山东农业大学园艺科学与工程学院, 果树生物学国家重点实验室, 泰安 271018
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接受日期:2016-02-22接受日期:2016-04-26网络出版日期:2017-04-10
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20172010 《植物学报》编辑部
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霜冻是危害葡萄(Vitis vinifera)正常生长的重要气象灾害, 对霜冻机理的深入研究有利于开发科学的防霜、治霜技术。叶片是葡萄最易遭受霜冻害的器官。长期以来, 研究者普遍认为, 叶片遭受霜冻的严重程度与低温程度及叶片的耐低温能力有关(孙福在和赵廷昌, 2003)。因此, 从叶片的耐低温能力入手探索植物的耐霜机理是行之有效的策略。目前已经发现, 叶片对低温的敏感程度与品种(何伟等, 2015)、季节(邓令毅和王洪春, 1982)及营养状态(鲁春艳等, 2014)均相关。值得注意的是, 近几年发现根系及其所处温度条件会改变植物叶片对冷害的敏感性(Suzuki et al., 2008, 2013), 但根系及其所处温度条件能否影响葡萄叶片对冻害的适应能力尚未见报道。
在自然条件下的实际降温过程中, 大气温度在降低的同时, 土壤温度也会随之降低。而且不同土层的降温程度及所处低温条件是不同的。表层土壤(0-10 cm)的温度受气温影响大, 气温降低时土壤温度下降速度快, 低温程度强, 有时候能降到0°C以下, 导致土壤冻结; 而深层土壤(≥20 cm)的温度波动小, 降温速度慢, 低温程度弱, 一般不会降到0°C以下(孙鲁龙等, 2015)。葡萄的根系在各个土壤层次都有分布(毛娟等, 2013), 导致根系可能会处于不同的低温胁迫条件下, 即有的会处于冷胁迫中(0°C以上, 土壤不冻结), 有的会处于冻胁迫中(0°C及以下, 土壤冻结)。在降温天气来临时, 根系所处的不同低温环境是否会对地上部叶片的低温耐受能力有所影响还未见相应的报道。
本实验在对叶片进行低温霜冻胁迫的同时, 通过控制土壤降温过程, 使根系分别处于冷(2°C)和冻(0°C) 2种低温胁迫条件下, 观测叶片的低温快速叶绿素荧光变化, 分析根系低温胁迫对叶片霜冻害的影响。
1 材料与方法1.1 实验材料实验材料为美乐葡萄(Vitis vinifera L. cv. ‘Merlot’)一年生扦插苗。将扦插苗定植在含商品基质的塑料花盆中, 花盆高10 cm, 上口径12 cm, 下口径8 cm。葡萄幼苗在光照培养箱(智能光照培养箱GZX-500A, 济南科益试验设备有限公司)中进行培养。培养环境的昼/夜温度为25°C/20°C, 空气相对湿度为75%, 光/暗周期为12小时光照/12小时黑暗, 光照强度为500-600 μmol·m-2·s-1。待幼苗长出4-5片展开叶时进行实验。
1.2 霜冻处理根据2015年春季霜冻期间观测到的降温过程以及文献中的降温程序(Neuner et al., 2013), 在人工霜箱(高低温湿热测试箱EHS-100, 苏州智河环境试验设备有限公司)内模拟自然界霜冻天气。在30分钟内将人工霜箱内的温度从室温调节到20°C, 将整盆苗置于霜箱中, 之后以每小时2°C的速度降到-2°C, 并维持2小时, 再以每小时2°C的回温速度将霜箱中的温度回升到0°C。
1.3 根系温度控制根系冷胁迫: 用厚3 cm的软质塑料泡沫包裹花盆。经检验, 在霜冻处理过程中土壤最低温度为2°C。
根系冻胁迫: 根系不进行任何包裹。经检验, 在霜冻处理过程中土壤最低温度为0°C, 且土壤会发生冻结。
对照组不进行霜冻处理, 根系不进行包裹, 于黑暗处20°C培养12小时。
1.4 低温后恢复经霜冻胁迫后, 除去包裹材料, 将整盆苗置于恒温光照培养箱内恢复12小时。培养箱温度为25°C, 光强为500-600 μmol·m-2·s-1。
1.5 指标测定于霜冻处理前、处理刚结束及恢复期每隔1小时测定快速叶绿素荧光参数。所用仪器为连续激发式荧光仪(Handy PEA, Hansatech, 英国)。参照Strasser等(2010)和李鹏民等(2005)的方法进行荧光测定、指标计算以及数据标准化。
2 结果与讨论2.1 根系低温处理对葡萄叶片低温胁迫后快速叶绿素荧光的影响2.1.1 对快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的影响
与对照相比, 经过低温胁迫后美乐葡萄叶片叶绿素荧光诱导动力学曲线(O-J-I-P曲线)发生了显著的变化(图1A)。低温胁迫造成叶片最大荧光(maximal fluorescence, Fm)强度下降, O-J-I-P曲线形状发生变化。但是不同根系低温胁迫对叶片O-J-I-P曲线的影响不同。对根系进行低温冷胁迫, 叶片经过低温胁迫后O-J-I-P曲线形状基本保持不变, 但曲线整体下移, P点、J点及I点等典型位点荧光值均有所下降, 而初始荧光(initial fluorescence, F0)强度无显著变化, 说明低温黑暗处理造成PSII反应中心可逆性失活。在叶片受低温胁迫时, 若对根系进行低温冻胁迫, 叶片O-J-I-P曲线失去典型形状, 最大荧光强度较对照显著降低, 且低于根系低温冷胁迫的最大荧光, 初始荧光强度显著升高, 说明叶片PSII反应中心在低温处理过程中发生了不可逆性失活或破坏。
图1
(A) 叶绿素荧光原始数据; (B) 叶绿素荧光数据标准化后的相对值
Figure 1 Fast chlorophyll fluorescence induction dynamics curves of grape leaves with different low root temperature stress as soon as the frost treatment finished
(A) Original data of chlorophyll fluorescence; (B) Standardized data of chlorophyll fluorescence
Figure 1
(A) 叶绿素荧光原始数据; (B) 叶绿素荧光数据标准化后的相对值
Figure 1 Fast chlorophyll fluorescence induction dynamics curves of grape leaves with different low root temperature stress as soon as the frost treatment finished
(A) Original data of chlorophyll fluorescence; (B) Standardized data of chlorophyll fluorescence
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图1
低温胁迫刚结束时不同根系低温胁迫的葡萄叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(O-J-I-P曲线)
(A) 叶绿素荧光原始数据; (B) 叶绿素荧光数据标准化后的相对值
Figure 1
Fast chlorophyll fluorescence induction dynamics curves of grape leaves with different low root temperature stress as soon as the frost treatment finished
(A) Original data of chlorophyll fluorescence; (B) Standardized data of chlorophyll fluorescence
对原始荧光数据进行标准化处理, 得到相对荧光变化曲线, 可以看出不同位点的相对变化情况(图1 B)。与对照相比, 对根系进行低温冷胁迫和冻胁迫, 叶片相对荧光变化曲线呈现不同的特征。对根系进行低温冷胁迫后相对荧光曲线形状不变, 但整体下移, I点下降最突出, 其它位点变化不大。对根系进行低温冻胁迫, 叶片相对荧光变化曲线失去典型形状, J-I-P段上升明显。
表1
Table 1
表1
表1 低温胁迫刚结束时不同根系低温胁迫的葡萄叶片的快速叶绿素荧光参数(平均值±标准误, n=5) Table 1 Fast chlorophyll fluorescence parameters of grape leaves with different low root temperature stress as soon as the frost treatment finished (means±SE, n=5)
Chlorophyll fluorescence parameters | Control | Freeze | Cool |
---|---|---|---|
Fv/Fm | 0.75±0.01 a | 0.51±0.01 b | 0.74±0.01 a |
F0 | 335.65±7.26 b | 551.74±161.76 a | 329.55±7.93 b |
PIabs | 1.3±0.06 a | 0.39±0.12 c | 1.13±0.05 b |
Wk | 0.47±0.01 a | 0.51±0.01 a | 0.48±0.01 a |
Vj | 0.5±0.02 b | 0.76±0.05 a | 0.47±0.02 b |
ψ0 | 0.5±0.02 a | 0.24±0.05 b | 0.53±0.02 a |
RC/CSm | 557.05±54.61 a | 298.99±11.76 c | 491.31±39.15 b |
ABS/CSm | 1401.52±54.61 a | 1176.33±1.9 b | 1279.59±39.15 a |
TR0/CSm | 1065.87±48.49 a | 604.33±14.68 c | 950.04±33.89 b |
ET0/CSm | 544.17±37 a | 220±63.65 b | 510.73±27.14 a |
DI0/CSm | 335.65±7.26 b | 551.74±161.76 a | 329.55±7.93 b |
表1
低温胁迫刚结束时不同根系低温胁迫的葡萄叶片的快速叶绿素荧光参数(平均值±标准误, n=5)
Table 1
Fast chlorophyll fluorescence parameters of grape leaves with different low root temperature stress as soon as the frost treatment finished (means±SE, n=5)
2.1.2 对快速叶绿素荧光参数的影响
快速叶绿素荧光动力学曲线参数包含大量关于PSII原初光化学反应的信息。表1显示, 与对照相比, 黑暗低温胁迫后, 葡萄叶绿素各荧光参数均发生显著变化。根系受冻导致叶片经过黑暗低温胁迫后, 最大光化学效率(maximum quantum yield of PSII, Fv/Fm)降低了32%, 初始荧光(F0)升高了64.4%, 叶片性能指数(performance index on absorption basis, PIabs)降低了70%, J点可变荧光强度(relative variable fluorescence at J step, Vj)上升了52%, 经过QA进入电子传递链的能量指数(the excitation efficiency of electron transport begond QA, ψ0)降低了52%, 单位面积有活性的反应中心数目(number of active reaction centers per unit area, RC/CSm)减少了46.3%, 单位面积吸收的能量(absorption flux per unit area, ABS/CSm)下降了16.1%, 单位面积捕获光能(trapped energy flux per unit area, TR0/CSm)下降了43.3%, 单位面积电子传递能量(electron transport flux per unit area, ET0/CSm)下降了59.6%, 单位面积热耗散能量(dissipated energy flux per unit area, DI0/CSm)增加了64.4%; 而反映PSII供体侧伤害程度的Wk (ratio of the variable fluorescence Fk to the amplitude Fj-F0)无显著差异。
与根系冻胁迫不同, 根系冷胁迫导致显著变化的指标有PIabs、RC/CSm和TR0/CSm。PIabs降低了13.1%, RC/CSm减少了11.8%, TR0/CSm下降了10.9%; 其它参数与对照相比无显著差异。
2.2 叶片低温胁迫期间根系冷、冻处理对葡萄叶片恢复期PSII光抑制的影响Fv/Fm是检测光抑制的典型指标(Takahashi and Murata, 2008)。图2显示了根系冷、冻胁迫后葡萄叶片恢复期PSII光抑制情况。结果表明, 对根系进行低温冻胁迫后, 叶片在恢复期间发生显著的光抑制。Fv/Fm在恢复期间持续下降, 并降到难以测定的程度(图2A), 而初始荧光(F0)却不断增大(图2B), 说明PSII反应中心发生了不可逆转的伤害。另外, 在实验中观察到恢复后7小时, 叶片因干裂而无法测定叶绿素荧光, 其伤害程度远大于对照和根系冷处理组。对根系进行低温冷处理后, 恢复期Fv/Fm与对照相比没有显著差异, 其变化趋势也与对照相同, 说明根系进行低温冷处理后叶片在遭受低温胁迫后的恢复过程中并未发生光抑制。
图2
Fv/Fm: 最大光化学效率; F0: 初始荧光
Figure 2 Photoinhibition of grape leaves during recovery period after different low root temperature treatment (n=5)
Fv/Fm: Maximum quantum yield of PSII; F0: Initial fluorescence
Figure 2
Fv/Fm: 最大光化学效率; F0: 初始荧光
Figure 2 Photoinhibition of grape leaves during recovery period after different low root temperature treatment (n=5)
Fv/Fm: Maximum quantum yield of PSII; F0: Initial fluorescence
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图2
不同根系低温处理后葡萄叶片恢复期的光抑制情况(n=5)
Fv/Fm: 最大光化学效率; F0: 初始荧光
Figure 2
Photoinhibition of grape leaves during recovery period after different low root temperature treatment (n=5)
Fv/Fm: Maximum quantum yield of PSII; F0: Initial fluorescence
2.3 叶片低温胁迫期间根系低温处理对葡萄叶片恢复期PSII供体侧伤害的影响PSII反应中心供体侧放氧复合体(oxygen-evolving complex, OEC)造成伤害会导致Wk迅速上升, 因此Wk往往被用于检测PSII反应中心供体侧的伤害程度(Strasser, 1997; Srivastava et al., 1997; Chen et al., 2004)。图3显示, 叶片经过低温胁迫后, 根系冷胁迫和冻胁迫均未造成Wk的显著升高。但是在恢复期, 经过不同根系低温处理的叶片Wk变化不同。在叶片低温胁迫期间对根系进行冻胁迫后, 叶片恢复期间Wk显著升高, 随着恢复时间的延长, Wk呈逐渐升高的趋势, 说明在恢复期间, 供体侧放氧复合体受到显著伤害。在叶片低温胁迫同时对根系进行冷胁迫, 叶片在恢复期间Wk没有显著升高, 且随着恢复时间的延长, 其变化趋势与对照相同, 说明根系冷胁迫并未造成叶片低温胁迫后恢复期供体侧的伤害。
图3
Figure 3 Damage of donor side of PSII in grape leaves during recovery period after different low root temperature treatments (n=5)
Figure 3
Figure 3 Damage of donor side of PSII in grape leaves during recovery period after different low root temperature treatments (n=5)
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图3
不同根系低温处理后葡萄叶片恢复期PSII供体侧伤害情况(n=5)
Figure 3
Damage of donor side of PSII in grape leaves during recovery period after different low root temperature treatments (n=5)
2.4 叶片低温胁迫期间根系低温处理对葡萄叶片恢复期PSII受体侧伤害的影响J点可变荧光强度(Vj)反映了QA--QB之间的电子传递情况和QA-的积累情况(李鹏民等, 2005)。图4A显示, 在叶片受低温胁迫刚结束时, 对根系进行低温冻胁迫处理造成Vj显著上升, 随着进入恢复期, Vj进一步上升。而对根系进行低温冷胁迫, 叶片低温胁迫后与对照相比Vj没有显著差别, 恢复期第1小时略高于对照, 从恢复期第2小时开始到恢复期结束始终保持在与对照相同的水平。
图4
Vj: J点可变荧光强度; ψ0: 经过QA进入电子传递链的能量指数
Figure 4 Damage of acceptor side of PSII in grape leaves during recovery period after different low root temperature treatments (n=5)
Vj: Relative variable fluorescence at J step; ψ0: The excitation efficiency of electron transport beyond QA
Figure 4
Vj: J点可变荧光强度; ψ0: 经过QA进入电子传递链的能量指数
Figure 4 Damage of acceptor side of PSII in grape leaves during recovery period after different low root temperature treatments (n=5)
Vj: Relative variable fluorescence at J step; ψ0: The excitation efficiency of electron transport beyond QA
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图4
不同根系低温处理后葡萄叶片恢复期PSII受体侧的伤害情况(n=5)
Vj: J点可变荧光强度; ψ0: 经过QA进入电子传递链的能量指数
Figure 4
Damage of acceptor side of PSII in grape leaves during recovery period after different low root temperature treatments (n=5)
Vj: Relative variable fluorescence at J step; ψ0: The excitation efficiency of electron transport beyond QA
ψ0反映了反应中心捕获的激子将电子通过QA传递到其它电子受体的概率(李鹏民等, 2005)。从图4B可以看出, 叶片遭受低温胁迫期间如果根系也遭受冻胁迫, 叶片ψ0值显著低于对照和根系冷胁迫处理; 在恢复期间, 根系冻胁迫组的ψ0值呈继续下降的趋势, 并显著低于对照组和根系冷胁迫处理。根系冷胁迫组的ψ0值在低温胁迫刚结束时和恢复期的第1小时略小于对照, 但二者无显著差异; 在恢复期的第2小时恢复到对照水平, 并在之后的恢复过程中始终保持在 与对照相同的水平。
2.5 叶片低温胁迫期间根系低温处理对葡萄叶片恢复期PSII反应中心的影响图5显示了叶片低温胁迫期间, 对根系进行冷、冻胁迫对叶片低温胁迫后及恢复过程中PSII反应中心的影响。从图5可以看出, 与对照相比, 低温胁迫造成PIabs、RC/CSm、ABS/CSm、TR0/CSm及ET0/CSm值的下降, 但不同的根系低温处理所造成的影响不同。根系冻胁迫造成相应指标显著下降, 并且在恢复期间进一步降低, 甚至达到不可测定的程度。根系冷胁迫造成相应指标在低温胁迫刚结束时下降, 但与对照相比差异不显著, 且在恢复期间有所恢复, 虽然没有恢复到对照水平, 但与对照相比无显著差异。根系低温冻胁迫造成DI0/CSm值显著升高, 并在恢复期进一步升高; 而根系低温冷胁迫并未导致DI0/CSm值发生显著变化。
图5
PIabs、RC/CSm、ABS/CSm、TR0/CSm、ET0/CSm和DI0/CSm同
Figure 5 Damage of PSII reaction center in grape leaves during recovery period after different low root temperature treatments (n=5)
PIabs, RC/CSm, ABS/CSm, TR0/CSm, ET0/CSm, and DI0/CSm see
Figure 5
PIabs、RC/CSm、ABS/CSm、TR0/CSm、ET0/CSm和DI0/CSm同
Figure 5 Damage of PSII reaction center in grape leaves during recovery period after different low root temperature treatments (n=5)
PIabs, RC/CSm, ABS/CSm, TR0/CSm, ET0/CSm, and DI0/CSm see
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图5
不同根系低温处理后葡萄叶片恢复期PSII反应中心的伤害情况(n=5)
PIabs、RC/CSm、ABS/CSm、TR0/CSm、ET0/CSm和DI0/CSm同
Figure 5
Damage of PSII reaction center in grape leaves during recovery period after different low root temperature treatments (n=5)
PIabs, RC/CSm, ABS/CSm, TR0/CSm, ET0/CSm, and DI0/CSm see
2.6 讨论有研究表明, 根系及其所处的温度条件能影响叶片对低温的敏感性和耐受能力(Huang et al., 1989; Zhou et al., 2007)。在气温降低的同时, 土壤温度也会发生不同程度的降低, 但不同的土层温度往往不同。在霜冻温度条件下, 浅层土的温度会达到冻结的程度, 深层土的温度往往要高于0°C。本研究通过控制根系温度的降低过程, 比较叶片遭受低温胁迫后的叶绿素荧光参数, 发现在对叶片进行霜冻处理的同时对根系进行低温冷(2°C)或冻(0°C)胁迫, 叶片的低温伤害程度有较大差别。在叶片遭受低温胁迫的同时, 如果根系遭受了冻害(0°C), 霜冻后叶片的伤害程度要远远大于根系冷胁迫(2°C)。这说明根系参与了叶片的低温反应, 并且根系所处的低温环境会通过影响根系来影响叶片对低温的响应。
霜冻后的恢复过程也会对霜冻伤害程度造成影响。本研究在夜间低温后立即进行快速叶绿素荧光测定, 并在恢复期间连续监测荧光指标的变化, 结果表明, 单纯的夜间低温胁迫会造成叶片PSII反应中心的伤害, 但根系冷胁迫的伤害程度要小得多, 与对照相比无显著差异, 并且在后期的恢复过程中能得到一定程度的恢复。而根系受冻胁迫的叶片, 在经过夜间低温胁迫后, PSII反应中心受到不可恢复的伤害, 在恢复期也没有表现出恢复的趋势。由此可以推断, 夜间低温胁迫是叶片霜冻伤害的主要原因, 恢复过程是有利于PSII反应中心的恢复还是加重PSII反应中心的伤害取决于夜间低温对叶片的伤害程度。
光化学反应的电子传递链在胁迫条件下很容易遭受破坏。本研究表明, 对根系进行冻胁迫, 夜间低温胁迫会造成叶片PSII反应中心和受体侧的破坏, 但并未对供体侧造成伤害。在后期的恢复过程中, 反应中心和受体侧的伤害程度会进一步加重, 而供体侧也逐渐表现出伤害加重的趋势。对根系进行冷胁迫, 夜间低温后叶片PSII反应中心活性受到小幅度的抑制, 受体侧的伤害程度较轻, 在恢复期间可以得到恢复, 供体侧自始至终都未表现出受伤害的趋势。因此表明PSII反应中心和受体侧相对于供体侧对夜间低温更敏感, 在低温黑暗条件下更易受伤害。根系低温冻胁迫会加重对反应中心和受体侧的伤害, 供体侧的伤害来自恢复期过剩光能的积累。根系冷胁迫可以造成反应中心在低温条件下的可逆性失活, 避免更严重的伤害。
研究表明, 低温条件下过剩的激发能会导致PSII和PSI的光抑制, 而且如果过剩的激发能过多, 就会导致PSII光化学活性显著下降, 以减轻过剩激发能对PSI的伤害(张子山等, 2009)。这主要是由于PSII具有依赖于D1蛋白的快速修复机制(Aro et al., 1993), 而PSI没有类似的修复机制, 因此在遭受伤害后则不可恢复(Havaux and Davaud, 1994; Teicher et al., 2000)。本实验中, 根系冷胁迫较根系冻胁迫造成的叶片伤害要轻, 可能是通过稳定D1蛋白加强了低温条件下PSII的低温稳定性, 维持了PSII和PSI之间良好的协调性以有效处理恢复期的过剩光能, 减轻甚至避免PSI的光抑制。
综上所述, 根系的低温条件会对叶片的低温伤害程度造成不同影响, 根系受冻胁迫时叶片的低温伤害程度大, 而根系受冷胁迫反而可以使叶片在低温条件下避免严重伤害。根系对光化学系统的调控部位在反应中心和受体侧, 通过提高其低温稳定性, 在恢复期减少过多光能的积累, 以避免对供体侧的进一步伤害。
参考文献
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被引期刊影响因子
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快速叶绿素荧光诱导动力学分析在光合作用研究中的应用
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