褪黑素處理對干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)的影響

嚴加坤，周 奇，劉 莉

（榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，陜西榆林 719000）

植物的生長和發(fā)育除了需要一定的營養(yǎng)物質(zhì)、水、無機鹽和糖類、脂類、蛋白質(zhì)等有機物，還需要一種微量但作用重大的物質(zhì)，即植物激素[1]。植物激素伴隨著植物從種子萌發(fā)到幼苗到成熟一直到死亡的全過程。植物激素可以分為酸堿性植物激素、油菜素甾醇、植物多肽3類。植物的葉、根、芽等生長都要受到植物激素的作用[2-3]。

玉米作為糧食、動物飼料、發(fā)酵酒精的能源物質(zhì)被人們大量種植，但是由于受各種因素限制，玉米發(fā)芽率不高，影響農(nóng)民收入[4]。玉米萌發(fā)受到多種因素影響，種子胚是否完整以及播種土壤的礦物質(zhì)含量、溫度、水分等對萌發(fā)都有影響。研究同時發(fā)現(xiàn)，不同激素對于玉米萌發(fā)的影響存在明顯差異。

研究表明，植物激素在干旱條件下可以促進種子萌發(fā)、提高玉米等植物苗期的抗旱性[5]。1958年，褪黑素（melatonin，MT）從牛的松果體中被提取出來，1963年才被正式確認為是一種激素。20世紀90年代后，人們在許多植物中發(fā)現(xiàn)了褪黑素的蹤影，藥用植物含量較高[6]。褪黑素是一種類似于IAA的生長調(diào)節(jié)子，可以促進植物側(cè)根和不定根的產(chǎn)生，可以明顯提高側(cè)根的數(shù)目[7]。研究表明，褪黑素可作為抵御超氧化的第一防線?？赡苁怯捎谕屎谒靥岣吡酥参锟寡趸富钚裕瑥亩３只钚匝醯钠胶?，提高植物的抗逆性。褪黑素能夠有效提高植物耐干旱能力，其主要作用機理是通過提高活性氧清除酶系以及抗氧化物質(zhì)的含量來清除干旱脅迫引起的氧化脅迫，從而達到增強植物干旱的抵御能力[8]。目前關(guān)于褪黑素對于玉米種子萌發(fā)影響的研究還較少。

本試驗以廣泛種植的鄭單958玉米種子為對象，研究不同濃度褪黑素浸種處理對15%PEG-6000模擬干旱脅迫環(huán)境下玉米種子萌發(fā)的影響，以期篩選出褪黑素最適合的浸種濃度，提高玉米種子萌發(fā)率，為旱地玉米種植提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試玉米種子鄭單958購自河南秋樂科技股份有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 MT溶液配制 MT溶液浸種液濃度分別為0（CK），5，50，100，300 μmol/L，每個濃度 8 次重復(fù)。

1.2.2 玉米種子處理 挑選種胚發(fā)育完整成熟的玉米種子，先用自來水沖洗4～5次，洗去玉米種子包衣。用0.1%的NaClO浸泡10 min消毒。用蒸餾水沖洗已消毒的種子3～5次。先用吸水紙吸去明顯的水分，然后將種子放陰涼處自然晾干。將已風(fēng)干的種子浸入相應(yīng)濃度梯度的MT溶液中24 h。取15粒浸種完成的玉米種子放入鋪有雙層濾紙的貼好標簽的培養(yǎng)皿（直徑8.0 cm）中，在每個培養(yǎng)皿中分別加入5 mL15%的PEG-6000溶液，8次重復(fù)，然后置于智能光照培養(yǎng)箱（無光）中進行培養(yǎng)，25℃觀察萌發(fā)情況。

培養(yǎng)期間每天觀察并記錄數(shù)據(jù)，且補充適量聚乙二醇溶液保持濕潤并持續(xù)脅迫。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 種子形態(tài)指標測定 玉米種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)參照劉志洋等[9]的方法完成。萌發(fā)后7d測定幼苗的芽長、主根長，統(tǒng)計側(cè)根數(shù)。

1.3.2 幼苗生理指標測定 脯氨酸含量測定采用磺基水楊酸法[10]，氧自由基含量測定參考李鐘光等[11]的方法，MDA的測定采用硫代巴比妥酸法[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有的數(shù)據(jù)均使用3次重復(fù)試驗結(jié)果的平均值；采用Excel和SPSS23.0軟件進行數(shù)據(jù)分析與處理，并繪制圖表和折線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 MT浸種對干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)的影響

2.1.1 MT浸種對干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)期發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響 由表1可知，干旱脅迫下，玉米種子發(fā)芽率隨MT浸種濃度的增加呈先上升后下降的變化趨勢；5～50 μmol/L MT浸種處理的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均高于CK，其中，50μmol/LMT浸種處理的玉米發(fā)芽率和發(fā)芽勢最好；300 μmol/L MT浸種處理的發(fā)芽率和發(fā)芽勢顯著低于CK，發(fā)芽受到抑制。

表1 MT浸種對干旱脅迫下玉米發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

2.1.2 MT浸種對玉米種子萌發(fā)期發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響 從表2可以看出，15%的PEG-6000模擬干旱脅迫下，隨MT浸種濃度的增加玉米種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，其中，50 μmol/L MT浸種處理的玉米種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)最高；300 μmol/L MT浸種處理的玉米種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)最低。

表2 MT浸種對玉米種子發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽活力的影響

2.1.3 MT浸種對玉米種子萌發(fā)期單株胚根鮮質(zhì)量的影響 從表3可以看出，15%的PEG-6000模擬干旱脅迫下，MT濃度在0～50 μmol/L時，隨MT濃度的增加，單株胚根鮮質(zhì)量呈上升趨勢，MT浸種處理的玉米種子萌發(fā)期單株胚根鮮質(zhì)量在MT濃度為 50 μmol/L 時達最大值；在 50～300 μmol/L 范圍內(nèi)呈下降趨勢。

2.2 MT 浸種對玉米幼苗生長的影響

從表4可以看出，MT浸種對于干旱脅迫下的玉米種子萌發(fā)包括芽長、主根長、側(cè)根數(shù)都有一定的影響。MT濃度為50 μmol/L時主根最長，側(cè)根數(shù)最多，根系表面積由于側(cè)根數(shù)最多也達到最大值。

表3 MT浸種單株胚根鮮質(zhì)量變化

表4 MT浸種對玉米種子萌發(fā)后7 d形態(tài)特征的影響

2.2.1 MT浸種對玉米幼苗中氧自由基含量的影響

從圖1可以看出，當MT濃度為50 μmol/L時，玉米幼苗中的氧自由基含量達到最大值，比CK高17%；5 μmol/LMT浸種時氧自由基含量較CK降低最明顯。說明MT浸種時，5 μmol/L濃度對氧自由基的形成具有抑制作用，高濃度的MT會導(dǎo)致氧自由基的累積。

2.2.2 MT浸種對玉米幼苗MDA含量的影響 由圖2可以看出，干旱脅迫下，隨著MT濃度的增加玉米幼苗中MDA的含量呈先下降后上升的變化趨勢，其中，CK玉米幼苗中的MDA含量最高；當浸種濃度大于50 μmol/L時，MDA含量又會隨浸種濃度增加而增加。

2.2.3 MT浸種對玉米幼苗中脯氨酸含量的影響由圖3可知，干旱脅迫下玉米幼苗中的脯氨酸含量會隨MT濃度的增大而出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當MT浸種濃度為50 μmol/L時，幼苗中脯氨酸含量達到峰值；之后繼續(xù)增加MT濃度脯氨酸含量反而會減小。

3 結(jié)論與討論

褪黑素可提高植物的抗逆性在多種植物上都有發(fā)現(xiàn)[13-15]。褪黑素能緩解干旱脅迫對于紫蘇幼苗根系生長的抑制[16]，外施MT可提高黃瓜、小麥等對干旱的抵御能力[17-19]。本試驗研究MT對于干旱脅迫下玉米萌發(fā)的影響，結(jié)果說明，MT浸種對于玉米萌發(fā)的萌發(fā)率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)變化趨勢相同，均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢?？傊?，MT能在低濃度促進玉米種子的萌發(fā)，當達到一個峰值后促進效果會明顯減弱，50 μmol/L MT浸種后的玉米種子萌發(fā)效果最好。

本研究中，氧自由基在MT濃度超過50 μmol/L后，開始出現(xiàn)下降趨勢。前人研究發(fā)現(xiàn)，氧自由基在達到一定閾值前對植物具有一定的刺激作用[20]。因此推測，本研究中雖然MT處理提高了氧自由基含量，但是并沒有達到閾值，因此，并沒有毒害作用；而MT處理顯著降低了MDA含量，并且有效提高了脯氨酸含量，因而，能夠提高玉米的抗逆性。而褪黑素通過提高抗氧化系統(tǒng)活性來降低水分脅迫的膜損傷，從而降低MDA累積也已經(jīng)得到證實[15]。綜上認為，外源施加褪黑素能夠有效改善水分脅迫帶來的膜傷害，減少MDA的積累，從而提高玉米萌發(fā)率。