Photosynthetic efficiency measured by chlorophyll a fluorescence is a reliable indicator of low temperature tolerance of crops

• Autorzy: Janowiak F. , Tantau H. , Dorffling H. , Dorffling K.

Warianty tytułu

PL

Fluorescencja chlorofilu a jest wiarygodnym wskaźnikiem odporności roślin uprawnych na niską temperaturę

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Chilling tolerance of 20 maize inbred lines and frost tolerance of four genotypes of barley and eight genotypes of wheat was measured independently by electrolyte leakage (EL), by estimation of necrotic injury (NI) or plant survival (SR) and by measurement of chlorophyll a fluorescence (quantum efficiency of PS II electron transport, ФpsII). The objective of the experiments was to determine the reliability of chlorophyll fluorescence measurements in screening programs aiming at improving low temperature tolerance of crops. The chlorophyll fluorescence method is non-destructive and much quicker than EL and SR tests and practicable under field conditions. Maize seedlings at the third leaf stage were chilled for 2 d at 4°C and ФpsII „ was measured by means of a portable РАМ 2000 fluorometer. After recovery for 2 d at 20°C NI of the leaves was estimated. NI and ФpsII correlated highly and significantly (-0.84). Frost tolerance of barley seedlings was measured in laboratory frost tests by EL and ФpsII after cold hardening for 13 d at 2°C and expressed as LTJ0 values. Both correlated highly and significantly (0.92). In addition, ФpsII correlated significantly (-0.76) with SR estimated in independent field studies [Tantau et al. 2002]. In wheat seedlings cold hardened for 2 weeks at 2°C and then the next 2 weeks at -3°C, LT50 values calculated from EL data received during frost tests correlated significantly with ФpsII „ values measured after 1 (-0.69), 2 (-0.66) and 4 (-0.67) weeks of hardening. The very close relationship between ФpsII and EL, SR and NI indicates that the photosynthetic apparatus is a primary site of unfavorable effects of low temperature. Therefore, decrease in photosynthetic efficiency under low temperature stress measured by chlorophyll fluorescence can be used in screening programs as a reliable indicator for low temperature tolerance.

PL

Odporność na chłód 20 linii kukurydzy i mrozoodporność czterech genotypów jęczmienia oraz ośmiu genotypów pszenicy określano niezależnie na podstawie wypływu elektrolitów (EL), poziomu uszkodzeń nekrotycznych (NI) oraz przeżywalności roślin (SR), a także w oparciu o pomiary fluorescencji chlorofilu a (kwantowa wydajność transportu elektronów PS II, ФР5 „). Celem doświadczeń było określenie wiarygodności pomiarów fluorescencji chlorofilu jako metody oceny odporności roślin na niską temperaturę. Metodę tę stosuje się często w programach hodowlanych, których celem jest zwiększenie odporności roślin uprawnych na stres niskiej temperatury. Pomiar fluorescencji chlorofilu jest przyżyciową metodą, dużo szybszą niż testy EL czy SR i może być z łatwością stosowana w warunkach polowych. Siewki kukurydzy w fazie trzeciego liścia chłodzono dwa dni w 4°C i mierzono ФpsП za pomocą przenośnego fluorometru РАМ 2000. Po dwóch dniach regeneracji w 20°C bonitowano NI liści. NI i ФpsII korelowały wysoko i istotnie (-0,84). Mrozoodporność siewek jęczmienia mierzono w laboratoryjnych testach za pomocą EL i ФpsП po 13 dniach hartowania w 2°C i wyrażano jako wartości LT50. Obydwa wskaźniki korelowały wysoko i statystycznie istotnie (0,92). Dodatkowo ФpsII korelował istotnie (-0,76) z SR oznaczanym w niezależnych badaniach polowych. U siewek pszenicy hartowanych dwa tygodnie w 2°C, a następnie dwa tygodnie w -3°C wartości LT50 liczone na podstawie EL uzyskanych w laboratoryjnych testach mrozoodporności, korelowały istotnie z ФpsII mierzonym po jednym (-0,69), dwóch (-0,66) i czterech (-0,67) tygodniach hartowania. Bardzo bliska współbieżność między ФpsII i EL, SR oraz NI wskazuje, że aparat fotosyntetyczny jest pierwotnym i głównym miejscem niekorzystnego oddziaływania niskiej temperatury na roślinę. Tak więc spadek fotosyntetycznej wydajności w warunkach stresu niskiej temperatury, mierzony fluorescencją chlorofilu, może być używany w hodowlanych programach jako wiarygodny wskaźnik tolerancji genotypu na niską temperaturę.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych
• Rocznik: 2004
• Tom: 496
• Numer: 1
• Opis fizyczny: p.125-131,fig.,ref.

Twórcy

autor

Janowiak F.

• Institute of Plant Physiology, Polish Academy of Sciences, Krakow, Podluzna 3, 30-239 Krakow, Poland

autor

Tantau H.

• Biocenter Klein Flottbek and Botanical Garden, University of Hamburg, Germany

autor

Dorffling H.

• Biocenter Klein Flottbek and Botanical Garden, University of Hamburg, Germany

autor

Dorffling K.

• Biocenter Klein Flottbek and Botanical Garden, University of Hamburg, Germany

Bibliografia

• Adams W.W. III, Demmig-Adams В., Verhoeven A.S., Barker D.H. 1995. Photoinhibition' during winter stress: involvement of sustained xanthophyll cycle-dependent energy dissipation. Aust. J. Plant Physiol. 22: 261-276.
• Andrews J.R., Fryer M.J., Baker N.R. 1995. Characterisation of chilling effects on photosynthetic performance of maize crops during early season growth using chlorophyll fluorescence. J. Exper. Bot. 299: 1195-1203.
• Baker N.R. 1991. A possible role for photosystem II in environmental perturbations of photosynthesis. Physiol. Plant. 81: 563-570.
• Dexter, S.T., Tottingham W.E., Graber L.F. 1932. Investigation of the hardiness of plants by measurement of electrical conductivity. Plant Physiol. 7: 63-78.
• Dolstra O., Haalstra S.R., Van der Putten P.E.L., Schapendonk A.H.C.M. 1994. Genetic variation for resistance to low-temperature photoinhibition of photosynthesis in maize. Euphytica 80: 85-93.
• Dörffling K., Dörffung H., Lesselich G., Luck E., Zimmermann С., Melz G., Jürgens H.U. 1997. Heritable improvement of frost tolerance in winter wheat by in vitro- selection of hydroxyproline-resistant proline overproducing mutants. Euphytica 93: 1-10.
• Fracheboud Y., Haldimann P., Leipner J., Stamp R 1999. Chlorophyll fluorescence as a selection tool for cold tolerance of photosynthesis in maize (Zea mays L.). J. Exper. Bot. 338: 1533-1540.
• Genty В., Briantais J-M., Baker N.R. 1989. The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence. Biochim. Biophys. Acta 990: 87-92.
• Havaux M. 1987. Effects of chilling on the redox state of the primary electron acceptor Qa of photosystem II in chilling-sensitive and resistant plant species. Plant Physiol. Biochem. 25: 735-743.
• Hetherington S.E., Smillie R.M., Hardacre A.K., Eagles H.A. 1983. Using chlorophyll fluorescence in vivo to measure the chilling tolerance of different populations of maize. Aust. J. Plant Physiol. 10: 247-256.
• Huner N.P.A., Oquist G., Sarhan F. 1998. Energy balance and acclimation to light and cold. Trends Plant Sci. 3: 224-230.
• Janowiak F., Maas В., Dörffling К. 2002. Importance of abscisic acid for chilling tolerance of maize seedlings. J. Plant Physiol. 159: 635-643.
• Rizza F., Pagani D., Stanca A. M., Cattivelli L. 2001. Use of chlorophyll fluorescence to evaluate the cold acclimation and freezing tolerance of winter and spring oats. Plant Breeding 120: 389-396.
• Schapendonk A.H.C.M., Dolstra O., Van Knooten O. 1989. The use of chlorophyll fluorescence as a screening method for cold tolerance in maize. Photosynthesis Res. 10: 51-62.
• Tantau H., Balko C., Dörffling К., Prasil I., Eberth A., Brettschneider В. 2002.
• Verbessening der Frostresistenz von Wintergerste durch In-vitro-Selektion. Vortr. Pflanzenzüchtung 54: 319-322.
• Walz H. 1993. Portable Fluorometer PAM-2000 and data acquisition software DA- 2000. Handbook, 2nd edition, Effeltrich, Germany: 199 ss.