Responses of Chlorophyll Fluorescence in Two Somaclone Mutants of <i>Dendrocalamus farinosus</i> under Low Temperature Stress

ZHANG Li; CHEN Hong; WANG Zhun; LONG Zhijian; SUN Peng; HU Shanglian

doi:10.12172/202007190001

Volume 42 Issue 1

Feb. 2021

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Zhang L, Chen H, Wang Z, et al. Responses of chlorophyll fluorescence in two somaclone mutants of Dendrocalamus farinosus under low temperature stress[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2021, 42(1): 91−95 doi: 10.12172/202007190001

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Zhang L, Chen H, Wang Z, et al. Responses of chlorophyll fluorescence in two somaclone mutants of Dendrocalamus farinosus under low temperature stress[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2021, 42(1): 91−95 doi: 10.12172/202007190001

Responses of Chlorophyll Fluorescence in Two Somaclone Mutants of Dendrocalamus farinosus under Low Temperature Stress

doi: 10.12172/202007190001

ZHANG Li^{1, 3
,},
CHEN Hong²,
WANG Zhun¹,
LONG Zhijian³,
SUN Peng¹,
HU Shanglian^{3
,
,}

More Information

1.
Sichuan Academy of Forestry Sciences, Chengdu 610081, China
2.
Luzhou Academy of Forestry Sciences, Luzhou 646000, China
3.
Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China

Corresponding author: hushanglian@126.com
Received Date: 2020-07-19
Available Online: 2020-12-21
Publish Date: 2021-02-04

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 (Y_II) 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.
- Dendrocalamus farinosus;
- Mutant plant;
- Low temperature stress;
- Chlorophyll fluorescence;
- Cold tolerance

References

[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.

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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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（Y_Ⅱ）、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。

1. 材料与方法

1.1. 试验材料及预处理

梁山慈竹体细胞突变体植株No.101-1b和No.101-1c为2009年8月对梁山慈竹成熟胚离体诱导愈伤组织，再经过化学诱变获得^[7]，同期生长的梁山慈竹实生植株（CK）由西南科技大学生命科院植物细胞工程实验室提供。No.101-1b和No.101-1c植株和实生植株扩繁的后代于2012年4月移栽西南科技大学生命科学与工程学院资源圃。取自然环境下长势良好且一致的1年生No.101-1b、No.101-1c和CK植株在直径30 cm、高35 cm的陶瓷盆中培育。在低温胁迫处理前，将各品系植株在11月室外（昼夜平均温度为15 ℃/8 ℃）的自然条件下冷驯化26 d。

1.2. 叶绿素荧光参数测定

先将各植株在室温15 ℃暗环境下放置20 min，保持黑暗条件，用Imaging-PAM调制叶绿素荧光成像仪（德国Walz公司）测定顶端起第一枝条、枝稍起第3片完全展开成熟叶的叶绿素荧光参数Fv/Fm、Y_Ⅱ、NPQ、qP，再将植株置于遮光的GDW型高低温试验箱（升降温速率0.70 ℃·min⁻¹~1.00 ℃·min⁻¹）内，设置4 ℃、0 ℃、−5 ℃、−10 ℃、−15 ℃等温度梯度，在每一温度各处理90 min后于暗环境下依次测量上述4项叶绿素荧光参数直至植株失去生命体征（表现为NPQ及qP趋近为0），以CK为对照。每组3次重复，测量光强度PAR为81·μmol·m⁻²·s⁻¹。

1.3. 数据分析

采用SPSS19.0统计分析软件（SPSS Inc., USA）对叶绿素荧光参数进行两因素方差分析，分别检验温度、品系主效应和两者间交互效应。对同一品系不同温度、同一温度不同品系的叶绿素荧光参数分别进行单因子方差分析（One-way ANOVA），最小显著差数法（LSD法）进行多重比较。显著水平α定为0.05。Excel 2007制表并作图。

3. 讨论

低温会抑制光系统Ⅱ的活性，使其光能捕捉能力与光化学转化效率降低、热耗散比例增高、反应中心的开放率下降，甚至对光合结构产生不可逆的破坏，从而使叶绿素荧光参数发生变化^[14-15]。本研究中2个体细胞突变体植株的Fv/Fm、Y_Ⅱ和qP的值大多随着低温胁迫的加剧而降低，也说明植物光系统Ⅱ反应中心开放率受到影响，实际光合效率和光合活性均受到明显抑制^[16-18]。NPQ的值随着低温胁迫的加剧而增大，说明植物通过热耗散消耗多余热量来抵御过剩光能伤害，使光合作用能量达到新的平衡来适应胁迫环境^[15][18]。对比突变体植株No.101-1b和实生植株CK，突变体植株No.101-1c的各项叶绿素荧光参数都表现出较强的生态适应性和耐寒性，表明叶绿素荧光参数可作为低温胁迫时竹类植物受伤情况和抗冻能力的鉴定指标^[19]，也是遗传育种筛选耐寒品系的有效手段。

经历春冬季低温后，气温逐渐回暖，部分耐寒植物能重新恢复生机，所以研究解除低温胁迫后植物叶绿素荧光参数的响应同样是筛选耐寒植物方法之一。温度逐步恢复后，部分光合功能失活的竹类植物可呈现两种状态：一种发生可逆失活，光抑制迅速恢复，这可能是反应中心部分失活所致。一种发生不可逆失活，完全没有恢复迹象，表明低温胁迫严重破坏了反应中心^[20-21]。此外，高温胁迫会破坏竹类植物的光系统，表现为光系统Ⅱ反应中心的失活、Fv/Fm降低、捕光叶绿素ab蛋白复合物降解等^[22]。由此，低温胁迫后的梁山慈竹体细胞突变植株的恢复，以及高温胁迫对体细胞突变植株生存适应影响等方面，有待进一步研究。

近年来，我国已成为世界上竹浆产量和使用量最大的国家，竹浆也成为我国竹产业新的重要经济生长点，对我国生态保护、乡村振兴、农民增收、产业安全保障都具有深刻的影响^[23]。本研究已初筛出梁山慈竹体细胞突变体植株No.101-1c具有较强的耐寒性能，但其在纤维素含量、木质素含量、纤维形态、适地引种、高产稳产等方面还需要进一步探索，以期为西南地区浆用竹原料基地的优存量、促增量建设提供竹种选用的科学依据。

Reference (23)

[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.