外源褪黑素对黄瓜幼苗生长特性的影响

刘婷婷，翟锡姣，卫旭阳，邢国明，郑少文

（山西农业大学园艺学院，山西太谷030801）

褪黑素（melatonin，MT）是生物体内常见的一种色氨酸衍生物质，又称为美拉酮宁、抑黑素、松果腺素，化学名称为N- 乙酰基-5- 甲氧基色胺，最早是LERNER 等[1]从动物松果体中提取得到，到1995 年有研究人员从植物中提取出褪黑素，之后ARNAO等[2]开始进一步研究植物体内褪黑素的功能。ZHANG等[3]的研究发现，褪黑素处理能够缓解渗透胁迫下黄瓜的胚根发育和根系活力受到的影响。王伟香等[4]研究结果表明，在硝酸盐胁迫的环境下，黄瓜幼苗体内会积累过量的O2-和H2O2，导致植物的细胞膜发生过氧化现象，从而使其O2-和MDA 的含量增加，黄瓜幼苗的过氧化物酶活性升高，并且随着盐胁迫时间的延长，黄瓜幼苗的酶活性会受到影响而呈现显著下降的趋势；但在经过外源褪黑素处理之后，黄瓜幼苗过氧化作用受到不同程度的缓解。褪黑素作为植物体内一种有效的自由基清除剂，可以有效缓解植物体遭受的非生物胁迫伤害。褪黑素还可以促进植物生根和植物生长。MURCH 等[5]运用组织培养的方式进行了探索，发现改变植物组织内褪黑素浓度会影响根的发育。

黄瓜（Cucumis sativusL.）是一种世界性蔬菜，在我国的栽培历史悠久，因其风味独特而深受消费者欢迎，其食用方法很多，并且具有多种食补功效。但在黄瓜的栽培生产中仍存在很多问题，其中，育苗期间幼苗对环境的适应能力将会影响到黄瓜幼苗的生长。

本试验以生产中常用的密刺型黄瓜为研究材料，通过测定不同浓度褪黑素处理下，不同生长阶段黄瓜幼苗的生长指标以及抗氧化酶活性、渗透调节物质含量和光合色素含量等相关指标的变化，旨在为探索外源褪黑素对黄瓜幼苗生长的影响提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020 年在太谷县山西农业大学园艺学院园艺站的温室中进行。该试验地属于华北地区，温带大陆性气候，春季温度高于秋季，夏季炎热，冬季严寒，日光温室冬季的光照时间为8 h 左右。

1.2 试验材料

供试黄瓜品种为新泰密刺，购于山东省泰安市祥云种业有限公司。试验所用褪黑素购于北京索莱宝科技有限公司。

1.3 试验设计

试验采用温汤浸种的方式处理黄瓜种子，处理后播在5×10 孔的穴盘中进行育苗；待黄瓜幼苗长出2 片子叶时，挑选长势一致的幼苗分成5 组，进行褪黑素喷施处理。褪黑素喷施浓度分别为：0（M0）、50（M1）、100（M2）、150（M3）、200 μmol/L（M4），以0 mol/L 为对照。将不同浓度的褪黑素溶液喷施在黄瓜幼苗叶的正反两面，每隔2 d 喷施一次，处理时间为20：30 左右（暗环境），每个处理浓度设置10 个重复。至幼苗长至两叶一心时，将幼苗移栽至小花盆（10 cm×10 cm）中定植，定植后采用褪黑素处理幼苗的方法同上。分别于移栽后的第7、10、15、20 天测定样本的相关生长指标，20 d 后取黄瓜幼苗同一叶位的功能叶测定其相关生理指标。

1.4 测定指标及方法

采用直尺测定黄瓜幼苗的株高（生长点至茎基部）、叶长、叶宽，采用游标卡尺测定黄瓜幼苗的茎粗；用称重法测定黄瓜幼苗的干鲜质量。

取植株从上往下数的第3～5 节叶位的叶片，采用文献[6]的方法测定植株叶绿素含量。使用便携式手持荧光仪测定黄瓜幼苗的荧光参数。

超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑法测定；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚显色法测定；过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法[7]测定；超氧阴离子含量采用羟胺氧化方法测定。

可溶性糖含量采用硫酸- 苯酚法测定；可溶性蛋白含量采用G-250（考马斯亮蓝）法[8]测定；脯氨酸含量采用磺基水杨酸法测定。总多酚含量采用Folin 法[9]测定；总黄酮含量采用超声波提取法（参照董江涛等[10]的方法并进行改良）测定。

1.5 数据处理

采用GraPhad Pism 软件处理数据，采用SAS 9.0 软件对数据进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 外源褪黑素对黄瓜幼苗生长特性的影响

由图1 可知，于褪黑素处理黄瓜幼苗后的第7、10、15、20 天分别测量了幼苗的株高、茎粗、叶长、叶宽等生长指标，结果表明，在处理的第15～20 天时，幼苗的株高增长最明显，并且处理M2 的黄瓜幼苗株高的涨幅明显高于处理M1、M3、M4，同时显著高于对照黄瓜幼苗的株高。不同处理下黄瓜幼苗的茎粗、叶长和叶宽的变化趋势较为一致，并且处理M2 黄瓜幼苗的茎粗、叶长和叶宽均高于对照，但差异不显著；处理M1、M3 和M4 与对照之间差异也均不显著。

2.2 外源褪黑素对黄瓜幼苗抗逆物质的影响

由图2 可知，不同浓度外源褪黑素处理黄瓜幼苗叶片后，其SOD 活性间差异显著；当外源褪黑素浓度为 100 μmol/L（M2）时，其 SOD 活性较对照高6%，且差异显著；处理M3 和M4 的SOD 活性分别较对照提高1.6%和0.3%，处理M1 的SOD 活性较对照低0.8%，但差异均不显著。不同浓度外源褪黑素处理下，黄瓜幼苗叶片的POD 活性变化趋势与其SOD 活性的变化趋势相似，当外源褪黑素浓度为50、100 μmol/L时，处理组黄瓜幼苗叶片的 POD 活性较对照分别高8.1%和8.4%，且差异显著；当外源褪黑素浓度为150、200 μmol/L时，其POD 活性较对照分别高0.6%和2.1%，差异不显著。

由图2 可知，不同浓度外源褪黑素处理后，对照的黄瓜幼苗叶片的CAT 活性分别较处理M1、M3和M4 高6.0%、21.7%和19.5%，并且处理 M3 和M4 与对照之间差异显著，处理M1 与对照之间差异不显著；处理M2 的黄瓜幼苗叶片的CAT 活性较对照高5.6%，但差异不显著。不同浓度外源褪黑素处理后，处理 M1、M2、M3 和 M4 的黄瓜幼苗叶片的超氧阴离子含量分别较对照低21.2%、31.0%、27.8%和9.4%，并且差异均达显著水平；褪黑素处理浓度为100 μmol/L 时，黄瓜幼苗叶片中超氧阴离子含量达到最低水平，为2.92 μg/g。

2.3 外源褪黑素对黄瓜幼苗渗透调节物质的影响

由图3 可知，在不同浓度外源褪黑素处理下，黄瓜幼苗的可溶性蛋白含量间差异达显著水平；在浓度为100 μmol/L 的外源褪黑素处理下，黄瓜幼苗的可溶性蛋白含量较对照高32.6%，较处理M1、M3和M4 分别高19.8%、9.7%和18.8%，且差异均达显著水平。

由图3 可知，不同浓度外源褪黑素处理下，黄瓜幼苗的可溶性糖含量的变化趋势与可溶性蛋白含量的变化趋势一致，差异达到显著水平；褪黑素处理浓度为100 μmol/L 时，黄瓜幼苗的可溶性糖含量较对照高22.6%，差异显著；并且处理M2 的黄瓜幼苗可溶性糖含量分别较处理M1 和M4 高13.8%和15.7%，差异达到显著水平；处理M2 较处理M3的黄瓜幼苗可溶性糖含量高4.3%，但差异不显著。

脯氨酸是一种对植物渗透胁迫起到保护作用的物质。从图3 可以看出，褪黑素处理浓度为100 μmol/L 时，处理的黄瓜幼苗脯氨酸含量较对照高2.6%，但差异不显著；当处理组褪黑素浓度为50、150、200 μmol/L 时，黄瓜幼苗的脯氨酸含量分别较对照低5.4%、10.9%和11.2%，且差异显著。结果表明，当外源褪黑素处理浓度为100 μmol/L 时，处理效果较好。

2.4 外源褪黑素对黄瓜幼苗光合色素含量与荧光参数的影响

由表1 可知，黄瓜幼苗叶片在不同的外源褪黑素处理20 d 后，当外源褪黑素浓度为100 μmol/L时，黄瓜幼苗叶片的叶绿素a 含量较对照高1%，差异不显著；当外源褪黑素浓度为50、150、200 μmol/L时，其叶绿素a 含量分别较对照低21%、14%和7%，处理M1 和M3 的黄瓜幼苗叶绿素a 含量与对照间差异显著。

表1 不同褪黑素处理下黄瓜幼苗叶绿素含量的变化 mg/g

叶绿素b 含量的变化趋势与叶绿素a 趋于一致；外源褪黑素处理M1、M2、M3 和M4 的叶绿素b含量分别较对照低28%、4%、14%和20%；外源褪黑素处理M2 和M3 与对照之间差异不显著；处理M1 和M4 的叶绿素b 含量均显著低于对照。

外源褪黑素处理的黄瓜幼苗类胡萝卜素含量均显著低于对照，而且褪黑素处理M1、M2、M3 和M4 的类胡萝卜素含量分别较对照低28%、12%、24%和15%，且差异均达到显著水平；褪黑素处理M2 和M4 之间差异不显著。黄瓜幼苗叶绿素总含量与叶绿素b 含量的变化趋势一致，当外源褪黑素处理浓度为 100 μmol/L（M2）时，与对照间差异不显著；并且处理M2 的叶绿素总含量分别较处理M1、M3和M4 高23%、15%和10%，差异均达到显著水平。

由图4 可知，在不同浓度外源褪黑素处理下，黄瓜幼苗的PSⅡ最大光化学效率值均在0.8 左右，处理M2 较对照高0.001，处理M1、M3 和M4 分别较对照低0.007 5、0.006 6 和0.050 9，差异均不显著。在不同浓度外源褪黑素处理下，处理M2 黄瓜幼苗的电子传递量子产率值较对照高5.02%，较处理M1 和M3 分别高3.7%和5.7%，差异不显著；较处理M4 高9.9%，差异显著。

2.5 外源褪黑素对黄瓜幼苗总黄酮和总多酚含量的影响

由图5 可知，在不同外源褪黑素处理下，黄瓜幼苗叶片的总黄酮含量都有升高；处理M1、M2、M3和M4 中黄瓜幼苗的总黄酮含量分别较对照高42%、187%、126%和 24%，其中，处理 M2 和 M3 的黄瓜叶片总黄酮含量与对照间差异显著，处理M1 和M4的黄瓜叶片总黄酮含量与对照间差异均不显著。

由图5 还可知，不同浓度褪黑素处理后黄瓜幼苗叶片的总多酚含量与总黄酮含量的变化趋势一致，外源褪黑素处理M2 的效果最佳，黄瓜幼苗叶片的总多酚含量较对照高67%，差异显著；处理M1、M3 和M4 的黄瓜幼苗叶片的总多酚含量分别较对照高33%、41%和22%，差异均显著。

3 结论与讨论

SOD、POD、CAT 是植物体内重要的酶促防御机制中的保护酶，能够有效清除活性氧，从而增强幼苗的抗性。本试验结果表明，当外源褪黑素处理浓度为 100 μmol/L 时，黄瓜幼苗的 SOD、POD、CAT活性分别较对照提高6.0%、8.4%和5.6%，SOD 和POD 活性达到了显著水平，而CAT 活性的变化未达到显著水平。可溶性糖和可溶性蛋白含量的变化反映了植物的总体代谢水平[11]。王丽英[12]研究发现，在逆境胁迫环境中，植株的可溶性蛋白含量呈先升高后下降的趋势，同时在褪黑素处理后其可溶性糖和可溶性蛋白的含量会显著升高[13]。刘政等[14]研究发现，外源褪黑素处理后，盐胁迫环境中月季叶片中抗坏血酸、可溶性蛋白质和脯氨酸的质量分数以及月季的渗透调节能力得到显著提高。本研究中，在褪黑素处理后黄瓜幼苗的可溶性糖和可溶性蛋白的含量均显著升高，并且在褪黑素处理浓度为100 μmol/L 时效果最佳。

植物生长过程中常会遇到水分过多或缺水引起的渗透胁迫，植物体自身会从低水势的介质中吸收水分从而来维持植物体自身的水分平衡，同时维持其压力势来保证植物的正常生理生化过程，可见降低渗透势是一种很重要的调节方式，另外植物的渗透势与植物体内的多种渗透调节物质也有很密切的关系[15]。刘建龙等[16]研究指出，O2-的含量是植物受氧化胁迫损伤的指标，含量越高表明植物体受到的伤害越大。褪黑素浓度适宜时可以降低植物体内活性氧的积累，以减轻植物的膜脂过氧化程度，从而提高其氧自由基清除能力[17]。本研究的黄瓜育苗过程中，定期浇水也会使植株产生轻度渗透胁迫，在褪黑素处理后，幼苗的O2-含量显著降低，并且在处理浓度为100 μmol/L 时，幼苗的O2-含量较对照低31%，差异显著。张娜等[18]研究发现，褪黑素预处理后，狼尾草的脯氨酸含量提高，维持了植株渗透压的平衡。植物体内的脯氨酸含量是反映植物抗逆性的指标，脯氨酸含量越高，抗逆性越强[19]。本研究中100 μmol/L 褪黑素处理后黄瓜幼苗的脯氨酸含量显著高于其他处理，且较对照高2.6%，但与对照之间的差异不显著。

叶绿素是植物进行光合作用的物质基础，主要包括叶绿素a 和叶绿素b，有着捕获和传递光能的作用，这2 种叶绿素含量反映了类囊体在叶绿体中的垛叠程度，表明光能向生物化学能的转化效率[20]。叶绿素含量下降的原因可能是细胞内过量的Na+直接置换叶绿体中的Mg2+，致使叶绿素的分子结构遭到破坏而降低了叶绿素含量[21]。杨小龙等[22]研究表明，褪黑素处理更利于干旱胁迫下番茄叶片PSⅡ光化学反应的高效进行，具有缓解干旱胁迫对PSⅡ光抑制的作用。植物体内叶绿素含量的变化会影响植物光合作用的生物能过程。本研究结果发现，通过在夜间喷施外源褪黑素后，与对照相比，处理组黄瓜幼苗的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量均呈现下降趋势，但100 μmol/L 褪黑素处理下的黄瓜幼苗叶绿素含量高于其他处理。本试验中，不同浓度褪黑素处理黄瓜幼苗后，不同处理与对照之间PSⅡ最大光化学效率和电子传递量子产率均未出现显著性差异。

田雨菁等[23]研究发现，外源褪黑素预处理可以有效提高植物幼苗体内总酚、总黄酮、总黄烷醇含量，从而增强清除活性氧能力，抑制脂质过氧化，这与本研究的结果一致，通过不同浓度外源褪黑素的处理，黄瓜幼苗叶片的总黄酮和总多酚的含量与对照相比均呈现显著升高，并且在处理M2 和M3 的效果最显著。本试验通过相关的生理数据表明了外源褪黑素对黄瓜幼苗生长特性的影响，但在分子水平的影响机制还有待进一步研究。