不同温度对不同基因型棉花叶片叶绿素荧光的影响

邢双涛，李志博，汤丽魁，赵瑞海，魏亦农

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832000)

不同温度对不同基因型棉花叶片叶绿素荧光的影响

邢双涛，李志博，汤丽魁，赵瑞海，魏亦农

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832000)

【目的】在不同温度条件下，研究不同基因型棉花叶片叶绿素荧光特性指标的变化，为耐高温棉花品种的筛选提供理论依据。【方法】分别在25、30、35、40、45和48℃的恒温培养箱处理不同基因型棉花13-1品系、新海24号、13-1×新海24号(杂交种)、13-1×新海14号(杂交种)，利用快速荧光测定仪(Handy PEA-100)测定不同基因型棉花叶片荧光特性主要参数。【结果】随着温度不断升高，性能指数PIABS、最大光化学Fv/Fm、电子传递产额φEo表现为先升高后降低，而热耗散DIO/CSO、初始荧光FO则先降低后升高；性能指数PIABS在40℃时4个不同棉花基因型棉花品系呈极显著，比Fv/Fm更准确地反映光合状况。【结论】利用隶属函数法分析4种不同基因型棉花品种(系)，其中13-1×新海24号隶属函数值最高，属于耐热品系。

棉花；温度；最大光化学效率；性能指数；叶绿素荧光

0 引 言

【研究意义】光合作用在植物生长的过程中发挥着重要作用，且受环境的影响较大。高温胁迫会导致光合作用受到抑制，影响光合效率[1]。棉花虽然是喜温作物，但在生长发育与生殖发育过程中遇到35℃以上高温，就会影响棉花得正常生长[2]。利用快速叶绿素荧光仪来研究植物光合过程中光能利用，及外界环境因子对其影响，已成为作物逆境胁迫研究中的热门技术[3]。因此研究不同基因型棉花叶片在不同高温度下的叶绿素荧光参数变化规律，为鉴定棉花耐高温材料提供依据。【前人研究进展】董文庆等[4]发现棉花在不同生育时期受到高温胁迫时，不同的棉花品种荧光指标Fv/Fm、FO、PIABS在蕾期差异最显著，蕾期用Fv/Fm、FO、PIABS指标量棉花光合耐热性，性能指数PIABS比其它指标更敏感地反映出棉花耐热性。随着温度持续升高(25～50℃)，对两个不同基因型小麦光系统Ⅱ的能量热耗散DIO/CSO差异不显著，用于QA-以后的电子传递能量比例φEo表现显著降低，初始荧光FO显著升高，最大光化学效率Fv/Fm、性能指数PIABS均显著下降[5]。杜国栋等(2011)[6]发现在高温胁迫下，对仁用杏叶片放养复合体、PSⅡ反应中心造成破坏，而且在50℃高温导致初始荧光FO显著升高，而Fv/Fm、PIABS分别显著下降，导致高温损害了PSⅡ受体侧和供体侧的功能，使光合机构受害主要机制之一。【本研究切入点】目前相关研究仅在陆地棉品种中进行，对于棉花不同的品种类型的研究相对较少。通过比较不同基因型品种及杂交种，进一步研究棉花耐热的生理机制。【拟解决的关键问题】在不同温度条件下，研究不同基因型棉花叶片叶绿素荧光特性指标的变化，为进一步选育耐高温的棉花品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验材料为13-1品系、新海24号、13-1×新海24号(杂交种)、13-1×新海14号(杂交种)，以上品种(系)均由绿洲生态重点实验室育种室提供。品种(系)种植在新疆兵团绿洲生态农业重点实验室培养温室。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采取盆栽试验，以基质和蛭石按1∶1比例混合装进直径30 cm，高25 cm的花盆，每盆种3株，每个品种类型3盆。放在温室生长，定期浇适量的水，温室的温度20℃，棉花长到5～6片叶时，开始放到恒温培养箱处理，光照强度3 000 lx，湿度65%。分别以25、30、35、40、45和48℃的温度处理8 h，处理之后测定棉花荧光特性。

1.2.2 荧光特性测定

采用英国Hansatech公司的植物效率分析仪(Handy PEA-100)对棉花叶片进行OJIP曲线测定，曲线由3 000 μmol/(m2·s)的饱和光诱导，测定前用叶夹暗适应15 min，从曲线得到相应参数，最大光化学效率(在t=0时)，Fv/Fm=φPo≡TRO/ABS=1-(FO/Fm)；吸收的光量子将电子传递QA-下游的其它电子受体的概率(在t=0时)，φEo≡ETO/ABS= [1-(FO/Fm)]·ψO；FO代表PSⅡ反应中心开放时O点暗适应最小荧光强度，与单位面积的热耗散(在t=0时DIO/CSO)时相等；以吸收光能为基础的性能指数，PIABS≡(RC/ABS)·[φPo/(1-φPo)]·[ψO/(1-ψO)][7-9]。

1.2.3 棉花叶片耐热性评价

对供试4种不同基因型棉花叶片的叶绿素荧光指标进行评价，用模糊隶属函数法[10]，对每项指标求隶属值，公式如下：

Y(μ)=(Y-Ymin)/(Ymax-Ymin).

公式中，Y指不同基因型棉花叶片某一项指标测定值，Ymax为某一项指标最大值，Ymin为指标最小值，如果荧光参数与耐热性呈负相关，可以用反隶属函数求函数值如：Y(μ)=1-(Y-Ymin)/(Ymax-Ymin)。

将不同温度各个指标耐热隶属值进行累加，综合值越大，耐热性越强。

1.3 数据处理

数据用统计软件SPSS 19.0进行分析，单因素、多变量方差分析采用(LSD)和(Duncan)法进行差异显著性检验，采用Microsoft Excel 2013软件作图。

2 结果与分析

2.1 高温对不同基因型棉花叶片荧光指标的影响

2.1.1 高温对不同基因棉花叶片Fv/Fm的影响

Fv/Fm反映PSⅡ中心的光能转换效率，Fv/Fm降低表示植物光合抑制。研究表明，随着温度由25℃升至30℃时，4个不同基因型棉花最大光化学效率Fv/Fm均显著升高(除13-1×新海14号无显著)，与对照(25℃)相比，升高依次13-1×新海24号>新海24号>13-1品系>13-1×新海14号，但品系之间呈显著性差异。35～45℃时，13-1(品系)、新海24号下降幅度增大，13-1×新海24号和13-1×新海14号下降缓慢；13-1(品系)与新海24号之间有显著性，13-1×新海24号、13-1×新海14号无显著。当温度升高到48℃时，最大光化学效率Fv/Fm除13-1×新海14号均显著降低，降到最低是13-1品系，最高是13-1×新海14号，但品系之间差异不显著。图1

图1 不同温度下不同基因型棉花叶片的Fv/Fm变化
Fig.1 Effect of temperature on Fv/Fm in leaves of different varieties

2.1.2 高温对不同基因棉花叶片φEo的影响

φEo反映了吸收的光量子将电子传递QA-下游的其它电子受体的比例，电子传递的量子产额φEo降低，电子受体比率降低。研究表明，随着温度升高，4个不同基因型ΦEo呈先升高后降低趋势，30℃时出现峰值，新海24号、13-1×新海24号和13-1品系、13-1×新海14号差异显著；48℃时降至最低，4个品系间无显著。13-1×新海24号的φEo值在大于45℃迅速显著下降，13-1品系、新海24号在40℃持续显著下降。图2

图2 不同温度下不同基因型棉花叶片的Fv/Fm变化
Fig.2 Effect of temperature on Fv/Fm in leaves of different varieties

2.1.3 高温对不同基因棉花叶片FO的影响

初始荧光FO在暗适应光系统中心完全开放的荧光产量状态，增加导致PSⅡ中心的失活性，衡量植物热伤害的一种指标。研究表明，随着温度不断升高，30℃降到最低，48℃升到最高，13-1×新海24号呈极显著差异，新海24号呈显著差异，而13-1品系、13-1×新海14号无显著性差异。图3

图3 不同温度下不同基因型棉花叶片的FO变化

Fig.3 Effect of temperature on FOin leaves of different varieties

2.1.4 高温对不同基因棉花叶片DIO/CSO的影响

DIO/CSO反映了棉花叶片PSⅡ单位面积的热耗散状况，过剩热耗散与内囊体膜的能量有关。研究表明，随着温度不断升高，DIO/CSO值在30℃降到最低，而后随温度的升高而升高，在48℃时DIO/CSO值升到最高，13-1(品系)、13-1×新海14号无显著差异，新海24号呈显著性差异，13-1×新海24号呈极显著差异。图4

图4 不同温度下不同基因型棉花叶片DIO/CSO变化

Fig.4 Effect of temperature on DIO/CSOin leaves of different varieties

2.1.5 高温对不同基因棉花叶片PIABS的影响

PIABS作为的光化学性能指数，反映光合机构的活性。研究表明，随着温度逐渐升高，4个不同基因型棉花性能指数PIABS均呈先上升后下降趋势；48℃降至最低基本保持平衡；35～48℃时，13-1×新海24号、新海24号、13-1×新海14号呈极显著，13-1品系呈显著，不同基因型棉花品种(系)在40℃差异显著，其它温度品系之间差异不显著。图5

图5 不同温度下不同基因型棉花叶片的PIABS变化

Fig.5 Effect of temperature on PIABSin leaves of different varieties

2.2 不同基因型棉花叶片耐热性评价

用模糊隶属函数法，对4个不同基因型棉花叶片的3个叶绿素荧光参数进行隶属值计算。PIABS、φEO、Fv/Fm、FO、DIO/CSO指标耐热隶属值进行累加，得出不同基因型棉花叶片耐热性综合值。研究表明，不同基因型棉花叶片有差异的，13-1×新海24号耐热性综合值最大值9.76，是新海24号的1.52倍，13-1品系、13-1×新海14号各1.38倍。表1

表1 4个不同基因型棉花材料耐热综合评价值
Table 1 Heat value of four different genotype cotton materials

不同棉花品系Differentcottonstrain30℃耐热值30℃heatvalue35℃耐热值35℃heatvalue40℃耐热值40℃heatvalue45℃耐热值45℃heatvalue48℃耐热值48℃heatvalue总的耐热函数值Heatcomprehensivevalue13-1品系13-1strain2.492.061.430.910.187.06新海24号Xinhai242.562.041.480.270.066.4213-1×新海24号13-1×Xinhai242.802.552.261.720.439.7613-1×新海14号13-1×Xinhai141.521.591.411.401.157.07

3 讨 论

当前，叶绿素荧光探针已经用到小麦、玉米、水稻作物抗逆的应用，它能快速无损伤探测到高温对光合特性的影响[11]，也是评价植物耐热性是否受损的良好指标。因此，深入研究高温对不同基因型棉花叶片PSⅡ的光合机构的影响，具有重要意义。

研究中，在25～48℃，4种不同基因型棉花叶片FO、DIO/CSO随着温度升高而升高，这与张谧[12]Yamane[13]的研究认为高温导致FO的光合机构和色素天线细胞分开，抑制了能量的传递，耗散剩多的光能研究一致。在高温过程中，13-1×新海24号达到极显著差异，新海24号呈显著差异，而13-1品系、13-1×新海14号无显著差异。FO升高反映了捕光色素复合体与PSⅡ的分离，也就是PSⅡ的中心内囊体膜基粒减少。在35～40℃时4个不同基因型棉花品系FO显著上升，说明PSⅡ和捕光色素复合体分离严重。在中等高温下，初始荧光FO升高不显著，说明对内囊体膜变化是可逆的。其中，13-1×新海24号变化范围最小，有利于在高温下进行光合反应，提高转化效率。DIO/CSO反映了PSⅡ反应中心以热能消耗能量比率。前人研究表明：在高温条件下，PSⅡ光抑制是QA-积累的电子传递链上电子向下传递减少，使PSⅡ反应中心失去活性，转成热耗散能量，耗散过剩光能，随着温度升高，DIO/CSO增加[14]。研究表明：随着温度升高，DIO/CSO也增加，13-1×新海24号、新海24号呈显著拐点在40℃，13-1×新海24号在小于40℃变化最平稳，耐热性较强，而13-1(品系)、13-1×新海14号无显著差异，高温拐点在35℃，耐热性较弱。

在光能利用分配比率上，随着温度不断升高，4种不同基因型棉花叶片PIABS、φEO、Fv/Fm先升高后下降趋势，表明在大于30℃以上时最大光化学效率Fv/Fm降低主要是高温影响了初始荧光FO增大和降低了最大荧光Fm，这是由于高温导致PSⅡ放养复合体(OEC)的失活而产生。OEC失活，会导致QA接受电子减少，电子传递能力严重降低，导致PSⅡ中心受到严重破坏，这与前人[15]研究一致。φEO在大于30℃以上时，PSⅡ放养复合体(OEC)会受到破坏，导致QA-大量电子增多，阻止了受体侧QA电子传递到给QB，使量子产额φEO降低。性能指数包含(RC/CS、φPo和ψo)三个指标，分别代表单位面积内反应中心的数量、最大光化学效率、反应中心捕获电子传递到电子传递链中QA来推动QA还原激子的比率，因此，准确反映出棉花光合机构整体状况[16]。

不同基因型棉花叶片叶绿素荧光参数在高温下的变化，表明4种不同基因型棉花叶片耐热性不同，与13-1品系、13-1×新海14号、新海24号相比，13-1×新海24号在高温PIABS、φEO、Fv/Fm下降比较平缓，FO、DIO/CSO上升缓慢，说明13-1×新海24号在高温下可以降低PSⅡ中心受损，PSⅡ还能够有少部分光化学反应功能，热耗散或者某些保护机制(光保护作用、叶黄素循环、类囊体膜脂)可以促进向耐热状态转变，对高温具有较强热稳定性，更能适应高温，而13-1品系、13-1×新海14号、新海24号表现出在较高温度下热耗散与PSⅡ捕获光能减弱，对高温的耐受力较低。

4 结 论

高温引起伤害PSⅡ受体电子传递受阻，放氧复合体受到损害，使PSⅡ中心光合反应受到抑制，引起热耗散增加，当温度继续升高，会导致PSⅡ放养复合体受到严重破坏，捕获光能减少，PSⅡ中心光合利用率降低。高温胁迫明显导致了4种不同基因型棉花耐高温不同，利用方差分析及隶属函数法等方法，对4种不同基因型棉花叶片叶绿素荧光参数PSⅡ功能综合评价结果表明：性能指数PIABS在高温下比Fv/Fm更灵敏，13-1×新海24号在高温下表现出光化学效率、电子传递与热耗散、吸收光能表现最好。13-1×新海24号在极端高温占主要优势。

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Supported by: Autonomous Region Key Technology R&D Program "Effects of high temperature on photosynthetic characteristics, chlorophyll fluorescence and antioxidant system of cotton" (31560406)

WEI Yi-nong(1964-), male, professor, poctoral degree, cotton genetics & breeding

Effects of Different Temperatures on Chlorophyll Fluorescence of Different Genotypes of Cotton Leaves

XING Shuang-tao, LI Zhi-bo, TANG Li-kui, ZHANG Rui-hai, WEI Yi-nong

(KeyLaboratoryofOasisEco-agricultureofXinjiangProductionandConstructionCorps,CollegeofAgronomy,ShiheziUniversity,ShiheziXinjiang832003,China)

【Objective】 This study aims to investigate the differences of leaf chlorophyll fluorescence characteristic parameters between different genotypes of cotton under different temperatures and to provide a theoretical basis to screen sui
Table indexes for evaluating high temperature - tolerance of cotton varieties. 【Method】Chlorophyll fluorescence characteristic parameters in leaves of cotton seedlings of four different genotypes (13-1 strain, Xinhai 24, 13-1×Xinhai 24 hybrid, 13-1×Xinhai 14 hybrid) were determined by rapid fluorescence detector (Handy PEA -100) under 25℃, 30℃, 35℃, 40℃, 45℃ and 48℃ respectively.【Result】The performance index of PIABS, maximum photochemical Fv/Fm and electron transfer yield φEo increased at first and decreased subsequently as the temperature increased, the heat dissipation DIO/CSO, initial fluorescence FOwas on the contrary. PIABSperformance index between the four different genotypes of strains was extremely significant at 40℃, and it could more accurately reflect photosynthetic status than Fv/Fm. 【Conclusion】Using the method of subordinate function to analyze the four different genotypes, it is found that 13-1×Xinhai 24(hybrid) has the highest subordinate function value, and we believe that it belongs to heat resistant strains.

cotton; photosynthetic mechanism; temperature; maximum photochemical efficiency; performance index

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.03.002

2016-01-03

新疆维吾尔自治区科技支撑项目“高温对棉花光合特性、叶绿素荧光及抗氧化体系的影响”(31560406)

邢双涛(1988-)，男，陕西渭南人，硕士研究生，研究方向为作物遗传育种，(E-mail)xingst1988@163.com

魏亦农(1964-)，男，新疆库尔勒人，教授，博士，研究方向为棉花遗传育种，(E-mail)weiyinong@163.com

S562

A

1001-4330(2017)03-0403-06