蕾期低温胁迫对棉花叶绿素荧光特性的影响

2022-02-21钟信念梁其干魏亦农赵建华马海霞李志博

新疆农业科学 2022年9期

钟信念，梁其干，魏亦农，赵建华，马海霞，李志博

（1.石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003；2.海南省澄迈县热带作物服务中心，海南澄迈 571900；3.新疆农业科学院/海南三亚农作物育种试验中心，海南三亚 572014）

0 引言

【研究意义】低温是影响植物生长和分布的自然灾害因素之一[1-2]。棉花属于锦葵科棉属植物，容易受到低温冷害的影响[3]。新疆农作物常常遭到低温冷害[4]。低温冷害不仅常发生在棉花的播种期和收获期，也会发生在棉花开花结蕾期。苗期棉花温度在15℃以下，会使棉花生长发育速度减缓或者是停止生长，后期温度在20℃以下，对纤维成熟不利[5]。低温使棉花生育延迟、花蕾脱落，品质和产量严重下降[6]。近些年在新疆棉花生长中期也出现了连续低温冷害极端天气[4]。【前人研究进展】低温显著加重了光合系统的损伤程度和光抑制，且明显抑制了NPQ[4]。低温胁迫下棉花幼苗的qN反应比qP灵敏[7]。植株最大光合速率随胁迫时间延长而下降、光化学淬灭系数qP呈现先降后升趋势[8]。5和10℃处理8 d对光合反应系统及Fv/Fm并无显著影响；5处理下Fv/Fm随处理时间的延长而降低，且回升至与对照相同的水平需要4 d[9]。22℃/17℃低温下qP、Fv/Fm均呈先降后升的趋势，而NPQ则于低温处理第6 d达最大值[10]。胡倩等[11]以2年生油茶幼苗为试验材料，设置（4℃和-4℃）2个低温胁迫组，温胁迫虽然降低了油茶叶片的SPAD值，但未达到显著水平。植物的叶绿素荧光变化，一定程度上可以反映逆境对植物光合作用的影响[12]。低温胁迫下4个产地绿竹的Fv、Fm、Fm/Fv和Fv/Fo均呈现下降的趋势，Fv变化的趋势为先降后升，叶片Fo升高[13]。【本研究切入点】关于低温对棉花的影响已有相关研究[14-15]。目前大部分研究主要针对低温水平对苗期棉花的影响[16-17]；或研究抗寒剂包衣对棉花种子萌芽的影响[18-19]及耐寒性鉴定[20-21]；有关低温持续期与低温强度对棉花光合参数综合效应的研究较少。即使有少量的研究同时考虑了低温水平和低温持续时间的综合效应[22]，但其温度的设置有待进一步完善。目前对植物叶绿素荧光参数受低温胁迫影响的研究主要集中于蔬菜类和其他果树类[23-25]，而研究低温胁迫对蕾期棉花叶绿素荧光参数影响的相关研究目前为止仍未见相关报道。需研究蕾期低温胁迫对棉花叶绿素荧光特性的影响。【拟解决的关键问题】采用人工控温、控光等条件的方法，选用棉花蕾期耐冷性相关指标，研究3个低温梯度低温胁迫对棉花蕾期光合特性的影响，为棉花蕾期遭遇逆境条件进行温度调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为新疆北疆不同年代代表性的3个陆地棉棉花主栽品种：新陆早61号、新陆早36号、新陆早10号，棉花种子均由新疆兵团绿洲生态农业重点实验室棉花育种室提供。

1.2 方法

1.2.1 棉苗培养及处理

各品种挑选饱满健康且经硫酸脱绒的种子，用0.4%的高锰酸钾溶液对种子消毒10～15 min，用蒸馏水冲洗3～4次，冲洗后放置于经75%酒精消毒的烧杯中备用。放置于垫有干净滤纸（防止种子根部穿过纱布网眼）及纱布的发芽盒中，用56℃温水泡种20～25 min后在28℃培养箱中发芽，每个发芽盒放40粒种子发芽过程中加少量水保持发芽床湿润。

当种子芽长1 cm时移栽到盆径（320×250）mm的花盆进行播种育苗。培养土采用花卉市场采购的花土与蛭石以4∶1的比例混配。培养光照强度设置为50 000 lx、昼夜温度为28℃/20℃、光周期16 h、湿度为60%。待棉苗长至初始现蕾期时，分别移到同一型号的人工智能气候箱内开始进行不同低温胁迫处理培养。低温强度设轻度（T1）、中度（T2）、重度（T3）3个水平，每个水平下的气候箱培养条件为，T1光照强度20 000 lx，昼夜温度20℃/15℃光周期16 h；T2光照强度15 000 lx昼夜温度15℃/10℃光周期16 h；T3光照强度10 000 lx昼夜温度10℃/5℃光周期16 h3个低温梯度处理。以正常培养条件下为对照（CK）：50 000 lx、昼夜温度为28℃/20℃、光周期16 h、湿度为60%。每盆为1重复，每处理3次重复。每低温强度下棉花低温处理15 d，每隔5 d选取棉花倒4功能叶进行叶绿素荧光参数测定。图1

图1 不同低温胁迫下蕾期棉花表型变化Fig.1 Effect of low temperature stress for 15 days on cotton phenotype at bud stage

1.2.2 叶绿素荧光参数指标测量

叶绿素测定采用叶绿素仪（SPAD-502，日本）。叶绿素荧光参数测定采用美国OS5-FL型饱和脉冲式叶绿素荧光分析仪（kinetic模式），测定前叶片暗适应30 min后，暴露于3 000µmol/（m2·s）（PFD）饱和脉冲光下2 s左右。分别在20℃/15℃、15℃/10℃、10℃/5℃培养0、5、10和15 d的10：00～12：00测定其各快速叶绿素荧光参数；选取蕾期棉花倒四片功能叶做标记，测定时避开叶脉。取重复测定5次的平均值。之后每次测定使用相同叶片，每枚叶片测定2次，每个处理设置6株重复。各荧光参数及具体操作参照[20]。

1.3 数据处理

使用Excel 2019进行试验数据统计，SPSS 26.0进行差异性分析，P＜0.05表示差异显著，应用origin2021等画图软件综合分析作图。

2 结果与分析

2.1 蕾期低温胁迫对初始荧光（F0）的影响

研究表明，T2、T3处理下的蕾期棉花随着低温胁迫持续时间的延长Fo逐渐增大，且与对照相比，Fo均显著提高，低温胁迫使蕾期棉花PSII反应中心受到破坏。胁迫5 d时T1处理组与CK对照组之间差异不显著。各品种在T3胁迫第5 d及新陆早61号在T2胁迫受影响较大，T2、T3低温胁迫超过5 d可使对蕾期棉花PSII反应中心造成伤害。低温胁迫时新陆早61号初始荧光Fo的呈现先升高后下再升高的趋势。3种不同梯度低温胁迫处理下，CK和T1试验组的初始荧光（Fo）差异较小，而T2、T3的差异较大，T2、T3试验组的初始荧光（Fo）显著高于CK和T1试验组，T2、T3的低温胁迫的强度对要比蕾期棉花PSII反应中心的伤害要比T1大。图2

图2 不同低温胁迫下初始荧光Fo变化Fig.2 T Effects of low temperature stress on initial fluorescence Fo

2.2 蕾期低温胁迫对最大荧光产量（Fm）的影响

研究表明，T1和T2处理组中随着低温胁迫强度的升高，蕾期棉花最大荧光产量随之出现了先升高后降低再升高的趋势；而在T3处理组中，蕾期棉花的最大荧光产量发生急剧下降，且不同处理天数之间差异显著。T3处理15 d时蕾期棉花的最大荧光产量达到最低。蕾期棉花在遭受不同程度的低温胁迫时，最大荧光产量的变化趋势有所差异。在不同的低温胁迫处理组中新陆早10号受到的影响最大，新陆早10号的抗性较差。T1、T2低温处理5 d时新陆早61号发生了一次跃升，且T3处理组也大于新陆早10号、新陆早36号；而T1、T2处理5 d时新陆早10号的最大荧光产量一直较低。图3

图3 不同低温胁迫下最大荧光产量Fm变化Fig.3 Effects of low temperature stress on maximum fluorescence yield Fm

2.3 蕾期低温胁迫对可变荧光（Fv）的影响

研究表明，T1和T2处理组的可变荧光Fv大于CK组，且胁迫程度越大可变荧光Fv越大，而T3组的可变荧光Fv则显著低于CK，蕾期棉花在T1和T2为蕾期棉花植株可调节恢复的范围，在T1和T2胁迫强度下蕾期棉花可通过提升可变荧光Fv来增强植株的抗冷性。T3胁迫程度处理的蕾期棉花的可变荧光急剧降低，T3的胁迫程度远远超过了植株的抵抗范围。

T1和T2处理15 d内和CK的可变荧光之间差异不大。当T3胁迫15 d时为负值，T3的低温胁迫处理对蕾期棉花可造成较大的影响。T3处理组的可变荧光表现为0 d＞5 d＞10 d＞15 d，重度低温胁迫对蕾期棉花的影响随低温胁迫持续时间的延长而变大。在相同胁迫天数条件下，各处理组可变荧光呈T2＞T1＞CK＞T3，低温胁迫处理抑制了棉花的正常生长。图4

图4 不同低温胁迫下可变荧光Fv变化Fig.4 Effects of low temperature stress on i variable fluorescent Fv

2.4 蕾期低温胁迫对光化学效率（Fv/Fo）的影响

研究表明，T1和T2胁迫程度下的新陆早10号、新陆早36号的光化学效率与CK组差异不大，而新陆早61号T1处理的光化学效率略大于CK。3个品种在经过T1和T2胁迫处理15 d后的光化学效率均大于CK组，T1和T2处理可使蕾期棉花通过提升光化学效率来增强植株的抗冷性，在T1和T2胁迫强度下蕾期棉花可通过提升光化学效率来增强植株的抗冷性。

T3处理组的光化学效率急剧降低，T3的胁迫程度远远超过了植株的抵抗范围，且T3处理组的光化学效率表现为0 d＞5 d＞10 d＞15 d，重度低温胁迫对蕾期棉花的影响随低温胁迫持续时间的延长而变大；重度低温胁迫对蕾期棉花的影响随低温胁迫持续时间的延长而变大。低温胁迫对蕾期棉花的伤害随着胁迫时间的延长逐渐加大，低温胁迫处理严重抑制了棉花的正常生长。在相同胁迫天数条件下，各处理组可变荧光呈T2＞T1＞CK＞T3。新陆早10号、新陆早36号T1和T2处理15 d内的光化学效率和CK的光化学效率之间差异不大。新陆早61号则表现为波动较大。图5

图5 不同低温胁迫下光化学效率（Fv/Fo）变化Fig.5 Effect of low temperature stress on potential photochemical efficiency（Fv/Fo）

2.5 蕾期低温胁迫对花PS II最大光化学效率（Fv/Fm）的影响

研究表明，而T3处理的最大光化学效率则与CK组差异显著。3个品种在经过T1和T2胁迫处理15 d后的最大光化学效率均与CK组差异不大，T1和T2的胁迫程度还没有达到蕾期棉花的至死水平，而T3的胁迫程度则严重超过了蕾期棉花的承受水平。T1和T2胁迫程度下蕾期棉花可通过提升最大光化学效率来增强植株的抗冷性。与低温胁迫对可变荧光、光化学效率的影响趋势一样。

T3处理组的最大光化学效率急剧降低，T3的胁迫程度远远超过了植株的抵抗范围，且T3处理组的最大光化学效率的变化幅度表现为10 d＞15 d＞5 d，重度低温胁迫对蕾期棉花的伤害在胁迫处理第10 d达到最大程度。T3处理下3个品种的蕾期棉花均随着胁迫时间的延长最大光化学效率逐渐降低，长时间低温胁迫导致蕾期棉花抗寒性降低，低温胁迫处理严重抑制了棉花的正常生长。

在相同胁迫天数条件下，各品种的最大光化学效率变化大小表现为新陆早10号＞新陆61号＞新陆早36号，新陆早10号的抗冷性较差。3个品种在T1和T2处理15 d时的最大光化学效率和CK的最大光化学效率之间差异不大，其中新陆早10号不同处理组之间的的最大光化学效率波动较大。图6

图6 不同低温胁迫下PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）变化Fig.6 Effect of low temperature stress on maximum photochemical efficiency（Fv/Fm）of PS II

2.6 蕾期低温胁迫对光化学猝灭速率（qP）影响

研究表明，不同低温胁迫程度均造成3个品种蕾期棉花的光化学猝灭速率下降，光化学猝灭速率值降低，以T3-10℃/5℃条件降幅最大，T2-15℃/10℃条件次之，T1-20℃/15℃条件降幅最小。各品种在相同时段之间的光化学猝灭速率光化学猝灭速率差别不大。T1处理组下新陆早10号的光化学猝灭速率相比于CK下降最大，新陆早61号次之，新陆早36号的光化学猝灭速率下降最小；且均呈下降趋势。T1胁迫程度下新陆早10号的抗冷性较差。

不同处理组的光化学猝灭速率值均显著下降，并且光化学猝灭速率值下降幅度随着温度的降低明显增加，低温情况下，蕾期棉花叶片PSⅡ反应中心的开放程度降低。低温胁迫对蕾期棉花同胁迫程度的不同品种间的qN的影响并不明显，但和CK组相比较都呈现出显著性差异。蕾期棉花的光化学猝灭速率表现虽然表现出了整体下降的趋势，但各胁迫程度间均表现出显著性的差异，低温胁迫下的蕾期棉花通过热耗散的形式转移光能。新陆早36号次的光化学猝灭速率值整体下降较小，新陆早36号能够有效抵抗低温胁迫。图7

图7 不同低温胁迫下光化学猝灭速率qP变化Fig.7 Effect of low temperature stress on photochemical quenching rate qP

2.7 蕾期低温胁迫对非光化学猝灭速率（NPQ）的影响

研究表明，各个处理组的非化学猝灭速率均呈上升的趋势，低温胁迫显著抑制了蕾期棉花叶片的光合作用，材料在遭受低温胁迫时启动了自我保护机制，且通过非化学猝灭速率热耗散等消耗多余能量的途径避免PSⅡ功能损伤。随着低温胁迫时间的延长，蕾期棉花的非化学猝灭速率均持续上升，蕾期棉花具备通过热耗散上升来自我保护的能力。低温胁迫抑制蕾期棉花的光能利用率，促使PSⅡ的能量耗散增加，低温胁迫能提高蕾期棉花在胁迫条件下的光能利用率。T2组的新陆早10号相比于其他两个品种的非化学猝灭速率曲线上升速度快。T3处理组的非化学猝灭速率曲线上升幅度最大，T1组的曲线上升幅度最小；T3处理组的非化学猝灭速率急剧上升，低温胁迫对蕾期棉花的影响随低温胁迫持续时间的延长及胁迫强度的加大而变大。同一个低温胁迫处理组的非化学猝灭速率的变化幅度表现为5 d＞10 d＞15 d，重度低温胁迫对蕾期棉花的伤害在胁迫处理第5和10 d最大。图8

图8 不同低温胁迫下NPQ变化Fig.8 Effect of low temperature stress on NPQ

2.8 蕾期低温胁迫对叶绿素（SPAD）的影响

研究表明，T1的叶绿素含量最高，T2次之，T3的叶绿素含量最低，蕾期棉花叶片的叶绿素含量随着处理时间的延长及胁迫强度的增加，整体呈下降的趋势。低温胁迫强度越大叶绿素含量降低越快，低温胁迫时间越长叶绿素含量降低幅度越大。T3的叶绿素含量显著低于其它处理，叶片中叶绿素的含量随低温胁迫程度的加重而显著降低。在相同胁迫天数条件下，各处理组叶绿素含量为T1＞T2＞T3，蕾期棉花在低温胁迫下叶绿素受到严重的破坏。低温胁迫强度越大蕾期棉花叶片的叶绿素含量越降低，低温胁迫处理抑制了蕾期棉花叶片的正常生长。

对照棉花叶片的叶绿素值一直呈升高的趋势，但在处理后的第9 d，与处理前相比才表现出极显著差异。而胁迫棉花叶片的叶绿素值却呈下降的走势，且第3 d其叶绿素值就显著下降。对照和胁迫棉花叶片的叶绿素值第1 d达到显著差异，第3 d就达到了极显著下差异，棉花叶片的叶绿素值对低温弱光很敏感。图9

图9 不同低温胁迫下叶绿素SPAD变化Fig.9 Effects of low temperature stress on chlorophyll SPAD

3 讨论

研究表明，新陆早61号对T2胁迫5 d至10 d有一定的耐受范围，而当胁迫时长达到15 d时则超过蕾期棉花对低温胁迫的耐受范围。当低温胁迫时间的延长到10、15 d时，T2、T3的Fo随着低温胁迫持续时间的延长而愈加增大。王兆[26]通过对3个彩叶草品种进行低温胁迫研究，发现Fv/Fm和PSII都有不同程度的下降，此现象为彩叶草PSII结构受到了低温胁迫的伤害。与研究中蕾期棉花在低温胁迫时Fv/Fm下降的结果一致。研究蕾期棉花在轻度、中度低温胁迫时Fv/Fm均大于CK组（呈升-降趋势），重度低温胁迫时Fv/Fm则小于CK组（呈大幅下降-小幅上升趋势）且差异极其显著；Fv/Fo轻度、中度低温胁迫时与CK组差异不明显（呈降-升-降趋势），重度低温胁迫时Fv/Fm则低于CK组（呈急剧下降趋势）且差异极其显著，与已有的研究4份诺丽种质幼苗叶片的Fv/Fo和Fv/Fm随着胁迫强度加大，呈降-升-降趋势，不同处理间差异显著的研究结果基本相一致[25]，差异可能是由于实验材料及低温设置不同导致。

王春萍等[27]研究发现，低温弱光处理5 d后辣椒幼苗的SPAD值显著下降。实验中蕾期棉花SPAD值同样随低温胁迫时间的延长及胁迫强度增加呈下降趋势。（25、12、9、6、3、0℃）低温处理1、3、5 d下，诺丽幼苗叶片非光化学猝灭系数（NPQ）均显著升高[25]；与研究中遭遇低温胁迫时NPQ升高的结果一致。但也有对咖啡在8℃和0℃低温胁迫处理72 h进行的研究，随着处理温度的降低和时间的延长，咖啡叶片的非光化学浮灭系数（NPQ）呈下降趋势[28]。以上出现NPQ大幅度降低的现象可能是由于该实验设置的温度过低引起的。

郭菊兰等[13]研究发现5℃低温胁迫下，可变荧光（Fv）低于CK，且随低温时间的延长呈现下降趋势，在低温第5 d，显著低于CK（P＜0.05）。与研究中中度、重度胁迫下可变荧光（Fv）呈现下降趋势的现象相一致。越冬低温胁迫下可变荧光（Fv）表现为先下降后上升、最大荧光（Fm）表现为先下降后上升[23]；与研究中轻度胁迫下可变荧光（Fv）同样表现为先下降后上升的趋势相一致；而与本研究中最大荧光（Fm）在轻度、中度胁迫下最大荧光（Fm）先上升后下降，重度胁迫下最大荧光（Fm）呈现逐渐下降趋势的结果有出入，不同的实验材料，最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv）对低温胁迫的响应趋势不一致。