外源褪黑素对低温胁迫下大白菜幼苗生长及生理特性的影响

李欠敏,杨琳,段巧红,黄家保

外源褪黑素对低温胁迫下大白菜幼苗生长及生理特性的影响

李欠敏,杨琳,段巧红,黄家保*

山东农业大学园艺科学与工程学院/作物生物学国家重点实验室, 山东 泰安 271018

为探究褪黑素对低温胁迫下大白菜幼苗的影响，本研究以大白菜品种“靓冠热”为试材，分别用10 μmol·L-1、100 μmol·L-1和500 μmol·L-1的褪黑素预处理白菜幼苗，而后置于低温培养箱模拟冷胁迫环境，最后测定各项生长和生理指标。结果表明，经过外源褪黑素预处理的白菜幼苗的根长、株高、叶长、茎粗、鲜重、干重、根冠比、壮苗指数和G值等生长指标比未处理的幼苗有显著提升，其中100 μmol·L-1褪黑素处理后根长、株高、叶长、茎粗分别增加51.5%、26.9%、62.1%和34.5%，鲜重、干重、根冠比、壮苗指数和G值分别增加127.0%、155.4%、16.5%、26.6%和127.3%。净光合速率和可溶性蛋白总含量分别增加110.1%和58.4%，抗氧化相关酶SOD、POD和APX的活性分别增加86.3%、95.6%和21.0%，同时抗性生理指标丙二醛含量降低21.9%。说明喷施外源褪黑素能显著增强大白菜的低温耐受性。

大白菜; 低温胁迫; 褪黑素; 生长特性; 生理特性

大白菜（ssp）属于十字花科芸薹属蔬菜作物，深受我国广大民众喜爱，2020年全国栽植面积为184.5万hm2，在所有蔬菜中排行第二[1]。其中设施栽培的面积约占全部面积的4%，说明大部分大白菜为露天栽植，这导致其生产容易受天气影响[2]。

冷害是大白菜生产过程中面临的重要危害。低温会造成大白菜生长缓慢、易腐烂、叶片上出现水渍状的斑点等生长胁迫，最终导致大白菜减产[3]。在大白菜的生理特性方面，低温胁迫会导致其净光合速率下降和光合反应活性减小[4]，此外大白菜叶片中的SOD、POD等抗氧化相关的酶活性均显著下降，而代表植物损伤程度的重要抗性生理指标-丙二醛（MDA）与游离脯氨酸（PRO）的含量均出现上升[5]。

褪黑素(melatonin，MT)是由色氨酸脱羧酶、色胺5-羟化酶、5-羟色胺N-乙酰转移酶和N-乙酰-5-羟色胺甲基转移酶合成的内源性有益吲哚胺[6]。已有的研究表明褪黑素在植物抗逆性方面发挥重要作用。在园艺作物方面，Posmyk等在2009年用MT溶液浸泡黄瓜种子后，发现可以显著提高低温胁迫下黄瓜种子的发芽率[7]。Aghdam等在2017年用褪黑素处理采摘后的草莓果实，发现其H2O2积累，触发了苯丙烷途径的活性，强化了细胞壁，抵抗外来病原菌的入侵，减缓果实的衰老[8]。包宇在2014年通过喷施外源MT的方法，缓解了番茄幼苗受到的低温胁迫[9]。但是MT在大白菜低温胁迫中的作用还未有研究。本文探究了外源褪黑素对低温胁迫下大白菜幼苗生长、光合作用、活性氧代谢、丙二醛等生长和生理指标的影响，旨在探明褪黑素在缓解低温胁迫方面的功能及作用机理，为减轻低温对大白菜产生的危害提供新的思路和手段，拓展褪黑素在植物中的应用范围。

1 材料与方法

1.1 实验材料与处理

本试验中所用大白菜品种为"靓冠热"白菜。试验于2020年11月至2021年1月在山东农业大学科研基地温室大棚进行。10月17日播种，种子发芽后进行幼苗筛选，选择长势相同幼苗，进行外源MT喷施处理，使用的MT浓度为10、100、500 μmol.L-1，对照则用蒸馏水处理，重复3次。外源MT叶面喷施3次，每次喷施间隔2 d，以确保大白菜幼苗充分吸收MT。处理结束后，使大白菜幼苗受到低温处理，培养箱参数设置为:光周期12 h(昼)/12 h(夜)，光照强度100%，温度为昼5 ℃/夜5 ℃，相对湿度为75%。低温胁迫24 h后检测SOD(超氧化物歧化酶)、POD(过氧化物酶)、CAT(过氧化氢酶)、APX(抗坏血酸)、可溶性蛋白、MDA(丙二醛)。低温胁迫10 d后，进行生长指标的数据检测，分别从3个处理以及对照组中随机选取10株幼苗，以减小误差。

1.2 测定项目与方法

使用直尺直接测量大白菜幼苗的根长、株高以及叶长；使用游标卡尺测量大白菜幼苗茎粗；鲜重使用电子天平称量；干重测量需要先对大白菜幼苗105 ℃杀青20 min，随后改温度为80 ℃烘干24 h，烘干后用电子天平称量[10]。壮苗指数=茎粗(mm)/株高(cm)，G值=全株干质量(g)/育苗天数(d) ，根冠比=地下部干质量(g)/地上部干重(g)。光合特性相关数据的测定采用王义坤的方法[11]。可溶性蛋白的测量采用考马斯亮兰G-250染色法[12]。SOD（超氧化物歧化酶）的测量采用氮蓝四唑法（NBT）[13]，POD(过氧化物酶)的测量采用愈创木酚法[14]，CAT（过氧化氢酶）的测量采用Singh的方法[15]，抗坏血酸过氧化物酶（APX）的测量采用邹琦的方法[16]。MDA(丙二醛)的测量采用Heath的方法[17]。

1.3 数据处理

使用WPS软件整理测量所得数据，SPSS 20数据处理系统分析数据方差并进行显著性差异检验，<0.05，表格的绘制使用WPS软件，柱状图的绘制使用Prsim 8.0，用Photoshop软件整理图版。

2 结果与分析

2.1 外源MT对低温胁迫下大白菜幼苗生长特性的影响

为了观察MT对低温胁迫下大白菜幼苗生长的影响，我们对幼苗低温胁迫10 d后进行各项生长指标检测。结果表明，在低温胁迫下，与未喷施MT的相比，浓度10 μmol·L-1、100 μmol·L-1和500 μmol·L-1的MT处理的大白菜幼苗根长分别增加18.1%、51.5%和22.7%，叶长分别增加28.0%、62.1%、30.3%，茎粗分别增加22.0%、34.5%、20.6%，鲜重分别增加64.8%、127.0%、45.4%，干重分别增加62.7%、155.4%、45.1%，根冠比分别增加14.1%、16.5%、8.0%，G值分别增加62.5%、127.3%、44.3%。此外，100 μmol·L-1和500 μmol·L-1的MT处理后株高分别增加26.9%、39.0%，但10 μmol·L-1MT处理后减少3.6%；而类似浓度处理后壮苗指数分别增加26.6%、6.2%和减少13.2%。绝大多数指标均以100 μmol·L-1浓度MT处理时效果最佳（图1，表1）。这些结果说明MT能够促进低温胁迫下大白菜幼苗的生长。

图 1 外源MT处理对低温胁迫10 d后大白菜幼苗的影响

表 1 外源MT处理对低温胁迫10 d后大白菜幼苗生长特性的影响

注: 同一栏中的不同字母表示在0.05水平差异显著。

Note: The different letters on the same columns showed there were significant differences at 0.05 level.

2.2 外源MT对低温胁迫下大白菜幼苗生理特性的影响

2.2.1 外源MT对低温胁迫下大白菜幼苗光合参数的影响光合参数是反应植物光合作用强弱的指标。在低温胁迫下，与未喷施MT相比，浓度为10 μmol·L-1、100 μmol·L-1、500 μmol·L-1处理的大白菜幼苗的净光合速率分别增加38.7%、110.1%、29.4%（图2A）；10 μmol·L-1和100 μmol·L-1处理后气孔导度分别增加8.1%、13.0%，而500 μmol·L-1处理的大白菜幼苗的气孔导度减少4.3%，可能是浓度太高造成了胁迫（图2B）；10 μmol·L-1、100 μmol·L-1、500 μmol·L-1处理后胞间CO2浓度分别减少12.7%、9.8%、1.1%（图2C）。此外，上述三个浓度处理后可溶性蛋白含量分别增加45.8%、58.4%、31.8%。这些结果进一步说明MT能够促进白菜幼苗在低温胁迫下的营养生长。

图 2 外源MT对低温胁迫下大白菜幼苗光合参数和可溶性蛋白含量的影响

图 3 外源MT对低温胁迫下大白菜幼苗抗氧化酶活性的影响

2.2.2 外源MT对低温胁迫下大白菜幼苗抗氧化酶活性的影响活性氧在逆境胁迫下会在植物体中大量积累，而抗氧化酶在对抗这种不利的生理变化中发挥重要作用。我们研究发现，在低温胁迫下，浓度为10 μmol·L-1、100 μmol·L-1、500 μmol·L-1MT预处理的大白菜幼苗中SOD酶活性分别增加100.5%、86.3%、20.0%，POD酶活性分别增加55.0%、95.6%、68.4%，CAT酶活性分别增加7.3%、21.0%、8.9%（图3），暗示大白菜可能通过提高抗氧化酶的活性来应对冷害引起的活性氧积累，从而减轻对细胞的毒害。

2.2.3 外源MT对低温胁迫下大白菜幼苗MDA含量的影响研究表明MDA含量可以反映植物受逆境的损伤程度[18]。在低温胁迫下，浓度为10 μmol·L-1、100 μmol·L-1、500 μmol·L-1的MT处理过的大白菜幼苗MDA含量分别减少10.2%、21.9%、7.7%。100 μmol·L-1浓度的MT效果最佳（图4）。说明MT能减缓冷胁迫对植物造成的伤害。

图 4 外源MT对低温胁迫下大白菜幼苗MDA含量的影响

3 讨 论

MT在降低植物逆境胁迫损伤中作用已在多个物种中得到证明。本研究以大白菜为研究对象，通过对低温胁迫下的幼苗叶面喷施MT后测量各项生长和生理指标，表明MT可以在一定程度上促进低温胁迫下大白菜幼苗的营养生长，提高叶片的净光合速率，缓解大白菜幼苗受到低温胁迫所产生的不利影响，从而增强大白菜幼苗对低温的适应能力。

研究表明，低温胁迫会造成体内ROS大量积累，破坏植物体内抗氧化酶系统的平衡。胡俊杰等研究发现菜用大豆在受到低温胁迫时，其体内的ROS含量显著增加[19]。在逆境下，ROS诱导的膜脂过氧化会产生MDA，因此MDA的含量也能作为植物受伤害程度的指标之一[20]。MT是一种理想的抗氧化剂，外源MT施加提高了大白菜体内的SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，清除了大白菜幼苗体内因受低温胁迫而积累的ROS。史中飞等人研究发现，受到低温胁迫的油菜幼苗在施加外源MT后可以显著降低体内的ROS与MDA含量，SOD、POD、CAT的活性明显提高，增强了油菜对低温的耐受性[21]，这与本文的研究结果类似。本研究拓展了褪黑素在园艺作物中的应用范围。

4 结 论

喷施外源MT可以使低温胁迫下大白菜幼苗抗氧化酶活性增强，MDA含量下降，从而有助于促进低温条件下大白菜幼苗的正常生长。MT的最佳使用浓度为100 µmol.L-1。

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Effects of Exogenous Melatonin on the Growth and Physiological Characteristics of Chinese Cabbage Seedlings under Chilling Stress

LI Qian-min, YANG Lin, DUAN Qiao-hong, HUANG Jia-bao*

271018,

To explore effects of melatonin (MT) on Chinese cabbage under chilling stress, exogenous MT at concentration of 10 μmol·L-1, 100 μmol·L-1and 500 μmol·L-1were used for seedling treatment before applying chill stress. The results showed that root length, plant height, leaf length and stem diameter were increased by 51.5%、26.9%、62.1% and 34.5% after 100 μmol·L-1MT treatment compared with CK seedlings. The fresh weight, dry weight, root-crown ratio, strong seedling index and G-value of MT-treated seedlings were increased by 127.0%, 155.4%, 16.5%, 26.6% and 127.3%. The physiological characteristics like net photosynthetic rate and total soluble protein were increased by 110.1% and 58.4%. The activity of antioxidant enzyme such as SOD, POD, CAT and APX were increased by 86.3%, 95.6% and 21.0% after application of MT. Consist with this, the content of MDA was reduced which indicated MT indeed reduce the physiological impairment induced by low temperature. These results demonstrate the MT treatment enhance the tolerance to chilling stress for Chinese cabbage.

ssp; chilling stress; melatonin; growth characteristics; physiological characteristics

S634.1

A

1000-2324(2021)02-0182-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.004

2021-01-12

2021-02-25

山东农业大学高层次人才引进启动经费

李欠敏(1996-),男,硕士研究生,专业方向:蔬菜抗逆生理. E-mail:1366955039@qq.com

Author for correspondence. E-mail:jbhuang2018@outlook.com