外源褪黑素對低溫脅迫下大白菜幼苗生長及生理特性的影響

李欠敏,楊琳,段巧紅,黃家保

外源褪黑素對低溫脅迫下大白菜幼苗生長及生理特性的影響

李欠敏,楊琳,段巧紅,黃家保*

山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院/作物生物學國家重點實驗室, 山東 泰安 271018

為探究褪黑素對低溫脅迫下大白菜幼苗的影響，本研究以大白菜品種“靚冠熱”為試材，分別用10 μmol·L-1、100 μmol·L-1和500 μmol·L-1的褪黑素預(yù)處理白菜幼苗，而后置于低溫培養(yǎng)箱模擬冷脅迫環(huán)境，最后測定各項生長和生理指標。結(jié)果表明，經(jīng)過外源褪黑素預(yù)處理的白菜幼苗的根長、株高、葉長、莖粗、鮮重、干重、根冠比、壯苗指數(shù)和G值等生長指標比未處理的幼苗有顯著提升，其中100 μmol·L-1褪黑素處理后根長、株高、葉長、莖粗分別增加51.5%、26.9%、62.1%和34.5%，鮮重、干重、根冠比、壯苗指數(shù)和G值分別增加127.0%、155.4%、16.5%、26.6%和127.3%。凈光合速率和可溶性蛋白總含量分別增加110.1%和58.4%，抗氧化相關(guān)酶SOD、POD和APX的活性分別增加86.3%、95.6%和21.0%，同時抗性生理指標丙二醛含量降低21.9%。說明噴施外源褪黑素能顯著增強大白菜的低溫耐受性。

大白菜; 低溫脅迫; 褪黑素; 生長特性; 生理特性

大白菜（ssp）屬于十字花科蕓薹屬蔬菜作物，深受我國廣大民眾喜愛，2020年全國栽植面積為184.5萬hm2，在所有蔬菜中排行第二[1]。其中設(shè)施栽培的面積約占全部面積的4%，說明大部分大白菜為露天栽植，這導(dǎo)致其生產(chǎn)容易受天氣影響[2]。

冷害是大白菜生產(chǎn)過程中面臨的重要危害。低溫會造成大白菜生長緩慢、易腐爛、葉片上出現(xiàn)水漬狀的斑點等生長脅迫，最終導(dǎo)致大白菜減產(chǎn)[3]。在大白菜的生理特性方面，低溫脅迫會導(dǎo)致其凈光合速率下降和光合反應(yīng)活性減小[4]，此外大白菜葉片中的SOD、POD等抗氧化相關(guān)的酶活性均顯著下降，而代表植物損傷程度的重要抗性生理指標-丙二醛（MDA）與游離脯氨酸（PRO）的含量均出現(xiàn)上升[5]。

褪黑素(melatonin，MT)是由色氨酸脫羧酶、色胺5-羥化酶、5-羥色胺N-乙酰轉(zhuǎn)移酶和N-乙酰-5-羥色胺甲基轉(zhuǎn)移酶合成的內(nèi)源性有益吲哚胺[6]。已有的研究表明褪黑素在植物抗逆性方面發(fā)揮重要作用。在園藝作物方面，Posmyk等在2009年用MT溶液浸泡黃瓜種子后，發(fā)現(xiàn)可以顯著提高低溫脅迫下黃瓜種子的發(fā)芽率[7]。Aghdam等在2017年用褪黑素處理采摘后的草莓果實，發(fā)現(xiàn)其H2O2積累，觸發(fā)了苯丙烷途徑的活性，強化了細胞壁，抵抗外來病原菌的入侵，減緩果實的衰老[8]。包宇在2014年通過噴施外源MT的方法，緩解了番茄幼苗受到的低溫脅迫[9]。但是MT在大白菜低溫脅迫中的作用還未有研究。本文探究了外源褪黑素對低溫脅迫下大白菜幼苗生長、光合作用、活性氧代謝、丙二醛等生長和生理指標的影響，旨在探明褪黑素在緩解低溫脅迫方面的功能及作用機理，為減輕低溫對大白菜產(chǎn)生的危害提供新的思路和手段，拓展褪黑素在植物中的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與處理

本試驗中所用大白菜品種為"靚冠熱"白菜。試驗于2020年11月至2021年1月在山東農(nóng)業(yè)大學科研基地溫室大棚進行。10月17日播種，種子發(fā)芽后進行幼苗篩選，選擇長勢相同幼苗，進行外源MT噴施處理，使用的MT濃度為10、100、500 μmol.L-1，對照則用蒸餾水處理，重復(fù)3次。外源MT葉面噴施3次，每次噴施間隔2 d，以確保大白菜幼苗充分吸收MT。處理結(jié)束后，使大白菜幼苗受到低溫處理，培養(yǎng)箱參數(shù)設(shè)置為:光周期12 h(晝)/12 h(夜)，光照強度100%，溫度為晝5 ℃/夜5 ℃，相對濕度為75%。低溫脅迫24 h后檢測SOD(超氧化物歧化酶)、POD(過氧化物酶)、CAT(過氧化氫酶)、APX(抗壞血酸)、可溶性蛋白、MDA(丙二醛)。低溫脅迫10 d后，進行生長指標的數(shù)據(jù)檢測，分別從3個處理以及對照組中隨機選取10株幼苗，以減小誤差。

1.2 測定項目與方法

使用直尺直接測量大白菜幼苗的根長、株高以及葉長；使用游標卡尺測量大白菜幼苗莖粗；鮮重使用電子天平稱量；干重測量需要先對大白菜幼苗105 ℃殺青20 min，隨后改溫度為80 ℃烘干24 h，烘干后用電子天平稱量[10]。壯苗指數(shù)=莖粗(mm)/株高(cm)，G值=全株干質(zhì)量(g)/育苗天數(shù)(d) ，根冠比=地下部干質(zhì)量(g)/地上部干重(g)。光合特性相關(guān)數(shù)據(jù)的測定采用王義坤的方法[11]。可溶性蛋白的測量采用考馬斯亮蘭G-250染色法[12]。SOD（超氧化物歧化酶）的測量采用氮藍四唑法（NBT）[13]，POD(過氧化物酶)的測量采用愈創(chuàng)木酚法[14]，CAT（過氧化氫酶）的測量采用Singh的方法[15]，抗壞血酸過氧化物酶（APX）的測量采用鄒琦的方法[16]。MDA(丙二醛)的測量采用Heath的方法[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用WPS軟件整理測量所得數(shù)據(jù)，SPSS 20數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)方差并進行顯著性差異檢驗，<0.05，表格的繪制使用WPS軟件，柱狀圖的繪制使用Prsim 8.0，用Photoshop軟件整理圖版。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源MT對低溫脅迫下大白菜幼苗生長特性的影響

為了觀察MT對低溫脅迫下大白菜幼苗生長的影響，我們對幼苗低溫脅迫10 d后進行各項生長指標檢測。結(jié)果表明，在低溫脅迫下，與未噴施MT的相比，濃度10 μmol·L-1、100 μmol·L-1和500 μmol·L-1的MT處理的大白菜幼苗根長分別增加18.1%、51.5%和22.7%，葉長分別增加28.0%、62.1%、30.3%，莖粗分別增加22.0%、34.5%、20.6%，鮮重分別增加64.8%、127.0%、45.4%，干重分別增加62.7%、155.4%、45.1%，根冠比分別增加14.1%、16.5%、8.0%，G值分別增加62.5%、127.3%、44.3%。此外，100 μmol·L-1和500 μmol·L-1的MT處理后株高分別增加26.9%、39.0%，但10 μmol·L-1MT處理后減少3.6%；而類似濃度處理后壯苗指數(shù)分別增加26.6%、6.2%和減少13.2%。絕大多數(shù)指標均以100 μmol·L-1濃度MT處理時效果最佳（圖1，表1）。這些結(jié)果說明MT能夠促進低溫脅迫下大白菜幼苗的生長。

圖 1 外源MT處理對低溫脅迫10 d后大白菜幼苗的影響

表 1 外源MT處理對低溫脅迫10 d后大白菜幼苗生長特性的影響

注: 同一欄中的不同字母表示在0.05水平差異顯著。

Note: The different letters on the same columns showed there were significant differences at 0.05 level.

2.2 外源MT對低溫脅迫下大白菜幼苗生理特性的影響

2.2.1 外源MT對低溫脅迫下大白菜幼苗光合參數(shù)的影響光合參數(shù)是反應(yīng)植物光合作用強弱的指標。在低溫脅迫下，與未噴施MT相比，濃度為10 μmol·L-1、100 μmol·L-1、500 μmol·L-1處理的大白菜幼苗的凈光合速率分別增加38.7%、110.1%、29.4%（圖2A）；10 μmol·L-1和100 μmol·L-1處理后氣孔導(dǎo)度分別增加8.1%、13.0%，而500 μmol·L-1處理的大白菜幼苗的氣孔導(dǎo)度減少4.3%，可能是濃度太高造成了脅迫（圖2B）；10 μmol·L-1、100 μmol·L-1、500 μmol·L-1處理后胞間CO2濃度分別減少12.7%、9.8%、1.1%（圖2C）。此外，上述三個濃度處理后可溶性蛋白含量分別增加45.8%、58.4%、31.8%。這些結(jié)果進一步說明MT能夠促進白菜幼苗在低溫脅迫下的營養(yǎng)生長。

圖 2 外源MT對低溫脅迫下大白菜幼苗光合參數(shù)和可溶性蛋白含量的影響

圖 3 外源MT對低溫脅迫下大白菜幼苗抗氧化酶活性的影響

2.2.2 外源MT對低溫脅迫下大白菜幼苗抗氧化酶活性的影響活性氧在逆境脅迫下會在植物體中大量積累，而抗氧化酶在對抗這種不利的生理變化中發(fā)揮重要作用。我們研究發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下，濃度為10 μmol·L-1、100 μmol·L-1、500 μmol·L-1MT預(yù)處理的大白菜幼苗中SOD酶活性分別增加100.5%、86.3%、20.0%，POD酶活性分別增加55.0%、95.6%、68.4%，CAT酶活性分別增加7.3%、21.0%、8.9%（圖3），暗示大白菜可能通過提高抗氧化酶的活性來應(yīng)對冷害引起的活性氧積累，從而減輕對細胞的毒害。

2.2.3 外源MT對低溫脅迫下大白菜幼苗MDA含量的影響研究表明MDA含量可以反映植物受逆境的損傷程度[18]。在低溫脅迫下，濃度為10 μmol·L-1、100 μmol·L-1、500 μmol·L-1的MT處理過的大白菜幼苗MDA含量分別減少10.2%、21.9%、7.7%。100 μmol·L-1濃度的MT效果最佳（圖4）。說明MT能減緩冷脅迫對植物造成的傷害。

圖 4 外源MT對低溫脅迫下大白菜幼苗MDA含量的影響

3 討 論

MT在降低植物逆境脅迫損傷中作用已在多個物種中得到證明。本研究以大白菜為研究對象，通過對低溫脅迫下的幼苗葉面噴施MT后測量各項生長和生理指標，表明MT可以在一定程度上促進低溫脅迫下大白菜幼苗的營養(yǎng)生長，提高葉片的凈光合速率，緩解大白菜幼苗受到低溫脅迫所產(chǎn)生的不利影響，從而增強大白菜幼苗對低溫的適應(yīng)能力。

研究表明，低溫脅迫會造成體內(nèi)ROS大量積累，破壞植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的平衡。胡俊杰等研究發(fā)現(xiàn)菜用大豆在受到低溫脅迫時，其體內(nèi)的ROS含量顯著增加[19]。在逆境下，ROS誘導(dǎo)的膜脂過氧化會產(chǎn)生MDA，因此MDA的含量也能作為植物受傷害程度的指標之一[20]。MT是一種理想的抗氧化劑，外源MT施加提高了大白菜體內(nèi)的SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，清除了大白菜幼苗體內(nèi)因受低溫脅迫而積累的ROS。史中飛等人研究發(fā)現(xiàn)，受到低溫脅迫的油菜幼苗在施加外源MT后可以顯著降低體內(nèi)的ROS與MDA含量，SOD、POD、CAT的活性明顯提高，增強了油菜對低溫的耐受性[21]，這與本文的研究結(jié)果類似。本研究拓展了褪黑素在園藝作物中的應(yīng)用范圍。

4 結(jié) 論

噴施外源MT可以使低溫脅迫下大白菜幼苗抗氧化酶活性增強，MDA含量下降，從而有助于促進低溫條件下大白菜幼苗的正常生長。MT的最佳使用濃度為100 μmol.L-1。

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Effects of Exogenous Melatonin on the Growth and Physiological Characteristics of Chinese Cabbage Seedlings under Chilling Stress

LI Qian-min, YANG Lin, DUAN Qiao-hong, HUANG Jia-bao*

271018,

To explore effects of melatonin (MT) on Chinese cabbage under chilling stress, exogenous MT at concentration of 10 μmol·L-1, 100 μmol·L-1and 500 μmol·L-1were used for seedling treatment before applying chill stress. The results showed that root length, plant height, leaf length and stem diameter were increased by 51.5%、26.9%、62.1% and 34.5% after 100 μmol·L-1MT treatment compared with CK seedlings. The fresh weight, dry weight, root-crown ratio, strong seedling index and G-value of MT-treated seedlings were increased by 127.0%, 155.4%, 16.5%, 26.6% and 127.3%. The physiological characteristics like net photosynthetic rate and total soluble protein were increased by 110.1% and 58.4%. The activity of antioxidant enzyme such as SOD, POD, CAT and APX were increased by 86.3%, 95.6% and 21.0% after application of MT. Consist with this, the content of MDA was reduced which indicated MT indeed reduce the physiological impairment induced by low temperature. These results demonstrate the MT treatment enhance the tolerance to chilling stress for Chinese cabbage.

ssp; chilling stress; melatonin; growth characteristics; physiological characteristics

S634.1

A

1000-2324(2021)02-0182-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.004

2021-01-12

2021-02-25

山東農(nóng)業(yè)大學高層次人才引進啟動經(jīng)費

李欠敏(1996-),男,碩士研究生,專業(yè)方向:蔬菜抗逆生理. E-mail:1366955039@qq.com

Author for correspondence. E-mail:jbhuang2018@outlook.com