低溫脅迫對(duì)高粱幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

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(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所,高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 晉中 030600)

高粱是我國(guó)北方主要旱作農(nóng)作物之一 ,其生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量除了受到遺傳因素影響外，也受到多種自然因素制約。低溫影響是高粱減產(chǎn)的主要因素之一，高粱播種正值北方早春時(shí)節(jié)，生長(zhǎng)初期常會(huì)受到氣溫低下的影響，出現(xiàn)不良生長(zhǎng)現(xiàn)象如苗弱、植株矮小，生長(zhǎng)發(fā)育緩慢、甚至抑制生長(zhǎng)及植株死亡的情況，低溫?fù)p傷成為嚴(yán)重影響高粱生產(chǎn)的原因之一[1-2]。

近年來，逆境生理專家學(xué)者關(guān)于玉米、水稻、棉花等作物在低溫脅迫下其生理機(jī)制的響應(yīng)做了大量研究[3-6]。研究結(jié)果顯示，葉綠素?zé)晒鈪?shù)一定程度上可以作為反映作物低溫脅迫狀態(tài)的指示標(biāo)志。監(jiān)測(cè)葉綠素?zé)晒馓匦钥梢钥焖俚牧私庥嘘P(guān)光合作用能量捕獲及電子傳遞等諸多方面的情況，同時(shí)，在一定程度上反映光合系統(tǒng)“內(nèi)在性”特點(diǎn)[7]，且測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)的方法簡(jiǎn)便，對(duì)于植物又無損傷。葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以作為內(nèi)在探針研究植物光合作用與環(huán)境關(guān)系，因而，利用測(cè)定葉綠素?zé)晒馓匦越沂灸婢成砻{迫對(duì)植物光合作用影響[7-8]的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域。在高粱逆境生理脅迫研究領(lǐng)域中，關(guān)于鹽脅迫、水分脅迫等逆境條件下高粱葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化前人已有研究[10-11]，然而，低溫脅迫對(duì)高粱苗期葉片的葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊戸r見報(bào)道。

本研究以2個(gè)高粱雜交種為試驗(yàn)材料，進(jìn)行苗期低溫逆境脅迫處理，以高粱幼苗葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)特征為研究契機(jī)，觀察高粱幼株葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化規(guī)律，探討葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制。旨在明確高粱苗期幼株的耐低溫生理機(jī)制，揭示幼苗熒光葉綠素參數(shù)與低溫逆境脅迫的關(guān)系，為高粱耐冷生理機(jī)制的深入研究及耐低溫高粱品種的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料選用2個(gè)高粱雜交種：晉雜12號(hào)和晉中405，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽播種，花盆裝土3 kg，每盆留苗10株。植株7片葉時(shí), 挑選長(zhǎng)勢(shì)良好、大小一致的植株，移入智能型人工氣候箱進(jìn)行低溫處理(光照時(shí)間設(shè)為08：00—17：00時(shí)，光照強(qiáng)度為 120μmol/(m·s)，相對(duì)濕度保持在 80%～85%之間，幼苗在氣候箱內(nèi)晝/夜溫度為14 ℃/5 ℃,保持該溫度為處理溫度)。設(shè)置6個(gè)處理，分別為ck(自然生長(zhǎng)為對(duì)照)，2，4，6，8，10 d低溫脅迫處理，3次重復(fù)，6個(gè)處理分別采樣進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。

1.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定方法

采用OS 5 p調(diào)制型葉綠素?zé)晒鈨x(北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司生產(chǎn))測(cè)定葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)。采樣時(shí)選擇高粱幼苗上數(shù)第 2 片完全展開葉，每個(gè)處理測(cè)定3片葉。測(cè)定前首先將葉片暗適應(yīng) 30 min，然后再進(jìn)行光適應(yīng)測(cè)定。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)值：最大光化學(xué)效率Fv/Fm；原初光能轉(zhuǎn)換效率Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm；PSⅡ潛在活性Fv/F0=(Fm-F0)/F0；光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)qP=(Fm'-Ft)/(Fm'-F0')；非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)NPQ=1-(Fm'-F0')/ (Fm-F0)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與方法

采用 DPS 10.05軟件[8]和Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對(duì)高粱幼苗葉片初始熒光(F0)的影響

初始熒光(F0)反映了逆境對(duì)植物葉片 PSⅡ永久性傷害程度。遇冷F0呈升高趨勢(shì)是PSⅡ中心遭到破壞的反映，而非消耗化學(xué)能量造成的[12]。

不同天數(shù)低溫脅迫處理結(jié)果(圖1)表明，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)0呈顯著上升趨勢(shì)。晉雜12號(hào)在低溫脅迫4，6，8，10 d處理與對(duì)照差異極顯著(p<0.01)，10 d低溫脅迫處理F0比對(duì)照升高46.33%，PSⅡ中心嚴(yán)重破壞，晉中405在低溫脅迫6，8，10 d處理時(shí)與對(duì)照差異顯著(p<0.05)，與晉雜12號(hào)相比，在低溫脅迫下晉中405 幼苗葉片的F0遇冷不敏感。

2.2 低溫脅迫對(duì)高粱幼苗葉片(Fv/F0)、(Fv/Fm)的影響

最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)也稱為最大PSⅡ的光能轉(zhuǎn)換效率[13-14]，在一定程度上表示PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)光能轉(zhuǎn)換效率。Fv/F0反映PSⅡ的潛在活性。由圖2和圖3可見，參試高粱隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，幼苗葉片F(xiàn)v/F0和Fv/Fm與對(duì)照相比均呈較明顯的下降趨勢(shì)，低溫脅迫處理2，4，6 d，F(xiàn)v/F0和Fv/Fm下降緩慢，當(dāng)?shù)蜏孛{迫時(shí)間延長(zhǎng)到8，10 d時(shí)就開始較為迅速的下降，幼苗葉片F(xiàn)v/F0、Fv/Fm與對(duì)照相比差異極顯著。晉雜12號(hào)和晉中405低溫脅迫處理10 d的幼苗葉片F(xiàn)v/F0分別比對(duì)照降低11%、55%，F(xiàn)v/Fm分別比對(duì)照降低21.68%、23.70%，試驗(yàn)結(jié)果顯示，遇冷脅迫減弱了高粱幼苗葉片 PSⅡ的潛在活性和原初光能轉(zhuǎn)化效率，從而抑制高粱幼苗葉片的PSⅡ 反應(yīng)中心活性，破壞完整植物葉片光合器官的生理狀態(tài)。

圖2 低溫對(duì)高粱幼苗Fv/F0的影響

圖3 低溫對(duì)高粱幼苗Fv/Fm的影響

2.3 低溫脅迫對(duì)高粱幼苗葉片光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)的影響

光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)反映了 PSⅡ的電子傳遞活性和 QA 的還原狀態(tài)[13,15]。由圖4可見，苗期高粱幼株葉片的qP隨著低溫脅迫處理天數(shù)的延長(zhǎng)而呈明顯下降趨勢(shì)，且各低溫脅迫處理的qP低于對(duì)照，晉中405高粱幼苗低溫脅迫處理后的qP與對(duì)照在p<0.05水平達(dá)到差異顯著；10 d低溫脅迫處理，晉雜12號(hào)和晉中405的(qP)分別比對(duì)照下降46.33%、50.31%，表明植物吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)部分的能量減弱。

非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)是植物對(duì)光合機(jī)構(gòu)的自我保護(hù)生理機(jī)制過程中不能用于光合電子傳遞， PSⅡ天線色素以熱形式耗散掉的光能部分[13,18]。由圖 5可以看出，高粱幼苗葉片的NPQ 隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈先上升后下降的趨勢(shì),在低溫脅迫 4 d 時(shí)非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)達(dá)到最高，晉雜12號(hào)和晉中405分別比對(duì)照升高19.55%、14.77%。低溫脅迫處理對(duì)高粱幼苗NPQ存在一定程度影響， 此結(jié)果反映了高粱幼苗能夠通過適當(dāng)增加熱耗散來保護(hù) PSⅡ免受傷害或減輕傷害。但低溫脅迫6 d以上時(shí)高粱幼苗葉片NPQ呈下降趨勢(shì)，表明低溫脅迫處理延長(zhǎng)天數(shù)會(huì)抑制 PSⅡ的熱耗散。

圖4 低溫對(duì)高粱幼苗qP的影響

圖5 低溫對(duì)高粱幼苗NPQ的影響

3 結(jié)論與討論

光合作用過程可以敏感地響應(yīng)植物對(duì)逆境的表現(xiàn)，因此監(jiān)測(cè)逆境脅迫條件下葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的變化可以一定程度上了解逆境光合生理機(jī)理。張守仁[13]、白志英等[14]、杜堯東等[15]研究報(bào)道表明，逆境脅迫可以導(dǎo)致F0的上升。本研究結(jié)果表明，低溫脅迫條件誘導(dǎo)高粱葉片的F0明顯升高，該結(jié)果與陳梅等[18]研究一致。初始熒光F0反映 PSⅡ中心捕光天線能力，同時(shí)與之反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)。低溫脅迫下F0上升的光合生理機(jī)制除了PSⅡ反應(yīng)中心失活外，還有捕光天線和PSⅡ反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，阻礙了捕光天線到反應(yīng)中心之間的能量傳遞[18]。

Fv/Fm表示PSⅡ反應(yīng)中心處于開放狀態(tài)時(shí)的量子產(chǎn)量，稱作 PSⅡ反應(yīng)中心潛在光能轉(zhuǎn)化效率。自然條件下正常生長(zhǎng)的植物Fv/Fm值通常為0.8，當(dāng)植物受到極度自然條件(例如干旱[14]、極端溫度[15-16]和鹽脅迫[17]等)逆境脅迫時(shí)，植株葉片F(xiàn)v/Fm值會(huì)不同程度下降。因此，F(xiàn)v/Fm值可以作為逆境生理研究的重要指示性參數(shù)。

qP值一定程度表示PSⅡ電子傳遞活性，是天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的量。研究表明，在極度自然條件或環(huán)境脅迫下，植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)會(huì)產(chǎn)生明顯變化，通常是最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)呈下降趨勢(shì)[14-17]。本研究中，隨著低溫脅迫處理的時(shí)間延長(zhǎng)，高粱幼苗葉片F(xiàn)v/F0、Fv/Fm、qP均呈下降的變化趨勢(shì)，該結(jié)果與李平等[5]的研究表現(xiàn)一致。

王藝陶等[10]、孫璐等[11]研究證明，非光化學(xué)淬滅(NPQ)可作為檢測(cè)高粱早期逆境脅迫的參數(shù)。植物在逆境脅迫條件下PSⅡ反應(yīng)中心利用光能的效率降低，如果不能及時(shí)耗散過量的光能，將造成光合機(jī)構(gòu)失活或破壞，因此植物通過不斷增加的NPQ來形成自我保護(hù)機(jī)制[18]。

研究表明，短時(shí)間的低溫脅迫可以刺激NPQ升高，說明幼苗葉片一定程度上能通過增加熱耗散來減輕低溫脅迫對(duì)PSⅡ的傷害；然而，植物幼苗處于長(zhǎng)時(shí)間低溫脅迫時(shí)，NPQ呈下降趨勢(shì)[18,20]。NPQ對(duì)逆境脅迫的如此反映，有研究解釋與葉黃素循環(huán)相關(guān)，長(zhǎng)時(shí)間極端低溫抑制葉黃素循環(huán)的關(guān)鍵酶活性而導(dǎo)致 NPQ的下降。

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，低溫脅迫高粱幼株的非光化學(xué)猝滅(NPQ)呈先上升后顯著下降趨勢(shì)，在低溫處理 4 d 時(shí)NPQ達(dá)到最高；低溫處理6 d以上，NPQ表現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)，此時(shí)PSⅡ反應(yīng)中心開放度減小，光合電子傳遞活性減弱。當(dāng)植物受到非生物脅迫時(shí)，直接或者間接地影響葉片的光合特性并改變?nèi)~綠素?zé)晒馓匦?，這與陳梅等[18]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

長(zhǎng)時(shí)間低溫脅迫對(duì)高粱幼苗重要的光合機(jī)構(gòu)會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害，也會(huì)影響植物體內(nèi)的一些自我保護(hù)機(jī)制和調(diào)節(jié)機(jī)能喪失，低溫傷害甚至不可逆，從而影響到高粱的產(chǎn)量和品質(zhì)。本試驗(yàn)主要研究了長(zhǎng)時(shí)間低溫脅迫對(duì)高粱幼苗的葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化規(guī)律，而對(duì)短期不同低溫脅迫高粱幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化規(guī)律和耐低溫機(jī)制的研究還有待深入。

綜上所述，隨著低溫脅迫處理天數(shù)增加，植株葉綠素?zé)晒馓匦詼p弱，高粱幼株葉片的Fv/F0、Fv/Fm和qP降幅越大，減弱了PSⅡ天線色素對(duì)光能的捕獲效率，導(dǎo)致葉片所吸收的光能不能充分地用于光合作用，降低了PSⅡ光化學(xué)的最大效率。因此，葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以作為篩選高粱耐冷品種的重要指標(biāo)。通過監(jiān)測(cè)葉綠素?zé)晒馓匦?，加速耐冷品種的鑒定和選育工作。