外源褪黑素和硅对盐胁迫下芹菜幼苗生长及生理特性的影响

李红杰

(内蒙古农业大学 职业技术学院，内蒙古 包头 014109)

据统计，全世界约有8亿hm2的土地遭受盐害威胁，约占世界陆地面积的6%，而我国盐渍土面积约有0.2亿hm2，约占可耕作面积的20%，同时，由于肥料滥用及不合理灌溉等原因，土壤盐渍化面积仍在持续增长[1-2]。土壤盐渍化对植物生长发育及作物产量和品质具有严重影响，是阻碍农业可持续发展的主要因素之一[3]。因此，如何提高植物耐盐性，促进盐碱地有效利用已成为农业生产中急需解决的关键问题之一。

芹菜(Apiumgraveolens)属伞形花科芹属草本植物，具有抗逆性强、适应性广及生长速度快等优点，已在我国广泛种植[4]。大量研究表明，植物生长调节剂及矿质元素在提高植物抗逆性方面具有较大的应用潜力[5-7]。褪黑素(Melatonin，MT)又称N-乙酰-5-甲氧基色胺，是一种在生物体内广泛存在的生长调节物质。随着研究的深入，发现褪黑素虽然在植物体内含量较低，但是其在缓解干旱[8]、低温[9]、盐[10]及重金属胁迫[11]对植物造成的危害方面效果显著，其作用机制主要包括2个方面：一方面，褪黑素作为一种抗氧化剂，可直接中和OH·、H2O2等活性氧自由基[12]；另一方面，褪黑素作为一种信号分子，不仅可以诱导抗氧化酶[如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)及谷胱甘肽还原酶(GR)等]活性和抗氧化物质[抗坏血酸(AsA)及还原型谷胱甘肽(GSH)等]含量提高，而且可以诱导抗性基因的表达，如植物WRKY家族(WRKY)、碱性螺旋环螺旋(bHLH)及转录因子(TFs)等，从而提高植物抗逆性[8-12]。硅(Si)是植物生长发育的必需元素之一，在土壤常以不溶性硅酸盐形式存在，可被植物吸收利用的Si含量往往较低[13]。适量的Si可促进植物生长发育，提高植物对干旱[14]、盐[15]及重金属[16]胁迫的抵御能力。目前，虽然利用单一外源物质(如褪黑素、油菜素内酯、Si、Ca等)来提高植物耐盐性方面的研究较多，但是尚未见关于褪黑素与Si协同作用对盐胁迫下作物盐害缓解效应方面的报道。鉴于此，以芹菜为试验材料，研究褪黑素和Si配施对盐胁迫下芹菜幼苗生长、光合作用、抗氧化酶活性及渗透调节物质含量的影响，以期探索一条利用外源物质缓解作物盐害胁迫的新途径，为提高植物耐盐性和盐碱地利用效率提供一定的参考和科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试芹菜品种为西芹皇后，购自内蒙古蒙龙种业科技有限公司；试验用NaCl、褪黑素和SiO2均为分析纯，购自上海生工生物工程有限公司。采用穴盘育苗方式进行育苗，于三叶一心期移栽至花盆进行盐胁迫试验，花盆规格为15 cm×20 cm，栽培土壤为草炭土，每盆装1.5 kg基质，栽植1株幼苗。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 2018年2月20日在内蒙古农业大学职业技术学院日光温室开始育苗。3月10日移栽至花盆进行恢复，3月16日从恢复苗中选取大小、长势一致的幼苗进行盐胁迫质量分数筛选试验，试验共设置6个处理，即分别将栽培基质NaCl质量分数设置为0(CK)、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5 g/kg，每个处理20株，重复3次，随机区组排列。盐胁迫15 d后，测定各处理生长指标，选取最佳盐胁迫质量分数用于后续试验。2018年3月10日，在日光温室进行第2次育苗，4月5日从恢复苗中选取大小、长势一致的幼苗进行盐胁迫试验，NaCl质量分数为预试验中筛选的最佳质量分数，试验共设置5个处理，即CK(0 g/kg NaCl)、SS(7.5 g/kg NaCl)、SS+MT(7.5 g/kg NaCl+80 μmol/L MT)、SS+Si(7.5 g/kg NaCl+5 mmol/L Si4+)、SS+MT+Si(7.5 g/kg NaCl+50 μmol/L MT+3 mmol/L Si4+)，每个处理30株，重复3次，共450株，随机区组排列。盐胁迫前2 d傍晚，分别向芹菜幼苗叶片喷施相应浓度的褪黑素、Si4+及二者复配溶液，喷施量以水珠悬挂不滴为标准，CK喷施等量清水。于盐胁迫处理15 d后，进行生长指标及光合指标测定，并取样保存于-80 ℃用于测定生理生化指标。

1.2.2 测定项目及方法 芹菜幼苗株高、茎粗分别用直尺和游标卡尺测定；叶面积和干质量分别采用叶面积仪和烘干法测定；净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)采用Li-6400便携式光合作用仪测定，光强为900 μmol/(m2·s)，流速为500 mL/s；参照吴雪霞等[17]的方法测定芹菜幼苗叶片丙二醛(MDA)含量、SOD、POD及CAT活性；H2O2含量及APX活性参照郭欣欣等[18]的方法测定；可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分别采用蒽酮比色法、考马斯亮蓝G-250法和磺基水杨酸提取法测定。

1.3 数据处理

数据整理和作图采用Excel 2010软件进行，显著性差异分析采用SPSS 22.0数据分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 芹菜盐胁迫质量分数的筛选

由表1可知，NaCl胁迫会显著抑制芹菜幼苗的生长，且抑制程度随着NaCl质量分数的升高而逐渐加剧。NaCl质量分数为7.5 g/kg时，芹菜幼苗的株高、茎粗、叶面积及干质量分别较CK降低21.67%、29.94%、37.18%和20.35%，4个生长指标均与CK、2.5 g/kg和5.0 g/kg NaCl处理差异显著(P<0.05)。NaCl质量分数为10.0、12.5 g/kg时，芹菜幼苗生长受抑制程度进一步加剧，株高、茎粗、叶面积及干质量较7.5 g/kg NaCl处理有所降低，但是差异不显著(P>0.05)。因此，7.5 g/kg NaCl是本试验的最佳盐胁迫质量分数，可以应用于后续研究。

表1 不同质量分数盐对芹菜幼苗生长的影响Tab.1 Effects of different concentrations of salt on growth of celery seedlings

注：同列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05),下同。

Note:Different letters in the same column indicate significant difference among treatments at 0.05 level,the same below.

2.2 外源褪黑素和Si对盐胁迫下芹菜幼苗生长的影响

由表2可知，盐胁迫条件下，外源褪黑素、Si单施及二者配施均可促进芹菜幼苗的生长。与SS处理相比，外源褪黑素处理(SS+MT)的芹菜幼苗株高、茎粗、叶面积及干质量分别显著增加10.61%、11.57%、27.01%和7.72%(P<0.05)；外源Si处理(SS+Si)的芹菜幼苗株高、茎粗、叶面积及干质量则分别增加7.77%、8.01%、21.84%和4.96%；褪黑素和Si配施处理(SS+MT+Si)效果更加明显，芹菜幼苗株高、茎粗、叶面积及干质量则分别显著增加22.24%、24.33%、46.74%和14.89%，均与SS、SS+MT及SS+Si处理差异显著(P<0.05)，且株高、茎粗及干质量3个指标的增加幅度高于SS+MT和SS+Si处理之和。说明，外源褪黑素和Si配施可显著缓解盐胁迫对芹菜幼苗生长的抑制程度，且二者具有一定的协同增效作用。

表2 外源褪黑素和Si对盐胁迫下芹菜幼苗生长的影响Tab.2 Effects of exogenous melatonin and silicon on growth of celery seedlings under salt stress

2.3 外源褪黑素和Si对盐胁迫下芹菜幼苗光合作用的影响

如图1所示，盐胁迫会显著抑制芹菜幼苗的光合作用指标。与CK相比，SS处理下芹菜幼苗叶片的Pn、Gs、Ci和Tr分别显著降低42.65%、52.29%、22.66%和39.53%(P<0.05)。外源褪黑素、Si单施及二者配施均可提升盐胁迫下芹菜幼苗叶片的光合作用，其中以二者配施增加幅度最大。与SS处理相比，SS+MT+Si处理下芹菜幼苗叶片的Pn、Gs及Tr分别增加59.30%、82.40%和54.11%，Ci降低37.67%，且均与SS、SS+MT及SS+Si处理差异显著(P<0.05)。说明盐胁迫会显著抑制芹菜幼苗叶片的光合作用，外源褪黑素、Si单施及二者配施均可起到显著的缓解作用，且外源褪黑素和Si具有一定的协同增效作用，以二者配施缓解效果最佳。

不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同

2.4 外源褪黑素和Si对盐胁迫下芹菜幼苗MDA和H2O2含量的影响

如图2所示，盐胁迫会显著增加芹菜幼苗叶片的MDA和H2O2含量。与CK相比，SS处理下芹菜幼苗叶片的MDA和H2O2含量分别显著增加110.19%和63.01%(P<0.05)。外源褪黑素、Si单施及二者配施均可降低盐胁迫下芹菜幼苗叶片的MDA和H2O2含量。与SS处理相比，SS+MT处理下芹菜幼苗叶片的MDA和H2O2含量分别显著降低22.13%和14.46%(P<0.05)；SS+Si处理下叶片的MDA和H2O2含量分别显著降低15.25%和8.98%(P<0.05)；褪黑素和Si配施处理(SS+MT+Si)效果更加明显，芹菜幼苗叶片的MDA和H2O2含量分别降低42.94%和29.93%，且均与SS、SS+MT及SS+Si处理差异显著(P<0.05)。说明盐胁迫会显著增加芹菜幼苗叶片的H2O2含量，导致发生膜脂过氧化。外源褪黑素、Si及二者配施均可显著降低H2O2含量，缓解膜脂过氧化程度，且二者配施具有一定的协同增效作用，效果最佳。

图2 外源褪黑素和Si对盐胁迫下芹菜幼苗MDA和H2O2含量的影响Fig.2 Effects of exogenous melatonin and silicon on MDA and H2O2 contents of celery seedlings under salt stress

2.5 外源褪黑素和Si对盐胁迫下芹菜幼苗抗氧化酶活性的影响

如图3所示，盐胁迫会显著增加芹菜幼苗的抗氧化酶活性。SS处理条件下，芹菜幼苗叶片SOD、POD、CAT及APX活性分别较CK显著增加16.27%、17.36%、31.88%和20.70%(P<0.05)。外源褪黑素、Si单施及二者配施均可进一步增加盐胁迫下芹菜幼苗叶片的抗氧化酶活性，其中以二者配施增加幅度最大。与SS处理相比，SS+MT+Si处理下芹菜幼苗叶片的SOD、POD、CAT及APX活性分别增加33.18%、40.35%、30.95%和66.43%，且均与SS、SS+MT及SS+Si处理差异显著(P<0.05)。说明盐胁迫会显著增加芹菜幼苗叶片的抗氧化酶活性，外源褪黑素、Si单施及二者配施均可起到进一步增加抗氧化酶活性的作用，从而及时清除活性氧，降低膜脂过氧化程度，以二者配施效果最佳。

图3 外源褪黑素和Si对盐胁迫下芹菜幼苗抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effects of exogenous melatonin and silicon on antioxidant enzyme activity of celery seedlings under salt stress

2.6 外源褪黑素和Si对盐胁迫下芹菜幼苗渗透调节物质含量的影响

由表3可知，盐胁迫会显著增加芹菜幼苗叶片的渗透调节物质含量。SS处理下，芹菜幼苗叶片的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分别较CK显著增加23.35%、30.89%和51.64%(P<0.05)；外源褪黑素、Si单施及二者配施均可进一步增加盐胁迫下芹菜幼苗的渗透调节物质含量。与SS相比，SS+MT处理的芹菜幼苗叶片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分别显著增加24.51%、24.39%和20.10%(P<0.05)；SS+Si处理的芹菜幼苗叶片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分别显著增加19.43%、17.17%和12.75%(P<0.05)；SS+MT+Si处理效果最佳，叶片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分别增加48.64%、58.94%和44.09%，且均与SS、SS+MT及SS+Si处理差异显著(P<0.05)。说明盐胁迫条件下，同时喷施外源褪黑素和Si可显著增加芹菜幼苗叶片的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量，从而起到调节细胞内水分平衡和保护细胞膜结构的作用。

表3 外源褪黑素和Si对盐胁迫下芹菜幼苗渗透调节物质含量的影响Tab.3 Effects of exogenous melatonin and silicon on osmoregulatory substances content of celery seedlings under salt stress

3 结论与讨论

盐胁迫是一种较为常见的非生物胁迫，不仅会对植物的生理生化功能产生影响，还会对植物生长发育产生抑制，严重时甚至导致死亡[19]。大量研究表明，喷施外源物质可明显缓解盐胁迫对植物的危害，促进植物生长[2,6-7,10]。本研究结果表明，盐胁迫会显著抑制芹菜幼苗生长，而喷施外源褪黑素或Si均可显著缓解盐胁迫对芹菜幼苗生长的抑制作用，且二者配施具有一定的协同增效作用，株高、茎粗、叶面积及干质量分别较盐胁迫处理增加22.24%、24.33%、46.74%和14.89%。本研究结果与高青海等[3]、刘月等[7]及林丽果等[15]的结果一致，其原因可能是施用外源褪黑素、Si增加了盐胁迫下植物叶片的光合效率。二者配施具有一定的协同增效作用，其原因可能是外源褪黑素、Si在缓解盐胁迫对植物危害方面的机制不同。

光合作用是植物一项重要的生理功能，是植物进行生长发育的基础，盐胁迫对植物光合作用具有显著的抑制作用[15]。本研究结果表明，盐胁迫会显著抑制芹菜幼苗叶片的光合作用，Pn、Gs和Tr均显著降低；盐胁迫条件下，喷施外源褪黑素或Si均可显著增加芹菜幼苗叶片的Pn、Gs和Tr，光合作用得到显著提升，尤其是二者配施效果更佳，Pn、Gs和Tr分别较盐胁迫处理增加59.30%、82.40%和54.11%，Ci降低37.67%。本研究结果与李菁等[6]、吴雪霞等[9]、林丽果等[15]及高玺等[20]结果较为一致，其原因可能是：一方面，外源褪黑素、Si可能提高了盐胁迫下光合酶活性，促进CO2转化；另一方面，外源褪黑素、Si可以对光合机构起到一定的保护作用，缓解了盐胁迫对光合机构的损伤，从而提高了光合效率。

盐胁迫条件下，植物体内会产生大量的活性氧自由基，从而导致细胞膜膜脂过氧化，其中，MDA含量是衡量膜脂过氧化程度的重要指标[8]。为了适应干旱环境，植物常通过提高自身的保护酶(POD、SOD、CAT、APX)活性来清除体内过量的活性氧，从而减轻活性氧对自身的伤害，维持代谢平衡[8-9]。本研究结果表明，盐胁迫会导致芹菜幼苗发生膜脂过氧化，叶片H2O2和MDA含量显著增加；同时，为了清除过量活性氧，幼苗叶片POD、SOD、CAT及APX活性均显著增加。喷施外源褪黑素、Si均可进一步增加芹菜幼苗叶片的POD、SOD、CAT及APX活性，降低H2O2和MDA含量，其中，二者配施效果更佳，SS+MT+Si处理下芹菜幼苗叶片的SOD、POD、CAT和APX活性分别增加33.18%、40.35%、30.95%和66.43%，MDA和H2O2含量分别降低42.94%和29.93%。本研究结果与叶君等[8]、吴雪霞等[9]及康建军等[14]的结果较为一致，其原因可能是外源褪黑素和Si可以提高植物叶片中抗氧化酶合成基因的表达量，提高抗氧化酶活性，增强H2O2清除能力，降低膜脂过氧化程度。

渗透调节也是植物提高耐盐性的重要机制之一，通过增加体内渗透调节物质含量来提高细胞渗透势，维持水分平衡，提高耐盐性[3]。本研究结果表明，盐胁迫会导致芹菜幼苗叶片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量显著增加；而喷施外源褪黑素、Si均可进一步增加芹菜幼苗叶片的渗透调节物质含量，其中，二者配施效果更佳，SS+MT+Si处理下芹菜幼苗叶片的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分别增加48.64%、58.94%和44.09%。本研究结果与高青海等[3]、李天哲等[16]的结果一致。说明渗透调节是外源褪黑素、Si提高植物耐盐性的重要机制之一。

综上所述，外源褪黑素、Si可显著增加盐胁迫下芹菜幼苗的抗氧化酶活性，增强活性氧自由基清除能力，降低膜脂过氧化，缓解了盐胁迫对芹菜幼苗的生长抑制及光合系统的氧化损伤，促进其生长发育；此外，还可以增加芹菜幼苗的渗透调节物质含量，维持水分平衡，显著提升耐盐性，其中，二者复配施用具有一定的协同增效作用，效果更佳。本结果可以为提高植物耐盐性和盐碱地利用效率提供一定的参考和科学依据。