影响,且因温度降低而变化的NPQ值在不同品系间有极显著差异(P值均小于0.01)。
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由光合作用引起的荧光淬灭称为光化学淬灭qP,它反映了植物光合活性的大小。高qP值可以加速推动光合电子传递能力,促进光合效率增长[13]。由图4可知,15/8 ℃时对照CK、突变体No.101-1b和突变体No.101-1c的qP值有显著差异,No.101-1c> CK > No.101-1b。之后,梁山慈竹各品系植株在低温胁迫后的qP值均下降,显著低于15/8 ℃。4 ℃下qP降幅排序为No.101-1c> CK> No.101-1b(分别为35.93%、20.97%、10.77%),而0 ℃时各品系植株的qP值与15/8 ℃时相比,CK降幅最大(66.93%),突变体No.101-1b和No.101-1c降幅依次减小(分别为58.61%、42.91%)。−5 ℃和−10 ℃下,No.101-1b相对15/8 ℃的qP值降幅一直大于No.101-1c。qP平均值方面,如果已死亡植株的qP值按0计,那么经低温胁迫后No.101-1c的qP平均值最高,No.101-1b居中,CK最小。
图 4 梁山慈竹实生植株和体细胞突变体植株在不同低温胁迫下qP的变化
Figure 4. Changes of qP values in Dendrocalamus farinosus seedling plants and somatic mutant plants under different low temperature stress
双因子方差分析及交互检验结果表明,品系和温度都对qP值有极显著影响,且因温度降低而变化的qP值在不同品系间有极显著差异(P值均小于0.01)。
Responses of Chlorophyll Fluorescence in Two Somaclone Mutants of Dendrocalamus farinosus under Low Temperature Stress
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摘要: 以冷驯化的两种梁山慈竹(Dendrocalamus farinosus)体细胞突变体植株及梁山慈竹实生植株为材料,研究了梯度降温处理(依次为4、0、−5、−10和−15 ℃)对其叶绿素荧光参数的影响。结果表明,实生植株在−5 ℃胁迫下死亡,而突变体植株No.101-1b和No.101-1c直到−15 ℃胁迫下才出现死亡。低温胁迫后,突变体植株和实生植株的最大光化学效率(Fv/Fm)、光系统Ⅱ有效光量子产量(YⅡ)和光化学淬灭系数(qP)均有降低,下降幅度排序为实生植株>No.101-1b>No.101-1c。非光化学猝灭系数(NPQ)显著高于胁迫前,以No.101-1c表现最为突出。品系和温度2个因素及两者交互作用对叶绿素荧光的影响均达到显著水平。总结得出,突变体植株No.101-1c具有较高的耐寒性,本研究可为耐寒梁山慈竹体细胞突变体植株的筛选提供科学依据。Abstract: The cold tolerance of three Dendrocalamus farinosus strains (seedling plant and two somaclone mutants) which have been cold-acclimated were compared in terms of their chlorophyll fluorescence responses. The cultivation temperature was set at 4, 0, −5 and −10 ℃ in turn and each temperature was kept for 90 minutes. The results showed that the seedling plants died under the stress of −5 °C, while the mutant plants No. 101-1b and No. 101-1c survived at 0 °Cand died under the stress of −15 °C. The ratio of variable fluorescence to maximum fluorescence (Fv / Fm), effective photon yield of optical system II (YII) and photochemical quenching coefficient (qP) values were generally decreased in all Dendrocalamus farinosus strains after exposed to low temperature stress, and the descending order was seedling plants > No.101-1b > No.101-1c. Comparatively, the non-photochemical quenching coefficient (NPQ) values of low-temperature-treated plants were mostly higher than those before stress, especially No.101-1c. The effects of two factors (strain and temperature) and their interaction effect on chlorophyll fluorescence parameters were all significant. It is concluded that the mutant No. 101-1c was the most cold-resistant species. The present study can provide scientific basis for screening cold-tolerant somatic mutants of Dendrocalamus farinosus.
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图 1 梁山慈竹实生植株和体细胞突变体植株在不同低温胁迫下Fv/Fm的变化
注:Pstr, Ptem, Pstr×tem分别代表双因子方差分析所得品系效应、温度效应和两者间交互效应。图柱上大写字母表示同一品系下温度间Fv/Fm值的差异,小写字母表示同一温度下品系间Fv/Fm值的差异。图中*号表示该温度下植株已死亡,无数据。下同
Fig. 1 Changes of Fv/Fm values in Dendrocalamus farinosus seedling plants and somatic mutant plants under different low temperature stress
Notes: Pstr, Ptem, Pstr×tem represent the strain effect, temperature effect and their interaction effect respectively. Uppercase letters on the column indicate the difference between different temperatures with regard to a same strain, and lowercase letters indicate the difference between different strains with regard to a same temperature. The symbol * means that no plants survived at the corresponding temperature, and thus there was no data. The same as below
表 1 梁山慈竹实生植株和体细胞突变体植株在不同低温胁迫下的存活情况
Tab. 1 Survival of seedling plants and somatic mutant plants of Dendrocalamus farinosus under low temperature stress
品系
strain温度temperature/℃ 15/8 4 0 −5 −10 −15 CK + + + − − − No.101-1b + + + + + − No.101-1c + + + + + − 注:+表示植株均存活,−表示植株均死亡
Notes: The symbol + means that all the plants are alive, while the symbol − means that all the plants are dead -
[1] 陈贻竹,李晓萍,夏丽,等. 叶绿素荧光技术在植物环境胁迫研究中的应用[J]. 热带亚热带植物学报,1995,3(4):79−86. [2] 冯涛,刘纪凤. 叶绿素荧光分析在研究植物光抑制中的应用[J]. 现代农业科技,2013,6:148−155. doi: 10.3969/j.issn.1007-5739.2013.01.092 [3] 巩擎柱,吕金印,徐炳成,等. 水分胁迫和种植方式对小麦叶绿素荧光参数及水分利用效率的影响[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版),2006,34(5):83−87. [4] 何炎红,郭连生,田有亮. 白刺叶不同水分状况下光合速率及其叶绿素荧光特性的研究[J]. 西北植物学报,2005,25(11):2226−2233. doi: 10.3321/j.issn:1000-4025.2005.11.016 [5] 吴敏,邓平,赵英,等. 喀斯特干旱环境对青冈栎叶片生长及叶绿素荧光动力学参数的影响[J]. 应用生态学报,2019,30(12):4071−4081. [6] 周振华,胡尚连,徐刚,等. 梁山慈竹体细胞突变体特性及分子水平变化[J]. 森林与环境学报,2015,35(1):67−73. [7] Hu S L, Zhou J Y, Cao Y, et al. In vitro callus induction and plant regeneration from mature seed embryo and young shoots in a giant sympodial bamboo, Dendrocalamus farinosus (Keng et Keng f.) Chia et HL Fung[J]. African Journal of Biotechnology, 2011, 10(16): 3120−3125. [8] 张守仁. 叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论[J]. 植物学通报,1999,16(4):444−448. [9] 许大全,张玉忠,张荣铣. 植物光合作用的光抑制[J]. 植物生理学通讯,1992,28(4):237−243. [10] Oliveira G, Penuelas J. Allocation of absorbed light energy into photochemistry and dissipation in a semi-deciduous and an evergreen Mediterranean woody species during winter[J]. Australian Journal of Plant Physiology, 2001, 28(6): 471−480. [11] 卜庆梅,柏新富,朱建军. 4种园林树木叶绿素荧光参数对脱水的响应及耐旱特性分析[J]. 林业科学,2011,47(10):37−43. doi: 10.11707/j.1001-7488.20111006 [12] 刘慧英,朱祝军,史庆华. 低温胁迫下嫁接对西瓜光合特性及叶绿素荧光参数影响的研究[J]. 石河子大学学报,2007,25(2):163−167. [13] 乔一娜, 李云鸽, 刘聘, 等. 10种观赏竹的光合特性及叶绿素荧光特性研究[J/OL]. 热带作物学报: 1−9 [2020-07-03]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/46.1019.S.20200302.1412.062.html. [14] 周蕴薇,刘艳萍,戴思兰. 用叶绿素荧光分析技术鉴定植物抗寒性的剖析[J]. 植物生理学通讯,2006,42(5):945−950. [15] 陈容,张丽,曹颖,等. 低温胁迫下梁山慈竹再生植株叶绿素荧光特性和耐寒转录因子的表达[J]. 南京林业大学学报(自然科学版),2014,38(4):39−44. [16] 崔波,程邵丽,袁秀云,等. 低温胁迫对白及光合作用及叶绿素荧光参数的影响[J]. 热带作物学报,2019,40(5):891−897. doi: 10.3969/j.issn.1000-2561.2019.05.009 [17] 王兰兰,李琦,宋晓卉,等. 环境条件对植物叶绿素荧光参数影响研究进展[J]. 沈阳师范大学学报(自然科学版),2019,37(4):362−367. [18] 刘莉娜,张卫强,黄芳芳,等. 盐胁迫对银叶树幼苗光合特性与叶绿素荧光参数的影响[J]. 森林与环境学报,2019,39(6):601−607. [19] 蔡纯,武荣花,范自川,等. 我国竹子抗寒性研究进展[J]. 河南农业科学,2015,44(5):13−17. [20] 郑蓉. 越冬期不同产地绿竹叶绿素荧光参数的动态变化[J]. 福建林学院学报,2012,32(1):28−32. doi: 10.3969/j.issn.1001-389X.2012.01.007 [21] 孙启祥. 竹子光抑制特征研究[D]. 中国林业科学研究院, 2005. [22] 田海涛. 3种经济竹种叶绿素荧光特性研究[D]. 浙江林学院, 2007. [23] 丁雨龙. 我国竹浆生产现状及发展前景[J]. 国土绿化,2019(11):11−12.