Diurnal change in chlorophyll fluorescence parameters in three desert plants

doi:10.11686/cyxb2020345

Abstract

Abstract:

This research evaluated the relationship between chlorophyll fluorescence parameters and environmental factors in three common species of shelterbelt plants （Calligonum caput-medusae， Tamarix ramosissima， and Haloxylon ammodendron） found in the hinterland of Taklimakan Desert in order to elucidate the adaptation strategies of the three species in an extreme environment， and to provide theoretical data to assist with the management and protection of the highway shelterbelt. Diurnal changes in chlorophyll fluorescence were measured using a Photosynq MultiseQ multi-function plant-measuring instrument. There were four main conclusions. 1） All three soils were alkaline， and electrical conductivity （EC） values of the 0-30 cm soil layer were significantly higher than in soil below 30 cm depth. The water content in the upper 1 m of the soil profile ranked： H. ammodendron>T. ramosissima>C. caput-medusae. 2） The diurnal variation in photosynthetically active radiation （PAR）， atmospheric temperature， leaf temperature， and linear electron flux （LEF） increased through the morning to peak values at approximately 14：00 h and then declined， while values for atmospheric humidity and actual photochemical efficiency Y_（II） showed a ‘V’ shape. 3） For all the three plant species， PAR data had significant positive correlations with LEF， non-photochemical quenching coefficient （NPQ）， adjusting energy dissipation quantum yield ［Y_（NPQ）］， and non-adjusting energy dissipation quantum yield ［Y_（NO）］， however， they showed a significant negative correlation with actual photochemical efficiency ［Y_（II）］. In addition， Y_（II） had an extremely significant negative correlation with Y_（NPQ） and Y_（NO）. 4） Among the chlorophyll fluorescence parameters of the three plant species， LEF， NPQ， and Y_（II） of both H. ammodendron and C. caput-medusae were higher than those of T. ramosissima， while Y_（NO） of T. ramosissima was significantly higher than that of C. caput-medusae and H. ammodendron. Therefore， high temperature and high light intensity exerted different effects on the three species， and the stress resistance of the three species indicated by principal component analysis ranked H. ammodendron>C. caput-medusae>T. ramosissima.

Key words: Calligon caput-medusae, Haloxylon ammodendron, Tamarix ramosissima, chlorophyll fluorescence parameters, Taklimakan Desert hinterland, high temperature， high light stress

Lu-yao WU, Jian-guo ZHANG, Wen-qian CHANG, Shao-lei ZHANG, Qing CHANG. Diurnal change in chlorophyll fluorescence parameters in three desert plants[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2021, 30(9): 203-213.

Figures/Tables 7

References 35

1	Li Y， Pan M， He F， et al. Effect of different substrates on parameters of chlorophye Ⅱ a fluorescence induction kinetics and net photosynthesis rate of Ottelia acuminate. Acta Ecologica Sinica， 2017， 37（8）： 2809-2817.
	李杨，潘珉，何锋，等. 不同底质对海菜花叶绿素荧光诱导动力学参数及净光合速率的影响. 生态学报， 2017， 37（8）： 2809-2817.
2	Yao J， Sun D， Cen H， et al. Phenotyping of Arabidopsis drought stress response using kinetic chlorophyll fluorescence and multicolor fluorescence imaging. Frontiers in Plant Science， 2018， 9： 603.
3	Ghorbani A， Razavi S M， Omran V O G， et al. Piriformospora indica inoculation alleviates the adverse effect of NaCl stress on growth， gas exchange and chlorophyll fluorescence in tomato （Solanum lycopersicum L.）. Plant Biology， 2018， 20（4）： 729-736.
4	Xin C P， Yang J， Zhu X G. A model of chlorophyll a fluorescence induction kinetics with explicit description of structural constraints of individual photosystem llunits. Photosynthesis Research， 2013， 117（1）： 339-354.
5	Krasnovsky A A， Kovalev Y V. Spectral and kinetic parameters of phosphorescence of triplet chlorophyll a in the photosynthetic apparatus of plants. Biochemistry， 2014， 79（4）： 349-361.
6	Liu H D， Liu J， Zhao Y， et al. Effects of Haloxylon ammodendron and Calligonum mogolicum on water-heat-salt dynamics in sandy soil. Journal of Soil and Water Conservation， 2017， 31（3）： 169-175， 181.
	刘海东，刘娇，赵英，等. 梭梭和沙拐枣对风沙土壤水热盐动态的影响. 水土保持学报， 2017， 31（3）： 169-175， 181.
7	Zhang J G， Xu X W， Lei J Q， et al. Injury of unexpected strong precipitation to Calligonum under different factors： A cast of the shelterbelt eco-project along the Tarim Desert highway. Arid Land Geography， 2009， 32（3）： 346-352.
	张建国，徐新文，雷加强，等. 不同因素影响下突发性强降雨对沙拐枣的危害——以塔里木沙漠公路防护林生态工程为例. 干旱区地理， 2009， 32（3）： 346-352.
8	Huang C B， Zeng F J， Lei J Q， et al. Comparison of drought resistance among three Calligonum in the southern fringe of the Taklamakan Desert. Acta Prataculturae Sinica， 2014， 23（3）： 136-143.
	黄彩变，曾凡江，雷加强，等. 塔克拉玛干沙漠南缘3个沙拐枣种的抗旱特性比较. 草业学报， 2014， 23（3）： 136-143.
9	Li C， Lei J， Zhao Y， et al. Effect of saline water irrigation on soil development and plant growth in the Taklimakan Desert Highway shelterbelt. Soil & Tillage Research， 2015， 146： 99-107.
10	Gao H H， Zeng F J， Lu Y， et al. Effect of different treatments on the growth and physiological characteristics of Alhagi sparsifolia. Acta Prataculturae Sinica， 2015， 24（2）： 202-207.
	高欢欢，曾凡江，鲁艳，等.不同干扰方式对疏叶骆驼刺生长及生理特征的影响.草业学报， 2015， 24（2）： 202-207.
11	Shan L S， Li Y， Zhang X M， et al. Research on water-consumption characteristics of Calligonum arborescens under different irrigation amounts. Journal of Natural Resources， 2012， 27（3）： 440-449.
	单立山，李毅，张希明，等. 不同灌溉量条件下乔木状沙拐枣蒸腾耗水特性的研究. 自然资源学报， 2012， 27（3）： 440-449.
12	Yan H L， Zhang X M， Xu H， et al. Photosynthetic characteristics responses of three plants to drought stress in Tarim Desert Highway Shelterbelt. Acta Ecologica Sinica， 2010， 30（10）： 2519-2528.
	闫海龙，张希明，许浩，等. 塔里木沙漠公路防护林3种植物光合特性对干旱胁迫的响应. 生态学报， 2010， 30（10）： 2519-2528.
13	Yan H L， Zhang X M， Xu H， et al. Responses of Calligonum arborescens photosynthesis to water stress in Tarim Highway Shelterbeil. Journal of Desert Resertrch， 2007， 27（3）： 460-465.
	闫海龙，张希明，许浩，等. 塔里木沙漠公路防护林植物沙拐枣气体交换特性对干旱胁迫的响应. 中国沙漠， 2007， 27（3）： 460-465.
14	Zhang X M， Wang Y D， Xu X W， et al. Biomass， composition and dynamics of litterfall in Taklimakan Desert Highway Shelterbelt. Journal of Desert Research， 2017， 37（6）： 1142-1149.
	张雪梅，王永东，徐新文，等. 沙漠公路防护林凋落物量、组成及动态. 中国沙漠， 2017， 37（6）： 1142-1149.
15	Zhang D D， Jin Z Z， Xu X W， et al. Study on water holding capacity of litters in Shelterbelt along the Tarim Desert Highway. Arid Zone Research， 2012， 29（6）： 1046-1053.
	张栋栋，靳正忠，徐新文，等. 塔里木沙漠公路防护林凋落物的持水特性. 干旱区研究， 2012， 29（6）： 1046-1053.
16	Zhou X Y， Jia J， Liu G Q， et al. Characteristics of precipitation at hinterland of Taklimakan Desert in China from 1997 to 2017. Journal of Desert Research， 2019， 39（1）： 187-194.
	周雪英，贾健，刘国强，等. 1997-2017年塔克拉玛干沙漠腹地降水特征. 中国沙漠， 2019， 39（1）： 187-194.
17	Zhang Q， Zhang J G， Wang L M， et al. Vertical distribution of soil organic and inorganic carbon in the Taklimakan Desert Highway Shelterbelt Drip-irrigated with different mineralization water. Journal of Northwest Forestry University， 2019， 34（4）： 1-7.
	张谦，张建国，王丽梅，等. 塔克拉玛干沙漠公路防护林不同咸水滴灌下土壤有机碳与无机碳垂直分布特征. 西北林学院学报， 2019， 34（4）： 1-7.
18	Wang X， Xu X W， Lei J Q， et al. The vertical distribution of the root system of the desert highway shelterbelt in the hinterland of the Taklimakan Desert. Chinese Science Bulletin， 2008， 53（S2）： 79-83.
19	Ren X L， He H L， Zhang L， et al. Assessment of the spatiotemporal variations of diffuse photosynthetic active radiation in China from 1981 to 2010. Acta Geographica Sinica， 2014， 69（3）： 323-333.
	任小丽，何洪林，张黎，等. 1981-2010年中国散射光合有效辐射的估算及时空特征分析. 地理学报， 2014， 69（3）： 323-333.
20	Hajkova M， Kurnmerova M， Zezulka S， et al. Diclofenac as an environmental threat： Impact on the photosynthetic processes of Lemna minor chloroplasts. Chemosphere， 2019， 224（6）： 892-899.
21	Cai J G， Wei M Q， Zhang Y， et al. Effects of shading on photosynthetic characteristics and chlorophyll fluorescence parameters in leaves of Hydrangea macrophylla. Chinese Journal of Plant Ecology， 2017， 41（5）： 570-576.
	蔡建国，韦孟琪，章毅，等. 遮阴对绣球光合特性和叶绿素荧光参数的影响. 植物生态学报， 2017， 41（5）： 570-576.
22	Guo J H， Li C J， Zeng F J， et al. Relationship between root biomass distribution and soil moisture， nutrient for two desert plant species. Arid Zone Research， 2016， 33（1）： 166-171.
	郭京衡，李尝君，曾凡江，等. 2种荒漠植物根系生物量分布与土壤水分、养分的关系. 干旱区研究， 2016， 33（1）： 166-171.
23	Zhang H， Kang Y R， Xu C H， et al. Photosynthettic characteristics of 4 wild plants in Yintan wetland in Lanzhou section of yellow River. Pratacultural Science， 2016， 33（4）： 622-634.
	张华，康雅茸，徐春华，等. 兰州银滩黄河湿地4种植物的光合特性. 草业科学， 2016， 33（4）： 622-634.
24	Xia G W， Sun X M， Chen D S， et al. Spatial heterogeneity of photosynthetic and physiological parameters in Larix kaempferi crown. Forest Research， 2019， 55（6）： 13-21.
	夏国威，孙晓梅，陈东升，等. 日本落叶松冠层光合特性的空间变化. 林业科学， 2019， 55（6）： 13-21.
25	Qiao M M， Liu X， Lou L， et al. Diurnal changes in the chlorophyll fluorescence of Lycium ruthenicum. Northern Horticulture， 2017（12）： 167-173.
	乔梅梅，刘翔，罗龙，等. 黑果枸杞叶绿素荧光参数日变化研究. 北方园艺， 2017（12）： 167-173.
26	Deng P Y， Liu W， Qiu Y K， et al. Diurnal dynamics of photosynthetic parameters of Viola baoshanensis and V. vedoensis. Journal of South China Normal University （Natural Science Edition）， 2009（2）： 96-99， 105.
	邓培雁，刘威，邱元凯，等. 宝山堇菜（Viola baoshanensis）和紫花地丁（V. yedoensis）叶绿素荧光参数的日变化. 华南师范大学学报（自然科学版）， 2009（2）： 96-99， 105.
27	Lu T， Shi J， Sun Z， et al. Response of linear and cyclic electron flux to moderate high temperature and high light stress in tomato. Journal of Zhejiang University-Science B （Biomedicine & Biotechnology）， 2017， 18（7）： 635-648.
28	Zhou Y X， Ju T Z， Wang Y D， et al. Diurnal variation of chlorophyll fluorescence parameters of three xerophytes. Journal of Arid Land Resources and Environment， 2019， 33（5）： 164-170.
	周玉霞，巨天珍，王引弟，等. 3种旱生植物的叶绿素荧光参数日变化研究. 干旱区资源与环境， 2019， 33（5）： 164-170.
29	Guan X， Gu S. Photorespiration and photoprotection of grapevine under water stress. Photosynthetica （Prague）， 2009， 47（3）： 437-444.
30	Kramer D M， Johnson G， Kiirats O， et al. New fluorescence parameters for the determination of QA redox state and excitation energy fluxes. Photosynthesis Research， 2004， 79（2）： 209-218.
31	Ye Z P， Suggett D J， Robakowski P， et al. A mechanistic model for the photosynthesis-light response based on the photosynthetic electron transport of photosystem II in C₃ and C₄ species. New Phytologist， 2013， 199（1）： 110-120.
32	Li Q M， Liu B B， Wu Y， et al. Interactive effects of drought stresses and elevated CO₂ concentration on photochemistry efficiency of cucumber seedlings. Journal of Integrative Plant Biology， 2008， 10： 1307-1317.
33	Zhang M Y， Jia X， Zha T S， et al. PSⅡphotochemical efficiency of Artemisia ordosica in response to rainfall exclusion. Journal of Desert Research， 2017， 37（3）： 475-482.
	张明艳，贾昕，查天山，等. 油蒿（Artemisia ordosica）光系统Ⅱ光化学效率对去除降雨的响应. 中国沙漠， 2017， 37（3）： 475-482.
34	Ren Z P， Wang J L， Shi B S， et al. Effect of heat stress on photosystemⅡ activity in leaves of Forsythia suspensa. Forest Research， 2015， 51（4）： 44-51.
	任子蓓，王俊玲，史宝胜. 热胁迫对连翘离体叶圆片光系统Ⅱ活性的影响. 林业科学， 2015， 51（4）： 44-51.
35	Wang H Z， Chen J L， Han L， et al. Effect of groundwater levels on photosynthetic pigments and light response of chlorophyⅡfluorescence parameters of Populus euphratica and Popolus pruinose. Journal of Desert Research， 2013， 33（4）： 1054-1063.
	王海珍，陈加利，韩路，等. 地下水位对胡杨和灰胡杨叶绿素荧光响应与光合色素含量的影响. 中国沙漠， 2013， 33（4）： 1054-1063.

植物类型 Plant type	测定指标 Fluency indices	大气湿度 Atmospheric humidity	大气温度 Atmospheric temperature	叶片温度 Leaf temperature	光合有效辐射 PAR	线性电子传递 LEF	非光化学淬灭系数NPQ	实际光化学效率 Y_（II）	调节性能量耗散量子产量Y_（NPQ）
头状沙拐枣C. caput-medusae	大气温度Atmospheric temperature	-0.851**
	叶片温度Leaf temperature	-0.884**	0.956**
	光合有效辐射PAR	-0.347	0.549	0.653
	线性电子传递LEF	-0.297	0.500	0.614	0.995**
	非光化学淬灭系数NPQ	-0.427	0.554	0.677	0.859*	0.891**
	实际光化学效率Y_（II）	0.068	-0.207	-0.349	-0.927**	-0.944**	-0.787*
	调节性能量耗散量子产量Y_（NPQ）	-0.153	0.319	0.454	0.963**	0.978**	0.845*	-0.992**
	非调节性能量耗散量子产量Y_（NO）	0.108	-0.041	0.095	0.785*	0.803*	-0.594	-0.951**	0.905**
多枝柽柳T. ramosissima	大气温度Atmospheric temperature	-0.955**
	叶片温度Leaf temperature	-0.898**	0.977**
	光合有效辐射PAR	-0.386	0.525	0.609
	线性电子传递LEF	-0.229	0.385	0.518	0.964**
	非光化学淬灭系数NPQ	0.693	-0.641	-0.487	0.119	0.342
	实际光化学效率Y_（II）	0.073	-0.157	-0.284	-0.884**	-0.939**	-0.511
	调节性能量耗散量子产量Y_（NPQ）	0.063	0.053	0.223	0.747*	0.884**	0.710	-0.918**
	非调节性能量耗散量子产量Y_（NO）	-0.189	0.208	0.248	0.830*	0.773*	0.168	-0.866**	0.599
梭梭 H. ammodendron	大气温度Atmospheric temperature	-0.935**
	叶片温度Leaf temperature	-0.908**	0.961**
	光合有效辐射PAR	-0.358	0.470	0.509
	线性电子传递LEF	-0.268	0.402	0.476	0.986**
	非光化学淬灭系数NPQ	-0.565	0.664	0.737	0.831*	0.818*
	实际光化学效率Y_（II）	0.269	-0.343	-0.406	-0.985**	-0.979**	-0.783*
	调节性能量耗散量子产量Y_（NPQ）	-0.450	0.500	0.570	0.880**	0.856*	0.961**	-0.869**
	非调节性能量耗散量子产量Y_（NO）	0.446	-0.369	-0.314	0.501	0.560	-0.008	-0.581	0.138

植物类型 Plant type	测定指标 Fluency indices	大气湿度 Atmospheric humidity	大气温度 Atmospheric temperature	叶片温度 Leaf temperature	光合有效辐射 PAR	线性电子传递 LEF	非光化学淬灭系数NPQ	实际光化学效率 Y_（II）	调节性能量耗散量子产量Y_（NPQ）
头状沙拐枣C. caput-medusae	大气温度Atmospheric temperature	-0.851**
	叶片温度Leaf temperature	-0.884**	0.956**
	光合有效辐射PAR	-0.347	0.549	0.653
	线性电子传递LEF	-0.297	0.500	0.614	0.995**
	非光化学淬灭系数NPQ	-0.427	0.554	0.677	0.859*	0.891**
	实际光化学效率Y_（II）	0.068	-0.207	-0.349	-0.927**	-0.944**	-0.787*
	调节性能量耗散量子产量Y_（NPQ）	-0.153	0.319	0.454	0.963**	0.978**	0.845*	-0.992**
	非调节性能量耗散量子产量Y_（NO）	0.108	-0.041	0.095	0.785*	0.803*	-0.594	-0.951**	0.905**
多枝柽柳T. ramosissima	大气温度Atmospheric temperature	-0.955**
	叶片温度Leaf temperature	-0.898**	0.977**
	光合有效辐射PAR	-0.386	0.525	0.609
	线性电子传递LEF	-0.229	0.385	0.518	0.964**
	非光化学淬灭系数NPQ	0.693	-0.641	-0.487	0.119	0.342
	实际光化学效率Y_（II）	0.073	-0.157	-0.284	-0.884**	-0.939**	-0.511
	调节性能量耗散量子产量Y_（NPQ）	0.063	0.053	0.223	0.747*	0.884**	0.710	-0.918**
	非调节性能量耗散量子产量Y_（NO）	-0.189	0.208	0.248	0.830*	0.773*	0.168	-0.866**	0.599
梭梭 H. ammodendron	大气温度Atmospheric temperature	-0.935**
	叶片温度Leaf temperature	-0.908**	0.961**
	光合有效辐射PAR	-0.358	0.470	0.509
	线性电子传递LEF	-0.268	0.402	0.476	0.986**
	非光化学淬灭系数NPQ	-0.565	0.664	0.737	0.831*	0.818*
	实际光化学效率Y_（II）	0.269	-0.343	-0.406	-0.985**	-0.979**	-0.783*
	调节性能量耗散量子产量Y_（NPQ）	-0.450	0.500	0.570	0.880**	0.856*	0.961**	-0.869**
	非调节性能量耗散量子产量Y_（NO）	0.446	-0.369	-0.314	0.501	0.560	-0.008	-0.581	0.138

[1]	SHI Zheng-hai, LIU Wen-hui, ZHANG Yong-chao, QIN Yan, WEI Xiao-xing. Effects of nitrogen and phosphorus fertilizers combined application on diurnal variations of leaves photosynthetic characteristics in Festuca kryloviana [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2019, 28(11): 75-85.
[2]	WANG Bi-xia,XU Xiao,LI Xiao-feng. Physiological and ecophysiological responses of Humulus scandens seedlings to chromium stress [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(4): 181-188.
[3]	TAO Ye, ZHANG Yuan-ming. Multi-scale biomass estimation of desert shrubs: a case study of Haloxylon ammodendron in the Gurbantunggut Desert, China [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2013, 22(6): 1-10.
[4]	LI Xing, JIANG Jin, SONG Chun-wu, MIN Shou-jun, ZHANG Heng, JIANG You-wei. Effect of super absorbent polymer on the growth and root morphology of Haloxylon ammodendron seedlings [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(6): 51-56.
[5]	MO Yi-wei, GUO Zhen-fei, XIE Jiang-hui. Effects of temperature stress on chlorophyll fluorescence parameters and photosynthetic rates of Stylosanthes guianensis [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2011, 20(1): 96-101.