黃麗芳 李金芹 王曉陽(yáng) 董云萍 龍宇宙 段志強(qiáng) 陳婷 閆林
摘要:【目的】探索低溫逆境脅迫對(duì)咖啡幼苗光合及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響,為咖啡抗寒育種、引種栽培提供科學(xué)依據(jù)?!痉椒ā恳?種咖啡幼苗為材料在8℃下分別持續(xù)0、24、48、72h低溫脅迫試驗(yàn),觀察葉片的葉綠素含量、氣體交換參數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)等指標(biāo)的影響,利用隸屬函數(shù)對(duì)咖啡的抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?!窘Y(jié)果】(1)大粒種和小粒種咖啡幼苗隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),葉綠素含量先上升后下降,中粒種咖啡幼苗總體是下降趨勢(shì)。(2)3種咖啡幼苗的凈光合速率下降是由非氣孔因素導(dǎo)致的,凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率和氣孔限制值等光合參數(shù)在3種咖啡幼苗低溫處理間差異不顯著,處理和對(duì)照間差異顯著。(3)在葉綠素?zé)晒鈪?shù)方面,3種咖啡幼苗的初始熒光總體水平上均有所上升,表明其Psn中心遭到低溫脅迫的損傷程度較嚴(yán)重。非光化學(xué)猝滅系數(shù)呈先上升后下降趨勢(shì),Psn最大光化學(xué)效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)、表觀量子傳遞速率和實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量均下降,大粒種咖啡幼苗的下降幅度較中粒種和小粒種咖啡幼苗大,表明其葉片受低溫脅迫損傷程度大。采用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)判3種咖啡的抗寒能力,小粒種咖啡幼苗的平均隸屬度最高,表明其抗寒能力較強(qiáng),中粒種和大粒種咖啡幼苗的抗寒性則較弱?!窘Y(jié)論】綜合不同的光合及熒光指標(biāo),運(yùn)用隸屬函數(shù)法能較全面地評(píng)判咖啡幼苗的抗寒性,避免了單一指標(biāo)評(píng)判的片面性,其鑒定結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
關(guān)鍵詞:咖啡;低溫脅迫;光合作用;葉綠素?zé)晒鈪?shù);抗寒能力
中圖分類(lèi)號(hào):S 571.2
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1008-0384( 2020) 10-1063-08
0 引言
【研究意義】咖啡屬植物約有100多種,通常所指的咖啡分為阿拉比卡咖啡(C arabica Linne)(俗稱(chēng)小粒種咖啡)、甘弗拉咖啡(C.canephora Pierre)(俗稱(chēng)中粒種咖啡)、利比利卡咖啡(C.libericaBull ex Hiem)(俗稱(chēng)大粒種咖啡)[1-3]。中國(guó)咖啡主產(chǎn)區(qū)為海南、云南,但冬季常有低溫危害,通常限制了咖啡的開(kāi)花、坐果、引起咖啡顆粒過(guò)小、不飽滿、缺陷豆比例上升,影響咖啡的產(chǎn)量和品質(zhì)[4],嚴(yán)重的可導(dǎo)致植株的死亡,給咖啡生產(chǎn)帶來(lái)巨大損失,制約了我國(guó)咖啡產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2013-2014年采收季,咖啡種植面積最大的普洱市受災(zāi)2.43萬(wàn)hm2,經(jīng)濟(jì)損失巨大。低溫脅迫下作物光合能力的強(qiáng)弱可從光合指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等多方面反映[5]。光合作用是植物合成有機(jī)物和獲取能源的根本途徑,關(guān)系著植物的生長(zhǎng)狀況、品質(zhì)優(yōu)劣[6-7]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可在一定程度上反映環(huán)境因子的變化及其對(duì)植物光合生理產(chǎn)生的影響,已被廣泛應(yīng)用于植物光合機(jī)理和逆境生理等研究領(lǐng)域?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】在咖啡逆境生理方面,衛(wèi)新中等[8]通過(guò)外源ABA處理低溫脅迫下(4~5℃)整株和離體的小粒種咖啡葉片,表明了ABA與咖啡抗冷性密切相關(guān)。高敏等[9]研究了低溫霜凍天氣對(duì)咖啡杯品的影響,結(jié)果顯示霜凍前咖啡杯品平均得分高于霜凍后,寒害程度越重,咖啡杯品得分越低,品質(zhì)下降越多。郭玉華等[10]從光合特性方面探討了夜間低溫對(duì)小粒種咖啡和大粒種咖啡的影響,闡明了小粒種咖啡相對(duì)比較耐寒。這與其較強(qiáng)的非輻射耗散能力、較大的胡蘿卜素/葉綠素及較強(qiáng)的恢復(fù)能力有關(guān)。Ramalho等[11-12]研究了冷脅迫條件下不同基因型咖啡的礦物質(zhì)含量動(dòng)態(tài)變化,以及不同冷脅迫時(shí)期咖啡植株的氧化應(yīng)激反應(yīng)等。Fortunato等[13]以小粒種和中粒種以及2份雜交種的咖啡苗為材料,研究了在冷條件下抗氧化系統(tǒng)的生物化學(xué)及分子特性,結(jié)果表明,中小粒種雜交種的冷馴化能力最強(qiáng),小粒種次之。目前,對(duì)植物的抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)常采用隸屬函數(shù)法,已在烏菜[14]、梨[15]、怪柳[16]以及彩葉藤本植物[17]上進(jìn)行了研究?!颈狙芯壳腥它c(diǎn)】關(guān)于主栽的3種咖啡的抗寒性鑒定,低溫脅迫對(duì)咖啡幼苗光合及熒光特性的綜合評(píng)判鮮見(jiàn)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究采用人工低溫脅迫方法對(duì)3種咖啡材料進(jìn)行處理,測(cè)定光合及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化,采用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)其抗寒性,篩選抗寒性強(qiáng)的咖啡種質(zhì)材料,以期探明低溫脅迫下咖啡的光合特性,為咖啡抗寒選育種、引種栽培提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
供試材料來(lái)自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所,小粒種咖啡為云南省主栽品種卡蒂姆CIFC7963,中粒種咖啡為海南省主栽品種熱研4號(hào),大粒種咖啡為大韓。培養(yǎng)到苗齡10~11月,選取健康狀況良好、長(zhǎng)勢(shì)一致的植株轉(zhuǎn)移至人工氣候箱中進(jìn)行低溫處理。每種咖啡為1個(gè)處理,每個(gè)處理3株,重復(fù)3次。
1.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)設(shè)置8℃低溫脅迫,以O(shè)h為對(duì)照(CK),光照強(qiáng)度為200 μmol.m-2.s-1,時(shí)間設(shè)置為12 h/12 h,相對(duì)濕度保持70%左右。分別在低溫脅迫0、24、48、72 h時(shí)進(jìn)行光合和葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的測(cè)定。
葉綠素含量( Chl)測(cè)定:應(yīng)用SPAD儀進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定時(shí)選擇咖啡完全展開(kāi)的功能葉片的中部,于主脈兩側(cè)共讀取6個(gè)讀數(shù),每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定5個(gè)葉片,并計(jì)算平均值。
采用便捷式光合系統(tǒng)分析儀LI-6400( LI-COR,USA)測(cè)定各咖啡幼苗的第三或第四片完全展開(kāi)葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度( Ci)和氣孔導(dǎo)度(Gs)等指標(biāo),并計(jì)算水分利用效率( WUE)和氣孔限制值(Ls),WUE=Pn/Tr,Ls=1-Ci/Ca。測(cè)定條件:溫度為測(cè)定時(shí)幼苗所處溫度,光強(qiáng)度1 000 μmol.m-2s-1,流速為500 μmol.s-1,CO2氣體由小鋼瓶提供,控制濃度為400 μmol.mol-1,每個(gè)處理分別測(cè)定3次。
葉綠素?zé)晒鈪?shù):采用熒光葉室6400-40測(cè)定不同梯度處理的咖啡幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測(cè)定光化光強(qiáng)度為188 μmol.m-2s-1,強(qiáng)飽和脈沖光強(qiáng)度為2 400 μmol.m-2s-1,脈沖光時(shí)間為0.8 s。測(cè)定前先將葉片暗適應(yīng)20~30 min,后測(cè)定初始熒光(Fo)、PSII最大光化學(xué)效率(FJFm);光適應(yīng)下PSII實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(φPSII)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)、光化學(xué)猝滅系數(shù)( qP)和電子傳遞速率(ETR),每個(gè)處理分別測(cè)定3次。
咖啡耐寒性綜合評(píng)價(jià)參考劉杜玲等[18]的方法,抗寒系數(shù)=(低溫脅迫后72 h指標(biāo)測(cè)定值/對(duì)照指標(biāo)測(cè)定值)×100%。
采用模糊綜合評(píng)判方法中的隸屬度公式,綜合評(píng)價(jià)不同咖啡的耐寒性。參照陳明輝等[19]的方法,計(jì)算隸屬函數(shù)值和平均隸屬度。與耐寒性呈正相關(guān)的指標(biāo)用公式(1)計(jì)算,與耐寒性呈負(fù)相關(guān)指標(biāo)的用反隸屬函數(shù)公式(2)計(jì)算:
在所有參試材料中的最小值和最大值。隸屬函數(shù)平均值越大,則耐寒性越強(qiáng)。
1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的均值,采用Excel 2007和SPSS25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用LSD檢驗(yàn)(a=0.05)進(jìn)行顯著性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1低溫脅迫對(duì)咖啡葉片葉綠素含量和光合參數(shù)的影響
由表1可知,大粒種和小粒種咖啡隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),葉綠素( Chl)含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);大粒種和中粒種咖啡Chl含量在各處理間的差異不顯著(P>0.05),小粒種咖啡各處理間差異達(dá)顯著冰平(P<0.05),48h比CK上升了28.72%。不同咖啡品種在8℃低溫脅迫過(guò)程中Chl含量的變化程度不同。
3個(gè)品種在低溫脅迫過(guò)程中,處理組的光合速率( Pn)與CK的差異達(dá)到顯著水平,大粒種和中粒種咖啡處理間差異不顯著,小粒種咖啡處理72 h時(shí)與CK和24 h處理差異達(dá)顯著水平(P<0.05),比CK下降了97.54%;3種咖啡的Tr、WUE、Ls和Gs幾乎都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),大粒種咖啡的Tr和WUE各處理間差異不顯著(P>0.05),中粒種和小粒種咖啡的Tr含量和WUE含量均在72 h時(shí)相對(duì)顯著于CK處理,小粒種咖啡的Tr和WUE降幅最大,比CK下降了82.33%和86.60%;3種咖啡的Ls在低溫脅迫3個(gè)處理間的差異均不顯著,只有中粒種咖啡的CK與各處理達(dá)到顯著差異水平(P<0.05);大粒種咖啡的Gs含量72 h時(shí)降到最小值,與CK相比,下降了80%。3種咖啡的胞間C02濃度(Ci)均呈上升的趨勢(shì),低溫處理72 h與CK差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。
2.2 低溫脅迫對(duì)咖啡葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
由表2可知,在低溫脅迫過(guò)程中,大粒、中粒和小粒種咖啡的初始熒光(Fo)含量呈先上升后下降的趨勢(shì),在48 h時(shí)達(dá)到最大值,分別比對(duì)照上升了19.59%、17.03%和8.26%,且Fo均未達(dá)到顯著狀態(tài)(P<0.05)。各供試材料在低溫脅迫后的FJFm、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、表觀量子傳遞速率(ETR)和PSII實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(φPSII)均下降,且隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),下降幅度均增大,大粒種4個(gè)指標(biāo)的降幅都為最大值,達(dá)到31.08%、88.68%、85.77%和88.24%。3種咖啡低溫處理24、48、72 h的qP、ETR和φPSII與CK差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),小粒種咖啡的Fv/Fm在低溫脅迫72 h時(shí)與前面3個(gè)處理的差異迭到顯著水平。大粒種和小粒種咖啡的非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì),小粒種咖啡處理24 h和48 h與CK相比達(dá)到顯著水平(P<0.05),72h與CK差異不顯著。
2.3不同種咖啡各單項(xiàng)指標(biāo)的抗寒系數(shù)
由表3各單項(xiàng)指標(biāo)的抗寒系數(shù)可看出,不同咖啡幼苗抗寒系數(shù)值所反映的抗寒性不同。3種咖啡幼苗經(jīng)過(guò)8℃低溫脅迫72 h時(shí),與CK組相比,各指標(biāo)在低溫脅迫后均有不同程度的變化,大粒種咖啡的Chl、Pn和Ls抗寒系數(shù)為最大值,中粒種咖啡的Tr、Ci、WUE、 Gs、 qP、qN、 ETR、Fo、Fv/Fm和φPSII抗寒系數(shù)為最大值,小粒種咖啡的Pn、Tr、Ci、WUE、Gs和Fo抗寒系數(shù)為最小值,說(shuō)明同一種質(zhì)各指標(biāo)的抗寒系數(shù)存在較大差異,同一指標(biāo)在不同種質(zhì)間也存在明顯差異,反映出不同種質(zhì)對(duì)低溫脅迫的敏感程度不相同。
2.4 各抗寒指標(biāo)間的相關(guān)性分析
表4的相關(guān)分析表明,Chl含量與qP、qN、φPSII呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與FJFm呈顯著正相關(guān)(P<0.05);Pn與Tr、WUE、Ls、Gs、qP、ETR、Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);T與Gs、qP、ETR、Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)(P< 0.01);Ci與Pn、WUE、Ls、qP、ETR、FJFm呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);WUE與Ls、qP、ETR、Fv/Fm,Ls與qP、ETR、FJFm呈極顯著正相關(guān)(P
2.5 不同種咖啡單項(xiàng)指標(biāo)主成分分析
主成分分析結(jié)果表明(表5),各因子特征值中,前3個(gè)因子的貢獻(xiàn)率分別為48.23%、20.37%和16.23%,累積貢獻(xiàn)率達(dá)84.83%。因此,抽取前3個(gè)因子,可將原來(lái)各單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成3個(gè)綜合指標(biāo)(分別用Al、A2、A3表示)。Al在Pn、qP、ETR和Fv/Fm上有較高載荷量,A2在Chl、qN和φPSII上有較高載荷量,A3在Ci和Gs上有較高載荷量。
2.6 不同種咖啡抗寒性的綜合評(píng)判
由單一指標(biāo)評(píng)價(jià)植物的抗寒性具有片面性,因此,用多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)咖啡的抗寒性才較為可靠。不同種咖啡抗寒性綜合評(píng)判結(jié)果表明:Ci與其他指標(biāo)呈負(fù)相關(guān),起負(fù)面作用,其值越高,抗寒性越低,利用反隸屬函數(shù),而其他指標(biāo)對(duì)咖啡抗寒起正向作用,采用隸屬函數(shù)法,咖啡品種抗寒性平均隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)表現(xiàn)為小粒種>中粒種>大粒種。小粒種咖啡的平均隸屬函數(shù)值最高,為0.16,耐寒性最強(qiáng),中粒種和大粒種咖啡的平均隸屬度差異不大,耐寒性較弱,分別是0.11和0.10(表6)。
3 討論與結(jié)論
3.1 低溫脅迫與葉片相對(duì)葉綠素含量
葉綠素含量的多少與植物葉片光合作用能力強(qiáng)弱有直接關(guān)系,葉綠素含量越高,代表植物捕獲光能的能力越強(qiáng)。葉綠素捕獲光能的能力還受溫度的影響[20],溫度影響植物體代謝進(jìn)程,從而影響合成Chl的原料供給,造成Chl含量升高或者降低[21]。本研究低溫脅迫期間中粒種咖啡葉片的Chl含量總體是下降趨勢(shì),低溫導(dǎo)致葉綠素合成過(guò)程受到阻礙如光合酶的活性受到抑制,或是葉綠體超微結(jié)構(gòu)被破壞,使植物葉片內(nèi)Chl含量降低[22-23]。而大粒種和小粒種葉片的Chl含量呈現(xiàn)先上升后下降,可能是由于在適當(dāng)?shù)牡蜏丨h(huán)境下咖啡通過(guò)自身調(diào)節(jié)適應(yīng)溫度的變化,誘導(dǎo)咖啡光合色素含量升高,但當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)間延長(zhǎng),超出其承受范圍,導(dǎo)致光合色素分解,葉綠素含量降低,這與大葉冬青[24]、草地早熟禾[25]、紫色小白菜[7]對(duì)低溫的響應(yīng)一致。
3.2 咖啡幼苗抗寒性與光合參數(shù)
低溫直接影響植物光合器官結(jié)構(gòu)和能量生成、利用能力,間接影響光合作用,光合作用的強(qiáng)弱通過(guò)光合參數(shù)反映[5,26]。小粒種咖啡幼苗在正常處理以及低溫脅迫48 h時(shí)Pn均最大,說(shuō)明小粒種咖啡幼苗的光合能力較強(qiáng)。本研究隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),3種咖啡幼苗的Pn、Tr和Gs呈不同程度的下降趨勢(shì),而Ci升高,表明Pn下降是因?yàn)槿~綠素、光化學(xué)活性、無(wú)機(jī)磷和RuBP羧化的限制,導(dǎo)致細(xì)胞間隙CO,積累,由非氣孔因素導(dǎo)致的[27-28]。Tr、Gs、WUE和Ls都大幅下降,表明低溫脅迫下植物葉片氣孔開(kāi)張度變小,導(dǎo)致植株WUE和Ls也隨之減少,從而減小了蒸騰拉力。Pn、Tr、WUE、Gs和Ls等光合參數(shù)大多在3種低溫處理間差異不顯著,處理和對(duì)照間差異顯著,也許是由于咖啡是熱帶作物,突然遭到低溫脅迫,光合系統(tǒng)受損,各光合參數(shù)顯著降低,而隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),植株逐漸適應(yīng)低溫環(huán)境,光合參數(shù)值下降趨勢(shì)變緩。
3.3 咖啡幼苗抗寒性與葉綠素?zé)晒鈪?shù)
葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)在植物應(yīng)答逆境脅迫過(guò)程中被廣泛用于抗性種質(zhì)的評(píng)價(jià)和抗性機(jī)理研究,有助于探明光合機(jī)構(gòu)受逆境脅迫傷害的部位和程度[29]。Fo是PSn反應(yīng)中心完全開(kāi)放狀態(tài)時(shí)的熒光強(qiáng)度[19],低溫條件下,PSII反應(yīng)中心遭受類(lèi)囊體膜損傷或者不易逆轉(zhuǎn)的破壞等,都會(huì)導(dǎo)致Fo上升,受損程度與Fo增加量成正比[30]。本研究中,3種咖啡幼苗的F??傮w水平上均有所上升,小粒種咖啡幼苗的幅度較小,大粒種咖啡和中粒種咖啡幼苗的上升幅度較大,表明其PSII中心遭到低溫脅迫的損傷程度較嚴(yán)重。qN反映了光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心非輻射能量耗散能力的大小,3種咖啡幼苗在低溫脅迫24 h時(shí)qN均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),暗示植物已通過(guò)啟動(dòng)光保護(hù)反應(yīng)來(lái)避免過(guò)量光傷害,隨低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),qN含量又有所降低,PSII反應(yīng)中心開(kāi)放度減小,光合電子傳遞活性減弱,與陳梅[31]、周福平[32]的試驗(yàn)結(jié)果一致。FJFm是植物抗寒性的主要指標(biāo),在多種植物研究中發(fā)現(xiàn)抗寒力弱的品種(系)比抗寒力強(qiáng)的下降更快速[33]。φPSII、qP和ETR顯著下降說(shuō)明低溫減弱QA的氧化能力及Psn的電子傳遞能力,導(dǎo)致碳同化降低,光合系統(tǒng)受損[6]。大粒種咖啡幼苗的Fv/Fm、qP、ETR和φPSn下降幅度都最大,表明其葉片受低溫脅迫損傷程度越大,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)不結(jié)球白菜和甜瓜的研究表明,耐寒性弱的品種(系)光化學(xué)效率和有效性電子傳遞能力比不耐寒的要低,光合受抑程度較重,本研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)[34-35]。
綜上所述,8℃低溫脅迫可嚴(yán)重抑制咖啡幼苗的光合作用和生長(zhǎng),PSII反應(yīng)中心受到損傷,前期咖啡幼苗可以通過(guò)啟動(dòng)光保護(hù)反應(yīng)及減小葉片氣孔開(kāi)張度及蒸騰拉力來(lái)避免過(guò)量的光傷害,但隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),光合電子傳遞活性減弱,損傷程度加劇。采用主成分分析法和隸屬函數(shù)法對(duì)各抗寒性不同的光合及熒光指標(biāo)進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn),3種咖啡幼苗的抗寒能力由強(qiáng)到弱依次為:小粒種咖啡>中粒種咖啡>大粒種咖啡,中粒種和大粒種咖啡幼苗耐寒性差異并不大,這和生產(chǎn)實(shí)踐中的結(jié)果較一致。在今后的工作中,還應(yīng)從與耐寒性相關(guān)的特異基因與蛋白質(zhì)表達(dá)等方面開(kāi)展更深入的研究,從實(shí)際生產(chǎn)和理論基礎(chǔ)兩個(gè)層面系統(tǒng)解釋與完善咖啡的抗寒機(jī)理。
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作者簡(jiǎn)介:黃麗芳(1985-),女,碩士,助理研究員,研究方向:咖啡遺傳育種(E-mail: hlf032@163.com)
通信作者:閆林(1980-),女,博士,研究員,研究方向:咖啡種質(zhì)資源與遺傳育種(E-mail: yanlin2575@163.com)