低温胁迫对高粱幼苗叶绿素荧光参数的影响

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(山西省农业科学院高粱研究所,高粱遗传与种质创新山西省重点实验室, 山西 晋中 030600)

高粱是我国北方主要旱作农作物之一 ,其生长发育和产量除了受到遗传因素影响外，也受到多种自然因素制约。低温影响是高粱减产的主要因素之一，高粱播种正值北方早春时节，生长初期常会受到气温低下的影响，出现不良生长现象如苗弱、植株矮小，生长发育缓慢、甚至抑制生长及植株死亡的情况，低温损伤成为严重影响高粱生产的原因之一[1-2]。

近年来，逆境生理专家学者关于玉米、水稻、棉花等作物在低温胁迫下其生理机制的响应做了大量研究[3-6]。研究结果显示，叶绿素荧光参数一定程度上可以作为反映作物低温胁迫状态的指示标志。监测叶绿素荧光特性可以快速的了解有关光合作用能量捕获及电子传递等诸多方面的情况，同时，在一定程度上反映光合系统“内在性”特点[7]，且测定叶绿素荧光参数的方法简便，对于植物又无损伤。叶绿素荧光参数可以作为内在探针研究植物光合作用与环境关系，因而，利用测定叶绿素荧光特性揭示逆境生理胁迫对植物光合作用影响[7-8]的方法已经被广泛应用于该领域。在高粱逆境生理胁迫研究领域中，关于盐胁迫、水分胁迫等逆境条件下高粱叶绿素荧光参数的变化前人已有研究[10-11]，然而，低温胁迫对高粱苗期叶片的叶绿素荧光特性的影响鲜见报道。

本研究以2个高粱杂交种为试验材料，进行苗期低温逆境胁迫处理，以高粱幼苗叶绿素荧光动力学特征为研究契机，观察高粱幼株叶片叶绿素荧光参数的变化规律，探讨叶绿素荧光参数对低温胁迫的响应机制。旨在明确高粱苗期幼株的耐低温生理机制，揭示幼苗荧光叶绿素参数与低温逆境胁迫的关系，为高粱耐冷生理机制的深入研究及耐低温高粱品种的选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料选用2个高粱杂交种：晋杂12号和晋中405，由山西省农业科学院高粱研究所提供。

1.2 试验设计

盆栽播种，花盆装土3 kg，每盆留苗10株。植株7片叶时, 挑选长势良好、大小一致的植株，移入智能型人工气候箱进行低温处理(光照时间设为08：00—17：00时，光照强度为 120μmol/(m·s)，相对湿度保持在 80%～85%之间，幼苗在气候箱内昼/夜温度为14 ℃/5 ℃,保持该温度为处理温度)。设置6个处理，分别为ck(自然生长为对照)，2，4，6，8，10 d低温胁迫处理，3次重复，6个处理分别采样进行各项指标测定。

1.3 叶绿素荧光参数的测定方法

采用OS 5 p调制型叶绿素荧光仪(北京易科泰生态技术有限公司生产)测定叶绿素荧光动力学参数。采样时选择高粱幼苗上数第 2 片完全展开叶，每个处理测定3片叶。测定前首先将叶片暗适应 30 min，然后再进行光适应测定。

叶绿素荧光参数值：最大光化学效率Fv/Fm；原初光能转换效率Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm；PSⅡ潜在活性Fv/F0=(Fm-F0)/F0；光化学荧光淬灭系数qP=(Fm'-Ft)/(Fm'-F0')；非光化学荧光淬灭系数NPQ=1-(Fm'-F0')/ (Fm-F0)。

1.4 数据处理与方法

采用 DPS 10.05软件[8]和Microsoft Excel 2007软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对高粱幼苗叶片初始荧光(F0)的影响

初始荧光(F0)反映了逆境对植物叶片 PSⅡ永久性伤害程度。遇冷F0呈升高趋势是PSⅡ中心遭到破坏的反映，而非消耗化学能量造成的[12]。

不同天数低温胁迫处理结果(图1)表明，随着低温胁迫时间的延长，F0呈显著上升趋势。晋杂12号在低温胁迫4，6，8，10 d处理与对照差异极显著(p<0.01)，10 d低温胁迫处理F0比对照升高46.33%，PSⅡ中心严重破坏，晋中405在低温胁迫6，8，10 d处理时与对照差异显著(p<0.05)，与晋杂12号相比，在低温胁迫下晋中405 幼苗叶片的F0遇冷不敏感。

2.2 低温胁迫对高粱幼苗叶片(Fv/F0)、(Fv/Fm)的影响

最大光化学量子产量(Fv/Fm)也称为最大PSⅡ的光能转换效率[13-14]，在一定程度上表示PSⅡ反应中心内光能转换效率。Fv/F0反映PSⅡ的潜在活性。由图2和图3可见，参试高粱随着低温胁迫时间的延长，幼苗叶片Fv/F0和Fv/Fm与对照相比均呈较明显的下降趋势，低温胁迫处理2，4，6 d，Fv/F0和Fv/Fm下降缓慢，当低温胁迫时间延长到8，10 d时就开始较为迅速的下降，幼苗叶片Fv/F0、Fv/Fm与对照相比差异极显著。晋杂12号和晋中405低温胁迫处理10 d的幼苗叶片Fv/F0分别比对照降低11%、55%，Fv/Fm分别比对照降低21.68%、23.70%，试验结果显示，遇冷胁迫减弱了高粱幼苗叶片 PSⅡ的潜在活性和原初光能转化效率，从而抑制高粱幼苗叶片的PSⅡ 反应中心活性，破坏完整植物叶片光合器官的生理状态。

图2 低温对高粱幼苗Fv/F0的影响

图3 低温对高粱幼苗Fv/Fm的影响

2.3 低温胁迫对高粱幼苗叶片光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(NPQ)的影响

光化学淬灭系数(qP)反映了 PSⅡ的电子传递活性和 QA 的还原状态[13,15]。由图4可见，苗期高粱幼株叶片的qP随着低温胁迫处理天数的延长而呈明显下降趋势，且各低温胁迫处理的qP低于对照，晋中405高粱幼苗低温胁迫处理后的qP与对照在p<0.05水平达到差异显著；10 d低温胁迫处理，晋杂12号和晋中405的(qP)分别比对照下降46.33%、50.31%，表明植物吸收的光能用于光化学反应部分的能量减弱。

非光化学淬灭系数(NPQ)是植物对光合机构的自我保护生理机制过程中不能用于光合电子传递， PSⅡ天线色素以热形式耗散掉的光能部分[13,18]。由图 5可以看出，高粱幼苗叶片的NPQ 随着低温胁迫时间的延长呈先上升后下降的趋势,在低温胁迫 4 d 时非光化学淬灭系数(NPQ)达到最高，晋杂12号和晋中405分别比对照升高19.55%、14.77%。低温胁迫处理对高粱幼苗NPQ存在一定程度影响， 此结果反映了高粱幼苗能够通过适当增加热耗散来保护 PSⅡ免受伤害或减轻伤害。但低温胁迫6 d以上时高粱幼苗叶片NPQ呈下降趋势，表明低温胁迫处理延长天数会抑制 PSⅡ的热耗散。

图4 低温对高粱幼苗qP的影响

图5 低温对高粱幼苗NPQ的影响

3 结论与讨论

光合作用过程可以敏感地响应植物对逆境的表现，因此监测逆境胁迫条件下叶绿素荧光动力学参数的变化可以一定程度上了解逆境光合生理机理。张守仁[13]、白志英等[14]、杜尧东等[15]研究报道表明，逆境胁迫可以导致F0的上升。本研究结果表明，低温胁迫条件诱导高粱叶片的F0明显升高，该结果与陈梅等[18]研究一致。初始荧光F0反映 PSⅡ中心捕光天线能力，同时与之反应中心的结构与功能相关。低温胁迫下F0上升的光合生理机制除了PSⅡ反应中心失活外，还有捕光天线和PSⅡ反应中心的结构发生变化，阻碍了捕光天线到反应中心之间的能量传递[18]。

Fv/Fm表示PSⅡ反应中心处于开放状态时的量子产量，称作 PSⅡ反应中心潜在光能转化效率。自然条件下正常生长的植物Fv/Fm值通常为0.8，当植物受到极度自然条件(例如干旱[14]、极端温度[15-16]和盐胁迫[17]等)逆境胁迫时，植株叶片Fv/Fm值会不同程度下降。因此，Fv/Fm值可以作为逆境生理研究的重要指示性参数。

qP值一定程度表示PSⅡ电子传递活性，是天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的量。研究表明，在极度自然条件或环境胁迫下，植物叶绿素荧光参数会产生明显变化，通常是最大光化学效率(Fv/Fm)和光化学猝灭系数(qP)呈下降趋势[14-17]。本研究中，随着低温胁迫处理的时间延长，高粱幼苗叶片Fv/F0、Fv/Fm、qP均呈下降的变化趋势，该结果与李平等[5]的研究表现一致。

王艺陶等[10]、孙璐等[11]研究证明，非光化学淬灭(NPQ)可作为检测高粱早期逆境胁迫的参数。植物在逆境胁迫条件下PSⅡ反应中心利用光能的效率降低，如果不能及时耗散过量的光能，将造成光合机构失活或破坏，因此植物通过不断增加的NPQ来形成自我保护机制[18]。

研究表明，短时间的低温胁迫可以刺激NPQ升高，说明幼苗叶片一定程度上能通过增加热耗散来减轻低温胁迫对PSⅡ的伤害；然而，植物幼苗处于长时间低温胁迫时，NPQ呈下降趋势[18,20]。NPQ对逆境胁迫的如此反映，有研究解释与叶黄素循环相关，长时间极端低温抑制叶黄素循环的关键酶活性而导致 NPQ的下降。

本试验结果显示，低温胁迫高粱幼株的非光化学猝灭(NPQ)呈先上升后显著下降趋势，在低温处理 4 d 时NPQ达到最高；低温处理6 d以上，NPQ表现出明显下降趋势，此时PSⅡ反应中心开放度减小，光合电子传递活性减弱。当植物受到非生物胁迫时，直接或者间接地影响叶片的光合特性并改变叶绿素荧光特性，这与陈梅等[18]的试验结果一致。

长时间低温胁迫对高粱幼苗重要的光合机构会造成严重损害，也会影响植物体内的一些自我保护机制和调节机能丧失，低温伤害甚至不可逆，从而影响到高粱的产量和品质。本试验主要研究了长时间低温胁迫对高粱幼苗的叶绿素荧光参数变化规律，而对短期不同低温胁迫高粱幼苗叶绿素荧光参数的变化规律和耐低温机制的研究还有待深入。

综上所述，随着低温胁迫处理天数增加，植株叶绿素荧光特性减弱，高粱幼株叶片的Fv/F0、Fv/Fm和qP降幅越大，减弱了PSⅡ天线色素对光能的捕获效率，导致叶片所吸收的光能不能充分地用于光合作用，降低了PSⅡ光化学的最大效率。因此，叶绿素荧光参数可以作为筛选高粱耐冷品种的重要指标。通过监测叶绿素荧光特性，加速耐冷品种的鉴定和选育工作。