外源褪黑素对低温胁迫下玉米幼苗生长和生理特性的影响

侯雯，杜卓，王丽，李林，张凯，路运才

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

玉米（Zea maysL.）祖先起源于热带、亚热带地区，为低温敏感型作物[1]。东北春玉米种植区常因低温冷害等气象因子，造成粉种、烂种，致使田间出苗率偏低，最终使产量大幅减少[2]。因此提高玉米抗低温能力，实现减灾保产具有重要意义。低温作为一种常见的非生物胁迫因子，是我国春玉米主产区主要的气象灾害[3-4]，包括冷害和冻害两种。低温胁迫会造成植物体代谢过程受阻，造成植株萎蔫、生长缓慢，叶片变黄及植物体内水分平衡遭到破坏[5]。在低温条件下，光能向化学能转化的过程受阻，吸收的光能大于转化的化学能，致使光能过剩[6]，会使活性氧增多，同时低温也会使光合作用受阻，主要是对光反应与暗反应产生影响[7-8]，叶绿素合成受阻。在低温条件下，会导致细胞膜透性增大，可溶性糖与蛋白为调节细胞渗透平衡含量升高[9]。为提高其抗低温能力，除了选育抗耐低温胁迫品种，使用外源物质也是可行的方法之一。

褪黑素是色氨酸的吲哚衍生物，自1995 年于高等植物中发现褪黑素，褪黑素在植物方面的研究就大量开展[10]，它能够促进植物生长代谢，加快萌发，调节光周期，调节产量，具有增产、延缓迟叶片衰老等功能[11-12]。褪黑素在植物抵御干旱、高温、寒害、盐渍、氧化胁迫、重金属等逆境胁迫中发挥重要的作用[10]。在玉米上，对褪黑素在耐热性[13]、干旱胁迫[14-15]、耐盐性[16-17]、抗氧化活性[18-19]及种子萌发与幼苗生长的物质代谢作用[20-21]进行了相关研究。但对低温胁迫的研究较少[19]。本研究设置不同浓度褪黑素喷施玉米幼苗叶片，旨在探讨外源褪黑素对低温胁迫下玉米幼苗的影响，为玉米抗逆减灾提供依据和途径。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

供试材料玉米种子为‘郑单958’。褪黑素试剂购自Macklin公司（CAS号：73-31-4）。

1.2 试验处理

供试材料在实验室内进行盆栽种植，在玉米幼苗生长至三叶一心，设置叶面喷施褪黑素4个处理水平，以叶面喷施清水作为对照组（CK），3次重复。其中褪黑素浓度为10、50、100、500µmol/L，分别以M1、M2、M3、M4表示，连续喷施3 d 后放入人工气候培养箱中进行低温胁迫培养，设置温度为10℃，一级光照处理9 h，黑暗条件处理15 h，培养3 d、5 d、7 d后分别取相应植株进行测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 相对含水量

玉米幼苗在低温条件下培养0 d、3 d、5 d、7 d后，各处理分别选取3株均匀一致的植株，用直尺测量玉米幼苗植株基部至顶部为株高（cm）；剪下3 株幼苗叶片用水冲洗干净后，用滤纸擦干水分，使用分析天平称其叶片鲜重，然后将叶片放入鼓风干燥箱中，80℃烘至恒重，称量干重，计算叶片相对含水量（%）。

1.3.2 生化指标

⑴叶绿素值（SPAD）测定：低温培养0 d、3 d、5 d、7 d 后，取玉米幼苗植株3 株，使用手持叶绿素仪测定SPAD 值，重复3 次。⑵过氧化物酶活性测定：本试验过氧化物酶活性的测定参照赵平[22]的方法并加以改进进行。⑶可溶性糖含量测定：在低温条件下培养0 d、3 d、5 d、7 d 后，取玉米幼苗叶片，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量[23]，重复3次。

1.4 数据分析

利用Excel进行数据整理并画图，方差分析用SPSS 17.0进行差异显著性分析（P＜0.05）；本试验中图与表中的数据分析，均为3次重复试验结果的平均值。

2 结果与分析

2.1 外源褪黑素对低温胁迫下玉米幼苗生长特性的影响

如表1 所示，对照组（CK）与其他处理组相比，单独进行低温胁迫处理的玉米幼苗生长明显受到抑制，叶面喷施不同浓度褪黑素则有效缓解了玉米幼苗受到的损伤。叶面喷施褪黑素3 d 后低温处理0 d，各组处理玉米幼苗株高无显著差异；低温胁迫处理不同天数，CK 与M1、M2、M3、M4 处理均存在显著差异。低温胁迫处理3 d 后，M1、M2、M3、M4 处理比对照组(CK)分别增加了9.11%、6.21%、17.49%、15.01%，M1 与M2、M3 与M4处理之间差异不显著，其它处理之间差异显著；低温胁迫处理5 d后，M1、M2、M3、M4处理比对照组(CK)分别增加了9.43%、17.34%、21.50%、15.21%，M2与M4处理差异不显著，其它处理之间差异显著。低温胁迫处理7 d 后，M1、M2、M3、M4 处理比对照组(CK)分别增加了3.84%、13.66%、13.94%、9.54%，M2 与M3处理差异不显著，其它处理之间差异显著。

表1 外源褪黑素对低温胁迫下玉米幼苗株高的影响Table 1 Effects of exogenous melatonin on plant height of maize seedlings under cold stress

表2 外源褪黑素对低温胁迫下玉米幼苗叶片含水量的影响Table 2 Effects of exogenous melatonin on leaf water content of maize seedlings under cold stress

如表2 所示，经过不同天数的低温胁迫，叶片相对含水量随着低温胁迫天数的增加，总体呈缓慢下降趋势，但不同处理组玉米幼苗叶片相对含水量之间并无明显差异，在低温胁迫0 d、3 d、5 d 后，相对含水量差异不显著，低温胁迫7 d后，M2处理与对照间差异显著，对照组与M1、M3、M4处理间无显著差异。

2.2 外源褪黑素对低温胁迫下玉米幼苗叶绿素SPAD值的影响

如图1所示，玉米幼苗叶绿素SPAD 值，随着低温胁迫天数的增加，总体呈下降趋势。在低温胁迫3 d后，M1 和M4 处理与对照组差异不显著，M2 和M3 与对照组相比SPAD 值分别增加了16.60%、9.94%，与对照组相比，差异显著。在低温胁迫5 d 后，M1 与M4 处理差异显著，M1 处理比M4 处理增加了9.02%，对照组与M1、M2、M3 处理差异不显著。在低温胁迫7 d 后SPAD 值总体呈下降趋势，M1、M2、M3 和M4 处理无显著差异，与对照组(CK)相比差异显著。

图1 外源褪黑素对不同天数低温胁迫下玉米幼苗叶绿素SPAD值的影响Fig.1 Effects of exogenous melatonin on chlorophyll SPAD of maize seedlings under different days of low temperature stress

2.3 外源褪黑素对低温胁迫下玉米幼苗过氧化物酶活性的影响

如图2 所示，随着低温胁迫天数的增加过氧化物酶活性持续升高。在低温胁迫0 d 后，M1、M3 与对照组（CK）之间无显著差异，与M2、M4差异显著。在低温胁迫3 d后，M1、M2、M3、M4和对照组过氧化物酶活性差异显著，分别比对照组增加了32.54%、32.54%、65.87%、42.85%。在低温胁迫5 d 后，M1、M2 和对照组差异显著，分别升高了23.63%、13.50%，M4相比对照组也升高了8.86%。在低温胁迫7 d后，M3与对照组间存在显著差异，升高了10.44%，M1、M2与对照组对比分别增加了4.67%、0.55%，但并无显著差异。

图2 外源褪黑素对不同天数低温胁迫下玉米幼苗过氧化物酶活性的影响Fig.2 Effects of melatonin on peroxidase activity of maize seedlings under different days of low temperature stress

2.4 外源褪黑素对低温胁迫下玉米幼苗可溶性糖含量的影响

如图3所示，随着低温胁迫天数不断增加，玉米幼苗各处理的可溶性糖含量总体呈上升的趋势。当低温胁迫3 d后，M3处理的可溶性糖含量比对照组(CK)下降了5.46%，但并无显著差异。当低温胁迫5 d后，M3处理的可溶性糖含量比对照组（CK）下降了9.90%，二者之间差异显著，M1 处理与其它4 组处理有显著差异。在低温胁迫7 d 后，5 个处理组，可溶性糖含量明显增加，对照组（CK）可溶性糖含量高于其它4 组处理，与其它4组处理有显著差异。

图3 外源褪黑素对不同天数低温胁迫下玉米幼苗可溶性糖的影响Fig.3 Effects of exogenous melatonin on soluble sugar of maize seedlings under different days of low temperature stress

3 讨论

植物在生长过程中会受到各种各样的环境胁迫，如高温、干旱、低温、涝渍等，低温胁迫会影响其生长代谢，使植物受到伤害，导致植物的正常生长受到抑制[2]。本研究结果表明，玉米的株高随着低温胁迫天数的增加，喷施褪黑素处理组成缓慢上升趋势，进行褪黑素处理有效地缓解了低温对玉米幼苗生长的抑制作用，这与吴雪霞等[24]研究褪黑素对低温下茄子生长的结果和高青海等[25]在低温弱光下研究褪黑素对黄瓜幼苗生长的结果一致。低温胁迫会影响光合作用叶绿素合成减少，造成叶片黄化，在本试验中，叶片SPAD 值也呈逐渐升高趋势，说明褪黑素提高了叶绿素的合成，而叶绿素在光合作用中发挥着重要的作用，因此叶面喷施褪黑素改善了低温下光合作用受损情况，提高了光反应与暗反应效率，试验结果与徐向东等[26]在高温胁迫下施加褪黑素探究黄瓜光合作用的结果一致。

过氧化物酶是代谢过程中必不可少的参与者，过氧化物酶能够清除活性氧，减少膜损伤。本试验结果发现，随着低温胁迫天数的增加，过氧化物酶活性持续上升，且叶面喷施褪黑素处理组的过氧化物酶活性明显高于对照组，与丁飞[27]在研究褪黑素缓解低温对番茄的影响的结果一致，与张娜[28]在研究褪黑素缓解渗透胁迫下黄瓜幼苗过氧化物酶的研究结论一致。在遭遇低温时，植物体内可溶性糖含量升高，维持渗透势稳定进而维持水分平衡，本研究中，随着低温胁迫天数的增加，可溶性糖含量不断上升，低温胁迫3 d、5 d 后可溶性糖上升缓慢，低温胁迫7 d后可溶性糖含量上升加快。刘洋[29]在研究褪黑素对盐胁迫下菊花的生理特性的影响有类似结论。

4 结论

综上所述，叶面喷施外源褪黑素提高了低温胁迫下玉米幼苗SPAD 值，叶绿素含量升高，提高了植株的光合效率，同时也缓解了低温胁迫对幼苗生长的损伤；通过提高过氧化物酶活性，增强了植株抗氧化能力，从而延缓了叶片衰老萎蔫，有利于玉米的生长。综上可知，叶面喷施外源褪黑素有利于缓解低温胁迫对玉米生长的影响，在一定程度上起到了减灾防灾的作用。