外源褪黑素對鹽漬環(huán)境下黃瓜幼苗生長的影響

劉婷婷，衛(wèi)旭陽，翟錫姣，曹世宇，鄭少文

(山西農業(yè)大學 園藝學院，山西 太谷 030801)

黃瓜是我國栽培面積最大的設施蔬菜之一，也是對栽培環(huán)境鹽漬化較敏感的一種作物。由于設施內的土壤長期處于封閉的環(huán)境中，缺少天然雨水的淋溶，作物栽培種類較為單一，長期不合理施肥等生產狀況導致設施內的土壤鹽漬化程度越來越嚴重[1-2]。土壤鹽漬化對植物的形態(tài)發(fā)育表現為抑制器官和組織的生長，產量也因此降低[3-4]。有研究發(fā)現，在不同的鹽處理下黃瓜幼苗的生長均會受到抑制，細胞膜的透性變大，但是對不同保護酶活性的影響存在差異[5]。褪黑素(Melatonin)是存在于眾多生物中的一種吲哚類物質[6]，具有類似IAA的作用，可以促進種子萌發(fā)、植物生長以及不定根的形成[7]。Tan等[8]研究發(fā)現，褪黑素處理會影響根系的發(fā)育，在玉米收獲期，用褪黑素處理玉米植株后會使其根系更加龐大。有研究表明[9]，化學藥劑脅迫可以誘導大麥根系中褪黑素的合成，使其褪黑素含量顯著增加，褪黑素含量的增加可能在防御化學誘導的應激和其他非生物/生物應激中發(fā)揮重要的抗氧化作用。外源褪黑素還可以通過提高抗氧化酶活性和抗壞血酸谷胱甘肽循環(huán)相關酶的活性緩解高溫脅迫對植株生長的抑制[10]。還有研究表明，外源褪黑素可以顯著提高番茄的抗氧化酶活性和相關滲透調節(jié)物質，提高番茄的耐鹽性[11]。褪黑素可以增強鹽脅迫下月季月月粉的抗氧化酶活性以及滲透調節(jié)物質的質量分數，防止膜脂過氧化[12]；還可以促進鹽脅迫下香椿種子的萌發(fā)，提高香椿幼苗的耐鹽性[13]。本試驗以黃瓜幼苗為材料，研究不同濃度褪黑素對鹽漬環(huán)境下黃瓜幼苗的生長指標、滲透調節(jié)物質和相關抗氧化酶活等相關特性的影響，旨在為鹽漬環(huán)境下黃瓜幼苗的栽培提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年10月至2020年9月在山西農業(yè)大學(山西省農業(yè)科學院)太谷校區(qū)園藝學院園藝站溫室中進行。該地點位于山西省晉中市太谷縣(37.42°N，112.58°E)，太原盆地中部，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9.8 ℃，無霜期為175 d。

1.2 試驗材料

供試黃瓜品種為新泰密刺，購自山東省泰安市祥云種業(yè)有限公司；供試褪黑素購自北京索萊寶科技有限公司。

1.3 試驗設計

將溫室內的栽培區(qū)劃分為9個小區(qū)，分別在不同的小區(qū)內隨機取3份土樣，混合后測其土壤含鹽量為3%，達到中度鹽漬化水平。測所用基質中的含鹽量，加入等比例鹽溶液模擬溫室中土壤的鹽漬環(huán)境。采用溫湯浸種的方式處理種子，播種在5×10孔的穴盤中進行育苗；待黃瓜幼苗長出2片子葉時，挑選長勢一致的幼苗分成5組，用不同濃度的褪黑素溶液，即0 (M0)，50(M1)，100(M2)，150(M3)，200 μmol/L(M4)噴施在黃瓜幼苗葉片的正反兩面，每隔2 d噴施1次，處理時間為20：30，每個褪黑素濃度設置10個重復；至幼苗長至兩葉一心時，將幼苗移栽至小花盆(10 cm×10 cm)中，使用鹽處理后的基質定植。為了防止基質中鹽分流失，在小花盆底部搭配小托盤，將滲出的溶液及時倒回小花盆中。移栽后用褪黑素處理幼苗，方法同上。分別于移栽后的第7，10，15天測定樣本的相關生長指標，15 d后取黃瓜幼苗同一葉位的功能葉測定其相關生理指標。

1.4 測定指標及方法

用直尺測定株高(生長點至莖基部)、葉長、葉寬，用游標卡尺測定莖粗；用稱重法測定干、鮮質量；用丙酮提取法測定幼苗新鮮葉片的葉綠素含量[14]；熒光參數采用手持葉綠素熒光儀測定。

選擇1個葉片迅速放入鋁盒稱出鮮質量(Wf)；放入烘箱，于105 ℃下殺青0.5 h，然后于80 ℃下烘至恒質量，稱出干質量(Wd)，測定相對含水量(Relative water content,RWC)。稱鮮質量后將樣品浸入水中數小時取出，用吸水紙吸干樣品表面水分，稱質量；再將樣品浸入水中1 h，取出，擦干，稱質量，直至樣品飽和質量近似，即得到樣品飽和質量(Wt)；然后烘干，稱質量(Wd)。計算水分飽和虧(Water saturation deficit, WSD)。

WSD=((Wt-Wf)/(Wt-Wd))×100%[15]

①

采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定根系活力；采用電導儀法測定電解質滲透率。

丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法[16]；超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定采用氮藍四唑法；過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創(chuàng)木酚顯色法；可溶性糖含量測定采用硫酸-苯酚法；可溶性蛋白含量測定采用G-250(考馬斯亮藍)法；脯氨酸含量的測定采用磺基水楊酸法，參考植物生理學實驗指導[15]。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2013軟件處理數據，采用SPSS 20.0和SAS 9.0軟件對數據進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 外源褪黑素對黃瓜生長特性的影響

黃瓜幼苗的株高和莖粗隨著生長期逐漸增加；處理7 d時，外源褪黑素處理濃度為M2的幼苗株高最高，并且與其他處理間差異達到顯著水平；處理10 d時，外源褪黑素處理濃度為M2和M3的幼苗株高較高，且顯著高于M1和M4處理，但與M0處理間差異未達到顯著水平；處理15 d時，外源褪黑素處理濃度為M2的黃瓜幼苗株高分別較M0、M1、M3和M4處理高21%，34%，31%和36%，且差異達到顯著水平(圖1-A)。在不同褪黑素濃度的處理組中，黃瓜幼苗的莖粗呈現穩(wěn)定增長的趨勢，處理組M0、M1、M3和M4中，黃瓜幼苗的莖粗在不同處理階段均無顯著差異；處理15 d后，褪黑素濃度為M2的處理中黃瓜幼苗的莖粗較其他處理組高6%，并且差異達到顯著水平。結果表明，褪黑素濃度為M2時，對黃瓜幼苗株高與莖粗的影響較大(圖1-B)。

不同處理下黃瓜幼苗的葉長、葉寬會隨著生長期逐漸增長；處理后7，10，15 d時，處理組M2和M3的幼苗葉長高于M0處理，處理M2葉長較M0高5.8%，但差異未達到顯著水平；褪黑素濃度為 M1和M4的處理下，黃瓜幼苗的葉長均較M0處理低3.8%，在處理7 d時處理組M1和M4與對照組M0之間的差異達到顯著水平，在處理10，15 d時與對照組M0之間的差異未達到顯著水平(圖1-C)。

處理后7，10 d，不同的處理下黃瓜幼苗的葉寬無顯著性差異；在處理15 d后，褪黑素濃度為M2的處理黃瓜幼苗的葉寬較M0處理高6%，但差異未達到顯著水平，較其他處理組均高10%左右，且差異達到了顯著水平。結果表明，褪黑素濃度為M2的處理下，對黃瓜幼苗葉長、葉寬的生長具有促進作用(圖1-D)。

2.2 外源褪黑素對黃瓜幼苗滲透調節(jié)物質含量的影響

在鹽漬環(huán)境下，不同處理中黃瓜幼苗的可溶性糖含量存在顯著差異(P<0.05)。褪黑素濃度為M1、M3和M4時，處理組中黃瓜幼苗可溶性糖含量均顯著低于M0處理；當外源褪黑素濃度為M2時，黃瓜幼苗中可溶性糖含量最高，較M0處理高3.6%，且差異達到顯著水平(圖2-A)。結果表明，所施用的外源褪黑素濃度為M2時，對黃瓜幼苗葉片中可溶性糖含量的提高效果最佳。

在鹽漬環(huán)境下，不同濃度的外源褪黑素處理對黃瓜幼苗的可溶性蛋白含量有不同的影響。當外源褪黑素濃度為M1時，黃瓜幼苗葉片中可溶性蛋白含量較M0處理高18.5%，且差異達到顯著水平(P<0.05)；當外源褪黑素濃度為M2和M4時，黃瓜幼苗葉片中可溶性蛋白含量之間無顯著差異，均較M0處理高13.8%，但與M0處理之間差異不顯著；當外源褪黑素濃度為M3時，黃瓜幼苗葉片中可溶性蛋白含量較M0處理低18.6%，且差異達到顯著水平(圖2-B)。結果表明，外源褪黑素濃度為M1、M2和M4處理時，可以提高鹽漬環(huán)境下黃瓜幼苗葉片中可溶性蛋白的含量，并且褪黑素處理濃度為M1的提高效果最顯著。

植物體內脯氨酸不僅是滲透調節(jié)物質，而且還可以作為膜和酶的保護物質以及自由基清除劑，從而對黃瓜在滲透脅迫下的生長起到保護作用。在不同濃度外源褪黑素處理下，黃瓜幼苗的脯氨酸含量均有所提高；褪黑素處理濃度為M2時，脯氨酸含量較M0處理提高了37.5%，且差異達到顯著水平(P<0.05)；處理組M4的脯氨酸含量較M0處理高50.0%，差異達到顯著水平(P<0.05)；褪黑素處理濃度為M1和M3時，黃瓜幼苗脯氨酸含量分別提高了25.0%，12.5%，但差異未達到顯著水平(圖2-C)。結果表明，當外源褪黑素處理濃度為M2和M4時，處理效果較好。

2.3 外源褪黑素對黃瓜幼苗抗氧化酶活性的影響

鹽漬環(huán)境會導致植物體內抗氧化酶活性提高，從而提高植物抵抗逆境的能力。由圖3可知，不同外源褪黑素濃度的M1、M2、M3、M4處理的黃瓜幼苗葉片中SOD活性分別較M0處理提高了1.6%，95.8%，57.3%和37.0%；其中，當外源褪黑素濃度為M1時，與M0處理之間的差異未達到顯著水平；當外源褪黑素濃度為M2時，黃瓜幼苗葉片中的SOD活性最高，并且與處理組M0、M1、M3和M4處理之間的差異均達到顯著水平；當外源褪黑素濃度為M3和M4的處理中，黃瓜幼苗葉片SOD活性的平均值均較M0處理高37.0%，并且較處理組M2的均值低30.0%，且差異均達到顯著水平(P<0.05)(圖3-A)。結果表明，當外源褪黑素的處理濃度為M2時，對鹽漬環(huán)境下黃瓜幼苗葉片中SOD活性的提高效果較好。

由圖3可知，鹽漬環(huán)境下，褪黑素處理濃度為M2時，黃瓜幼苗葉片的POD活性較M0處理提高了3.6%，但差異未達到顯著水平(P>0.05)；褪黑素處理濃度為M1、M3、M4處理時，黃瓜幼苗葉片的POD活性較M0處理分別降低27.7%，2.3%，27.7%，褪黑素濃度為M1與M4的處理與M0處理的差異達到顯著水平(P<0.05)，褪黑素處理濃度為M3的處理組與M0處理的差異不顯著(圖3-B)。

鹽漬環(huán)境下，M0處理黃瓜幼苗葉片的丙二醛(MDA)含量為12.79 μmol/g，在不同濃度外源褪黑素的處理下，MDA含量均有所降低。當褪黑素濃度為M2時，黃瓜幼苗的MDA含量M0處理降低了23.7%，且差異達到顯著水平(P<0.05)；當褪黑素濃度為M4時，黃瓜幼苗的MDA含量較M0處理降低了49.6%，且差異達到顯著水平(P<0.05)；褪黑素濃度為M1、M3時，黃瓜幼苗中MDA含量較M0處理分別將低6.9%，4.0%，但差異均未達到顯著水平(P>0.05)(圖3-C)。

在鹽漬環(huán)境下，黃瓜幼苗的根系活力受到抑制，在不同濃度外源褪黑素的處理下，幼苗的根系活力較M0處理有相應提高。由圖3可知，不同褪黑素濃度M1、M2、M3和M4處理下黃瓜幼苗的根系活力分別較M0處理提高了7.8%，39.2%，27.0%,11.8%，但褪黑素處理濃度為M2和M3的差異達到顯著水平，褪黑素處理濃度為M1和M4的差異未達到顯著水平(圖3-D)。結果表明，施用外源褪黑素能夠提高黃瓜幼苗的根系活力，并且在外源褪黑素濃度為M2時的處理效果最佳。

2.4 外源褪黑素對黃瓜幼苗光合色素含量與熒光參數的影響

由表1可知，當外源褪黑素處理濃度為M2時，黃瓜幼苗葉片的葉綠素a含量和葉綠素a/b分別較M0處理高37%，33%，差異達到顯著水平；葉綠素b含量較對照組M0高22%，差異未達到顯著水平；外源褪黑素濃度為M1和M3時，黃瓜幼苗中各種光合色素含量間差異不顯著；處理組M1的葉綠素a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量和葉綠素a/b分別較M0處理高17.0%，2.8%，19.3%，13.2%，其中葉綠素a含量與對照組之間的差異達到顯著水平；處理組M3的葉綠素a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量和葉綠素a/b分別較M0處理高21.4%，12.8%，12.7%，19.1%，葉綠素a含量和葉綠素a/b與對照組之間的差異達到顯著水平。結果表明，當外源褪黑素濃度為M2時，對提高黃瓜幼苗光合色素含量的效果較好，并且噴時褪黑素的幼苗葉綠素a含量提高效果最好(F>F0.05(4，10)，P<0.05)。

由圖4可知，鹽漬環(huán)境下，不同褪黑素處理的黃瓜幼苗的3個熒光參數(初始熒光值Fo、Fm和Fv)均隨著生長期逐漸降低；濃度為M1、M2和M4的外源褪黑素處理幼苗15 d后，其初始熒光值(Fo)分別較M0處理高13.6%，13.9%，8.6%，且差異達到顯著水平；褪黑素濃度為M3的處理組與M0處理之間無顯著差異。不同處理下，黃瓜幼苗的最大熒光值(Fm)與初始熒光值(Fo)的變化趨勢一致，處理7，15 d時，處理組M2幼苗的最大可變熒光分別較M0處理高12.9%，7.0%，差異達到了顯著水平。不同處理組黃瓜幼苗的光能轉化率在處理15 d后達到最高，并且外源褪黑素濃度為M1、M2和M3處理組幼苗的光能轉化率與M0處理之間的差異未達到顯著水平；處理組M4中幼苗的光能轉化率(Fv/Fm)較M0處理低4.5%，且差異達到了顯著水平。

2.5 外源褪黑素對黃瓜幼苗相對含水量及電導率的影響

由表2可知，通過在黃瓜幼苗葉片噴施不同濃度的外源褪黑素，對幼苗葉片的相對含水量和水分飽和虧都具有很大影響。處理15 d后，黃瓜幼苗葉片的相對含水量的平均值變化大小表現為：處理組M0的葉片相對含水量顯著高于處理組M2和M4，處理組M1和M3分別較M0處理低7.9%，9.2%，差異未達到顯著水平。處理15 d后，處理組M2和M4的水分飽和虧最大，都較M0處理高54.1%，差異達到顯著水平；處理組M1和M3的水分飽和虧分別較M0處理高31.2%，36.1%，差異未達到顯著水平。說明在幼苗葉片噴施褪黑素的處理降低了幼苗的水分保持能力。

表2 外源褪黑素對黃瓜幼苗相對含水量的影響Tab.2 Effects of exogenous melatonin on the relative water content of cucumber seedlings %

鹽漬環(huán)境下，植物細胞的細胞膜最先受到傷害，細胞膜透性增大，內容物外滲，電解質含量增大。通過外滲液電導率的變化可以反映出細胞膜受傷害的程度。由圖5可知，處理組M1、M2、M3和M4幼苗葉片的相對電導率分別較M0處理降低了4，8，6，9百分點，且差異達到顯著水平。結果表明，褪黑素濃度為M2和M4時，葉片的相對電導率降低效果較顯著。

3 結論與討論

隨著我國農業(yè)的迅速發(fā)展，土地資源的開發(fā)強度提高，土壤鹽漬化程度日益加劇，其已成為限制我國農業(yè)發(fā)展的重要因素之一。楊真等[17]研究發(fā)現，我國的鹽漬土面積在逐漸增大，很多地區(qū)也在通過栽培耐鹽品種、增施有機肥、覆膜栽培和灌溉壓鹽等方式改良鹽漬土。耐鹽品種的培育對鹽漬環(huán)境在植物的生長也有很重要的作用，通過噴施外源激素提高植株耐鹽性的研究逐漸增多。張毅等[18]研究發(fā)現，在番茄幼苗表面噴施外源亞精胺可以提高番茄幼苗的耐鹽堿性，促進番茄幼苗在鹽堿環(huán)境下的生長。唐慧玲[19]通過測定干旱脅迫下金蓮花的滲透調節(jié)物質和膜質過氧化物等指標，結果發(fā)現，3種外源激素(脫落酸、細胞分裂素和烯效唑)對干旱脅迫下金蓮花均具有不同的緩解效果。李晨智宇[20]研究發(fā)現，在用不同濃度褪黑素處理鹽脅迫下的蘋果植株時，對植株的緩解作用呈現先升高后降低的趨勢，其中，100 μmol/L的褪黑素可有效緩解蘋果受到的鹽脅迫傷害，提高鹽脅迫下蘋果的抗氧化酶活性和生理活性，這與本研究結果一致。

植株的生長指標是對不同栽培環(huán)境下植株生長最直觀的特性。孟長軍[21]研究發(fā)現，鹽脅迫會抑制番茄株高、莖粗和葉面積的生長，植株根系的生長受阻[22]；宋雪飛[23]研究發(fā)現，外源褪黑素可以有效緩解鹽脅迫對番茄生長的抑制作用，并且100 μmol/L的褪黑素處理效果最好。徐玉偉等[24]研究發(fā)現，鹽脅迫會顯著降低黃瓜幼苗的株高、莖粗和葉面積等指標。本研究結果發(fā)現，不同濃度褪黑素處理黃瓜幼苗后，均可以緩解鹽脅迫對其的抑制作用，并且100 μmol/L的外源褪黑素緩解效果最佳，這與宋雪飛[23]的研究結果相似。

植物在逆境下會通過積累滲透調節(jié)物質來抵抗逆境脅迫的傷害[25]。可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等滲透調節(jié)物質，在逆境下會保護植物細胞膜。王明瑤等[26]研究發(fā)現，外源褪黑素處理不同鹽濃度下生長的大豆，植株體內的滲透調節(jié)物質呈現先升高后降低的趨勢，說明外源褪黑素可以緩解不同程度鹽漬環(huán)境對大豆生長的抑制作用。本研究發(fā)現，外源褪黑素濃度為100 μmol/L時，會顯著提高黃瓜幼苗葉片中滲透調節(jié)物質的含量，提高其抗逆性。

植物細胞內自由基的產生與清除在正常生長情況下處于動態(tài)平衡，鹽漬環(huán)境下植株的這種平衡被打破，自由基大量積累引起膜脂過氧化作用，導致細胞膜受損。SOD和POD是植物體自身合成的活性氧清除劑。本研究發(fā)現，外源褪黑素處理能夠促進鹽漬環(huán)境下黃瓜幼苗體內抗氧化酶的合成，提高幼苗在逆境下的抗氧化能力。

葉片相對電導率和MDA含量是衡量植物細胞膜脂過氧化的重要指標[27-28]。楊新元[29]研究結果發(fā)現，外源褪黑素可以通過提高干旱脅迫下向日葵幼苗的活性氧清除能力和光合作用來緩解脅迫環(huán)境對幼苗生長的傷害，從而提高植株的耐旱性。孫常青等[30]研究發(fā)現，干旱脅迫下發(fā)芽期小麥MDA含量的變化和電導率的變化趨勢一致，逆境脅迫導致細胞膜過氧化程度較重時MDA含量增加，引起膜脂過氧化作用，影響細胞電解質滲透，使電導率增加。本試驗結果表明，不同濃度的褪黑素處理后，黃瓜幼苗葉片的MDA含量和葉片相對電導率均低于未處理，且在100 μmol/L濃度時的降低效果最明顯。說明該濃度的褪黑素能夠降低鹽漬環(huán)境下黃瓜葉片內活性氧的積累，減輕細胞膜的氧化程度。

綜上所述，中度鹽脅迫會抑制植株體內可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等滲透調節(jié)物質的合成，通過噴施一定濃度的褪黑素，可以顯著提高其滲透調節(jié)物質的含量，降低黃瓜幼苗葉片的相對電導率和MDA含量，從而降低細胞膜的膜質過氧化程度，提高植株抗逆性；褪黑素處理后，黃瓜幼苗的SOD、POD和根系活力等抗氧化酶活性提高，促進了植株體內活性氧的清除，增強植物抗逆性，緩解鹽漬環(huán)境對黃瓜幼苗生長的影響。