外源褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗生長、光合及抗氧化系統(tǒng)的影響

楊新元

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟作物研究所，山西 汾陽 032200)

在各種非生物逆境脅迫中，干旱脅迫是對植物生長發(fā)育影響最大的自然災(zāi)害，對作物產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生嚴重影響[1-2]。有研究表明，植物在遭遇干旱脅迫時，體內(nèi)會產(chǎn)生大量的活性氧，造成活性氧代謝失衡，給植物造成氧化損傷，光合機構(gòu)遭到破壞，光合效率顯著降低，植物生長發(fā)育受到嚴重影響[3-4]。油用向日葵(HelianthusannuusL.)屬菊科(Composite)向日葵屬(Helianthus)，是世界重要的油料作物之一，也是我國的五大油料作物之一，在我國的東北、西北及華北地區(qū)的干旱和半干旱地區(qū)廣泛種植。油用向日葵雖然具有較強的耐旱性和耐鹽性，但其苗期春旱現(xiàn)象仍時常發(fā)生，不僅影響幼苗的生長發(fā)育，而且會對后期的營養(yǎng)生長和生殖生長帶來嚴重影響，導(dǎo)致產(chǎn)量和含油量顯著降低，給生產(chǎn)帶來巨大損失。如何進一步提高油用向日葵的耐旱性，已成為油用向日葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問題之一[5]。

褪黑素(Melatonine，MT)又稱N-乙酰-5-甲氧基色胺，在動物、植物和微生物體內(nèi)廣泛存在，是一種潛在的生長調(diào)節(jié)劑。大量研究表明，植物體內(nèi)褪黑素含量雖然較低，但是其在提高植物對冷害[6]、干旱[7]、鹽脅迫[8]及重金屬脅迫[9]等逆境的抗性方面發(fā)揮著重要的作用，其作用機制主要包括兩方面：一方面褪黑素本身就是一種抗氧化劑，可直接中和OH·、H2O2等活性氧自由基[10]；另一方面褪黑素作為一種信號分子，不僅可以誘導(dǎo)抗氧化酶活性(如SOD、POD、CAT、APX及GR等)和抗氧物質(zhì)含量(AsA及GsH等)提高，而且可以誘導(dǎo)抗性基因的表達(如WRKY、bHLH及TFs等)，從而提高植物抗逆性[3,6,11]。目前，關(guān)于褪黑素提高植物抗旱性的研究已有相關(guān)報道，但是尚存在一定的局限性。首先，研究對象大多集中于園藝作物(如黃瓜[12]、蘋果[13]、雛菊[7]等)，鮮有油料作物方面的研究報道；其次，褪黑素是否可以提高油用向日葵的耐旱性及作用機制如何尚未見相關(guān)研究報道；再次，關(guān)于褪黑素濃度效應(yīng)方面的研究尚不多見，篩選褪黑素最佳施用濃度，對其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用具有重要意義。

本研究以油用向日葵品種晉葵5號為試驗材料，研究了干旱脅迫條件下不同濃度外源褪黑素對其生長、光合和抗氧化特性的影響，以探討外源褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗生長的緩解機制，篩選最佳的施用濃度，旨在為油用向日葵的抗旱栽培提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所試驗基地塑料防雨棚內(nèi)進行。供試向日葵品種為晉葵5號，由油用向日葵課題組自主選育；試驗用褪黑素為分析純，購自上海生工生物工程有限公司。

1.2 試驗方法

試驗采用盆栽方式進行，花盆規(guī)格為45 cm×50 cm，以試驗田土壤為栽培土壤，每盆裝土3 kg，定植1株向日葵幼苗。共設(shè)置6個處理，即CK1(正常供水)、CK2(干旱脅迫)、S50(干旱脅迫+50 μmol/L MT)、S100(干旱脅迫+100 μmol/L MT)、S150(干旱脅迫+150 μmol/L MT)和S200(干旱脅迫+200 μmol/L MT)，每個處理20盆，重復(fù)3次，共計360 盆，隨機區(qū)組排列。干旱脅迫前，連續(xù)2 d傍晚在向日葵幼苗葉片噴施相應(yīng)濃度的褪黑素，噴施量以水珠懸掛不滴為標準，CK1和CK2分別噴施等量清水。分別于處理后第0，5，10 天進行取樣，用于測定各處理生長、光合及生理指標。

1.3 測定項目及方法

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理及作圖；采用SPSS 18.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗生長的影響

從表1可以看出，與CK1(正常供水)相比，干旱脅迫會顯著抑制向日葵幼苗生長。干旱處理達到10 d時，株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別較CK1降低9.42%，7.39%，10.15%，13.18%；外源施用褪黑素可明顯促進干旱脅迫下向日葵幼苗的生長，并且生長積累量隨外源褪黑素濃度的升高而呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳，與CK2(干旱脅迫)相比，在干旱處理達到10 d時，株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別提升7.13%，7.48%，8.13%和12.48%，較CK2、S50及S200均達到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，干旱脅迫會顯著抑制向日葵幼苗生長，而外源施用褪黑素可明顯緩解干旱脅迫對向日葵幼苗生長的抑制作用，并且具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

表1 褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗生長的影響Tab.1 Effects of melatonin on growth of sunflower seedlings under drought stress

注：CK1表示正常水分處理+0 μmol/L MT；CK2表示單獨干旱處理；S50、S100、S150和S200分別表示干旱脅迫下，葉面噴施50，100，150，200 μmol/L MT；同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異達到顯著差異水平(P<0.05)。圖1-4、表2同。

Note：CK1 is the normal water and without MT treatment；CK2 represent drought stress and without MT treatment；S50，S100，S150 and S200 are represent drought stress with 50，100，150 and 200 μmol/L MT treatment respectively；Different letters in the same column indicated significant difference among treatments at 0.05 level．The same as Fig.1-4,Tab.2．

2.2 外源褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗葉片葉綠素含量的影響

如圖1所示，干旱脅迫會顯著降低向日葵幼苗葉片的葉綠素含量，且干旱脅迫越重降低幅度越大。與CK1(正常供水)相比，干旱脅迫時間達到5，10 d時，向日葵幼苗葉片的葉綠素含量分別降低18.4%和47.51%。外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗葉片的葉綠素含量，且提升幅度隨外源褪黑素濃度的升高而呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。在干旱處理達到10 d時，外源施用濃度為50，100，150，200 μmol/L褪黑素處理條件下，向日葵幼苗葉片的葉綠素含量分別較CK2(干旱脅迫)提升25.32%，61.43%，43.61%和18.52%，較CK2、S50、S150及S200均達到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，干旱脅迫會顯著降低向日葵幼苗葉片葉綠素含量，而外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗的葉綠素含量，增強其對干旱脅迫的抗性，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

圖1 褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗葉片葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of MT on chlorophyll content of leaves in sunflower seedlings under drought stress

2.3 外源褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗葉片光合作用的影響

如圖2所示，與CK1(正常供水)相比，干旱脅迫會顯著抑制向日葵幼苗葉片的光合作用，其中， Pn、Gs和Tr隨干旱脅迫程度加重而逐漸降低，而Ci則先下降后上升。干旱處理10 d時，Pn、Gs及Tr分別較CK1降低54.11%，60.53%和47.59%，而Ci較CK1則略有提升。外源施用褪黑素可明顯促進干旱脅迫下向日葵幼苗的光合作用，且提升幅度隨施用濃度增加而表現(xiàn)為先升高后降低；其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳，與CK2(干旱脅迫)相比，在干旱處理達到10 d時，其Pn、Gs及Tr分別提升52.71%，60.00%和39.29%，而Ci則降低12.66%，較CK2、S50及S200均達到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，干旱脅迫會顯著降低向日葵幼苗的光合效率，而外源施用褪黑素可明顯緩解干旱脅迫對向日葵幼苗的傷害，提升光合效率，并且具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

圖2 褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗光合作用的影響Fig.2 Effects of MT on photosynthesis of leaves in sunflower seedlings under drought stress

2.4 外源褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗葉片相對電導(dǎo)率、MDA含量、H2O2含量及產(chǎn)生速率的影響

圖3 褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗相對電導(dǎo)率、MDA含量、H2O2含量及產(chǎn)生速率的影響Fig.3 Effects of MT on the relative conductivity，MDA content，H2O2 content and producing rate of leaves in sunflower seedlings under drought stress

2.5 外源褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

從表2可以看出，與CK1(正常供水)相比，隨著干旱脅迫時間的延長，向日葵幼苗葉片的SOD、POD、CAT、APX及GR活性均表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢。在干旱脅迫達到10 d時，SOD、POD、CAT、APX及GR活性分別較CK1(正常供水)降低21.94%，34.13%，22.44%，35.36%和56.25%。外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗葉片的SOD、POD、CAT、APX及GR活性，并且5種保護酶活性提升幅度均隨外源褪黑素濃度的升高而表現(xiàn)為先升高后降低；其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳，與CK2(干旱脅迫)相比，在干旱處理達到10 d時，其SOD、POD、CAT、APX及GR活性分別提升43.03%，70.16%，57.00%，85.22%和148.09%，較CK2、S50及S200均達到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，向日葵幼苗通過提升自身的抗氧化酶活性來清除活性氧，從而減輕干旱脅迫對其造成的傷害；而外源施用褪黑素可明顯促進干旱脅迫下向日葵幼苗的抗氧化酶活性提升，并且具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

2.6 外源褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗葉片AsA和GSH含量的影響

AsA和GSH是植物細胞內(nèi)重要的抗氧化物質(zhì)。由圖4可知，與CK1(正常供水)相比，向日葵幼苗葉片的AsA和GSH含量隨著干旱脅迫時間的延長而表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢；在干旱脅迫達到10 d時，向日葵幼苗葉片的AsA和GSH含量分別較CK1提升7.84%和35.56%。在干旱脅迫條件下，外源施用褪黑素可明顯提升向日葵幼苗葉片的AsA和GSH含量，且提升幅度隨施用濃度增加而表現(xiàn)為先升高后降低；其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳，與CK2(干旱脅迫)相比，在干旱處理達到10 d時，其AsA和GSH含量分別提升20.00%和40.98%，較CK2、S50及S200均達到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，干旱脅迫會顯著提升向日葵幼苗的AsA和GSH含量，而外源施用褪黑素則可進一步促進向日葵幼苗的AsA和GSH含量提升，并且具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

表2 褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗葉片抗氧化酶活性的影響Tab.2 Effects of melatonin on antioxidant enzyme activity of leaves in sunflower seedlings under drought stress

圖4 褪黑素對干旱脅迫下向日葵幼苗葉片AsA和GsH含量的影響Fig.4 Effects of MT on the AsA content and GsH content of leaves in sunflower seedlings under drought stress

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫條件下，植物細胞的結(jié)構(gòu)和功能常遭到破壞，導(dǎo)致植物生長發(fā)育受到顯著抑制，生物量積累明顯下降[12]。本試驗中，干旱脅迫顯著降低了向日葵幼苗的株高、莖粗、葉面積和干質(zhì)量，向日葵幼苗生長受到明顯抑制，并且干旱脅迫時間越長抑制幅度越大；外源施用褪黑素可明顯緩解干旱脅迫對向日葵幼苗生長的抑制作用，并可促進其生長，其中以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。這與吳燕等[7]在雛菊及鄒京南等[17]在大豆方面的研究結(jié)果較為一致。其原因可能是由于一方面外源施用褪黑素可以提升干旱脅迫下植物葉片的葉綠素含量；另一方面外源施用褪黑素可以提升干旱脅迫下植物葉片的光合作用效率。

光合作用是植物進行生長發(fā)育不可或缺的生理功能之一，其主要色素便是葉綠素。前人研究表明，植物在遭遇干旱脅迫時，葉片葉綠素較易降解、光合效率和功能明顯降低[18]。本試驗中，干旱脅迫顯著降低了向日葵幼苗葉片的葉綠素含量，并且隨著干旱脅迫時間的延長降低幅度增大，而外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗葉片的葉綠素含量，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。這與吳燕等[7]在雛菊及葉君等[3]在小麥方面的研究結(jié)果較為一致，但是其作用機制尚不清楚，是褪黑素直接影響了葉綠素合成與降解的關(guān)鍵酶活性，還是通過其他間接方式影響了葉綠素的合成與降解，尚待進一步研究。同時，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫時間的延長，向日葵幼苗葉片Pn、Gs和Tr逐漸降低，Ci則先下降后上升，這與姚春娟等[4]在決明屬植物方面的研究報道基本一致，說明氣孔因素是干旱脅迫下向日葵幼苗光合效率降低的主要因素[19]。與CK2(干旱脅迫)相比，外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗葉片的Pn、Gs和Tr，且提升幅度隨著褪黑素濃度的升高表現(xiàn)為先升高后降低，Ci則相反，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。這與鄒京南等[17]在大豆方面、楊小龍等[20]在番茄方面的研究報道較為一致，其原因可能是由于適宜濃度的褪黑素可以提高干旱脅迫下植物葉片的光合酶活性，提高CO2轉(zhuǎn)化效率，從而降低Ci；而高濃度的褪黑素則會對光合機構(gòu)產(chǎn)生一定的抑制作用，導(dǎo)致CO2轉(zhuǎn)化效率降低，Ci提升。

綜上所述，外源褪黑素可顯著提升干旱脅迫下向日葵幼苗的抗氧化能力，活性氧自由基得到有效清除，降低了膜質(zhì)過氧化，減輕了對光合系統(tǒng)的氧化損傷，促進了干旱脅迫下向日葵幼苗的生長發(fā)育，耐旱性得到顯著提升。此外，外源褪黑素提高向日葵耐旱性具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L處理效果最佳。褪黑素作為一種潛在的植物生長調(diào)節(jié)劑，在提高植物抗旱性方面具有廣闊的應(yīng)用前景，本研究結(jié)果可以為褪黑素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的開發(fā)和利用提供一定的參考依據(jù)。