外源褪黑素對UV-B輻射下馬鈴薯光合、熒光特性的影響

萬麗嬙，李光達，和秋蘭，王正維，張 航，海梅榮

(1.云南農業(yè)大學 農學與生物技術學院，云南 昆明 650201； 2.西南中藥材種質創(chuàng)新與利用國家地方聯(lián)合工程研究中心，云南 昆明 650201)

褪黑素(N-乙酰基-5-甲氧基色胺，Melatonin)是一種吲哚胺類激素，可參與調節(jié)動物晝夜節(jié)律，改善睡眠，調節(jié)性行為和視網(wǎng)膜生理，提高機體免疫功能，減緩機體衰老，治療癌癥等[1-3]。Van Tassel和O′Neill[4]采用放射性免疫測定法和氣相色譜質譜聯(lián)用方法首次在高等植物牽?；ê头压麑嵵袡z測到褪黑素，自此打開了植物褪黑素的研究之門。褪黑素可以調節(jié)植物的生長發(fā)育，調控光合效率及葉片衰老，增強植物對冷熱、滲透、氧化、病菌等脅迫的耐受性[5-7]。

近年來，隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展和人類活動的增加，大氣中臭氧的含量日益減少。臭氧減少后將導致到達地面的UV-B輻射增加，從而對地面植物產生重要的影響，成為公認的全球十大環(huán)境問題之一。UV-B輻射除對生物體產生毒害作用外，UV-B 輻射增強可以使植物植株矮化、葉面積減少、發(fā)育遲緩、光合作用和蒸騰作用下降、影響各種酶活性、產量降低、作物品質發(fā)生變化、影響整個植物生態(tài)系統(tǒng)[8-11]。

已有研究證明，UV-B輻射會對馬鈴薯的形態(tài)和生理產生不良影響。增強的UV-B 輻射使馬鈴薯株高降低、節(jié)距縮短、葉面積減小、葉片解剖結構不同程度增厚；非腺毛的密度和葉片氣孔增加明顯，腺毛有增多趨勢，凈光合速率、氣孔導度等參數(shù)均受到抑制，光能利用效率明顯降低，葉片中過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶、苯丙氨酸解氨酶活性均表現(xiàn)出下降趨勢，總葉綠素含量持續(xù)降低，丙二醛含量逐漸增加[12-14]。也有研究表明，褪黑素能有效緩解UV-B輻射帶來的傷害。以擬南芥為試材研究褪黑素在UV-B 脅迫中的作用發(fā)現(xiàn)，UV-B使褪黑素合成酶基因SNAT、COMT和ASMT的表達量升高[15]。在UV-B輻射條件下對湖北海棠施加褪黑素發(fā)現(xiàn)，1 μmol/L的褪黑素溶液能顯著減輕UV-B輻射對光合參數(shù)、葉綠素熒光參數(shù)、氣孔開度、葉綠素含量和葉片膜損傷的抑制作用，褪黑素處理還與UV-B脅迫下葉片抗氧化酶(抗壞血酸過氧化物酶、過氧化氫酶和過氧化物酶)活性和表達的提高以及H2O2含量的下降有關，在UV-B脅迫下，綠原酸、根皮苷和槲皮素-3-半乳糖苷等酚類物質的含量也有所增加，而褪黑激素的加入使這些酚類化合物的含量進一步升高[16]。

目前，褪黑素應用于馬鈴薯的研究主要集中在應對馬鈴薯晚疫病，研究發(fā)現(xiàn)褪黑素可抑制馬鈴薯晚疫病菌絲生長，改變細胞超微結構，降低其抗逆能力，顯著減輕馬鈴薯晚疫病。褪黑素與殺菌劑對馬鈴薯晚疫病的協(xié)同抗真菌作用表明，褪黑素可降低劑量水平，提高殺菌劑對馬鈴薯晚疫病的防治效果[17-18]。但是，尚未有研究報道UV-B輻射下褪黑素對馬鈴薯光合特性等的影響。因此，本研究采用不同濃度的褪黑素處理不同UV-B輻射下馬鈴薯幼苗，測定植株高度、光合特性、熒光特性、Rubisco活性和PEPC活性，擬探討UV-B輻射下褪黑素對馬鈴薯的響應機制，為揭示UV-B輻射下褪黑素對馬鈴薯植株的防御機制提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地及試驗品種

在云南省昆明市北郊(25°08′N，102°45′E)進行盆栽試驗，該試驗地海拔1 966 m，年平均溫度15.1 ℃，降水以降雨為主，年降雨量1 000 mm，1 a內干濕季分明，年平均蒸發(fā)量為175.1 mm，平均相對濕度為74%，全年無霜期341 d。試驗品種為合作88馬鈴薯。

1.2 試驗設計

本研究于2020年5-9月進行，盆栽中使用的土壤基質為泥炭土與蛭石2∶1比例加水攪拌制成，花盆大小為高度30 cm，底部直徑27 cm，內徑31 cm，外徑38 cm，在花盆的中央播種萌芽種薯1個，使用1/5霍格蘭營養(yǎng)液澆灌，待苗長至15 cm時進行試驗處理。

褪黑素設置6個濃度：0，25，50，100，150，200 μmol/L。選用波長為290～320 nm的紫外線燈管進行UV-B輻射，輻射劑量用VLX-3W 紫外輻射計(法國RADIOMETER 公司生產，標準帶寬為295～395 nm，中心波長312 nm)測定，燈管位于植株上方。設置4個輻射強度：T0為太陽光自然照射、T1=2.5 KJ/(m2·d)、T2=5.0 KJ/(m2·d)、T3=7.5 KJ/(m2·d)，隨著植株的長高調整燈管高度以保持整個輻照期間輻射劑量一致，對照組在植株上方安裝空燈架，使得對照和處理之間的自然光照條件一致。

盆栽放置位置如圖1所示。每個處理3株，重復3次，即每個輻射強度下放置18盆馬鈴薯，每3盆為一個處理，澆一個濃度的褪黑素溶液，一共216盆。每天10：00-15：00 進行5 h 的輻照處理(陰雨天除外)，每隔2 d用紫外輻射計測定輻射強度，調整燈管與馬鈴薯之間的距離，同時花盆旋轉90°保證植株接受輻照的均勻性。處理14 d后取馬鈴薯幼苗倒三葉進行試驗。

A.T0處理；B.T1處理；C.T2處理；D.T3處理；a.不含褪黑素的營養(yǎng)液澆灌；b.含25 μmol/L褪黑素的營養(yǎng)液澆灌；c.含50 μmol/L褪黑素的營養(yǎng)液澆灌；d.含100 μmol/L褪黑素的營養(yǎng)液澆灌；e.含150 μmol/L褪黑素的營養(yǎng)液澆灌；f.含200 μmol/L褪黑素的營養(yǎng)液澆灌。

1.3 測定指標及方法

采用標尺測定株高；使用Li-6400XT光合-熒光儀(Li-Cor，美國)測定光合參數(shù)；使用DualPAM-100測量系統(tǒng)(Walz，德國)進行葉綠素熒光參數(shù)測定；采用分光光度法測定Rubisco和PEPC活性。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗中所得數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0(SPSS，美國芝加哥)軟件進行統(tǒng)計學分析，利用單因素方差(One-way ANOVA)分析法，處理間均值比較使用Duncan多重比較法進行差異顯著分析，當P<0.05為差異顯著；用Excel 2016軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 外源褪黑素對UV-B輻射下馬鈴薯株高的影響

由表1可以看出，增強UV-B輻射可降低馬鈴薯植株的高度，在增強UV-B輻射下褪黑素可在一定程度內提高株高。在相同增強UV-B輻射不同褪黑素濃度處理下：T0和T1條件下，25 μmol/L褪黑素濃度澆灌下的馬鈴薯植株最高；T2條件下50 μmol/L褪黑素濃度澆灌下的馬鈴薯植株最高；T3條件下100 μmol/L褪黑素濃度澆灌下的馬鈴薯植株最高。在相同褪黑素濃度不同增強UV-B輻射處理下：不施加褪黑素時T1條件下馬鈴薯植株最高；施加褪黑素時T1條件下5個濃度處理的馬鈴薯株高比其他光照條件下相同褪黑素處理的馬鈴薯植株都高。綜合2種處理條件，在T1條件下，施加25 μmol/L褪黑素濃度時，馬鈴薯植株最高。

2.2 外源褪黑素對UV-B輻射下馬鈴薯光合參數(shù)的影響

由圖2可以看出，增強UV-B輻射可降低馬鈴薯的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)，當施加褪黑素后可以在一定程度內提高這些光合參數(shù)。在相同增強UV-B輻射不同褪黑素濃度處理下：T0條件下25 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯植株Pn最高，T1和 T2條件下50 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯植株Pn最高，T3條件下100 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯植株Pn最高；由于氣孔導度會影響胞間CO2濃度和蒸騰速率，所以三者的變化趨勢相同，T0條件下25 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯植株Gs、Ci、Tr最高，T1和 T2條件下50 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯植株Gs、Ci、Tr最高，T3條件下100 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯植株Gs、Ci、Tr最高。在相同褪黑素濃度不同增強UV-B輻射處理下：在不施加褪黑素和25 μmol/L褪黑素濃度處理，T0條件下馬鈴薯植株的Pn、Gs、Ci、Tr最高；在其他褪黑素濃度處理下，T1條件下的馬鈴薯Pn、Gs、Ci、Tr最高。綜合兩種處理條件，在T0條件下，施加25 μmol/L褪黑素濃度時，馬鈴薯的Pn、Gs、Ci、Tr最高。

表1 外源褪黑素對UV-B輻射下馬鈴薯株高的影響Tab.1 Effects of exogenous melatonin on plant height of potato under UV-B radiation cm

圖2 外源褪黑素對馬鈴薯光合參數(shù)的影響Fig.2 Effect of exogenous melatonin on photosynthetic parameters of potato

2.3 外源褪黑素對UV-B輻射下馬鈴薯熒光參數(shù)的影響

由圖3可以看出，增強UV-B輻射可降低馬鈴薯的最大光化學量子效率(Fv/Fm)、表觀電子傳遞速率(ETR)、光化學淬滅系數(shù)(qP)，當施加褪黑素后可以在一定程度內提高這些熒光參數(shù)；增強UV-B輻射可提高馬鈴薯的非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)，施加褪黑素后可使其減少。在相同增強UV-B輻射不同褪黑素濃度處理下：T0條件下Fv/Fm的差異不顯著，T1條件下25，50 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯Fv/Fm最高，T2條件下50 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯Fv/Fm最高，T3條件下100 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯Fv/Fm最高；T0條件下和T1條件下25 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯ETR最高，T2條件下50 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯ETR最高，T3條件下100 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯ETR最高；T0和T1條件下25 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯qP最高，T2條件下50 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯qP最高，T3條件下100 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯qP最高；T0條件下0，25 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯NPQ最低，T1條件下25 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯NPQ最低，T2條件下50 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯NPQ最低，T3條件下100 μmol/L褪黑素濃度處理的馬鈴薯NPQ最低。在相同褪黑素濃度不同增強UV-B輻射處理下：無論褪黑素的濃度如何，T0條件下的Fv/Fm、ETR都最高；除T1、T2條件下50 μmol/L褪黑素濃度處理下qP高于其他UV-B輻射的qP外，其他的褪黑素濃度處理下都是自然光照條件下的qP最高；除T1條件下200 μmol/L褪黑素濃度處理時NPQ低于其他UV-B輻射的NPQ外，其他的褪黑素濃度處理下都是T0條件下的NPQ最低。綜合2種處理條件，在T0和T1條件下，施加25，50 μmol/L褪黑素濃度時，馬鈴薯的Fv/Fm最高；在T0條件下，施加25 μmol/L褪黑素濃度時，馬鈴薯的ETR最高；在T0條件下，施加25 μmol/L褪黑素濃度時，馬鈴薯的qP最高；在T0條件下，施加0，25 μmol/L褪黑素濃度時，馬鈴薯的NPQ最低。

不同字母表示不同處理具有顯著差異(P<0.05，Tukey test) 。圖4-5同。Different letters indicate significant difference among treatments (P<0. 05,Tukey test).The same as Fig.4-5.

2.4 外源褪黑素對UV-B輻射下馬鈴薯主要光合酶的影響

2.4.1 外源褪黑素對Rubisco的影響 由圖4可以看出，UV-B增強后，Rubisco活性降低，施加外源褪黑素后能在一定程度內增強其活性。在相同增強UV-B輻射不同褪黑素濃度處理下：T0和T1條件下，施加50 μmol/L褪黑素時Rubisco活性最高；T2和T3條件下，施加100 μmol/L褪黑素時Rubisco活性最高。在相同褪黑素濃度不同增強UV-B輻射處理下：不施加褪黑素和施加25 μmol/L褪黑素時，T0條件下Rubisco活性最高；施加50，100，150，200 μmol/L褪黑素時，都是T1條件下Rubisco活性最高。綜合2種處理條件，T1條件下施加50 μmol/L褪黑素時Rubisco活性最高。

圖4 外源褪黑素對馬鈴薯1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的影響Fig.4 Effect of exogenous melatonin on potato1，5-bisphosphate ribulose carboxylase

2.4.2 外源褪黑素對磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的影響 由圖5可以看出，UV-B增強后，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性降低，施加外源褪黑素后能在一定程度內增強其活性。在相同增強UV-B輻射不同褪黑素濃度處理下：T0和T1條件下，施加25 μmol/L褪黑素時PEPC活性最高；T2和T3條件下，施加50 μmol/L褪黑素時PEPC活性最高。在相同褪黑素濃度不同增強UV-B輻射處理下：不施加褪黑素時，T0條件下PEPC活性最高；施加25，50，100，150 μmol/L褪黑素時，都是T1條件下PEPC活性最高；施加200 μmol/L褪黑素時，T0條件下PEPC活性最高。綜合2種處理條件，T1條件下施加25 μmol/L褪黑素時PEPC活性最高。

圖5 外源褪黑素對馬鈴薯磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的影響Fig.5 Effect of exogenous melatonin on potato phosphatepyruvate carboxylase

3 討論與結論

UV-B輻射既可以使植物的表型發(fā)生改變，也會使植物自身產生有毒性的活性氧自由基，這些活性氧自由基會攻擊植物的DNA、核酸、蛋白質等，導致植物光合速率下降，破壞細胞膜結構，最終導致細胞自溶[19-21]。褪黑素具有極強的抗氧化能力，其抗氧化能力高于抗壞血酸、生育酚、谷胱甘肽等抗氧化劑，它能夠清除羥基自由基、羰基自由基等活性氧自由基及一些活性氮自由基，還能通過激發(fā)抗氧化酶的生物合成來提高細胞的抗氧化能力，以此緩解環(huán)境脅迫及生物脅迫對高等植物造成的損傷，加強植物抗逆性[22]。

黃益宗等[23]在研究外源褪黑素對砷脅迫下水稻幼苗生長的影響時發(fā)現(xiàn)，砷脅迫下施加褪黑素可增高水稻高度；鄒京南等[24]在研究外源褪黑素對干旱脅迫條件下大豆苗期光合及生理的影響時發(fā)現(xiàn)，褪黑素能緩解干旱脅迫下大豆株高的減少；侯雯等[25]在研究外源褪黑素對低溫脅迫下玉米幼苗生長和生理特性的影響時發(fā)現(xiàn)，褪黑素有利于緩解低溫脅迫對玉米幼苗株高的影響。以上研究表明，褪黑素能緩解非生物脅迫對植物株高的影響。馬鈴薯受到增強UV-B輻射后株高明顯降低，施加褪黑素后該現(xiàn)象得到改善。在T1條件下，施加25 μmol/L褪黑素濃度時，馬鈴薯植株最高，研究結果與上述研究結果類似。

光合作用影響植物生長發(fā)育過程。光合作用的主要影響因素是光照，光照主要通過光照強度、光質和光照時間3種形式對植物的生長發(fā)育和形態(tài)變化進行調節(jié)和影響[26]。作為植物進行光合作用的重要外部環(huán)境因素，不同的光照強度對植物光合作用和生長產生不同的影響。Pn、Ci、Tr、Gs是光合作用的重要指標，可以反映植物的光合能力強弱。本試驗中馬鈴薯各個光合參數(shù)的變化趨勢相同，增強UV-B輻射會降低光合參數(shù)，施加褪黑素后各個參數(shù)有所增加，在自然光照條件下，施加25 μmol/L褪黑素濃度時各指標最優(yōu)，說明一定的褪黑素濃度和UV-B輻射能提高馬鈴薯的光合能力。

葉綠素熒光動力學參數(shù)反映光能的吸收和轉化、能量的傳遞與分配、反應中心的活性，以及光合作用的光抑制與光破壞狀態(tài)等光合系統(tǒng)的“內在性特點”[27]。Fv/Fm是PSⅡ最大光化學量子產量，反映PSⅡ的潛在活性[28]，受到脅迫時該值會降低；ETR越高說明葉片細胞的相對光合電子傳遞能力較強；qP是光化學淬滅即PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，一定程度上qP也反映了PS Ⅱ反應中心開放的程度；NPQ是非光化學淬滅，是植物的一種保護機制，PS Ⅱ天線色素吸收了過量的光能而不能及時耗散時會以熱的形式耗散，否則會對光合機構造成破壞[29]。本試驗中Fv/Fm、qP、ETR在增強UV-B輻射下明顯降低，施加褪黑素后有所升高，NPQ在增強UV-B輻射下明顯升高，施加褪黑素后有所下降，在自然光照條件下，施加25 μmol/L褪黑素濃度時大多數(shù)參數(shù)都是最優(yōu)的。

Rubisco是植物光合作用反映固定CO2的關鍵酶，它參與光呼吸途徑，消耗光合產物，對提高植物的光合效率至關重要[29]；PEPC，其酶活性是Rubisco活性的60倍，對 CO2親和力大，是C4植物具有高效光合作用的關鍵，研究發(fā)現(xiàn)將C4型PEPC基因導入C3植物中能提高其光合效率[30]。本試驗中Rubisco和PEPC在受到增強UV-B脅迫后都有所降低，施加外源褪黑素后，T1條件下施加50 μmol/L褪黑素時Rubisco活性最高，T1條件下施加25 μmol/L褪黑素時PEPC活性最高，本試驗結果與孫建磊[31]、張振文[32]、羅璇[33]、丁在松[34]等用非生物脅迫手段處理黃瓜、木薯、小麥、谷子、水稻后Rubisco和PEPC的結果與光合、熒光參數(shù)變化結果一致。Rubisco和PEPC 2種酶活的變化趨勢與光合、熒光參數(shù)的變化趨勢一致，說明2種酶與光合作用密切相關且一定濃度的褪黑素能提高其活性。

在增強UV-B輻射下施加外源褪黑素能在一定程度使馬鈴薯植株增高，光合能力增強，Rubisco和PEPC活性提高。但隨著褪黑素濃度升高這些指標下降，說明過高的褪黑素濃度會對植物造成損傷。