以叶绿素荧光作为玉米光合作用耐冷性的选择工具外文翻译资料

以叶绿素荧光作为玉米光合作用耐冷性的选择工具

摘要：

研究分析了六种不同基因型的叶绿素a的荧光淬灭作为提高玉米耐寒性的选择工具的可能性，这些基因型在低温下表达出适合的光合器官的能力差异很大。随着温度逐渐下降，电子传递的量子产量测量结果表明，在亚适温度（15℃）下发育的耐受基因型的叶片，其电子传递速率高于敏感基因型的叶片。这种差异主要是由于耐冷植物拥有通过开放的光系统反应中心（F_v/ F_m）保持较高的激发能捕获效率的能力。在最适温度下发育的叶片中没有基因型差异表明该性状不是组成性表达，而是依赖于适应机制。此外，在15℃和25℃的光照增加下，基因型差异并未得到表达，这表明该性状也是低温特异性的，仅在响应于增加的过剩光能时不表达。将该方法应用到硬粒型和马齿型玉米育种群体上，导致亚适温下生长的选定F₃近交系之间的杂种的光合能力显著提高（达31％），表明该方法是可通过育种手段改善玉米耐冷性的有效选择。

关键词：叶绿素荧光，耐冷性，光合作用，育种，玉米

1.引言

改善玉米对低温的适应性是必要的，因为在过去的50年中，玉米的种植已扩展到较低温的地区。它已成为北方地区的主要农作物，但高温的需求无法总是得到满足，春季的亚适温度导致了生产力下降（Carr and Hough，1978）和产量的不稳定（Stamp，1986）。在低温对玉米生理的各种影响中（Stamp，1984），光合器官对低温的高度敏感性是特别重要的（Hayden and Baker，1990； Baker，1994）。已知玉米的光合作用器官对低温诱导的光抑制高度敏感（Long et al.，1983；Nie et al.，1992）。在15℃或更低温度下发育的叶片仍具有很低的光合能力（Nie et al.，1992；Haldimann et al.，1996），也改变了叶片的色素组成（Haldimann et al.，1995；Haldimann，1998），并损害了叶绿体的发育。因此，通过增加早期活力和延长耕作期可以提高玉米光合作用的耐冷性，有助于改善温带地区作物的生长性能。

在过去的15年中，体内叶绿素荧光测定法通常用于研究光合作用器官的功能。特别是使用饱和脉冲技术（Schreiber et al.，1986）进行的淬灭分析提供了完整叶片中光化学的半定量信息。该方法已广泛用于研究植物对环境胁迫的响应，包括在受控环境（Havaux，1987；Haldimann et al.，1996）和田间（Andrewset et al.，1995）下低温对玉米光合器官的影响。使用叶绿素荧光测量作为耐冷性的筛选方法，已经在基因型的比较实验中进行了研究（Hetherington et al.，1983；Havaux，1987；Schapendonk et al.，1989；Dolstra et al.，1994）。然而，在亚适温度下发育的植物基因型的变异尚未研究。一些研究结果表明，玉米的光合器官能适应亚适温度的生长，从而适应严峻的低温胁迫。例如，快速从光抑制中恢复的这些叶片（Haldimann et al.，1996），能够耐受低温诱导的光氧化作用，并保持更多的某些叶片抗氧化剂（Leipneret et al.，1997）。因此，与低温耐受性相关的某些基因型差异可能仅在低温下发育的叶片中才能检测到。

本研究分析了在最适和亚适温度下发育的玉米叶片的叶绿素荧光淬灭的温度响应。比较了不同来源的基因组，以确定应用叶绿素荧光分析作为提高光合作用耐冷性的方法。通过在亚适温下生长的F₃近交系之间杂种的光合能力的提高来证明该方法的有效性。

2.材料和方法

2.1植物材料

实验中使用的六个玉米品系包括两个欧洲耐冷自交系Z7和Z15，这两个耐冷系之间的杂种（Z7times;Z15），两个源于热带的冷敏感自交系， Penjalinan（PENJ）和CM109，以及这两个敏感系之间的杂种（PENJtimes;CM 109）。在12小时的光周期（450mu;mol光子m^-2s^-1）下，将幼苗栽种在1.01盆的土壤/砂混合物（10：1，v/v）中，相对湿度为60/70％（白天/夜晚）的生长室（Conviron PGW36，Winnipeg，Canada）中。这些植物先在25/22℃（白天/晚上）下生长5天，然后在25/22℃或15/13℃下生长直到第三片叶子完全发育。给植物浇水并按要求用半强度的霍格兰营养液施肥。所有测量均在完全展开的第三片叶子上进行。

2.2光合测定

在5％CO₂，15℃或25℃下，使用叶圆盘电极单元（LD2/2，Hansatech，Kings Lynn，UK）在叶段上测量放氧。光源由比约克曼灯提供（LS2，Hanstech，Kings Lynn，UK）。光合速率由光中的氧气释放速率减去暗呼吸速率得到。在生长条件下，使用便携式Li-Cor 6200仪器（Li-Cor，Lincoln，USA）在完全发育的第三片叶片的中部测量CO₂净同化速率。

2.3叶绿素含量的测定

从用2ml 80％丙酮提取的直径1厘米的叶片中测定叶绿素a b的含量（Arnon，1949）。

2.4叶绿素荧光测量

用脉冲振幅调制荧光计（PAM-2000，Walz，ffeltrich，Germany）记录叶绿素a荧光。确定光化学淬灭（q_p），通过开放的PSII反应中心捕获激发能的效率（F_v/ F_m）以及电子传输的量子产率II（PSII）和Ф_рsп（Genty et al.，1989）。切换光化光并同时施加3s远红光（735 nm，15 Wm^-2）后，测量可以用来确定q_p和F_v/ F_m的F_o值（Bilge，Schreiber，1986）。

2.5叶绿素荧光参数对温度降低的响应

将完整的植物于25℃的生长室中黑暗适应15分钟。将第三片叶子的中间部分固定在一个回形针上（2030-b，Walz，Effeltrich，Germany），用来记录叶子的温度。然后通过施加1 s饱和闪光（gt; 10000 mu;mol photonsm^-2s^-1）来确定PSII初级光化学的最大量子效率（F_v/ F_m）。然后，将叶片暴露于由PAM荧光计的发光二极管阵列提供的红光（655 nm）的光化照明（125 mu;mol photons m^-2s^-1）中。适应光照15分钟后，以0.17℃ min^-1的速度将植物从25℃逐渐冷却至2.5℃，同时每75s施加一次饱和闪光。每片叶子的记录数据以1℃的间隔合并。

2.6Ф_рsп对增加光强的响应

将适应黑暗的完整植株（在室温下放置15分钟）放置在25、15或6℃的生长室中。将第三片叶子的中间部分固定在PAM叶片夹上，然后将植物固定放置在黑暗中直到叶片温度和环境温度相同。确定F_v/ F_m之后，将叶片暴露在最低的光化光照下（50 mu;mol photons m^-2s^-1）20分钟，直到Ф_рsп以1 min的间隔连续闪烁5次。然后，在测定Ф_рsп之前，叶片需适应每种光强度10分钟（最高达1000 mu;mol m^-2s^-1）。最后一次光化光强度变化后，五次成功的测量表明Ф_рsп到达了一个稳定值。在第一个和第五个测量之间（没有显示数据）表明Ф_рsп并未改变，在所有温度光照测试下，10分钟的适应足以让Ф_рsп达到一个稳定值。光缆由KL1500灯（Schott，Mainz，Germany）通过光纤提供。对于每一种光强，Ф_рsп均由五次测量的平均值进行估算。

2.7从在低温下拥有更高的Ф_рsп的育种群体中筛选玉米品系

在瑞士的马齿型和硬粒型玉米的育种群体中进行选择的过程。首先，在田间将每种种群播种40粒种子，使每个种群杂交，产生31穗的硬粒型和38穗马齿型。根据模型基因型，这些单穗后代中每一种的12株植物在生长箱中均以低于最适温度的温度进行生长。在6℃的温度下，并在60 mu;mol 光子m^-2s^-1的光化光照射下对第三片完全展开的叶子进行Ф_рsп的测量。这12种植株测量值的平均值使我们能够确定每个植株中具有最高Ф_рsп的8个家族，其中最重要的是对其进一步选择。这些选择的家族中每一种的四十株植物在相同条件下生长并分析，以便选择出每个家族中最好的四个个体。将这些植物移植到田间并自花授粉，根据家族的不同，其穗长到一到四个F₂穗。然后如上所述测试每种后代的十五株植物，以确定每个群体中的最佳的四个F₂家族，以及这些家族中最佳的后代。然后测试每个选择的F₂家族的四十株植物以确定最佳的五个个体。将其转移到田间并自花授粉。然后测试每个F₃穗的10株植物，以确定每个家族的最佳后代。根据它们的平均Ф_рsп值（依次递增），分别命名为H1，H2，H3和H4。选取F₃品系的四十株植株，按上述方法分析，确定最佳的5个，然后将其转移到田间。产生的不同家系之间的杂种与原始育种群体进行比较。将杂种优选为近交种，以避免近交衰退的不良影响。

3.结果

温度对所有品系的光合作用都有强烈的影响（图1）。通过将测量温度从25℃降低到15 ℃，大大降低了25℃时叶片光合放氧速率。在25℃时，除冷敏感品种Penjalinan外，没有明显的基因型差异。当在15℃下进行测量时，其光合能力比其他品系略低（图1B）。在15℃发育和测量的叶片，光合能力最低（图1D）。在这些条件下，三种耐冷基因型的光合能力明显高于三个冷敏感基因型的光合能力。此外，当测量温度增加到25℃时，与冷敏感基因型相反，两个耐冷基因型的光合能力增加（图1C）。在两种生长温度下，耐冷基因型的特征还在于其叶绿素含量均高于冷敏感基因型（表1），但低温引起的冷敏感基因型的叶绿素含量的降低高于（平均-54％）耐冷基因型（平均-24％）。同时，15℃时叶片的叶绿素含量的基因型差异与光合能力的差异有关，但25℃时叶片却不是（图1）。低温下的生长也导致了轻微但显著的PSII初级光化学的最大量子效率的下降（F_v/ F_m，表1），表明了长期的光抑制。然而，在两种生长温度下，耐冷和冷敏感性基因型之间的F_v/ F_m无明显差异。

图2显示了在中等光照强度下逐渐冷却对叶片叶绿素荧光特性的影响。当在25℃和15℃生长的叶片在10℃以下生长时，电子转移（Ф_рsп）的量子产率被明显抑制。在25℃下生长的叶子，这种降低与光化学淬灭（q_p）有关如开放式反应中心的效率（F_v/ F_m）。当叶片在25℃发育时，敏感和耐冷的基因型在对温度的响应上差别不大。不同的是当叶片在温度降低8-10℃在15℃下生长时，F_v/ F_m和Ф_рsп可以用来区分耐冷和敏感的基因型。与25℃的叶片相比，在15℃下生长的叶片在所有温度下均具有较低的开放反应中心效率（F_v/ F_m）。通过在低10℃的温度下获得更高的q_p值，和将叶片暴露于25、15和6℃的更强光照下进一步研究Ф_рsп的响应（图3）。在25℃下生长的叶片的测量结果表明，在所有测量条件下，基因型之间几乎没有差异。光强增加的原因是低温造成的Ф_рsп的降低。此外，在15℃下生长的叶片对Ф_рsп始终低于25℃下生长的叶片。在15℃下发育的耐冷和敏感基因型可以在对Ф_рsп高度敏感的基础上，在低于400 mu;mol photons m^-2s^-1的光强度和6℃的测量温度下进行最佳分离。

这可能是因为在低温下测得的Ф_рsп

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[275568]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word