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山东农业大学园艺科学与工程学院/作物生物学国家重点实验室, 泰安 271018
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贡献者
基金资助
接受日期:2016-04-27接受日期:2016-05-23网络出版日期:2017-05-1
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20172010 《植物学报》编辑部
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摘要:
Abstract:
Key words:
冻害是葡萄(Vitis vinifera)春季生长期经常遇到的灾害。美乐葡萄(V. vinifera cv. ‘Merlot’)是酿造干红葡萄酒的经典品种, 但发芽早的特性使该品种很容易遭受春季霜冻的伤害。春季霜冻会降低葡萄的产量和品质, 造成巨大的经济损失(Sonya, 2014)。近年来, 气候变暖使葡萄的栽培区域不断向高纬度地区扩大, 极端低温天气发生概率降低的同时, 果树抗寒锻炼的效应也减弱了, 从而增加了葡萄遭受霜冻的风险(Sugiura et al., 2012; Molitor et al., 2014)。因此必须重视对葡萄春季霜冻的防治。
霜冻伤害的严重程度与低温强度、低温持续的时间以及作物所处的生理状态有关。已有研究大多关注土壤温度对叶片低温响应的影响(Huang et al., 1989; Zhou et al., 2007)。在气温降低的同时, 土壤温度也会发生一定的变化。孙鲁龙等(2015)对降温天气下, 不同土层温度的变化进行了对比, 发现不同土层温度在变化幅度和变化速度方面差异较大, 特别是浅层土, 最易受到环境温度的影响。葡萄是深根性植物, 根系分布的土层比较广, 但吸收根主要分布在浅土层(刘俊和刘崇怀, 2006; 毛娟等, 2013)。因此浅层土温度变化是否会改变葡萄地上部叶片对霜冻的响应值得探索。
在前期研究的基础上, 本研究从减缓霜冻过程中土壤温度降低的角度出发, 研究其对葡萄叶片冻害的影响, 分析了叶片光系统II (PSII)在降温过程中和霜冻恢复期光化学活性的变化。
1 材料与方法1.1 实验材料材料为欧亚种酿酒葡萄品种美乐(Vitis vinifera L. cv. ‘Merlot’)。选择枝条粗细一致(约0.8 cm)的1年生扦插苗, 用商品基质种植在上口径15 cm、下口径12 cm、高15 cm的塑料盆中。盆栽苗在光照培养箱内进行 培养, 昼/夜温度25°C/23°C, 光强为 600-800 μmol·m-2·s-1, 空气相对湿度75%。新梢长到4-5片叶时用于实验。
1.2 实验处理1.2.1 根区降温
根区缓冲降温处理: 围绕花盆包裹1层厚度为4 cm的软质塑料泡沫, 经检测, 在-2°C下维持4小时, 土壤温度可以持续下降, 但最低温度不低于2°C。
根区常规降温处理: 在霜冻处理过程中, 根系不进行任何保温处理, 经检测, 在-2°C下维持4小时, 根区土壤温度会持续下降, 且最低温度可达-0.2°C。
1.2.2 霜冻处理及霜冻后的恢复
选择20棵长势一致且健康无病害的幼苗分成2组, 每组10棵。一组进行根区缓冲降温处理, 另一组进行根区常规降温处理(冻根组)。将温度自动记录仪(路格科技温湿度黑匣子, L92-1)的探头埋入花盆(埋入深度约为7 cm), 埋入位置贴近根系, 以监测霜冻过程中土壤温度的变化。将2组幼苗放到人工霜箱内进行人工模拟霜冻。霜冻程序为从室温条件下以每小时2°C的降温速度降到-2°C, 之后在-2°C维持2小时; 再以每小时2°C的回温速度将霜箱内的温度回升到0°C, 然后将幼苗转移至光照培养箱内恢复12小时, 恢复温度为25°C, 光强为600-800 μmol·m-2·s-1, 空气相对湿度75%。用温度记录仪测定降温过程中气温的变化。实验重复3次。
1.3 叶片伤害情况统计恢复程序结束后, 统计叶片的伤害情况。只要叶片上出现水渍状、失绿或变褐等症状, 均认为发生冻害。统计该植株发生冻害的叶片数以及植株总叶片数。
1.4 荧光参数测定测定植株顶部第3片展开叶的叶绿素荧光参数, 所用仪器为FMS-2型脉冲调制荧光仪(Hansatech公司, 英国)。霜冻前测定叶片的基础荧光值, 霜冻后测定不同恢复时间的荧光强度, 每小时测定1次。由于在恢复的第8小时, 冻根组的叶片出现干裂, 此后不再测定该组荧光值。荧光测定根据Feng等(2002)的方法进行。各参数的计算及意义如下。
Fs: 光适应下的稳态荧光强度;
Fmʹ: 光下的最大荧光强度;
F0ʹ: 光下最小荧光强度;
F0: 暗适应初始荧光强度;
Fm: 暗适应最大荧光强度;
Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm: 暗适应下PSII最大光化学效率;
ΦPSII=(Fmʹ-Fs)/Fmʹ: PSII光合电子传递量子效率;
qP=(Fmʹ-Fs)/(Fmʹ-F0ʹ): 光化学淬灭系数;
Fvʹ/Fmʹ=(Fmʹ-F0ʹ)/Fmʹ: 天线色素转化效率;
NPQ=1-Fmʹ/Fm: 非光化学淬灭系数。
1.5 数据处理冻害指数(%)=(植株上表现出冻害症状的叶片数/植株叶片总数)×100。采用t-检验比较根区缓冲降温处理和对照组冻害指数的差异, 设定显著水平为α=0.01。
采用SPSS 21.0软件进行数据统计分析, 用Origin 8.6软件作图。
2 结果与讨论2.1 霜冻过程中气温和土壤温度的变化图1显示了霜冻及恢复过程中气温和根区土壤温度的变化。在降温阶段, 土壤温度会随着气温的降低而降低, 不同根区温度下降曲线基本平行, 说明二者的降温速度相近。当气温达到最低(-2°C)时, 冻根组的土壤温度也基本同步达到最低(-0.2°C), 而根区缓冲降温组的土壤温度在此时继续降低。低温维持阶段, 气温维持在-2°C, 冻根组的土壤温度维持在-0.2°C, 根区缓冲降温组的土壤温度继续降低。霜冻结束后, 将幼苗立即转移到25°C培养箱中恢复, 冻根组的土壤温度并不立即上升, 而是在最低温度附近维持了近20分钟才开始逐步升温, 冻根组的最低温从开始达到最低到开始回升共维持了174分钟; 根区缓冲降温组的土壤温度在此阶段进一步降低, 并在霜冻处理结束后1小时左右达到最低值(2.3°C), 最低温一共维持了15分钟, 之后逐渐回温。
图1
Air: 霜箱中空气温度; Freezing: 冻根处理; Buffered cooling: 根区缓冲降温
Figure 1 Changes in temperatures of air and soil in the root zone during freezing treatment of grape leaves
Air: Temperature in the freezer; Freezing: Roots were frozen during the period of cooling; Buffered cooling: Temperature in the root zone was buffered during the period of cooling
Figure 1
Air: 霜箱中空气温度; Freezing: 冻根处理; Buffered cooling: 根区缓冲降温
Figure 1 Changes in temperatures of air and soil in the root zone during freezing treatment of grape leaves
Air: Temperature in the freezer; Freezing: Roots were frozen during the period of cooling; Buffered cooling: Temperature in the root zone was buffered during the period of cooling
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图1
葡萄幼苗霜冻处理过程中气温和根区土壤温度的变化
Air: 霜箱中空气温度; Freezing: 冻根处理; Buffered cooling: 根区缓冲降温
Figure 1
Changes in temperatures of air and soil in the root zone during freezing treatment of grape leaves
Air: Temperature in the freezer; Freezing: Roots were frozen during the period of cooling; Buffered cooling: Temperature in the root zone was buffered during the period of cooling
2.2 根区缓冲降温对葡萄幼苗叶片冻害的影响在霜冻恢复过程结束后, 我们对2组处理的叶片冻害指数进行了统计分析。由表1可知, -2°C的低温霜冻对美乐葡萄幼苗叶片造成了不同程度的伤害。对根区进行不同的温度处理, 叶片的受冻程度不同。冻根组霜冻指数为74.36%, 而根区缓冲降温组叶片霜冻指数为21.07%, 比冻根组降低了53.29%, 且差异达到极显著水平(α=0.01)。
表1
Table 1
表1
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Number of frozen leaves | Number of leaves | Frost index (%) | |
---|---|---|---|
Freezing | 4.48±2.50 | 6.04±0.98 | 74.36±8.13 |
Buffered | 1.56±0.49 | 7.78±2.01 | 21.07±6.61** |
表1
根区降温条件对葡萄叶片霜冻指数的影响
Table 1
Effects of temperature dropping down conditions in root zone on frost index of grape leaves
2.3 根区缓冲降温对葡萄幼苗叶片霜冻后恢复过程中叶片光抑制的影响由图2可知, 与对照相比, 霜冻处理造成叶片Fv/Fm下降, 且不同处理对Fv/Fm的下降幅度及恢复过程中Fv/Fm的变化有不同的影响。霜冻处理后, 冻根组的Fv/Fm下降到0.39, 在随后的恢复过程中, Fv/Fm持续下降, F0大幅度上升, 表明霜冻造成了PSII反应中心的不可逆失活。相比之下, 根区缓冲降温组经过霜冻处理后, Fv/Fm有小幅降低, 但并未达到受抑制的程度, 在恢复的第2小时, 基本达到霜冻处理前的水平, F0在霜冻后及恢复过程中基本处于下降的趋势, 表明PSII反应中心启动了保护性的能量耗散以避免霜冻后光抑制的发生。
图2
Fv/Fm: 最大光化学效率; F0: 暗适应后的初始荧光强度
Figure 2 Effects of delaying root zone temperature dropping down on Fv/Fm (A) and F0 (B) of grape leaves after frost, during the period of recovery (means±SD, n=30)
Fv/Fm: Maximum quantum yield of PSII; F0: Dark fluorescence yield
Figure 2
Fv/Fm: 最大光化学效率; F0: 暗适应后的初始荧光强度
Figure 2 Effects of delaying root zone temperature dropping down on Fv/Fm (A) and F0 (B) of grape leaves after frost, during the period of recovery (means±SD, n=30)
Fv/Fm: Maximum quantum yield of PSII; F0: Dark fluorescence yield
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图2
根区缓冲降温对葡萄叶片霜冻后恢复过程中Fv/Fm (A)和F0 (B)的影响(平均值±标准差, n=30)
Fv/Fm: 最大光化学效率; F0: 暗适应后的初始荧光强度
Figure 2
Effects of delaying root zone temperature dropping down on Fv/Fm (A) and F0 (B) of grape leaves after frost, during the period of recovery (means±SD, n=30)
Fv/Fm: Maximum quantum yield of PSII; F0: Dark fluorescence yield
2.4 根区缓冲降温对葡萄幼苗叶片霜冻后恢复过程中ΦPSII的影响霜冻处理会造成ΦPSII的降低(图3)。正常条件下(对照组), 经过一夜的黑暗处理后ΦPSII有所下降, 但是进入恢复阶段后随着恢复时间的延长, ΦPSII逐渐恢复到处理前的水平并呈增加的趋势。霜冻后冻根组ΦPSII下降到很低的水平, 且随着恢复时间的延长不能恢复。根区缓冲降温处理的ΦPSII变化趋势与对照相似, 但在恢复期的第1小时就可以恢复到正常水平, 并且随着恢复时间的延长ΦPSII还显著高于正常水平。
图3
ΦPSII: PSII光合电子传递量子效率
Figure 3 Effects of delaying root area temperature dropping down on ΦPSII of grape leaves after frost, and during the period of recovery (means±SD, n=30)
ΦPSII: Photochemical yield of photosystem II
Figure 3
ΦPSII: PSII光合电子传递量子效率
Figure 3 Effects of delaying root area temperature dropping down on ΦPSII of grape leaves after frost, and during the period of recovery (means±SD, n=30)
ΦPSII: Photochemical yield of photosystem II
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图3
根区缓冲降温对霜冻后葡萄叶片恢复过程中ΦPSII的影响(平均值±标准差, n=30)
ΦPSII: PSII光合电子传递量子效率
Figure 3
Effects of delaying root area temperature dropping down on ΦPSII of grape leaves after frost, and during the period of recovery (means±SD, n=30)
ΦPSII: Photochemical yield of photosystem II
2.5 根区缓冲降温对葡萄幼苗叶片霜冻后恢复过程中qP和Fvʹ/Fmʹ的影响霜冻后, 冻根处理的qP降低, 且在恢复过程中持续降低。根区缓冲降温组的qP先迅速升高, 后大幅下降, 但没有显著低于正常水平, 之后又恢复到较高水平。根系受冻也造成Fvʹ/Fmʹ的大幅度降低且不可恢复。根区缓冲降温组的Fvʹ/Fmʹ处于波动状态, 但可维持在正常水平, 在恢复期的前9个小时内低于对照, 从第10小时开始高于对照(图4)。
图4
qP: 光化学淬灭系数; Fvʹ/Fmʹ: 无线色素转化效率
Figure 4 Effects of delaying root area temperature dropping down on qP (A) and Fvʹ/Fmʹ (B) of grape leaves after frost, during the period of recovery (means±SD, n=30)
qP: Coefficient of photochemical quenching; Fvʹ/Fmʹ: Quantum efficiency of open PSII reaction centers
Figure 4
qP: 光化学淬灭系数; Fvʹ/Fmʹ: 无线色素转化效率
Figure 4 Effects of delaying root area temperature dropping down on qP (A) and Fvʹ/Fmʹ (B) of grape leaves after frost, during the period of recovery (means±SD, n=30)
qP: Coefficient of photochemical quenching; Fvʹ/Fmʹ: Quantum efficiency of open PSII reaction centers
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图4
根区缓冲降温对葡萄叶片霜冻后恢复过程中qP (A)和Fvʹ/Fmʹ (B)的影响(平均值±标准差, n=30)
qP: 光化学淬灭系数; Fvʹ/Fmʹ: 无线色素转化效率
Figure 4
Effects of delaying root area temperature dropping down on qP (A) and Fvʹ/Fmʹ (B) of grape leaves after frost, during the period of recovery (means±SD, n=30)
qP: Coefficient of photochemical quenching; Fvʹ/Fmʹ: Quantum efficiency of open PSII reaction centers
2.6 根区缓冲降温对葡萄幼苗叶片霜冻后恢复过程中热耗散的影响图5显示, 与对照相比, 2种根系处理方式的NPQ在霜冻后均显著降低, 且根区缓冲降温组的NPQ降低到几乎测不出来的程度。在恢复期, 冻根组的NPQ在恢复的第3小时达到最大, 较正常水平略有提高, 之后降低; 根区缓冲降温组的NPQ在恢复的第4小时达到最大, 且极显著高于正常水平, 之后逐渐降低, 但仍显著高于正常值。
图5
NPQ: 非光化学淬灭系数
Figure 5 Effects of delaying root area temperature dropping down on NPQ of grape leaves after frost, during the period of recovery (means±SD, n=30)
NPQ: Non-photochemical quenching
Figure 5
NPQ: 非光化学淬灭系数
Figure 5 Effects of delaying root area temperature dropping down on NPQ of grape leaves after frost, during the period of recovery (means±SD, n=30)
NPQ: Non-photochemical quenching
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图5
根区缓冲降温对葡萄叶片霜冻后恢复过程中NPQ的影响(平均值±标准差, n=30)
NPQ: 非光化学淬灭系数
Figure 5
Effects of delaying root area temperature dropping down on NPQ of grape leaves after frost, during the period of recovery (means±SD, n=30)
NPQ: Non-photochemical quenching
2.7 讨论由于昼夜交替, 气温和土壤温度都处于波动状态, 且气温和土壤温度的变化并不同步, 这就使植物的叶片和根系分别处于不同的温度环境中。在正常情况下, 植物可以适应这种地上-地下的温度差异, 并使其各自以及整体的功能处于相对平衡状态。但极端的降温天气会打破这一平衡。因此有理由推测, 这种整体平衡性被打破可能会改变局部器官甚至是植物整体对环境的响应。前人的研究从侧面证实了这一推测(Huang et al., 1989; Zhou et al., 2007)。我们前期的研究表明, 不同的根系低温处理会对叶片冻害以及PSII电子传递链的供体侧、受体侧以及反应中心有不同的效应, 但缺乏定量的评估。因此, 本研究进一步对根系低温环境对叶片霜冻害的影响进行了评估, 发现当霜冻发生时, 地上部叶片和地下部根系所处的温度环境都会发生剧烈的变化(图1), 叶片和根系分别处于不同的低温胁迫状态下, 根区缓冲降温会减轻叶片的冻害程度, 使霜冻指数显著降低(表1)。实验结果进一步证明根系确实参与调节叶片对低温的响应能力。
已有研究表明, 低温会造成PSII反应中心的光损伤(Mauro et al.,1997; Heber et al., 2001; Velikova et al., 2005; Bertamini et al., 2006)。也有研究证实, 遇夜间低温后, 白天的光照会造成光抑制(胡文海等, 2005)。但根系能否调节霜冻后PSII反应中心的光抑制还未见报道。
Fv/Fm是检测和衡量光抑制程度的敏感指标(Nikiforou et al., 2011)。Fv/Fm下降到0.8以下即表明发生了显著的光抑制(Johnson et al.,1993)。本研究显示, 根区缓冲降温使Fv/Fm的降低程度减小, 并且有利于Fv/Fm的光下恢复(图2); 而冻根处理不仅会造成Fv/Fm的显著下降, 还会造成光下恢复时强烈的光抑制(图2)。对F0的进一步分析发现, 根区缓冲降温使F0在光下恢复过程中不断降低, 表明根区缓冲降温处理使PSII反应中心启动了保护性的散热机制, 以减少过剩光能对反应中心的伤害。而冻根处理的F0在光下恢复阶段处于较高的水平, 表明霜冻已经对PSII反应中心造成了不可逆的损伤, 照光后会加剧损伤。
霜冻会造成葡萄叶片实际光化学效率ΦPSII的显著下降, 但根区缓冲降温会使温度下降的程度减小, 并有利于光下的恢复(图3)。这表明根区缓冲降温增强了PSII反应中心可逆失活以减轻光抑制的能力。
qP和Fv'/Fm'共同决定ΦPSII值的大小(Demmig- Adams et al., 1996), qP反映了开放的PSII反应中心数目(Maxwell and Johnson, 2000), 而Fv'/Fm'则可以衡量开放的PSII反应中心的激发能捕获效率。本研究表明, 缓冲根区温度的降低使霜冻后叶片开放的PSII反应中心数目有所增加, 而反应中心的激发能捕获效率有所下降; 在恢复阶段, 由于光照增强, 开放的PSII反应中心数目减少, 而反应中心的激发能捕获效率有所升高, 使ΦPSII维持稳定且保持较高水平。冻根处理在霜冻后及光下恢复阶段, qP和Fv'/Fm'都大幅降低, 最终导致ΦPSII无法恢复。
热耗散是叶片减轻光抑制的有效途径(郭连旺和沈允钢, 1996)。本研究表明, 霜冻处理导致叶片热耗散能力显著降低。根区缓冲降温处理导致叶片热耗散能力更加降低, 但是光照后热耗散能力会有所回升, 随着光照时间的延长, NPQ会增加到较高的水平。冻根处理也会导致恢复期NPQ的先升高后降低, 但是其值比较低, 表明叶片的热耗散能力也受到了破坏, 导致光抑制的产生, 进一步对光反映中心造成破坏。
综上所述, 根系温度条件参与调节叶片对霜冻的反应, 进一步影响叶片在霜冻后光下的恢复, 根区缓冲降温有利于减轻美乐葡萄叶片的冻害程度。
参考文献
文献选项
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文中引用次数倒序
被引期刊影响因子
高等植物光合机构避免强光破坏的保护机制
1
1996
... 热耗散是叶片减轻光抑制的有效途径(
夜间低温后日间光照对海桐和榕树叶片的光抑制以及光系统II功能的影响
1
2005
... 已有研究表明, 低温会造成PSII反应中心的光损伤(
龙眼葡萄棚架栽培条件下的根系分布
1
2006
... 霜冻伤害的严重程度与低温强度、低温持续的时间以及作物所处的生理状态有关.已有研究大多关注土壤温度对叶片低温响应的影响(
不同滴灌方式对荒漠区‘赤霞珠’葡萄根系分布的影响
1
2013
... 霜冻伤害的严重程度与低温强度、低温持续的时间以及作物所处的生理状态有关.已有研究大多关注土壤温度对叶片低温响应的影响(
简易覆盖对泰安地区酿酒葡萄园冬季土壤温湿度的影响
2015
1
2006
... 已有研究表明, 低温会造成PSII反应中心的光损伤(
1
1996
... qP和Fv'/Fm'共同决定ΦPSII值的大小(
2002
1
2001
... 已有研究表明, 低温会造成PSII反应中心的光损伤(
2
1989
... 霜冻伤害的严重程度与低温强度、低温持续的时间以及作物所处的生理状态有关.已有研究大多关注土壤温度对叶片低温响应的影响(
... 由于昼夜交替, 气温和土壤温度都处于波动状态, 且气温和土壤温度的变化并不同步, 这就使植物的叶片和根系分别处于不同的温度环境中.在正常情况下, 植物可以适应这种地上-地下的温度差异, 并使其各自以及整体的功能处于相对平衡状态.但极端的降温天气会打破这一平衡.因此有理由推测, 这种整体平衡性被打破可能会改变局部器官甚至是植物整体对环境的响应.前人的研究从侧面证实了这一推测(
1
1993
... Fv/Fm是检测和衡量光抑制程度的敏感指标(
1
1997
... 已有研究表明, 低温会造成PSII反应中心的光损伤(
1
2000
... qP和Fv'/Fm'共同决定ΦPSII值的大小(
1
2014
... 冻害是葡萄(Vitis vinifera)春季生长期经常遇到的灾害.美乐葡萄(V. vinifera cv. ‘Merlot’)是酿造干红葡萄酒的经典品种, 但发芽早的特性使该品种很容易遭受春季霜冻的伤害.春季霜冻会降低葡萄的产量和品质, 造成巨大的经济损失(
1
2011
... Fv/Fm是检测和衡量光抑制程度的敏感指标(
1
2014
... 冻害是葡萄(Vitis vinifera)春季生长期经常遇到的灾害.美乐葡萄(V. vinifera cv. ‘Merlot’)是酿造干红葡萄酒的经典品种, 但发芽早的特性使该品种很容易遭受春季霜冻的伤害.春季霜冻会降低葡萄的产量和品质, 造成巨大的经济损失(
1
2012
... 冻害是葡萄(Vitis vinifera)春季生长期经常遇到的灾害.美乐葡萄(V. vinifera cv. ‘Merlot’)是酿造干红葡萄酒的经典品种, 但发芽早的特性使该品种很容易遭受春季霜冻的伤害.春季霜冻会降低葡萄的产量和品质, 造成巨大的经济损失(
1
2005
... 已有研究表明, 低温会造成PSII反应中心的光损伤(
2
2007
... 霜冻伤害的严重程度与低温强度、低温持续的时间以及作物所处的生理状态有关.已有研究大多关注土壤温度对叶片低温响应的影响(
... 由于昼夜交替, 气温和土壤温度都处于波动状态, 且气温和土壤温度的变化并不同步, 这就使植物的叶片和根系分别处于不同的温度环境中.在正常情况下, 植物可以适应这种地上-地下的温度差异, 并使其各自以及整体的功能处于相对平衡状态.但极端的降温天气会打破这一平衡.因此有理由推测, 这种整体平衡性被打破可能会改变局部器官甚至是植物整体对环境的响应.前人的研究从侧面证实了这一推测(