鹽堿脅迫下棉花幼苗對(duì)外源褪黑素的生理響應(yīng)*

何皇成，陳明媛，王騰飛，劉建國(guó)*

（石河子大學(xué)新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003）

土壤鹽漬化是新疆棉花生產(chǎn)中面臨的最重要的非生物脅迫因素，新疆現(xiàn)有耕地中31.1%的面積受到鹽堿危害，鹽害導(dǎo)致的棉花出苗障礙以及苗期僵苗是棉花豐產(chǎn)高效的重要限制因子[1]，因此研究鹽堿脅迫下棉花種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的抗逆調(diào)控技術(shù)具有重要意義。褪黑素是一種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，在植物體內(nèi)易于吸收，作用在植物上也不會(huì)經(jīng)過(guò)食物鏈富集而對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，是一種提高植物抗逆性的綠色途徑[2]。

褪黑素在植物體中體現(xiàn)出多重生理功能，主要通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的滲透勢(shì)，維持水分平衡[3]、誘導(dǎo)抗氧化酶的活性[4]、降低活性氧和過(guò)氧化物含量[5]、消除體內(nèi)大量的活性氧自由基[6]、抵御外界脅迫造成的氧化損傷，以此來(lái)提高植物的抗逆性。褪黑素越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于緩解植物逆境脅迫研究中。

有關(guān)外源褪黑素對(duì)棉花種子萌發(fā)幼苗生長(zhǎng)性狀的調(diào)控效應(yīng)已有相關(guān)報(bào)道[7]，但相關(guān)研究都是以氯化鈉單鹽脅迫處理，而鹽堿農(nóng)田中均是以混合鹽堿的形式對(duì)作物產(chǎn)生危害。因此，研究外源褪黑素對(duì)混合鹽堿脅迫下棉花種子幼苗生長(zhǎng)、抗氧化酶活性和MDA含量的影響，可為在鹽堿地栽培中使用化學(xué)抗逆調(diào)控技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以惠遠(yuǎn)77號(hào)品種為供試材料，選取籽粒飽滿、大小一致的種子為試驗(yàn)材料。用5%次氯酸鈉溶液消毒10 min，無(wú)菌水清洗3次，晾干后備用。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)新疆地區(qū)鹽堿地鹽分組成，選取2種中性鹽（Na2SO4，NaCl）及2種堿性鹽（Na2CO3，NaHCO3）按1∶9∶9∶1的比例配成混合鹽堿脅迫處理，混合鹽堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為8 g/kg，褪黑素處理濃度為150 μmol/L。試驗(yàn)采用盆栽法（直徑35 cm、高40 cm），每盆裝土28 kg，共計(jì)27盆，每盆留苗3株。在棉花出苗后35 d，選擇18盆澆灌質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 g/kg混合鹽堿進(jìn)行脅迫處理，隔天澆灌1次，剩余9盆澆灌等量清水做對(duì)照處理。經(jīng)鹽堿脅迫處理6 d后，選擇9盆噴施濃度為150 μmol/L褪黑素，隔天噴1次，其余處理噴施等量清水，即形成對(duì)照（CK）、鹽堿脅迫（S）和鹽堿脅迫后噴施褪黑素（SM）3種處理。在噴施褪黑素處理6 d后取樣，分別測(cè)定植株生物量及生理代謝指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

棉花植株鮮樣分地上部分和地下部分在75 ℃烘箱中殺青30 min，后在105 ℃烘干至衡重，測(cè)其重量。

1.3.2 生理指標(biāo)的測(cè)定

棉花幼苗葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性采用四唑鹽法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶（CAT）活性采用高錳酸鉀滴定法，過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，過(guò)氧化氫（H2O2）含量采用鉬酸顯色法測(cè)定，丙二醛（MDA）含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定，有機(jī)酸采用離子色譜法測(cè)定[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源褪黑素對(duì)復(fù)合鹽堿脅迫下棉花生物量的影響

鹽堿脅迫下植物外部形態(tài)表現(xiàn)敏感，可直接作為判斷植物受鹽害程度的指標(biāo)。如表1所示，鹽堿脅迫處理下棉花生長(zhǎng)受到抑制，其地上部和根部干重及整株生物量均低于正常條件下的數(shù)值，棉花幼苗的總生物量、地上部干重、地下部干重和植株含水量與CK差異顯著（P＜0.05），與CK相比分別降低22.37%、12.26%、25.19%和0.51%，根冠比增加24%。在鹽堿脅迫下施加褪黑素后，棉花幼苗的總生物量、地上部干重和地下部干重顯著增加，與鹽堿脅迫處理相比分別增加12.11%、12.42%和12.33%，均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。棉花幼苗經(jīng)過(guò)鹽堿脅迫噴施褪黑素后其總生物量、地上部干重和地下部干重分別恢復(fù)到對(duì)照的87.03%、98.64%和84.03%。

表1 鹽堿脅迫下外源褪黑素對(duì)棉花幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2 外源褪黑素對(duì)復(fù)合鹽堿脅迫下棉花抗氧化酶活性的影響

相對(duì)于生長(zhǎng)指標(biāo)，抗氧化酶是植物抗逆防御系統(tǒng)對(duì)外界脅迫的表征，更迅速敏感，且在抗逆境方面起著重要的保護(hù)作用[9]。褪黑素對(duì)復(fù)合鹽堿脅迫下棉花抗氧化酶活性的影響見(jiàn)圖1，可以看出棉花幼苗經(jīng)200 mmol/L混合鹽堿脅迫后，SOD和CAT 活性與CK 相比均顯著下降，分別降低22.6%和40.5%，POD活性顯著上升39.46%。在鹽堿脅迫時(shí)施用外源褪黑素處理后，SOD、CAT和POD活性與鹽堿脅迫處理相比分別上升4.11%、0.47%和10.44%。

圖1 鹽堿脅迫下褪黑素對(duì)棉花幼苗抗氧化酶活性的影響

2.3 鹽堿脅迫下外源褪黑素對(duì)棉花MDA和H2O2含量的影響

MDA作為膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物，能夠直接或者間接反映細(xì)胞膜受損傷的程度。由圖2可知，在鹽堿脅迫下棉花幼苗葉片中MDA含量顯著上升，與CK相比增加了20.22%；在鹽堿脅迫時(shí)施用外源褪黑素處理后，MDA含量與鹽堿脅迫處理相比降低了7.45%。鹽脅迫可誘導(dǎo)H2O2產(chǎn)生并積累，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物的抗鹽反應(yīng)。鹽堿脅迫處理下H2O2含量與CK相比上升9.35%，差異不顯著；在鹽堿脅迫時(shí)施用外源褪黑素，H2O2含量較鹽堿脅迫處理差異顯著，與鹽堿脅迫相比下降20.51%。

圖2 鹽堿脅迫下褪黑素對(duì)棉花幼苗MDA含量和H2O2含量的影響

2.4 鹽堿脅迫下外源褪黑素對(duì)棉花有機(jī)酸含量的影響

有機(jī)酸是帶有羧基具有緩沖作用的低分子量化合物，在鹽堿逆境環(huán)境中通過(guò)中和過(guò)量的Na+降低陽(yáng)離子毒害作用，參與植物對(duì)逆境的生理性適應(yīng)[10]。外源褪黑素對(duì)復(fù)合鹽堿脅迫下棉花有機(jī)酸含量的影響見(jiàn)圖3，可知在鹽堿脅迫下，棉花幼苗葉片中蘋(píng)果酸、檸檬酸、草酸和總酸含量比CK 分別增加了58.03%、57.79%、58.48%和58.19%，差異均達(dá)到顯著水平；噴施外源褪黑素后，棉花幼苗蘋(píng)果酸、檸檬酸、草酸和總酸含量與鹽堿脅迫比較分別下降10.17%、10.39%、10.33%和10.35%。

圖3 鹽堿脅迫下褪黑素對(duì)棉花幼苗有機(jī)酸含量的影響

3 結(jié)論與討論

植物生長(zhǎng)受阻是鹽堿脅迫下植株的最初效應(yīng)之一，土壤水分中鹽的滲透脅迫造成的植株水分匱缺效應(yīng)，降低了植物吸水的能力。同時(shí)，鹽分通過(guò)蒸騰流進(jìn)地上部，最終傷害葉細(xì)胞，導(dǎo)致葉的生長(zhǎng)下降，并且降低了根系的生長(zhǎng)；植物所吸收的鹽積累在老葉中，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)輸送到蒸騰的葉片中，最終導(dǎo)致葉片的Na+和CI-濃度過(guò)高，葉片最終死亡[11]。施加外源褪黑素可以緩解植物幼苗鹽毒性癥狀，褪黑素對(duì)鹽脅迫下棉花種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用，提高了種子耐鹽性，促進(jìn)了種子胚根伸長(zhǎng)，增加了種子萌發(fā)后的生物量[7]。本試驗(yàn)通過(guò)外源噴施褪黑素對(duì)棉花幼苗進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫嚴(yán)重抑制棉花幼苗的生長(zhǎng)，棉花地上部植株、地下部根系和植株含水量等顯著降低。通過(guò)施加外源褪黑激素，鹽堿脅迫的棉花幼苗生長(zhǎng)得以改善，恢復(fù)到對(duì)照的84%～98%。

鹽堿脅迫下產(chǎn)生過(guò)量的活性氧會(huì)破壞氧化還原穩(wěn)態(tài)平衡從而阻礙植物的生長(zhǎng)發(fā)育乃至導(dǎo)致作物死亡，褪黑素在調(diào)節(jié)植物生物或非生物脅迫中的作用基本都與抗氧化作用有關(guān)[12-13]。如褪黑素可有效清除鹽脅迫下大豆幼苗葉片過(guò)量的H2O2，降低MDA含量，緩解鹽堿脅迫對(duì)大豆幼苗造成的細(xì)胞膜傷害[14]。本試驗(yàn)結(jié)果與其類似，褪黑素通過(guò)減少棉花幼苗根部脅迫時(shí)期H2O2的產(chǎn)生來(lái)緩解鹽堿誘導(dǎo)的氧化損傷，同時(shí)棉花幼苗根部抗氧化酶CAT和SOD活性也相應(yīng)升高。

除鹽堿混合脅迫Na+造成的離子毒害外，還有高pH造成的礦質(zhì)元素可利用性明顯降低等脅迫因素。植物體內(nèi)積累酸性代謝物（如有機(jī)酸等）具有緩沖高pH的作用，是植物對(duì)環(huán)境高pH的適應(yīng)方式之一。天然鹽堿化土壤環(huán)境下植物通過(guò)大量積累蘋(píng)果酸、檸檬酸等有機(jī)酸響應(yīng)鹽堿脅迫，降低Na+毒害，調(diào)節(jié)根系pH值[15]。堿脅迫可誘導(dǎo)小冰麥有機(jī)酸急劇增加來(lái)彌補(bǔ)負(fù)電荷不足，保持細(xì)胞內(nèi)pH穩(wěn)定。本研究與上述結(jié)果一致，棉花幼苗經(jīng)鹽堿脅迫后蘋(píng)果酸、檸檬酸、草酸和總酸含量均顯著增加，噴施褪黑素后緩解了脅迫程度，有機(jī)酸含量下降。

綜上所述，外源噴施褪黑素能理緩解混合鹽堿脅迫對(duì)棉花幼苗生長(zhǎng)的不利影響，增加生物量積累，顯著提高棉花幼苗抗氧化酶活性。通過(guò)激活抗氧化防御系統(tǒng)，清除大量活性氧，減輕鹽堿脅迫對(duì)棉花的損害，提高棉花苗期對(duì)鹽堿脅迫的耐受性。