外源褪黑素對(duì)紅小豆生長、光合熒光特性及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

陳忠誠 金喜軍 李 賀 周偉鑫 強(qiáng)斌斌 劉 佳 張玉先

（1黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，163319，黑龍江大慶；2國家雜糧工程技術(shù)研究中心，163319，黑龍江大慶）

小豆[Vignaangularis(willd)]又名赤豆，是我國原產(chǎn)雜糧作物之一[1]。其富含人體所需氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素及微量元素，是一種藥食兼用的糧食作物[2]。紅小豆適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，具有生物固氮能力，能夠起到改良土壤的作用[3]。隨著紅小豆醫(yī)療保健作用不斷被挖掘，紅小豆的消費(fèi)量也越來越大，生產(chǎn)中有必要進(jìn)一步促進(jìn)紅小豆產(chǎn)量和品質(zhì)的提高以滿足日益增加的市場需求。

化學(xué)調(diào)控技術(shù)是調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育、增加產(chǎn)量和改善品質(zhì)的有效手段[4]。褪黑素是一種吲哚胺類化合物，近年來在作物上的相關(guān)研究越來越多[5-8]，其作為植物激素，通過改變植物內(nèi)源激素平衡來調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育進(jìn)程[9]。最初，Murch等[10]以生根模型系統(tǒng)有力地證實(shí)了褪黑素對(duì)植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)作用。隨后，諸多研究表明褪黑素具有多種生理活性，包括增強(qiáng)植物耐非生物脅迫能力[11-12]、提高植物光合能力、促進(jìn)光合色素合成[13]以及促進(jìn)干物質(zhì)積累的作用[14]。外源施用褪黑素能有效提高大豆[15]、蠶豆[16]、玉米[17]、水稻[18]和小麥[19]等作物產(chǎn)量和品質(zhì)。Li等[20]發(fā)現(xiàn)不同濃度褪黑素對(duì)小麥生理調(diào)控效應(yīng)不同，李賀等[21]發(fā)現(xiàn)對(duì)苗期大豆施用褪黑素，其生理效應(yīng)呈低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的趨勢?？孪Ｍ萚22]發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素還可有效維持離體葉片中葉綠素的含量及葉片光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的完整性，進(jìn)而延遲紅小豆葉片的衰老進(jìn)程。

大量研究表明，褪黑素不僅可促進(jìn)植物對(duì)營養(yǎng)成分的吸收和利用，還可以提高作物抗逆性、產(chǎn)量和品質(zhì)，且不會(huì)經(jīng)過食物鏈富集對(duì)人體產(chǎn)生不良影響?？梢姡湓谵r(nóng)業(yè)上的應(yīng)用蘊(yùn)藏巨大價(jià)值潛力。目前，關(guān)于褪黑素調(diào)控紅小豆生長發(fā)育和產(chǎn)量的研究鮮見報(bào)道。

因此，本研究通過比較分析不同生育時(shí)期噴施不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆形態(tài)、光合熒光等關(guān)鍵指標(biāo)的調(diào)控效應(yīng)，明確褪黑素對(duì)紅小豆光合熒光特性及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響，為實(shí)際生產(chǎn)中通過噴施外源褪黑素提高紅小豆產(chǎn)量和品質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及供試材料

試驗(yàn)于2019年在國家雜糧工程技術(shù)研究中心盆栽場進(jìn)行，采用盆栽方式，培養(yǎng)基質(zhì)為黑炭土:蛭石=3:1體積混合，有機(jī)質(zhì)27.52g/kg、全氮1.92g/kg、堿解氮 141mg/kg、速效磷 9.8mg/kg、速效鉀96.75mg/kg，pH 6.8。塑料桶直徑0.30m，高0.33m。供試紅小豆品種為珍珠紅，由國家雜糧工程技術(shù)研究中心提供。每桶播種大小均勻、經(jīng)75%酒精消毒后的紅小豆種子9粒，至真葉期定苗3株。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別在紅小豆苗期（第3片3出復(fù)葉展開）、花莢期（主莖最上部2個(gè)全展復(fù)葉節(jié)上任意一節(jié)開1朵花）、鼓粒期（完全展開的最上部4個(gè)節(jié)中任一節(jié)有1個(gè)莢長度達(dá)2cm）進(jìn)行50、100和200μmol/L褪黑素噴施處理，以噴施等量蒸餾水為對(duì)照（CK），3次重復(fù)，總計(jì)12個(gè)處理。于處理當(dāng)日21:30將相應(yīng)濃度褪黑素噴施于葉片正反面，至葉面布滿水珠但不流動(dòng)。連續(xù)處理3d，于處理后第14天取樣用于測定各指標(biāo)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo) 在苗期、花莢期、鼓粒期處理后第14天，各處理隨機(jī)選取3盆，測量株高和莖粗；使用Yaxin-1241葉面積儀（北京雅欣理儀科技有限公司）測定葉面積。

1.3.2 干物質(zhì)積累量 將植株分解為地下部（根）和地上部（葉、莖、莢果），根系用自來水沖洗干凈后用濾紙吸干表面水分。稱量鮮重后，將地上部和地下部各器官置于烘箱中，105℃殺青30min后，80℃烘干至恒重，稱量干重。

1.3.3 光合色素含量 在苗期、花莢期、鼓粒期處理后第7天，采用乙醇浸提法測定葉綠素a（chl a）、葉綠素b（chl b）、總?cè)~綠素[chl (a+b)]和類胡蘿卜素（Car）含量，并計(jì)算chl a/b。具體方法為用直徑0.613cm的打孔器打孔，混合取樣，分別取10片放置在盛有20mL 95%乙醇提取液的試管中，封口后于黑暗中浸提24h，直至葉片變?yōu)榘咨?，然后用分光光度?jì)在665、649和470nm波長下比色，計(jì)算得出各組分濃度，各處理重復(fù)3次。

1.3.4 氣體交換參數(shù) 在苗期、花莢期、鼓粒期處理后第7天，以上午10:00完全展開的倒3節(jié)位葉片為研究對(duì)象，每個(gè)處理取3株，采用Li-6400光合儀（美國）測定凈光合速率（Pn）、葉片氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間 CO2濃度（Ci），測定光強(qiáng)1200μmol/(m2·s)，CO2供應(yīng)濃度 400μmol/mol，葉片溫度25℃，相對(duì)濕度約60%。各處理重復(fù)3次。

1.3.5 葉綠素?zé)晒夥治?在設(shè)定光強(qiáng)下采用便攜式葉綠素?zé)晒鈨x（FMS-2，英國）測定紅小豆完全展開倒3葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測定前將葉片暗適應(yīng)15min，以弱檢測光測定初始熒光（Fo），以飽和脈沖光測定最大熒光（Fm）。當(dāng)熒光從Fm回落至接近Fo時(shí)，以連續(xù)的作用光測定穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）。疊加飽和脈沖光之后，測定光下最大熒光（Fm'）。關(guān)閉作用光后，遠(yuǎn)紅光下測定最小熒光（Fo'）?？勺儫晒猓‵v）即Fm-Fo，PSII的最大光化學(xué)效率為Fv/Fm，PSII的量子產(chǎn)額（ΦPSII）按（Fm'-Fs）/Fm'計(jì)算，最大光能轉(zhuǎn)化潛力（Fv/Fo）=（Fv/Fm）/（1-Fv/Fm），并測定表觀光合傳遞速率（ETR），各處理重復(fù)3次。

1.3.6 產(chǎn)量構(gòu)成因素 各處理植株成熟期隨機(jī)取有代表性的10株完整植株，統(tǒng)計(jì)單株結(jié)莢數(shù)、單株莢粒數(shù)、單株粒重。各處理隨機(jī)取100粒進(jìn)行稱重，計(jì)百粒重，重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

選用SPSS 19.0的Duncan’s多重比對(duì)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（α=0.05），采用Origin 9.4進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆形態(tài)指標(biāo)的影響

由表1可知，褪黑素處理對(duì)紅小豆各生育時(shí)期形態(tài)建成起促進(jìn)作用。不同濃度褪黑素處理均增加了紅小豆株高、莖粗和葉面積，隨著褪黑素噴施濃度的增加各指標(biāo)均呈先上升后下降的趨勢。在苗期，褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)對(duì)各指標(biāo)促進(jìn)效果最明顯，其中，與CK相比，株高增加49.2%，莖粗增加9.7%，葉面積增加19.7%。在花莢期，各指標(biāo)的變化趨勢與苗期基本相同，褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)，葉面積達(dá)最大值，較CK增加54.7%。在鼓粒期，噴施褪黑素后各指標(biāo)變化趨勢與苗期和花莢期相同，但各處理間無顯著差異。

表1 不同生育時(shí)期噴施不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆形態(tài)指標(biāo)的影響Table 1 Effects of spraying melatonin with different concentrations at different growth stages on morphological indexes of adzuki bean

2.2 不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆物質(zhì)積累量的影響

由表2可知，植株地上鮮重在花莢期和鼓粒期均隨褪黑素濃度的升高呈先增后減的趨勢，且在褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)較CK分別增加了70.3%和49.4%，達(dá)顯著差異水平。植株地下鮮重隨褪黑素濃度升高在各生育時(shí)期呈先增后減的趨勢，在花莢期和鼓粒期各處理間達(dá)顯著差異水平，且在褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)促進(jìn)效果最明顯。隨著褪黑素濃度的增加，在不同生育時(shí)期地下部干重和根冠比的變化趨勢相同，僅在鼓粒期部分處理間達(dá)顯著差異水平。地上部干重在苗期、花莢期和鼓粒期均隨褪黑素濃度的升高呈先增后減的趨勢，各生育時(shí)期均在褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)地上部干重達(dá)最大值，與 CK相比分別增加了 17.7%、41.7%和32.5%。

表2 不同生育時(shí)期噴施不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆物質(zhì)積累量的影響Table 2 Effects of spraying melatonin with different concentrations at different growth stages on matter accumulation of adzuki bean

2.3 不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆光合色素含量的影響

由表3可知，隨著生育期進(jìn)程的推進(jìn)，Chl a、Chl b、Chl (a+b)含量及Chl (a/b)呈先升后降的趨勢，在花莢期維持較高水平。外源褪黑素噴施處理后，同一生育時(shí)期，隨褪黑素濃度的增加，各指標(biāo)整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在苗期，隨著褪黑素處理濃度增加，紅小豆Chl a、Chl b、類胡蘿卜素、Chl (a+b)含量及Chl (a/b)呈先上升后下降的趨勢，且褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)，除了Chl b，各指標(biāo)均達(dá)最大值。在花莢期，隨著褪黑素濃度的增加，紅小豆葉片Chl a、Chl b、類胡蘿卜素及Chl (a+b)含量呈先上升后下降的趨勢，其中Chl a和Chl b含量均在褪黑素濃度為 100μmol/L時(shí)達(dá)最大值，與CK相比分別增加了47.8%和69.2%；在鼓粒期，隨著褪黑素濃度的增加，Chl a、Chl b、Chl (a+b)及類胡蘿卜素含量變化趨勢與苗期和花莢期相同，但Chl (a/b)則隨褪黑素濃度增加呈先下降后上升的趨勢。可見，不同濃度褪黑素處理可以使葉片維持較高的光合色素水平，且一定程度上延緩光合色素降解。

表3 不同生育時(shí)期噴施不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆光合色素含量的影響Table 3 Effects of spraying melatonin with different concentrations at different growth stages on photosynthetic pigment contents of adzuki bean

2.4 不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆光合速率及氣體交換參數(shù)的影響

由圖1可知，隨著褪黑素濃度的增加，Pn在苗期、花莢期和鼓粒期均呈先增后減的趨勢，各處理的Pn均高于CK，且各生育時(shí)期均在褪黑素處理濃度為100μmol/L時(shí)，對(duì)Pn促進(jìn)效果最明顯，3個(gè)時(shí)期較CK分別增加46.3%、14.7%和10.2%，可知褪黑素在紅小豆各生育時(shí)期均可促進(jìn)Pn提高，且對(duì)苗期Pn的調(diào)控效果最大。隨著生育期推進(jìn)，Gs逐步增加，且在鼓粒期顯著升高，不同濃度褪黑素處理在苗期未見明顯差異，在花莢期和鼓粒期褪黑素處理后Gs顯著增加并均高于CK，且均在褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)最顯著。Ci在各生育時(shí)期均隨著褪黑素濃度增加呈先增后減的趨勢，除苗期200μmol/L處理外，且均高于 CK，花莢期和鼓粒期，褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)，Ci顯著高于其他各處理。同時(shí)，Tr在各生育時(shí)期也隨著褪黑素濃度的升高呈先上升后下降的趨勢，且均高于 CK，其中褪黑素濃度為 100μmol/L時(shí)，Tr達(dá)最大值。綜上，在苗期、花莢期和鼓粒期外源褪黑素處理均能有效提高紅小豆Pn、Gs、Ci和Tr，提升紅小豆光合能力，促進(jìn)物質(zhì)積累。

圖1 不同生育時(shí)期噴施不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆光合特性的影響Fig.1 Effects of spraying melatonin with different concentrations at different growth stages on photosynthetic characteristics of adzuki bean

2.5 不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖2可知，與CK相比，褪黑素增加了各生育時(shí)期紅小豆的Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII和ETR。其中，F(xiàn)v/Fm隨著生育進(jìn)程推進(jìn)呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，在各生育時(shí)期隨著褪黑素濃度的增加光合能力均表現(xiàn)為先增后減的趨勢。褪黑素濃度為 100μmol/L時(shí)，F(xiàn)v/Fm達(dá)最大值。可知褪黑素在紅小豆各生育時(shí)期均可促進(jìn)植物光化學(xué)效率。Fv/Fo的變化趨勢與Fv/Fm相同，在苗期和花莢期隨褪黑素濃度升高呈先升后降的趨勢，在鼓粒期隨著褪黑素濃度增加，各處理之間未見顯著差異。ΦPSII在各生育時(shí)期也隨褪黑素濃度增加呈先增后減的趨勢，且均在褪黑素為100μmol/L時(shí)達(dá)最大值。ETR在各生育時(shí)期隨褪黑素濃度升高呈先增后減的變化趨勢，但僅在苗期和花莢期具有顯著的調(diào)控效果，在鼓粒期未見顯著差異。綜上，外源褪黑素處理能有效提高紅小豆在苗期、花莢期和鼓粒期葉綠素?zé)晒鈪?shù)，提升紅小豆光合效率，促進(jìn)物質(zhì)積累。

圖2 不同生育時(shí)期噴施不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.2 Effects of spraying melatonin with different concentrations at different growth stages on chlorophyll fluorescence parameters of adzuki bean

2.6 不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表4可知，與CK相比，單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重在各生育時(shí)期均隨著褪黑素濃度的增加呈先增后減的趨勢。苗期由低到高濃度褪黑素處理單株莢數(shù)較 CK分別增加了 4.3%、15.2%和13.0%，處理間未達(dá)顯著差異。褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)，單株粒重較CK增加了6.3%，未達(dá)顯著差異水平?；ㄇv期褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)調(diào)控效果最明顯，單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和單株粒重較CK分別增加了14.0%、6.6%和12.1%。鼓粒期褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)，單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重較 CK分別增加了 8.2%、5.3%、21.9%和9.5%?？梢娡庠赐屎谒靥幚硗ㄟ^增加單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重提高紅小豆單株粒重，且花莢期褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)增產(chǎn)效果最明顯。

表4 不同生育時(shí)期噴施不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 4 Effects of spraying melatonin with different concentrations at different growth stages on yield components of adzuki bean

3 討論

小豆是中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一種重要的雜糧作物[23]，具有食用和藥用等經(jīng)濟(jì)價(jià)值[24]，其產(chǎn)量和品質(zhì)的提升對(duì)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[25]。褪黑素作為顯著提高植物生產(chǎn)力的新型植物激素，應(yīng)用潛力巨大，但其濃度特性也同樣顯著。對(duì)于同一作物而言，不同濃度褪黑素的作用效果存在一定差異。Chen等[26]發(fā)現(xiàn)，褪黑素濃度為0.1mmol/L時(shí)對(duì)芥菜根系具有顯著促進(jìn)作用，濃度為100mmol/L時(shí)具有抑制作用。Park等[27]也發(fā)現(xiàn)，0.5和1μmol/L褪黑素處理可有效促進(jìn)野生型水稻根系發(fā)育，這說明低濃度褪黑素對(duì)于植物根系生長具有促進(jìn)作用，而高濃度褪黑素對(duì)植物根系生長發(fā)育呈抑制作用。同時(shí)，植物種類不同，褪黑素作用的最適濃度也有所不同，但在同一類植物中存在相似性。如 10μmol/L褪黑素抑制櫻桃砧木生長發(fā)育[28]，100μmol/L 褪黑素則促進(jìn)紅藜蘆開花[29]，500μmol/L則對(duì)冬小麥生長發(fā)育具有促進(jìn)作用[30]。而本試驗(yàn)通過研究不同濃度褪黑素對(duì)紅小豆形態(tài)指標(biāo)的影響發(fā)現(xiàn)，隨著褪黑素施用濃度的升高，株高和葉面積的提高幅度均呈先升高后下降的趨勢，100μmol/L褪黑素濃度處理，在苗期和花莢期均能明顯促進(jìn)株高和葉面積，但鼓粒期各處理間未達(dá)到顯著差異水平，其原因可能是鼓粒期植株主要以生殖生長為主，因而形態(tài)指標(biāo)變化不大。綜上可知，褪黑素對(duì)紅小豆生長發(fā)育表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用效果，且100μmol/L褪黑素濃度處理可以有效促進(jìn)紅小豆形態(tài)建成，為提高紅小豆產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。

光合作用是作物生長發(fā)育的重要過程，是作物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，提高光合能力有助于植物生長發(fā)育及籽粒生物量積累。Wang等[31]發(fā)現(xiàn)，50～150μmol/L褪黑素可有效緩解鹽脅迫下葉綠素含量的降解及PSⅡ電子傳遞下降速率，顯著提升黃瓜光合能力，促進(jìn)黃瓜生長發(fā)育。Yang等[32]發(fā)現(xiàn)，100μmol/L褪黑素可提高PSI和PSⅡ光化學(xué)的電子傳遞速率和量子產(chǎn)率，顯著提升番茄光合能力。本試驗(yàn)表明，紅小豆葉片 Chl a、Chl b、Chl (a+b)、Chl (a/b)與Pn的提高幅度均隨褪黑素濃度的增加呈先增后減的趨勢，外源褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)，在各生育時(shí)期均達(dá)最大值，說明褪黑素可有效提高紅小豆葉片光合色素含量，進(jìn)一步解釋了Pn提高的原因。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)褪黑素處理可以提高紅小豆葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ和ETR，說明褪黑素處理能提高光能利用效率和電子傳遞能力，增強(qiáng)了紅小豆植株葉片潛在光合能力，為紅小豆產(chǎn)量提升奠定基礎(chǔ)。

產(chǎn)量是衡量栽培措施和技術(shù)手段的最重要指標(biāo)，任何產(chǎn)量構(gòu)成因素的改善均會(huì)促進(jìn)產(chǎn)量的提高。Zafar等[33]研究發(fā)現(xiàn)，50μmol/L褪黑素使2個(gè)不同品種小麥的產(chǎn)量分別提高了5%和11%，本研究表明，單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重和單株粒重均隨著褪黑素施用濃度的增加呈先增后減的趨勢，在苗期、花莢期、鼓粒期褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)，單株粒重較 CK分別增加了 6.3%、12.1%和9.5%。這與何松榆[34]在苗期施用褪黑素提高大豆產(chǎn)量及鄒京南等[35]在鼓粒期噴施褪黑素提高大豆產(chǎn)量的研究結(jié)果相似。說明外源褪黑素處理通過增加單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重增加紅小豆單株粒重，且花莢期褪黑素濃度為100μmol/L時(shí)增產(chǎn)效果最明顯。

4 結(jié)論

外源褪黑素對(duì)紅小豆形態(tài)建成及產(chǎn)量提升具有促進(jìn)作用，且呈低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用效果。在不同生育時(shí)期，外源褪黑素均可促進(jìn)紅小豆生長發(fā)育、增加紅小豆株高、葉面積和干物質(zhì)積累量，且100μmol/L褪黑素濃度處理增加幅度最大。同時(shí)，外源褪黑素處理還增加了紅小豆各時(shí)期葉片光合色素含量，進(jìn)而提高Pn、Tr、Gs、Ci、Fv/Fm和Fv/Fo，促進(jìn)植株光合同化物積累。在苗期、花莢期、鼓粒期噴施100μmol/L褪黑素后單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重明顯增加，單株粒重較CK分別增加了6.3%、12.1%和 9.5%。綜上可知，在花莢期噴施100μmol/L褪黑素增產(chǎn)效果最顯著。