褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒生長與生理特性的影響

魏茜雅, 梁臘梅, 林欣琪, 秦中維, 李映志

(廣東海洋大學(xué) 濱海農(nóng)學(xué)院,廣東 湛江 524000)

干旱是植物生長中面臨的逆境之一,也是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遭遇的主要自然災(zāi)害[1]。干旱脅迫可破壞植物體內(nèi)的水分代謝,引起細(xì)胞失水,導(dǎo)致植物體形態(tài)、生理生化發(fā)生重大變化[2]。辣椒(CapsicumannuumL.)別名番椒,屬于淺根性植物,根系較細(xì),吸收能力弱,木栓化程度高,恢復(fù)生長能力差[3]。近些年來,干旱已經(jīng)成為許多地區(qū)大面積種植辣椒的限制因子[4]。辣椒受到干旱脅迫后會(huì)影響地上部分和地下部分的生長發(fā)育[5],可嚴(yán)重影響辣椒葉片的生理特性[6]并造成葉片細(xì)胞膜質(zhì)過氧化[7]。

褪黑素(melanin, MT)又稱松果體素,化學(xué)名稱為N-乙酰基-5-甲氧基-色胺[8]。植物中的褪黑素可通過清除活性氧和自由基保護(hù)植物,抵御干旱、高溫和鹽脅迫等造成的氧化損傷[9]。如褪黑素浸種能夠促進(jìn)豌豆幼苗生長,降低其對(duì)鎘的吸收[10];提高蕓豆葉片抗氧化酶活性,降低丙二醛(MDA)含量,有效緩解NaCl脅迫對(duì)蕓豆幼苗的傷害[11];可以提高水稻秧苗發(fā)根力,增強(qiáng)根系活力,加快緩苗返青[12]。然而,使用褪黑素對(duì)辣椒種子進(jìn)行引發(fā)處理并研究其對(duì)葉片和根系生理特性的影響還鮮見報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)通過褪黑素種子引發(fā)處理,研究干旱脅迫下其對(duì)朝天椒生長及生理特性的影響,以期篩選出能降低朝天椒干旱脅迫損傷的最佳褪黑素濃度并分析其可能的作用機(jī)制,為褪黑素在朝天椒抗逆中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

供試朝天椒品種為茂蔬360。

將均勻飽滿的朝天椒種子分別浸在濃度為0(T0)、1(T1)、5(T5)、25(T25)、50(T50)、75(T75)、100(T100)、125(T125)和150(T150)μmol·L-1的10 mL褪黑素溶液中,在室溫、黑暗條件下引發(fā)12 h,隨后濾出種子,用蒸餾水沖洗干凈,于25 ℃的暗室中自然風(fēng)干至原始含水量。每個(gè)處理120粒種子,重復(fù)3次。

引發(fā)后的種子播種至椰糠基質(zhì)中,2片真葉時(shí)移栽至大小相同的塑料花盆中,每株1盆,并置于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所避雨棚進(jìn)行統(tǒng)一管理。待植株長至4～6片真葉時(shí),每天每盆澆灌50 mL體積分?jǐn)?shù)10%的PEG 6000溶液模擬干旱脅迫。干旱脅迫處理14 d后,取葉片和根系組織進(jìn)行生理生化指標(biāo)測(cè)定。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定

將朝天椒植株的根系用去離子水清洗干凈后吸干表面水分,用電子天平稱其地上部鮮重和根鮮重,用游標(biāo)卡尺測(cè)定苗長和根長[13]。幼苗置于105 ℃烘箱中殺青15 min,再在80 ℃下干燥至恒重后,測(cè)定幼苗單株干重。每次處理分析3株,重復(fù)3次。

1.2.2 生理指標(biāo)的測(cè)定

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2019 軟件和 SPSS 24.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒株高、根長和根冠比的影響

干旱(10% PEG)脅迫下,不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理后的朝天椒株高、根長和根冠比情況如表1所示。隨著引發(fā)液濃度的增加,朝天椒的根長、株高和根冠比呈先上升后下降趨勢(shì),濃度為100 μmol·L-1時(shí),株高最大,與未引發(fā)相比,增加了36.32%,差異顯著(P<0.05);濃度為75 μmol·L-1時(shí),根長和根冠比最大,與未引發(fā)相比,分別增加了111.19%和61.04%,差異顯著(P<0.05)。

表1 不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒株高、根長和根冠比的影響

2.2 褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒根和地上部鮮重、干重的影響

干旱(10% PEG)脅迫下,不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理后的朝天椒根和地上部鮮重和干重情況如表 2 所示。由表2可知,隨著引發(fā)液濃度的增加,根鮮重、地上部鮮重、地上部干重和根干重呈拋物線變化趨勢(shì),濃度為100 μmol·L-1時(shí),地上部鮮重和地上部干重值最大,此時(shí)與未引發(fā)相比,分別增加了87.55%和342.61%,差異顯著(P<0.05);濃度為75 μmol·L-1時(shí),根鮮重和根干重值最大,此時(shí)與未引發(fā)相比,分別增加了76.67%和168.06%,差異顯著(P<0.05)。

表2 不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒根和地上部鮮重和干重的影響

2.3 不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒生理的影響

2.3.1 葉片和根系的丙二醛和活性氧含量

如圖1所示,干旱脅迫下,不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理后朝天椒葉片和根系的丙二醛和超氧陰離子含量隨著引發(fā)液濃度的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)。低濃度褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)植株葉片與根系丙二醛含量影響差異不大,對(duì)葉片超氧陰離子含量的影響大于根系;濃度為100 μmol·L-1時(shí),葉片丙二醛、過氧化氫和超氧陰離子含量最小,分別比未引發(fā)的降低了47.73%、44.81%和21.95%,差異顯著(P<0.05);濃度為75 μmol·L-1時(shí),根系丙二醛、過氧化氫和超氧陰離子含量最小,分別比未引發(fā)的降低了74.79%、69.02%和42.58%,差異顯著(P<0.05);褪黑素濃度對(duì)根系丙二醛和過氧化氫含量的影響大于葉片,對(duì)葉片超氧陰離子含量的影響大于根系。

同一組織不同處理間沒有相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。The treatments of the same tissue with different lowercase letters show the significant difference(P<0.05). The same as below.圖1 不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒葉片和根系MDA(A)、過氧化氫(B)和超氧陰離子(C)含量的影響Fig.1 Effects of seed priming treatments with different concentrations of melatonin on MDA (A), hydrogen peroxide (B) and superoxide anion (C) contents in leaves and roots of pepper under drought stress

2.3.2 葉片和根系的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量

如圖2所示,干旱脅迫下,不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理后的朝天椒葉片和根系的可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量隨著引發(fā)液濃度的增加呈拋物線變化趨勢(shì)。低濃度褪黑素處理后的植株葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著高于根系,對(duì)葉片和根系脯氨酸含量影響差異不大;濃度為100 μmol·L-1時(shí),葉片的可溶性糖、脯氨酸含量以及根系可溶性蛋白含量最高,分別比未引發(fā)的增加了102.43%、216.56%和132.88%,差異顯著(P<0.05);濃度為75 μmol·L-1時(shí),根系的可溶性糖、脯氨酸含量以及葉片的可溶性蛋白含量最高,分別比未引發(fā)的增加了132.47%、93.35%和37.26%,差異顯著(P<0.05),褪黑素濃度對(duì)葉片可溶性蛋白和脯氨酸含量的影響大于根系。

圖2 不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒葉片和根系可溶性蛋白(A)、可溶性糖(B)和脯氨酸(C)含量的影響Fig.2 Effects of seed priming with different concentrations of melatonin on the contents of soluble protein (A), soluble sugar (B) and proline (C) in leaves and roots of pepper under drought stress

2.3.3 葉片和根系的POD、SOD和CAT活性

如圖3所示,干旱脅迫下,不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理后朝天椒葉片和根系的POD、SOD和CAT活性隨著引發(fā)液濃度的增加呈拋物線變化趨勢(shì),褪黑素濃度對(duì)葉片與根系的POD和SOD活性影響差異不大,對(duì)葉片CAT活性的影響大于根系;濃度為100 μmol·L-1時(shí),葉片的POD和SOD活性最大,分別比未引發(fā)的增加了149.56%和151.62%,差異顯著(P<0.05);濃度為75 μmol·L-1時(shí),根系POD、SOD、CAT和葉片CAT活性最大,分別比未引發(fā)的增加了110.82%、40.02%、68.59%和27.36%,差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同濃度褪黑素種子引發(fā)對(duì)干旱脅迫下朝天椒葉片和根系POD(A)、SOD(B)和CAT(C)活性的影響Fig.3 Effects of seed priming with different concentrations of melatonin on POD (A), SOD (B) and CAT (C) activities in leaves and roots of pepper under drought stress

2.3.4 葉片和根系的APX和GR活性

如圖4所示,干旱脅迫下,不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理后朝天椒葉片和根系的APX和GR活性隨著引發(fā)液濃度的增加呈拋物線變化趨勢(shì),褪黑素濃度對(duì)葉片APX和GR活性的影響大于根系;濃度為100 μmol·L-1時(shí),葉片的APX和GR活性最大,分別比未引發(fā)的增加了161.48%和214.19%,差異顯著(P<0.05);濃度為75 μmol·L-1時(shí),根系的APX和GR活性最大,分別比未引發(fā)的增加了163.24%和165.49%,差異顯著(P<0.05)。

圖4 不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒根系和葉片APX(A)、GR(B)活性的影響Fig.4 Effects of seed priming treatments with different concentrations of melatonin on APX (A) and GR (B) activities in roots and leaves of pepper under drought stress

2.3.5 葉片和根系的AsA、DHA含量和AsA/DHA

如圖5所示,干旱脅迫下,不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理后朝天椒葉片和根系的AsA、DHA含量和AsA/DHA隨著引發(fā)液濃度的增加呈拋物線變化趨勢(shì),褪黑素濃度對(duì)葉片AsA含量和AsA/DHA的影響大于根系,對(duì)葉片與根系DHA含量的影響差異不大;濃度為100 μmol·L-1時(shí),葉片的AsA和DHA含量最高,分別比未引發(fā)的增加了92.19%和25.66%,差異顯著(P<0.05);濃度為75 μmol·L-1時(shí),引發(fā)后根系的AsA、DHA含量和AsA/DHA,以及葉片AsA/DHA最大,分別比未引發(fā)的增加了150.63%、52.87%、62.83%和59.64%,差異顯著(P<0.05)。

圖5 不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒葉片和根系A(chǔ)sA(A)、DHA(B)含量和AsA/DHA(C)的影響Fig.5 Effects of seed priming treatments with different concentrations of melatonin on contents of AsA (A), DHA (B) and AsA/DHA(C) in leaves and roots of pepper under drought stress

3 討論

3.1 不同濃度褪黑素種子引發(fā)處理對(duì)干旱脅迫下朝天椒植株生長的影響

作物在干旱脅迫下,植株矮小、生長緩慢;但良好的根冠比能夠使其將有限的資源進(jìn)行最有效的分配,進(jìn)而促進(jìn)植株生長[17]。本研究表明,1～100 μmol·L-1褪黑素種子引發(fā)處理后,干旱脅迫下朝天椒植株的株高、地上部鮮重和地上部干重顯著增加,并在褪黑素濃度為100 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值,隨后在褪黑素濃度為125～150 μmol·L-1時(shí)各指標(biāo)降低,說明100 μmol·L-1褪黑素能有效促進(jìn)辣椒地上部的生長和生物量的積累;1～75 μmol·L-1褪黑素種子引發(fā)處理后,干旱脅迫下朝天椒植株的株高、根長、根冠比、根鮮重和根干重隨著褪黑素溶液濃度的增加顯著增大,并在75 μmol·L-1達(dá)到最大值,隨后在褪黑素濃度為100～150 μmol·L-1時(shí)各指標(biāo)顯著降低,說明75 μmol·L-1褪黑素引發(fā)能促進(jìn)辣椒根系生長,利用發(fā)達(dá)的根系保持植株需要的水分。這與馬旭輝等[18]發(fā)現(xiàn)褪黑素能促進(jìn)植物根系發(fā)育,減輕氧化損傷,改善植物水分狀況,從而提高植物抗旱性;秦彬等[19]發(fā)現(xiàn)褪黑素能顯著促進(jìn)根系生長的結(jié)果一致。綜合以上結(jié)論,75 μmol·L-1褪黑素可用于辣椒種子引發(fā)來提高抗旱性。

3.2 褪黑素種子引發(fā)處理提高朝天椒干旱脅迫耐性的可能機(jī)制

逆境脅迫會(huì)打破植物體內(nèi)活性氧(ROS)平衡,高濃度的ROS將會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷,產(chǎn)生丙二醛,對(duì)細(xì)胞造成永久性傷害[20]。本研究表明,經(jīng)不同濃度褪黑素(1～150 μmol·L-1)種子引發(fā)處理后,干旱脅迫下朝天椒葉片和根系的丙二醛、過氧化氫、超氧陰離子含量隨著褪黑素溶液濃度的增加呈先降低后升高的趨勢(shì),朝天椒葉片的丙二醛、過氧化氫和超氧陰離子含量在褪黑素溶液濃度為100 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最低值,朝天椒根系的丙二醛、過氧化氫、超氧陰離子含量在褪黑素溶液濃度為75 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最低值,說明100 μmol·L-1和75 μmol·L-1褪黑素處理能分別顯著緩解葉片和根系的脂膜過氧化損傷并減少ROS的積累;低濃度褪黑素引發(fā)處理下葉片與根系丙二醛含量無差異,而75 μmol·L-1和100 μmol·L-1處理下根系丙二醛和ROS含量顯著低于葉片說明褪黑素能有效保護(hù)根系不受損傷,且根系對(duì)干旱的反應(yīng)比葉片更為敏感。這與褪黑素能降低玉米根系活性氧和丙二醛含量[18]、蕓豆葉片活性氧的積累,保護(hù)細(xì)胞膜不受損傷,增強(qiáng)植物的抗逆能力[11]的結(jié)果一致。

在干旱脅迫下,植物體內(nèi)可溶性蛋白的合成會(huì)受到抑制[21],植物體內(nèi)可溶性蛋白的變化是反映抗旱能力的重要因素之一[22]。在水分脅迫條件下,可溶性糖含量的增加被認(rèn)為是植物在脅迫環(huán)境下的一種適應(yīng)機(jī)制[23]。脯氨酸的多少是植物受到脅迫程度的一種信號(hào)[24]。本研究表明,經(jīng)不同濃度褪黑素(1～150 μmol·L-1)種子引發(fā)處理后,干旱脅迫下朝天椒葉片和根系的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量隨著褪黑素溶液濃度的增加呈拋物線變化趨勢(shì),朝天椒葉片的可溶性糖和脯氨酸含量以及根系的可溶性蛋白含量在褪黑素濃度為100 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值,根系的可溶性糖和脯氨酸含量以及葉片的可溶性蛋白含量在褪黑素濃度為75 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值,說明100 μmol·L-1和75 μmol·L-1褪黑素處理分別通過降低葉片和根系內(nèi)的滲透勢(shì)來維持干旱脅迫下的膨壓,從而緩解干旱脅迫造成的植物生理代謝不平衡;葉片可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量顯著高于根系說明干旱情況下滲透調(diào)節(jié)的主要部位是葉片[25]。習(xí)林杰[26]的研究也表明,褪黑素可以通過增加生菜幼苗根系可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量來抵御鹽脅迫對(duì)幼苗造成的損傷。

較高的抗氧化酶(CAT、POD、SOD)活性能及時(shí)清除氧自由基,防止膜脂過氧化,維持細(xì)胞膜完整[27]。 本研究表明,經(jīng)不同濃度褪黑素(1～150 μmol·L-1)種子引發(fā)處理后,干旱脅迫下朝天椒葉片和根系的POD、SOD和CAT活性隨著褪黑素溶液濃度的增加呈拋物線變化趨勢(shì),并在褪黑素濃度為100 μmol·L-1時(shí)朝天椒葉片的POD和SOD活性達(dá)到最大,根系的POD、SOD、CAT和葉片CAT活性在褪黑素濃度為75 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值,說明100 μmol·L-1和75 μmol·L-1褪黑素處理分別通過增強(qiáng)葉片和根系的抗氧化酶防御系統(tǒng),增強(qiáng)植株抗旱性;葉片POD和SOD活性與根系的無顯著差異,葉片CAT活性顯著高于根系說明干旱脅迫下根系中CAT并未大量參與抗氧化過程,可能是由于根系POD和SOD相對(duì)CAT對(duì)干旱脅迫的敏感度更強(qiáng)[28]。這與褪黑素能有效提高抗氧化系統(tǒng)活性,緩解高溫脅迫對(duì)生菜生長的不利影響[29]的結(jié)果一致。

植物APX是氧化還原信號(hào)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)細(xì)胞水平H2O2非常重要的一種酶[30]。APX和GR作為抗氧化酶類,與超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶等共同清除植物體內(nèi)多余的活性氧[31],此外GR還對(duì)植物體內(nèi)抗壞血酸的再生有重要作用[32]。本研究表明,經(jīng)不同濃度褪黑素(1～150 μmol·L-1)種子引發(fā)處理后,干旱脅迫下朝天椒葉片和根系的APX和GR活性隨著褪黑素溶液濃度的增加呈拋物線變化趨勢(shì),朝天椒葉片的APX和GR活性在褪黑素溶液濃度為100 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值,根系的APX和GR活性在褪黑素溶液濃度為75 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值,說明100 μmol·L-1和75 μmol·L-1褪黑素處理能通過分別提高葉片和根系的APX和GR活性來清除活性氧,降低干旱脅迫對(duì)植株的損傷;葉片APX和GR活性顯著高于根系,說明干旱脅迫下葉片通過APX和GR活性清除活性氧的能力比根系強(qiáng)。鐘霞飛[33]的結(jié)果也表明,鎘脅迫下褪黑素能通過提高APX和GR活性來維持葉片和根系抗氧化酶活性。

在植物細(xì)胞中,AsA能調(diào)節(jié)活性氧含量,對(duì)植物防御環(huán)境脅迫起到保護(hù)作用,并對(duì)根系發(fā)育有重要作用[34-35]。本研究表明,經(jīng)不同濃度褪黑素(1～150 μmol·L-1)種子引發(fā)處理后,干旱脅迫下朝天椒葉片和根系的AsA、DHA含量和AsA/DHA隨著褪黑素溶液濃度的增加呈拋物線變化趨勢(shì),朝天椒葉片的AsA和DHA含量在褪黑素溶液濃度為100 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值,根系的AsA、DHA含量和AsA/DHA,以及葉片AsA/DHA在褪黑素溶液濃度為75 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值,說明100 μmol·L-1和75 μmol·L-1褪黑素處理分別通過抑制葉片和根系A(chǔ)sA氧化的速率,提高AsA/DHA,增強(qiáng)植株對(duì)干旱脅迫的防御;葉片AsA含量和AsA/DHA顯著高于根系,葉片DHA含量與根系無顯著差異的原因可能是AsA的轉(zhuǎn)運(yùn)主要發(fā)生在葉綠體,AsA合成的最后一步發(fā)生在線粒體內(nèi)膜[36]。這與褪黑素可以提高干旱脅迫下AsA含量,緩解干旱脅迫對(duì)大豆造成的氧化損傷的結(jié)果一致[37]。

綜上所述,100 μmol·L-1褪黑素種子引發(fā)處理能通過提高可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、AsA、DHA含量和抗氧化酶活性(POD、SOD、APX和GR)建立防御系統(tǒng),降低丙二醛含量并清除體內(nèi)過剩的過氧化氫使葉片干旱脅迫程度得到緩解;75 μmol·L-1褪黑素種子引發(fā)處理通過加速可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的積累,提高抗氧化酶(POD、SOD、CAT、APX和GR)活性,增加AsA、DHA含量和AsA/DHA來保護(hù)根系不受干旱脅迫的傷害。因此,100 μmol·L-1和75 μmol·L-1褪黑素引發(fā)種子可有效緩解干旱脅迫對(duì)朝天椒生長帶來的不利影響。