Assessment of the frost sensitivity of wild and cultivated potato species by chlorophyll fluorescence analysis

Summary

The potential of the chlorophyll fluoresence technique in screening for frost sensitivity in seedling progenies representing 18 genotypes of wild and cultivated potato from different geographical and altitudinal origins was assessed by measuring the decrease in variable chlorophyll fluorescence (F_var) of terminal leaflets of hardened and non-hardened plants after freezing at −5°C for 60 min and subsequent re-warming to 20°C. The method was rapid and the results obtained agreed well with a visual assessment of frost injury carried out after leaflets had been returned to optimal growth conditions for 72 hours.Solanum tuberosum CPC 3294 originating from Chile was the most frost-sensitive genotype studied andSolanum albicans CPC 3712 from high-altitude regions of Peru, the most frost-resistant. Frost damage increased with length of exposure to frost and this was associated with a reduction of variable fluorescence and quenching capacity of the thylakoid membranes.

Zusammenfassung

An Sämlingsnachkommen, die 18 Genotypen wilder und kultivierter Kartoffelarten aus verschiedenen geographischen Herkünften und Höhenlagen repräsentierten, wurde die Eignung der Chlorophyll-Fluoreszenztechnik zur Prüfung auf Frostempfindlichkeit untersucht, in dem die Abschwächung bei der variablen Chlorophyll-Fluoreszens (F_var) an den endständigen Fiederblättern abgehärteter und nicht-abgehärteter Pflanzen nach 60 minütigem Abkühlen auf −5°C und anschliessender Erwärmung auf +20°C gemessen wurde (Abb. 1). Diese Methode war schnell, und die damit erhaltenen Ergebnisse stimmten gut mit einer visuellen Beurteilung der Frostschäden nach dem Zurückbringen der Blättchen für 72 Stunden in optimale Wachstumsbedingungen, 15°C/10°C (Tag/Nacht), überein.

Die visuelle Beurteilung der Beschädigung basierte auf den Schadsymptomen wie Chlorosen, wässerigen Flecken und nekrotischen Bereichen, ausgedrückt in Prozenten der beeinträchtigten Fiederblattfläche und korrigiert an Hand der nicht-gekühlten Kontrolblättchen.

Die aus Chile stammendeSolanum tuberosum CPC 3294 erwies sich als der Genotyp mit der höchsten Frostempfindlichkeit undSolanum albicans CPC 3712 aus den hohen Höhenlagen Perus als derjenige mit der höchsten Frostresistenz (Tab. 1). Der Frostschaden nahm mit der Dauer der Frosteinwirkung zu und war verbunden mit einer Reduktion der variablen Fluoreszenz und der Quench-Kapazität der Thylakoidmembranen (Abb. 3). Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass das starke Zerreissen der Thylakoid-membranen durch das Gefrieren verursacht wird (Tab. 2). Ferner wurde gefunden, dass die 10-tätige Frostabhärtung bei 4°C/2°C (Tag/Nacht) vor dem Versuch nur eine geringe Wirkung auf die Reduktion des durch die Thylakoidmembranen entstandenen Schadens hatte, mit Ausnahme verschiedener chilenischer Sorten vonSolanum tuberosum (CPC 5374, CPC 5646, CPC 5643, CPC 3294) (Tab. 1). Die Abbildung 4 zeigt die Änderungen im F_R (Rate des Fluoreszenzanstiegs) nach dem Gefrieren bei −5°C.

Wenn diese Technik auch nicht alle anderen gegenwärtig verwendeten Frostunter-suchungsmethoden völlig zu ersetzen vermag, so sollte sie doch von den Pflanzenzüchtern als ein zusätzliches Instrument betrachtet werden, um bei Pflanzen Kälteschäden abzuschätzen.

Résumé

La sensibilité au gel de plantules issues de 18 génotypes comprenant des espèces sauvages et cultivées de pommes de terre est étudiée par mesure de la diminution de fluorescence chlorophyllienne (F_var) des folioles apicales sur des plantes durcies ou non après passage au froid à −5°C pendant 60 minutes suivi d'un réchauffement à 20°C (figure 1). La méthode est rapide et les résultats obtenus sont comparables aux notations visuelles des dégâts de gel, lorsque les folioles sont mises en condition optimale de croissance: 15 °C/10 °C (jour/nuit) pendant 72 heures (figure 2). Pour la notation visuelle, les observations portent sur les symptômes tels que les chloroses, les poches d'eau et les zones nécrotiques, exprimés en pourcentage de surface endommagée par rapport au témoin non gelé.Solanum tuberosum, CPC 3294, d'origine chilienne, s'avère être le génotype testé le plus sensible etSolanum albicans, CPC 3712, originaire des hauts-plateaux péruviens, le génotype le plus résistant (tableau 1). L'endommagement par le gel augmente avec la durée d'exposition au gel et cela correspond à une diminution de fluorescence et de capacité d'étanchement des membranes thylakoïdes (figure 3).

Ces résultats montrent qu'un éclatement réel des membranes thylakoïdes est induit pendant le gel (tableau 2). Un durcissement à 4°C/2°C (jour/nuit) pendant 10 jours avant l'expérience a peu d'effet sur le niveau d'endommagement maintenu par les membranes thylakoïdes, à l'exception de quelques variétés chiliennes deSolanum tuberosum (CPC 5374; CPC 5646; CPC 5643; CPC 3294) (tableau 1). La figure 4 montre les changements de F_R (taux d'augmentation de fluorescence) après le gel à −5°C. Bien que cette technique ne puisse remplacer totalement les méthodes utilisées jusqu'à ce jour, elle peut servir de complément d'analyse dans la recherche de variétés sensibles aux basses températures.